Laser beam welding of high-alloyed aluminium-zinc alloys Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieurin (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Josephin Enz aus Berlin 2017 Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Norbert Huber, Institut für Werkstoffforschung, Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger, Institut für Füge- und Schweißtechnik, Technische Universität Braunschweig Datum der Disputation: 09.11.2016 Laser beam welding of high-alloyed aluminium-zinc alloys Josephin Enz Institute of Materials Research, Materials Mechanics, Joining and Assessment, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Max-Planck-Straße 1, 21502 Geesthacht, Germany. Abstract The automotive industry is currently facing major challenges. In the course of the enacting of comprehensive environmental regulations for the fuel consumption and CO emission of pas- 2 senger vehicles in Europe and the world, the weight of future vehicles need to be considerably reduced. A weight reduction for automotive structures can be achieved by the substitution of heavy materials by lighter and stronger materials, the implementation of new designs and manufacturing technologies or ideally by a combination of both. High-alloyed Al-Zn alloys are promising candidates for the use as structural light-weight materials for the automotive industry. This is mainly due to their very high strength-to- density ratio in comparison to conventionally used steels and aluminium alloys. Laser beam weldingisanefficientmethodforproducingjointswithhighweldqualityandisestablishedin the industry since many years. However, it is well known that aluminium alloys with a high Zn content or, more precisely, with a high Zn+Mg+Cu content are hard to fusion weld or even unweldable due to the formation of severe weld discontinuities. And currently, there is a lack of approaches for solving these weldability problems, which finally results in a disregard of these alloys by the automotive industry. The present thesis aims at solving the laser weldability problems of these high-alloyed Al- Zn alloys. For this purpose a deep understanding of the theoretical fundamentals of laser weldability in terms of material properties and processes during laser beam welding was mandatory. By this means, typical reasons for weldability problems were derived and crucial influencing factors were identified. Based on the knowledge obtained, it was possible to develop two approaches for improving the laser weldability of high-alloyed Al-Zn alloys. The first approach implies the use of an appropriate filler material - namely vanadium - additional to the conventional filler wire recommended for welding Al-Zn alloys. In this regard, vanadium enables the manipulation of the material properties of the weld metal. This first approach is feasible for different laser systems used for welding. The second approach implies the use of a high-power fibre laser with a large beam diameter and a high beam quality. Here, the laser beam welding process itself is manipulated. This approach does not necessarily require a certain filler material. The effectiveness of both developed approaches was verified by their application to diverse high-alloyed Al-Zn alloys. The assessment of the resulting weld properties finally also al- lowed assessing the capability of the approaches for industrial applications. Here, the second approach excels in its versatility and capability for large-scale productions. i Laserstrahlschweißen von hochlegierten Aluminium-Zink- Legierungen Josephin Enz Institut für Werkstoffforschung, Werkstoffmechanik, Fügen und Bewerten, Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Max-Planck-Straße 1, 21502 Geesthacht, Deutschland. Zusammenfassung Die Automobilindustrie steht derzeit vor großen Herausforderungen. Im Zuge der Erlassung umfangreicher Umweltschutzbestimmungen für Kraftstoffverbrauch und CO -Ausstoß von 2 Personenkraftfahrzeugen, sowohl in Europa wie auch weltweit, muss das Gewicht zukünftiger Fahrzeuge deutlich vermindert werden. Eine Gewichtsreduzierung von Fahrzeugstrukturen kann durch die Substitution schwerer Werkstoffe durch leichtere und höher festere, sowie die Einführung neuer Design- und Fertigungskonzepte - oder idealerweise eine Kombination der beiden - erreicht werden. Hochlegierte Al-Zn-Legierungen sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Dichte im Vergleich zu herkömmlichen Al-Legierungen und Stahl vielversprechende Kandidaten für die Verwendung als leichter Strukturwerkstoff in der Automobilindustrie. Das Laserstrahl- schweißen ist eine effiziente Methode zur Herstellung hochwertiger Schweißverbindungen und ist seit vielen Jahren in der Industrie etabliert. Al-Legierungen mit einem hohen Zink- gehalt bzw. mit einem hohen (Zn+Mg+Cu)-Gehalt gelten aufgrund der Bildung von schwer- wiegenden Schweißfehlern im Allgemeinen als nur schwer schmelzschweißbar bzw. sogar un- schweißbar. Derzeit gibt es keine Ansätze zur Lösung dieser Schweißbarkeitsprobleme, die letztendlich zu einer Missachtung dieser Legierung durch die Industrie führt. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Schweißbarkeitsprobleme dieser vielversprechen- den hochlegierten Al-Zn-Legierungen zu lösen. Dazu war zunächst ein umfangreiches Ver- ständnis über die theoretischen Grundlagen der Laserschweißbarkeit im Sinne von Material- eigenschaften und Prozessen während des Laserstrahlschweißens erforderlich. Somit konnten dieUrsachenfürtypischeSchweißproblemeermitteltwerdensowiedieentscheidendenEinfluss- faktoren identifiziert werden. Basierend auf diesem Wissen war es anschließend möglich, Lösungsansätze zur Verbesserung der Laserschweißbarkeit hochlegierter Al-Zn-Legierungen zu entwickeln. Der erste Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung eines geeigneten Schweißzusatzes - nämlich Vanadium - zusätzlich zum für Al-Zn-Legierungen empfohlenen konventionellen Zu- satzdraht. Die Verwendung von Vanadium ermöglicht die Beeinflussung der Materialeigen- schaftenderSchmelze. DieserersteAnsatzistgeeignetfürverschiedeneLaserschweißsysteme. Der zweite Lösungsansatz beinhaltet die Verwendung eines Hochleistungs-Faserlasers mit großem Strahldurchmesser sowie hoher Strahlqualität. Hierbei wird der Laserschweißprozess selbst beeinflusst. Der zweite Ansatz erfordert keinen besonderen Schweißzusatzwerkstoff. Die Leistungsfähigkeit beider Ansätze wurde durch ihre Anwendung an verschiedene hoch- legierte Al-Zn-Legierungen überprüft. Die Beurteilung der resultierenden Schweißnahteigen- schaften erlaubte schließlich eine Bewertung der Tauglichkeit für industrielle Anwendungen. Hierbei zeichnete sich insbesondere der zweite Lösungsansatz durch seine Vielseitigkeit und Tauglichkeit für eine Großproduktion aus. ii Contents 1. Introduction 1 1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3. Scientific approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4. Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2. Aluminium-zincalloys 6 2.1. Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.2. Chemical composition and heat treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3. Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.4. Corrosion properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3. Weldingofaluminium-zincalloys: State-of-the-art 11 3.1. Conventional arc welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.2. Solid-state welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3. Beam welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4. Theoreticalconsiderationsoflaserweldability 14 4.1. Definition of laser weldability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.2. Melting, vaporisation and plasma formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.3. Temperature distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.4. Pressure conditions in the keyhole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.5. Surface tension and viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.6. Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.7. Beam irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.8. Solidification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.9. Porosity formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.10.Weld imperfections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5. Approachesforimprovingthelaserweldability 36 5.1. Earlier approaches for different materials: State-of-the-art . . . . . . . . . . . . 36 5.2. First approach: The use of an additional filler material . . . . . . . . . . . . . . 38 5.3. Second approach: The use of an initially large beam diameter . . . . . . . . . . 38 6. Experimentalmethodology 41 6.1. Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 6.2. Laser beam welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6.3. Experimental procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.1. Analysis of the welding behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.2. Temperature measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.3.3. Hydrogen analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.4. Visual testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.5. Radiographic testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.3.6. Microstructural analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 iii Contents 6.3.7. Phase analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6.3.8. Mechanical testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.3.9. Corrosion testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 7. Proofofconcept 50 7.1. Base materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 7.2. Worst case welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 7.3. Variation welding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.4. Enhanced welding: First approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 7.5. Enhanced welding: Second approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 7.6. Relevance for the industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8. Conclusions 97 9. Bibliography 99 A. Appendix 109 A.1. Temperature distribution during laser beam welding . . . . . . . . . . . . . . . 109 A.2. Laser beam parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 A.3. Laser beam welding parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 A.4. JCPDS identification numbers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 A.5. Binary phase diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 iv List of symbols and abbreviations α thermal diffusivity ∆a crack length ∆K stress intensity factor range ∆N number of load cycles (cid:15) strain to fracture f γ surface tension γ activation coefficient of the alloying element x x λ wavelength of the laser beam µ viscosity φ polar coordinate ρ density Θ total angular spread A absorption factor of the laser l A material coefficient v b confocal parameter B material coefficient v C material constant c specific heat capacity p C material coefficient v d beam diameter d keyhole diameter k D material coefficient v E line energy f +∆f focal length (distance between lens and beam waist) g gravitational acceleration I threshold irradiance for keyhole welding thk v Contents I threshold irradiance for melting/welding thm k thermal conductivity K Bessel function 0 k extinction coefficient e M atomic mass m material constant M2 beam quality factor n order of the Bessel function n absorption coefficient a n mole fraction of the alloying element x x p ambient pressure a p capillary pressure c p dynamic pressure d p hydrostatic pressure h p keyhole pressure k P laser power l p vapour pressure v p vapour pressure of the alloying element x in the binary Al alloy xa p vapour pressure of the pure metal x xp Q heat r polar coordinate R2 coefficient of determination r radius of the keyhole k R reflection factor of the laser l t time T transmission factor of the laser l T melting temperature m t sheet thickness s T vaporisation temperature v v welding speed vi Contents v filler wire feed rate w w mass fraction w(z) beam radius at the (focal) position z w beam radius at the waist 0 x Cartesian coordinate y Cartesian coordinate z Cartesian coordinate z Rayleigh length R0 Al aluminium Ar argon BM base material BSE back-scattered electron CO carbon dioxide 2 Cr chromium Cu copper D design DOE diffractive optical element EAA European Aluminium Association EBW electron beam welding EDX energy-dispersive X-ray spectroscopy FCP fatigue crack propagation Fe iron FL fusion line FSW friction stir welding FZ fusion zone GMA gas metal arc welding GP Guinier-Preston zone GTA gas tungsten arc welding HAZ heat affected zone He helium vii Contents HV Vickers hardness HZG Helmholtz Zentrum Geesthacht ICCT International Council on Clean Transportation ISO International Organization for Standardization JCPDS Joint Committee on Reference Powder Diffraction Standards KLA knife-line attack LBW laser beam welding Li lithium M material Mg magnesium MIG metal inert gas welding Mn manganese n/a not available Nd:YAG neodymium-doped yttrium aluminium garnet NDT non-destructive testing P process PA flat welding position PC horizontal welding position PF vertical up welding position PFZ precipitate free zone PMZ partially melted zone PWA post-weld ageing PWHT post-weld heat treatment RRA retrogression and re-ageing RT room temperature SCC stress corrosion cracking SE secondary electron SEM scanning electron microscopy Si silicon sss supersaturated solid solution viii