Regular Article

Experimental and numerical investigation of the overload effect on fatigue behaviour of spot-welded steel sheets

Étude expérimentale et numérique de l’influence de surcharges sur le comportement en fatigue de tôles en acier assemblées par points soudés

¹ Université Clermont Auvergne, CNRS, Institut Pascal, 63000 Clermont-Ferrand, France
² Institut Universitaire Polytechnique de Mongo, Mongo, Chad
³ Technocentre Renault, 1 avenue du Golf, 78084 Guyancourt, France
⁴ Arcelormittal Maizières Research SA, BP 30320 Voie Romaine, 57283 Maizières-Les-Metz cedex, France

^* e-mail: fabienne.pennec@uca.fr

Received: 11 October 2017
Accepted: 2 July 2018

Abstract

Spot-weld joints are commonly used to fasten together metal sheets in automotive industry. The car frame used in Renault vehicles is a representative example of the usefulness of this method. Most of the spot-welds experience fatigue damaging occurrence due to rough roads or driving conditions which apply periodical overloads to the vehicle. Understanding their fatigue behaviour is crucial from the viewpoint of failure prevention in design. In this study, a series of experiments was conducted to study the fatigue failure of spot-welded tensile-shear specimens made of a deep-drawing steel (XES) and High strength low alloy steels (HE360D and XE360D). Two different types of fatigue tests were performed, the first one with a constant-amplitude sinusoidal loading (loading ratio equal to 0.1) and the second one with one incidental overload cycle introduced per 100 cycles. The experimental results show a favourable effect of overloads for HSLA steel specimens, whereas the effect is the opposite for XES steel specimens. A finite element analysis was carried out using the open-source Salome-Meca platform to determine the stress states within the specimens around the weld spot and explains both failure modes observed on the specimens at high and low loads.

Résumé

L’assemblage de tôles d’acier au moyen du procédé de soudage par point est couramment utilisé dans l’industrie automobile – notamment chez Renault – pour la réalisation du châssis. Les efforts rencontrés en service liés à des routes accidentées ou aux conditions de conduite sont transmis entre composants assemblés via les points soudés. Comprendre leur comportement à la fatigue sous surcharges incidentelles est donc essentiel pour s’assurer de leur tenue en service et dimensionner de façon permanente la structure. Dans cette présente étude, une campagne d’essais expérimentale a été conduite de manière à analyser les modes de défaillance par fatigue de deux tôles d’acier identiques assemblées par points soudés et sollicitées en traction-cisaillement. Deux nuances d’acier à haute limite d’élasticité (HE360D et XE360D) et une nuance d’acier doux pour emboutissage (XES) ont été testées soit à amplitude constante, soit avec des sollicitations incidentelles survenant à raison d’un cycle de surcharge pour 100 cycles appliqués. L’ensemble des cycles présente le rapport de charge de 0,1 (traction ondulée). Les résultats expérimentaux ont montré que les surcharges périodiques sont bénéfiques à la tenue en fatigue dans le cas des aciers à haute limite d’élasticité alors que l’effet enregistré est au contraire un affaissement très marqué des propriétés de fatigue pour l’acier doux. Des calculs par éléments finis sous la plateforme libre Salome-Meca ont permis de déterminer les états de contraintes multiaxiaux dans les zones expérimentales d’amorçage et de fissuration des éprouvettes autour du point soudé et de mettre en évidence les deux modes de défaillance observés sur les éprouvettes à haut et à faible niveaux d’effort appliqué.