Application for the Way of Ultrasonic Assistance Input and Estimation of its Efficiency for Friction Stir Welding of Aluminum Alloys

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Manufacturing capabilities of friction stir welding has some restrictions caused by the formation of welding defects, the alteration in material structure and the appearance of residual stresses that results in worsening of utilization properties of welded joints. A well-known method for improvement of welded joint properties is an input of ultrasonic assistance by different ways during the welding process. However, the application of known ways of the input either requires a complex technique or accompanied by a significant power loss and an attenuation of ultrasonic oscillation. The way for the input of the ultrasonic assistance using a sonotrode fixation on a weld material is seemed to be promising since it has no requirements for a complex technique and provides an effective transmission of the oscillation into the joint formation zone. Goal of this research is the estimation of efficiency of the ultrasonic assistance way, in which the sonotrode fixation is used, by a measuring of the intensity of resulting oscillations and an estimation of its effect on a tensile strength of welded joints obtained by the friction stir welding. Results and discussion. The comparison of two ways of ultrasonic oscillation input is carried out by the means of laser Doppler vibrometry. It’;s shown that the way of input using the sonotrode fixation is more effective that the contact one. The way proposed with much less power input provides 2.5-4.0 times higher intensity of oscillation all over the volume of material not depending of a distance to the point of the oscillation input. Tensile tests of the 2024 alloy samples of joints obtained by friction stir welding demonstrated that the input of ultrasonic oscillation during the welding process results in 10-13% increase of tensile strength. Herewith, the maximum tensile strength achieved 92% of bulk metal. Also it’;s shown that the input of ultrasonic oscillation during the welding process results in strength increasing of material in a stir zone for joints with 2.5 and 5.0 mm thickness and results in reinforcement of a thermomechanically affected zone for joints with 10.0 mm thickness.

About the authors

A. N. Ivanov

Email: ivan@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, ivan@ispms.ru

V. A. Beloborodov

Email: vabel@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vabel@ispms.ru

V. A. Krasnoveikin

Email: volodia74ms@yandex.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, volodia74ms@yandex.ru

V. E. Rubtsov

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

References

  1. Nandan R., Debroy T., Bhadeshia H.K.D.H. Recent advances in friction-stir welding – process, welding structure and properties // Progress in Materials Science. – 2008. – Vol. 53 (6). – P. 980–1023.
  2. Stephen Leon J.L., Jayakumar V. Investigation of mechanical properties of aluminium 6061 alloy friction stir welding // American Journal of Mechanical Engineering and Automation. – 2014. – Vol. 1, N 1. – P. 6-9.
  3. Suman P., Srinivasa Rao P., Sreeramulu D. A survey on friction stir welding of dissimilar magnesium alloys // International Journal of Scientific Research and Review. – 2019. – Vol. 8, iss. 1. – P. 26–38. – doi: 10.13140/RG.2.2.11026.91844.
  4. Podrzaj P., Jerman B., Klobcar D. Welding defects at friction stir welding // Metalurgija. – 2015. – Vol. 54 (2). – P. 387–389.
  5. Microstructure and properties of friction stir welded aluminium alloys / J. Karlsson, B. Karlsson, H. Larsson, L. Karlsson, L.E. Svensson // Proceedings of 7th International Conference on Joints in Aluminium – INALCO 98. - Cambridge: Woodhead Publishing, 1998. – P. 231.
  6. Cerri E., Leo P. Influence of high temperature thermal treatment on grain stability and mechanical properties of medium strength aluminium alloy friction stir welds // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – Vol. 213. – P. 75–83.
  7. Review on friction stir welding process / R.V. Arunprasad, G. Surendhiran, M. Ragul, T. Soundarrajan, S. Moutheepan, S. Boopathi // International Journal of Applied Engineering. – 2018. – Vol. 13, N 8. – P. 5750–5758.
  8. Nirgude S.K., Choudhari C.M., Kalpande S.D. A review on pre/post treatments used in friction stir welding // International Conference on Advances in Thermal Systems, Materials and Design Engineering (ATSMDE-2017), 21–22 December 2017. – Mumbai, India, 2017. – P. 503–509. – DOI: http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3101621.
  9. Effect of heat treatment T6 on the friction stir welded SSM 6061 aluminum alloys / W. Boonchouytan, J. Chatthong, S. Rawangwong, R. Burapa // Energy Procedia. –  2014. – Vol. 56. – P. 172–180. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.07.146.
  10. Park K. Development and analysis of ultrasonic assisted friction stir welding process: PhD dissertation / University of Michigan. – Ann Arbor, MI, 2009. – 125 р.
  11. Amini S., Amiri M.R. Study of ultrasonic vibrations’; effect on friction stir welding // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 73. – P. 127–135. – DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-014-5806-7.
  12. Padhy G.K., Wu C.S., Gao S. Auxiliary energy assisted friction stir welding – status review // Science and Technology of Welding and Joining. – 2015. – Vol. 20 (8). – P. 631–649. – DOI: https://doi.org/10.1179/1362171815Y.0000000048.
  13. Effect of ultrasonic vibration on welding load, macrostructure, and mechanical properties of Al/Mg alloy joints fabricated by friction stir lap welding / S. Kumar, C.S. Wu, S. Zhen, W. Ding // International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019. – Vol. 100, iss. 5–8. – P. 1787–1799. – DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-018-2717-z.
  14. A study of the temperature field during ultrasonic-assisted friction-stir welding / L. Ruilin, H. Diqiu, L. Luocheng,Y. Shaoyong,Y. Kunyu // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 73 (1–4). – P. 321–327. – doi: 10.1007/s00170-014-5813-8.
  15. Muhammad N.A., Wu C.S., Padhy G.K. Review: Progress and trends in ultrasonic vibration assisted friction stir welding // Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). – 2018. – Vol. 25 (3). – P. 16–42. – DOI: https://doi.org/10.11916/j.issn.1005-9113.17105.
  16. 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.
  17. Realization of Al/Mg-Hybrid-Joints by ultrasound supported friction stir welding – mechanical properties, microstructure and corrosion behavior / B. Strass, G. Wagner, C. Conrad, B. Wolter, S. Benfer, W. Fürbeth // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 966–967. – P. 521–535. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMR.966-967.521' target='_blank'>www.scientific.net/AMR.966-967.521.
  18. Effect of ultrasonic vibration on the friction stir weld quality of aluminium alloy / X.C. Liu, C.S. Wu, H. Zhang, M. Chen // China Welding (English Edition). – 2013. – Vol. 22 (3). – P. 12–17.
  19. Патент 2616313 Российская Федерация. Способ сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием / Е.А. Колубаев, В.Е. Рубцов, А.Н. Иванов, С.Г. Псахье, С.В. Фортуна, В.А. Бакшаев, П.А. Васильев. – № 2015153096; заявл. 10.12.15; опубл. 14.04.17, Бюл. № 11.
  20. Ultrasonic-assisted laser welding on AISI 321 stainless steel / S.Y. Tarasov, A.V. Vorontsov, S.V. Fortuna, V. E. Rubtsov, V. A. Krasnoveikin, E. A. Kolubaev // Welding in the World. – 2019. – Vol. 63, iss. 3. – P. 875–886. – DOI: https://doi.org/10.1007/s40194-019-00716-1.

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».