Improving fatigue strength of thin-walled high-strength austenitic-ferritic stainless steel made tubular joint
Savolainen, Janne (2022)
Katso/ Avaa
Sisältö avataan julkiseksi: 10.06.2024
Diplomityö
Savolainen, Janne
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022060242301
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022060242301
Tiivistelmä
This thesis focused on examining fatigue behaviour and methods for its improvement on welded thin-walled (t=2 mm) austenitic-ferritic stainless-steel (EN 1.4162) made square hollow section (SHS) X-joints. Used loading was fully reversed (R=-1) in-plane bending (IPB). Fatigue was examined by using laboratory tests and numerical analysis. Methods tested for improving the fatigue performance were the use of increased weld penetration by using air gap and two other types of structural modifications. Additionally, applicability of High-Frequency Mechanical Impact treatment (HFMI) as post weld treatment (PWT) method was tested.
Fatigue data collected from literature and from the industrial partner was used for comparison with the laboratory test results. A comparison between the reference tests was made using structural stresses through analytical formulation. Structural stress components and effective notch stress (ENS) levels were defined along the width of the critical welds using reference radius of 0.05 mm.
Structural modifications improved the fatigue life in the tests successfully. Results with PWT joints however differentiated from the typical values obtained with structural steels. Initial estimates for the joint fatigue class improvement factors with the tested modifications were from 1.2 up to 2.7, suggesting possibility for up to 2000 % increase in fatigue life. Due to the low number of tested specimens’ slope of the fatigue curve for the most effective modification was not accurately captured, and therefore extended tests would be needed to verify the suitable slope parameter. ENS analysis with the reference radius of 0.05 mm produced conservative estimates with respect to suggested fatigue curves. Comparisons made based on the parametrically formulated structural stress were consistent with previous tests, and mostly produced results on safe side with respect to the fatigue curve for t =2 mm tubular joints (FAT251, m =3.74). Future research needs were identified in the definition of suitable welding quality criterions for thin-walled structures and in the definition of suitable PWT methods. Työssä tutkittiin hitsattujen ohutseinämäisten (t = 2 mm) austeniittis-ferriittisestä ruostumattomasta teräksestä (EN 1.4162) valmistettujen neliöputki X-liitosten väsymiskestävyyttä ja kestävyyden parantamista. Liitoksia väsytettiin tason suuntaisella R = -1 taivutuskuormituksella. Väsymistä tutkittiin pääasiassa laboratoriotestein sekä numeerisen analyysin keinoin. Väsymiskestävyyden parantamista testattiin käyttämällä liitoksessa ilmarakoa ja siten muokkaamalla hitsin tunkeumaa, sekä kahdella muulla rakenteellisella vahvistuksella. Lisäksi tutkittiin korkeataajuusvasaroinnin soveltuvuutta jälkikäsittelymenetelmänä.
Väsytyskokeiden tueksi kerättiin testidataa kirjallisuudesta sekä teollisen kumppanin aikaisemmista testeistä. Liitoskonfiguraatioiden välinen vertailu tehtiin käyttämällä rakenteellisia jännityksiä parametrisellä formuloinnilla määritettynä. Liitosten numeerisessa analyysissä määritettiin jännityskomponentit ja tehollisen lovijännityksen arvot hitsin kriittisiin kohtiin käyttämällä analyysissä 0.05 mm referenssipyöristystä.
