State of the art: Joining of Aluminium
Marcel Hermans Delft University of Technology Materials Science and Engineering Joining and Mechanical Behaviour
1
State of the art: Joining of Aluminium Literatuur scan: Metadex 2005-2010 Key words: 1. Welding + Aluminium/Aluminum peer-reviewed articles 2359 conferences 511 2. Friction Stir Welding + Aluminium/Aluminum peer-reviewed articles 748 (FSW tool 327) conferences 207 (FSW tool 105)
2
Inhoud Introductie Aluminium legeringen Verbindingsprocessen Smeltlassen Lasbaarheid warmscheuren porositeit korrelverfijning Lassen van ongelijksoortige metalen Laser-Brazing van aluminium
3
Introductie Road
4
Introductie Marine Aluminium Passagiers Ferry
Lasfaciliteiten, Polen 5
Introductie Aerospace
2219/2195 6
Classificatie aluminium legeringen
Lassen van aluminium en aluminiumlegeringen, VM 83, FME CWM, 2010 7
Aluminium eigenschappen: – corrosieweerstand, oxidehuid – hoge thermische uitzettingscoefficient, krimp – relativief lage E-modulus – Lage dichtheid – relatief lage operating temperatuur
8
Aluminium Vergelijking van fysische eigenschappen
uitzettings coef. (1/K.10-6) Warmte geleiding (W/m-K) Specifieke warmte (J/kg-K) smeltpunt (ºC)
Al-legeringen
Staal
Roestvast staal
23
11.7
15.9
130-230
51.9
16.2
900
486
500
575-655
1500
1500
9
Sterkteverhoging van metalen 1. 2. 3. 4.
Koudvervormen, verstevigen Oplossingsharding Precipitatieharding Korrelverfijning
10
Verbindingsprocessen www.DunnePlaat-Online.nl
Processelectie Totaal: 161 verbindingstechnieken 1xxx, 3xxx, 4xxx, 6xxx and 5xxx with < 1%Mg:
136
5xxx with > 1%Mg:
123
7xxx Cu vrij: 7xxx Cu:
114 107
2xxx
97
11
Verbindingsprocessen Friction stir welding
12
Smeltlassen Perceptie: • Aluminium is moeilijk te smeltlassen • Beperkte range van lasbare legeringen • Problemen met betrouwbare laskwaliteit • Scheurgevoeligheid • Porositeit • Corrosiegevoeligheid
13
Lasproces Overwegingen • Warmteïnbreng • Thermische schade • Temperatuur cyclus • Metallurgische verandering • Stabiliteit • Gerelateerd aan proces en materiaal • Chemie • Invloed van toevoegmateriaal
14
Materiaal Overwegingen • Sterkte • Lasmetaal en Warmtebeïnvloede zone • Minimaal defect niveau • Rek • Corrosieweerstand • Vermoeiingseigenschappen
15
Smeltlassen: lasbad & stolling
κ α= ρCp
16
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-Al2O3
17
Smeltlassen: lasbad & stolling
geroerd lasbad
18
Smeltlassen: lasbad & stolling
Al-Cu: vlak cellulair
19
Smeltlassen: lasbad & stolling segregatie
Invloed v/d chemische samenstelling op de warmscheurgevoeligheid
20
Warmscheuren • Stolscheuren: groot stoltraject. • Spanningen, krimp • lasparameters: voortloopsnelheid • Selectie toevoegmateriaal
Eutectic healing 21
Warmscheuren: Electromagnetisch roeren
Electro-magnetisch roeren tijdens TIG-lassen
22
Porositeit Fijne poriën, dispersie Geen invloed opmechanische eigenschappen Grove poriën, Negatieve invloed op mechanische eigenschappen
Centre-line poriën, Onvoldoende penetration
23
Porositeit: electro-magnetisch roeren
Bovenaanzicht lasmetaal AA7020 Geroerd/ongeroerd
24
Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal 2 pass GMA welds on 12.7mm thick 7150
25
Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal
7150 + PWHT 26
Korrelverfijning: invloed toevoegmateriaal
Sc gelegeerd
7150 + PWHT 27
Plasma Keyhole lassen 8mm dik 2024
28
WBZ: Precipitaat Vrije Zones
PFZ
29
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 naast de vacature korrelgrens neemt af.
PFZ
30
Aluminium legeringen mechanische eigenschappen na lassen reductie in hardheid bij koudvervormd en precipitatie geharde legeringen Natuurlijk verouderen
AlMgSi 31
Verbinden Ongelijksoortige Materialen wrijvingslassen AA6061-Al2O3
Fauzi et al., Materials and Design 31 (2010) 670–676
32
Verbinden Ongelijksoortige Materialen Weerstand puntlassen hexagonaal AlFeCr Fe2Al5 FeAl3 35 nm dikke laag FeAl2
Qui et al., Mat Sc and Technol 2010 VOL 26 NO 2
33
Verbinden Ongelijksoortige Materialen Ti –Al: laser welding
S. H. Chen et al., Materials Science and Technology 2010 VOL 26 NO 2
34
Verbinden Ongelijksoortige Materialen Staal –Al: pulsed laser
Torkamany et al., Materials and Design 31 (2010) 458–465
35
Laser brazing
T. Markovits, Journal of Materials Processing Technology 143–144 (2003) 651–655
36
Materiaalschaarste
H C N O P S Cl Na Mg Al Si K Ca Fe Ti
Cr Mn Cu
B
F
Ar
Br
frugal elements
non-metal elements
elements of hope
critical 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
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
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
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
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
Decomposition - Effect on Hardness • Al Al--Cu alloys
Hardness
Guinier-Preston Zones GuinierOrdered 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 semi--coherent
θ”
θ'
Equilibrium Precipitate Large particles Different crystal structure to matrix Incoherent
θ
Overaged Peak hardness
Time 42
