Analysis of the mechanical behavior of welded joints using micro-mechanical characteristics
Authors: Εξαμηλιώτη Θεανώ 
Published: June 2023

Την τελευταία δεκαετία, οι κατασκευαστές κραμάτων αλουμινίου εστιάζουν στην παραγωγή νέων κραμάτων αλουμινίου που να είναι ελαφρύτερα, με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες καθώς και μπορούν να συγκολληθούν. Είναι γνωστό πως το δομικό βάρος των κραμάτων αλουμινίου μπορεί να μειωθεί με την προσθήκη του στοιχείου λίθιο (Li), καθώς είναι το ελαφρύτερο μεταλλικό χημικό στοιχείο. Η προσθήκη του Li σε μικρές περιεκτικότητες (< 2.0 κ.β%) επιτρέπει στα κράματα Al-Cu-Li τρίτης γενιάς να παρουσιάζουν υψηλές μηχανικές ιδιότητες και αυξημένη συμπεριφορά ανοχής στη βλάβη, σε σύγκριση με άλλα εμπορικά αεροναυπηγικά κράματα Al της σειράς 2xxx.Ταυτόχρονα, οι αεροδιαστημικές βιομηχανίες επικεντρώνουν την έρευνά τους σε αποτελεσματικές τεχνικές σύνδεσης όπως η συγκόλληση με τήξη, για την περαιτέρω μείωση του δομικού βάρους καθώς και για μείωση του κόστους κατασκευής. Η συγκόλληση με δέσμη λέιζερ ως τεχνική σύνδεσης έχει ήδη καθιερωθεί στη βιομηχανία αεροσκαφών, π.χ. για τις χαμηλότερες δομές της ατράκτου, λόγω της υψηλότερης αντοχής λυγισμού και του χαμηλότερου βάρους, σε σύγκριση με την συμβατική μέθοδο σύνδεσης με ηλώσεις. Η ανάπτυξη συγκολλήσιμων κραμάτων Al-Cu-Li τρίτης γενιάς, όπως το AA2198, προσφέρει νέες δυνατότητες για εξαιρετικά πολύπλοκες εφαρμογές σε δομές αεροσκαφών. Η χρήση συγκόλλησης με τήξη, όπως η συγκόλληση με δέσμη λέιζερ, σε καινοτόμα κράματα Al-Cu-Li, είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος συγκόλλησης λόγω των ης υψηλής δομικής απόδοσης.Στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η μεθοδική διερεύνηση και επίλυση των προβλημάτων συγκολλησιμότητας του κράματος Al-Cu-Li 2198. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στις παραμέτρους των διαδικασιών συγκόλλησης με δέσμη λέιζερ για τη μείωση των δομικών σφαλμάτων καθώς και των γεωμετρικών ατελειών της ραφής της συγκόλλησης προκειμένου να αυξηθούν οι μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Οι τοπικές μηχανικές ιδιότητες της ραφής της συγκόλλησης του κράματος Al-Cu-Li 2198 με δέσμη λέιζερ υπολογίστηκαν για τις διαφορετικές ζώνες της ραφής συγκόλλησης (πρόσωπο με πρόσωπο) με τη κατασκευή δοκιμίων εφελκυσμού μικρής κλίμακας και το επακόλουθο δομικό τους έλεγχο. Οι τοπικές εφελκυστικές ιδιότητες της ραφής συγκόλλησης χρησιμοποιήθηκαν ως πρωτογενή δεδομένα στο αριθμητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της Διατριβής, προκειμένου να προβλεφθεί η εφελκυστική μηχανική συμπεριφορά των συγκολλήσεων. Ο τελικός στόχος αυτής της Διατριβής είναι να ενισχύσει τις γνώσεις και τις δυνατότητες εφαρμογής του συγκολλημένου κράματος AA2198 με δέσμη λέιζερ, ώστε να γίνει πιο εύχρηστο στον βιομηχανικό τομέα.Το πρώτο μέρος της Διατριβής εστιάζει στις πτυχές συγκολλησιμότητας του εν λόγω κράματος, διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους ελέγχου της συγκόλλησης με δέσμη λέιζερ με και χωρίς τη χρήση κατάλληλου υλικού πλήρωσης της ραφής της συγκόλλησης. Οι βέλτιστες παράμετροι διεργασίας οδηγούν στη μείωση των δομικών ελαττωμάτων, όπως το επίπεδο του πορώδους, τις θερμικές ρωγμές και τις γεωμετρικές ατέλειες, όπως η υπο-πλήρωση και το τρέξιμο του μετάλλου. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε θερμική κατεργασία μετά τη συγκόλληση, τόσο σε αυτογενείς όσο και σε μη-αυτογενείς συγκολλήσεις, για τη διερεύνηση της επίδρασης της τεχνητής γήρανσης στις εφελκυστικές μηχανικές ιδιότητες των συγκολλήσεων.Το δεύτερο μέρος της Διατριβής επικεντρώνεται στον χαρακτηρισμό των τοπικών μηχανικών ιδιοτήτων μη-αυτογενών συγκολλήσεων από κράμα AA2198 με τη χρήση υλικού πλήρωσης Al-Si. Για το σκοπό αυτό, δοκίμια μικρο-εφελκυσμού εξήχθησαν από τη ζώνη τήξης και την θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και τα αποτελέσματα εφελκυσμού συσχετίστηκαν με τις αντίστοιχες μετρήσεις σκληρότητας. Τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού έδειξαν ότι η χημική σύνθεση του υλικού πλήρωσης επηρεάζει τις τοπικές μηχανικές ιδιότητες στο βάθος της ζώνης τήξης, με ως αποτέλεσμα την διαβάθμιση των τιμών του ορίου διαρροής και της εφελκυστικής αντοχής κατά το ύψος της ραφής συγκόλλησης. Τα πειραματικά αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν ως πρωτογενή δεδομένα εισόδου σε ένα λεπτομερές τρισδιάστατο παραμετρικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της ζώνης συγκόλλησης. Το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων αναπτύχθηκε προκειμένου να αξιολογηθεί η επίδραση των γεωμετρικών παραμέτρων, όπως η γεωμετρία της συγκόλλησης και οι γεωμετρικές ατέλειές της στα αναπτυγμένα πεδία τάσης και παραμόρφωσης στη συγκολλημένη άρθρωση υπό αξονική εφελκυστική φόρτιση. Το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα ισχυρό εργαλείο για τη γρήγορη πρόβλεψη της μηχανικής συμπεριφοράς εφελκυσμού συγκολλημένων δομών αεροσκαφών.