Analysis of the mechanical behavior of welded joints using micro-mechanical characteristics

Abstract

The last decade’s trend of aluminum alloy producers, is to manufacture new aluminum alloys that are even lighter, have improved mechanical properties as well as to have the ability to be welded. The structural weight of aluminum alloys can be reduced by adding lithium, since Li is the least dense metallic element. Third generation Al-Cu-Li alloys are highly promising materials with improved mechanical properties and damage tolerance behavior compared to other commercially available 2xxx series Al alloys. These alloys have already been established as structural materials for aerospace applications mainly because of the reduced density and increased specific strength.Next to new, lightweight alloys, aerospace industries focused on efficient joining techniques such as fusion welding, for a further structural weight reduction as well as for a decrease of the manufacturing costs. Laser beam welding as a joining technique is already established in the aircraft industry, e.g., for lower fuselage structures, due to higher buckling strength and lower weight, when compared to conventional riveting. The development of weldable third-generation Al-Cu-Li alloys, such as AA2198 offers new possibilities for highly complex applications in aircraft structures. The use of fusion welding such as laser beam welding in Al-Cu-Li alloys presents a promising method due to the high structural efficiency.The aim of this Doctoral Thesis is to methodically investigate and solve the weldability problems of Al-Cu-Li 2198 alloy. Special attention is given to the laser beam welding process parameters to reduce the structural defects as well as the geometrical imperfections of the welded joints in order to increase the mechanical properties. The local mechanical properties of the laser beam welded joints of Al-Cu-Li 2198 alloy were also studied; they were used as an input in a numerical model in order to predict the evolution of the global flow stress-strain curve of the welded joint. The final aim of this thesis is to enhance the knowledge and application capabilities of laser beam welded AA2198 alloy, to make it more usable in the industrial field.The first part of the thesis focuses on the weldability aspects of the alloy by investigating different laser beam process parameters with and without the use of appropriate filler material. The optimal process parameters lead to the reduction of structural defects such as porosity level, hot-cracking and geometrical imperfections such as underfill and root reinforcement. Additionally, post welding heat treatment was applied on both autogenous and non-autogenous joints to investigate the effect of artificial ageing on the mechanical properties of welded sheets.The second part of the thesis focus on the characterization and prediction of the local mechanical properties of non-autogenous welded joints of AA2198 alloy with the use of Al-Si filler wire. For this purpose, micro-flat tensile specimens were extracted from the fusion zone and heat-affected zone and the tensile test results were associated with the respective hardness measurements. The characterization results showed that the chemical composition of the filler wire affects the local mechanical properties in the depth of the fusion zone with a decrease in yield strength from the radiation exposure side to the weld root side.The experimental results were used as input to a detailed three-dimensional parametric finite element model of the welded joint to evaluate the effect of geometric parameters like the weld geometry and geometrical imperfections on the developed stress and strain fields in the welded joint under axial tensile loading. The proposed model can be used as a powerful tool for the fast prediction of the tensile mechanical behavior of welded aircraft structures.

