Fatigue assessment of transverse welded butt joints under very high cycle fatigue loading

Abstract

A screen intended for raw material screening is under continuous cyclic loading. Although structures are designed so that stresses are low, fatigue failures are common. This master's thesis investigates the welded transverse butt joints of an oscillating screens frame structure under fatigue loading. The main frame is connected to the centre hub by butt joints, to which the rotating counterweight is attached. There were 32 joints under inspection, and the goal was to determine the maximum stress range, and type of loading, and calculate the lifetime of the critical joint.

The theoretical part of the thesis discusses the behaviour of welded structures under fatigue loading. Additionally, quality-related viewpoints, post-weld treatment methods, and the challenge posed by very high cycle fatigue are addressed. The investigation part consists of screening the critical area of the structure and calculating its lifespan using nominal stress, hot spot stress, and effective notch stress methods.

As a result, the critical joint, stress range, and stress ratio were determined using the nominal stress, hot spot stress, and effective notch stress methods. The nominal stress method was found to be too inaccurate to describe the real situation. Based on the structural and effective stress ranges, the joint achieves the required lifespan, but post-weld treatments are recommended due to very high cycle fatigue.

For further research, it is recommended to do fatigue tests with actual welding quality so that calculations can be performed using more precise parameters, as scientific evidence is currently lacking.

Raakamateriaalin seulontaa varten tarkoitettu seula on jatkuvan väsyttävän kuormituksen alaisena. Vaikka rakenteet ovat suunniteltu niin, että jännityksen ovat matalia, on väsymisen aiheuttamat murtumat yleisiä. Tässä diplomityössä tutkitaan oskilloivan seulan runkorakenteen hitsattuja poikittaisia päittäisliitoksia väsymiskuormituksessa. Päärunko yhdistetään päittäisliitoksilla keskiöön, johon pyörivä vastapaino kiinnitetään. Tarkasteltavia liitoksia oli 32 kappaletta ja tavoitteena oli määrittää suurin jännitysvaihteluväli, kuormitustyyppi ja laskea kriittisen liitoksen elinikä.

Työn teoreettisessa osuudessa käsitellään hitsattujen rakenteiden käyttäytymistä väsyttävän kuormituksen alaisena. Lisäksi tutkitaan jälkikäsittelymenetelmien tuomia mahdollisuuksia parantamaan väsymislujuutta sekä erittäin suurten kuormanvaihtojen tuomaa haastetta tarkastelun kannalta. Käytännön osuus koostuu sekä rakenteen kriittisen alueen seulomisesta sekä eliniän laskemisesta käyttäen nimellisen-, rakenteellisen- sekä tehollisen lovijännityksen menetelmää.

Lopputuloksena työssä saatiin määriteltyä kriittinen liitos, jännitysvaihteluväli sekä jännityssuhde nimellisen, rakenteellisen- ja tehollisen lovijännityksen menetelmä avulla. Nimellisen jännityksen menetelmä todettiin olevan liian epätarkka kuvaamaan todellista tilannetta. Rakenteellisen- ja tehollisen lovijännitykset perusteella liitos saavuttaa vaaditun eliniän, mutta jälkikäsittelyjä suositellaan erittäin suurten kuormanvaihtojen vuoksi.

Jatkotutkimuksena suositellaan väsytyskokeita todellisella hitsauslaadulla, jotta laskenta voidaan suorittaa täsmällisempiä parametreja käyttäen, sillä tieteellinen näyttö on toistaiseksi puutteellista.