Formation Features of a Welding Joint of Alloy Grade2 by the Friction Stir Welding using Temperature Resistant Tools

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The technological process of manufacturing products made of titanium is often complicated by the low quality of welded joints during electric arc or gas-flame welding operations due to high residual stresses and strains. An example of a successful resolution of this problem is the development and implementation of such high-tech processes of butt welding of metals, such as friction stir welding, which is not related to fusion bonding methods. Friction stir welding as an advanced technology is used to produce compounds made of “soft” metallic materials, such as aluminum. For “hard” metallic materials, friction stir welding work was limited due to the high demands on the welding tool. Goal of research. The purpose of the work is to compare tools made of various materials used for friction welding with mixing of titanium, as well as to study the welds obtained by friction stir welding in a protective atmosphere of argon. Results and discussion. Optical and scanning electron microscopy results revealed gradient structure, of the weld that is consisted of a thermomechanical impact zone, and a stir zone with a fine-grained structure. When varying the welding parameters, it was shown that the welds defect structure is more influenced by the welding speed, which is caused by a significant difference in the thermal effect on the material. The use of a protective atmosphere of argon during friction stir welding with mixing of a titanium alloy changes the metal structure in the frictional heating zone and eliminates large discontinuities formed without the protective atmosphere of argon at a low welding speed, and there is no oxidation of titanium that occurs during welding. Experimental data show that the use of zirconium diboride tool with silicon carbide additives as a material for friction stir welding tool can lead to excessive occurrence of foreign inclusions in the mixing zone associated with brittle fracture of the tool, which is not observed when using a tungsten carbide tool.

About the authors

A. I. Amirov

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

V. R. Utyaganova

Email: filaret_2012@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, filaret_2012@mail.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

