Styrketapsreduksjon ved sveising av 6082 aluminiumlegeringer

Abstract

Sveising av utfellingsherdede aluminiumlegeringer er forbundet med et betraktelig styrketap i materialet rundt sveiselinjen. Det viktigste herdebidraget i disse legeringene utgjøres av termodynamisk ustabile utfellinger. Når disse legeringene sveises i sin sterkeste tilstand, vil en bløt sone oppstå der temperaturen setter de herdende utfellingene i en overeldet tilstand. Å minimere innflytelsen sveising har på grunnmaterialets lastbærende kapasitet er viktig for å kunne nyttiggjøre aluminiumlegeringers ellers fordelaktige egenskaper som konstruksjonsmateriale. I dette arbeidet ble det gjort praktiske forsøk og simuleringer for å undersøke to ulike metoder for bedre sveiseresponsen i en 6082.53-legering.

Den ene metoden er foreslått av Østhus et. al. [1] og går ut på å endre den varmepåvirkede sonens geometri. Datasimuleringer tilsier at den endrede spenning-tøyningsfordelingen rundt forbindelsen kan gi en betraktelig styrkegjenvinning. Å oppnå de nødvendige mikrostrukturelle endringene lokalt og unngå smelting har i praksis vist seg vanskelig. I dette arbeidet testes statisk og bevegelig laserbehandling som lokal oppvarmingsmetode. Temperaturmålinger viste at maksimalt 200°C ble nådd uten smelting. I kombinasjon med Abaqus-simuleringer ble en virkningsgrad på 0.21 tilnærmet dersom smelting ikke forekom. Ved 920W brutto effekt ble 500°C, nok til å oppnå innherding nådd med lokal smelting. NaMo-simuleringer indikerte at holdetiden på 30 sekunder ved 200°C ikke var tilstrekkelig for å påvirke T6-presipitatstrukturen. Alle forsøkene med bevegelig laser resulterte i lokal smelting, men også lokal innherding. Til dette ble det brukt et lasersystem i samarbeid med Sintef Industri. Lysmikroskopi, hardhetsmålinger og modelleringsverktøyet NaMo ble brukt sammen med temperaturmålinger og simulerte temperaturforløp i Abaqus for å evaluere de mikrostrukturelle konsekvensene av den lokale varmebehandlingen.

Den andre metoden som undersøkes er å sveise arbeidsstykkene med legeringselementene i fast løsning. Hypotesen er at man ved dette kan unngå overelding i den varmepåvirkede sonen. En 6082.53-legering ble innherdet og sveist med en hybridmetode mellom laser- og CMT-sveising hos Sintef Industri Trondheim. Hardhetsprofiler på tvers av sveiselinjen ble innhentet. Disse ble supplert med strekktester for å undersøke innvirkningen mellomlagring før sveising og ettervarming hadde på de mekaniske egenskapene. Forsøkene ga svært lovende resultater med den høyeste styrkereduksjonsfaktoren for flytspenning beregnet til 0.83. Denne forbindelsen ble innherdet seks dager før sveising og ettervarmet ved 220°C i 30 minutter, 24 timer etter sveising.

Welding of precipitation hardened aluminium alloys is associated with a considerable loss of strength in the area adjacent to the weld. Thermodynamically unstable phases represent the main hardening contribution in precipitation hardened aluminium. When these alloys are welded in their strongest state, the heat input from welding puts the precipitates in an overaged state. Minimizing the degree to which precipitation hardened alloys are affected by welding is pivotal in making use of the otherwise favourable properties of these alloys for use in constructions. I this thesis, practical experiments along with simulations investigated two means of minimizing the strength loss associated with welding a 6082.53 aluminium alloy.

One of the two methods is presented by Østhus et. al. [1] and is based on altering the geometry of the heat affeced zone through local heat treatments. Computer simulations in different programmes are used iteratively to come up with optimized patterns for strength increase in the welded joint. To achieve the necessary local solutionizing has proved to be difficult in practice. In this work, experimentation with stationary and moving laser as the heat source for this local heat treatment was done. Temperature measurements, hardness profiles and optical microscopy was used to assess this method in practice. Simulation tools Abaqus and NaMo were also used to assess the possibilites of local heat treatments. The stationary heat source reached a maximum of 200°C without melting. In conjunction with Abaqus simulations, heat transfer from laser to workpiece was estimated to have an effciency rate of 0.21 given that no melting occured. At 920W gross power, solutionizing temperatures were reached, 500°C, with some local melting. NaMo simulations indicated that no effect on the T6-precipitate structure was achieved with a temperature of 200°C for 30 seconds. All attempts to use a moving laser resulted in melting as the power was increased to compensate for shorter holding time. Local solutionizing was however achieved close to the melted region.

The other method is a novel technique of welding the workpieces in the solutionized state. The idea behind this is to avoid creating the overaged, weakest part of the heat affected zone which has limited capability to regain strength through post weld heat treatment. A solutionized 6082.53- alloy was welded at Sintef Industri using a hybrid laser and CMT-welding method. Hardness profiles and tensile tests indicated that increased storage time at room temperature between the solutionizing and post weld heat treatment give very satisfactory results with regard to reduction in yield strength. A strength reduction factor of 0.83 was achieved for the workpiece which had a storage time of six days between solutionizing and post weld heat treatment at 220°C for 30 minutes, 24 hours after welding.