On the problem of tool destruction when obtaining fixed joints of thick-walled aluminum alloy blanks by friction welding with mixing

Abstract

Introduction. Among the technologies for manufacturing rocket and aircraft bodies, marine vessels, and vehicles, currently, more and more attention is paid to the technology of friction stir welding (FSW). First of all, the use of this technology is necessary where it is required to produce fixed joints of high-strength aluminum alloys. In this case, special attention should be paid to welding thick-walled blanks, as fixed joints with a thickness of 30.0 mm or more are the target products in the rocket-space and aviation industries. At the same time, it is most prone to the formation of defects due to uneven heat distribution throughout the height of the blank. It can lead to a violation of the adhesive interaction between the weld metal and the tool and can even lead to a destruction of the welding tool. The purpose of this work is to reveal regularities of welding tool destruction depending on parameters of friction stir welding process of aluminum alloy AA5056 fixed joints with a thickness of 35.0 mm. Following research methods were used in the work: the obtaining of fixed joints was carried out by friction welding with mixing, the production of samples for research was carried out by electric erosion cutting, the study of samples was carried out using optical metallography methods. Results and discussion. As a result of performed studies, it is revealed that samples of aluminum alloy with a thickness of 35.0 mm have a heterogeneous structure through the height of weld. There are the tool shoulder effect zone and the pin effect zone, in which certain whirling of weld material caused by the presence of grooves on tool surface is distinctly distinguished. It is shown that the zone of shoulders effect is the most exposed to the formation of tunnel-type defects because of low loading force and high welding speeds. It is revealed that tool destruction occurs tangentially to the surface of the tool grooves due to the high tool load and high welding speeds.

About the authors

K. N. Kalashnikov

Email: kkn@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, kkn@ispms.tsc.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

T. A. Kalashnikova

Email: gelombang@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, gelombang@ispms.tsc.ru

A. N. Ivanov

Email: ivan@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, ivan@ispms.ru

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, rvy@ispms.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.ru

V. A. Bakshaev

Email: bakshaevva@mail.ru
SESPEL Cheboksary enterprise, CJSC, 36 Leningradskaya st., Cheboksary, 428021, Chuvash Republic, Russian Federation, bakshaevva@mail.ru

