State of the art: Joining of Aluminium

Transcriptie

1 State of the art: Joining of Aluminium Marcel Hermans Delft University of Technology Materials Science and Engineering Joining and Mechanical Behaviour 1

2 State of the art: Joining of Aluminium Literatuur scan: Metadex Key words: 1. Welding + Aluminium/Aluminum peer-reviewed articles 2359 conferences Friction Stir Welding + Aluminium/Aluminum peer-reviewed articles 748 (FSW tool 327) conferences 207 (FSW tool 105) 2

3 Inhoud Introductie Aluminium legeringen Verbindingsprocessen Smeltlassen Lasbaarheid warmscheuren porositeit korrelverfijning Lassen van ongelijksoortige metalen Laser-Brazing van aluminium 3

4 Introductie Road 4

5 Introductie Marine Aluminium Passagiers Ferry Lasfaciliteiten, Polen 5

6 Introductie Aerospace 2219/2195 6

7 Classificatie aluminium legeringen Lassen van aluminium en aluminiumlegeringen, VM 83, FME CWM,

8 Aluminium eigenschappen: corrosieweerstand, oxidehuid hoge thermische uitzettingscoefficient, krimp relativief lage E-modulus Lage dichtheid relatief lage operating temperatuur 8

9 Aluminium Vergelijking van fysische eigenschappen Al-legeringen Staal Roestvast staal uitzettings coef. (1/K.10-6 ) Warmte geleiding (W/m-K) Specifieke warmte (J/kg-K) smeltpunt (ºC)

10 Sterkteverhoging van metalen 1. Koudvervormen, verstevigen 2. Oplossingsharding 3. Precipitatieharding 4. Korrelverfijning 10

11 Verbindingsprocessen Processelectie Totaal: 161 verbindingstechnieken 1xxx, 3xxx, 4xxx, 6xxx and 5xxx with < 1%Mg: 136 5xxx with > 1%Mg: 123 7xxx Cu vrij: 114 7xxx Cu: 107 2xxx 97 11

12 Verbindingsprocessen Friction stir welding 12

13 Smeltlassen Perceptie: Aluminium is moeilijk te smeltlassen Beperkte range van lasbare legeringen Problemen met betrouwbare laskwaliteit Scheurgevoeligheid Porositeit Corrosiegevoeligheid 13

14 Lasproces Overwegingen Warmteïnbreng Thermische schade Temperatuur cyclus Metallurgische verandering Stabiliteit Gerelateerd aan proces en materiaal Chemie Invloed van toevoegmateriaal 14

15 Materiaal Overwegingen Sterkte Lasmetaal en Warmtebeïnvloede zone Minimaal defect niveau Rek Corrosieweerstand Vermoeiingseigenschappen 15

16 Smeltlassen: lasbad & stolling α = κ ρ C p 16

17 Smeltlassen: lasbad & stolling Oxydehuid: wisselstroom Verwijderen van oxyden voor het lassen Hoge reflectiviteit Hoge dampdruk van legeringselementen (Zn, Mg) Clad laag met hoog smeltpunt MMC Al-Al 2 O 3 17

18 Smeltlassen: lasbad & stolling geroerd lasbad 18

19 Smeltlassen: lasbad & stolling Al-Cu: vlak cellulair 19

20 Smeltlassen: lasbad & stolling segregatie Invloed v/d chemische samenstelling op de warmscheurgevoeligheid 20

21 Warmscheuren Stolscheuren: groot stoltraject. Spanningen, krimp lasparameters: voortloopsnelheid Selectie toevoegmateriaal Eutectic healing 21

22 Warmscheuren: Electromagnetisch roeren Electro-magnetisch roeren tijdens TIG-lassen 22

23 Porositeit Fijne poriën, dispersie Geen invloed opmechanische eigenschappen Grove poriën, Negatieve invloed op mechanische eigenschappen Centre-line poriën, Onvoldoende penetration 23

24 Porositeit: electro-magnetisch roeren Bovenaanzicht lasmetaal AA7020 Geroerd/ongeroerd 24

25 Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal 2 pass GMA welds on 12.7mm thick

