Fatigue assessment of axially loaded load-carrying welded T-joint with different weld configurations

Abstract

This master’s thesis studies fatigue performance of an axially loaded load-carrying T-joint. For the joint, six different welding types are considered, which includes different configurations of fillet welds and fully penetrated welds. The fatigue performance of the joint is assessed with experimental testing and numerical analysis. Experimental fatigue tests are carried out for symmetric cruciform joints using constant amplitude loading with an applied stress ratio of R = 0.1. The fatigue performance of different weld types is compared based on experimental test results and weld dimensions determined from polished cross sections. Furthermore, the applicability of nominal fatigue design curves along with Effective Notch Stress (ENS) and Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) approaches for numerical fatigue assessment of the studied joint are evaluated.

The results indicated that the fatigue strengths of symmetric and asymmetric double-sided fillet welds were found to be similar. For both weld types, all the failures but one occurred at weld toe. Fully penetrated weld showed similar fatigue strength with double-sided fillet welds, while the fatigue strength of fully penetrated weld with a backlay weld was considerably higher. The fatigue strengths of double-sided fillet welds were significantly higher compared to single-sided fillet welds. Based on fatigue test results, a single-sided fillet weld with a greater penetration showed higher fatigue strength than a basic single-sided fillet weld. However, based on the analysis of the results, it cannot be said that the fatigue strength of single-sided fillet weld with a greater penetration is clearly superior to basic single-sided fillet weld. In terms of nominal stress, ENS, and LEFM approaches, all test specimen reached the characteristic design curves.

Tässä diplomityössä tutkitaan aksiaalisesti kuormitetun kuormaa kantavan T-liitoksen väsymiskestävyyttä. Liitokselle tutkitaan kuutta erilaista hitsaustapaa, jotka sisältävät pienahitsien ja läpihitsausten erilaisia yhdistelmiä. Liitoksen väsymiskestävyyttä arvioidaan väsytyskokeita sekä numeerista laskentaa hyödyntäen. Väsytyskokeet suoritetaan symmetrisille ristiliitoksille käyttäen vakioamplitudista kuormitusta jännityssuhteella R = 0.1. Eri hitsaustapoja vertaillaan väsytyskoetulosten ja hiekuvista määritettyjen hitsimittojen perusteella. Lisäksi arvioidaan nimelliseen jännitykseen perustuvien väsymisluokkien sekä tehollisen lovijännityksen (ENS) ja lineaarielastisen murtumismekaniikan (LEFM) mukaisten laskentamenetelmien soveltuvuutta tutkittavan liitoksen väsymistarkasteluun.

Tulokset osoittavat symmetristen ja epäsymmetristen kaksipuoleisten pienahitsien väsymislujuuden olevan samankaltainen. Molemmissa hitsityypeissä kaikki testikappaleet yhtä lukuun ottamatta vaurioituivat hitsin rajaviivalta. Läpihitsattujen kappaleiden väsymislujuus on samalla tasolla kaksipuoleisilla pienahitseillä hitsattujen kappaleiden väsymislujuuden kanssa, kun taas kappaleiden, joihin on läpihitsauksen lisäksi hitsattu juuren puolen pienahitsi, väsymislujuus on näitä selvästi korkeampi. Kaksipuoleisten pienahitsien väsymislujuus on huomattavasti yksipuolisien pienahitsien väsymislujuuksia korkeampi. Väsytyskoetulosten perusteella suuremmalla tunkeumalla olevan yksipuolisen pienahitsin väsymislujuus on selkeästi tavallista yksipuolista pienahitsiä korkeampi. Tulosten tarkastelu kuitenkin osittaa, ettei suuremmalla tunkeumalla olevan yksipuolisen pienahitsin voida sanoa olevan selkeästi normaalia yksipuolista pienahitsiä parempi. Nimellisen jännityksen, ENS ja LEFM menetelmien osalta kaikki testikappaleet ylittävät karakteristiset suunnittelukäyrät.