Fatigue assessment of welded thin-walled joint using local approaches

Abstract

This master's thesis examines the effect of local weld geometry on the fatigue strength of a thin-walled lap joint. The objective is to produce weld geometries that complement the previous study, so that, with the studied automotive steels, a sharp weld toe transition and normal fatigue strength of the joint are pursued. Correspondingly, the structural steel serving as a reference aims to achieve a smooth transition and high fatigue strength characteristic of automotive steels. In this way, the goal is to consolidate the previous study's conclusion on the decisiveness of local weld geometry on the fatigue strength of the studied materials.

The research was carried out by selecting suitable welding parameters from previously established parameter windows, after which the necessary geometry measurements, as well as supporting hardness and residual stress measurements, were conducted. The fatigue resistance of the specimens was determined through fatigue testing, and the results were analyzed using local fatigue assessment approaches.

The automotive steels met the specified objectives, while the structural steel did not achieve the desired good weld geometry or high fatigue strength. The experimental results indicate that local weld geometry explains the differences in fatigue performance between the materials. Thus, the decisive factor is the materials' differing ability to produce smooth weld toe transition during welding. In addition, a tendency for cold laps was observed in the structural steel, which could limit fatigue strength if a smooth transition similar to that of automotive steels were achieved. The employed fatigue-rated weld quality classification system, combining SFS-EN ISO 5817:2023 and Volvo STD 181-0004 standards, also performed reasonably well with thin plates.

Tässä diplomityössä tarkastellaan paikallisen hitsigeometrian vaikutusta ohutlevy limiliitoksen väsymislujuuteen. Työn tavoitteena on tuottaa aikaisempaa tutkimusta täydentäviä hitsigeometrioita siten, että tutkittavilla autoteollisuuden teräksillä tavoitellaan terävää hitsin rajaviivan liittymää ja liitoksen normaalia väsymislujuutta. Vastaavasti referenssinä toimivalla rakenneteräksellä pyritään saavuttamaan autoteräksille ominainen jouheva liittyminen sekä korkea väsymislujuus. Tällä tavoin pyritään vahvistamaan aiemman tutkimuksen johtopäätöstä paikallisen hitsigeometrian ratkaisevasta vaikutuksesta kyseisten materiaalien väsymislujuuteen.

Tutkimus toteutettiin valitsemalla tavoitteisiin sopivat hitsausparametrit aikaisemmin määritellyistä parametri-ikkunoista, jonka jälkeen suoritettiin tarvittavat geometriamittaukset sekä analyysia tukevat kovuus- ja jäännösjännitysmittaukset. Koekappaleiden väsymiskestävyys selvitettiin väsytyskokeilla, joiden tulokset analysoitiin käyttäen paikallisia väsymisarviointimenetelmiä.

Autoteollisuuden teräksillä saavutettiin niille asetetut tavoitteet, kun taas rakenneteräksellä ei saatu aikaan haluttua hyvää hitsigeometriaa eikä korkeaa väsymislujuutta. Tulosten perusteella paikallinen hitsigeometria selittää materiaalien välillä havaitut erot väsymissuorituskyvyssä. Näin ollen ratkaisevaksi tekijäksi nousee materiaalien toisistaan eroava kyky muodostaa hitsatessa jouheva rajaviivan liittyminen. Lisäksi rakenneteräksellä havaittiin taipumusta kylmäjuoksuun, mikä voi muodostua väsymislujuutta rajoittavaksi tekijäksi, mikäli autoteräksien kaltainen jouheva liittyminen saataisiin aikaan. Työssä käytetty SFS-EN ISO 5817:2023 ja Volvo STD 181-0004 standardeja yhdistelevä väsymisluokiteltu hitsin laatuluokitusjärjestelmä toimi kohtalaisen hyvin myös ohutlevyillä.