Effects of thermal and mechanical treatments on the fatigue performance of friction welded joints

Basha, Mahmoud

Friction welding (FRW) is presented as one of the most economical, simple and productive welding methods. FRW is a solid state joining process providing a unique approach for joining alloys that are usually unsuitable to weld using fusion welding techniques. Residual stresses (RS) in FRW may be considerably less than those induced in fusion welds since FRW occurs at lower temperature. However, the rigid clamping system used in FRW can still produce high tensile RS in the welding joints. These RS can remarkably affect the service performance of the welded materials by reducing their fatigue life and promoting the fatigue crack growth process. This has instigated the demand for techniques and methods that can relieve the tensile RS in welded parts. Therefore, the main objective of this study is to improve the surface layer properties and impact toughness as well as to enhance the fatigue performance of rotary and orbital friction-welded metallic joints. In this study, the continuous drive rotary friction welding (RFW) has been used to weld similar joints from commercially pure titanium (CP-Ti) and dissimilar joints of stainless steel AISI 316L to carbon steel AISI 1012. The process parameters were varied in a wide extent to determine the optimum operating parameters using the design of experiment (DoE) technique. In addition, the orbital friction welding (OFW) was used to weld joints from the high temperature titanium alloy Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (Ti-6242). Combination of mechanical surface treatments such as shot peening (SP) and roller burnishing (RB) and thermal ones namely post-weld heat treatment (PWHT) have been applied on the weld joints to introduce compressive RS that compensate the tensile ones at the weld, which results in significant improvements of the fatigue life of these joints up to 87%. The process parameters of the SP and RB have been varied until reaching the optimum parameters that led to improved surface layer properties and enhanced fatigue performance. The residual stress depth profiles and surface residual stress distribution across the weld line were measured using the incremental hole-drilling method (IHD) and laboratory X-Ray diffraction (LXRD), respectively. The phase transformations during welding processes were investigated using X-ray diffraction technique. This investigation demonstrated that both SP and RB markedly increased in the fatigue performance and hardness levels of the joints welded by rotary and orbital friction welding. A significant enhancement in the ductility of the joints has been reported after PWHT process. Moreover, applying SP and RB after PWHT led to a remarkable improvement of the fatigue life of the welded joints. According to these results, it is recommended to apply a combination of surface treatments and PWHT after FRW to improve the integrity of the weld. Furthermore, it could be concluded that the mechanical surface treatment (SP and RB) can control the fracture location either in the weld zone or the lower strength base metal of the welded joints by distinguishing the reinforcement zone.

Reibschweißen (FRW) wird als eines der wirtschaftlichsten, einfachsten und produktivsten Schweißverfahren vorgestellt. FRW ist ein Festkörperfügeverfahren, das einen einzigartigen Ansatz zum Verbinden von Legierungen bietet, die normalerweise nicht zum Schweißen unter Verwendung von Schmelzschweißtechniken geeignet sind. Eigenspannungen (RS) in FRW können beträchtlich geringer sein als diejenigen, die in Schmelzschweißstellen induziert werden, da FRW bei niedrigeren Temperaturen auftritt. Das in FRW verwendete starre Spannsystem kann jedoch immer noch hohe Zugeigenspannungen in den Schweißverbindungen erzeugen. Diese RS können die Betriebsleistung der geschweißten Materialien erheblich beeinflussen, indem sie ihre Ermüdungslebensdauer verringern und den Ermüdungsrisswachstumsprozess fördern. Dies hat zu einer Nachfrage nach Techniken und Verfahren geführt, die die Zugeigenspannungen in geschweißten Teilen verringern können. Daher ist das Hauptziel dieser Studie die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften und Schlagzähigkeit sowie die Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von rotations- und orbital-reibgeschweißten metallischen Verbindungen. In dieser Studie wurde das Rotationsreibschweißen mit kontinuierlichem Antrieb (RFW) zum Schweißen ähnlicher Verbindungen von kommerziell reinem Titan (CP-Ti) und verschiedenen Verbindungen von rostfreiem Stahl AISI 316L zu Kohlenstoffstahl AISI 1012 verwendet. Die Prozessparameter wurden in einem weiten Ausmaß zur Bestimmung der optimalen Betriebsparameter unter Verwendung der Design of Experiment (DoE) –Technik variiert. Zusätzlich wurde das Orbitalreibschweißen (OFW) zum Schweißen von Verbindungen aus der Hochtemperatur-Titanlegierung Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si (Ti-6242) verwendet. Eine Kombination von mechanischen Oberflächenbehandlungen wie Kugelstrahlen (SP) und Festwalzen (RB) und thermischer Behandlung, nämlich Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) wurden auf die Schweißverbindungen angewendet, um Druckeigenspannungen einzubringen, die die Zugeigenspannungen in der Schweißnaht kompensieren, was zu einer signifikanten Verbesserung der Ermüdungslebensdauer dieser Verbindungen von bis zu 87% führt. Die Prozessparameter von SP und RB wurden variiert, bis die optimalen Parameter, die zu verbesserten Oberflächeneigenschaften und verbesserten Ermüdungseigenschaften führten, erreicht wurden. Die Eigenspannungs-Tiefenprofile und die Oberflächen-Eigenspannungsverteilung über die Schweißnaht wurden mit Hilfe der inkrementellen Lochbohrmethode (IHD) bzw. der Labor- Röntgendiffration (LXRD) gemessen. Die Phasenumwandlungen während der Schweißprozesse wurden mittels Röntgendiffration untersucht. Diese Untersuchung zeigte, dass sowohl SP als auch RB die Ermüdungseigenschaften und die Härte der durch rotation- und orbitalreibgeschweißten Verbindungen deutlich erhöhten. Nach dem PWHT-Verfahren wurde eine signifikante Verbesserung der Duktilität der Verbindung festgestellt. Darüber hinaus führte die Anwendung von SP und RB nach PWHT zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Ermüdungslebensdauer der Schweißverbindungen. Gemäß diesen Ergebnissen wird empfohlen, eine Kombination von Oberflächenbehandlungen und PWHT nach FRW anzuwenden, um das Widerstandsvermögen der Schweißnaht zu verbessern. Darüber hinaus konnte gefolgert werden, dass durch die mechanische Oberflächenbehandlung (SP und RB) der Bruch entweder in der Schweißzone oder dem unteren Basismetall der Schweißverbindungen durch Unterscheiden der behandelten Zone eingestellt werden kann.

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Basha, Mahmoud: Effects of thermal and mechanical treatments on the fatigue performance of friction welded joints. 2018.

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