Investigation of the effects of different tool geometries on welded joining of EN AW-5754 and EN AW-5083 aluminum alloys with friction stir welding

Abstract

Friction stir welding was first discovered in the early 1990s. It has been used in many fields in the industry since then. Friction stir welding is a solid state welding method used for joining materials of the same or different properties at temperatures below the melting temperature. The tools used during the welding process greatly affect the metallurgical and mechanical properties of the welded joint. The stir tip geometries of the tools have a significant effect on the strenght of the welded joint. In this study, EN AW- 5754 and EN AW- 5083 aluminum alloys are joined with friction stir welding with screw stir tip, taper stir tip and cylindrical stir tip tools at 450 rpm traverse speed, 50 mm / min progress speed, 0 degrees shoulder angle. After the welding process, mechanical properties of welded joints were examined by tensile tests and microhardness tests. Metallurgical structures of welded samples were examined by optical microscope images. According to the tensile test results of welded samples, welded joints with screw stir tip showed the best weld strength with a welding strength of 188.76 MPa. In addition, microhardness and microstructure tests support this result.

Keywords

• : Friction stir welding,aluminum alloys,tool geometry

EN AW-5754 ve EN AW-5083 alüminyum alaşımlarının sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmelerinde kullanılan farklı takım geometrilerinin kaynaklı birleştirmeye etkilerinin araştırılması

Abstract

Sürtünme karıştırma kaynağı 1990’lı yılların başlarında ilk kez keşfedilmiştir. O yıllardan günümüze değin endüstride pek çok alanda kullanılmıştır. Sürtünme karıştırma kaynağı, aynı veya farklı özellikteki malzemelerin, ergitme sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda birleştirilmesinde kullanılan, bir katı hal kaynak yöntemidir. Kaynak işlemi sırasında kullanılan takımlar kaynaklı birleştirmenin metalurjik ve mekanik özelliklerini büyük oranda etkilemektedir. Takımların karıştırıcı uç geometrilerinin kaynaklı birleştirmenin dayanımında önemli ölçüde etkisi bulunmaktadır. Bu çalışmada da, EN AW-5754 ve EN AW-5083 alüminyum alaşımları, 450 d/dak devir sayısında, 50 mm/dak ilerleme hızında 0 derecelik omuz açısıyla, vidalı, konik ve silindirik karıştırıcı uçlu takımlarla, sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmişlerdir. Kaynak işlemi sonrasında numunelere, çekme testleri ve mikrosertlik testleri yapılarak kaynaklı bağlantıların mekanik özellikleri incelenmiştir. Kaynaklı numunelerin optik mikroskop görüntüleri alınarak metalurjik yapıları incelenmiştir. Kaynaklı numunelere yapılan çekme testi sonuçlarına göre, en iyi kaynak dayanımını; 188,76 MPa lık kaynak mukavemeti ile vidalı karıştırıcı uçla yapılan kaynaklı birleştirmeler göstermiştir. Ayrıca, mikro sertlik ve mikro yapı incelemeleri de bu sonucu desteklemektedir.

Keywords

• Sürtünme karıştırma kaynağı,alüminyum alaşımları,takım geometrisi

References

1. Türker, E., Alüminyum ve alaşımlarının dökümünde rafinasyon yöntemlererinin karşılaştırılması, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü İstanbul, (2005).
2. Johansen, H.G., Structural aluminium materials. TALAT Lecture 2202, European Aluminium Association, (2005).
3. Çam, G., Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK): Al alaşımları için geliştirilmiş yeni bir kaynak teknolojisi, Mühendis ve Makine, 46, 541, 40-51, (2005).
4. Hwang, Y.M., Fan, P.L ve Lin, C.H., Experimental study on friction stir welding of copper metals, Journal of Materials Processing Technology, 210, 1667-1672, (2010).
5. Muthu, M.F.X. ve Jayabalan, V., Tool travel speed effects on the microstructure of friction stir weldedaluminum–copper joints, Journal of Materials Processing Technology, 217, 105-113, (2015).
6. Gürel Çam, Selçuk Mıstıkoğlu, Recent developments in friction stir welding of al-alloys, Journal of Materials Engineering and Performance, 23, 6, 1936-1953, (2014).
7. Dalkılıç, S., Sürtünme karıştırma kaynağı ve havacılık ve uzay endüstrisindeki uygulama alanları, Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, 5, 25-33, (2012).
8. Şık, A., Sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilen alüminyum levhalarının eğme ve yorulma özelliklerinin incelenmesi, SAÜ Fen Bilimleri Dergisi, 9,2, 12-17, (2005).

