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Title: Keyhole repair in precipitation hardening aluminum alloys using refill friction stir spot welding
Language: English
Authors: Reimann, Martin 
Keywords: Refill friction stir spot welding;Aluminum alloy;Friction stir processing
Issue Date: 2018
Examination Date: 16-Oct-2018
Abstract (german): Aufgrund des steigenden Druckes die Umweltbelastung zu verringern, werden Aluminiumlegierungen
in der Transportbranche breitflächig eingesetzt. Durch den technologischen Fortschritt
hat die Nachfrage nach komplexen Bauteilen und Komponenten, die unter Zuhilfenahme
verschiedenster Bearbeitungsmethoden produziert werden, zugenommen. Während der Herstellung
und Wartung von solchen Aluminiumkomponenten und –strukturen können vielfache Defekte
auftreten, die durch eine geeignete Durchgangsloch-Verschlussmethode repariert werden könnten.
Da herkömmliche Schweißverfahren in vielen Aluminiumlegierungen nur schwer anwendbar sind,
ist aus der Suche nach einer reibbasierten Festphase-Bohrlochverschlussmethode, die den
Anforderungen höchster Reparaturqualität gerecht wird, ein bedeutender Forschungszweig
geworden. Dennoch sind viele der derzeit vorhandenen Reibschweißmethoden komplexe,
mehrstufige Prozesse, die nur mit speziellen Anlagen durchgeführt werden können und nicht dazu
geeignet sind, Durchgangslöcher zu verschließen. Die Entwicklung einer geeigneten
Bohrlochreparaturmethode ist daher eine tatsächliche Notwendigkeit.
In dieser Arbeit wurde eine Methode zum Verschließen von Durchgangslöchern entwickelt, bei der
das reibbasierte Schweißverfahren Refill Friction Stir Spot Welding (RFSSW) zur Bohrlochreparatur
an Aluminiumkomponenten verwendet wird. Bei dieser neu entwickelten Reparaturmethode wird ein
artgleicher Stopfen als Füllwerkstoff eingesetzt und durch das RFSSW mit dem umliegenden
Werkstück verschweißt. Um eine breites Spektrum an Legierungen und möglichen Anwendungsgebieten abzudecken wurde die Reparaturmethode in verschiedenen ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen sowie Durchgangslochdurchmessern und Werkstückdicken untersucht. Eine fundamentale Analyse des Prozesses und der resultierenden mechanischen Eigenschaften unter Berücksichtigung der legierungsspezifischen metallurgischen Vorgänge wurde durchgeführt. Darüber hinaus wurde ein wissensbasierter Ansatz zur Prozessanalyse gewählt, um das Grundmaterialverhalten während plastischer Deformation bei hohen Scherraten und unter Einfluss von reibschweiß-typischen Temperaturzyklen zu analysieren. Der Einfluss der Grundmaterialzusammensetzung und -eigenschaften auf den Energieeintrag während des Schweißprozesses wurde untersucht und eine umfassende Analyse der Reibbedingungen und Fließspannungsentwicklung durchgeführt.
Die entwickelte Bohrlochreparatur mittels RFSSW ist eine universell einsetzbare Durchgangsloch-
Reparaturmethode mit Vorteilen wie Defektfreiheit, hoher Schweißeffizienz und hervorragender
Oberflächengüte auf beiden Seiten der Schweißung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden
Prozessbedingungen ermittelt, mit denen sich defektfreie Schweißpunkte in allen untersuchten
Materialen und Werkstückdimensionen erzeugen lassen. Die Region geringster Festigkeit wurde in
allen Fällen außerhalb des Schweißpunktes gefunden, überwiegend in der wärmebeeinflussten Zone.
