Fatigue strength assessment of butt-welded aluminum joints
Turunen, Jesse (2025)
Diplomityö
2025
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025091195378
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025091195378
Tiivistelmä
This master’s thesis studies different fatigue assessment approaches that are used to evaluate fatigue capacity of butt-welded aluminum joints. Differences between welding processes are also studied. 5xxx- and 6xxx-series aluminum alloys are used as a base material.
Studied fatigue assessment approaches include both nominal, and local methods. Design codes and standards included in this study are the European standard EN 1999-1-3 Eurocode 9, the Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components from the International Institute of Welding and the Aluminum Design Manual from the Aluminum Association.
Welding processes included in this study are gas metal arc welding, gas tungsten arc welding, friction stir welding and laser welding. Friction stir welding is found to be slightly favourable over other welding processes in terms of fatigue capacity of a welded joint. Welding quality of laser welding is found to be poor.
All included fatigue assessment approaches resulted in conservative results. Local fatigue life assessment approaches resulted in a less conservative results than with nominal stress method, with some exceptions. Design curve from the Aluminum Design Manual is found to be the most effective one, since it provided the least conservative results and the same design curve can be implemented for both toe and root failure cases.
From a material perspective, base material had no clear effect to the fatigue test results when nominal stress was used. When TCD PM was applied, it seemed that the base materials with high hardness would be slightly more favoured versus base materials with lower hardness value. Tämä diplomityö vertailee eri laskentamenetelmiä, joita voidaan käyttää alumiinista valmistettujen päittäisliitosten väsymistarkasteluun. Myös hitsausprossien välisiä eroja tarkastellaan. Perusaineena on käytetty 5xxx- ja 6xxx-sarjan alumiineja.
Tässä työssä käsitellään nimellisiä- ja lokaaleja laskentamenetelmiä. Käsitellyt suunnittelustandarit ja -suositukset ovat Eurooppalainen suunnittelustandardi EN 1999-1-3 Eurocode 9, International Institute of Welding:in Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components, ja Aluminum Association:in Aluminum Design Manual.
Kokeellisen osuuden koekappaleet ovat hitsattu kahdella eri kaarihitsausprosessilla, laserhitsauksella, sekä kitkasekoitushitsauksella. Koetulosten perusteella kitkasekoitushitsauksella saadaan aikaan laadukas hitsausliitos väsymistä vastaan. Laserhitsauksen hitsauslaatu todettiin huonoksi.
Kaikki käsitellyt laskentamenetelmät antoivat konservatiivisia tuloksia. Lokaaleilla menetelmillä saatiin joissain tapauksessa vähemmän konservatiivisia tuloksia verrattaen nimellisen jännityksen menetelmään. Aluminum Design Manual:in sisältämä suunnittelukäyrä todettiin tehokkaaksi laskentamenetelmäksi, sillä sen antamat laskentatulokset olivat vähiten konservatiivisia, sekä samaa suunnittelukäyrää voitiin käyttää sekä kuvun, että juuren puolen väsymisen analysointiin.
Nimellistä jännitystä käyttäen väsytyskoetuloksista ei ollut havaittavissa selkeää eroa eri perusaineiden väsymiskestävyyden välillä. Kriittisen etäisyyden menetelmää käyttäen kovien materiaalien väsymiskestävyys oli parempi pehmeämpiin materiaaleihin verrattuna.
Studied fatigue assessment approaches include both nominal, and local methods. Design codes and standards included in this study are the European standard EN 1999-1-3 Eurocode 9, the Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components from the International Institute of Welding and the Aluminum Design Manual from the Aluminum Association.
Welding processes included in this study are gas metal arc welding, gas tungsten arc welding, friction stir welding and laser welding. Friction stir welding is found to be slightly favourable over other welding processes in terms of fatigue capacity of a welded joint. Welding quality of laser welding is found to be poor.
All included fatigue assessment approaches resulted in conservative results. Local fatigue life assessment approaches resulted in a less conservative results than with nominal stress method, with some exceptions. Design curve from the Aluminum Design Manual is found to be the most effective one, since it provided the least conservative results and the same design curve can be implemented for both toe and root failure cases.
From a material perspective, base material had no clear effect to the fatigue test results when nominal stress was used. When TCD PM was applied, it seemed that the base materials with high hardness would be slightly more favoured versus base materials with lower hardness value.
Tässä työssä käsitellään nimellisiä- ja lokaaleja laskentamenetelmiä. Käsitellyt suunnittelustandarit ja -suositukset ovat Eurooppalainen suunnittelustandardi EN 1999-1-3 Eurocode 9, International Institute of Welding:in Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components, ja Aluminum Association:in Aluminum Design Manual.
Kokeellisen osuuden koekappaleet ovat hitsattu kahdella eri kaarihitsausprosessilla, laserhitsauksella, sekä kitkasekoitushitsauksella. Koetulosten perusteella kitkasekoitushitsauksella saadaan aikaan laadukas hitsausliitos väsymistä vastaan. Laserhitsauksen hitsauslaatu todettiin huonoksi.
Kaikki käsitellyt laskentamenetelmät antoivat konservatiivisia tuloksia. Lokaaleilla menetelmillä saatiin joissain tapauksessa vähemmän konservatiivisia tuloksia verrattaen nimellisen jännityksen menetelmään. Aluminum Design Manual:in sisältämä suunnittelukäyrä todettiin tehokkaaksi laskentamenetelmäksi, sillä sen antamat laskentatulokset olivat vähiten konservatiivisia, sekä samaa suunnittelukäyrää voitiin käyttää sekä kuvun, että juuren puolen väsymisen analysointiin.
Nimellistä jännitystä käyttäen väsytyskoetuloksista ei ollut havaittavissa selkeää eroa eri perusaineiden väsymiskestävyyden välillä. Kriittisen etäisyyden menetelmää käyttäen kovien materiaalien väsymiskestävyys oli parempi pehmeämpiin materiaaleihin verrattuna.