Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/87433
Title: Lap joining of very thin plates by friction stir welding: Mechanical characterisation of the welds and thermal distortion analysis
Other Titles: Ligação em junta de chapas finas por friction stir welding: Caracterização mecânica das soldaduras e análise da distorção térmica
Authors: Costa, Maria Inês Martins dos Santos
Orientador: Rodrigues, Dulce
Leitão, Carlos
Keywords: Non-ferrous materials; Friction Stir Welding; Mechanical Characterization; Weld induced distortion; Materiais não ferrosos; Friction Stir Welding; Ligação em junta sobreposta; Distorção Induzida Soldadura
Issue Date: 27-Mar-2019
Project: SFRH/BD/104073/2014 
info:eu-repo/grantAgreement/FCT/5876/147405/PT 
POCI-01-0145-FEDER-007633 
Abstract: The increasing use of aluminium alloys in welded construction brings new challenges concerning the joining of these non-ferrous materials using the conventional welding methods. The development of new methodologies has overcome these challenges, per example, using solid-state welding technologies, such as the Friction Stir Welding (FSW) or, due to the high interest in lap joining for industrial applications, the Friction Stir Lap Welding (FSLW). This type of technology involves temperatures below the melting point, which, as it is well-known, leads to lower levels of plates’ distortion, comparatively to the other welding processes. The use of thin plates, widely applied in the transportation industries, bring new challenges to nowadays assembling methodologies. Using thin plates welding magnifies the deleterious influence of the weld defects in the welds mechanical performance. However, nowadays literature is mostly based on thicker plates (> 2 mm) analysis. Moreover, works relating base material mechanical behaviour, welding parameters, weld strength and distortion, are inexistent or scarce. Present work titled “Lap joining of very thin plates by friction stir welding: mechanical characterization of the welds and thermal distortion analysis” aims to obtain a deep understanding of the base material and process parameters influence on defect formation and distortion during FSLW of thin plates. Similar and dissimilar welds were performed in a heat treatable and a non-heat heat treatable aluminium alloys, the AA6082-T6 and the AA5754-H22, respectively. The influence of the local mechanical properties heterogeneities and the presence of small defects on the mechanical behaviour of the welds, under monotonic and cyclic loading conditions, was assessed experimentally. The results obtained showed that the different mechanical behaviour of the base materials, at high temperatures, has a substantial impact on the defect formation and weld’s cross-section morphology. However, other factors such as tool geometry and process parameters are equally crucial for producing non-defective welds. In fact, an optimal tool geometry was found during this investigation. This tool minimises the amount of material from the bottom plate, being moved upwards, minimising the size of the hook defect, which is a typical FSLW defect. Despite the use of such tool, it was only possible to produce defect-free welds by using the AA5754 alloy, showing that the AA6082 aluminium alloy is more sensitive to the defects formation. Moreover, the presence and severity of defects, and the section reduction, promoted by the action of the tool during the process, are the main mechanisms affecting the welds mechanical strength. In addition, for the heat treatable alloy (AA6082) welds, the softening observed in the TMAZ and HAZ also contributed to the lower mechanical performance of these welds. In fact, due to the different base material strengthening mechanisms, the welds local mechanical properties varied differently with the process parameters. For the AA5754 aluminium alloy, a good mechanical efficiency was observed during tensile-shear testing, independently of the welding speed, and the weld side tested. Contrarily, for the AA6082 welds, it was found that tensile-shear strength strongly depends on the welding speed, and the weld side tested. The post-weld heat treatment of the AA6082 welds enabled to increase the joint efficiency of the welds at monotonic loading conditions, but decreases it at cyclic loading conditions, which made possible to conclude that the softening of the base material in as-welded condition has a useful contribution on welds’ fatigue life. Finally, the analysis of the weld induced distortion made possible to conclude that the plates’ size has a higher influence on the distortion mode and magnitude than the welding parameters and releasing conditions tested. Comparing the experimental distortion measurements with the numerical results of the residual stress distribution was possible to conclude that the distortion magnitude is strongly related with the compressive residual stresses magnitude; and that the distortion mode depends on the residual stress distribution. The magnitude of the compressive residual stresses evolution with the welding speed is non-linear with welding speed, but increases for increasing tool rotation speeds.
