Kokeet suoritettiin teräsrakenteiden laboratoriossa 750 kN väsytyskehällä. Jokaisessa kokeessa rajajännitysten suhde R, eli minimijännityksen suhde maksimijännitykseen 𝜎𝑚𝑖𝑛/𝜎𝑚𝑎𝑥 oli 0,1. Maksimivoima vaihteli koekappaleiden välillä 150–260 kN.
Kappaleisiin asennettiin venymäliuskat t-liitokset alapuolelle 0,4𝑡 etäisyydelle rajaviivasta (kuva 15.). Kappaleet asetettiin kehälle ja varmistettiin, että ne ovat suorassa, jotta voima
kohdistuu kappaleen suuntaisesti. Koekappaleita venytettiin staattisesti kokeen voiman maksimiarvoon, jotta venymät stabilisoituivat ja koekappaleiden lineaarinen käyttäytyminen väsytyskokeessa varmistuisi. Staattista koetta toistettiin, kunnes venymä on voiman poiston jälkeen sama kuin ennen koetta. Staattisen kokeen jälkeen aloitettiin väsytyskoe.
Väsytyskokeen annettiin käydä kappaleen murtumiseen saakka.
Kuva 15. Koekappale PVS3_TL (S355, TIG-käsitelty ja laboratoriossa raesuihkupuhdistettu), johon venymäliuska asennettuna.
4 TULOKSET
Väsytyskehään liitetty laitteisto kirjasi ylös kuormanvaihteluiden lukumäärän, voimat sekä venymäliuskan arvot. Näiden avulla voidaan määrittää 𝐹𝐴𝑇50% luokat nimellisen ja rakenteellisen jännityksen menetelmillä koetuloksista käyttäen kaavaa (3). Väsytyskokeiden tulokset esitetty taulukossa 6. Koekappale väsytyskokeen jälkeen kuvissa 16. ja 17. ja murtopintakuvat koekappaleista liitteessä I. Nimellinen jännitys laskettiin suoraan voima ∆𝐹 jaettuna pinta-alalla 𝐴, joka koekappaleissa oli 8 mm ∙ 60 mm = 480 mm2. Rakenteellinen jännitys on laskettu käyttämällä kaavaa (7), eli kerrottu venymä kimmomoduulilla 𝐸, jolle on käytetty arvoa 210 GPa. Kerroin 𝐾s kuvaa rakenteellisen jännityksen suhdetta nimelliseen jännitykseen.
Kuva 16. Koekappale PVS11TL_2 (S1100, TIG-sulatettu ja laboratoriossa kuulapuhallettu) väsytyskokeen jälkeen.
Kuva 17. Koekappaleen PVS11HL_1 (S1100, HFMI-käsitelty ja laboratoriossa kuulapuhallettu) murtopinta.
Taulukko 6. Väsytyskokeiden tulokset. Jokaisen kokeen 𝑅 oli 0,1.
∆𝐹 [kN] ∆𝜎 = 𝜎nim [MPa] 𝑁 𝜎hs [MPa] 𝐾𝑠
355HK 153 319 164341 404 1,27
355HL 153 319 73423 405 1,27
355TK 135 281 387316 444 1,58
355TL 135 281 468862 428 1,52
700HK 216 450 202803 546 1,21
700HL 216 450 144264 564 1,25
700TK 216 450 47748 741 1,65
700TL 216 450 39811 662 1,47
1100HK 234 488 234101 570 1,17
1100HL 234 488 362600 571 1,17
1100TK 216 450 116566 614 1,36
1100TL 216 450 124792 575 1,28
Tulokset esitettynä S-N käyrällä kuvissa 18. ja 19. Nimellisen jännityksen kuvaajassa vertailuna FAT luokka 80, joka on kuormaa kantamattoman t-liitoksen FAT luokka käsittelemättömille liitoksille IIW:n suosituksissa ja EC3:ssa (Eurocode 3). Rakenteellisen jännityksen menetelmässä vertailuna FAT luokka 125, joka on IIW:n suositusten mukainen luokka vasaroiduille S355 teräkselle. (Hobbacher 2016, s. 70).
Kuva 18. Nimellisten jännitysten koetulokset S-N käyrällä.
Kuva 19. Rakenteellisten jännitysten koetulokset S-N käyrällä.
