Fatigue assessment of a tube-to-flange weld joint

Abstract

This masters’ thesis focused on assessment and improvement of a weld joint in a shaft that is subjected to cyclic loading. The tube-to-flange joint is a part of an industrial machine that is rotating, and as such is under fully reversing stress ratio. Fatigue lives of existing structures are assessed with various methods. The effects of changing various geometrical parameters are analyzed utilizing finite element modelling. Physical test pieces are welded as they would be in production, and macrographic images are captured of the weld joint cross-sections. Properties of the test pieces are imported to FE-models and the impact of their shape observed. Different fatigue life approaches are utilized and compared in practicality and conservativeness.

Various trends of possible improvements were identified in the joint, namely in the weld root, toe and throat thickness. Penetration of the weld is critical to the fatigue life of the root. Toe radius is important to the weld toe, as well as the shape of the fillet. Post-weld treatments could be beneficial at the weld toe. Throat thickness could be reduced, if it is deemed beneficial from a manufacturing perspective. Thickness of the tube wall should be considered in the design of the joint. FAT classes were determined for a few joint details and the results seem conservative. Different fatigue calculation methods were compared, and their strengths and weaknesses discussed.

Tämä diplomityö tarkastelee akselin hitsiliitosta, joka on väsyttävän kuormituksen alaisena. Putki-laippaliitos on pyörivä osa teollisuuskonetta, jolloin siihen kohdistuu jatkuvasti kääntyvä kuormitus. Nykyisten rakenteiden väsymiskestävyys selvitetään ja geometristen muuttujien vaikutusta tarkastellaan äärellisen elementtimenetelmän (FE) avulla. Fyysisiä testilaippoja hitsataan, joiden poikkileikkauksesta otetaan makrohiekuvia. Makrokuvien hitseistä voidaan tuoda ominaisuuksia FE-malleihin ja tarkastella niiden kestävyyksiä. Tutkimuksessa käytettiin erilaisia väsymislaskentamenetelmiä, ja vertailtiin niiden käytännöllisyyttä sekä konservatiivisuutta.

Hitsiliitokselle löydettiin tapoja parantaa kestoikää. Hitsin juuren tunkeuma on kriittinen juuren väsymiselle. Rajaviivan pyöristyssäde, sekä koko pienan jouhevuus on tärkeä. Jälkikäsittelymenetelmät voivat olla hyödyllisiä rajaviivalle. Hitsin a-mittaa voidaan pienentää, jos se todetaan hyödylliseksi valmistusnäkökulmasta. Liitoksen suunnittelussa tulisi ottaa huomioon putken seinämänpaksuus. Muutamalle liitokselle määritettiin FAT-luokkia, ja tulokset vaikuttavat konservatiivisilta. Eri väsymislaskentamenetelmiä vertailtiin, sekä niiden vahvuuksia ja heikkouksia pohdittiin.