Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

Stellen Sie sich vor, Sie möchten zwei Metallstücke zusammenkleben, aber anstatt Kleber zu verwenden, nutzen Sie ein rotierendes Werkzeug, das sie so lange reibt, bis sie heiß und weich genug sind, um zu verschmelzen. Dies wird als Reibungsgemisch-Schweißen (Friction Stir Welding, FSW) bezeichnet und ist ein Lieblingstrick beim Verbinden von Aluminium, dem leichten Metall, das in Flugzeugen und Limonadendosen verwendet wird. Das Problem dabei ist, dass dieser Prozess das Metall so stark erhitzt, dass er die winzigen, unsichtbaren Kristalle im Inneren des Aluminiums durcheinanderbringt, die es stark machen. Es ist, als würde man ein perfekt organisiertes Bücherregal nehmen und es so lange schütteln, bis alle Bücher in einem chaotischen Haufen gelandet sind. Um dieses Problem zu lösen, geben Wissenschaftler dem Metall oft ein „Wärmebad“, eine sogenannte Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Post-Weld Heat Treatment, PWHT). Denken Sie an dies als einen Reset-Knopf, der versucht, die Kristalle neu zu organisieren und die Festigkeit des Metalls wiederherzustellen. Es gibt jedoch einen Haken: Manchmal, wenn man den Reset-Knopf drückt, ordnen sich die Kristalle nicht einfach nur ordentlich an, sondern wachsen zu riesigen Kristallen heran, die das Metall tatsächlich schwächer oder spröder machen können. Diese Arbeit untersucht eine spezifische Aluminiumlegierung (AA7075), um zu sehen, ob wir diese riesigen Kristalle kontrollieren können, indem wir ändern, wie schnell das Werkzeug rotiert und indem wir das heiße Metall in verschiedene Flüssigkeiten wie Wasser oder Öl tauchen, um es schneller abzukühlen.

Die Forscher an der Militärtechnischen Universität in Polen beschlossen, ein „Was-wäre-wenn“-Spiel mit diesem Aluminium zu spielen. Sie nahmen AA7075-Bleche und verschweißten sie mit einem rotierenden Werkzeug bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, die von einem langsamen 600 Umdrehungen pro Minute (U/min) bis hin zu schnellen 1400 U/min reichten. Um zu sehen, ob die Kühlgeschwindigkeit eine Rolle spielte, ließen sie das Metall nicht einfach an der Luft abkühlen; sie versuchten, das Metall zu schweißen, während es in Wasser, in Kühlöl oder in einer speziellen Kühlflüssigkeit untergetaucht war. Nachdem das Schweißen abgeschlossen war, unterzogen sie jede einzelne Verbindung einer spezifischen Wärmebehandlung: dem Backen bei 470 °C für zwei Stunden und anschließendem Altern bei 120 °C für 24 Stunden. Dies war der „Reset-Knopf“-Moment.

Die Ergebnisse waren eine Mischung aus guten Neuigkeiten und einer hartnäckigen Überraschung. Erstens bewirkte die Wärmebehandlung Wunder bei der Härtung und Stärkung des Metalls. Bei den Verbindungen, die von vornherein keine Löcher oder Risse aufwiesen, steigerte die Wärmebehandlung die Streckgrenze (Widerstand gegen Verbiegen) um mehr als 70 % und die Zugfestigkeit (Reißfestigkeit) um etwa 35 %. Tatsächlich waren die stärksten reparierten Verbindungen sogar zäher als das ursprüngliche, ungeschweißte Aluminiumblech. Das in der Luft geschweißte und anschließend wärmebehandelte Metall war der Star; es wurde nicht nur stärker, sondern auch fast doppelt so dehnbar, wobei es außerhalb der Schweißstelle riss, anstatt mitten in der Mitte zu brechen.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass ihre besten Pläne, um die „Riesenkristall-Monster“ (ein Phänomen namens abnormales Kornwachstum oder Abnormal Grain Growth, AGG) zu stoppen, nicht ganz funktionierten. Unabhängig davon, wie schnell sie das Werkzeug drehten oder ob sie Wasser, Öl oder Luft zur Kühlung des Metalls verwendeten, traten die riesigen Kristalle im oberen Teil der Schweißnaht (der schultergetriebenen Zone) auf. In vielen Fällen drangen sie auch in den unteren Teil der Schweißnaht (die stiftgetriebene Zone) ein. Es stellte sich heraus, dass es nicht ausreichte, das Metall einfach schneller zu kühlen oder das Werkzeug schneller zu drehen, um diese Kristalle daran zu hindern, während der Wärmebehandlung wild zu wachsen.

Es gab auch eine dunkle Seite des Experiments. Als die Forscher Kühlöl verwendeten, wurde das Öl in den Metallschichten eingeschlossen. Wenn sie das Metall später backten, versuchte das eingeschlossene Öl zu entweichen, was Blasen und Risse erzeugte, die die Verbindung ruinierten. Diese defekten Verbindungen waren schwach und spröde, egal wie sehr die Wärmebehandlung versuchte, sie stark zu machen. Ähnlich verhielt es sich, wenn sie das Werkzeug zu schnell drehten (1200 oder 1400 U/min); das Metall entwickelte Löcher und Hohlräume, was das Endprodukt wiederum schwach machte.

Wenn sie untersuchten, wie das Metall brach, sahen sie eine chaotische Geschichte. Das Metall brach nicht einfach sauber; es zeigte eine Mischung aus dem Brechen entlang der Korngrenzen (interkristalliner Bruch) und dem Zerreißen durch die Kristalle selbst (Duktiler Bruch/Dimple-Bruch). Manchmal wirkten winzige Partikel im Inneren des Metalls wie kleine Anker, die zur Bildung von Löchern beitrugen, was zum Bruch führte. Die Studie legt nahe, dass die Wärmebehandlung das Metall zwar stärker macht, aber das zugrunde liegende Problem dieser riesigen Kristalle, die wachsen, nicht behebt und auch keine Löcher oder Risse, die während des Schweißprozesses entstanden sind, magisch heilt. Der Kernpunkt ist: Während wir das Aluminium sehr stark wieder machen können, haben wir immer noch keinen einfachen Weg gefunden, um die riesigen Kristalle daran zu hindern, den oberen Teil der Schweißnaht zu übernehmen, und wir können definitiv kein Öl zur Kühlung des Metalls verwenden, wenn wir eine perfekte Verbindung wollen.