100
5 TULOSTEN ANALYYSI
Koekappaleet olivat yhtenäisiä geometrialtaan ja hitsaus suoritettiin robotilla tasalaatuisuuden varmistamiseksi. Jälkikäsittelyt tehtiin käsin, joten sillä voi olla jonkin verran vaikutusta tuloksiin. Koska koekappaleiden lukumäärä on vähäinen, ei niille voida tehdä tilastollista tarkastelua varsinaisten FAT luokkien määrittämiseksi, joten analyysi on tehty keskimääräisten väsymisluokkien 𝐹𝐴𝑇50% avulla.
Kun tulokset laitetaan järjestykseen suurimman 𝐹𝐴𝑇50% luokan perusteella (taulukko 7), huomataan, että nimellisen- sekä rakenteellisen jännityksen menetelmällä HFMI-käsittelyllä saadaan suuremmat luokat ultralujissa teräksissä. Nimellisen jännityksen menetelmässä HFMI-käsitellyt S700 teräkset saavat paremmat 𝐹𝐴𝑇50% luokat kuin TIG-sulatetut ultralujat teräkset, joka todennäköisesti johtuu TIG-sulatuksen aiheuttamasta kulmavirheestä. Lujilla ja ultralujilla teräksillä HFMI-käsittely on pääsääntöisesti parempi. Miedolla S355 teräksellä TIG-sulatus vaikuttaisi kuitenkin olevan parempi ratkaisu kuin HFMI-käsittely.
Rakenteellisen jännityksen menetelmällä kolmanneksi paras tulos on kuitenkin TIG-sulatetulla lujalla S700 teräksellä. Kyseisellä koekappaleella oli myös suurin rakenteellinen jännitys kaikista koekappaleista. Pääsääntöisesti TIG-sulatetuilla kappaleilla oli suurempi 𝐾s kerroin kuin HFMI-käsitellyillä, joka johtuu mahdollisesti uudelleen sulatuksen aiheuttamasta kulmavirheestä. Kuvassa 20. koetulokset nimellisen jännityksen menetelmällä ja HFMI-käsiteltyjen kappaleiden IIW:n suosittelemat FAT luokat (Marquis 2016, s. 20). S-N käyrästä nähdään, että tulokset ylittävä kyseiset FAT luokat. Tuloksissa tulee ottaa huomioon, että lasketut tulokset ovat oletettuja keskimääräisiä väsymisluokkia.
Taulukko 7. 𝐹𝐴𝑇50% luokat suurimmasta pienimpään. Vasemmalla nimellisen jännityksen menetelmällä ja oikealla rakenteellisen jännityksen menetelmällä. Teräsluokat eri väreillä tulosten lukemisen helpottamiseksi. H = HFMI, T = TIG, K = konepajalla sinkopuhallettu ja L = laboratoriossa kuulapuhallettu
Nimellinen jännitys 𝐹𝐴𝑇50% Rakenteellinen jännitys 𝐹𝐴𝑇50%
1100HL 346 1100HL 406
Kuva 20. Nimellisen jännityksen menetelmällä tulokset S-N käyrällä ja kunkin teräslaadun korkeimmat mahdolliset FAT luokat HFMI-käsittelyn jälkeen.
100
Raesuihkupuhdistuksen tyypillä ei vaikuttaisi olevan huomioitavaa merkitystä väsymislujuuteen. Vartiaisen (2020 s. 22–25) tulosten mukaan konepajalla tehtävä puhdistus aiheutti karkeamman pinnan, mutta pääsääntöisesti laboratoriossa puhdistetuilla kappaleilla oli paremmat jäännösjännitykset. Taulukossa 8. eritelty tulokset. S355 ja S700 teräksillä konepajalla puhdistetut kappaleet saivat paremmat keskimääräiset väsymisluokat, mutta S1100 kappaleille tulokset olivat päinvastaiset. Laboratoriossa puhdistettujen kappaleiden jäännösjännitykset olivat parempia väsymislujuuden kannalta, mutta koska koetuloksia oli vain kaksi jokaista teräslaatua kohden, ei niiden perusteella voida tehdä johtopäätöksiä.
Oletettavasti laboratoriossa puhdistettujen kappaleiden varsinaiset väsymisluokat olisivat kuitenkin paremmat, kuin konepajalla puhdistettujen, jos koekappaleita olisi riittävästi tilastolliseen tarkasteluun.
Taulukko 8. Raesuihkupuhdistettujen kappaleiden keskimääräisten väsymisluokkien keskiarvot taulukoituna teräslaaduittain. Nimelliset luokat ilman sulkuja ja rakenteelliset suluissa. K = konepajalla sinkopuhallettu, L = laboratoriossa kuulapuhallettu.
