Development of a solid state spot welding technique for the manufacturing of defect free joints

Abstract

Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) işlemi, hafif alaşımlar konseptini kullanarak otomotiv uygulamalarına genişleyen zor kaynaklanan malzemelerin birleştirilmesi için yakın zamanda geliştirilen bir işlemdir. Bu nedenle, katı hal kaynak yöntemi olarak FSSW, kullanılan iş parçalarını ergitmek durumunda kalmadığı ve yakıt tüketimini azalttığı için dünyadaki otomotiv üretici firmalarının dikkatini çekmiştir. FSSW işleminin avantajlarını gözlemlemek için önemli araştırmalar yapılmış olmasına rağmen, takım piminin bir sonucu olarak kaynak noktasındaki pim deliği (anahtar deliği) kusuruna daha fazla önem verilmiştir. Bu çalışma, orta katman (IL) parçasını kullanan ve üretilen kaynakların mekanik özelliklerini sergileyen yeni geliştirilen bir FSSW işlemi kullanarak, anahtar deliği olmadan düz yüzeyli sürtünme karıştırma nokta kaynaklarının imalatını araştırmaktadır.Orta katman FSSW (IL-FSSW) işlemi kullanılarak üretilen kaynaklar, büyük bir çarpılma olmadan mükemmel bir görünüm sergilemiştir. Nokta kaynağının üst yüzeyi pürüzsüz ve düz bir yüzey göstermiştir. Farklı kaynak parametrelerinin kullanılmasından bağımsız olarak, tüm nokta kaynaklarının görünümleri karşılaştırılabilir durumdadır. Geleneksel FSSW kaynaklarına kıyasla herhangi anahtar deliği kusurunun oluşmaması oldukça önemlidir.IL parçasını kullanmanın, bindirmeli kesme kırılma kuvvetini (LSFF) Amerikan Kaynak Topluluğu (AWS) kaynaklarının kalite gereksinimlerinin maksimum değerinin yaklaşık iki katına geliştirdiği gösterilmiştir. Kaynak parametrelerinin çekme davranışı üzerindeki etkisini anlamak için çekme testi sonuçlarının eniyilenmesi için deney tasarımı (DOE) kullanılmıştır. Optimizasyon çalışması, LSFF'nin artan dalma derinliği ile doğrusal olarak arttığını göstermiştir. LSFF'ye göre varyans (ANOVA) istatistiksel yönteminin analizi, takım dönme hızının en önemli parametre olduğunu gösterirken, dalma besleme hızı bu konuda çok ciddi etkisinin olmadığını gözlemlemiştir.Yorulma testleri, T6 ve tavlama (O) koşulları altında, benzer ve benzer olmayan Al 6061 / Al 2024 alaşımlarının bindirmeli kaynaklı numunelerinin kırılma döngü sayısına (Nf) etkisini belirlemek için gerçekleştirilmiştir. Tüm numuneler için tavlama işleminin yüksek seviyede uygulanan yükler altında Nf üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte, numunelerin düşük yük seviyelerindeki Nf'i üzerinde ısıl işlemin etkisi gözlemlenmeden yalnızca Al 2024'te tavlama işleminin olumlu etkisi açıkça gözlemlenmiştir.Al / Cu kaynakları açısından, anahtar deliği olmayan düz kaynak noktaları başarıyla üretildi. Sonuçlar, pimsiz takım kullanılan IL-FSSW ile elde edilen LSFF değerleri ile pimli bir takımın kullanıldığı geleneksel FSSW ile elde edilen değerler ile karşılaştırıldığında çok az bir fark olduğu ortaya çıkarıldı. X ışını kırınımı (XRD) analizleri, Al2Cu ve Al4Cu9 fazlarının, levhaların ara yüzündeki kaynak bölgesinde meydana gelen ötektik ve peritektik reaksiyonların bir sonucu olarak oluştuğunu göstermiştir. Vickers sertlik incelemesi, kaynak bölgesinde oluşan sert metaller arası bileşiklere tekabül eden 575 Hv seviyesinde mikro sertlik göstermiştir.IL-FSSW işleminin termal ve mekanik benzetimi için iki sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Termal modelden elde edilen sıcaklık dağılımları deneysel ölçümlerle karşılaştırılmış ve uygunluk gösterilmiştir. Mekanik model, kesme-çekme testlerinden elde edilen deneysel değerlerle birlikte bağlantıların gücünü tahmin etmek için kullanımış olup, çeşitli bağlantıların mekanik davranışındaki eğilimleri sergilemek için tatmin edici sonuçlar vermiştir.

Friction stir spot welding (FSSW) processing is a recently developed process for joining hard weldability materials, which has expanded into automotive applications by using the concept of light alloys. Thus, by reducing its fuel consumption, FSSW as a solid-state welding method does not need to melt the workpieces used, which has attracted the attention of automotive manufacturing companies around the world. Although considerable research has been conducted to observe the advantages of the FSSW process, rather more attention has been paid to solving the probe hole (keyhole) defect, which appears at the weld spot center in the welds as a result of the pin of the welding tool after joining process is complete. This study investigates the fabrication of flat friction stir spot welds without the keyhole by using a newly developed FSSW process, which uses the intermediate layer (IL) part, and tracks the mechanical properties of the fabricated welds. The welds produced by the Intermediate Layer FSSW (IL-FSSW) process showed an excellent appearance with no large distortion resulting from the welded sheets. The top surface of the spot weld showed a smooth, flat surface. Regardless of the use of different welding parameters, the appearances of all the spot welds were comparable. It is considerable that no keyhole is formed in comparison with the conventional FSSW welds.It was shown that using the IL part improved the lap shear failure force (LSFF). Some of the welded samples, which were about two folds relative to the maximum value of the American Welding Society (AWS) welds quality requirements. In order to understand the effect of the welding parameters on the tensile behavior, design of experiment (DOE) were utilized to optimize the results of the tensile test. The optimization work indicated that the LSFF increases linearly with the increasing plunging depth. The analysis of the variance (ANOVA) statistical method in respect to LSFF indicates that the tool rotation speed was the most significant parameter, whereas the plunging feed rate was the lower one in this regard. The fatigue tests were conducted under T6 and annealing (O) conditions and over Nf of the lap welded samples of the dissimilar Al 6061/Al 2024 and similar Al 6061/Al 2024 alloys, which were determined for all the conditions. In all the samples, the annealing treatment was observed to have a negative effect on the Nf under high applied loads. However, no heat treatment effect was clearly observed under the low load levels, except in Al 2024, in which the annealing treatment had a positive effect on the Nf.In terms of the Al/Cu welds, the flat weld spots without the keyhole were produced successfully. The results revealed that there was very little difference in the LSFF achieved with the IL-FSSW using the pinless tool when compared to the welds conducted with the conventional FSSW using a tool with a pin. The X-ray diffraction (XRD) analyses showed that the Al2Cu and Al4Cu9 phases formed as a result of the peritectic reactions at the interface of the sheets within the weld nugget. The Vickers examination showed distinctly different microhardness levels up to 575 Hv, which are superior to that of the base metal corresponding to the hard intermetallic compounds formed in the weld nugget.Two finite element models were built to simulate the IL-FSSW process, i.e. thermal and mechanical. The temperature distributions obtained from the thermal model were compared with the experimental measurements with decent agreement. The mechanical model is utilized to predict the strength of the joints in conjunction with the experimental values from shear-tensile tests, providing satisfactory results for demonstrating the trends in the mechanical behavior of various joints.