Diss. (sammanfattning) Linköping : Linköpings universitet, 2006. / Härtill 9 uppsatser.

Undersökningens syfte är att kvantifiera legeringsintervallets påverkan på hållfastheten hos två olika aluminiumlegeringar som tillverkas av återvunnet aluminium, EN AB-46000 och en modifierad variant av denna, Modifierad 46000. Examensarbetet har utförts i samarbete med Stena Aluminium (SA) i Älmhult som återvinner aluminium från skrot. Detta har genomförts genom gjutning av provstavar, mekanisk provning samt mikroskopering. Gjutningen gjordes på Tekniska Högskolan i Jönköping (JTH), dragprovningen på Linnéuniversitet (LNU) och mikroskoperingen både på LNU och SA. All data som samlades in analyserades sedan för att kunna sammankoppla legeringssammansättning med hållfasthetsvärden och mikrostruktur.

Detta examensarbete har utförts på Stena Aluminium (SA) i Älmhult. Undersökningen handlar om att mäta vätgashalten genom densitetsindexprover på smält aluminium, för att kartlägga hur vätgashalten påverkas av processtegen vid återvinning av aluminium i SAs produktions-anläggning. I arbetet ingick att undersöka vätgashalten för två olika legeringstyper (EN-AB 43400 och 46000), utvärdera avgasningseffektivitet för de utvalda legeringstyperna och att utvärdera den befintliga utgjutningssystemet. Mätningar för undersökningen är utförda i SAs smältverk, vid processtegen raffinering och utgjutning.

Aluminium has great properties that are utilised the world over, but the production of primary aluminium is very energy intensive. In order to reduce the energy-cost, the aluminium can be recycled by re-melting aluminium scrap. This results in a circularity of the aluminium, as it is produced from ore to a metal and then the metal scrap can be re-melted again for other use.  The study also focuses on secondary production in Sweden. Through interviewing diverse actors in Sweden and analysing literature, an understanding of how the circulatory systems work was developed and the problems that can occur within it.  The major problems found is that through re-melting, the previous alloying elements can become impurities in the new scrap-based material. These impurities can change the properties in the aluminium. Separating these impurities from the aluminium is not an easy process, but a growing research question. Easiest is to minimise these contaminations, companies do this by sourcing where scrap is coming from and its compositional information, so to better organize or use the scrap for a similar purpose aluminium alloy.  This study looked at how the circulation of aluminium scrap works and how used scrap is once again returned to new reusable aluminium. With an understanding of how the processes it is easier to locate problems to improve the processes. / Aluminium har mycket goda mekaniska egenskaper som används i hela världen, men att producera primär aluminium är extremt energikrävande. För att minska energikostnaden kan man återvinna aluminiumet, det görs genom att återanvända gammalt aluminiumskrot. När man gör detta så leder det till ett cirkulärt kretslopp, där det börjar från malm som produceras till metall, när metallen blir till skrot så kan det återanvändas för att producera nytt aluminium.  Genom att intervjua folk inom branschen och att analysera litteratur inom ämnet, så skapades en förståelse hur det cirkulär kretsloppet fungerar och problem som kan uppstå inom systemet.  Det största problemet som hittades var att genom att återvinna aluminium skrot, så kan det tidigare legeringselement bli föroreningar i den nya skrot baserade materialet. Dessa föroreningarna kan ändra egenskaperna hos aluminiumet. För att får bort dessa föroreningar kan vara en svår process eller fortfarande utvecklande processen. Det är mycket lättare att försöka undvika dessa föroreningarnas från börja. Företagen gör detta genom att veta var skrotet kommer ifrån och skrotets legeringsämnen innan de återanvänder det. Då kan de organisera skrotet bättre och använda det till liknande skrot material i framtiden.  Denna studien fokuserar på hur skrotbaserat aluminium fungerar i ett kretslopp och hur gammalt skrot kan återanvändas till ny användbar aluminium. Med en förståelse på hur processen fungerar, så är det mycket lättare att hitta problem som kan leda till möjligheter att förbättra processen.

