Fatigue Behavior of Welded Joints with Partial Penetration

L'objectif de ce travail est d'aborder les aspects les moins connus des joints soudés à pénétration partielle (PPJ) dans le domaine de la fatigue oligocyclique et mégacyclique en flexion à amplitude constante. Les joints soudés reliant les aubes à la couronne de la roue de turbine Francis (ou du moyeu de la roue d'hélice) peuvent être assimilés à des soudures d'angles structurelles cruciformes en admettant certaines conditions. Dans le cadre de ce projet, ils ont été réalisés suivant les capacités du banc d'essai de fatigue et du montage en flexion. Leur géométrie a été choisie dans l'optique de la caractérisation de la vie en fatigue de la racine et du bord de la soudure. L'influence de la profondeur de pénétration de la soudure, ainsi que l'influence du métal d'apport ont également été étudiées. Afin de répondre aux besoins du projet, quatre types d'essais ont été conçus. Les matériaux utilisés sont l'acier inoxydable martensitique AISI 415 en tant que métal de base, et les aciers martensitiques E410NiMo et austénitiques E316L comme métaux d'apport. Des précautions ont été prises pour la réalisation de la soudure PPJ. En effet, il était important qu'elle soit réalisée dans des conditions réelles, telle que réalisée sur les roues des turbines. Des résultats expérimentaux uniques d'essais de flexion trois points ont été obtenus pour la géométrie choisie (soudures d'angles avec cordons concaves). Ils ont montré que l'aspect de surface de la soudure avait un effet favorable sur l'amorce de la fissure et donc sur sa vie en fatigue. Aussi, le vide résultant à l'issue du soudage par manque de pénétration à la racine de la fissure est suffisamment important pour être considéré comme une fissure. Jusqu'à présent, ce genre de géométrie sollicitée en flexion trois points ne présente pas de solution pout le facteur d'intensité de contraintes. Par conséquent, des méthodes de calculs numériques ont été employées pour le déterminer à la racine de la soudure. La validation des résultats a été réalisée par une étude numérique. Cette étude porte sur les paramètres influençant la précision du mode I des valeurs du facteur d'intensité de contraintes pour une fissure centrale à travers l'épaisseur de la pièce. Les paramètres ont été optimisés par la méthode d'extrapolation du déplacement afin de minimiser les erreurs. La méthode d'interaction intégrale basée sur les énergies a également été utilisée, et a permis d'obtenir des erreurs négligeables pour un intervalle de longueurs de fissures. L'évaluation du facteur d'intensité de contraintes des modes I et II s'est faite en fonction des recommandations faites pour le mode I dans les mêmes conditions.

Abstract

The goal of the present work is to address some of the less understood aspects of the partial joint penetration (PJP) weld in the area of low cycle and high cycle bending fatigue of turbine runner steel subjected to constant amplitude loading. Welded joints of thick blades and the band/crown in the Francis turbine runners (or the hub in the propeller runners) can be deemed representative of the joints of load-carrying cruciform fillet welds with certain simplified considerations. The design of the cruciform joint studied in this thesis was performed considering the capacities of the available fatigue testing machine and flexure fixture. The geometry was selected such that the test results would allow the characterization of the weld toe and root fatigue lives; this feature therefore makes it an ideal specimen for studying the influence of weld penetration depth as well as the weld metal on fatigue behavior. To this aim, four different test types were devised. A wrought martensitic stainless steel AISI 415 was used as base metal, and as weld metals, martensitic E410NiMo and austenitic E316L stainless steels were employed. The particular PJP weld was fabricated under realistic conditions as used for turbine runners. Unique experimental fatigue data in three-point bending tests were produced for load-carrying cruciform fillet welded joints with concave fillet weld (round weld toes). The crack initiation life showed that the weld toe surface finish has a favorable effect on the fatigue strength, and the gap-tip at the weld root is significant enough to be considered as a crack-like defect. Until now, for complex crack geometry of load-carrying cruciform joint with concave fillet weld under three-point bending load, the stress intensity factor (SIF) solution has not been established. Therefore, numerical methods are used to calculate the SIF at the weld root crack tip. To validate the results, a numerical study of the parameters influencing the accuracy of the computed mode I SIF values is presented for a through-thickness center crack. Optimized influencing parameters can minimize the errors obtained with the displacement extrapolation method (DEM), whereas the errors obtained with the energy-based interaction integral method (IIM) are negligible for a variety of crack lengths. Based on the recommendations made for the mode I SIF calculation, assessment of the mode I and mode II SIFs is performed at the weld root crack tip of a load-carrying cruciform fillet welded joint loaded under a three-point bending condition. The accuracy of the mode I SIF calculated with DEM is independent of the crack length, whereas that of mode II is highly dependent. The IIM provides accurate SIFs for both modes for various crack lengths.