Investigation of the formation of wavy bonding zones in collision welding

Collision welding is a solid-state joining technique, in which the bond formation is caused by the impact of two joining partners under high velocity and a certain angle. This technology offers great possibilities of industrial application in contrast to conventional welding processes, e.g. the joining of dissimilar materials and the production of welds without heat-affected zones and thermal distortions. However, the poor understanding of the mechanisms of collision welding has hindered its implementation in mass production. The topic treated in the present thesis is a peculiar characteristic that differentiates collision welding from the other solid-state joining techniques: the formation of waves at the interface between the workpieces. The principles of this phenomenon are still unknown. The thesis investigates the problem realising joints with a special test rig developed in PtU for the simulation of collision welding. First of all, the influence of the parameters involved in the formation of waves is examined in a set of preliminary experiments. Then, a new analysing model to characterise the phenomenon of wavy bonding zones is proposed and validated through experimental evidences. The approach introduces a new index for the evaluation of the influence of the input energy and the hardness of the materials on the morphology of the bond. Tensile tests are performed in the attempt to relate this index with the shear resistance of the welds. In the end, some tests to artificially initiate the wave generation for particular sets of parameters are performed.

La saldatura a impatto è una tecnica di giunzione allo stato solido, in cui la formazione del legame è causata dalla collisione di due parti ad alta velocità e con un certo angolo. Questa tecnologia offre grandi possibilità di impiego industriale in confronto con i processi di saldatura convenzionali, ad esempio l'unione di materiali dissimili e la produzione di saldature esenti da zone termicamente alterate e distorsioni. Tuttavia, la scarsa comprensione dei meccanismi di saldatura a impatto ha ostacolato la sua introduzione nella produzione di massa. L'argomento trattato nella presente tesi è uno degli aspetti peculiari, che differenzia la saldatura di collisione dalle altre tecniche di giunzione allo stato solido: la formazione di onde all'interfaccia tra i pezzi. I principi di questo fenomeno sono ancora sconosciuti. La tesi esamina il problema di realizzazione di giunti con uno speciale prototipo sviluppato al TU Darmstadt per la simulazione di saldature a impatto. L'influenza dei parametri coinvolti nella formazione delle onde è esaminata in una serie di esperimenti preliminari. Successivamente, viene proposto e validato un nuovo modello di analisi per caratterizzare il fenomeno delle zone ondulate di legame mediante prove sperimentali. L'approccio introduce un nuovo indice per la valutazione dell'influenza dell'energia di processo e la durezza dei materiali sulla morfologia del legame. Sono eseguiti test di trazione per correlare questo indice con la resistenza al taglio delle saldature. Alla fine, vengono eseguiti alcuni test per avviare artificialmente la generazione di onde per determinati set di parametri.