The formation of conversion coatings based on Ce, trivalent Cr and Ti/Zr is triggered by the local pH increase at cathodic IM sites of the aluminium alloy microstructure. The pH gradient is created over the cathodic intermetallic (IM) sites of the microstructure and its intensity is influenced by their activity which depends on their chemical composition, their size, and spatial distribution. Furthermore, the pre-treatment applied also affects the surface reactivity. The role of each of the microstructural features on the increased pH gradient and the subsequent triggering of local conversion coating deposition remains to be understood. To address the knowledge gap, model cast Al-Si-Fe and Al-Si-Cu-Fe alloys have been designed. Cerium based conversion coating treatment with standard parameters is applied to investigate the microstructure’s influence. Furthermore, four different surface pre-treatments’ effect on the topographical and electrochemical properties have been investigated by localized techniques and have been correlated with deposition experiment observations to prove surface reactivity. In this study, it was found that the four surface pre-treatments – polishing, NaOH, NaOH-HNO3, NaOH-H2SO4 activate the surface of alloys containing Fe-rich IM and Cu-rich IM differently. The surface pre-treatment NaOH-HNO3 was found most detrimental to the surface reactivity as the pre-treatment resulted in passivation of the IM and a drastic reduction in its volta potential. The best pre-treatment for the alloy Al-Si-Fe was found to be one with NaOH etching. In the case of Al-Si-Cu-Fe alloy, pre-treatments where a pickling step (with either H2SO4 or HNO3) was applied followed a NaOH etching step, the surface of the IM was activated more than other pre-treatments due to selective Al dealloying and Cu-redeposition. The extent of Cu-redeposition was observed to be the most when surfaces were pickled with HNO3 solution and with the NaOH- HNO3 pre-treatment, fastest deposition kinetics were observed. In the cast Al-Si-Cu-Fe alloy, the localized deposits were preferentially observed to form on only strong cathodic Cu-rich IM. The size (surface area) of the Cu-rich IM correlated linearly with the lateral deposition area as well as z-direction spread. It was found that the pH gradient resulting from the oxygen reduction reaction near an IM is very local and does not affect pH gradients of a neighbouring Cu-rich IM. The size did not have a profound impact on the extent of deposition occurring on a Cu-rich IM, but it was found that big Cu-rich IM activated faster for deposition reaction than small Cu-rich IM. When the progression of deposition on both coarse and fine microstructure cast Al-Si-Cu-Fe was quantitatively monitored at increasing conversion coating times 0.5h, 1h and 2h, it was observed that big Cu-rich IM in the coarse alloy triggered deposition faster than small Cu-rich IM. Deposition mechanism on Fe-rich IM was found to be composition specific. In the cast of big Fe-rich β-Al5FeSi IM, localized deposition initiated at the border on the IM and is explained based on Si content in the composition of the IM, which has very high resistivity. In another Fe-rich IM, although of a much smaller size, which had lower Si content and was richer in Fe, a localized deposition was observed on the entire IM. / Bildning av omvandlingsbeläggningar baserade på Ce, trivalent Cr och Ti/Zr initieras av lokalt förhöjd pH vid katodiska intermetalliska platser I aluminiumlegeringens mikrostruktur. Utbredningen av den starka pH-gradientens uppkomst över katodiska intermetalliska (IM) platser av mikrostrukturen påverkas av dess aktivitet som i sin tur beror på dess kemiska sammansättning, storlek, och rumslig fördelning. Ytans reaktivitet påverkas dessutom av dess förbehandling. Rollen av mikrostrukturens egenskaper på den förhöjda pH-gradienten och efterföljande initiering av lokal omvandlingsbeläggning återstår att förstå. För att komplettera detta kunskapsgap har Al-Si-Fe och Al-Si-Cu-Fe modellgjutlegeringar utformats. Cerium-baserade behandlingar för omvandlingsbeläggning med standardparametrar tillämpas för undersökning av mikrostrukturens påverkan. Effekten av fyra olika ytförbehandlingar på topografiska och elektrokemiska egenskaper har dessutom undersökts med lokaliserade metoder och har korrelerats med observationer vid depositionsexperient för att bevisa ytreaktivitet. I denna studie har det visats att de fyra ytförbehandlingarna – polering, NaOH, NaOH-HNO3, NaOH-H2SO4 – aktiverar ytan hos legeringar innehållande Fe-rika intermetaller och Cu-rika intermetaller på olika vis. Ytförbehandlingen med NaOH-HNO3 visades vara skadligast för ytans reaktivitet eftersom förbehandlingen resulterade i passivering av IM och en drastisk sänkning av dess volta-potential. Den bästa förbehandlingen för Al-Si-Fe-legeringen visades vara med NaOH-etsning. I Al-Si-Cu-Fe-legeringens fall, var förbehandling där ett betningssteg (antingen med H2SO4 eller HNO3) tillämpades följt av etsning med NaOH, aktiverades ytan av IM mer än med andra förbehandlingar på grund av selektiv korrosion av Al och Cu-återdeposition. Utbredningen av Cu-återdeposition observerades vara störst när ytor var betade med HNO3-lösning och depositionens kinetik var som hastigast vid förbehandling med NaOH-HNO3. I den gjutna Al-Si-Cu-Fe-legeringen observerades lokaliserade depositionerna att bildas endast på starkt katodiska Cu-rika IM. Storleken (ytarea) på de Cu-rika IM korrelerade linjärt med den laterala depositionsytan samt med spridning i z-riktning. Det visade sig att pH-gradienten som uppkom via syrereduktionsreaktionen nära IM är väldigt lokal och påverkar ej pH-gradienter vid närliggande Cu-rik IM. Storleken hade ingen anmärkningsvärd verkan på utbredningen av deposition på Cu-rik IM, men stora Cu-rika IM visade sig aktiveras snabbare för depositionsreaktion än små Cu-rika IM. När depositionens framfart över grov och fin mikrostruktur i gjuten Al-Si-Cu-Fe följdes kvantitativt vid ökande omvandlingsbeläggningstid 0,5h; 1h och 2h, så observerades att stora Cu-rika IM i den grova legeringen påbörjade depositionen snabbare än små Cu-rika IM. Depositionsmekanismen på Fe-rika IM visades vara specifik för sammansättning. I gjutgodset med stora Fe-rika β-Al5FeSi IM visades lokaliserad deposition initieras vid gränsen av IM vilket förklaras baserat på Si-halt i IM sammansättning, som har väldigt hög resistivitet. I en annan Fe-rik IM, dock av mycket mindre storlek, som hade lägre Si-halt och rikare med Fe, en lokaliserad deposition var observerad över hela IM.

