Characterization of Residual Stresses in Friction Surfacing of Ti and Al Alloys

Abstract

The investigation presented in this thesis is an overview of the relation between the Friction Surfacing deposition parameters and the residual stresses produced by the process. The investigation focuses on three coating / substrate combinations: Ti-6Al- 4V on Ti-6Al-4V, AA6082 on AA2024, and AA5083 on AA2024. The residual stress distributions were obtained using non-destructive techniques: high energy X-ray and neutron diffraction. Additionally, thermal conditions during Friction Surfacing deposition were investigated with their connection to the residual stress state and the deposition efficiency. The results reveal the connection between the deposition parameters such as the translational stud velocity and the post-deposition stress state. They show the effect of the stress state on the fatigue life of the samples, and the effect of post-deposition machining on the stress state. A theory connecting the thermal conditions during the deposition and the deposition efficiency is developed. This investigation provides a first systematic outlook on the residual stresses produced by Friction Surfacing and allows to evaluate the process as a production tool for local strengthening and repair. The discovered connection between the deposition efficiency and the amount of heat dissipated from the depositing stud not only has practical applications for process control and design, but also invites to think about the process in more simple and fundamental terms.

Die Untersuchung in der vorliegenden Dissertation ist eine Übersicht von Wechselwirkungen zwischen Auftragungsparametern des Reibauftragschweißverfahrens und den bei diesem Prozess im Werkstück erzeugten Eigenspannungen. Diese Untersuchung ist auf die folgenden drei Kombinationen aus Auftragungs- und Substrats- material fokussiert: Ti-6Al-4V auf Ti-6Al-4V, AA6082 auf AA2024 und AA5083 auf AA2024. Die Eigenspannungsverteilungen erlangte man durch die Anwendung zerstörungsfreier Untersuchungstechniken wie hochenergetischer Röntgen- und Neutronendiffraktion. Zusätzlich wurden die thermischen Bedingungen im Reibauftragschweißverfahren untersucht und mit dem Eigenspannungszustand sowie mit der Auftragungseffizienz verknüpft. Die Resultate decken die Verbindung zwischen den Auftragsparametern wie der horizontalen, translatorischen Vorschubgeschwindigkeit des Auftragsreibbolzens während des Schweißprozesses und dem Spannungszustand nach dem erfolgten Schweißprozess auf. Sie zeigen den Effekt des Spannungszustands auf die Lebensdauer der Schweißverbindung auf sowie den Einfluss einer spanenden Bearbeitung nach erfolgtem Schweißprozess, auf den im Werkstück herrschenden Spannungszustand. Dazu wurde eine Theorie entwickelt, die die thermischen Bedingungen während des Auftragsprozesses mit der Auftragungseffizienz des Reibbolzenmaterials auf das Substrat verknüpft. Diese Untersuchung liefert eine erste systematische Vorhersage der durch das Reibauf- tragschweißverfahren erzeugten Eigenspannungen und erlaubt es so dieses Verfahren als Fertigungshilfsmittel für lokale Strukturverstärkungen und Strukturreparaturen zu evaluieren. Die Entdeckung der Verknüpfung zwischen der Materialauftragungseffizienz und der dissipierten Wärmemenge vom Auftragsreibbolzen hat nicht nur praktische Folgen für die Anwendung zur Verfahrensparametersteuerung und Design, sondern lädt auch dazu ein in mehr vereinheitlichter und fundamentaler Art den Prozess des Reibauftragschweißverfahrens zu betrachten.