K 𝐹𝐴𝑇50% [MPa] L 𝐹𝐴𝑇50% [MPa]
S355 198 (282) 188 (265)
S700 249 (348) 236 (318)
S1100 286 (359) 302 (368)
Kun tuloksia verrataan jäännösjännityksiin, jotka löytyvät Vartiaisen (2020, s. 22–23) kandidaatintyöstä, huomataan, että 8/12 kappaleesta murtui siltä puolelta, jolla on pienemmät puristavat jäännösjännitykset. Tämä on oletettavaa, sillä puristavat jäännösjännitykset ovat hyviä väsymislujuuden kannalta. Raesuihkupuhdistus kummallakin tavalla tasoittaa koekappaleen geometriaa ja muuttaa hitsin rajaviivaa jouhevammaksi.
Lisäksi erityisesti TIG-sulatetuissa kappaleissa huomattiin raesuihkupuhdistuksen muuttavan kaikki jäännösjännitykset puristaviksi. HFMI-käsitellyille kappaleille raesuihkupuhdistuksella ei ollut niin suurta vaikutusta jäännösjännityksiin. Tämä voi johtua siitä, että HFMI-käsittely itsessään plastisoi käsiteltyä kohtaa, jolloin raesuihkupuhdistus ei enää tehoa jo myötölujittuneeseen rajaviivaan. TIG-käsitellyillä kappaleilla oli suuremmat puristavat jäännösjännitykset, mutta silti HFMI-käsitellyille kappaleille aiheutui suurempi keskimääräinen väsymisluokka nimellisessä sekä rakenteellisessa jännityksessä.
TIG-käsiteltyihin S700 teräksen koekappaleisiin aiheutui kaikista suurimmat rakenteelliset jännitykset ja niiden 𝐹𝐴𝑇50% luokkien hajonta oli suuri.
S1100 teräksen tuloksia voidaan verrata Aholan, Skrikon, & Björkin (2019) tutkimukseen, jossa on tutkittu ultralujan teräksen koekappaleiden väsymislujuutta. Tutkimuksesta otettiin vertailuun kuormaa kantamattomat t-liitokset, joiden R oli 0,1. Nimellisen jännityksen menetelmällä saatujen keskimääräisten väsymisluokkien perusteella huomataan, että raesuihkupuhdistetuilla kappaleilla on parempi keskimääräinen väsymisluokka, jos niitä verrataan samalla pelkästään TIG-sulatettuihin tai HFMI-käsiteltyihin kappaleisiin. Yksittäisistä koetuloksista lasketut keskimääräiset väsymisluokat HFMI-käsitellyissä kappaleissa kasvoi keskimäärin 14 % ja TIG-sulatetuissa 23 % raesuihkupuhdistetuissa kappaleissa verrattuna raesuihkupuhdistamattomiin nimellisen jännityksen menetelmällä. Rakenteellisen jännityksen menetelmällä tulokset kääntyivät toisinpäin: HFMI-käsitellyille kappaleille keskimääräiset väsymisluokat paranivat 22 % ja TIG-sulatetuille 17 %. Kuvassa 21. rakenteellisen jännityksen tulokset S-N käyrällä. Erot ovat kuitenkin sen verran pieniä, että ne menevät todennäköisesti normaalijakaumaan.
Kuva 21. Rakenteellisen jännityksen S1100 teräksen kokeiden tulokset ja Aholan et al.
S355 ja S700 terästen osalta ei ole saatavilla niin hyvin verrannollisia tuloksia.
Koekappaleiden olisi hyvä olla täysin samanlaisia ja mielellään samoilla parametreillä ja geometrioilla tehtyinä. Tuloksia vertaillaan nyt Yildirimin (2015; 2017) artikkeleihin, joihin on koottu useista lähteistä löytyviä tuloksia. Vertailtavissa olevia tuloksia S355 TIG-sulatetuille kappaleille ei löytynyt.
Tulokset on laskettu nimellisen jännityksen menetelmällä. Tuloksia muokattiin kaavoilla (9) ja (10), jotta tulokset olisivat vertailtavissa. Lisäksi tutkimuksissa oli määritetty eri koesarjoille m arvot, joten tulokset laskettiin uudelleen samoilla m arvoilla. Koska m on tietylle koesarjalle sovitettu käyrä, eivät ne kuvaa tämän tutkimusten tuloksia parhaalla mahdollisella tavalla. Kuormaa kantamattoman t-liitoksen tuloksia oli vähän, joten osa tuloksista on myös x-liitoksia, joiden nimelliset väsymisluokat ovat yleisesti vertailtavissa.
