Fatigue analysis and design of arc-welded and laser-welded lap joints
Ir. Stefan Giesen, M.Sc., Technische Universität Delft
Dauerfestigkeit kann die maßgebliche Bemessungsgröße in maritimen Strukturen sein, die hauptsächlich durch Wellen und Wind verursacht wird. Daher ist die Verwendung einer Überlappungsverbindung für die Außenhaut, um das Aussehen einer Nietverbindung für eine Retro-Yacht nachzubilden, wegen der begrenzten Dauerfestigkeit kritisch. Bei dieser Verbindungsart können an der Wurzel beginnende Risse auftreten, die wegen der schweren Erkennbarkeit immer vermieden werden sollten. Lichtbogen- und lasergeschweißte Überlappungsverbindungen werden erforscht, um die Dauerfestigkeit abzuschätzen und das Risiko eines Wurzelversagens zu verringern.
Die Spitzenspannung von Schweißnaht- und Schweißwurzelkerben reicht nicht aus, um die Dauerfestigkeit widerzuspiegeln. Deshalb wird ein effektiver Kerbspannungsparameter benutzt, der sowohl die durch die Schweißnaht- als auch die Schweißwurzelkerbe induzierte Ermüdung berücksichtigt. Es werden halbanalytische Formulierungen für die Kerbspannungen aufgestellt, um ein Finite-Elemente Volumenmodell zur Erfassung der effektiven Kerbspannungen zu vermeiden. Besonderes Augenmerk wird auf die für Überlappungsverbindungen charakteristische, extreme Schweißnaht-Tragfähigkeit gelegt. Hierfür wird eine Schweißnaht-Tragfähigkeitformulierung zweiter Ordnung eingeführt. Da die (Laser-)Schweißnaht im Vergleich zu den Plattendicken typischerweise klein ist, wird eine spezielle Art der Schweißnahtmodellierung vorgeschlagen, die von einer schalenförmigen Finite-Elemente-Formulierung ausgeht und es ermöglicht, die Strukturspannung sowohl für den Schweißnahtübgergang als auch für die Schweißnahtwurzelkerbe genau zu erfassen.
Es werden Ermüdungstests durchgeführt, um Informationen über die Dauerfestigkeit der laser-geschweißten Überlappungsverbindung für mittlere Schwingzahlen zu erhalten, einschließlich der charakteristischen Materiallänge als effektiver Kerbspannungskoeffizient. Besonderes Augenmerk wird auf die Auswirkungen der Eigenspannungen im Vergleich zur lichtbogengeschweißten Verbindung gelegt, um die Dauerfestigkeit zu erklären.
Vergleicht man die Ermüdungsfestigkeit von Überlappungsverbindungen in lichtbogengeschweißten und lasergeschweißten Konfigurationen mit der Ermüdungsfestigkeit anderer Verbindungsarten, so zeigt sich, dass die Ergebnisse übereinstimmen. Es werden Parameter für die Materialeigenschaften untersucht, entweder mit einem effektiven Punkt oder einer effektiven Linie. Ein linienbasierter Parameter zeigt eine bessere Leistung. Der Hauptgrund ist, dass der tatsächliche Kerbspannungsgradient explizit berücksichtigt wird. Die mittlere Spannung (Eigenspannung) ist bei lichtbogengeschweißten Verbindungen größer. Die Korrektur der mittleren Spannung (Eigenspannung) ist gleichzeitig ein Grund für das Versagen am Nahtübergang und nicht das erwartete Versagen an der Wurzel. Bei lichtbogengeschweißten Verbindungen ist die Änderung des Versagensortes, die durch spannungsniveauabhängige sekundäre Biegemomente verursacht wird, ein weiterer Grund. Die Genauigkeit der Dauerfestigkeitsparameter für lasergeschweißte Schweißnähte ist im Vergleich zu lichtbogengeschweißten Schweißnähten relativ gering, was auf die Datengröße zurückzuführen ist: ca. 190 bzw. ca. 3000 Datenpunkte.
Wenn die spannungsabhängige Änderung der sekundären Biegemomente nicht berücksichtigt wird, verändern sich die Parameter und die Qualität der Anpassungskuve für lichtbogengeschweißte Überlappungsverbindungen nicht wesentlich. Der Einfluss auf die effektive Kerbspannung ist jedoch erheblich und verändert den Wert im Mittel um 4,7% und bis zu 14,7%.
Betrachtet man nur die Dauerfestigkeit für mittlere Schwingzahlen, so ist das Laserschweißen dem Lichtbogenschweißen bei niedrigen Lastverhältnissen aufgrund des geringeren Eigenspannungsniveaus überlegen. Die Bemessungskurve der FAT-Klasse von Lichtbogenschweißverbindungen für das Strukturspannungskonzept mit einem Lastverhältnis von 0,5 kann mit einer Mittelspannungskorrektur zur Abschätzung der Dauerfestigkeit von Laserschweißnähten verwendet werden.
Fatigue might be the governing limit state in marine structures mainly induced by the waves and wind. Therefore, using a lap joint for the shell plating to replicate the appearance of a riveted joint for a retro yacht is critical due to the limited fatigue resistance. For this joint type cracks initiated at the root, which should always be avoided due to hard detectability, might appear. Arc- and laser-welded lap joints are researched to estimate fatigue resistance and reduce the risk of root failure.
The hot spot peak stress of weld toe and weld root notches is insufficient to reflect the fatigue strength, explaining why an effective notch stress parameter is used, able to deal with both weld toe and weld root notch induced fatigue. Semi-analytical weld notch stress formulations are established in order to avoid solid finite element modelling to capture the effective notch stress. Particular attention is paid to the lap joint characteristic extreme weld notch load carrying level. A second-order weld load carrying stress formulation is introduced. Since the (laser) weld is typically small in comparison to the plate thickness, a dedicated way of weld modelling is proposed, assuming a shell finite element type of formulation, allowing to capture the far field stress for both the weld toe and weld root notch accurately.
Fatigue tests are performed to obtain the laser-welded lap joint mid-cycle fatigue resistance information, including the material characteristic length as effective notch stress coefficient. Particular attention is paid to mean (residual) stress effects in comparison to the arc-welded joint equivalent to explain the fatigue performance.
Comparing the lap joint fatigue resistance in arc-welded and laser-welded configurations to the resistance of other joint types, the results turned out to be aligned. Investigating different material characteristic parameters, either an effective point or an effective line is used. A line based parameter shows a better performance. The main reason is that the actual notch stress gradient is explicitly considered. The mean (residual) stress seems to be larger for arc-welded joints. Furthermore, the mean (residual) stress correction seems at the same time to be one reason for toe induced- rather than expected root induced failure. For arc-welded joints, the change in failure location induced by stress level dependent secondary bending moments is another reason. The fatigue resistance parameter confidence for laser-weld weld joints is relatively low in comparison to the confidence for arc-welded ones, as a result of data size: respectively 190 and 3000.
When not considering the change in secondary bending moments in the fit of a Se-N curve, the overall fit parameters and quality do not change significantly for arc-welded lap joints. However, the influence on the effective stress range is substantial and changed the value on average by 4.7% and up to 14.7%.
Considering only the mid-cycle fatigue resistance, laser welding is superior to arc welding when exposed to low load and response ratios resulting from the lower residual stress level. The FAT class design curve of arc-welded joints for the hot spot structural stress concept with a load and response ratio of 0.5 can be used with a mean stress correction to estimate the fatigue resistance of laser welds.
