Development of a repair process for manmade structures in space by using aluminium brazing and friction stir spot welding

• Autorzy: Koehler Tobias , Yu Cheng-Nien , Schmidt Kiril , Graetzel Michael , Wu Yangyang , Bergmann Jean Pierre , Sekulic Dusan P.

Identyfikatory

DOI

10.26628/wtr.v91i9.1072

Warianty tytułu

PL

Opracowanie procesu naprawy konstrukcji w przestrzeni kosmicznej za pomocą lutowania aluminium i zgrzewania tarciowego punktowego z przemieszaniem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Small-sized parts and micrometeoroids’ impacts represent an increasing threat to artificial components/structures. The damages caused by them can be fixed using e.g., mechanical fixture with epoxy adhesive. However, the repair process is costly and only intended for a temporary fixing the penetration. In order to increase the life time of the repair, an approach for a more reliable process using similar materials is needed. The objective of this work is to develop a process for repairing manmade structures in space by generating joint properties similar to the base material. In this work, two approaches for repairing complex structures were considered. The first approach aims to fill a hole using liquid aluminium phases by brazing, and the second approach aims to fill the holes by a solid-state process (friction stir spot welding). In this study, different binding mechanisms of these two approaches were analyzed preliminarily by means of mechanical and/or metallographic characterization under terrestrial, controlled atmosphere conditions. Both concepts are proven feasible under these conditions. It has been shown that it is possible to realize a good filling of the hole with the investigated materials and under selected process conditions with both presented concepts.

PL

Uderzenia małych części i mikrometeorytów stanowią rosnące zagrożenie dla sztucznych komponentów/struktur. Uszkodzenia przez nie spowodowane można naprawić np. za pomocą mechanicznego osprzętu z klejem epoksydowym. Proces naprawy jest jednak kosztowny i służy jedynie do tymczasowego zatrzymania penetracji. W celu zwiększenia żywotności naprawy potrzebne jest podejście do bardziej niezawodnego procesu z wykorzystaniem podobnych materiałów. Celem tej pracy jest opracowanie procesu naprawy sztucznych konstrukcji w przestrzeni kosmicznej poprzez generowanie właściwości połączeń podobnych do materiału podstawowego. W pracy tej rozważono dwa podejścia do naprawy złożonych konstrukcji. Pierwsze podejście ma na celu wypełnienie otworu za pomocą faz ciekłego aluminium przez lutowanie, a drugie podejście ma na celu wypełnienie otworów metodą półprzewodnikową (zgrzewanie tarciowe punktowe z przemieszaniem). W tym badaniu wstępnie przeanalizowano różne mechanizmy wiązania tych dwóch podejść za pomocą mechanicznej i/lub metalograficznej charakterystyki w warunkach kontrolowanej atmosfery ziemskiej. Obie koncepcje okazały się wykonalne w tych warunkach. Wykazano, że możliwe jest prawidłowe wypełnienie otworu badanymi materiałami oraz w wybranych warunkach procesu przy obu przedstawionych koncepcjach.

Słowa kluczowe

EN

remanufacturing; repair; aluminium brazing; friction stir; spot welding

PL

regeneracja; naprawa; lutowanie aluminium; zgrzewanie punktowe; mieszanie tarciowe

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Welding Technology Review
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 91, nr 9
• Strony: 39--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Koehler Tobias

• Production Technology Group, Technische Universität Ilmenau, Germany

autor

Yu Cheng-Nien

• Department of Mechanical Engineering, Institute for Sustainable Manufacturing, University of Kentucky, United States of America

autor

Schmidt Kiril

• Production Technology Group, Technische Universität Ilmenau, Germany

autor

Graetzel Michael

• Production Technology Group, Technische Universität Ilmenau, Germany

autor

Wu Yangyang

• Department of Mechanical Engineering, Institute for Sustainable Manufacturing, University of Kentucky, United States of America

autor

Bergmann Jean Pierre

• Production Technology Group, Technische Universität Ilmenau, Germany

autor

Sekulic Dusan P.

• Department of Mechanical Engineering, Institute for Sustainable Manufacturing, University of Kentucky, United States of America

Bibliografia

• [1] Laurance M.R., Brownlee D.E., The flux of meteoroids and orbital space debris striking satellites in low Earth orbit, Nature, 1986, 323, 136-138.
• [2] Christiansen E.L., Robinson J.H., Crews J.L. et al., Space station freedom debris protection techniques, Advances in Space Research, 1993, Vol. 13(8) 191-200.
• [3] Barth J.L., Space and Atmospheric Environments: From Low Earth Orbits to Deep Space, In: Kleiman J.I., Iskanderova Z. (eds), Protection of Materials and Structures from Space Environment, 2004, Vol. 5, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 7–29.
• [4] Christiansen E., MMOD Protection and Degration Effects for Thermal Control System, 2014.
• [5] Roos A., Grundlegende Untersuchung über ein neues Schweißverfahren namens HFDB (Hybrid Friction Diffusion Bonding), GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, 2010, Geesthacht.
• [6] Paton B.E., Space: Technologies, materials, structures, Welding and allied processes, 2003, Vol. 2, Taylor & Francis, London, New York.
• [7] Jiang X.-X., Lucier L., Nikanpour D. et al., Determination of the Energy Level of the Atomic Oxygen Flux Generated by the Space Simulation Apparatus Using a Thermal Modeling Method, In: Kleiman J.I., Iskanderova Z. Protection of Materials and Structures from Space Environment, 2004, Vol. 5, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 359-366.
• [8] Robertson S.A., Marshall Researchers Developing Patch Kit to Mitigrate ISS Impact Damage, The Orbital Debris Quarterly News, 1999, Vol. 4(4).
• [9] Chaudhary R. Variability reduction and experimental techniques for improving performance of the International Space Station Kit for external Repair of Module Impacts, AIP Conference Proceedings, 2001, 562-567.
• [10] Christiansen E.L., Nagy K., Lear D.M. et al., Space station MMOD shielding, Acta Astronautica, 2009, Vol. 65(7-8), 921-929.
• [11] Yu C.-N., Wu Y., Sekulic D.P. Capillary Flow on an Aluminium Brazing Sheet in a Gravity Field: A Phenomenological Study, International Brazing and Soldering Conference, 2018, 29-35.
• [12] Yan Q., Zhang X., Wang T. et al., Effect of hot working process on the mechanical properties of tungsten materials, Journal of Nuclear Materials, 2013, Vol. 442(1-3), S233-S236.
• [13] Mirski Z., Pabian J., Modern trends in production of brazed heat exchangers for automotive industry, Welding Technology Review, 2017, Vol. 89(8).
• [14] Grätzel M., Regensburg A., Hasieber M. et al., Scaling effects during friction stir welding of aluminium alloys with reduced tool aspect ratios, Weld World, 2019, Vol. 63(2), 337-347.
• [15] Zhang Y.N., Cao X., Larose S. et al., Review of tools for friction stir welding and processing, Canadian Metallurgical Quarterly, 2012, Vol. 51(3), 250-261.
• [16] Orman L., Swiderski H.W., Lauzon D., Brazing of Aluminium Alloys with Higher Magnesium Content using Non-Corrosive Fluxes, Aluminium Brazing - News, Knowledge & Technology http://www.aluminium-brazing.com, (accessed 04.15.2019).
• [17] Garcia J., Massoulier C., Faille P., Brazeability of Aluminium Alloys Containing Magnesium by CAB Process Using Cesium Flux, SAE Technical Paper, 2001-01-1763.