9. Başar, G. ve Mıstıkoğlu, S., Kaynak parametrelerinin sürtünme karıştırma kaynağı ile birbirine kaynaklanmış Cu/Al-1050 mekanik özellikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 4, 2, 282-290, (2017).
10. Mohammadi, J., Behnamian, Y., Mostafaei, A., Izadi, H., Saeid, T., Kokabi, A.H. ve Gerlich, A.P., Friction stir welding joint of dissimilar materials between AZ31B magnesium and 6061 aluminum alloys: Microstructure studies and mechanical characterizations, Materials Characterization, 101, 189–207, (2015).
11. Sharma, H.K., Bhatt, K.,, Shah, K. Ve Joshid, U., Experimental analysis of friction stir welding of dissimilar alloys AA6061 and Mg az31 using circular butt joint geometry, 3rd International Conference on Innovations in Automation and Mechatronics Engineering, ICIAME, India, 566-572 (2016).
12. Padhy, G.K., Wu. ve C.S. Gao,S., Friction stir based welding and processing technologies - processes,parameters, microstructures and applications: A review, Journal of Materials Science & Technology, 34, 1–38, (2018).
13. Gangwar, K. ve Ramulu, M., Friction stir welding of titanium alloys: A review, Materials and Design, 141, 230–255, (2018).
14. Kumar, R., Singha, R., Ahujab, I.P.S., Pennac, R. ve Feo, L., Weldability of thermoplastic materials for friction stir welding- A state of art review and future applications, Composites Part B, 137,1–15, (2018).
15. Başak, H., Kayır, H. ve Türkyılmaz, E.H., Sürtünme karıştırma kaynağında farklı karıştırma uç formlarının oluşturduğu kuvvetlerin ve birleşmeye etkisinin deneysel incelenmesi, El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 4, 2, 249-257, (2017).
16. Ranjan, R., Khan, A.R., Parikh, C., Jain, R., Mahto, R.P., Pal, P., Pal, S.K. ve Chakravarty, D., Classification and identification of surface defects in friction stir welding: An image processing approach, Journal of Manufacturing Processes, 22, 237–253, (2016).
17. Bayazid, S.M., Farhangi, H. ve Ghahramani, A., Investigation of friction stir welding parameters of 6063-7075 aluminum alloys by taguchi method, Procedia Materials Science, 11, 6 – 11, (2015).
18. Arıcı, A.A. ve Ertürk, A.T., Sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilen polietilen levhalarda kaynak bölgesi özelliklerinin belirlenmesi, 8. Uluslararası Kırılma Konferansı Bidiri Kitabı, İstanbul, 490-497, (2007).
19. Boz, M. ve Kurt, A., The influence of stirrer geometry on bonding and mechanical properties in friction stir welding process, Materials & Design, 25-4, 343–347, (2004).
20. Tozaki, Y., Uematsu Y. ve Tokaji, K., Effect of tool geometry on microstructure and static strength in friction stir spot welded aluminium alloys, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47,15, 2230-2236, (2007).
21. Choi, D.H., Ahn, B.W., Lee, C.Y., Yeon, Y.M., Song, K. ve Jung, S.B., Effect of pin shapes on joint characteristics of friction stir spot welded AA5J32 sheet, Materials Transactions, 51,5, 1028–1032, (2010).
22. Yadava, M.K., Mishra, R.S., Chen, Y.L., Carlson, B. Ve Grant, G.J., Study of friction stir welding of thin aluminium sheets in lap joint configuration, Journal Science and Technology of Welding and Joining, 15, 1, 70–75, (2010).
23. Bahrami, M., Givi, M.K.B., Dehghani, K. ve Parvin, N., On the role of pin geometry in microstructure and mechanical properties of AA7075/SiC nano-composite fabricated by friction stir welding technique, Materials & Design, 53, 519-527, (2014).
24. Singh, A., Kumar, V. ve Grover, N.K., Influence of tool pin profiles on friction stir welding with a gap for AA6082-T6 aluminium alloy, Materials Research Express, 6, 8, (2019).
25. Lee, W. B., Yeon, Y. M. ve Jung, S. B., Evaluation of the microstructure and mechanical properties of friction stir welded 6005 aluminum alloy, Materials Science and Technology, 19, 513-518, (2003).
26. Kafalı, H., ve Ay, N., Sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmiş havacılık ve uzay yapılarında kullanılan Al 6013-T6 alaşımınınmikroyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi, Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, 7, 2, 85-101, (2014)
27. Elangovan, K. ve Balasubramanian, V., “Influences of post-weld heat treatment on tensile properties of friction stir-welded AA6061 aluminium alloy joints,” Materials Characterization, 59, 9, 1168-1177, (2008).
28. Şık, A., KAyabaş, Ö., Sürtünme karıştırma kaynağı ile yapılan alüminyum kaynağında kaynak bölgesinin mekanik özelliklerinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fakültesi Dergisi, 11, 12, 30-43, (2003).
29. Attallah, M.M., Davies, C.L. ve Strangwood, M., Influence of base metal microstructure on microstructural development in aluminium based alloy friction stir welds, Science and Technology of Welding and Joining., 12, p 361–369, (2007).