Την τελευταία δεκαετία, οι κατασκευαστές κραμάτων αλουμινίου εστιάζουν στην παραγωγή νέων κραμάτων αλουμινίου που να είναι ελαφρύτερα, με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες καθώς και μπορούν να συγκολληθούν. Είναι γνωστό πως το δομικό βάρος των κραμάτων αλουμινίου μπορεί να μειωθεί με την προσθήκη του στοιχείου λίθιο (Li), καθώς είναι το ελαφρύτερο μεταλλικό χημικό στοιχείο. Η προσθήκη του Li σε μικρές περιεκτικότητες (< 2.0 κ.β%) επιτρέπει στα κράματα Al-Cu-Li τρίτης γενιάς να παρουσιάζουν υψηλές μηχανικές ιδιότητες και αυξημένη συμπεριφορά ανοχής στη βλάβη, σε σύγκριση με άλλα εμπορικά αεροναυπηγικά κράματα Al της σειράς 2xxx.Ταυτόχρονα, οι αεροδιαστημικές βιομηχανίες επικεντρώνουν την έρευνά τους σε αποτελεσματικές τεχνικές σύνδεσης όπως η συγκόλληση με τήξη, για την περαιτέρω μείωση του δομικού βάρους καθώς και για μείωση του κόστους κατασκευής. Η συγκόλληση με δέσμη λέιζερ ως τεχνική σύνδεσης έχει ήδη καθιερωθεί στη βιομηχανία αεροσκαφών, π.χ. για τις χαμηλότερες δομές της ατράκτου, λόγω της υψηλότερης αντοχής λυγισμού και του χαμηλότερου βάρους, σε σύγκριση με την συμβατική μέθοδο σύνδεσης με ηλώσεις. Η ανάπτυξη συγκολλήσιμων κραμάτων Al-Cu-Li τρίτης γενιάς, όπως το AA2198, προσφέρει νέες δυνατότητες για εξαιρετικά πολύπλοκες εφαρμογές σε δομές αεροσκαφών. Η χρήση συγκόλλησης με τήξη, όπως η συγκόλληση με δέσμη λέιζερ, σε καινοτόμα κράματα Al-Cu-Li, είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος συγκόλλησης λόγω των ης υψηλής δομικής απόδοσης.Στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η μεθοδική διερεύνηση και επίλυση των προβλημάτων συγκολλησιμότητας του κράματος Al-Cu-Li 2198. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στις παραμέτρους των διαδικασιών συγκόλλησης με δέσμη λέιζερ για τη μείωση των δομικών σφαλμάτων καθώς και των γεωμετρικών ατελειών της ραφής της συγκόλλησης προκειμένου να αυξηθούν οι μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Οι τοπικές μηχανικές ιδιότητες της ραφής της συγκόλλησης του κράματος Al-Cu-Li 2198 με δέσμη λέιζερ υπολογίστηκαν για τις διαφορετικές ζώνες της ραφής συγκόλλησης (πρόσωπο με πρόσωπο) με τη κατασκευή δοκιμίων εφελκυσμού μικρής κλίμακας και το επακόλουθο δομικό τους έλεγχο. Οι τοπικές εφελκυστικές ιδιότητες της ραφής συγκόλλησης χρησιμοποιήθηκαν ως πρωτογενή δεδομένα στο αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της Διατριβής, προκειμένου να προβλεφθεί η εφελκυστική μηχανική συμπεριφορά των συγκολλήσεων. Ο τελικός στόχος αυτής της Διατριβής είναι να ενισχύσει τις γνώσεις και τις δυνατότητες εφαρμογής του συγκολλημένου κράματος AA2198 με δέσμη λέιζερ, ώστε να γίνει πιο εύχρηστο στον βιομηχανικό τομέα.Το πρώτο μέρος της Διατριβής εστιάζει στις πτυχές συγκολλησιμότητας του εν λόγω κράματος, διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους ελέγχου της συγκόλλησης με δέσμη λέιζερ με και χωρίς τη χρήση κατάλληλου υλικού πλήρωσης της ραφής της συγκόλλησης. Οι βέλτιστες παράμετροι διεργασίας οδηγούν στη μείωση των δομικών ελαττωμάτων, όπως το επίπεδο του πορώδους, τις θερμικές ρωγμές και τις γεωμετρικές ατέλειες, όπως η υπο-πλήρωση και το τρέξιμο του μετάλλου. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση, τόσο σε αυτογενείς όσο και σε μη-αυτογενείς συγκολλήσεις, για τη διερεύνηση της επίδρασης της τεχνητής γήρανσης στις εφελκυστικές μηχανικές ιδιότητες των συγκολλήσεων.Το δεύτερο μέρος της Διατριβής επικεντρώνεται στον χαρακτηρισμό των τοπικών μηχανικών ιδιοτήτων μη-αυτογενών συγκολλήσεων από κράμα AA2198 με τη χρήση υλικού πλήρωσης Al-Si. Για το σκοπό αυτό, δοκίμια μικρο-εφελκυσμού εξήχθησαν από τη ζώνη τήξης και την θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και τα αποτελέσματα εφελκυσμού συσχετίστηκαν με τις αντίστοιχες μετρήσεις σκληρότητας. Τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού έδειξαν ότι η χημική σύνθεση του υλικού πλήρωσης επηρεάζει τις τοπικές μηχανικές ιδιότητες στο βάθος της ζώνης τήξης, με ως αποτέλεσμα την διαβάθμιση των τιμών του ορίου διαρροής και της εφελκυστικής αντοχής κατά το ύψος της ραφής συγκόλλησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν ως πρωτογενή δεδομένα εισόδου σε ένα λεπτομερές τρισδιάστατο παραμετρικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της ζώνης συγκόλλησης. Το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων αναπτύχθηκε προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων, όπως η γεωμετρία της συγκόλλησης και οι γεωμετρικές ατέλειές της στα αναπτυγμένα πεδία τάσης και παραμόρφωσης στη συγκολλημένη άρθρωση υπό αξονική εφελκυστική φόρτιση. Το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για τη γρήγορη πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς εφελκυσμού συγκολλημένων δομών αεροσκαφών.