The Influence of High Strength Steel on the Fatigue Life of Welded Joints in the Automotive Industry.
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: The ability to predict and protect against fatigue failure of structurally critical
components, while still being able to produce high performance and costefficient
designs is of great importance to the automotive industry. This study
investigates the influence of high strength steels on the fatigue life of welded
joints commonly used in the automotive industry, and compares the experimental
fatigue data to commonly used fatigue design approaches, namely the
BS 7608 approach and Shigley’s approach. Two joint details of interest are
considered, namely a non-load bearing fillet welded T-joint and a load bearing
fillet welded cruciform joint. Each joint geometry has three different base
and filler material combinations, with varying material strengths, i.e. a total
of six different specimen configurations. Two material combinations have
a high strength steel (Strenx® 700 MC D) for the base material, with one
combination having a matched filler material and the other having an undermatched
filler material. The third material combination has a lower strength
steel (S 355 JR AR) for the base material, with a matched filler material. Tensile
tests were performed to confirm the base material mechanical properties
and weld quality of the manufactured specimens. The welded specimens of
both joint geometries were fatigue tested and the obtained data was used to
generate experimental S-N curves. The experimental S-N curves for each joint
geometry and material combination were compared with each other, as well as
with the two fatigue design approaches.
The investigation showed that there is no significant benefit to using high
strength steel as the base material for fatigue loaded welded joints. Moreover, in some cases the use of high strength steel actually proved to be detrimental
to the fatigue performance of the joint, compared to the use of a lower strength
steel (e.g. T-joint with non-load bearing weld attachment). The results suggest
that the fatigue performance of a non-load bearing weld attachment (T-joint)
is highly dependent on material combination and strength, with lower strength
base materials offering better fatigue performance than higher strength base
materials. In this case the material combination and strength seems to be the
dominating factors in fatigue performance over joint geometry. In contrast, the
load bearing welded joint (cruciform joint) was shown to be less dependent on
material combination and strength, with the joint geometry potentially being
the more dominating factor on fatigue performance, as shown by the similarity
in fatigue performance with the varying material combinations.
The BS 7608 design curves generally tended to be quite conservative depending
on the joint geometry and material combination considered. The BS 7608 does
not account for material strengths and this could be why its fatigue performance
predictions are quite conservative in certain cases. In general, Shigley’s
material strength dependent approach overestimated the fatigue performance
of the investigated welded joint details and is therefore not recommended for
use in the fatigue design of these joints.
AFRIKAANS OPSOMMING: In die voertuigindustrie is dit van groot belang om die vermoeidheidsfaling van kritieke strukturele komponente te voorspel en voorkom, terwyl hoë werkverrigting en kostedoeltreffendheid steeds verseker word. Hierdie studie ondersoek die invloed van hoë-sterkte staal op die vermoeidheidslewe van sweisverbindings wat algemeen in die voertuigindustrie gebruik word, en vergelyk die eksperimentele vermoeidheidsdata met standaard vermoeidheids-ontwerpsbenaderings, naamlik die BS 7608 benadering en Shigley se benadering. Twee verskillende verbindingdetails word oorweeg, naamlik ’n nie-lasdraende hoeksweis T-las en ’n lasdraende hoeksweis kruisvormige las. Vir beide details, word drie verskillende moedermateriaal- en vulmateriaal-kombinasies ondersoek, dit wil sê ’n totaal van ses verskillende toetsmonster-konfigurasies. Twee materiaalkombinasies het ’n hoë-sterkte staal (Strenx® 700 MC D) vir die moedermateriaal, een kombinasie met soortgelyke vulmateriaal en die ander met ’n laer-sterkte vulmateriaal. Die derde materiaalkombinasie het ’n laer-sterkte staal (S 355 JR AR) vir die moedermateriaal met soortgelyke vulmateriaal. Trektoetse is uitgevoer om die meganiese eienskappe van die moedermateriaal en die sweiskwaliteit van die vervaardigde toetsmonsters te bevestig. Vermoeidheidstoetse vir beide verbindingdetails is uitgevoer en die toetsdata is gebruik om S-N krommes te genereer. Die eksperimentele S-N data vir elke verbindingdetail en materiaalkombinasie is met mekaar vergelyk, sowel as met twee standaard ontwerpsbenaderings. Die ondersoek het getoon dat daar geen beduidende voordeel is vir die gebruik van hoë-sterkte staal as die moedermateriaal in terme van die vermoeidheidslewe in vermoeidheidsbelade sweisverbindings nie. Boonop blyk dit dat in sekere gevalle die gebruik van hoë-sterkte staal nadelig is in vergelyking met die gebruik van ’n laer-sterkte staal. Byvoorbeeld, die resultate dui daarop dat die vermoeidheidslewe van ’n T-verbinding sterk afhanklik is van die materiaalkombinasie en -sterkte, met ’n laer-sterkte moedermateriaal wat beter vermoeidheidslewe bied as ’n hoër-sterkte moedermateriaal. In hierdie geval blyk dit dat die materiaalkombinasie en -sterkte die oorheersende faktore is in vermoeidheidslewe, in vergelyking met die verbindings-geometrie. Daarteenoor is getoon dat die kruisvormige-las minder afhanklik is van materiaalkombinasie en -sterkte, met die verbindings-geometrie potensieel moontlik die meer oorheersende faktor vir vermoeidheidslewe, soos blyk uit die eendersheid in vermoeidheidsdata vir die verskillende materiaalkombinasies. Die BS 7608 ontwerpskrommes was oor die algemeen redelik konserwatief, afhangende van die verbindingdetail en materiaalkombinasie. Die BS 7608 neem nie materiaalsterkte in ag nie, en mag verklaar waarom die voorspelde vermoeidheidslewe in sekere gevalle konserwatief is. In die algemeen oorskat Shigley se materiaalsterkte afhanklike benadering die vermoeidheidslewe van die ondersoekte sweisverbindings wat onderskat is en word dus nie aanbeveel vir vermoeidheidsontwerp van hierdie verbindings nie.
