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Main Title: Grain refinement in aluminium GTA welds
Translated Title: Kornfeinung in Aluminium-WIG-Schweißnähten
Author(s): Schempp, Philipp
Advisor(s): Rethmeier, Michael
Cross, Carl E.
Referee(s): Rethmeier, Michael
Tonn, Babette
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Kornfeinung ist ein wichtiger Ansatz, um die mechanischen Eigenschaften von Schmelzschweißnähten zu verbessern. Außerdem kann Kornfeinung im Schweißgut die Heißrissanfälligkeit verringern und damit die Schweißeignung des Grundwerkstoffs erhöhen. In dieser Studie wurde Kornfeinung in Aluminium-Schweißnähten durch das Zugeben eines Kornfeiners erzeugt. Hierfür wurden in einem Gießverfahren stäbchenförmige Einlagen hergestellt. Diese bestanden aus einer Mischung des jeweiligen Grundwerkstoffs und Zusät-zen an kommerziellem Al Ti5B1-Kornfeiner. Jede Einlage wurde in eine in ein Blech aus Grundwerkstoff eingebrachte Nut eingelegt und mit einem WIG-Schweißprozess umgeschmolzen. Die Untersuchungen zeigten, dass steigende Al Ti5B1-Zusätze zu einer deutlichen Verringerung der mittleren Korngröße im Schweißgut führen (bis zu 86%). Dabei wurde jeweils an einer bestimmten Stelle zwischen Schmelzlinie und Schweißnahtmitte ein Übergang von überwiegend länglicher zu überwiegend globulithischer Kornstruktur (= Columnar to Equiaxed Transition, CET) beobachtet. Die Mindestkornfeinergehalte für eine maximale Kornfeinung waren stark von der chemischen Zusammensetzung des Grundwerkstoffs abhängig. Demnach war die Kornfeinungseffizienz in Reinaluminium (Al 99,5 bzw. Al-Legierung 1050A) am höchsten, gefolgt von den Al-Legierungen Al Si1MgMn (6082) und Al Mg4,5Mn0,7 (5083). Zur genaueren Untersuchung dieses Effekts wurden die Unterkühlungsparameter P und Q für jede Kombination aus Grundwerkstoff und Kornfeinergehalt berechnet. P und Q beschreiben den Einfluss der Legierungselemente auf die konstitutionelle Unterkühlung einer Legierung während der Erstarrung und damit auf die resultierende Korngröße. Darüber hinaus wurden WDX- (wellenlängendispersive Röntgenspektroskopie) und TEM-Analysen (Transmissionselektronenmikroskopie) durchgeführt. Hierbei wurden im Schweißgut Ti- und B-reiche Partikel gefunden, die wahrscheinlich während der Erstarrung als Keime gedient haben, insbesondere TiB2-Partikel, die mit einer Schicht aus Al3Ti bedeckt waren. Es wurde beobachtet, dass steigende Schweißgeschwindigkeiten die Bildung von sehr kleinen, globulithischen Körnern fördern und damit den CET-Effekt verstärken. Deswegen wurden die Abkühlbedingungen während der Erstarrung der Schweißnähte bestimmt. Dies geschah anhand einer intensiven thermischen Analyse mit Thermoelementen. Aus den gemessenen Temperatur-Zeit-Kurven wurden die Abkühlrate, die Wachstumsgeschwindigkeit der Erstarrungsfront, der (lokale) thermische Gradient und das Erstarrungsinter-vall berechnet. Die Analyse zeigt, dass diese thermischen Parameter sehr stark entlang der Erstarrungsfront (zwischen Schmelzlinie und Schweißnahtmitte) variieren. In einem weitergehenden Schritt wurden die Ergebnisse mit der zugehörigen Schweißnahtkornstruktur verknüpft. So konnten für jeden thermischen Parameter die kritischen Werte bestimmt werden, die den CET-Übergang repräsentieren. Diese Daten wurden schließlich verwendet, um einen vom Gießen bekannten, empirischen Ansatz zur Beschreibung des CET-Effekts auf die Erstarrung in Schmelzschweißnähten zu übertragen. Der Einfluss der Kornstruktur auf die mechanischen Schweißnahteigenschaften wurde zunächst in Zugver-suchen untersucht. Demnach konnte für Al Mg4,5Mn0,7 (5083) die Schweißnahtduktilität durch Kornfeinung gesteigert werden wohingegen die Festigkeit unverändert blieb. Rissfortschrittsversuche mit Reinaluminium (Al99,5, 1050A) zeigten eine deutlich erhöhte Zähigkeit in feinkörnigen Schweißnähten. Außerdem wurde die Bildung von Mittenheißrissen beim Schweißen von Al Si1MgMn (6082) durch Schweißnahtkornfeinung ver-hindert, was einer deutlichen Verbesserung der Schweißeignung entspricht. Auf Basis der obigen Ergebnisse konnten schließlich Mindest-Ti/B-Gehalte für kommerzielle Schweißzusätze definiert werden, die in der Schweißnaht einen maximalen Kornfeinungseffekt erlauben. Diese Werte be-rücksichtigen den Einfluss von Grundwerkstoff und Schweißprozess. Sie machen deutlich, dass die in den bestehenden Normen vorgesehenen Ti/B-Gehalte in der Regel nicht ausreichen, um Schweißnahtkornfeinung zu gewährleisten.
Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-41712
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4108
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3811
Exam Date: 30-Aug-2013
Issue Date: 25-Sep-2013
Date Available: 25-Sep-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aluminium
WIG-Schweißen
Kornfeinung
Aluminium
GTA welding
grain refinement
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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