Published August 20, 2021
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Effect of Copper Donor Material Assisted Friction Stir Welding of AA6061-T6 Alloy On Downward Force, Microstructure, And Mechanical Properties
- 1. Virginia State University
- 2. Dominion University College
- 3. Old Dominion University
Description
Abstract In this research, Copper (Cu) donor material assisted friction stir welding (FSW) of AA6061-T6 alloy was studied. Cu assisted FSW joints of AA6061-T6 alloy were prepared at a constant tool rotational rate of 1400 rpm and various welding speeds at 1 mm/s and 3 mm/s. The Cu donor material of different thickness (i.e., 20%, 40%, and 60%) with respect to the workpiece thickness was selected to assist the FSW joining at the plunge stage. It is observed that the downward force generated in the FSW process was gradually decreased after introducing Cu donor material with incremental thicknesses with respect to workpiece at the plunge stage. Post-weld analysis was characterized in terms of microstructure, and mechanical properties. The results of microstructure analysis at the stir zone (SZ) show the formation of finer grains due to dynamic recrystallization and plastic deformation. Micro-hardness tests reveal that the hardness decreased from the base metal (BM) to the SZ across the heat affected zone (HAZ) and thermo-mechanically affected zone (TMAZ). The lowest value of hardness appeared in the TMAZ and HAZ where tensile failure occurs. With increasing welding speed, the average hardness in the SZ decreased due to lower heat input and faster cooling rate. Tensile test plots show no significant change in ultimate tensile strength with or without Cu donor material. Fractography of tensile tested samples shows both ductile and brittle like structure for given welding parameters. This proposed work of FSW with Cu donor material is promising to increase tool life due to the decrement of the downforce during plunge and throughout the welding stage. Meanwhile, the inclusion of donor material did not compromise the weld quality in terms of the mechanical properties and micro-hardness.
Translated Descriptions
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Translated Description (Arabic)
الخلاصة في هذا البحث، تمت دراسة لحام الاحتكاك بمساعدة مادة النحاس (Cu) من سبيكة AA6061 - T6. تم تحضير وصلات FSW بمساعدة النحاس من سبيكة AA6061 - T6 بمعدل دوران ثابت للأداة يبلغ 1400 دورة في الدقيقة وسرعات لحام مختلفة عند 1 مم/ثانية و 3 مم/ثانية. تم اختيار المواد المانحة للنحاس بسماكة مختلفة (أي 20 ٪ و 40 ٪ و 60 ٪) فيما يتعلق بسماكة قطعة العمل لمساعدة FSW على الانضمام في مرحلة الغطس. لوحظ أن القوة الهابطة المتولدة في عملية FSW قد انخفضت تدريجياً بعد إدخال مادة مانحة للنحاس بسماكات متزايدة فيما يتعلق بقطعة العمل في مرحلة الغطس. تميز تحليل ما بعد اللحام من حيث البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية. تُظهر نتائج تحليل البنية المجهرية في منطقة التحريك (SZ) تكوين حبيبات دقيقة بسبب إعادة التبلور الديناميكي والتشوه البلاستيكي. تكشف اختبارات الصلابة الدقيقة أن الصلابة انخفضت من المعدن الأساسي (BM) إلى SZ عبر المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) والمنطقة المتأثرة بالحرارة الميكانيكية (TMAZ). ظهرت أدنى قيمة للصلابة في TMAZ و HAZ حيث يحدث فشل الشد. مع زيادة سرعة اللحام، انخفض متوسط الصلابة في SZ بسبب انخفاض مدخلات الحرارة ومعدل التبريد الأسرع. لا تظهر مخططات اختبار الشد أي تغيير كبير في قوة الشد النهائية مع أو بدون مادة مانحة للنحاس. يُظهر التصوير بالكسور للعينات التي تم اختبارها الشد كلا من الهيكل المطيل والهش لمعلمات اللحام المحددة. يعد هذا العمل المقترح لـ FSW مع المواد المانحة للنحاس بزيادة عمر الأداة بسبب انخفاض القوة السفلية أثناء الغطس وطوال مرحلة اللحام. وفي الوقت نفسه، فإن إدراج المواد المانحة لم يضر بجودة اللحام من حيث الخواص الميكانيكية والصلابة الدقيقة.Translated Description (French)
Résumé Dans cette recherche, le soudage par friction-malaxage assisté par matériau donneur de cuivre (Cu) (FSW) de l'alliage AA6061-T6 a été étudié. Les joints FSW assistés par Cu en alliage AA6061-T6 ont été préparés à une vitesse de rotation constante de l'outil de 1400 tr/min et à diverses vitesses de soudage à 1 mm/s et 3 mm/s. Le matériau donneur de Cu de différentes épaisseurs (c'est-à-dire 20 %, 40 % et 60 %) par rapport à l'épaisseur de la pièce à usiner a été sélectionné pour faciliter l'assemblage FSW au stade de plongée. Il est observé que la force vers le bas générée dans le processus FSW a été progressivement diminuée après l'introduction de matériau