26 Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal PWHT 26

27 Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal Sc gelegeerd PWHT 27

28 Plasma Keyhole lassen 8mm dik

29 WBZ: Precipitaat Vrije Zones PFZ 29

30 Precipitatie Vrije Zones Precipitaat vrije zones worden vaak waargenomen naast korrelgrenzen. Deze zones zijn door de afwezigheid van precipitaten zwak. PFZ vormt zich omdat: Precipitaten vormen zich eenvoudig op korrelgrenzen en zuigen de opgeloste elementen van de matrix. De korrelgrenzen zijn ook sinks voor vacatures. Vacatures assisteren bij de nucleatie van precipitaten. De vacature-concentratie concentratie naast de korrelgrens neemt af. PFZ 30

31 Aluminium legeringen mechanische eigenschappen na lassen reductie in hardheid bij koudvervormd en precipitatie geharde legeringen Natuurlijk verouderen AlMgSi 31

32 Verbinden Ongelijksoortige Materialen wrijvingslassen AA6061-Al 2 O 3 Fauzi et al., Materials and Design 31 (2010)

33 Verbinden Ongelijksoortige Materialen Weerstand puntlassen hexagonaal AlFeCr Fe 2 Al 5 FeAl 3 35 nm dikke laag FeAl 2 Qui et al., Mat Sc and Technol 2010 VOL 26 NO 2 33

34 Verbinden Ongelijksoortige Materialen Ti Al: laser welding S. H. Chen et al., Materials Science and Technology 2010 VOL 26 NO 2 34

35 Verbinden Ongelijksoortige Materialen Staal Al: pulsed laser Torkamany et al., Materials and Design 31 (2010)

36 Laser brazing T. Markovits, Journal of Materials Processing Technology (2003)

37 Materiaalschaarste H C N O P S Cl non-metal elements Na Mg Al Si K Ca Fe elements of hope Ti Cr Mn Cu B F Ar Br critical elements frugal elements Li Be Sc V Co Ni Zn Ga Ge As Sr Y Zr Nb Mo PGM Ag Cd In Sn Sb Te Ba REM Ta W Re Au Hg Tl Pb Bi 37

38 Samenvatting De meeste processen kunnen goede lassen produceren Geen proces is geschikt voor alle applicaties De thermische geschiedenis bepaald de microstructuur en de mechanische eigenschappen Proces stabiliteit is uiterst belangrijk 38

39 Samenvatting Hoge kwaliteit laasen zijnin vele legeringen mogelijk, inclusief de vaak als niet lasbaar geklassificeerde legeringen Alle processen vereisen zorgvuldige voorbereiding en optimalisatie Lasmetaal heeft vaak under matching eigenschappen t.o.v het basismateriaal Design is belangrijk in lassen 39

40 Toekomstige ontwikkelingen Er is ruimte voor verbeteringen bij alle processen Stabiliteit Controle Eisen aan toevoegmaterialen om de eigenschappen van het basismateriaal beter te benaderen Beter begrip voor de respons van materialen op de lokale temperatuur cyclus en de metallurgische factoren die de eigenschappen van de las beinvloeden. 40

41 Faciliteiten Materials Science and Engineering, Delft Booglassen: GTA/GMA/Plasma (migatronic, fronius, cloos) Laser (Trumph-Haas 3kW/300W) Hybride lasprocessen (laser-boog) Warmtebehandelings faciliteiten Mechanische test faciliteiten Thermo-mechanische test faciliteiten Stroom/spanning/vermogen monitoring Temperatuur metingen Zuurstofgehalte bepaling Microscopie faciliteiten Chemische en spanning analyses 41

42 Decomposition - Effect on Hardness Al-Cu alloys Guinier-Preston Zones Ordered solute rich clusters 1 or 2 atom planes in thickness Same crystal structure as matrix Coherent Intermediate Precipitates Larger than GPZ Distinct crystal structure θ coherent θ' semi-coherent Equilibrium Precipitate Large particles Different crystal structure to matrix Incoherent Coherent θ θ' θ Hardness Peak hardness Overaged Time 42