Ultrasonic Laser Welding of AA5083 Aluminum-Magnesium Alloy

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Laser welding is one of the most effective methods of welded seams formation. High welding speed, ability to weld without the use of filler wire make laser welding one of the most promising welding methods. Another advantage over traditional arc welding is the ability to weld parts in a single pass without cutting edges. Laser welding continuously expands the range of applications, but still it is difficult to apply this type of welding to some materials. These materials include aluminum-magnesium alloys. Due to the various thermal properties of the aluminum matrix and magnesium, the main alloying element is burned out. Another problem in laser welding of Al-Mg alloys is high porosity. As a result, laser welded seams of Al-Mg alloys cannot be used in manufacture due to its low strength. The purpose of the work is to study the effect of ultrasonic influence on the formation structure of the welded seam of AA5083 alloy, obtained by laser welding. Results and discussions. Specimens of conventional laser welding and ultrasonic assisted laser welding are obtained. It is shown that under ultrasonic influence in the process of laser welding the shape of the weld changes. It is not possible to obtain a welded seam without pores, but it is shown that the number of gas pores decreases under ultrasonic influence. Quantitative estimation of energy investments on a volume fraction of the melted metal and value of penetration of laser radiation under the influence of ultrasound is carried out. It is also shown that the volume fraction of secondary particles in the weld metal decreases with an increase in the power of ultrasonic influence. Studies of microhardness welded seams showed a slight increase in microhardness values with ultrasonic influence in comparison with conventional laser welding. As a result of X-ray analysis it was found out that laser welding samples with ultrasonic influence with power 500 W have the nearest parameter of the lattice to the initial material. Also with the power of ultrasonic influence of 500 W the welded seams have the greater distortion of the crystal lattice among the examined ones.

