Investigations on ultrasonic vibration-assisted friction stir welded AA7075 joints: Mechanical properties and fracture analysis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Joint efficiency and strength, particularly in aluminum alloys, are crucial in aerospace, defense, and industrial applications. Post-welding treatments like shot peening and laser shock peening significantly improve joint efficiency and strength, enhancing fatigue life, grain structure, and tensile strength. The purpose of the work. The literature reviewed shows that the ultrasonic vibration-assisted friction stir welding (UVaFSW) and post-weld treatment improved the mechanical properties and material flow. However, limited studies have been observed on the UVaFSW joints of AA7075-T651, considering the consequence of welding speed, tool rotation, and post-weld shot peeing treatment. The methods of investigation. The study investigates the ultrasonic vibration-assisted friction stir welded (UVaFSwed) AA7075-T651 joint's tensile strength, microhardness, microstructure, and fracture behavior, considering the impact of tool rotation, welding speed, and post-weld shot peening treatment. Results and Discussion. The post-weld treated shot-peened UVaFSWed joints demonstrated the maximum tensile strength of 373.43 MPa, the microhardness of 161 HV, and the lowest surface roughness of 15.16 µm at 40 mm/min welding speed when compared to the friction stir-welded (FSWed) joints. These results indicate that shot peening improved the mechanical properties and surface quality of the UVaFSWed joints. The high tensile strength and low surface roughness make these joints suitable for applications requiring strength and aesthetics. The fracture for the shot peened UVaFSWed joints mainly occurred in the heat-affected zone (HAZ) during the tensile test. It could be attributed to the higher temperature experienced during welding, which resulted in grain growth and decreased material strength in the HAZ. The shot-peened UVaFSWed joint has a more uniform grain distribution than the FSWed one, which contributed to the joint's higher tensile strength. The fractured surface of the shot peened UVaFSWed joints showed larger, equiaxed, and shallow dimples, resulting in higher ultimate tensile strength (UTS) and microhardness compared to the conventional FSWed joints. The mechanical properties and microstructure observed in the welding zones of shot peened UVaFSWed joints are superior to those of conventional FSW joints. However, further investigation is required to determine the specific factors contributing to this localized failure at HAZ, considering the effects of shot peening parameters. This study also suggests the potential for optimizing shot peened UVaFSWed joints of AA7075-T651.

About the authors

V. Gaikwad

Email: vaibhav.219p0007@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0002-3818-1893
Ph.D. (Engineering), Vishwakarma Institute of Information Technology, Survey No. 3/4, Kondhwa (Budruk), Pune – 411048, Maharashtra, India, vaibhav.219p0007@viit.ac.in

S. Chinchanikar

Email: satish.chinchanikar@viit.ac.in
ORCID iD: 0000-0002-4175-3098
D.Sc. (Engineering), Professor, Vishwakarma Institute of Information Technology, Survey No. 3/4, Kondhwa (Budruk), Pune – 411048, Maharashtra, India, satish.chinchanikar@viit.ac.in

