Please use this identifier to cite or link to this item: https://doi.org/10.15480/882.1878
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
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 
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