Die Mikrostrukturanalyse der geschweißten Aluminiumlegierungen zeigt, dass die finalen
mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch die Entwicklung der festigkeitssteigernden
Ausscheidungen während und nach dem Schweißen bestimmt wird. Signifikante Unterschiede bei
den bearbeiteten Grundmaterialien als Reaktion auf den Schweißprozess lassen sich auf
unterschiedliche Legierungszusammensetzungen und besonders auf die Ausprägung der
vorliegenden Ausscheidungen zurückführen. Die fundamentale Prozessanalyse hat ergeben, dass bei ausscheidungshärtenden Aluminiumlegierungen die mechanischen Eigenschaften, die unter quasistatischen Testbedingungen ermittelt werden, nicht ausreichen, um die Grundmaterialeigenschaften bei hohen Dehnraten und reibschweiß-typischen Temperaturzyklen abzubilden. Die Legierungszusammensetzung, der Werkstoffzustand und die Merkmale der Ausscheidungsentwicklung unter den reibschweiß-typischen Temperaturzyklen bestimmen die Materialeigenschaften bei den getesteten Deformationsraten. Erst das durch die hier gezeigte fundamentale Prozessanalyse gewonnene Wissen ermöglicht eine schnelle Prozessoptimierung durch die geeignete Wahl von Prozessparametern für eine gegebene Legierung.
Abstract (english): Aluminum alloys are widely used in transportation industries because of the increasing need to reduce
the environmental impact. With advances in technology, the demand for complex parts and
components that must be produced using several processing methods has increased. During
fabrication and service, a wide range of defects can appear in aluminum components and structures,
which could be repaired using a suitable through hole closure method. The search for a friction-based
solid-state keyhole repair technique that fulfills the requirements for high-quality repair welds has
become an important research topic because conventional fusion welding is difficult to apply in many
aluminum alloys. However, many commonly available friction-based welding methods are complex
and multistage processes that require specially designed equipment and are not suitable for sealing
through holes. The development of an adequate keyhole repair process is thus actual necessity.
The present study addresses the development of a suitable keyhole repair procedure of structural
aluminum parts using the refill friction stir spot welding process (RFSSW). For this newly developed
repair method, a plug made of a similar material is applied as a filler element into the keyhole and
RFSSW is used to weld the plug to the surrounding workpiece. To cover a wide range of alloys and
potential applications, the repair method was investigated in different precipitation hardening
aluminum alloys as well as different keyhole diameters and workpiece thicknesses. A fundamental
analysis of the process and resulting material properties considering the alloy-dependent
metallurgical transformations was conducted. Moreover, a knowledge-based process analysis
approach was chosen to study the behavior of the base material during high-shear-rate plastic
deformation and exposure to typical thermal cycles, which are both associated with the conditions
found during friction welding. The influence of the base material composition and properties on the
energy input during friction welding was investigated and a comprehensive analysis of the friction
condition and flow stress development was conducted.
The developed keyhole repair process using RFSSW is a universal through-hole closure method with
advantages such as defect-free welds, high weld efficiencies and superior surface appearance on both
sides of the weld. Within the scope of the present work, processing conditions were defined that lead
to defect free repair welds for all investigated materials and workpiece dimensions. The area of lowest
strength was in all cases found outside of the weld spot, mainly in the heat affected zone. For all
welded precipitation hardening aluminum alloys, metallurgical analysis revealed that the evolution
of the strengthening precipitates during and after the weld primarily determines the final mechanical
properties. Significant differences observed in the response of the base materials to the process were
found to be caused by the alloy composition, specifically by the characteristics of the present
precipitates. The fundamental process analysis revealed that in precipitation hardening aluminum
alloys, the mechanical properties obtained under quasi-static testing conditions are not adequate to
describe or predict the base material properties at the high strain rates and thermal cycles associated
with friction welding operations. The alloy composition, initial temper condition and general
precipitation evolution during the specific thermal cycles resulting from the friction welding
operations were found to determine the material properties at the tested rates of deformation. The
knowledge gained by this fundamental process analysis is key to enabling rapid process optimization
by guiding the appropriate choice of process parameters for a given alloy.
URI: http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1881
DOI: 10.15480/882.1878
Institute: Werkstoffphysik und -technologie M-22 
Type: Dissertation
Advisor: Huber, Norbert 
Referee: Peters, Jan Oke 
License: In Copyright In Copyright
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