Thermal Modeling of Friction Stir Welding of Sc-Modified Al-Zn-Mg-Cu Alloy

• Autorzy: Hamilton C. , Dymek S. , Senkov O.

Warianty tytułu

PL

Model cieplny procesu łączenia tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny na przykładzie stopu Al-Zn-Mg-Cu modyfikowanego skandem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Small additions of scandium to Al-n-Mg-Cu 7000 series alloys can significantly improve mechanical properties and augment the strength retention at low and elevated temperatures. This research program evaluates the residual properties of Sc-modified Al-Zn-Mg-Cu alloy extrusions joined through friction stir welding (FSW). Mechanical testing was performed on the baseline material and on panels friction stir welded at 175, 225, 250, 300, 350 and 400 RPM (all other weld parameters were held constant). A thermal model of friction stir welding was developed utilizing an energy-based scaling factor to account for tool slip. The proposed slip factor is derived from an empirical relationship between the ratio of the maximum welding temperature to the solidus temperature and energy per unit length of weld. The thermal model successfully predicts the maximum welding temperatures over a range of energy levels, and the mechanical behavior is correlated to the temperature distribution predicted by the model.

PL

Niewielki dodatek skandu do stopu Al-Zn-Mg-Cu z serii 7000 może w znaczący sposób poprawić właściwości mecha-niczne w temperaturze pokojowej oraz powstrzymać spadek wytrzymałości w temperaturze podwyższonej. W zaprezento-wanych badaniach dokonano oceny właściwości mechanicznych połączeń stopu Al-Zn-Mg-Cu modyfikowanego skandem wyko-nanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW). Badania mechaniczne wykonano na materiale rodzimym oraz na próbkach zgrzewanych z prędkościami obro-towymi narzędzia 175, 225, 250, 300, 350 i 400 obrotów na minutę (przy jednakowych pozostałych parametrach procesu). Opracowano komputerowy model cieplny zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny wykorzystujący energetyczny współczynnik ujmujący poślizg narzędzia w trakcie procesu. Współczynnik ten zaproponowano w oparciu o doświadczalną zależność pomiędzy stosunkiem maksymalnej temperatury podczas zgrzewania do temperatury solidus oraz energii wydatkowanej na jednostkę długości zgrzeiny. Opracowany model bardzo dobrze przewiduje maksymalne temperatury zgrzewania dla szerokiego zakresu energii oraz wykazuje dobrą korelację właściwości mechanicznych z temperaturą przewidzianą przez model.

Słowa kluczowe

EN

friction stir welding; aluminum; scandium; mechanical properties

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 4
• Strony: 416--423
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Hamilton C.

autor

Dymek S.

autor

Senkov O.

• Department of Mechanical and Manufacturing Engineering Miami University, Oxford, OH,

Bibliografia

• Argon, A.S., 2008, Strengthening Mechanisms in Crystal Plasticity, Oxford University Press, Oxford.
• Bhat, R. B., Schloz, J. D., Senkova, S. V., Senkov, O. N., 2005, Microstructure and Properties of Cast Ingots of Al-Zn-Mg-Cu Alloys Modified with S c and Zr, Metall. Mater. Trans. A, 36 (8), 2115-2126.
• Dawes, C., Thomas, W., 1995, TWI Bulletin 6, November/December, 124.
• Dracup, B. J., Arbegast, W. J., 1999, Friction Stir Welding as a Rivet Replacement Technology, Proceedings of the 1999 SAE Aerospace Automated Fastening Conference & Exposition, Memphis, TN, October 5-7.
• Frigaard, O., Grong, O., Midling, O. T., 2001, A Process Model for Friction Stir Welding of Age Hardening Aluminum Alloys, Metall. Mater. Trans. A, 32 (5), 1189-1200.
• Hamilton, C., Dymek, S., Blicharski, M., 2007, Comparison Of Mechanical Properties For 6101-T6 Extrusions Welded By Friction Stir Welding And Metal Inert Gas Welding, Arch. Metali Mater., 52, 67-72.
• Hamilton, C., Dymek, S., Sommers, A., 2008, A Thermal Model of Friction Stir Welding in Aluminum Alloys, Int. J. Mach. Tool Manu., 48, 1120-1130.
• Khandkar, M.Z.H., Khan, J.A., Reynolds, A.P., 2003, Prediction of Temperature Distribution and Thermal History during Friction Stir Welding: Input Torque Based Model, Sci. Technol. Weld. Join., 8 (3), 165-174.
• Khandkar, M.Z.H., Khan, J.A., Reynolds, A.P., Sutton, M.A., 2006, Predicting Residual Thermal Stresses in Friction Stir Welded Metals, J. Mater. Process. Tech., 174, 195-203.
• Mishra, R.S., Ma, Z.Y., 2005, Friction Stir Welding and Processing, Mater. Sci. Eng. R, 50, 3-78.
• Nandan, R., Roy, G.G., Lienert, T.J., Debroy, T., 2007, Three-dimensional Heat and Material Flow during Friction Stir Welding of Mild Steel, Acta Mater., 55, 883-895.
• Senkov, O.N., Shagiev, M.R., Senkova, S.V., 2008a, Effect of Sc on Aging Kinetics in a Direct Chill Cast Al-Zn-Mg-Cu Alloy, Metall. Mater. Trans. A, 39, 1034-1053.
• Senkov, O.N., Shaghiev, M.R., Senkova, S.V., Miracle, D.B., 2008b, Precipitation of Al3(Sc,Zr) Particles in a Direct Chill Cast Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr Alloy during Conven-tional Solution Heat Treatment and Its Effect on Tensile Properties, Acta Mater., 56 (15), 3723-3738.
• Senkova, S.V., Senkov, O.N., Miracle, D.B., 2006, Cryogenic and Elevated Temperature Strengths of an Al-Zn-Mg-Cu Alloy Modified with Sc and Zr, Metall. Mater. Trans. A, 57 (12), 3569-3575.
• Soundararajan, V., Zekovic, S., Kovacevic. R., 2005, Thermo-mechanical Model with Adaptive Boundary Conditions for Friction Stir Welding of Al AA6061, Int. J. Mach. Tool. Manu., 45, 1577-1587.
• Sutton, M.A., Yang, B.C., Reynolds, A.P., Yan, J.H., 2004, Banded Microstructure in 2024-T351 and 2524-T351 Aluminum Friction Stir Welds-Part II. Mechanical Characterization, Mater. Sci. Eng. A, 364, 66-74.
• Thomas, w. M.. et al., 1991, Great Britain Patent Application No. 9125978.8 (December).
• Ulysse, P., 2002, Three-Dimensional Modeling of the Friction Stir-Welding Process, Int. J. Mach. Tool. Manu., 42, 1549—1557.
• von Strombeck, A. dos Santos, J. F., Torster, F. , Laureano, P., Kocak, M., 1999, Fracure Toughness of FSW Joints on Aluminum Alloys, Proceedings of the First International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA, USA, June 14-16.