S700 teräksen vertailutaulukko taulukossa 9 ja S355 taulukossa 10.
Taulukko 9. S700 teräksen vertailuarvot, kuulapuhalletun ja sinkopuhalletun keskiarvot kyseisillä m arvoilla ja prosenttimääräinen parannus vertailtaviin tuloksiin.
Vertailu
Taulukko 10. S355 HFMI-käsitellyn teräksen vertailuarvot, kuulapuhalletun ja sinkopuhalletun keskiarvot kyseisillä m arvoilla ja prosenttimääräinen parannus vertailtaviin tuloksiin. tulokset anna erityisen hyviä arvoja vertailuun. Esimerkiksi taivuttamalla väsytettynä kappaleisiin ei aiheudu sekundäärisiä taivutusjännityksiä, joka vaikuttaa tuloksiin
positiivisesti. TIG-sulatetuissa S700 kappaleissa pääsääntöisesti tulokset huononivat lähemmäs 30 %. HFMI-käsitellyissä kappaleissa hajonta oli suurta vertailtavien arvojen välillä ja parannus vaihteli -35–40 %. S355 tulokset ovat hyvin lähellä vertailun tuloksia, parannus vaihteli -6–5 %.
6 JOHTOPÄÄTÖKSET
Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää vaikuttaako raesuihkupuhdistus jo jälkikäsitellyn hitsin väsymislujuuteen. Oleellisimpana tutkimuskeinona olivat väsytyskokeet, joissa selvitettiin, kuinka monta kuormanvaihtelua kappaleet kestivät ennen murtumista. Tulokset laskettiin nimellisen ja rakenteellisen jännityksen menetelmin.
Tutkimuksessa pyrittiin selvittämään raesuihkupuhdistuksen vaikutus kolmeen eri teräslujuuteen: S355, S700 ja S1100. Jälkikäsittelynä käytettiin yleisimpiä menettelyjä, eli TIG-sulatusta ja HFMI-käsittelyä. Myös raesuihkupuhdistukseen käytettiin kahta erilaista tyyppiä, joiden välisiä eroja tutkittiin.
Tutkimuksen tuloksia vertailtiin muista tutkimuksista löytyviin tuloksiin ja sitä kautta pyrittiin määrittämään raesuihkupuhdistuksen vaikutukset. Täydellisesti vertailtavissa olevia tutkimustuloksia löytyy kirjallisuudesta vähän. S1100 teräksen vertailun tulokset olivat tarkoitukseen hyviä, koska kokeet oli tehty samanlaisista kappaleista ja samassa laboratoriossa. Tällöin voidaan olettaa, että laatu kappaleiden välillä on yhtenäinen. Nämä tulokset osoittivat, että raesuihkupuhdistuksella on mahdollisesti väsymislujuutta lisäävä vaikutus. S355 ja S700 teräksiä taas vertailtiin tuloksiin, joiden kokeet oli tehty muualla eikä käytetyistä parametreista ollut tarkkaa tietoa. Tästä syystä tulosten vertailu ei ole kovin mielekästä. Raesuihkupuhdistuksen tyypillä ei vaikuttaisi tulosten perusteella olevan merkitystä, koska tulokset heittivät koekappaleiden välillä vain vähän, eivätkä ne olleet yhtenäisiä.
Hitsattujen teräsrakenteiden väsymistä on melko hankala tutkia, koska erilaisia parametreja, jotka vaikuttavat tuloksiin on paljon. Näin ollen yhden vaikutuksen, kuten raesuihkupuhdistuksen tutkimiseksi tulisi koekappaleiden ja vertailtavien tulosten koekappaleiden olla yhtenäisiä, jotta kaikkien muiden muuttujien vaikutukset saataisiin minimoitua. S355 ja S700 teräksille ei löytynyt tällaisia verrannollisia arvoja. Tästä syystä vaikutuksia eri terästen välillä ei voitu tutkia ja tutkimus jäi S1100 terästen varaan. Niiden tulosten perusteella voidaan sanoa, että raesuihkupuhdistuksella on mahdollisesti positiivisia vaikutuksia jo jälkikäsiteltyihin hitseihin.
