Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement.
Die Kornfeinung beim Schweißen ist mit einem Übergang von groben, stängeligen Körnern zu kleineren, globulitischen Körnern im Schweißgut verbunden. Die Feinung der Korngröße und Form führt sowohl zu einer wesentlichen Verbesserung der Schweißeignung als auch zu verbesserten mechanischen Eigenschaften. Heute gebräuchliche Schweißzusatzwerkstoffe enthalten zum Teil bereits geringe Mengen kornfeinender Zusätze, deren Wirksamkeit jedoch von einer Reihe weiterer Randbedingungen abhängt. Durch Zugabe definierter Mengen an Keimbildnern (AlTi5B1) in das Schmelzbad wurde die Abhängigkeit der Korn-größe und –form vom Titan/Bor-Gehalt untersucht. Weiterhin wurde der zur vollständigen Kornfeinung notwendige Mindestgehalt an Keimbildner für unterschiedliche Legierungen und unter unterschiedlichen Schweißbedingungen, sowohl beim WIG-Schweißen als auch beim Laserstrahlschweißen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Korngröße im Schweißgut bis auf ein Minimum von ca. 20µm verringern lässt und zugleich der Anteil der globulitischen Körner zunimmt. Der Mindestgehalt an Keimbildner für vollständige Korn-feinung hängt stark von Schweißgeschwindigkeit und Legierungszusammensetzung ab. Der Einfluss der Kornfeinung auf die Festigkeit, Duktilität sowie die Heißrissempfindlichkeit der Schweißverbindungen wird an ausgewählten Bespielen aufgezeigt.
Kornfeinung im Schweißgut kann die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht und die Schweißeignung des Grundwerkstoffs deutlich verbessern. Eine Möglichkeit korngefeintes Schweißgut zu erreichen, ist das Versetzen des Schmelzbades mit kornfeinenden Mitteln. In dieser Studie wird gezeigt wie Titan- und Borzusätze Korngröße und -struktur von WIG-Schweißnähten der Al-Legierung 5083 (Al Mg4,5Mn0,7) beeinflussen. Dazu wurden in einem Gießprozess stäbchenförmige Einlagen hergestellt, die aus Grundwerkstoff und definierten Zusätzen der Kornfeinungslegierung Al Ti5B1 bestanden. Sie wurden als Ersatz für einen Schweißzusatzwerkstoff in einer Nut im Grundwerkstoff untergebracht und im WIG-Verfahren überschweißt. Durch die Steigerung des Titan- und Borgehalts im Schweißgut konnte dessen mittlere Korngröße deutlich verringert werden. Außerdem wurde eine Änderung der Kornstruktur beobachtet. Die Ergebnisse können als Grundlage genutzt werden, um die empfohlene chemische Zusammensetzung von Schweißzusätzen für Lichtbogenschweißen von Aluminium anzupassen.
Grain refinement is an important possibility to enhance the weldability of aluminium weld metal that is usually defined by its susceptibility to solidification cracking. In this study, grain refinement was achieved through the addition of commercial grain refiner containing titanium and boron to the GTA weld metal of aluminium alloy 6082. The weld metal mean grain size could be reduced significantly from about 70 µm to a saturated size of 21 µm with a change in grain shape from columnar to equiaxed. The grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. A variation of torch speed led to a strong change of solidification parameters such as cooling rate that was measured in the weld metal and the corresponding solidification rate and thermal gradient. The ratio thermal gradient/growth rate (G/R) decreased from 50 K s/mm² (high torch speed) to 10 K s/mm² (low torch speed). However, the variation of torch speed did not change the tendency for solidification cracking. The microstructure of unrefined and completely refined weld metal was compared. The observed change in size and distribution of the interdendritic phases was related to the change in susceptibility to solidification cracking.