References

  1. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2005. – Vol. 50, iss. 1. – P. 1–78. – doi: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
  2. Friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, A.J. Leonard, H.R. Shercliff, P.J. Withers // International Materials Reviews. – 2009. – Vol. 54, iss. 2. – P. 49–93. – doi: 10.1179/174328009X411136.
  3. Yu P., Wu C., Shi L. Analysis and characterization of dynamic recrystallization and grain structure evolution in friction stir welding of aluminum plates // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 207. – P. 116692. – doi: 10.1016/j.actamat.2021.116692.
  4. Material transfer by friction stir processing / A.A. Eliseev, T.A. Kalashnikova, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev // Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems: In memory of Professor Sergey Psakhie / ed. by G.-P. Ostermeyer, V.L. Popov, E.V. Shilko, O.S. Vasiljeva. – Cham: Springer International Publishing, 2021. – P. 169–188. – doi: 10.1007/978-3-030-60124-9_8.
  5. Friction stir welding of copper: numerical modeling and validation / P. Sahlot, A.K. Singh, V.J. Badheka, A. Arora // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2019. – Vol. 72, iss. 5. – P. 1339–1347. – doi: 10.1007/s12666-019-01629-9.
  6. Hwang Y.M., Fan P.L., Lin C.H. Experimental study on friction stir welding of copper metals // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210, iss. 12. – P. 1667–1672. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.05.019.
  7. Studies on effect of tool design and welding parameters on the friction stir welding of dissimilar aluminium alloys AA 5052 – AA 6061 / V. RajKumar, M. VenkateshKannan, P. Sadeesh, N. Arivazhagan, K.D. Ramkumar // Procedia Engineering. – 2014. – Vol. 75. – P. 93–97. – doi: 10.1016/j.proeng.2013.11.019.
  8. 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. – Vol. 318, iss. 1. – P. 130–134. – doi: 10.1016/j.wear.2014.06.014.
  9. Wear of ZhS6U nickel superalloy tool in friction stir processing on commercially pure titanium / A. Amirov, A. Eliseev, E. Kolubaev, A. Filippov, V. Rubtsov // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 6. – doi: 10.3390/met10060799.
  10. Burford D., Widener C., Tweedy B. Advances in friction stir welding for aerospace applications // 6th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference (ATIO). – Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006. – doi: 10.2514/6.2006-7730.
  11. Development of friction stir welding technologies for in-space manufacturing / W.R. Longhurst, C.D. Cox, B.T. Gibson, G.E. Cook, A.M. Strauss, I.C. Wilbur, B.E. Osborne // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 90, iss. 1. – P. 81–91. – doi: 10.1007/s00170-016-9362-1.
  12. Design and optimization of friction stir welding tool / M. Aissani, S. Gachi, F. Boubenider, Y. Benkedda // Materials and Manufacturing Processes. – 2010. – Vol. 25, iss. 11. – P. 1199–1205. – doi: 10.1080/10426910903536733.
  13. Avettand-Fenoel M.-N., Taillard R. Heterogeneity of the nugget microstructure in a thick 2050 Al friction-stirred weld // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 2015. – Vol. 46, iss. 1. – P. 300–314. – doi: 10.1007/s11661-014-2638-x.
  14. Friction stir welding of thick aluminium welds–challenges and perspectives / M. Imam, Y. Sun, H. Fujii, Y. Aoki, N. MA, S. Tsutsumi, H. Murakawa // Friction Stir Welding and Processing IX / ed. by Y. Hovanski, R. Mishra, Y. Sato, P. Upadhyay, D. Yan. – Cham: Springer, 2017. – P. 119–124. – doi: 10.1007/978-3-319-52383-5_13.
  15. Das B., Pal S., Bag S. Defect detection in friction stir welding process using signal information and fractal theory // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 144. – P. 172–178. – doi: 10.1016/j.proeng.2016.05.021.
  16. Friction stir welding of dissimilar aluminum alloys AA2219 to AA5083 – Optimization of process parameters using Taguchi technique / M. Koilraj, V. Sundareswaran, S. Vijayan, S.R. Koteswara Rao // Materials and Design. – 2012. – Vol. 42. – P. 1–7. – doi: 10.1016/j.matdes.2012.02.016.
  17. Investigation of weld defects in friction-stir welding and fusion welding of aluminium alloys / P. Kah, R. Rajan, J. Martikainen, R. Suoranta // International Journal of Mechanical and Materials Engineering. – 2015. – Vol. 10, iss. 1. – P. 26. – doi: 10.1186/s40712-015-0053-8.
  18. Al-Moussawi M., Smith A.J. Defects in friction stir welding of steel // Metallography, Microstructure, and Analysis. – 2018. – Vol. 7, iss. 2. – P. 194–202. – doi: 10.1007/s13632-018-0438-1.
  19. Wang G., Zhao Y., Hao Y. Friction stir welding of high-strength aerospace aluminum alloy and application in rocket tank manufacturing // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34, iss. 1. – P. 73–91. – doi: 10.1016/j.jmst.2017.11.041.
  20. Dialami N., Cervera M., Chiumenti M. Defect formation and material flow in Friction Stir Welding // European Journal of Mechanics: A, Solids. – 2020. – Vol. 80. – P. 103912. – doi: 10.1016/j.euromechsol.2019.103912.
  21. Chen Z.W., Cui S. On the forming mechanism of banded structures in aluminium alloy friction stir welds // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 58, iss. 5. – P. 417–420. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2007.10.026.
  22. Ávila R.E. A variational model for shear stress in friction stir welding based on the weld shape in transverse sections // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2006. – Vol. 14, iss. 4. – P. 689–702. – doi: 10.1088/0965-0393/14/4/011.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».