Structure-property investigations on a laser beam welded dissimilar joint of aluminium AA6056 and titanium Ti6Al4V for aeronautical applications, Part I: Local gradients in microstructure, hardness and strength

Abstract

Sheets of AA6056 and Ti6Al4V were butt-joined by inserting the Ti-sheet into the profiled Al-sheet and by melting the Al-alloy alone using a split beam Nd:YAG laser. To study microstructural effects on properties, the Al-alloy was used in two tempers; T4 followed by post weld heat treatment T6, and in T6 followed by a defined duration of natural ageing at room temperature. As a basic step for fatigue and fracture investigations, local gradients in properties of this dissimilar joint are investigated using microscopy, hardness and tensile tests. Possible sites, from which fracture may initiate, have been then identified. All property changes are found to confine to the aluminium side. An intermetallic layer, although very thin, is found to form on the interface. The changeovers, firstly between the fusion zone and the heat affected zone and secondly between the heat affected zone and the base material, are found to be associated with changes in microstructure, hardness and strength. These are identified as the possible critical sites in addition to the interface. Translated Abstract Untersuchungen zu Struktureigenschaften von laserstrahlgeschweißte Mischverbindungen aus Aluminium AA6056 und Titan Ti6Al4V für Anwendungen in der Luftfahrt Teil I: Lokale Gradienten in Mikrostruktur, Härte und Festigkeit Durch eine spezielle Stossvorbereitung wurden laserstrahlgeschweißter Mischverbindungen aus den Blechwerkstoffen AA6056 und Ti6Al4V hergestellt und zwar ohne die Verwendung von Zusatzwerkstoffen. Die große Differenz der Schmelztemperaturen erlaubt das selektive Erschmelzen des Aluminiumwerkstoffs, der wieder um den Titanwerkstoff benetzt, sodass es zur Ausbildung einer mechanisch-stabilen und tragfähigen Verbindung kommt. Die Al-Legierung wurd ein den Wärmebehandlungszuständen T4 und T6 verschweißt, um den mikrostrukturellen Einfluss auf die Eigenschaften der Verbindungen untersuchen zu koönnen. Die Prozessfolgen sahen vor, dass beim Schweißen im Zustand T4 eine Warmauslagerung, beim Schweißen im Zustand T6 eine Kaltauslagerung definierter Dauer folgte. Die Charakterisierung lokaler Eigenschaftsgradienten hinsichtlich Gefüge, Mikrohärte und Festigkeit waren grundlegend für die Untersuchungen zum Ermüdungsrissausbreitungs- und Bruchverhalten der Mischerbindungen. Dabei wurden mögliche Bereiche, von denen Bruchversagen ausgehen könnte, identifiziert. Es hat sich gezeigt, dass die Eigenschaftsänderungen fast ausschließlich auf die Aluminiumseite beschränkt blieben. An der Grenzfläche zwischen Ti6Al4V und AA6056 wurde zudem eine schmale intermetallische Reaktionsschicht nachgewiesen. Diese lokalen Eigenschaftsänderungen im Gefüge, in der Härte und Festigkeit auf der Al-Seite sowie der intermetallische Phasensaum in Verbindung mit geometrischen Unterschieden sind im Rahmen der Untersuchungen als mögliche kritische Bereiche identifiziert worden.