The effect of tool wear on the quality of lap joints between 7075 t6 aluminum alloy sheet metal created with the FSW method

• Autorzy: Burek R. , Wydrzyński D. , Sęp J. , Więckowski W.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2018.1.13

Warianty tytułu

PL

Wpływ zużycia narzędzia na jakość połączeń zakładkowych blach ze stopu Aluminium 7075 T6 wykonanych metodą FSW

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The article concerns the issues of tool wear effect on the quality of a friction stir welding joint quality. The experiment used aluminum alloy 7075 T6 sheet metal, which is used primarily in the aerospace industry. 1.0mm and 0.8mm thick lap joints were tested. Tool wear was determined based on multiple readings on a multisensory machine. The tool wear evaluation was done on the basis of a static tensile strength test and metallographic sections of the joints. The pin of the tool works in more demanding conditions and is more exposed to friction. This results from tooling operations performed at full depth dive in the jointed material. When also considering the small dimensions of the pin such as the diameter and the great forces occurring in this process, it is easy to see why this element is most susceptible to tool wear. The welding process causes the tool to undergo friction wear, which is the cause of reduced tool dive depth in the jointed material. As a result, it is paramount to constantly control the tool extension to achieve the desired quality parameters of the joint. After creating 200m of joints, a decrease in the strength of joints was observed as well as the repeatability of the results connected to a change in the stirring conditions in the material. The change in joint strength and tool wear is also confirmed in the metallographic analysis, which states that the continued degradation of the tool makes it subject to a decrease in size of the characteristic sizes of the thermoplastic zone that is the main determining factor of the joint strength.

PL

Opracowanie podejmuje problematykę wpływu zużycia narzędzia na jakość zgrzeiny otrzymanej metodą zgrzewania tarciowego z przemieszaniem FSW. Do badań użyto stopu aluminium Al 7075 T6, stosowanego głównie w przemyśle lotniczym. Badano połączenia zakładkowe blach o grubości 1,0mm i 0,8mm. Zużycie narzędzia oceniano na podstawie pomiarów na maszynie multisensorycznej. Ocenę wpływu zużycia przeprowadzono w oparciu o statyczną próbę rozciągania oraz analizę zgładów metalograficznych wykonanych połączeń.Trzpień narzędzia pracuje w trudniejszych warunkach i jest bardziej narażony na ścieranie. Wynika to z pracy przy pełnym zagłębieniu w łączonym materiale. Zważywszy również na stosunkowo małe wymiary trzpienia tj. jego średnicę i duże siły występujące w procesie to ten element jest najbardziej narażony na zużycie. W procesie zgrzewania narzędzie ulega zużyciu ściernemu, co jest powodem zmniejszania zagłębienia narzędzia w materiale łączonym. W związku z powyższym konieczna jest ciągła kontrola wysunięcia narzędzia dla uzyskania pożądanych parametrów jakościowych zgrzeiny. Po wykonaniu 200m zgrzeiny zauważono zmniejszenie wytrzymałości zgrzeiny, jak również powtarzalności wyników związany ze zmianą warunków mieszania materiału. Zmiana wytrzymałości zgrzeiny oraz zużycia narzędzia ma również potwierdzenie w badaniach metalograficznych, z których wynika, iż w związku z postępującą degradacją narzędzia zmniejszeniu ulegają wymiary charakterystyczne strefy termo–plastycznej odpowiedzialnej w główniej mierze za wytrzymałość zgrzeiny.

Słowa kluczowe

EN

friction stir welding; FSW; Al 7075 T6 alloy

PL

zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem; FSW; Al 7075 T6

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 20, no. 1
• Strony: 100--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Burek R.

• Development Projects Office DTR/B Polskie Zakłady Lotnicze Sp. z o.o. ul. Wojska Polskiego 3, 39-300 Mielec, Poland

autor

Wydrzyński D.

• Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Rzeszow University of Technology al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Sęp J.

• Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics Rzeszow University of Technology al. Powstańców Warszawy 12, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Więckowski W.

• Faculty of Mechanical Engineering and Computer Science Czestochowa University of Technology al. Armii Krajowej 21, 342-201 Częstochowa, Poland

