Investigation of the Microstructure of High-Strength Laser Welded Joints of Aluminum-Lithium Aeronautical Alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of the aeronautical and aerospace industry is associated with up-to-date high-strength aluminum alloys used in constructions and parts. Aluminum-lithium alloys of the Al-Mg-Li, Al-Cu-Mg-Li, Al-Cu-Li systems are preferable due to its low density in response to the lithium addition. Civil wide-body aircrafts are made with the aid of two technologies: part riveting that includes about a million of rivets, and the progressive laser welding technology. It should be noted that today, the riveting technology is worse than the laser one, because the latter provides higher efficiency and performance, full automation, multi-purpose character and environmental friendliness. However the strength of the weld joints without post-processing is still low. The aim of the work is to perform the experimental comparison of the laser welding of high-strength aluminum-lithium alloys (the Al-Cu-Li and Al-Mg-Li systems) followed by the postheat treatment (quenching and quenching with ageing), in order to get the high-strength weld joint. The performance of the effect of alloying elements in the aluminum alloys on the microstructure and mechanical characteristics is also the aim of the work. Results And Discussion. The microstructural analysis is carried out, the chemical composition of the weld joints in the aluminum-lithium alloys is determined. It is shown that the properties of the weld joint change essentially when Mg or Cu are added into the alloy. For the alloys 1420 and 1424 (the Al-Mg-Li system), heat treatment results in the well-defined dendritic structure, and the aggregates exist both inside the dendrite, and on the borders of dendritic grains (localized evidently). For the alloys 1441 and 1469, which feature is copper, such localization is not observed. Two types of aggregates with fundamentally different chemical compositions are found by means of the electronic microscopy. The first type, with relatively low concentration and size below 10 µm, is characterized by the presence of essentially excessive rare-earth elements, Zr and Sc above all. The chemical composition of the second type of aggregates, most part of which is localized on the dendrite grain boundaries (alloys 1420 and 1424), is close to the solid solution composition, whereas in the alloys 1441 and 1469 (with Cu), there are dark aggregates with increased amount of copper. It is found that utilization of the complex method of fixed joining which includes both laser welding and postheat treatment of samples, made it possible to reveal for the first time a fundamental difference in the processes of crystallization of the Al-Mg-Li and Al-Cu-Li systems. The strength of the laser-weld joints after the full heat treatment reaches 0.91 of the basic alloy 1420 (Al-Mg-Li) strength (the alloy, 0.95 for 1424 (Al-Mg-Li), 0.94 for 1441 (Al-Cu-Mg-Li), 0.8 for 1469 (Al-Cu-Li).

About the authors

A. A. Golyshev

Email: alexgol@itam.nsc.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, alexgol@itam.nsc.ru

A. G. Malikov

Email: smalik@ngs.ru
Ph.D. (Engineering), Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, smalik@ngs.ru

A. M. Orishich

Email: laser@itam.nsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, laser@itam.nsc.ru

