Fatigue performance of steel to aluminium transition joint produced with explosion welding

Abstract

Importance of reducing weight of moving structures is gaining importance due to focus of reducing emissions. One method to reduce weight is to replace less loaded parts of steel structures with aluminium. In this thesis, overall performance, with focus on fatigue performance, of steel – aluminium transition joint produced by explosion welding was optimized. The transition joint composes of A516 gr. 55 steel and 5086 aluminium, with Al 1050A intermediate layer and end are welded to plates of S355 steel and 5058 aluminium. Finite element analysis was conducted to help understand effect of different geometrical variables to the stress distribution throughout the joint. Experimental testing includes quasistatic tensile tests, fatigue testing and metallographic evaluation of the joint and failure surface of a fatigue test sample.

In fatigue testing transition joints steel – aluminium interface was found fatigue critical when aluminium plate was through welded, with performance of FATchar = 13 MPa slope m = 3.4. However, in fillet weld configuration, aluminium plates weld root becomes both fatigue-, and static critical. To optimise joint configuration, through welded aluminium plate should be used and thickness of transition joint should be 2.5 times the width of the aluminium plate.

Liikkuvien rakenteiden painon alentamisen tärkeys on kasvanut, kun päästöjen vähintämiseen kiinnitetään enemmän huomiota. Yksi tapa keventää rakenteita on korvata teräsrakenteen vähemmän kuormitetut osat alumiinilla. Tässä työssä räjähdyshitsatun teräs – alumiini siirtymäliitoksen kokonais geometria optimisoidaan yleisen, sekä väsymis kestävyyden näkökulmista. Siirtymäliitos koostuu A516 gr. 55 teräksestä ja 5058 alumiinista, sekä 1050A alumiini välikerroksesta. Teräs on hitsattu S355 teräslevyyn ja alumiini 5058 alumiinilevyyn. Liitokselle tehdyllä FE-analyysillä pyrittiin löytämään ymmärrys eri geometria muuttujien vaikutksille jännitysten jakautumiseen ja väsymis kestävyyteen. Kokelliseen testaukseen kuuluivat staatiset vetokokeen, väsymis kokeet, sekä liitoksen ja vaurio pinnan metallografinen tarkastelu.

Väsytys kokeissa teräs – alumiini rajapinta oli kriittinen kun alumiinilevy oli läpihitsattu. Väsymis kestävyys siirtymäliitokselle oli FATchar = 13 MPa kulmakertoimella m = 3.4. Kun alumiini levy on hitsattu pienaliitoksella, alumiinilevyn juuren väsyminen ja staattinen lujuus oli kriittinen. Rakenteen optimoimiseksi alumiini levy tulisi olla läpi hitsattu, sekä siirtymäliitoksen leveyden tulisi olla 2.5 kertainen suhteessa alumiinilevyn paksuuteen.