Damage tolerance of refill friction stir spot weld application for the aircraft industry
Creators: name: Brzostek, Robson Cristiano
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2019
Subjects: classificationCode: 600
subject: Technik

description: Reibpunktschweißen ist ein Festphasen-Schweißverfahren, das zum Schweißen von Leichtbauwerkstoffen in ähnlicher oder unähnlicher Überlappverbindungen für die Konfiguration geeignet ist. Es erweist sich als eine vielversprechende neue Fügetechnologie, insbesondere für hochfeste Aluminiumlegierungen, die im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren große Vorteile aufweisen. Gegenwärtig wird Reibpunktschweißen als eine mögliche Alternative für eine genietete Struktur anerkannt. Es ermöglicht eine Erhöhung der Herstellungskosteneffektivität aufgrund einer vernünftigen Kostenreduzierung und strukturellen Effizienz. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, das mechanische Verhalten und die Rissausbreitung in Verbindungen zu untersuchen, die von Reibpunktschweißen verursacht werden. Die Studie konzentriert sich auf die Anwendung der Schadenstoleranz in integralen Strukturen von Reibpunktschweißen in Aluminiumlegierung AA2024-T3 hergestellt. Bisher waren die Prozessentwicklung und die mechanische Leistungsstudie überwiegend empirisch. Daher ist ein Übergang zu einem wissenschaftsbasierten Ansatz dringend erforderlich. Die hier vorgestellte Arbeit wurde durchgeführt, um eine Beziehung zwischen der experimentellen Erforschung und numerischen Modellen zu etablieren, die für die Entwurfsoptimierung und Ermüdungsrisswachstumsanalyse verwendet werden können. Davor wurden die Schweißverbindungen mechanisch und metallurgisch beurteilt, um die Optimierung der Prozessparameter (Drehzahl, Schweißdauer und Eindringtiefe) für Festigkeit und Ermüdungsbelastung zu untersuchen. Diese Untersuchung zeigt die Entwicklung der strukturellen numerischen Modelle, wo zwei strukturelle Modelle entwickelt wurden, um die Entwurfsoptimierung zu analysieren. Das erste Modell umfasst die Spannungsanalyse, die Last, die durch Reibung übertragen wird, die Spannungskonzentration und die Position der Höchstspannung. Es wurde unter Berücksichtigung des strukturellen und kohäsiven Ansatzes gebaut. Das zweite numerische Modell berücksichtigt den eingebetteten Ansatz; es kann für parametrische Studien mit guter Genauigkeit verwendet werden. Dann wurde die Entwurfsoptimierung unter Berücksichtigung der Abstände entwickelt: Anzahl der Schweißpunktreihen, Punktschweißreihenabstand, Punktschweißabstand in der Reihe und Abstand der Punktschweißung von der Blechkante. Die Entwicklungen der Entfernungen wurden unter Berücksichtigung ihrer Leistung in quasi-statischen und Ermüdungsbelastung durchgeführt. Eine fraktographische Analyse bei verschiedenen Brucharten wurde durchgeführt. Dies ist notwendig, um die Rissausbreitung nach der Bruchmechanik zu verstehen und zu beschreiben. Dann wurde ein numerisches Modell entwickelt und kalibriert, um Spannungsintensitätsfaktoren für die zuvor beschriebenen Risse zu erhalten. Das numerische Modell wurde mit der eXtended Finite Element Methode erstellt. Abschließend behandelt die Arbeit die Rissausbreitung und Restfestigkeit von Reibpunktschweißen in dünnen Platten für Flugzeugrumpfanwendungen. In dem Vollmaßstab wurde eine detaillierte experimentelle Untersuchung durchgeführt, um die Rissausbreitung unter verschiedenen Versagensszenarien zu verstehen. Darüber hinaus wurden die experimentellen Ergebnisse verwendet, um das entwickelte Modell des Ermüdungsrisswachstums zu verifizieren und zu kalibrieren. Das Modell wurde verwendet, um die Rissausbreitung in verschiedenen Verbindungskonfigurationen und anfänglichen Rissen zu simulieren. Das numerische Modell wurde mit der eXtended Finite Element Methode erstellt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung der Vorhersage-Ermüdungslebensdauer mit den experimentellen Ergebnissen. Dann wurden beide Modelle der Finite-Elemente-Methode für die Restfestigkeitsvorhersage von gecrackten unversteiften Platten hinsichtlich des Spannungsintensitätsfaktors verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass Reibpunktschweißen sowohl hochfeste Verbindungen herstellen kann als auch die Bedeutung des Gelenkdesigns, bei dem durch Verwendung der richtigen Abstände, eine signifikante Verbesserung erzielt werden kann. Das aus den numerischen Modellen gewonnene Wissen über das strukturelle Verhalten und das Ausmaß der Rissausbreitung ist bedeutsam, um den Einfluss der sekundären Biegung auf gerissene Platten und die Entwicklung von Residual-Strength-Diagrammen zu verstehen.