References

  1. Prasad N., Gokhale A., Wanhill R. Aluminum–lithium alloys: processing, properties, and applications. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. – 608 p.
  2. Структура и свойства листов из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 / Ю.Ю. Клочкова, Г.Г. Клочков, В.А. Романенко, В.И. Попов // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 4. – С. 3–8. – doi: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-3-8.
  3. Thermally stable aluminum-lithium alloy 1424 for application in welded fuselage / I. Fridlyander, L. Khokhlatova, L. Khokhlatova, N. Kolobnev, K. Rendiks, G. Tempus // Metal Science and Heat Treatment. – 2002. – Vol. 44. – P. 3–8. – doi: 10.1023/A:1015359900319.
  4. Rioja R.J., Liu J. The evolution of Al-Li base products for aerospace and space applications // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2012. – Vol. 43. – P. 3325–3337. – doi: 10.1007/s11661-012-1155-z.
  5. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials and Design. – 2014. – Vol. 56. – P. 862–871. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.12.002.
  6. Ber L.B., Teleshov V.V., Ukolova O.G. Phase composition and mechanical properties of wrought aluminum alloys of the system Al-Cu-Mg-Ag-Xi // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50. – P. 220–227. – doi: 10.1007/s11041-008-9055-y.
  7. Gazizov M., Kaibyshev R. Effect of over-aging on the microstructural evolution in an Al–Cu–Mg–Ag alloy during ECAP at 300°C // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 527. – P. 163–175. – doi: 10.1016/j.jallcom.2012.02.144.
  8. Solidification behaviour and the effects of homogenisation on the structure of an Al–Cu–Mg–Ag–Sc alloy / M. Gazizov, V. Teleshov, V. Zakharov, R. Kaibyshev // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – Vol. 509. – P. 9497–9507. – doi: 10.1016/j.jallcom.2011.07.050.
  9. Gazizov M., Kaibyshev R. Kinetics and fracture behavior under cycle loading of an Al–Cu–Mg–Ag alloy // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117. – P. 725–734. – doi: 10.1134/S0031918X16050069.
  10. Double-sided laser beam welded T-joints for aluminum-lithium alloy aircraft fuselage panels: effects of filler elements on microstructure and mechanical properties / B. Han, W. Tao, Y. Chen, H. Li // Optics and Laser Technology. – 2017. – Vol. 93. – P. 99–108. – doi: 10.1016/j.optlastec.2017.02.004.
  11. Zhang X., Yang W., Xiao R. Microstructure and mechanical properties of laser beam welded Al–Li alloy 2060 with Al–Mg filler wire // Materials and Design. – 2015. – Vol. 88. – P. 446–450. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.08.144.
  12. Effect of heat treatment of the mechanical properties and corrosion resistance of welded joints in high-strength aluminium–lithium alloys / V.I. Lukin, E.N. Ioda, M.D. Panteleev, A.A. Skupov, M.A. Fomina, V.V. Ovchinnikov // Welding International. – 2017. – Vol. 31. – P. 477–480. – doi: 10.1080/09507116.2016.1268767.
  13. Rongshi X., Xinyi Z. Problems and issues in laser beam welding of aluminum-lithium alloys // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16. – P. 166–175. – doi: 10.1016/j.jmapro.2013.10.005.
  14. Laser beam welding of hard to weld al alloys for a regional aircraft fuselage design – first results / D. Dittrich, J. Standfuss, J. Liebscher, B. Brenner, E. Beyer // Physics Procedia. – 2011. – Vol. 12. – P. 113–122. – doi: 10.1016/j.phpro.2011.03.015.
  15. Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Weldability and properties of welds of high-strength aluminum alloys of the Al-Cu-Li system // Metal Science and Heat Treatment. – 2012. – Vol. 53. – P. 445–449. – doi: 10.1007/s11041-012-9413-7.
  16. Harpreet S., Rajiv S.M. Aging kinetics of friction stir welded Al-Cu-Li-Mg-Ag and Al-Cu-Li-Mg alloys // Materials and Design. – 2016. – Vol. 110. – P. 60–71. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.07.126.
  17. A weldability study of Al–Cu–Li 2198 alloy / V. Calogero, G. Costanza, S. Missori, A. Sili, M.E. Tata // Metallurgist. – 2014. – Vol. 57. – P. 1134–1141. – doi: 10.1007/s11015-014-9858-6.
  18. Investigation of the technology of laser welding of aluminum alloy 1424 / B.D. Annin, V.M. Fomin, V.V. Antipov, E.N. Ioda, E.V. Karpov, A.G. Malikov, A.M. Orishich, A.N. Cherepanov // Doklady Physics. – 2015. – Vol. 60. – P. 533–538. – doi: 10.1134/S1028335815120010.
  19. Комплексное исследование лазерной сварки. высокопрочного сплава В-1469 / Б.Д. Аннин, В.М. Фомин, Е.В. Карпов, А.Г. Маликов, А.М. Оришич // Авиационные материалы и технологии. – 2016. – № 3. – С. 9–16. – doi: 10.18577/2071-9140-2016-0-3-9-16.
  20. Laser welding of high-strength aluminium–lithium alloys with a filler wire / I.N. Shiganov, A.A. Kholopov, A.V. Trushnikov, E.N. Ioda, M.D. Panteleev, A.A. Skupov // Welding International. – 2017. – Vol. 31. – P. 481–486. – doi: 10.1080/09507116.2016.1268768.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».