KTH Royal Institute of Technology

Transkript

1 KTH Royal Institute of Technology Nya förbättringsmetoder för ökad livslängd och bättre prestanda Thomas Holmstrand Avdelningen för Lättkonstruktioner Forskargrupp Design och tillverkning av svetsade konstruktioner

2 Utmattning Växlande laster som gradvis nöter materialet tills dess att haveri sker F F F t 2

3 Utmattningsstyrka Utmattningsstyrka vs. sträckgräns Allmän observation: Utmattningsstyrkan i en svetsfog ökar inte med ökad materialstyrka Grundmaterial Komponent med notch Svetsad komponent Sträckgräns 3

4 Svetsfogens utformning vs. lastfall Mycket kritisk Mindre kritisk Förbättringsmetod väljs utifrån: Svetsfogens utformning Lastfallet 4

5 Svetsens geometri och defekter 5

6 Förbättringsmetoder - Översikt Metod + effekt / - ingen effekt Geometriförbättring Ökar / förbättrar övergångszonen Eliminerar defekter Mekaniska effekter Restspänningar Grinding TIG-remelting Shot peening (Blasting) HFMI P. J. Haagensen and S. J. Maddox, IIW Recommendations on methods for improving the fatigue strength of welded joints: IIW , Woodhead Publishing Ltd.,

7 High Frequency Mechanical Impact a) b) c) d) Exempel på tillgängliga HFMI-verktyg: a) Ultrasonic Impact Treatment (UIT) b) Ultrasonic Peening (UP) c) High Frequency impact Treatment (HiFiT) d) Pneumatic Impact Treatment (PIT) G. Marquis; Z. Barsoum, XIII , Essen. 7

8 Omsmältning med forcetig Work angle (α) Brazing DC04, Coating Z100, Filler CuSi3Mn1 Ø1.2mm Key-hole welding Duplex Stainless Steel LDX2101, Filler LDX2101 p 12.5 V; 176 A; η kj/mm t1=0.8 mm; t2=1.2 mm; v= 3 m/min 18.3 V; 611 A; η 0.84 kj/mm t=6 mm; v=0.8 m/min; vwf=4 m/min Använder en särskilld fokuserad ljusbåge vilket ger större inträngning och möjliggör högre svetshastighet Litet upsmältningsområde, jämförbart med plasma eller lasersvetsning Stabil ljusbåge vid höga svetshastigheter, 3m/min, ex. vid hårlödning av fordonspaneler 8

9 Geometriförbättring: Vågig svetstå P Svetsråge Longitudinell last χ Grundmaterial Transversell last 9

10 Studie Parameterstudie Vågperioden - P Öppningsvinkeln - χ Provstavar Dubbelsidig kälsvets Tvåpass Icke lastbärande Provning med konstantamplitud Referensprover utan vågighet Svetsriktning 10

11 Brottmekanisk simulering χ = 40 χ = 100 χ = 140 Period P [mm] Öppningsvinkeln χ [deg] (180) 11

12 Simulering - Sprickpropagering P= 6 mm P= 9 mm P= 12 mm P= 15 mm 12

13 Sprickpropagering - Livslängd Fatigue life, χ = 40 Fatigue life, χ = 100 Fatigue life, χ =

14 Δσ [MPa] Δσ [MPa] Provning vs. simulering 1000 Summary - Nominal stress range 1000 Fatigue testing and FEM model 100 Toe weaving - failures Toe weaving - run outs Leg deviation - failures Leg deviation - failures previous run outs Leg deviation - run outs Toe weaving - Char. FAT Pf=5% m=3 Extended leg - Char. FAT Pf=5% m=3 FAT Cycles 100 Toe weaving - failures Toe weaving - run outs Leg deviation - failures Leg deviation - failures previous run outs Leg deviation - run outs FAT80 Toe weaving - FEM Extended leg - FEM Cycles 14

15 Vågig svetstå - Summering Vågig tå eller katetförlängning ger 20 % ökad utmattningsstyrka Likvärdig förbättring mellan metoderna Effekten beror på den låga tåvinkeln Vågig svetstå är olämplig för longitudinella laster I jämförelse med katetförlängning är vågig svetstå en mer tidskrävande metod i produktion Publikationer: T. Holmstrand, N. Mrdjanov, Z. Barsoum, E. Åstrand, Fatigue life assessment of improved joints welded with alternative welding techniques, Engineering Failure Analysis, vol. 42, pp , 2014 Nikola Mrdjanov, Fatigue life assessment of potential weld improvement techniques using 3D fracture analysis, Master of Science in Lightweight Structures, Dept of Aeronautical and Vehicle Engineering, Stockholm, Sweden,

16 Möjligheter till förbättring Metod Referens: Normal svets Utmattningsstyrka vid 2M cykler, 5% brottsannolikhet Förbättring 80 MPa - Vågig svetstå 96 MPa 20 % HFMI 134 MPa 68 % TIG 137 MPa 71 % Vågig svetstå kan åstadkommas med befintlig utrustning HFMI och TIG kräver ett extra processteg, men ger högre utmattningslivslängd 16

17 HFMI i höghållfasta stål H. Yildirim, G. Marquis and Z. Barsoum, Fatigue assessment of high frequency mechanical impact (HFMI)-improved fillet welds by local approaches, Int. J. Fatigue, vol. 52, pp ,

18 Tack för er uppmärksamhet Frågor? KTH Royal Institute of Technology Department of Aeronautical & Vehicle Engineering Division of Lightweight Structures