Rakenteellisilla vahvistuksilla onnistuneesti parannettiin liitoksen väsymiskestoa, mutta käytetyn jälkikäsittelymenetelmän vaikutus tuloksiin ei vastannut rakenneteräksille tyypillisiä arvoja. Alustavasti muutoksilla saavutetut liitoksen väsymisluokan parannuskertoimet olivat välillä 1.2–2.7, korkeimmillaan tämä tarkoittaisi n. 2000 % lisäystä kestoikään. Tehokkaimmalta vaikuttavalla vahvistuksella testien määrä on kuitenkin liian alhainen kuvaamaan väsymiskäyrän todellista kaltevuutta, jonka takia testejä sopivan kaltevuusparametrin varmentamiseksi vaaditaan lisää. Lasketut tehollisen lovijännityksen arvot tuottivat konservatiivisia tuloksia verratessa referenssikäyriin. Parametrisesti määritetyn rakenteellisen jännityksen avulla määritetyt tulokset olivat yhteneviä aiempiin testeihin, sekä suuressa osassa liitoksia varmalla puolella, verrattaessa tuloksia t=2 mm putkiliitoksille johdettuun väsymiskäyrään (FAT251, m =3.74). Jatkotutkimustarpeita havaittiin sopivien laatukriteerien määrityksessä hitsaustuotantoon ohutseinämäisille liitoksille, sekä soveltuvan jälkikäsittelytavan määrityksessä.
Fatigue data collected from literature and from the industrial partner was used for comparison with the laboratory test results. A comparison between the reference tests was made using structural stresses through analytical formulation. Structural stress components and effective notch stress (ENS) levels were defined along the width of the critical welds using reference radius of 0.05 mm.
Structural modifications improved the fatigue life in the tests successfully. Results with PWT joints however differentiated from the typical values obtained with structural steels. Initial estimates for the joint fatigue class improvement factors with the tested modifications were from 1.2 up to 2.7, suggesting possibility for up to 2000 % increase in fatigue life. Due to the low number of tested specimens’ slope of the fatigue curve for the most effective modification was not accurately captured, and therefore extended tests would be needed to verify the suitable slope parameter. ENS analysis with the reference radius of 0.05 mm produced conservative estimates with respect to suggested fatigue curves. Comparisons made based on the parametrically formulated structural stress were consistent with previous tests, and mostly produced results on safe side with respect to the fatigue curve for t =2 mm tubular joints (FAT251, m =3.74). Future research needs were identified in the definition of suitable welding quality criterions for thin-walled structures and in the definition of suitable PWT methods.
Väsytyskokeiden tueksi kerättiin testidataa kirjallisuudesta sekä teollisen kumppanin aikaisemmista testeistä. Liitoskonfiguraatioiden välinen vertailu tehtiin käyttämällä rakenteellisia jännityksiä parametrisellä formuloinnilla määritettynä. Liitosten numeerisessa analyysissä määritettiin jännityskomponentit ja tehollisen lovijännityksen arvot hitsin kriittisiin kohtiin käyttämällä analyysissä 0.05 mm referenssipyöristystä.
Rakenteellisilla vahvistuksilla onnistuneesti parannettiin liitoksen väsymiskestoa, mutta käytetyn jälkikäsittelymenetelmän vaikutus tuloksiin ei vastannut rakenneteräksille tyypillisiä arvoja. Alustavasti muutoksilla saavutetut liitoksen väsymisluokan parannuskertoimet olivat välillä 1.2–2.7, korkeimmillaan tämä tarkoittaisi n. 2000 % lisäystä kestoikään. Tehokkaimmalta vaikuttavalla vahvistuksella testien määrä on kuitenkin liian alhainen kuvaamaan väsymiskäyrän todellista kaltevuutta, jonka takia testejä sopivan kaltevuusparametrin varmentamiseksi vaaditaan lisää. Lasketut tehollisen lovijännityksen arvot tuottivat konservatiivisia tuloksia verratessa referenssikäyriin. Parametrisesti määritetyn rakenteellisen jännityksen avulla määritetyt tulokset olivat yhteneviä aiempiin testeihin, sekä suuressa osassa liitoksia varmalla puolella, verrattaessa tuloksia t=2 mm putkiliitoksille johdettuun väsymiskäyrään (FAT251, m =3.74). Jatkotutkimustarpeita havaittiin sopivien laatukriteerien määrityksessä hitsaustuotantoon ohutseinämäisille liitoksille, sekä soveltuvan jälkikäsittelytavan määrityksessä.