Preliminary evaluation of joining Al-PEEK via through hole extrusion welding

The guideline for future automotive and structural application is to reduce the weight with high performance in terms of mechanical resistance. In automotive field this has an additional benefit that is related to the environmental issues that are becoming increasingly stricter. The competitiveness in this industrial field will be guaranteed through hybrid solutions which involve lightweight metals and engineering polymers. Different joining techniques between dissimilar materials were already proposed and established, but sometimes these methods are not very effective. The purpose of this work is to introduce a preliminary evaluation of a new approach to join dissimilar materials. THEW (Through Hole Extrusion Welding) is the new tested joining technique for dissimilar materials. The process consists to extrude the viscoplasticised aluminum alloy through an extrusion die to soften, penetrate, and pressurise the polymer component. The aluminum alloy is brought to the condition of viscoplastic through the stirring effect due to the probe used for this technology. At the same time the shoulder guarantees a total closure of the welding surface and a forging action on the welding region. The penetration of the aluminum will cause a pressurisation and a consequent upward flow of the polymer ensuring the formation of the so called “Crab Claw” joint. The most important involved joining mechanisms are mechanical interlocking and adhesive bonding. The material involved for the final version of the THEW joint are AA5754-H111, PEEK and Ti Gr 1 with a respective thickness of 5 mm, 5 mm, and 0.6 mm. To implement this new kind of dissimilar materials joining technique, an experimental plan is made involving the design of new tools, process parameters and clamping system. Different set of tools and process parameters are tested on different base materials. After the experimental phase, a best set of preliminary process parameters, tools and base materials are selected. The process is also implemented for non-linear paths and in a double side version. Mechanical, microstructural, and macrostructural tests are used to analyse the joint from different point of views (mechanical, geometric, and microstructural point of view). The results are analysed and commented to do appropriate analyses on the possible impact of this new joining technique.

L’orientamento per le applicazioni future in ambito automobilistico e strutturale è la riduzione di peso, mantenendo un’elevata performance meccanica. Nel campo automobilistico questo approccio conduce ad un beneficio aggiuntivo, legato alle misure di salvaguardia dell’ambiente che diventano sempre più restrittive. Dunque, la competitività in tale settore industriale potrà essere garantita attraverso soluzioni ibride, nelle quali vengono coinvolte leghe leggere e polimeri per applicazioni ingegneristiche. Diverse tecniche di unione/saldatura tra materiali dissimili sono state già proposte e fanno parte dello stato dell’arte, tuttavia non sempre le suddette tecniche rappresentano una soluzione ottimale. L’obiettivo di tale lavoro di tesi è di valutare in maniera preliminare un nuovo approccio di saldatura tra materiali dissimili. La nuova tecnica di saldatura tra materiali dissimili si identifica attraverso l’acronimo THEW (Through Hole Extrusion Welding). Tale processo di saldatura consiste nell’estrusione, attraverso una matrice, di una specifica lega di alluminio portata ad uno stato viscoplastico per poter ammorbidire, penetrare e pressurizzare il componente polimerico. La lega in alluminio viene portata allo stato viscoplastico attraverso una sorta di “miscelamento”, ottenuto grazie all’azione del “probe” progettato per questa tecnica. Allo stesso tempo lo “shoulder” garantisce una chiusura totale e un’azione di consolidamento della regione saldata. La penetrazione del polimero, da parte della lega di alluminio, causa una pressurizzazione del polimero, che tende a risalire garantendo la formazione del giunto a “Chela di Granchio”, così detto per la sua caratteristica forma. I meccanismi fondamentali di saldatura che intervengono in tale processo sono l’interferenza meccanica, che si crea tra i due materiali, e l’effetto adesivo. I materiali coinvolti nella versione finale del giunto THEW sono AA5754-H111, PEEK e Ti Gr1 con uno spessore rispettivamente di 5 mm, 5 mm e 0.6 mm. Per implementare questo nuovo tipo di saldatura è stato realizzato un piano sperimentale comprendente la fase di progettazione degli utensili, dei parametri di processo e di un sistema di bloccaggio per i provini durante la fase di saldatura. Sono stati testati più set di utensili e parametri di processo su diversi materiali. Dopo la fase sperimentale è stato selezionato il miglior set preliminare di parametri di processo, di utensili e materiali coinvolti nel processo stesso. Inoltre, il processo è stato implementato anche per percorsi di saldatura non lineari e per doppi giunti realizzati su uno stesso provino. Sono stati condotti test meccanici, analisi macro e microstrutturali per esaminare il giunto da più punti di vista (meccanico, geometrico e microstrutturale). I risultati sono stati analizzati e discussi per realizzare conclusioni appropriate relative al possibile impatto industriale di questa nuova tecnologia.