Solid state joining of aluminum, titanium and their hybrids by ultrasonic torsion welding

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Vol. 45; no. 12; pp. 1072 - 1083
• Main Authors: Magin, J., Balle, F.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 01.12.2014; WILEY‐VCH Verlag; Wiley Subscription Services, Inc
• Subjects: Aluminum; Aluminum base alloys; Bonded joints; design of experiments; EBSD; EELS; Fracture surfaces; Joining; Lap joints; Leichtmetall-Mischverbunde; Light metal hybrid joints; Light metals; microstructure (SEM; Mikrostruktur (REM; Process parameters; Solid state; Specimen geometry; Statistical methods; Statistical tests; Statistische Versuchsplanung; Surface analysis (chemical); TEM; Thermometrie; thermometry; Titanium; Torsion; torsionales Ultraschallschweißen; ultrasonic torsion welding; Welding; Welding parameters
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201400355

Solid state joining by the ultrasonic torsion welding technology has been investigated for light metal hybrid joints of aluminum AA1199 (Al4N) and cp‐titanium grade 1. Before the welding experiments the materials were thoroughly characterized in the initial state and a surface pre‐treatment was developed to increase reproducibility and comparability between individual experiments. On the system side a clamping device designed for the specimen geometry of the single overlap joint and a special welding tool for joints with titanium as upper joining partner were developed. Statistical test methods were used to determine optimized process parameters for ultrasonic torsion welding of the light metals. During the welding process the relevant properties like temperatures and ultrasonic oscillations were measured. Afterwards the joints were tested under tensile shear loading. Detailed light, scanning electron and transmission electron microscopy of the joining zone as well as fracture surface analysis were carried out to describe the bonding mechanisms. In diesem Beitrag werden Untersuchungen zum Ultraschalltorsionsschweißen von Leichtmetall‐Verbunden aus Aluminium EN AW‐1199 (Al4N) und cp‐Titan grade 1 vorgestellt. Die Werkstoffe wurden vor den Schweißversuchen im Ausgangszustand umfassend charakterisiert. Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zwischen den einzelnen Versuchen zu gewährleisten, wurden die Oberflächen beider Blechhalbzeuge jeweils spezifisch vorbehandelt. Zur Realisierung einschnittig überlappter Verbindungen wurde systemseitig eigens eine Einspann‐ und Positioniervorrichtung sowie für Schweißversuche mit Titan als oberen Fügepartner ein spezielles mehrteiliges Schweißwerkzeug entwickelt. Die Ermittlung optimierter Prozessparameter beim Ultraschalltorsionsschweißen der Leichtmetalle wurde mit statistischen Versuchsmethoden umgesetzt. Ferner wurden wichtige kinematische und thermische Prozessgrößen während des Fügeprozesses hochaufgelöst erfasst. Die Verbundqualität wurde anhand der erreichbaren maximalen Festigkeit im Zugscherversuch bewertet. Zur Beschreibung der Bindungsmechanismen wurden detaillierte Untersuchungen im Licht‐, Rasterelektronen‐ und Transmissionselektronenmikroskop sowie Bruchflächenanalysen durchgeführt.