Application of interlayer friction stir spot welding on 304 stainless steel and aluminum alloy

Abstract

The Friction Stir Spot Welding (FSSW) is the modification of solid-state welding known as Friction Stir Welding (FSW). During the recent years, FSSW have become the most commonly used welding technique in the automotive, aerospace, and various manufacturing industries. The FSSW process is most suitable welding technique for joining such metals and alloys which cannot be welded using conventional fusion welding techniques. This welding technique can easily be employed to join dissimilar light weight alloys to reduce the weight of the components to manufacture energy efficient vehicles. Several researchers had applied this technique on various similar and dissimilar metal alloys to elaborate the dominance of this technique over other welding techniques and also to investigate the effects of processing parameters on the joint quality. Despite the superiority of this technique, keyhole that appears on the weld spot as a result of pin of the tool is a serious issue and several researchers focused on resolving this problem which results in the development of a novel technique called Interlayer Friction Stir Spot welding (IL-FSSW) which is developed in the Manufacturing Technologies Laboratory within MEMFIS at Ozyegin University. This study comprises of employment of IL-FSSW process in joining similar and dissimilar stainless steel and aluminium alloys. The weld joint fabricated by utilizing IL-FSSW technique has a magnificent surface appearance without any bulk deformation from the weld spot. The keyhole free weld joint has successfully been fabricated by utilizing this technique and this study elaborates the zero effect of the welding parameters on the surface appearance of the weld spot. The utilization of flat tip tool and intermediate layer helps to fabricate flat weld joint without keyhole in comparison of conventional FSSW techniques. The utilization of intermediate layer (IL) played an important role in improving the lap shear force (LSF) which is 1.5 times greater than the required limit of American Welding Society (AWS) standards and some of the welded samples showed 2 times higher LSF than the minimum required limit. To investigate the effect of operating parameters on the microstructures and mechanical behaviour of the weld joint Design of Experiments (DOE) based on Taguchi model L8 and L9 is developed for AISI304 stainless steel similar joint and Al6061/AISI304 dissimilar joint respectively, by using three parameters as variable by keeping other parameters constant and these three parameters as tool rotation speed, plunge depth and IL diameter. The analysis of variance (ANOVA) statistical model on the basis of lap shear force values elaborated that tool rotation speed has greatest influence on the joint strength. The mechanical behaviour of the weld joint was examined by utilizing tensile testing and Vicker's Hardness tests. Optical Microscopic analysis and micro-hardness tests performed on the nugget zone of AISI304 similar joint and Al6061/AISI304 dissimilar joint helped to discriminate the stir zone (SZ), thermomechanical affected zone (TMAZ), heat affected zone (HAZ) and base metal (BM) as micro-hardness values are different for each zone and OM differentiate these zones on the basis of average grain size (AGS). Scanning electron Microscopy (SEM) of the fracture surface for Al6061/AISI304 weld joint shows intergranular and transgranular fracture behaviour. The lap shear tensile tests showed that tool rotation speed and plunge depth have direct relation with lap shear force as with increasing tool rotation speed and plunge depth LSF is also increasing. The linear relation of plunge depth with LSF is up to certain limit because after that the thickness of spot weld starts to decrease which decrease the LSF as well. The OM analysis indicated the hook formation of intermediate layer with upper sheet and this hook formation plays important role in improving the strength of the weld joint.

Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (SKNK), Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK) olarak bilinen yöntemin katı hal kaynak modifikasyonudur. SKNK, son yıllarda otomotiv, havacılık gibi farklı endüstrilerde yaygın olarak kullanılan bir kaynak metodu haline gelmiştir. SKNK işlemi, geleneksel ergitme kaynağı teknikleri ile kaynak yapılamayan metal ve metal alaşımlarının birleştirilmesi için kullanılan en uygun metot olarak bilinmektedir. Bu kaynak tekniği, enerji verimliliği yüksek araçların üretiminde kullanılan bileşenlerin ağırlığını azaltmak amacıyla farklı ve hafif alaşımların birleştirmesi için kolaylıkla uygulanmaktadır. SKNK yönteminin diğer kaynak metotları ile karşılaştırılarak daha iyi sonuçlar elde edildiğini göstermek ve işlem parametrelerinin kaynak kalitesine etkisini araştırmak amacıyla hem aynı hem de farklı metal alaşımlar kullanılarak birçok çalışma yapılmıştır. Bu yöntemin diğer kaynak yöntemlerine göre sunduğu birçok avantaja rağmen, kaynak işlemi sonrasında kaynak pininin parça üzerinde anahtar deliği şeklinde bir iz oluşturması büyük ölçüde bir sorun olarak görülmekte ve birçok araştırmacı bu konunun çözümü üzerinde çalışmaktadır. Tüm çalışmalar sonucu yeni bir yöntem olan Orta Katmanlı Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (OK-SKNK) adı verilen metot ilk defa Özyeğin Üniversitesi İmalat Teknoloji Laboratuvarı'nda geliştirilmiştir. Bu çalışma, benzer ve farklı paslanmaz çelik ve alüminyum alaşımlarının OK-SKNK yöntemi kullanılarak birleştirilmesini içermektedir. OK-SKNK tekniği kullanılarak üretilen kaynak bağlantısı, kaynak noktasında herhangi bir deformasyon olmadığı için düzgün bir yüzeye sahiptir. Bu kaynak metodu kullanılarak anahtar deliği görüntüsü içermeyen bir kaynak bağlantısı başarıyla elde edilmiştir. Bu çalışmada kaynak parametrelerinin, kaynak noktasının yüzey görünümü üzerinde herhangi bir etki oluşturmaması detaylandırılmıştır. Düz uçlu aletin ve ara katmanın kullanılması, geleneksel SKNK teknikleri ile karşılaştırıldığında, anahtar deliği olmadan, düz kaynaklı bir bağlantının üretilmesine yardımcı olmaktadır. Ara katmanın (OT) kullanılması, AWS standartlarından 1,5 kat daha fazla olan bindirme kesme kuvvetinin (LSF) geliştirilmesinde önemli bir rol oynamış ve kaynaklı numunelerin bazıları, gerekli minimum değerden 2 kat daha fazla LSF göstermiştir. Bu tezde çalışma parametrelerinin kaynak bağlantısının mikro yapısı ve mekanik davranışı üzerindeki etkisini araştırmak için Taguchi modeline dayalı Deney Tasarımı (DOE) yöntemi kullanılmıştır ve diğer parametreler sabit tutulmak koşulu ile takım dönüş hızı, dalma derinliği ve OT çapı değişken olan üç parametre olarak belirlenmiştir. Varyans analizi (ANOVA) istatistiksel modeli ile yapılan çalışmada LSF değerleri temel alınarak, kaynak mukavemeti üzerinde en büyük etkiye sahip olan parametre takım dönüş hızı olarak tespit edilmiştir. Kaynak bağlantısının mekanik davranış analizi, çekme testi ve Vickers sertlik testleri kullanılarak yapılmıştır. AISI304 benzer ve Al6061/AISI304 benzer olmayan kaynakların, optik mikroskop (OM) analizleri ve mikro sertlik testleri sonucunda, kaynak merkezi (KM), termomekanik etkilenen bölge (TMEB), ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) ve ana metal (AM) bölgelerinden elde edilen sertlik değerleri ve OM ile belirlenen tane boyutlarındaki farklılıklardan faydalanarak, bu bölgeler belirlenmiştir. Al6061/AISI304 kaynaklarının kırılma yüzeyleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve taneler içi ve taneler arası kırılma davranışları görülmüştür. Bindirme kesme çekme testleri, artan takım dönüş hızı ve dalma derinliği LSF'nin de arttığı gibi, takım dönüş hızı ve dalma derinliğinin de LSF ile doğrudan ilişkili olduğunu göstermiştir. Dalma derinliğinin LSF ile orantılı artışının belirli bir sınıra kadar olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum sınırdan sonra nokta kaynağının kalınlığının azalmaya başladığı ve bunun da LSF'yi azalmasına neden olması ile açıklanmıştır. OM analizi, üst sac ile ara tabakada kanca şeklinde bir oluşumu göstermiştir ve bu kanca oluşumu, kaynak bağlantısının mukavemetini arttırmada önemli bir rol oynamaktadır.