The concept of improvement high-strength aluminum alloys FSW joint properties via post-weld explosive treatment

Abstract

У роботі представлено теоретичні основи та технологічні аспекти після зварювальної вибухової обробки з’єднань FSW алюмінієвих сплавів підвищеної міцності. Хоча FSW дозволяє отримувати якісні з’єднання алюмінієвих сплавів підвищеної міцності, тепло, що виділяється під час цього процесу, викликає небажані зміни у зміцнювальних фазах у самому з’єднанні, спричиняючи зниження ефективності з’єднання до 80%. Несучу здатність цих з’єднань можна збільшити за допомогою відповідної обробки після зварювання (наприклад, кулювання, лазерне ударне зміцнення). У статті представлена відносно нова методика після зварювальної обробки, яка опирається на впливі на зварне з’єднання ударною хвилею, що виникає під час детонації вибухового матеріалу. Така обробка вибухом після зварювання призведе до зміцнення зони низької твердості, яка часто визначає механічні властивості дисперсійно зміцнених з’єднань FSW з алюмінієвого сплаву. Дослідження показують, що зварювання вибухом відпалених алюмінієвих сплавів підвищує їх мікротвердість приблизно на 25%, що є результатом їх високошвидкісного зіткнення. Якщо подібного ефекту вдасться досягти при вибуховому зміцненні, мікротвердість зони низької твердості також збільшиться, що спричинить поліпшення всіх механічних властивостей зʼєднання. Різноманітність вибухових матеріалів, які використовуються в металообробці (швидкості детонації приблизно від 2000 м/с до 8000 м/с), і різні технологічні системи ударно-хвильового впливу дають багато технологічних можливостей. Розглянуто дві різні технологічні системи вибухового зміцнення: з прямим розміщенням вибухового матеріалу на обробленій звареній пластині та з веденою додатковою пластиною, яка забезпечує вищий імпульс тиску. Враховуючи, що вплив ударної хвилі великої амплітуди вносить дефекти в конструкцію та зменшує залишкові напруження у зварних з’єднаннях, застосування відповідної технологічної системи створює потенціал для підвищення несучої здатності розглянутих з’єднань, особливо в умовах циклічного навантаження.

The study describes the theoretical background and technological aspects of the post-weld explosive treatment of high-strength aluminum alloy FSW joints. Although FSW allows to effective join highstrength aluminum alloys, the heat generated during the process causes undesirable changes in the strengthening phase, giving a joint efficiency of about 80%. The load-carrying capabilities of these joints can be increased via post-weld treatment (e.g. shot peening, laser shock peening). The new, potential post-weld treatment that is presented in this paper is based on the affection of the welded joint by a shock wave generated during the detonation of explosive material. Such post-weld explosive treatment would result in the hardening of the lowhardness zone, which often determines the mechanical properties of precipitation-hardened aluminum alloy FSW joints. Studies show that explosive welding of annealed aluminum alloys increases their microhardness by about 25% as the result of a high-velocity collision. If a similar effect can be achieved in explosive hardening, the microhardness of the low-hardness zone will increase entailing an improvement of entire joint mechanical properties. The variety of explosives materials used in metalworking (covering the values of detonation velocity from about 2000 m/s to 8000 m/s) and different systems for shock-wave affection gives many technological possibilities. In this work are discussed two different explosive hardening systems: with direct placement of explosive material on a treated welded plate and with an additional driven plate, which provides a higher pressure impulse. Considering that affecting of high amplitude shock wave introduces defects into the structure and decreases residual stresses in the welded joints, the application of an appropriate technological system creates a potential for improving the load-carrying capacities of discussed joints, especially in a condition of cyclic loading.