Real-time radiography for observation of crack growth during welding

Abstract

Heißrisse sind ein bekanntes Phänomen während des Schweißens, das auf den sicheren Einsatz von Aluminium-Legierungen einen großen Einfluss hat. Die Neigung zur Heißrissbildung beeinflusst wesemtlich die Auswahl einer Legierung und ihre Schweißbarkeit. Heißrissbildung tritt vor allem in der „Mushy Zone“ auf, die den Übergang wischen dem festen und dem flüssigen Teil des Schweißbades darstellt. Hier erfährt die metallische Legierung thermische Ausdehnungen und Kontraktionen [1]. Im Laufe der Jahre wurden viele Theorien vorgeschlagen, um die Erstarrungsdynamik des Schweißbades zu erklären. Jedoch sind diese Untersuchungen qualitativer Natur. Inzwischen sind viele der Vorhersagemodelle nicht ausreichend genug aufgrund des Fehlens von quantitativen Informationen. Aus diesem Grunde ist es unerlässlich für eine zuverlässige und robuste quantitative Voraussage wichtige Fragen der Heißrissbildung zu beantworten, wie z.B. die Korrelation zwischen Schweißparametern und Rißbildung oder Rißwachstum und Rißlänge. Das Ziel dieser Forschung war es, eine neuen experimentellen in-situ Ansatz bei der Untersuchung von Heißrißildung und -wachstum während des Schweißens einzuführen. Das wurde mit einem robusten Durchstrahlungsaufbau mit 40 ms Belichtungsdauer bei einer Bildrate von 10 Bildern pro Sekunde während des Schweißen erreicht. Mit einer konventionellen Minifokus-Röntgenquelle (YXLON Röntgenröhre Y.TU 225-D04) und einen digitalen Matrixdetektor mit 75 μm Pixelgröße (Dexela 1512) wurden sequentiell 2D-Projektionen erfasst, die während eines Wolfram-Inertgas-Schweißvorganges aufgenommen wureden. Fünf verschiedene Aluminiumlegierungen wurden untersucht. In dieser Arbeit wurde eine koplanare laminographische Bildaufnahme verwendet, die eine lineare Translation von Schweißnaht und Detektor gemeinsam und parallel zur festen Röntgenquelle realisiert. Diese synchronisierte Bewegung von Schweißnaht und Detektor ermöglicht das geschweißte Material aus unterschiedlichen Winkeln relativ zur Schweißrichtung zu durchstrahlen. Schließlich wird die 3D-Information der untersuchten Schweißnaht mit einem koplanaren laminographischen 3D-Rekonstrutionsalgorithmus rekonstruiert. Der laminographische 3D-Rekonstrutionsalgorithmus wurde realisiert durch eine Hochpass–Filtertechnik, die einen gefilterten Rückprojektionsalgorithmus mit Verschiebungsmittelung verwendet, um laminographische 3D-Rekonstruktionsdaten der Schweißnaht-Region zu erzeugen. Eine Analyse der Rissverteilung wurde durchgeführt, indem die aufgenommenen 2D-Röntgenaufnahmen aller untersuchten Legierungen miteinander verglichen wurden. Weiterhin wurde untersucht, ob sich eine Beziehung zwischen Rissentstehung und Rissausbreitung während des Schweißens ermitteln lässt. Temperaturverteilungsmessungen wurden mit Thermoelementen und einer Infrarotkamera aufgenommen. Das wurde verwendet, um die Temperaturverteilungen und Abkühlgeschwindigkeiten in der „Mushy Zone“ des Schweibades zu bestimmen. Risslängen und Schweißnaht-Unregelmäßigkeiten wie Porositäten und Einschlüsse wurden mittles 3D-Laminographie und Computertomographie gemessen. Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, ein gründliches Verständnis der Erstarrungsrissbildung in Aluminium-Legierungen zu entwickeln. Dieser In-situ-Ansatz eröffnet auch neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Heißriss-Forschung durch die Kombination von Informationen sowohl der Rissinitialisierung und ihrer Korrelation mit den Schweißparametern.

Hot cracking is a known phenomenon during welding, which has a severe influence on the durability of aluminium alloys. The susceptibility of hot cracking plays a pivotal role in defining alloys weldability. Hot cracking mainly occurs at the mushy zone, this is the position between the solidus and liquation interface of the weld pool. The mushy zone is the region where the metallic alloy experiences thermal expansion and contraction [1]. Over the years, many theories have been proposed to demonstrate and explain the solidification dynamics of the weld pool. However, these investigations are qualitative in nature. Meanwhile, many of the prediction models are not adequate due to the lack of quantitative information. For this reason, it is imperative for a reliable and robust quantitative forecast to evaluate and characterize some of the prevailing questions of hot cracking. Notably, how hot cracking correlates to welding parameters for its crack growth and cracks length. This research aims to introduce an in-situ observatory approach in the detection of hot crack formation and propagation during welding. The primary objective of this study was to develop a robust X-ray set-up with 40ms frame exposure at a frame rate of 10 frames/s during welding. This was achieved by using a conventional mini focus X-ray source (YXLON X-ray tube Y.TU 225-D04) and a 75 μm pixel size digital detector array (Dexela 1512). Sequential 2D radiographic projections were acquired for hot crack observation during single-pass gas tungsten arc welding. Five different aluminium alloys were investigated. In this study, a coplanar laminographic imaging system was used, which realizes a linear translation of weld material and detector together and parallel to the fixed X-ray source. This synchronized motion of the weld material and the detector allows penetrating the weld material with different exposure angles relative to the welding direction. Finally, the 3D information of the investigated weld material can be reconstructed by a coplanar laminographic reconstruction algorithm. The laminographic reconstruction algorithm was realized as a high-pass filter technique using a filtered back-projection algorithm with shift averaging of the related projections to generate a 3D laminographic reconstruction data of the weld region. A study of crack distribution was conducted by comparison of the acquired 2D radiographs of all the alloys used in the research. Furthermore, a crack distribution analysis was carried out to determine the relationship between crack initiation and crack propagation during welding. Temperature distribution measurements were taken from thermocouple elements and an infra-red camera. These were used to determine the temperature distributions and cooling rates at the mushy zone of the weld pool. Crack lengths and weld imperfections such as porosity and inclusions were measured by 3D-laminography and computed tomography reconstructions. The purpose of this research work was to develop an in-depth knowledge of the solidification cracking of aluminium alloys. This in-situ approach was also aimed to open new possibilities into the field of hot crack research by combining information on both the crack initiation and its correlation to the welding parameters.