Friction stir welding of copper and microstructure and properties of the welds

Abstract

A reliable welding method producing joint properties as similar to those of the base materials as possible is needed in sealing the copper corrosion barrier of the final disposal canister for spent nuclear fuel. Friction stir welding (FSW) and electron beam welding (EBW) are currently the two potential methods. FSW is a new and innovative joining method. It is a solid state method, where the detrimental phenomena related to melting do not occur. Other advantages include small and uniform grain size, equiaxed grains, random texture, as well as good mechanical properties of the joints. Friction stir processing (FSP) is a variation of FSW, and it is used to e.g. heal casting defects and improve corrosion properties. The work in this Doctoral Thesis concentrated on FSW of copper and the microstructure of the welds as well as on the formation of the microstructure. The studied subjects include recrystallization, banding, as well as entrapped oxide particles and their influence on the localization of deformation. The results indicate that the microstructure and mechanical properties of the FSW welds are very similar to those of the base materials (unlike EB welds), making FSW a preferable method for sealing the canisters for spent nuclear fuel.

Ydinjätteen loppusijoittamisessa käytettävien kuparista valmistettujen korroosionestokapseleiden sulkemiseen tarvitaan luotettava hitsausmenetelmä. Hitsausliitosten ominaisuuksien tulee olla mahdollisimman samanlaiset verrattuna perusaineen ominaisuuksiin. Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla ja elektronisuihkuhitsaus ovat tällä hetkellä mahdolliset vaihtoehdot. Kitkahitsaus pyörivällä työkalulla (tunnetaan myös kitkatappihitsauksena) on uusi ja innovatiivinen liittämismenetelmä. Koska liittäminen tapahtuu kiinteässä tilassa, sulamiseen ja jähmettymiseen liittyviä hitsausvirheitä ei muodostu. Menetelmän muita etuja ovat hitsiaineen pieni raekoko, tasainen ja suuntautumaton raerakenne sekä hyvät mekaaniset ominaisuudet. Kitkaprosessointi pyörivällä työkalulla on kitkatappihitsauksen variaatio, jota käytetään mm. valuvirheiden korjaamiseen sekä korroosio-ominaisuuksien parantamiseen. Tässä väitöskirjassa tehty työ keskittyi kuparin kitkahitsaukseen pyörivällä työkalulla sekä hitsien mikrorakenteeseen ja sen muodostumiseen. Tutkittuja aiheita olivat mm. rekristallisaatio, nauharakenne (banding), oksidipartikkelit ja deformaation paikallistuminen. Tulokset osoittavat, että kitkatappihitsien mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet ovat hyvin samankaltaiset verrattuna perusaineisiin (päinvastoin kuin elektronisuihkuhitseillä). Kitkatappihitsaus vaikuttaa siten paremmalta vaihtoehdolta ydinjätteen loppusijoituksessa käytettävien kuparikapseleiden sulkemiseen.