Kaikkiin tutkimuskysymyksiin ei kuitenkaan saatu vastauksia ja näin ollen tutkimus jäi osittain puutteelliseksi. Lisää kokeita tulisi tehdä, jotta erilaisille käsittelyille voitaisiin laskea karakteristiset väsymisluokat. Erityisen tärkeää olisi tehdä kokeita kunnollisten vertailuarvojen saamiseksi S355 ja S700 teräksille. Tämän työn tuloksia voidaan kuitenkin käyttää jatkossa, mikäli aihetta päätetään tutkia lisää. Koska raesuihkupuhdistuksen tyypillä ei vaikuttaisi olevan suurempaa merkitystä, ainakin aluksi jatkokokeet kannattaisi tehdä vain yhden tyyppisellä raesuihkupuhdistuksella.
LÄHTEET
Ahola, A. 2020. Stress components and local effects in the fatigue strength assessment of fillet weld joints made of ultra-high-strength steels. Väitöskirja. Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto. 88 s.
Ahola, A., Skriko, T., Björk, T. 2019. Fatigue strength assessment of ultra-high-strength steel fillet weld joints using 4R method. Journal of constructional steel research. 12 s.
Doerk, O., Fricke, W., Weissenborn, C. 2003. Comparison of different calculation methods for structural stresses at welded joints. International journal of fatigue. 359–369 s.
Haagensen, P. J. & Maddox, S. J. 2010. IIW Recommendations on Post Weld Fatigue Life Improvement of Steel and Aluminium Structures. IIW-Document XIII-2200r7-07. 41 s.
Haagensen, P. J. 2011. Fatigue Strength Improvement Methods, in Fracture and Fatigue of Welded Joints and Structures, edited by Macdonald, K. A. Woodhead Publishing. 297–329 s.
Hobbacher, A. 2016. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. Second Edition. International Institute of Welding. Cham: Springer International Publishing. 143 s.
Jonsson, B., Dobmann, G., Hobbacher, A., Kassner, M. & Marquis, G. 2016. IIW Guidelines on Weld Quality in Relationship to Fatigue Strength. Cham: Springer International Publishing. 115 s.
Kirkhope, K., Bell, R., Caron, L., Basu, R.I., Ma, K.-T. 1999. Weld detail fatigue life improvement techniques. Part 1: review. Marine structures. 447–474 s.
Marquis, G. & Barsoum, Z. 2016. IIW Recommendations for the HFMI Treatment For Improving the Fatigue Strength of Welded Joints. Singapore: Springer Singapore. 34 s.
Niemi, E. 2003. Levyrakenteiden suunnittelu. Helsinki: Teknologiainfo Teknova. 136 s.
Niemi, E., Fricke W. & Maddox SJ. 2018. Structural Hot-Spot Stress Approach to Fatigue Analysis of Welded Components Designer’s Guide. 2nd ed. 2018. Singapore: Springer Singapore. 76 s.
Nüsse, G. et al. 2010. Refresh – Extension of the fatigue life of existing and new welded steel structures. Düsseldorf: Verlag und Vertriebsgesellschaft mbH. Lyhennetty versio 41 s.
Pedersen, M. M., Mouritsen, O. Ø., Hansen, M.R., Andersen, J.G., Wenderby, J. 2010.
Comparison of Post-Weld Treatment of High-Strength Steel Welded Joints in Medium Cycle Fatigue. Welding in the world. 208–217 s.
SFS EN 1993-1-9. EUROCODE 3: TERÄSRAKENTEIDEN SUUNNITTELU. OSA 1-9:
VÄSYMINEN. European Committee for Standardization, 2006. 41 s.
SFS-EN ISO 8504-2:2019 Teräspintojen esikäsittely ennen maalien ja vastaavien tuotteiden levitystä. Esikäsittelymenetelmät. Osa 2: Raesuihkupuhdistus, Suomen Standardisoimisliito. 30 s.
Vartiainen, N. 2016. RAESUIHKUPUHDISTUKSEN VAIKUTUS JÄLKIKÄSITELLYN HITSIN RAJAVIIVAN JÄÄNNÖSJÄNNITYKSIIN JA PINNANLAATUUN.
Kandidaatintyö. Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto. 33 s.
Yıldırım, H. C. 2015. Review of fatigue data for welds improved by tungsten inert gas dressing. International journal of fatigue. 36–45 s.
Yıldırım, H. C. 2017. Recent results on fatigue strength improvement of high-strength steel welded joints. International journal of fatigue. 408–420 s.
LIITTEET
LIITE I/I Kappaleiden murtopinnat
S355HK
S355HL
S355TK
LIITE I/II
S355TL
S700HK
S700HL
S700TK
LIITE I/III
S700TL
S1100HK
S1100HL
S1100TK
LIITE I/IV
S1100TL