Friction stir welding of modern high-strength steels: Joint characterization and development of a magnetic-based process monitoring
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-05-29
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
96 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 80/2020
Abstract
Modern high-strength steels (HSS), microalloyed and produced via controlled thermomechanical processing, find their superior mechanical properties compromised by the high peak temperatures and cooling rates of fusion welding. This work demonstrates, for a particular modern HSS, that friction stir welding (FSW) can join HSS via thermomechanical processing at peak temperatures below A1 ≈ 727 ºC , minimizing detrimental microstructural degradation and resulting in joint properties that can match, or even surpass, those of the base material. The microstructure and the mechanical properties of sound FSW joints, depend on the relationship between the peak temperature and the intercritical temperature range [A1, A3] of the HSS. Thus, proper control of peak temperatures and cooling rates in the stirred material is required to ensure process stability, repeatability and so that the microstructure and mechanical properties of welded joints can be tailored by FSW. There are currently no known methods for direct measurements of non-uniform and transient temperature fields inside solid materials, such as steel plates. This thesis was developed on the scope of the implementation of a new online control strategy for FSW of ferromagnetic low-alloy steels based on the relationship between the magnetic transformation of steel, at the Curie temperature TCurie ≈ 740 ºC , and the [A1, A3] range. The monitoring concept, supporting the control strategy, should be applicable to other ferromagnetic steels but not to austenitic-based steels. The study includes comprehensive mechanical testing supported by microstructural analysis. The real critical temperatures TCurie, AC1 and AC3 were measured via DSC. Contactless magnetic-based monitoring systems, using eddy currents and Hall-effect sensors, were developed and tested on thermal and thermomechanical processing cycles. The magnetic-based monitoring accurately detects the TCurie inside the processed volume and, above TCurie, the signal is sensitive to temperature gradients inherent to the volume change of paramagnetic material. The application of this magnetic-based monitoring can be extended to other thermal or thermomechanical solid-state domain processing of steel to produce raw material and components.Nykyaikaisilla mikroseosteisilla ja termomekaanisesti valssattuilla suurlujuusteräksillä (HSS, high-strength steels) on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet. Niihin voi kuitenkin vaikuttaa heikentävästi huippulämpötilat ja jäähtymisnopeudet sulahitsausprosesseissa. Tässä työssä esitetään, miten kitkatappihitsauksen (FSW, friction stir welding) avulla voidaan suurlujuusterästä liittää termomekaanisesti prosessoimalla huippulämpötilan pysyessä alle teräksen A1-lämpötilan (≈ 727 ºC) siten, että mikrorakenteelliset muutokset pysyvät pieninä ja hitsausliitoksen ominaisuudet pysyvät perusainetta vastaavina, tai ne voivat olla jopa paremmat. FSW-hitsatun liitoksen mikrorakenne ja mekaaniset ominaisuudet riippuvat prosessin huippulämpötilan ja HSS-teräksen kriittisen lämpötilavälin [A1, A3] välisestä suhteesta. Sen vuoksi tarvitaan hyvä huippulämpötilan ja jäähtymisnopeuden kontrolli FSW-prosessin stabiilisuuden, toistettavuuden sekä mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien varmistamiseksi. Tällä hetkellä ei ole tiedossa suoria menetelmiä kiinteiden materiaalien, kuten teräslevyjen, sisäisten epätasaisten ja muuttuvien lämpötilakenttien mittaamiseksi. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli uuden online-strategian käyttöönotto ferromagneettisten niukkaseosteisten terästen FSW-hitsauksessa. Menetelmä perustuu teräksen magneettisten ominaisuuksien muutosta kuvaavan Curie-lämpötilan (TCurie ≈ 740 ºC) ja A1-A3 -lämpötilavälin suhteeseen. Menetelmän pitäisi olla sovellettavissa myös muihin ferriittisiin teräksiin, muttei austeniittisiin teräksiin. Tutkimus sisältää laajan mekaanisten ominaisuuksien testauksen ja mikrorakenneanalyysin. Todelliset kriittiset lämpötilat (TCurie, AC1 ja AC3) on mitattu DSC-mittausten (differential scanning calorimetry) avulla. Kehitetyt kontaktittomat pyörrevirtoja ja Hall-efektiä käyttävät magneettiset monitorointimenetelmät testattiin termisissä ja termomekaanisissa prosessisykleissä. Nämä magneettiset monitorointimenetelmät mittaavat Curie-lämpötilan tarkasti tutkittavassa tilavuudessa. Lisäksi ne mittaavat tarkasti paramagneettisten materiaalien tilavuusmuutoksille luontaiset lämpötilagradientit Curie-lämpötilan yläpuolella. Tätä menetelmää voi soveltaa myös muihin terästen termisiin ja termomekaanisiin kiinteän tilan prosesseihin raakamateriaalin ja komponenttien valmistuksessa.Description
The public defense on 29th May 2020 at 15:00 (3 p.m.) will be organized via remote technology.
Link: https://aalto.zoom.us/j/64078395546
Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide
Supervising professor
Vilaça, Pedro, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Santos, Telmo G., Prof., NOVA University of Lisbon, PortugalKeywords
high-strength steels, friction stir welding, monitoring, control, magnetic permeability, temperature, microstructure, mechanical properties, suurlujuusteräkset, kitkatappihitsaus, monitorointi, kontrolli, magneettinen permeabiliteetti, lämpötila, mikrorakenne, mekaaniset ominaisuudet
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Gonçalo Sorger, Teemu Sarikka, Pedro Vilaça, Telmo G. Santos. Effect of processing temperatures on the properties of a high-strength steel welded by FSW. Welding in the World, 2018, 63, 6, 1173-1185.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812105963DOI: 10.1007/s40194-018-0612-8 View at publisher
-
[Publication 2]: Gonçalo Sorger, Eero Lehtimäki, Susanna Hurme, Heikki Remes, Pedro Vilaça, Lars Molter. Microstructure and fatigue properties of friction stir welded high-strength steel plates. Science and Technology of Welding and Joining, 2018, 23, 5, 380-386.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201802091338DOI: 10.1080/13621718.2017.1399574 View at publisher
-
[Publication 3]: Gonçalo Sorger, Pedro Vilaça, Telmo G. Santos. Local magnetic flux density measurements for control of transient and non-homogeneous processing of steels. Scientific Reports, 2019, 9, 17900.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202001021098DOI: 10.1038/s41598-019-54503-5 View at publisher