O uso crescente de ligas de alumínio na indústria dos transportes, gerou novos desafios em relação à união destes materiais através dos métodos convencionais de soldadura. Estes desafios têm sido superados pela introdução de tecnologias de soldadura inovadoras, como por exemplo, processos de soldadura em estado sólido, como a Friction Stir Welding (FSW) ou, devido ao elevado interesse das juntas sobrepostas em aplicações industriais, o Friction Stir Lap Welding (FSLW). Envolvendo temperaturas abaixo do ponto de fusão, o FSW, tenderá a reduzir a magnitude da distorção das chapas soldadas, quando se compara com a distorção observada nas chapas soldadas pelos processos convencionais de soldadura por fusão. A ampla utilização de chapas finas nas indústrias de transportes trouxe novos desafios para as atuais metodologias de fabrico. De fato, a influência dos defeitos de soldadura é ampliada quando se usam chapas finas, comprometendo o desempenho mecânico das mesmas. No entanto, a literatura atual baseia-se na sua maioria, no estudo da união de chapas com espessuras superiores a 2 mm. Ademais, os trabalhos que relacionam o comportamento mecânico do material de base, os parâmetros de soldadura, a resistência mecânica da soldadura e a distorção das chapas, são inexistentes ou escassos. O presente trabalho intitulado “Ligação em junta de chapas finas por friction stir welding: caracterização mecânica das soldaduras e análise da distorção térmica”, visa obter uma profunda compreensão da influência do comportamento mecânico do material de base e dos parâmetros do processo na formação de defeitos, e na distorção das chapas finas, soldadas por FSLW. Realizaram-se soldaduras similares e dissimilares, em ligas de alumínio tratáveis e não tratáveis termicamente, os alumínios AA6082-T6 e AA5754-H22, respetivamente. A influência de heterogeneidades das propriedades mecânicas e da presença de defeitos no comportamento mecânico das soldaduras foram avaliadas experimentalmente. Os resultados mostram que os diferentes comportamentos mecânicos dos materiais de base a altas temperaturas, têm um impacto preponderante na formação de defeitos e na morfologia da seção transversal das soldaduras. No entanto, outros fatores como a geometria da ferramenta e os parâmetros do processo são igualmente cruciais para a produção de soldaduras sem defeitos. De fato, foi possível selecionar uma geometria de ferramenta ótima, que permitiu minimizar a quantidade de fluxo de material ascendente, minimizando o tamanho dos defeitos ou até a sua eliminação. Apesar do uso desta ferramenta, só foi possível produzir soldaduras sem defeitos utilizando a liga AA5754, uma vez que a liga de alumínio AA6082 apresentou uma maior sensibilidade à formação dos mesmos. Ademais, a presença e a severidade dos defeitos, assim como a redução de espessura, promovida pela ação da ferramenta durante o processo, são os principais mecanismos que afetam a resistência mecânica das soldaduras. Para além dos defeitos de soldadura, o amaciamento observado nas soldaduras produzidas na liga tratável termicamente (AA6082), também contribuiu para o seu menor desempenho mecânico. De fato, devido aos diferentes mecanismos de endurecimento dos materiais de base, as propriedades mecânicas locais das soldaduras variam de forma diferente, conforme os parâmetros do processo. Para a liga de alumínio AA5754, foi observada uma boa eficiência mecânica durante o ensaio de tração em corte, independentemente da velocidade de soldadura e do lado da soldadura testado, contrariamente ao que se verificou na análise das soldaduras da liga AA6082. O tratamento térmico das soldaduras AA6082 possibilitou aumentar a eficiência mecânica das mesmas nas condições de carregamento monotónico, mas diminuiu a sua resistência nas condições de carregamento cíclico. Assim, foi possível concluir que o amaciamento do material da soldadura contribuiu positivamente para performance das soldaduras durante os ensaios de fadiga. Finalmente, a análise da distorção das chapas soldadas possibilitou concluir que o tamanho das chapas tem maior influência no modo e na magnitude da distorção, do que os parâmetros de soldadura e as condições de libertação testadas. Comparando as medições experimentais de distorção com os resultados numéricos da distribuição das tensões residuais, foi possível concluir que o modo de distorção depende da distribuição das tensões residuais, e a magnitude da distorção está fortemente relacionada com a magnitude das tensões residuais compressivas. A magnitude das tensões residuais de compressão varia não linearmente com a velocidade de soldadura, aumentando com o aumento da velocidade de rotação da ferramenta.
Description: Tese de Doutoramento em Engenharia Mecânica, no ramo de Tecnologias de Produção, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/87433
Rights: embargoedAccess
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