AFRIKAANS OPSOMMING: In die voertuigindustrie is dit van groot belang om die vermoeidheidsfaling van kritieke strukturele komponente te voorspel en voorkom, terwyl hoë werkverrigting en kostedoeltreffendheid steeds verseker word. Hierdie studie ondersoek die invloed van hoë-sterkte staal op die vermoeidheidslewe van sweisverbindings wat algemeen in die voertuigindustrie gebruik word, en vergelyk die eksperimentele vermoeidheidsdata met standaard vermoeidheids-ontwerpsbenaderings, naamlik die BS 7608 benadering en Shigley se benadering. Twee verskillende verbindingdetails word oorweeg, naamlik ’n nie-lasdraende hoeksweis T-las en ’n lasdraende hoeksweis kruisvormige las. Vir beide details, word drie verskillende moedermateriaal- en vulmateriaal-kombinasies ondersoek, dit wil sê ’n totaal van ses verskillende toetsmonster-konfigurasies. Twee materiaalkombinasies het ’n hoë-sterkte staal (Strenx® 700 MC D) vir die moedermateriaal, een kombinasie met soortgelyke vulmateriaal en die ander met ’n laer-sterkte vulmateriaal. Die derde materiaalkombinasie het ’n laer-sterkte staal (S 355 JR AR) vir die moedermateriaal met soortgelyke vulmateriaal. Trektoetse is uitgevoer om die meganiese eienskappe van die moedermateriaal en die sweiskwaliteit van die vervaardigde toetsmonsters te bevestig. Vermoeidheidstoetse vir beide verbindingdetails is uitgevoer en die toetsdata is gebruik om S-N krommes te genereer. Die eksperimentele S-N data vir elke verbindingdetail en materiaalkombinasie is met mekaar vergelyk, sowel as met twee standaard ontwerpsbenaderings. Die ondersoek het getoon dat daar geen beduidende voordeel is vir die gebruik van hoë-sterkte staal as die moedermateriaal in terme van die vermoeidheidslewe in vermoeidheidsbelade sweisverbindings nie. Boonop blyk dit dat in sekere gevalle die gebruik van hoë-sterkte staal nadelig is in vergelyking met die gebruik van ’n laer-sterkte staal. Byvoorbeeld, die resultate dui daarop dat die vermoeidheidslewe van ’n T-verbinding sterk afhanklik is van die materiaalkombinasie en -sterkte, met ’n laer-sterkte moedermateriaal wat beter vermoeidheidslewe bied as ’n hoër-sterkte moedermateriaal. In hierdie geval blyk dit dat die materiaalkombinasie en -sterkte die oorheersende faktore is in vermoeidheidslewe, in vergelyking met die verbindings-geometrie. Daarteenoor is getoon dat die kruisvormige-las minder afhanklik is van materiaalkombinasie en -sterkte, met die verbindings-geometrie potensieel moontlik die meer oorheersende faktor vir vermoeidheidslewe, soos blyk uit die eendersheid in vermoeidheidsdata vir die verskillende materiaalkombinasies. Die BS 7608 ontwerpskrommes was oor die algemeen redelik konserwatief, afhangende van die verbindingdetail en materiaalkombinasie. Die BS 7608 neem nie materiaalsterkte in ag nie, en mag verklaar waarom die voorspelde vermoeidheidslewe in sekere gevalle konserwatief is. In die algemeen oorskat Shigley se materiaalsterkte afhanklike benadering die vermoeidheidslewe van die ondersoekte sweisverbindings wat onderskat is en word dus nie aanbeveel vir vermoeidheidsontwerp van hierdie verbindings nie.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Load bearing welds, Non-load bearing welds, High strength steel, Automobile industry and trade, Steel, High strength, Welded joints -- Fatigue, UCTD