References

  1. Cetkin E., Çelik Y.H., Temiz S. Microstructure and mechanical properties of AA7075/AA5182 jointed by FSW // Journal of Materials Processing Technology. – 2019. – Vol. 268. – P. 107–116. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2019.01.005.
  2. Chinchanikar S., Gaikwad V.S. State of the art in friction stir welding and ultrasonic vibration-assisted friction stir welding of similar/dissimilar aluminum alloys // Journal of Computational and Applied Research in Mechanical Engineering. – 2021. – Vol. 11. – P. 67–100. – doi: 10.22061/JCARME.2021.7390.1983.
  3. Arora A., De A., Debroy T. Toward optimum friction stir welding tool shoulder diameter // Scripta Materialia. – 2011. – Vol. 64. – P. 9–12. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.08.052.
  4. Shi L., Wu C.S., Liu X.C. Modeling the effects of ultrasonic vibration on friction stir welding // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 222. – P. 91–102. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.03.002.
  5. Effects of superimposed high-frequency vibration on deformation of aluminum in micro/meso-scale upsetting / Z. Yao, G.Y. Kim, L. Faidley, Q. Zou, D. Mei, Z. Chen // Journal of Materials Processing Technology. – 2012. – Vol. 212. – P. 640–646. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2011.10.017.
  6. Siddiq A., El Sayed T. Acoustic softening in metals during ultrasonic assisted deformation via CP-FEM // Materials Letters. – 2011. – Vol. 65. – P. 356–359. – doi: 10.1016/j.matlet.2010.10.031.
  7. Liu X.C., Wu C.S. Experimental study on ultrasonic vibration enhanced friction stir welding // Proceedings of the 1st International Joint Symposium on Joining and Welding. – Osaka, Japan, 2013. – P. 151–154. – doi: 10.1533/978-1-78242-164-1.151.
  8. Evolution of microstructure, mechanical properties and corrosion resistance of ultrasonic assisted welded-brazed Mg/Ti joint / C. Xu, G. Sheng, X. Cao, X. Yuan // Journal of Materials Science and Technology. – 2016. – Vol. 32. – P. 1253–1259. – doi: 10.1016/j.jmst.2016.08.029.
  9. Liu X., Wu C., Padhy G.K. Characterization of plastic deformation and material flow in ultrasonic vibration enhanced friction stir welding // Scripta Materialia. – 2015. – Vol. 102. – P. 95–98. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2015.02.022.
  10. Amuda M.O.H., Mridha S. Comparative evaluation of grain refinement in AISI 430 FSS welds by elemental metal powder addition and cryogenic cooling // Materials and Design. – 2012. – Vol. 35. – P. 609–618. – doi: 10.1016/j.matdes.2011.09.066.
  11. Fatigue crack growth performance of peened friction stir welded 2195 aluminum alloy joints at elevated and cryogenic temperatures / O. Hatamleh, M. Hill, S. Forth, D. Garcia // Materials Science and Engineering A. – 2009. – Vol. 519. – P. 61–69. – doi: 10.1016/j.msea.2009.04.049.
  12. Hatamleh O., Mishra R.S., Oliveras O. Peening effects on mechanical properties in friction stir welded AA 2195 at elevated and cryogenic temperatures // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30. – P. 3165–3173. – doi: 10.1016/j.matdes.2008.11.010.
  13. Influence of ambient and cryogenic temperature on friction stir processing of severely deformed aluminum with SiC nanoparticles / M.S. Khorrami, M. Kazeminezhad, Y. Miyashita, N. Saito, A.H. Kokabi // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 718. – P. 361–372. – doi: 10.1016/j.jallcom.2017.05.234.
  14. Singh S., Dhuria G. Investigation of post weld cryogenic treatment on weld strength in friction stir welded dissimilar aluminum alloys AA2014-T651 and AA7075-T651 // Materials Today Proceedings. – 2017. – Vol. 4. – P. 8866–8873. – doi: 10.1016/j.matpr.2017.07.237.
  15. Wang J., Fu R., Li Y. Effects of deep cryogenic treatment and low-temperature aging on the mechanical properties of friction-stir-welded joints of 2024-T351 aluminum alloy // Materials Science and Engineering A. – 2014. – Vol. 609. – P. 147–153. – doi: 10.1016/j.msea.2014.04.077.
  16. Grain refinement and nanostructure formation in pure copper during cryogenic friction stir processing / Y. Wang, R. Fu, L. Jing, Y., Li, D. Sang // Materials Science and Engineering A. – 2017. – Vol. 703. – P. 470–476. – doi: 10.1016/j.msea.2017.07.090.
  17. Cryogenic properties of Al-Mg-Sc-Zr friction-stir welds / D. Zhemchuzhnikova, S. Malopheyev, S. Mironov, R. Kaibyshev // Materials Science and Engineering A. – 2014. – Vol. 598. – P. 387–395. – doi: 10.1016/j.msea.2014.01.060.
  18. Effect of bead characteristics on the fatigue life of shot peened Al 7475-T7351 specimens / N. Ferreira, J.S. Jesus, J.A.M. Ferreira, C. Capela, J.M. Costa, A.C. Batista // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 134. – P. 105521. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105521.
  19. Liu P., Sun S., Hu J. Effect of laser shock peening on the microstructure and corrosion resistance in the surface of weld nugget zone and heat-affected zone of FSW joints of 7050 Al alloy // Optics & Laser Technology. – 2019. – Vol. 112. – P. 1–7. – doi: 10.1016/j.optlastec.2018.10.054.
  20. Improvement in fatigue performance of friction stir welded A6061-T6 aluminum alloy by laser peening without coating / Y. Sano, K. Masaki, T. Gushi, T. Sano // Materials and Design. – 2012. – Vol. 36. – P. 809–814. – doi: 10.1016/j.matdes.2011.10.053.
  21. Gaikwad V.S., Chinchanikar S. Mechanical behaviour of friction stir welded AA7075-T651 joints considering the effect of tool geometry and process parameters // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2022. – Vol. 8 (4). – P. 3730–3748. – doi: 10.1080/2374068X.2021.1976554.
  22. Gaikwad V., Chinchanikar S., Manav O. Investigation and multi-objective optimization of friction stir welding of AA7075-T651 plates // Welding International. – 2023. – Vol. 37 (2). – P. 68–78. – doi: 10.1080/09507116.2023.2177568.
  23. Gaikwad V.S., Chinchanikar S.S. Adaptive neuro fuzzy inference system to predict the mechanical properties of friction stir welded AA7075-T651 joints // Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. – 2022. – Vol. 16 (3). – P. 381–393.
  24. Gaikwad V.S., Chinchanikar S. Mechanical properties, microstructure, and fracture behavior of friction stir welded AA7075 joints with conical pin and conical threaded pin type tools // Scientia Iranica. – 2022. – Vol. 30. – P. 1–20. – doi: 10.24200/sci.2022.59154.6087.
  25. Gaikwad V.S., Chinchanikar S. Investigation on surface roughness, ultimate tensile strength, and microhardness of friction stir welded AA7075-T651 joint // Materials Today Proceedings. – 2021. – Vol. 46. – P. 8061–8065. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.03.034.
  26. Improving tensile properties of Al/Mg joint by smashing intermetallic compounds via ultrasonic-assisted stationary shoulder friction stir welding / Z. Liu, X. Meng, S. Ji, Z. Li, L. Wang // Journal of Manufacturing Processes. – 2018. – Vol. 31. – P. 552–559. – doi: 10.1016/j.jmapro.2017.12.022.
  27. Gao S., Wu C.S., Padhy G.K. Material flow, microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA 2024-T3 enhanced by ultrasonic vibrations // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 30. – P. 385–395. – doi: 10.1016/j.jmapro.2017.10.008.
  28. Dissimilar friction stir welding of 6061 aluminum alloy and AZ31 magnesium alloy assisted with ultrasonic / S. Ji, X. Meng, Z. Liu, R. Huang, Z. Li // Materials Letters. – 2017. – Vol. 201. – P. 173–176. – doi: 10.1016/j.matlet.2017.05.011.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


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».