An In-Depth Analysis of the Bond Strength of a Dissimilar Al-Fe HYB (Hybrid Metal Extrusion & Bonding) Joint

Abstract

Den patenterte Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) sveiseprosessen muliggjør sammenføyning av aluminium og stålkomponenter ved bruk av tilsettmateriale og plastisk deformasjon i fast fase. I denne rapporten er det gitt en grundig analyse av bindestyrken og den strukturelle integriteten til en 4 mm AA6082-T6 og S355 buttsveis, produsert ved hjelp av denne metoden. De eksperimentelle forsøkene inkluderer DIC-analyse (eng: digital image correlation analysis) og mikroskopiske undersøkelser av grunnmaterialene og sveisen. SEM (eng: scanning electron microscope) har også blitt benyttet for å se på utvalgte bruddflater og bindingen mellom stål og aluminium. I tillegg har en omfattende FE (eng: finite element) modell blitt utviklet for å simulere sveisens oppførsel under strekkprøving, noe som aldri har blitt gjennomført tidligere.

Resultatene fra DIC-analysen viste at tøyningene hovedsakelig samlet seg i den varmepåvirkede sonen under strekkprøving. En rotsprekk oppsto imidlertid under testingen i overgangen mellom aluminiumet og stålet på grunn av utilstrekkelig binding i dette området. Det oppstod en konkurranse mellom de to svake områdene, før bruddet gikk langs grensesnittet mellom aluminium og stål. Til tross for sprekken oppnådde sveisen en høy styrke på 75% av styrken til aluminium grunnmateriale. Fra FE-simuleringen ble det oppdaget at området med dårlig binding er på omtrent 0.03 mm, og at dette området ikke har en stor påvirkning på den resulterende styrken til sveisen. Videre ble det også observert et potensielt styrkebidrag fra mekanisk låsing. Fra dette kan det konkluderes med at HYB prosessen er godt egnet for sveising av aluminium og stål. Det er imidlertid et behov for ytterligere videreutvikling og optimalisering av prosessen for å bli fremtidens sveiseprosess for aluminium og stål. Dette arbeidet er nå påbegynt.

The patented Hybrid Metal Extrusion & Bonding (HYB) process enables joining of aluminium and steel components by the use of filler material addition in the solid state. In the present report, an in-depth analysis of the bond strength and structural integrity of a 4 mm AA6082-T6 and S355 butt weld produced using this method is given. The experimental trial includes tensile testing using digital image correlation (DIC) analysis, microscopic examination of the joint and the base materials, together with scanning electron microscope (SEM) examination of the bond line and selected fracture surfaces. In addition, a more extensive finite element (FE) model has, for the first time, been developed to simulate the behavior of the weld during tensile testing.

The main results from the DIC analysis revealed that most of the principal strains in the specimen during tensile testing start to concentrate in the heat-affected zone (HAZ). However, a root crack is gradually forming in the root region at the aluminium-steel interface due to insufficient bonding in this region, causing a competition between the two weak zones (i.e., the HAZ and root crack) before final fracture occurs along the aluminium-steel interface. Despite of this, a relatively high joint efficiency of 75% is reached. From the FE simulations, it was found that the insufficiently bonded region in the root has a depth of about 0.03 mm and that it does not compromise the overall joint strength significantly. Moreover, a potential strength contribution caused by mechanical interlocking was observed. From this, it is concluded that the HYB process is well suited for dissimilar welding of aluminium and steel. However, there is a need for further optimization of the process in order to reach the forefront of aluminium-steel welding technology. This work is now in progress.