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

Stel je voor dat je twee stukken metaal aan elkaar probeert te lijmen, maar in plaats van lijm gebruik je een draaiend gereedschap dat ze wrijft totdat ze heet en zacht genoeg worden om te versmelten. Dit wordt Friction Stir Welding (FSW) genoemd, en het is een favoriet trucje om aluminium te verbinden, het lichte metaal dat wordt gebruikt voor vliegtuigen en frisdrankblikjes. Het probleem is dat dit proces het metaal zo ver verhit dat het de piepkleine, onzichtbare kristallen in het aluminium die het sterk maken, verstoort. Het is alsoğ met het nemen van een perfect georganiseerde boekenkast en deze schudden totdat alle boeken in een rommelige stap terechtkomen. Om dit op te lossen, geven wetenschappers het metaal vaak een "bad" van hitte die Post-Weld Heat Treatment (PWHT) wordt genoemd. Denk aan dit als een resetknop die probeert de kristallen te reorganiseren en de sterkte van het metaal te herstellen. Echter, er is een addertje onder het gras: soms, wanneer je op de resetknop drukt, ruimen de kristallen zich niet alleen op, maar groeien ze uit tot gigantische kristallen die het metaal zelfs zwakker of brosser kunnen maken. Dit artikel onderzoekt een specifieke aluminiumlegering (AA7075) om te zien of we deze gigantische kristallen kunnen beheersen door de snelheid waarmee het gereedschap draait te veranderen en door het hete metaal in verschillende vloeistoffen zoals water of olie te dompelen om het sneller af te koelen.

De onderzoekers aan de Militaire Universiteit van Technologie in Polen besloten een spelletje "wat als" met dit aluminium te spelen. Ze namen platen van AA7075 en weldem ze samen met een draaiend gereedschap op verschillende snelheden, variërend van een langzame 600 rotaties per minuut (rpm) tot een snelle 1400 rpm. Om te zien of de koelsnelheid uitmaakte, lieten ze het metaal niet gewoon in de lucht liggen; ze probeerden het metaal te lassen terwijl het ondergedompeld was in water, in koelolie, of in een speciale koelvloeistof. Nadat het lassen voltooid was, onderwierpen ze elke verbinding aan een specifieke warmtebehandeling: het bakken van de verbindingen bij 470°C gedurende twee uur en vervolgens verouderen bij 120°C gedurende 24 uur. Dit was het moment van de "resetknop".

De resultaten waren een mix van goed nieuws en een hardnekkige verrassing. Ten eerste deed de warmtebehandeling wonderen voor het harder en sterker maken van het metaal. Voor de verbindingen die van zichzelf geen gaten of scheuren hadden, verhoogde de warmtebehandeling het vermogen van het metaal om weerstand te bieden tegen buigen (vloeigrens) met meer dan 70% en het vermogen om te breken voordat het breekt (treksterkte) met ongeveer 35%. Sterker nog, de sterkste gerepareerde verbindingen waren zelfs taaier dan de oorspronkelijke, niet-gelaste aluminiumplaat. Het metaal dat in de lucht was gelast en daarna een warmtebehandeling had ondergaan, was de superster: het werd niet alleen sterker, maar ook bijna twee keer zo rekbaar, waarbij het buiten het lasgebied knapte in plaats van midden in de las te breken.

De onderzoekers ontdekten echter dat hun best geplande plannen om de "gigantische kristalmonsters" (een fenomeen genaamd Abnormal Grain Growth, of AGG) te stoppen, niet helemaal werkten. Ongeacht hoe snel ze het gereedschap lieten draaien of of ze water, olie of lucht gebruikten om het metaal te koelen, de gigantische kristallen verschenen nog steeds in het bovenste deel van de las (de door de schouder gedreven zone). In veel gevallen drongen ze ook het onderste deel van de las binnen (de door de pen gedreven zone). Het blijkt dat simpelweg het metaal sneller koelen of het gereedschap sneller laten draaien niet genoeg was om deze kristallen tijdens de warmtebehandeling ongecontroleerd te laten groeien.

Er was ook een duistere kant aan het experiment. Wanneer de onderzoekers koelolie gebruikten, raakte de olie gevangen in de metaallagen. Wanneer ze het metaal later bakten, probeerde de gevangen olie te ontsnappen, wat bellen en scheuren creëerde die de verbinding verpestten. Deze defecte verbindingen waren zwak en bros, ongeacht hoe sterk de warmtebehandeling probeerde ze te maken. Vergelijkbaar daarmee, wanneer ze het gereedschap te snel lieten draaien (1200 of 1400 rpm), ontwikkelde het metaal gaten en holtes, wat het eindproduct ook zwak maakte.

Wanneer ze keken naar hoe het metaal brak, zagen ze een chaotisch verhaal. Het metaal brak niet simpelweg schoon; het vertoonde een mix van breken langs de korrelgrenzen (intergranulaire breuk) en het scheuren door de kristallen zelf (kuiltjesbreuk/dimpled fracture). Soms fungeerden kleine deeltjes in het metaal als kleine ankers die hielpen bij het vormen van gaatjes, wat leidde tot een breuk. De studie suggereert dat hoewel warmtebehandeling het metaal sterker maakt, het de onderliggende kwestie van deze groeiende gigantische kristallen niet oplost, en het magisch gaten of scheuren die tijdens het lassen zijn ontstaan niet kan genezen. De conclusie is dat hoewel we het aluminium weer zeer sterk kunnen maken, we nog steeds geen eenvoudige manier hebben gevonden om de gigantische kristallen te stoppen die de bovenkant van de las overnemen, en we kunnen absoluut geen olie gebruiken om het metaal te koelen als we een perfecte verbinding willen.