About the authors

A. V. Vorontsov

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

K. S. Osipovich

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

N. L. Savchenko

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

References

  1.      Formation of the surface gradient structures during adhesive friction of tribocoupling parts from dissimilar materials / A.V. Chumaevskii, K.N. Kalashnikov, T.A. Kalashnikova, A.N. Ivanov, A.V. Gusarova // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2051. – doi: 10.1063/1.5083301.
  2.      Influence of the configuration of the counterbody and the test temperature on the structure of the aluminum alloy AA2024 under the adhesion-diffusion friction / A.V. Chumaevskii, A.V. Gusarova, K.N. Kalashnikov, T.A. Kalashnikova, A.N. Ivanov // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2051. – doi: 10.1063/1.5083298.
  3.      Morphology of surface structures of aluminum alloy AA5056 samples subjected to dry friction by means of friction stir processing / K.N. Kalashnikov, T.A. Kalashnikova, A.V. Chumaevskii, A.V. Gusarova, A.N. Ivanov // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2051. – P. 1–5. – doi: 10.1063/1.5083354.
  4.      Structure modification of AA2024 alloy in the zone of tribological contact during friction under the severe thermomechanical action / A.V. Chumaevskii, K.N. Kalashnikov, T.A. Kalashnikova, A.V. Gusarova, A.N. Ivanov // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2051. – doi: 10.1063/1.5083299.
  5.      Structure of the material in the formation region of gradient structures of dissimilar metals obtained by friction stir processing / A.V. Chumaevskii, K.N. Kalashnikov, T.A. Kalashnikova, A.V. Gusarova, A.N. Ivanov // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2051. – doi: 10.1063/1.5083300.
  6.      Towards aging in a multipass friction stir–processed АА2024 / K.N. Kalashnikov, S.Y. Tarasov, A.V. Chumaevskii, S.V. Fortuna, A.A. Eliseev, A.N. Ivanov // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 103 (5). – P. 2121–2132. – doi: 10.1007/s00170-019-03631-3.
  7.      Structure and mechanical properties of aluminum 1560 alloy after severe plastic deformation by groove pressing / E.N. Moskvichev, V.A. Skripnyak, V.V. Skripnyak, A.A. Kozulin, D.V. Lychagin // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 515–22. – doi: 10.1134/S1029959918060061.
  8.      Molten pool behaviors and their influences on welding defects in narrow gap GMAW of 5083 Al-alloy / C. Zhu, J. Cheon, X. Tang, S.-J. Na, H. Cui // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 126. – P. 1206–1221. – doi: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2018.05.132.
  9.      Guo H., Hu J., Tsai H.L. Formation of weld crater in GMAW of aluminum alloys // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2009. – Vol. 52. – P. 5533–5546. – doi: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2009.06.028.
  10.    Prasad V.V., Lingaraju D. Effect of different edge preparations on the tensile and hardness properties of gtaw welded 6082 aluminum alloy // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4. – P. 157–65. – doi: 10.1016/J.MATPR.2017.01.009.
  11.    Bai Y., Gao H., Qiu L. Droplet transition for plasma-MIG welding on aluminium alloys // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2010. – Vol. 20. – P. 2234–2239. – doi: 10.1016/S1003-6326(10)60634-6.
  12.    Structural phase evolution in ultrasonic-assisted friction stir welded 2195 aluminum alloy joints / A.A. Eliseev, S.V. Fortuna, T.A. Kalashnikova, A.V. Chumaevskii, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2017. – Vol. 60. – P. 1022–1026. – doi: 10.1007/s11182-017-1172-x.
  13.    Tensile strength on friction stir processed AMg5 (5083) aluminum alloy / A.V. Chumaevskii, A.A. Eliseev, A.V. Filippov, V.E. Rubtsov, S.Y. Tarasov // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1783. – P. 5–9. – doi: 10.1063/1.4966320.
  14.    Microstructure and mechanical properties of newly developed aluminum-lithium alloy 2A97 welded by fiber laser / B. Fu, G. Qin, X. Meng, Y. Ji, Y. Zou, Z. Lei // Materials Science and Engineering A. – 2014. – Vol. 617. – P. 1–11. – doi: 10.1016/j.msea.2014.08.038.
  15.    Laser spot welding of laser textured steel to aluminium / G. Pardal, S. Meco, A. Dunn, S. Williams, S. Ganguly, D.P. Hand, K.L. Wlodarczyk // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 241. – P. 24–35. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.10.025.
  16.    Paleocrassas A. Feasibility investigation of laser welding aluminum alloy 7075-T6 through the use of a 300 W, single-mode, Ytterbium fiber optic laser. – North Carolina State University, 2005.
  17.    Fibre laser welding of aluminium alloy / S. Katayama, H. Nagayama, M. Mizutani, Y. Kawahito // Welding International. – 2009. – Vol. 23. – P. 744–752. – doi: 10.1080/09507110902836911.