donneur de Cu avec des épaisseurs incrémentielles par rapport à la pièce à usiner au stade de plongée. L'analyse post-soudure a été caractérisée en termes de microstructure et de propriétés mécaniques. Les résultats de l'analyse de microstructure au niveau de la zone d'agitation (SZ) montrent la formation de grains plus fins en raison de la recristallisation dynamique et de la déformation plastique. Les tests de micro-dureté révèlent que la dureté a diminué du métal de base (BM) au SZ à travers la zone affectée thermiquement (HAZ) et la zone affectée thermo-mécaniquement (TMAZ). La valeur de dureté la plus faible est apparue dans la TMAZ et la HAZ où une rupture par traction se produit. Avec l'augmentation de la vitesse de soudage, la dureté moyenne dans le SZ a diminué en raison d'un apport de chaleur plus faible et d'une vitesse de refroidissement plus rapide. Les parcelles d'essai de traction ne montrent aucun changement significatif dans la résistance à la traction ultime avec ou sans matériau donneur de Cu. La fractographie des échantillons testés en traction montre une structure à la fois ductile et cassante pour des paramètres de soudage donnés. Ce travail proposé de FSW avec du matériau donneur de Cu promet d'augmenter la durée de vie de l'outil en raison de la diminution de la force d'appui pendant la plongée et tout au long de la phase de soudage. Pendant ce temps, l'inclusion de matériau donneur n'a pas compromis la qualité de la soudure en termes de propriétés mécaniques et de micro-dureté.Translated Description (Spanish)
Resumen En esta investigación, se estudió la soldadura por fricción-agitación asistida por material donante de cobre (Cu) (FSW) de aleación AA6061-T6. Las juntas FSW asistidas por Cu de aleación AA6061-T6 se prepararon a una velocidad de rotación constante de la herramienta de 1400 rpm y varias velocidades de soldadura a 1 mm/s y 3 mm/s. El material donante de Cu de diferente espesor (es decir, 20%, 40% y 60%) con respecto al espesor de la pieza de trabajo se seleccionó para ayudar a la unión de FSW en la etapa de inmersión. Se observa que la fuerza hacia abajo generada en el proceso FSW disminuyó gradualmente después de introducir material donante de Cu con espesores incrementales con respecto a la pieza de trabajo en la etapa de inmersión. El análisis posterior a la soldadura se caracterizó en términos de microestructura y propiedades mecánicas. Los resultados del análisis de microestructura en la zona de agitación (SZ) muestran la formación de granos más finos debido a la recristalización dinámica y la deformación plástica. Las pruebas de microdureza revelan que la dureza disminuyó desde el metal base (BM) hasta la SZ a través de la zona afectada por el calor (haz) y la zona afectada termomecánicamente (TMAZ). El valor más bajo de dureza apareció en la TMAZ y haz donde se produce la falla por tracción. Con el aumento de la velocidad de soldadura, la dureza media en la SZ disminuyó debido a una menor entrada de calor y una velocidad de enfriamiento más rápida. Las gráficas de prueba de tracción no muestran cambios significativos en la resistencia a la tracción final con o sin material donante de Cu. La fractografía de las muestras sometidas a ensayo de tracción muestra una estructura similar tanto dúctil como quebradiza para parámetros de soldadura dados. Este trabajo propuesto de FSW con material donante de Cu es prometedor para aumentar la vida útil de la herramienta debido a la disminución de la carga aerodinámica durante la inmersión y durante toda la etapa de soldadura. Mientras tanto, la inclusión de material donante no comprometió la calidad de la soldadura en términos de propiedades mecánicas y microdureza.Files
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- Translated title (Arabic)
- تأثير لحام الاحتكاك بمساعدة المواد المانحة للنحاس لسبائك AA6061 - T6 على القوة الهابطة والبنية المجهرية والخصائص الميكانيكية
- Translated title (French)
- Effet du soudage par friction assisté par matériau donneur de cuivre de l'alliage AA6061-T6 sur la force vers le bas, la microstructure et les propriétés mécaniques
- Translated title (Spanish)
- Efecto de la soldadura por fricción-agitación asistida por material donante de cobre de la aleación AA6061-T6 sobre la fuerza descendente, la microestructura y las propiedades mecánicas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3195353597
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-817019/v1