NYA INFALLSVINKLAR PÅ FOGUTFORMNING FÖR UTMATTNING. Erik Åstrand, PhD Student, IWE Manufacturing Engineering VCE, Braås

Transkript

1 NYA INFALLSVINKLAR PÅ FOGUTFORMNING FÖR UTMATTNING Erik Åstrand, PhD Student, IWE Manufacturing Engineering VCE, Braås

2 Bakgrund Kritiskt krav Mindre kritiskt krav Olika lastfall Olika krav Olika svetsprocedurer

3 Rotspricka En minskad rotsspricka ger: Lägre spänningskoncentrations Långsammare spricktillväxt Länge spricktillväxt till brott

4 För lastbärande fogar är roten oftast kritisk Lastbärande kälsvetsar i lådbalkar Lastbärande kälsvetsar

5 Penetration depth vs. Throat thickness High penetration Ordinary penetration No penetration Effective throat (mm) Nominal throat thickness (mm) Penetration, I (mm) Computed nominal stress range at root (MPa at 2E6 cycles) ( Fatigue life index m=3) Computed nominal stress range at toe (MPa at 2E6 cycles) Equivalent throat thickness = (a + 2 i) ( a i) Kainuma, S., Mori, T., A fatigue strength evaluation method for load-carrying fillet welded cruciform joints. Int. J. Fatigue 28, ~ a + 2i

6 Sikta dit du vill nå! Rek. från Karlebo svetshandbok 2-3 mm mm < 2 mm Ger svetsar med katetfel Katetfel ger svetsar med ökad inträngning Specificera svetsar med katetfel

7 Analys av provsvetsningar Geometrical Requirements Req. Throat thickness [mm] Leg Web [mm] Leg Flange [mm] Δ-leg [mm] A 5 (>7) (>7) - B 4.5 (>6.4) (>6.4) 0±3 C ( ) ( ) 0±2.8 D ( ) E (>0) (>0) (>4) 0-4 F ( ) G ( ) (4.5 11) 4, Δ-leg > 4 risk för bindfel

8 Equvivalent throat a+2i Utfall geometriska krav- Kälsvets med kritisk rot ISO % 61% 60% 68% 54% 64% 61% False positives - Accept bad samples 2% i2a5 15% 17% 22% 8% 6% 7% False negatives - Reject good samples Throat size req. Leg length req. Katetkrav är bättre för att skilja på bra och dålig svetsar Bättre egenskaper och mindre spridning

9 Requirement Type µ throat thickness, a µ penetration, i Eq. Throat index -Box beams (K.-E. Olsson et al., 1997; Samuelsson, 2008) Eq. throat index - Load carrying cruciform joint (Kainuma and Mori, 2006) Stress concentration index Load carrying cruciform joint (Frank and Fisher, 1979) Stress concentration index Load carrying cruciform joint BS7910 Giltighet 10 mm plåt x2 D Leg 3, F Leg 4,3 3, G Leg 4,4 3, E Leg 4,5 3, A Throat 5,3 2, B Throat 5,1 2, C Throat 4,8 2, i2a5 Throat Samma rangordning - Individuella katetkrav ger bättre utmattningsegenskaper än a-måttskrav

10 Slutsatser kälfogar med kritisk rotsida Bristfällig koppling mellan procedurer, krav och prestanda för svetsar Svetsar med optimerad inträngning riskerar att underkännas Nya, katetlängdskrav, stödjer utvecklingen av svetsprocedurer med högre inträngning och bättre produktivitet Det är en liten skillnad i utmattningsegenskaper mellan godkända och underkända svetsar svetsade med samma procedurer ( I t.ex klass C) Nya katetlängdskrav ökar relevansen av kvalitetskontroller, med en ökad kvalitetsskillnad ( mätt i livslängd) mellan accepterade och underkända svetsar. För att tillämpa svetstypen krävs ett nytt sätt att arbeta, med olika krav i olika steg WPS-framtagning ( hårda krav) Kvalitetskontroller ( Lite generösare krav) Lagningar ( Slipning/kompensation med större a-mått) Svetsar med en ökad inträngning kan erbjuda nya konstruktionslösningar utan fogberedning eller med en reducerad plåttjocklek

11 Bakgrund Kritiskt krav Mindre kritiskt krav Det är bra med smältdiken

12 Hur ska man svetsa för att få bra utmattningsegenskaper? Minimerad spänningskoncentration Mjuk övergång Stor radie Punkt med hög risk för cold laps Weld Inga defekter i svetstån Inga cold laps Inga smältdiken Base plate Motsägelsefulla krav

13 Önskad geometri från olika processer Grinding HFMI As welded Weld Weld Weld Base plate Base plate Base plate Controlled undercut prescribed Controlled undercut prescribed No undercut Hypotes: Svetsar med mjuka smältdiken kommer ge förbättrade utmattningsegenskaper

14 Svetsning av provstavar Radie: ~2,5 mm ( 1,5 5 mm) Svetsad i två strängar: 1. Hög ström - Koncentrerad ljusbåge 2. Hög spänning Bred ljusbåge Smältdike: ~0,4 mm ( mm) Svetsgeometri enligt rekommendation för slipning och HFMI

15 Slutsatser smältdiken Genom att skapa den önskade geometrin direkt kan vi nå förbättrade utmattningsegenskaper utan någon förbättringsmetod. Hög utmattningsstyrka Låg spridning Kan ge en bättre kvalitetskontroll Mätbart krav Inga defekter (cold laps) i svetstån

16 Sammanfattning För framtiden borde vi: Ersätta a-mått med katetmått Specificera mjuka smältdiken för svetsar med en kritisk svetstå

17 TACK TILL:

18 Vill ni höra mer? Produktionsklusterkonferens Anpassad svetsning för bättre utmattningslivslängd i svetstån Katrineholm den 11 maj Disputation A Framework for optimised welding of fatigue loaded structures applied to gas metal arc welding of fillet welds Trollhättan den 31 maj Erik Åstrand Volvo CE, Braås erik.ea.astrand@volvo.com

19