description: Refill Friction Stir Spot Welding (Refill FSSW) is a solid-state process technology that is suitable for welding lightweight materials in similar or dissimilar overlapped configuration. It has proven to be a very promising new joining technique; especially, for high strength aluminum alloys, which has presented large advantages when compared to conventional welding processes. Currently, Refill FSSW is recognized as a potential alternative for riveted structure; it allows an increasing of the manufacturing cost effectiveness owing to sensible cost reduction and structural efficiency. The main aim of this work is to study the mechanical behavior and crack propagation in joints produced by Refill FSSSW. The study is focused on the application of the damage tolerance design philosophy in integral structures produced by Refill FSSSW in aluminum alloy AA2024-T3. Up to now the process development and the mechanical performance study has been mostly empirical. Thus, a transition to a science-based approach is highly necessary. The work presented here was conducted to stablish a relationship of experimental investigation and a set of numerical models that can be used for design optimization and fatigue crack growth analysis. Beforehand, the welded joints were assessed mechanically and metallurgically in order to investigate the mechanism and the optimization of the process parameters (rotation speed, welding time and plunge depth) in terms of quasi-static loading and fatigue loading. This investigation has assisted the development of the structural numerical models, where two structural models have been developed to study the design optimization. The first model covers the stress analysis, load transferred by friction, stress concentration and peak stress location; it was built considering the structural and cohesive approach. The second numerical model considers the embedded approach; it can be used for parametric studies with good accuracy. Then, the design optimization was developed considering the distances: number of spot welds rows, spot weld row spacing, spot weld pitch in row and distance of the spot weld from the sheet edge. The developments of the distances were performed considering its performance in quasi-static and fatigue loading. A fractography analysis at various fracture modes has been performed. This is necessary in order to understand and described the crack propagation according the fracture mechanics. Then, a numerical model has developed and calibrated in order to obtain stress intensity factors for the cracks described previously. The numerical model has been built with the eXtended Finite Element Method. Finally, the thesis deals with crack propagation and residual strength of Refill FSSW in thin panels for aircraft fuselage applications. Detailed experimental investigation has been carried out in panels FSSW in order to understand the crack propagation under different failure scenario. Moreover, the experimental results have been used to verify and calibrate the developed fatigue crack growth numerical model. The model has been used to simulate crack propagation in different joint configuration and initial cracks. The numerical model has been built with the eXtended Finite Element Method. The results have shown good agreement of the predict fatigue life with the experimental results. Then, both eXtended Finite Element Method models numerical models developed have been used for residual strength prediction of cracked unstiffened panels in terms of the stress intensity factor. The results obtained in the course of this study have shown the feasibility of Refill FSSW to produce high strength joints as well as the importance of the joint design, in which can be significantly improved by using the correct distances. The knowledge about the structural behavior and extent of crack propagation gained from the numerical models is valuable to understanding the influence of secondary bending on cracked panels and the development of residual strength diagrams.