  18.    Alzahrani F.S., Abbas I.A. Fractional order theory in a semiconductor medium photogenerated by a focused laser beam // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 117–23. – doi: 10.1134/S1029959918020042.
  19.    Nothdurft S., Springer A., Kaierle S. Influencing the weld pool during laser welding // Advances in Laser Materials Processing. – Cambridge, MA: Woodhead Publishing, 2018. – Ch. 10. – doi: 10.1016/B978-0-08-101252-9.00010-8.
  20.    Laser-induced plasma in CO(2) laser welding aluminum alloys / X.B. Wang, P. Ding, J.F. Qi, R.S. Xiao, T.C.  Zuo // Conference on Lasers and Electro-Optics/ Pacific Rim. – Shanghai, China, 2009. – Vol. 1–2. – P. 1083–1084.
  21.    Characteristics of plasma plume in fiber laser welding of aluminum alloy / M. Gao, C. Chen, M. Hu, L. Guo, Z. Wang, X. Zeng // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 326. – P. 181–186. – doi: 10.1016/j.apsusc.2014.11.136.
  22.    Magnesium loss in Nd:YAG pulsed laser welding of aluminum alloys / Z.M. Beiranvand, F.M. Ghaini, H. Naffakh-moosavy, M. Sheikhi, M.J. Torkamany // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2018. – Vol. 49 (5). – P. 2896–2905. doi: 10.1007/s11663-018-1315-7.
  23.    Yamaoka H. Microstructural control of laser-welded aluminium alloys // Welding International. – 2001. – Vol. 15. – P. 845–850. – doi: 10.1080/09507110109549454.
  24.    Mechanical constraint intensity effects on solidification cracking during laser welding of aluminum alloys / X. Wang, F. Lu, H.P. Wang, H. Cui, X. Tang, Y. Wu // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 218. – P. 62–70. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.037.
  25.    Using pulse shaping to control temporal strain development and solidification cracking in pulsed laser welding of 6082 aluminum alloys / P. Von Witzendorff, S. Kaierle, O. Suttmann, L. Overmeyer // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 225. – P. 162–169. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2015.06.007.
  26.    Reduction of porosity content generated during Nd:YAG laser welding of A356 and AA5083 aluminium alloys / A. Haboudou, P. Peyre, A.B. Vannes, G. Peix // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 363. – P. 40–52. – doi: 10.1016/S0921-5093(03)00637-3.
  27.    Porosity in fiber laser formation of 5A06 aluminum alloy / Y. Yu, C. Wang, X. Hu, J. Wang, S. Yu // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2010. – Vol. 24. – P. 1077–1082. – doi: 10.1007/s12206-010-0309-4.
  28.    Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys / R. Lin, H. Wang, F. Lu, J. Solomon, B.E. Carlson // Journal of Heat and Mass Transfer. – 2017. – Vol. 108. – P. 244–256. – doi: 10.1016/J.IJHEATMASSTRANSFER.2016.12.019.
  29.    Characteristics and formation mechanism of sidewall pores in NG-GMAW of 5083 Al-alloy / C. Zhu, X. Tang, Y. He, F. Lu, H. Cui // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 238. – P. 274–83. – doi: 10.1016/J.JMATPROTEC.2016.07.032.
  30.    Yang F., Zhou J., Ding R. Ultrasonic vibration assisted tungsten inert gas welding of dissimilar magnesium alloys // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34 (12). – P. 2240–2245. – doi: 10.1016/J.JMST.2018.06.009.
  31.    Analysis on welding characteristics of ultrasonic assisted laser welding of AZ31B magnesium alloy / Z. Lei, J. Bi, P. Li, T. Guo, Y. Zhao, D. Zhang // Optics and Laser Technology. – 2018. – Vol. 105. – P. 15–22. – doi: 10.1016/J.OPTLASTEC.2018.02.050.
  32.    Grain fragmentation in ultrasonic-assisted TIG weld of pure aluminum / Q. Chen, S. Lin, C. Yang, C. Fan, H. Ge // Ultrasonics Sonochemistry. – 2017. – Vol. 39. – P. 403–413. – doi: 10.1016/J.ULTSONCH.2017.05.001.
  33.    The role of ultrasonic treatment in refining the as-cast grain structure during the solidification of an Al–2Cu alloy / G. Wang, M.S. Dargusch, M. Qian, D.G. Eskin, D.H. StJohn // Journal of Crystal Growth. – 2014. – Vol. 408. – P. 119–24. – doi: 10.1016/J.JCRYSGRO.2014.09.018.
  34.    The effect of ultrasonic treatment on the mechanisms of grain formation in as-cast high purity zinc / B. Nagasivamuni, G. Wang, D.H. StJohn, M.S. Dargusch // Journal of Crystal Growth. – 2018. – Vol. 495. – P. 20–28. – doi: 10.1016/J.JCRYSGRO.2018.05.006.
  35.    Effect of high density ultrasonic on the microstructure and refining property of Al–5Ti–0.25C grain refiner alloy / Y.L. Li, H.K. Feng, F.R. Cao, Y.B. Chen, L.Y. Gong // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 487. – P. 518–523. – doi: 10.1016/J.MSEA.2007.11.067.
  36.           Hatch J.E. Aluminum: properties and physical metallurgy. – Ohio: ASM International, 1996. – ISBN 0871701766.

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».