Damage Tolerance Behaviour of Integral Aircraft Structures Obtained by Stationary Shoulder Friction Stir Welding Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Alessandro Barbini aus Pisa (Italien) 2021 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Norbert Huber 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing Xiang Zhang Vorsitzende: Prof. Dr. Erica Lilleodden Mündliche Prüfung: 3. Juli 2020 Abstract Research focusing on new ways to achieve weight reduction without sacrificing the safety performances of an aircraft is the subject of a constant push in the aeronautical industry. The use of riveting to join skin and stringer is highly optimised but in order to reduce structural weight, aside from the continuous development of new materials, it is important to use the already available materials in an efficient way. For this reason, friction stir welding (FSW) was looked at for many years as a suitable replacement alternative for riveting but the focus of the research was mostly driven with a material science point of view. Therefore, the development of a new solid-state welding technology ensuring good material properties and, at the same time, being investigated as a structural joint is still a necessity. The present-study addresses the development of a new procedure for joining skin and stringers made of dissimilar aluminium alloys by stationary shoulder friction stir welding (SSFSW), which is to be applied in primary aircraft structures. Three different joint configurations were developed, and their performances were compared. At first, a fundamental analysis of the correlation between the two main process parameters, welding speed and rotational speed on heat development and joint formation, was conducted. The correlation between the generated microstructure and the mechanical properties of the three configurations was investigated on coupon-size specimens. In the following step, the fatigue behaviour in sub-component scale was studied in terms of fatigue life and crack initiation for two of the joint configurations. In the last phase of the work, 5-stringer panels were realised by SSFSW using the joint configuration, which showed the best properties in the performed analysis. These panels were investigated in the context of a damage-tolerant environment to understand fatigue crack growth and residual strength behaviour in comparison to conventional joining technologies. At the coupon level, the three joint configurations showed higher mechanical performances for different loading conditions with respect to a conventionally riveted skin and stringer. The interface between the skin and the stringer’s alloys proved to play the largest influence on the strength of the joints. The two welding parameters control the geometry of this by influencing the material flow and heat generation. The notch-skin double pass (NS-DP) configuration proved to have limitations in terms of process development and were excluded from the study for up-scaled components. The sub-components realised by SSFSW with the two remaining joint variants showed higher fatigue performances in hoop-directions with respect to riveted structures. The SSFSW technology leads to half the stress concentration of a riveted T-joint and an increase of 50% in the fatigue limit. In spite of a similar fatigue life, in the NS-SP joints, crack turning and unwanted delamination of the stringer was observed. In the longitudinal load direction, a higher fatigue life was recorded for the 3-Part joints in the high-cycle area with respect to the NS-SP variant. From the fatigue crack growth (FCG) tests of the 5-stringer panels, the optimum load redistribution between skin and stringers joined by the SSFSW led to a reduction of the FCG rate for short cracks away from the stringers. This structural behaviour improves the FCG with respect to riveted and adhesive bonded structures. An increase in lifespan over 62% for a crack length that reaches the two-bay width has been shown. The residual strength of the SSFSW panels was measured for a two-bay crack showing a significant improvement over conventional joining techniques and confirming the superior quality of structures realised by SSFSW in a damage-tolerant environment. I II Zusammenfassung Die Forschung, die sich auf neue Wege konzentriert, um eine Gewichtsreduzierung zu erreichen, ohne die Sicherheitsleistung eines Flugzeugs zu beeinträchtigen, ist in der Luftfahrtindustrie ein ständiges Thema. Die Verwendung von Nieten zum Verbinden von Haut und Stringer ist in hohem Maße optimiert. Um jedoch das strukturelle Gewicht zu verringern, ist es wichtig, neben der kontinuierlichen Entwicklung neuer Materialien die bereits verfügbaren Materialien auf effiziente Weise zu verwenden. Aus diesem Grund wurde das Reibrührschweißen (FSW) seit vielen Jahren als geeignete Ersatzalternative für das Nieten angesehen, der Schwerpunkt der Forschung lag jedoch hauptsächlich auf materialwissenschaftlichen Gesichtspunkten. Daher ist die Entwicklung einer neuen Festkörperschweißtechnologie, die gute Materialeigenschaften gewährleistet und gleichzeitig als strukturelle Verbindung untersucht wird, weiterhin eine Notwendigkeit. Die vorliegende Studie befasst sich mit der Entwicklung eines neuen Verfahrens zum Verbinden von Haut und Stringern aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen durch stationäres Schulterreibungsrührschweißen (SSFSW), das in primären Flugzeugstrukturen angewendet werden soll. Drei verschiedene Verbindungskonfigurationen wurden entwickelt und ihre Leistungsfähigkeit verglichen. Zunächst wurde eine grundlegende Analyse der Korrelation zwischen den beiden Hauptprozessparametern Schweißgeschwindigkeit und Drehzahl bei Wärmeentwicklung und Ausbildung der Schweßnaht durchgeführt. Die Korrelation zwischen der erzeugten Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften der drei Konfigurationen wurde an Probekörpern mit Coupongröße untersucht. Im folgenden Schritt wurde das Ermüdungsverhalten im Teilkomponentenmaßstab in Bezug auf die Ermüdungslebensdauer und die Rissentstehung für zwei der Verbindungskonfigurationen untersucht. In der letzten Phase der Arbeit wurden von SSFSW 5- Stringer-Paneele unter Verwendung der Fugenkonfiguration realisiert, die die besten Eigenschaften in der durchgeführten Analyse zeigten. Diese Platten wurden hinsichtlich der Schadenstoleranzeigenschaften untersucht, um das Ermüdungsrisswachstum und das Verhalten der Restfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verbindungstechnologien zu verstehen. Auf Couponebene zeigten die drei Verbindungskonfigurationen höhere mechanische Belastbarkeit für unterschiedliche Belastungsbedingungen in Bezug auf eine herkömmlich genietete Haut/Stringer-Verbindungen. Es zeigte sich, dass die Grenzfläche zwischen der Haut und den Stringerlegierungen den größten Einfluss auf die Festigkeit der Gelenke hat. Die beiden Schweißparameter steuern deren Geometrie durch Beeinflussung des Materialflusses und der Wärmeerzeugung. Die Notch-Skin-Double-Pass-Konfiguration (NS-DP) zeigte Einschränkungen hinsichtlich der Prozessentwicklung und wurde für hochskalierte Komponenten aus der Studie ausgeschlossen. Die von SSFSW mit den beiden verbleibenden Gelenkvarianten realisierten Unterkomponenten zeigten höhere Ermüdungsleistungen in Hoop-Richtungen in Bezug auf genietete Strukturen. Die SSFSW-Technologie führt zu einer Halbierung der Spannungskonzentration eines genieteten T-Stücks und einer Erhöhung der Ermüdungsgrenze um 50%. Trotz einer ähnlichen Ermüdungslebensdauer wurde in den NS-SP-Verbindungen eine Rissbildung und eine unerwünschte Delamination des Stringers beobachtet. In Längsrichtung der Belastung wurde für die 3-teiligen Verbindungen im Hochzyklusbereich eine höhere Lebensdauer gegenüber der NS-SP-Variante verzeichnet. Aus den Ermüdungsrisswachstumstests (FCG-Tests) der 5-Stringer-Paneele ergab sich, dass die optimale Lastumverteilung zwischen Haut und Stringern, die durch das SSFSW verbunden wurden, zu einer Verringerung der FCG-Rate für kurze III Risse von den Stringern weg führte. Dieses strukturelle Verhalten verbessert das Ermüdungsrisswachstum in Bezug auf genietete und geklebte Strukturen. Bei einer Risslänge, die die Breite von zwei Feldern erreicht, wurde eine Verlängerung der Lebensdauer um mehr als 62% festgestellt. Die Restfestigkeit der SSFSW-Platten wurde für einen Zwei-Feld-Riss gemessen, der eine signifikante Verbesserung gegenüber herkömmlichen Verbindungstechniken zeigte und die überlegene Qualität der von SSFSW in einer schaden toleranten Systemmumgebung bestätigte. IV Contents Contents 1. Introduction ................................................................................................................................ 1 1.1. Motivation .......................................................................................................................... 1 1.2. Objectives ........................................................................................................................... 2 1.3. Scientific Approach ............................................................................................................ 3 1.4. Structure .............................................................................................................................. 4 2. State-of-the-art ............................................................................................................................ 6 2.1. Conventional Friction Stir Welding ...................................................................................