SUPERVISOR
Morteza Shamanian esfahani,MohammadReza Toroghinejad
مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد راهنما) محمدرضا طرقی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Milad Shiraly
میلاد شیرالی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Friction Stir Spot Welding (FSSW) of Al-Cu Composite Produced by Accumulative Roll Bonding (ARB) and Joint Properties Evaluation
In curent study, Properties of friction stir spot welding (FSSW) of Al-Cu composite produced by accumulative roll bonding ( ARB ), have been investigated. Four aluminum sheets with thickness of 500 µm were used to produce Al-Cu composite. Also Three copper sheets with the thickness of 100 µm were inserted between aluminum sheets. This produced sandwich, then rolled for six cycles. Finally Al-Cu composite with the thickness of 1 mm was produced. In welding process, effect of tool rotational speed, plunge depth of tool, and it's geometry on the properties of welds were investigated. After welding process, first the appearance of workpieces was examined. In very low tool rotational speeds -for example 560 rpm- because of low heat input, small fragments were chipped away from the workpiece.on the other hand, with increasing tool rotational speed- for example to 1400 rpm- Surfaces of sheets were squeezed because heat input increases in these speeds.welding with 710 and 900 rpm resulted in creation of soundness appearance of welds due to the moderated heat input produced by these rotational speeds during friction stir spot welding. different regions of joints such as stir zone, transitional zone and base metal were charactrized by using optical microscopy and scanning electron microscopy (EDS) equiped with chemical microanalyzer (EDS). Results showed that with increasing tool rotational speed, plunge depth of tool and using cylindrical pin , the volume of stir zone and it's essential length (d) were increased. The increment of these processing parameters resulted in sufficient heat input during friction stir spot welding process. Furthermore, due to the smaller frontal surface of the triangular pin, less pressure was applied by the pin face when plunging into the workpiece. This fact led to creation of smaller stir zone by using triangular pin rather than cylindrical pin. Increasing in the volume of stir zone and it's essential length led to increase the tensile shear force of the fractured joints welded with friction stir spot welding by applying these processing parameters. The material flow during friction stir spot welding of Al-Cu composite was investigated. This issue investigated by plunging the tool into different plunging depthes, before the shoulder contacted the surface of the upper sheet. results were compared joints that were welded by full plunging depth. Furthermore, existance of sufficient contrast between aluminum and copper layers asisted the analysis of material flow and finding movement direction of materials. Examination of material flow showed that several regions exist i the stir zone of welds due to different applied forces and heat input in this region. Weakness in creation of some part of the stir zone that have lower heat input or/and have weaker movement force resulted in decrement of the stir zone's volume or isolation of the base metal i the stir zone. This phenomenon occured during friction stir spot welding when using triangular pin. X-ray diffraction patterns showed that intermetallic compounds exist i the stir zone of welds. These phases were Al 2 Cu and AlCu 3 . Existance of these intermetallic compounds resulted in increasing hardness of the stir zone rather than base metal in the joints. Keywords: Friction stir spot welding, Al-Cu composite, Accumulative roll bonding, Intermetallic compounds
در این پژوهش، خواص جوش اصطکاکی- اغتشاشی نقطهای (FSSW) کامپوزیت Al-Cu تولید شده به روش نورد تجمعی مورد بررسی قرار گرفت. برای تولید این کامپوزیت از 4 ورق آلومینیومی هر یک به ضخامت µm 500 و 3 ورق مسی هر یک به ضخامت µm 100 که به صورت یکی در میان قرار گرفته بودند؛ استفاده شد. پس از 6 پاس نورد در نهایت کامپوزیت مورد نظر با ضخامت mm 1 تهیه گردید. در اجرای جوشکاری اثر سرعت چرخش ابزار، عمق نفوذ آن و هندسهی ابزار بر خواص جوش حاصله مورد بررسی قرار گرفت. پس از جوشکاری در ابتدا ظاهر نمونههای جوشکاری شده مورد ارزیابی قرار گرفت. در نمونههای جوشکاری شده در سرعتهای خیلی پایین (rpm 560) به دلیل حرارت ورودی کم، کنده شدگی مواد از سطح ورقها صورت گرفت. این در حالی است که در سرعتهای بالاتر (rpm 1400و1120) لهشدگی مواد در اثر حرارت ورودی زیاد به وجود آمد. در سرعتهای میانی (rpm 900 و710) نیز به دلیل متعادل بودن حرارت ورودی نسبت به دو حالت قبل، جوشها از ظاهر سالمتری برخوردار هستند. ریز ساختار مناطق مختلف هر اتصال که شامل نواحی اغتشاش، ناحیهی انتقالی و فلز پایه میباشد؛ با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به سیستم آنالیز شیمیایی (EDS) مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بررسیها نشان دادکه با افزایش سرعت چرخش ابزار، افزایش عمق نفوذ و استفاده از پین دایرهای به منظور جوشکاری، حجم ناحیهی اغتشاش تشکیل شده و طول موثر ناحیهی اغتشاش (d) افزایش مییابد. این موضوع به دلیل زیاد بودن حرارت ورودی در پارامترهای ذکر شده میباشد. مضاف بر این که پین دایرهای به دلیل سطح جلویی بیشتر نسبت به پین مثلثی فشار بیشتری به مواد زیرین وارد میکند. افزایش حجم ناحیهی اغتشاش و طول موثر آن منجر به افزایش نیروی برشی شکست نمونههای جوشکاری شده با استفاده از جوشکاری توسط پارامترهای ذکر شده گردید . بررسی سیلان نمونههای جوشکاری شده با استفاده از فرو بردن ابزار در عمقهای مختلف نفوذ و قبل از نفوذ شانهی ابزار به مواد ورق بالایی و مقایسهی آنها با نمونههای به طور کامل جوش داده شده امکان پذیر شد. در این میان وجود تفاوت رنگ قابل ملاحظه بین لایههای مس و زمینهی آلومینیومی، به بررسی نحوهی سیلان ماده و یافتن جهت حرکت مواد کمک زیادی کرد. بررسی سیلان مواد نشان داد که نواحی مختلفی از نظر مقدار نیروی اعمالی و حرارت ورودی در ناحیهی اغتشاش وجود دارد. ضعف در تشکیل قسمتهایی از این ناحیه در جوشهایی که از نظر مقدار حرارت ورودی و یا فشار وارد شده بر مواد زیر پین دارای ضعف هستند منجر به کاهش حجم ناحیهی اغتشاش و یا حبس شدگی مواد فلز پایه در میان ناحیهی اغتشاش میشود. این مطلبی است که به عنوان مثال در مورد جوشکاری با استفاده از پین مثلثی نسبت به جوشکاری توسط پین دایرهای بیشتر رخ میدهد. همچنین در بررسی که توسط پراش پرتو ایکس (XRD) انجام گرفت مشخص شد که در ناحیهی اغتشاش نمونههای جوشکاری شده ترکیبات بین فلزی Al 2 Cu و AlCu 3 تشکیل شده است. وجود این ترکیبات در نهایت منجر به بالارفتن سختی نمونهها در این ناحیه شده است به طوری که در جوشکاری توسط پین مثلثی مقدار سختی به حدود VHN 300 رسید. کلمات کلیدی: جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی نقطهای، کامپوزیت Al-Cu، نورد تجمعی، ترکیبات بین فلزی