Structure-property investigations on a laser beam welded dissimilar joint of aluminium AA6056 and titanium Ti6Al4V for aeronautical applications, Part II: Resistance to fatigue crack propagation and fracture

Abstract

Investigations were continued on the dissimilar laser beam welds of AA6056 and Ti6Al4V, fabricated by inserting Ti-sheet into the profiled Al-sheet and melting AA6056 alone. By using microstructure, hardness and strength as the criteria, sites exhibiting non-uniform microstructure and localized plastic deformation due to strength mismatch were investigated in two orientations: crack parallel to the weld and crack perpendicular to the weld for fatigue crack propagation and fracture toughness at room temperature. Effect of temper of AA6056 on these properties was studied for two conditions; welding in T4 followed by post weld heat treatment T6, and welding in T6 and naturally aged for a defined period. The orientation crack parallel to the weld was investigated in 3 locations on the side of AA6056: the interface and the two changeovers on the Al-side. Firstly, between the fusion zone and the heat affected zone (3 mm from the interface) and secondly, between (primary) heat affected zone and towards the base material (7 mm from the interface). Although brittle intermetallic TiAl3 had been formed at the interface, uncontrolled separation or debonding at the interface was not observed. Insofar the bond quality of the weld was good. However, the ranking of interface was the lowest since fatigue crack propagation was relatively faster than that in the fusion zone and heat affected zone, and fracture toughness was low. Therefore, unstable fatigue crack propagation is observed when the crack propagates perpendicular to the weld from AA6056 towards Ti6Al4V. The results have shown that the dissimilar joints exhibit improved performance when laser beam welded in the T6 condition. Translated Abstract Untersuchungen zu Struktureigenschaften von laserstrahlgeschweißten Mischverbindungen aus Aluminium AA6056 und Titan Ti6Al4V für Anwendungen in der Luftfahrt Teil II: Widerstand gegen Ermüdungsrissausbreitung und Bruch Die Untersuchungen an der laserstrahlgeschweißten Mischverbindung aus AA6056 und Ti6Al4V wurden fortgesetzt. Für die Ermüdungsrissausbreitungs- und Bruchzähigkeitsversuche bei Raumtemperatur wurde die Al-seitige lokale Heterogenität des Gefüges, der Härte und Festigkeit als Kriterium für die Festlegung der Risspositionen in den Verbindungen herangezogen: Riss parallel zur Schweißnaht und Riss senkrecht zur Schweißnaht. Dabei wurde auch der Einfluss des Laserstrahlschweißens in den Warmauslagerungszuständen T4 und T6 der Al-Legierung AA6056 auf die Ermüdungsrissausbreitung und Bruchzähigkeit beurteilt. Die im Zustand T4 laserstrahlgeschweißte Verbindung wurde mit einer nachfolgenden Warmauslagerung in den Zustand T6 gebracht. Die im Zustand T6 laserstrahlgeschweißte Verbindung wurde nach einer definierten Kaltauslagerungsdauer getestet. Die Orientierung Riss parallel zur Schweißnaht wurde in 3 Bereichen auf der Al-Seite untersucht: an der Grenzfläche zwischen AA6056 und Ti6Al4V, zwischen Fügezone und Wärmeeinflusszone (3 mm Abstand von der Grenzfläche) und zwischen Wärmeeinflusszone und Grundwerkstoff (7 mm Abstand von der Grenzfläche). Obwohl sich an der Grenzfläche sprödes TiAl3 gebildet hat, wurde keine Trennung oder Ablösung an der Grenzfläche beobachtet. Insofern war die Bindequalität der laserstrahlgeschweißten Mischverbindung als gut zu bewerten. Allerdings war im Bereich der Grenzfläche die Ermüdungsrissausbreitung schneller als in der Fügezone und der Wärmeeinflusszone und die Bruchzähigkeit vergleichsweise gering. Instabiler Ermüdungsrissfortschritt wurde beobachtet, wenn sich der Riss senkrecht zur Schweißnaht von AA6056 in Richtung Ti6Al4V ausbreitet. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Mischverbindung einen verbesserten Widerstand aufweist, wenn im T6-Zustand laserstrahlgeschweißt wird.