This thesis presents a modelling approach of laser welding process of aluminium alloy from the thermo-mechanical point of view to evaluate the occurrence of hot cracking based on simulation results and relevant criteria. The model was created stepwise in COMSOL Multiphysics, starting with the thermal model where heat conduction of solid and liquid phase was computed. Then the CFD model was created by involving the driving forces of liquid motion in the weld pool, i.e. natural convection and Marangoni effect. Lastly, the temperature profile calculated by the CFD model was loaded into the mechanical model for computation of thermal stress and strain. The mechanical results were required in  criteria for measuring the  susceptibility of hot cracking. The main findings include that Marangoni effect plays a dominant role in generating the fluid flow and convective heat flux in the weld pool, thus enhancing the heat dissipation and lowering temperature in the workpiece. By contrast, such temperature reduction caused by the air convection, radiation and natural convection is negligible. The welding track further from the clamped side experiences smaller transversal residual stress, but it does not necessarily suggest higher susceptibility to hot cracking according to the applied criteria. It can be concluded judging from current results that these first models of laser welding process work satisfactorily. There is still a work to do to obtain the full maturity of this model due to its limitation and some assumptions made for simplicity. / Denna avhandling presenterar en modelleringsmetod för lasersvetsningsprocessen av aluminiumlegering ur termomekanisk synvinkel för att utvärdera förekomsten av het sprickbildning baserat på simuleringsresultat och relevanta kriterier. Modellen skapades stegvis i COMSOL Multiphysics, med början med den termiska modellen där värmeledning av fast och flytande fas beräknades. Sedan skapades CFD-modellen genom att involvera drivkrafterna för flytande rörelse i svetsbassängen, dvs. naturlig konvektion och Marangoni-effekt. Slutligen laddades temperaturprofilen beräknad av CFD-modellen in i den mekaniska modellen för beräkning av termisk stress och töjning. De mekaniska resultaten krävdes i kriterier för att mäta känsligheten för het sprickbildning. De viktigaste resultaten inkluderar att Marangoni-effekten spelar en dominerande roll när det gäller att generera vätskeflödet och konvektivt värmeflöde i svetsbassängen, vilket förbättrar värmeavledningen och sänker temperaturen i arbetsstycket. Däremot är sådan temperaturreduktion orsakad av luftkonvektion, strålning och naturlig konvektion försumbar. Svetsbanan längre från den fastspända sidan upplever mindre tvärgående restspänning, men det föreslår inte nödvändigtvis högre känslighet för hetsprickning enligt de tillämpade kriterierna. Man kan dra slutsatsen utifrån aktuella resultat att dessa första modeller av lasersvetsningsprocesser fungerar tillfredsställande. Det finns fortfarande ett arbete att göra för att få full mognad för denna modell på grund av dess begränsning och vissa antaganden för enkelhetens skull.