Ajoneuvoakkukennojen laserhitsattujen virtakiskoliitosten mitoitustarkastelu
Mäkelä, Hannes (2019)
Diplomityö
Mäkelä, Hannes
2019
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019121748440
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019121748440
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tarkasteltiin ajoneuvoakkukennon terminaalin ja virtakiskon välisen laserhitsatun liitoksen väsymiskestävyyttä. Liitoksen mitoitus aloitettiin muodostamalla approksimaatio liitoksen vaaditusta pinta-alasta staattisen kestävyyden sekä hitsauksen lämmöntuonnin perusteella. Approksimaatioiden perusteella muodostettujen liitosmuotojen väsymiskestävyyttä analysoitiin nimellisen- ja rakenteellisen jännitysmenetelmän avulla, hyödyntäen tietokoneavusteista Fe-simulointia. Laskennan tuloksista valittiin kaksi parasta liitosmuotoa jatkotutkimuksiin, missä kummastakin liitosmuodosta valmistettiin koekappaleet, joille suoritettiin hitsauksen lämpötilamittauksia ja rikkovaa aineenkoestusta. Rikkovista kokeista kerätyn tiedon perusteella tehtiin tarkempi rakenteellinen simulaatioanalyysi, jonka tuloksia verrattiin rasituskokeista kokeista saatuihin tuloksiin.
Vertailun perusteella voitiin todeta epälineaarisen mallinnuksen soveltuvan parhaiten työssä tarkasteltavan virtakiskoliitoksen väsymiskestävyyden arviointiin. Hitsin muotojen välisessä vertailussa voitiin todeta, että laskennallisesti muotojen välinen ero on hyvin pieni, mutta rasituskokeissa voitiin huomata merkittävä ero liitosmuotojen välillä. Erityisesti väsyttävissä kokeissa tuplaviiva liitosmuodon väsymiskestävyys oli huomattavasti heikompi. Hie-kokeiden ja koekappaleiden murtopintojen myötä voitiin todeta tuplaviivaliitoksessa esiintyvän huokoisuutta, joka aiheutuu sen geometrian huonojen lämmönjakautumis ominaisuuksien johdosta. Pyöreän liitosmuodon väsymiskestävyys oli tasalaatuista, johdonmukaista ja vastasi myös simulaatiomalleista saatuihin tuloksiin, jonka myötä pyöreä liitosmuoto voidaan todeta soveltuvan parhaiten ajoneuvoakkukennojen laserhitsattuun virtakiskoliitokseen. In this master thesis fatigue properties of a laser welded electric car battery cell busbar joint were examined. Approximation for the required area of the welded joint was estimated based on the static strength and welding heat input. Different weld shapes were formed based on the approximations and their fatigue strength was estimated using nominal- ja structural stress method, utilizing Fe-simulation. Based on the estimations two best weld shapes were chosen for further investigations, where test specimens were manufactured. Heat input of the welding was measured during manufacturing and destructive testing was performed for the specimens. Based on the tests more detailed structural analysis could be made and the results of the simulations could be compared to the actual tests performed for the specimens.
Based on the comparison between different methods, nonlinear fatigue analysis can be considered most suitable for the case in this thesis. In comparison between weld shapes the difference in calculations and simulations were small, but in the tensile tests the major differences between the weld shapes could be seen. Especially in fatigue tests the double line shapes fatigue strength was considerably worse. by examining the results of the microsection test and fracture surfaces of the specimen’s voids could be seen in the double line weld, that’s most probably caused by the geometry’s poor heat distribution properties. Fatigue strength of the round weld was homogenous, consistent and corresponded also to the results of the simulations. Due that the round laser welded busbar joint can be considered best suitable for automotive use.
Vertailun perusteella voitiin todeta epälineaarisen mallinnuksen soveltuvan parhaiten työssä tarkasteltavan virtakiskoliitoksen väsymiskestävyyden arviointiin. Hitsin muotojen välisessä vertailussa voitiin todeta, että laskennallisesti muotojen välinen ero on hyvin pieni, mutta rasituskokeissa voitiin huomata merkittävä ero liitosmuotojen välillä. Erityisesti väsyttävissä kokeissa tuplaviiva liitosmuodon väsymiskestävyys oli huomattavasti heikompi. Hie-kokeiden ja koekappaleiden murtopintojen myötä voitiin todeta tuplaviivaliitoksessa esiintyvän huokoisuutta, joka aiheutuu sen geometrian huonojen lämmönjakautumis ominaisuuksien johdosta. Pyöreän liitosmuodon väsymiskestävyys oli tasalaatuista, johdonmukaista ja vastasi myös simulaatiomalleista saatuihin tuloksiin, jonka myötä pyöreä liitosmuoto voidaan todeta soveltuvan parhaiten ajoneuvoakkukennojen laserhitsattuun virtakiskoliitokseen.
Based on the comparison between different methods, nonlinear fatigue analysis can be considered most suitable for the case in this thesis. In comparison between weld shapes the difference in calculations and simulations were small, but in the tensile tests the major differences between the weld shapes could be seen. Especially in fatigue tests the double line shapes fatigue strength was considerably worse. by examining the results of the microsection test and fracture surfaces of the specimen’s voids could be seen in the double line weld, that’s most probably caused by the geometry’s poor heat distribution properties. Fatigue strength of the round weld was homogenous, consistent and corresponded also to the results of the simulations. Due that the round laser welded busbar joint can be considered best suitable for automotive use.