Dissimilar Joining by Explosive Welding: Aluminium to Copper and Aluminium to Steel

Abstract

Explosive welding is a solid-state welding process of great potential for joining materials that are complex to weld by traditional technologies. This process allows the welding of materials with extremely different physical properties which would be incompatible with being manufactured by conventional fusion processes. Among these incompatible combinations are the welding of aluminium to steels (carbon steel and stainless steel) and aluminium to copper. Although steels, aluminium and copper are the most widely used materials in engineering, the welding between themselves has not been clearly and feasibly established. Their differences in physical properties and the strong affinity they have for forming brittle intermetallic compounds, significantly hinder the welding of these combinations. However, because of its extremely fast thermal cycle and less interaction between the materials at high temperatures, explosive welding is a promising process to overcome these difficulties. The present doctoral thesis aims to solve these knowledge gaps by providing technical and scientific solutions to solve the challenge of welding aluminium to copper, aluminium to carbon steel and aluminium to stainless steel. Several welds were manufactured under many configurations and parameters in order to obtain quality welds for these three combinations. Furthermore, this thesis focused on the development of new methodologies for parameters selection and the choice of the best welding configuration. Metallurgical aspects such as the intermetallic distribution and the interaction of materials in the process were also addressed. The research proved that it is possible to join aluminium to copper, aluminium to carbon steel and aluminium to stainless steel by explosive welding. Aluminium to copper and aluminium to carbon steel welding can be manufactured directly, with conventional configuration, resulting in joints of excellent quality in terms of mechanical and metallurgical properties. On the other hand, in aluminium to stainless steel welding it is necessary to use an intermediate plate between the materials, in order to obtain the best mechanical properties. An aluminium, carbon steel or niobium plate may be used as the interlayer to improve the weld properties. The best results were achieved using the carbon steel interlayer, in which the weld region was stronger than the weaker base material. It is a low-cost solution with an excellent mechanical-metallurgical response. The niobium interlayer also provides good mechanical properties and can be used in special applications. In explosive welding involving the investigated materials, the best results were always obtained with low collision point velocities (between 1,600 and 2,300 m/s). It was identified that the weldability of the pairs is affected both by the physical properties of the materials and by the presence of intermetallic phases in the interface. In the case of physical properties, it is more important to evaluate the difference of properties between the flyer plate and the baseplate than their individual values. The intermetallic compounds, in addition to harm the mechanical properties after welding, they decrease the weldability by increasing the solidification time of the regions at the interface where localised melting may occur. An equation identified as “wave interface factor” (WIF) was developed for the prediction of the welding interface morphology. This factor proved to be extremely reliable for all the experiments within this thesis and for experiments available in the literature. Another tool developed was the so-called “time-velocity diagram” that helps to choose the best welding configuration and parameters as well as to analyse the weldability of the combination. The mechanical and microstructural analysis showed that the presence of brittle intermetallic phases by itself does not indicate a poor-quality of the explosive weld, in terms of mechanical properties. The central aspect to be observed is whether the interface morphology can accommodate and distribute these intermetallics so that their harmful effects can be "hidden" and "protected" by the deformed base material. The best mechanical properties are obtained when the morphology of the interface is able to avoid the intermetallic compounds from being a preferential region for continuous and uninterrupted propagation of a brittle fracture.

A soldadura por explosão é um processo de soldadura no estado sólido de imenso potencial para se unir materiais de ligação complexa pelas tecnologias tradicionais. Este processo permite a soldadura de materiais com propriedades físicas extremamente diferentes que seriam incompatíveis de serem realizadas através de processos convencionais por fusão. Entre essas combinações incompatíveis, estão as ligações de alumínio a aços (aço carbono e aço inoxidável) e alumínio a cobre. Apesar dos aços, alumínio e cobre serem os materiais mais utilizados na engenharia, a soldadura entre eles, até hoje, não foi estabelecida de maneira clara e economicamente viável. A diferença de propriedades físicas entre essas ligas e a forte afinidade que possuem para formar compostos intermetálicos frágeis, dificultam significativamente a soldadura dessas combinações. Contudo, pelo seu ciclo térmico extremamente rápido e pouca interação dos materiais a alta temperatura, a soldadura por explosão é um processo promissor para superar essas dificuldades. A presente tese de doutoramento tem como objetivo solucionar essas lacunas no conhecimento, fornecendo soluções técnicas e científicas para enfrentar o desafio da soldadura de alumínio a cobre, alumínio a aço carbono, alumínio a aço inoxidável. Foram realizadas soldaduras sob diversas configurações e parâmetros, para a obtenção de soldaduras de qualidade nessas três combinações. Ademais, a tese visou o desenvolvimento de novas metodologias para seleção de parâmetros e escolha da melhor configuração de soldadura. Aspectos metalúrgicos como a distribuição de intermetálicos e interação dos materiais no processo também foram abordados. A pesquisa provou que é possível soldar através do processo de explosão alumínio a cobre, alumínio a aço carbono e alumínio a aço inoxidável. As soldaduras de alumínio a cobre e alumínio a aço carbono podem ser realizadas de maneira direta, com configuração convencional, resultando em juntas de excelente qualidade em termos de propriedades mecânicas e metalúrgicas. Já a união entre alumínio e aço inoxidável, , é necessário o uso de uma placa intermédia entre os materiais para obter-se as melhores propriedades mecânicas. Uma placa de alumínio, aço carbono ou nióbio podeser utilizada como material intermédio para melhorar- as propriedades da soldadura. Com a utilização da placa intermédia de aço carbono, os melhores resultados foram obtidos com uma região de soldadura mais resistente que o material de base mais fraco. Esta mostrou ser uma solução de baixo custo e de excelente resposta mecânico-metalúrgica. Com a placa intermédia de nióbio, bons resultados mecânicos foram obtidos, podendo esta ser utilizada em aplicações especiais. Na soldadura por explosão envolvendo os materiais utilizados, os melhores resultados foram sempre obtidos com baixas velocidades do ponto de colisão (entre 1.600 a 2.300 m/s). Foi identificado que a soldabilidade dos pares é afetada tanto pelas propriedades físicas dos materiais como pela presença das fases intermetálicas. No caso das propriedades físicas, é necessário avaliar a diferença de propriedades entre o a placa voadora e a placa estacionária e não seus valores individuais. No caso dos compostos intermetálicos, além de prejudicarem as propriedades mecânicas pós-soldadura, diminuem a soldabilidade aumentando a o tempo de solidificação nas regiões da interface onde fusão localizada pode ocorrer. Foi desenvolvida uma equação, identificada como “wave interface factor" (WIF), para a previsão da morfologia de interface de soldadura. Esse fator se mostrou extremamente confiável para todos os experimentos da tese e para outros experimentos disponíveis na literatura. Outra nova abordagem desenvolvida foram os diagramas de tempo-velocidade (“time-velocity diagrams”), que auxiliam na escolha da melhor configuração de soldadura, na escolha dos parâmetros e na análise de soldabilidade da combinação. As análises mecânica e microestrutural mostraram que a presença de compostos intermetálicos frágeis por si só não indica obrigatoriamente uma soldadura com más propriedades mecânicas. O principal aspecto a ser observado é se a morfologia da interface é capaz de acomodar e distribuir esses intermetálicos de maneira que seus efeitos frágeis prejudiciais possam ser “escondidos”, ou seja minorados pelo material de base deformado no processo. As melhores propriedades mecânicas são obtidas quando a morfologia da interface é capaz de evitar que os intermetálicos sejam uma região preferencial para a propagação contínua e ininterrupta de uma fratura frágil.