Bibliografia

• 1. Adesina A. Y., Gasem Z. M., Al-Badour F. A. Characterization and evaluation of AlCrNcoated FSW tool: A preliminary study. Journal of Manufacturing Processes 2017; 25: 432-442, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2016.12.019.
• 2. AMS-QQ-A-250/13Aluminum Alloy Alclad 7075, Plate and Sheet (2007).
• 3. Bist A., Saini J. S., Sharma B. A review of tool wear prediction during friction stir welding of aluminium matrix composite. Transactions Nonferrous Metals Society of China 2016; 26: 2003-2018, https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64318-2.
• 4. Cascada W., Liu J., Staley J. Aluminium alloys for aircraft structures. Advanced Materials and Processes 2002; 160(12):27-9.
• 5. Colegrove P. Airbus evaluates friction stir welding.
• 6. Derry C.G., RobsonJ.D., Characterisation and modelling of toughness in 6013-T6 aerospace aluminium alloy friction stir welds. Materials Science and Engineering: A. 2008; 490(1-2): 328-334, https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.01.044.
• 7. Dursun T., Soutis C.Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys. Materials and Design 2014; 56: 862-871, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.12.002.
• 8. Elangovan, K., Balasubramanian V. Influences of post-weld heat treatment ontensile properties of friction stir-welded AA6061 aluminum alloy joints. Materials Characterization 2008; 59(9): 1168-1177, https://doi.org/10.1016/j.matchar.2007.09.006.
• 9. Gibson B. T., Lammlein D. H., Prater T. J., Longhurst W. R., Cox C. X.,Ballun M. C., Dharmaraj K. J., Cook G. E., Strauss A. M. Friction stir welding: process, automation and control. Journal of Manufacturing Processes 2004;16: 56-73, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2013.04.002.
• 10. Hasan A. F., Bennett C. J., Shipway P. H., Cater S., Martin J. A numerical methodology for predicting tool wear in Friction Stir Welding. Journal of Materials Processing Technology 2017; 241: 129-140, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.11.009.
• 11. Heinz B., Skrotzki B. Characterization of a Friction Stir Welded AluminumAlloy 6013. Metallurgical and Materials Transactions B 2002; 33B: 489-498, https://doi.org/10.1007/s11663-002-0059-5.
• 12. Huijie Z., Huijie L. Characteristics and formation mechanisms of welding defects in underwater friction stir welded aluminium alloy. Metallography, microstructure and analysis 2012; 1:269-281, https://doi.org/10.1007/s13632-012-0038-4.
• 13. JanakiR. P., GaneshN. R., Kailash Satish V.,Jayachandra R. Internal defect and process parameter analysis during friction stir welding of Al 6061 sheets. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2013; 65: 1515-1528, https://doi.org/10.1007/s00170-012-4276-z.
• 14. Kadlec M., Ruzek R., Novakova L. Mechanical behaviour of AA 7475 friction stir welds with the kissing bond defects.International Journal of Fatigue 2015; 74: 7-19, https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2014.12.011.
• 15. Kafali H., Nuran A. Y. Mechanical Properties of 6013-T6 Aluminium Alloy Friction Stir Welded Plate. 13th International Conference on Aerospace Sciences & Aviation Technology. ASAT-13-MS-14.
• 16. Kumar R., ChAttopadhyaya S., Hloch S., Krolczyk G., Legutko S. Wear characteristics and defects analysis of friction stir welded joint of aluminium alloy 6061-T6. Eksploatacja i niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2016; 18(1): 128-135, https://doi.org/10.17531/ein.2016.1.17.
• 17. Mishra R.S., Ma Z. Y., Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R: Reports 2005; 50 (1-2): 1-78, https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.07.001.
• 18. Necsulescu D.A. The effects of corrosion on the mechanical properties of aluminum alloy 7075-T6. Universitatea Politehnica Bucuresti Science Bulletin 2011; 73(1): 223-229.
• 19. Pantelakis S.G., Chamos A.N., Kermanidis A. A critical consideration of use of Alcladding for protecting aircraft aluminium alloy 2024 against corrosion. Theoretical and Applied Fracture Mechanics 2012; 57: 36-42, https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2011.12.006.
• 20. Rai1 R., De A., Bhadeshia H. K. D. H., DebRoy T. Review: friction stir welding tools. Science and Technologyof Welding and Joining 2011; 16(4): 325-342, https://doi.org/10.1179/1362171811Y.0000000023.
• 21. Rodrigues, D. M., Loureiro A., Leitao C., Leal R. M., Chapparo B. M., Vilaca P. Influence of friction stir welding parameters on the microstructural and mechanical properties of AA 6016-T4 thin welds. Materials and Design 2008. In Press.
• 22. Sahlot P., Jha K., Dey G. K., Arora A. Quantitative wear analysis of H13 steel tool during friction stir welding of Cu-0.8%Cr-0.1%Zr alloy. Wear 2017; 378-379: 82-89, https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.02.009.
• 23. Starke E.A., Staley J.T. Application of modern aluminium alloys to aircraft. Progress in Aerospace Science 1996; 32: 131-72, https://doi.org/10.1016/0376-0421(95)00004-6.
• 24. Tarasov S. Y., Rubtsov V. E., Kolubaev E. A. A proposed diffusion-controlled wear mechanism of alloy steel friction stir welding (FSW) tools used on an aluminum alloy. Wear 2014; 318: 130-134, https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.06.014.
• 25. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needhan J.C., Murch M.G., Templesmith P., Dawes C.J. International patent application PCT/GB92/02203 and GB patent application
• 26. Troeger L.P., StarkeE.A. Microstructural and mechanical characterization of asuperplastic 6xxx aluminum alloy. Materials Science and Engineering A 2000; 277(1-2): 102-113, https://doi.org/10.1016/S0921-5093(99)00543-2.
• 27. Vilaça P., Thomas W. Friction stir welding technology. Advanced Structural Material 2011; 8: 85-124, https://doi.org/10.1007/8611_2011_56.
• 28. Wang D., Xiao B. L., Ni D. R., Ma Z. Y. Friction Stir Welding of Discontinuously Reinforced Aluminum Matrix Composites: A Review. ActaMetallurgicaSinica2014, 27(5): 816-824, https://doi.org/10.1007/s40195-014-0143-2.
• 29. Wang J., Su J., Mishra R. S., Xu R., Baumann J. A. Tool wear mechanisms in friction stir welding of Ti-6Al-4V alloy. Wear 2014; 321: 25-32, https://doi.org/10.1016/j.wear.2014.09.010.
• 30. Williams J.C., Starke E.A. Progress in structural materials for aerospace systems. ActaMaterialia, 2003, 51(19): 5775-5799, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.023.
• 31. Won-Bae L., Chang-Yong L., Myoung-Kyun K., Jung-Il Y., Young-Jig K., Yun-Mo Y., Seung-Boo J. Microstructures and wear property of riction stir welded AZ91Mg/SiC particle reinforced composite. Composites Science and Technology 2006; 66: 1513-1520, https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.11.023.
• 32. Zhang Y. N., Cao X., Larose S., Wanjara P. Review of tools for friction stir welding and processing. Canadian Metallurgical Quarterly 2012; 51(3): 250-261, https://doi.org/10.1179/1879139512Y.0000000015.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).