A. A. Eliseev

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

References

  1. Friction stir welding and processing / R.S. Mishra, Z.Y. Ma // Materials Science and Engineering R: Reports. – 2005. – Vol. 50, iss. 1–2. – P. 1–78. – doi: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
  2. Nandan R., Debroy T., Bhadeshia H. Recent advances in friction-stir welding – Process, weldment structure and // Progress in Materials Science. – 2008. – Vol. 53, iss. 6. – P. 980–1023. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2008.05.001.
  3. Tool wear evaluations in friction stir processing of commercial titanium Ti–6Al–4V / A. Farias, G.F. Batalha, E.F. Prados, R. Magnabosco, S. Delijaicov // Wear. – 2013. – Vol. 302, iss. 1–2. – P. 1327–1333. – doi: 10.1016/j.wear.2012.10.025.
  4. Liu H.J., Zhou L., Liu Q.W. Microstructural evolution mechanism of hydrogenated Ti–6Al–4V in the friction stir welding and post-weld dehydrogenation process // Scripta Materialia. – 2009. – Vol. 61, iss. 11. – P. 1008–1011. – doi: 10.1116/j.scriptamat.2009.08.012.
  5. Zhou L., Liu H.J. Effect of 0.5 wt.% hydrogen addition on microstructural evolution of Ti–6Al–4V alloy in the friction stir welding and post-weld dehydrogenation process // Materials Characterization. – 2011. – Vol. 62, iss. 11. – P. 1036–1041. – DOI: 10.1116/j. matchar.2011.07.016.
  6. Achieving superior low-temperature superplasticity for lamellar microstructure in nugget of a friction stir welded Ti-6Al-4V joint / L.H. Wu, P. Xue, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Scripta Materialia. – 2016. – Vol. 122. – P. 26–30. – doi: 10.1116/j.scriptamat.2016.05.020.
  7. Surface modification of Ti–6Al–4V alloy via friction-stir processing: microstructure evolution and dry sliding wear performance / B. Li, Y. Shen, W. Hu, L. Luo // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 239. – P. 160–170. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2013.11.035.
  8. Microstructure evolution during friction stir welding of mill-annealed Ti-6Al-4V / A.L. Pilchak, W. Tang, H. Sahiner, A.P. Reynolds, J.C. Williams // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2010. – Vol. 42, iss. 3. – P. 745–762. – doi: 10.1007/s11661-010-0439-4.
  9. A preliminary study of deformation behavior of friction stir welded Ti-6Al-4V / J. Wang, J. Su, R.S. Mishra, R. Xu, J.A. Baumann // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23, iss. 8. – P. 3027–3033. – doi: 10.1007/s11665-014-1075-8.
  10. Lippold J.C., Livingston J.J. Microstructure evolution during friction stir processing and hot torsion simulation of Ti-6Al-4V // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2013. – Vol. 44, iss. 8. – P. 3815–3825. – doi: 10.1007/s11661-013-1764-1.
  11. Tool wear characteristics and effect on microstructure in Ti-6Al-4V friction stir welded joints / A. Fall, M. Fesharaki, A. Khodabandeh, M. Jahazi // Metals. – 2007. – Vol. 6, iss. 11. – P. 275. – doi: 10.3390/met6110275.
  12. Edwards P.D., Ramulu M. Comparative study of fatigue and fracture in friction stir and electron beam welds of 24mm thick titanium alloy Ti-6Al-4V // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 2016. – Vol. 39, iss. 10. – P. 1226–1240. – doi: 10.1111/ffe.12434.
  13. Role of microstructure on the fatigue crack propagation behavior of a friction stir welded Ti–6Al–4V / Muzvidziwa, M., Okazaki, M., Suzuki, K., & Hirano, S. // Materials Science & Engineering A. – 2016. – Vol. 652. – P. 59–68. – doi: 10.1016/j.msea.2015.11.065.
  14. Yoon S., Ueji R., Fujii H. Effect of initial microstructure on Ti–6Al–4V joint by friction stir welding // Materials and Design. – 2015. – Vol. 88. – P. 1269–1276. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.09.128.
  15. Wear of cobalt-based alloy tool during friction stir welding of Ti-6Al-4V Alloy / Y.S. Sato, S. Susukida, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S. Imano, S.H.C. Park, I. Sugimoto, S. Hirano // Proceedings of 11th International Symposium on Friction Stir Welding. – Cambridge, UK, 2016.
  16. Crystallography of transformed b microstructure in friction stir welded Ti–6Al–4V alloy / S. Mironov, Y. Zhang, Y.S. Sato, H. Kokawa // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, iss. 5. – P. 511–514. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2008.04.038.
  17. Development of grain structure in b-phase field during friction stir welding of Ti–6Al–4V alloy / S. Mironov, Y. Zhang, Y.S. Sato, H. Kokawa // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 59, iss. 1. – P. 27–30. – doi: 10.1016/j.scriptamat.2008.04.014.
  18. Microstructural characteristics and mechanical properties of Ti–6Al–4V friction stir welds / Y. Zhang, Y.S. Sato, H. Kokawa, S.H.C. Park, S. Hirano // Materials Science & Engineering A. – 2008. – Vol. 485. – P. 448–455. – doi: 10.1016/j.msea.2007.08.051.
  19. Performance of iridium containing nickel base superalloy tool for friction stir welding of Ti-6Al-4V alloy / T. Nakazawa, K. Tanaka, K. Sakairi, Y.S. Sato, H. Kokawa, T. Omori, K. Ishida, S. Hirano // Proceedings of 11th International Symposium on Friction Stir Welding. – Cambridge, UK, 2016.
  20. Tool wear and its effect on microstructure and properties of friction stir processed Ti–6Al–4V / L.H. Wu, D. Wang, B.L. Xiao, Z.Y. Ma // Materials Chemistry and Physics. – 2014. – Vol. 146, iss. 3. – P. 512–522. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2014.04.002.
  21. Fahrenholtz W.G. Thermodynamic analysis of ZrB2–SiC oxidation: formation of a SiC-depleted region // Journal of the American Ceramic Society. – 2007. – Vol. 90. – P. 143–148. – doi: 10.1111/j.1551-2916.2006.01329.x.
  22. Multiscale mechanism of fatigue fracture of Ti-6A1-4V titanium alloy within the mesomechanical space-time-energy approach / V.E. Panin, N.S. Surikova, A.M. Lider, Y.S. Bordulev, B.B. Ovechkin, R.R. Khayrullin, I.V. Vlasov // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21, iss. 5. – P. 452–463. – doi: 10.1134/s1029959918050090.

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».