Torque and Temperature Analysis in TAFSW of Low Carbon Steels

Abstract

The prediction of the thermomechanical conditions developed in Tool Assisted Friction Spot Welding (TAFSW) is very important in order to produce strong and defect free welds. The objective of current dissertation is to contribute for the industrial implementation of this process, by analysing the torque and the temperature outputs, in order to assess the thermomechanical conditions developed during welding. With this objective, a series of welding tests were performed, using five different base materials, including two mild steels (DC01 and DC05), two high strength steels (HC420 and DP600) and a galvanized steel (DX200). The process parameters considered in the analysis were the tool diameter and the tool rotational speed. The temperature evolution during welding was acquired using a thermographic camera and the torque was obtained from the welding machine. Post processing of the torque and temperature raw data enabled to determine the maximum torque (Mmax), the stabilized torque (Mstb) and the maximum temperature (Tmax) corresponding to each welding test. The modelling of these torque and temperature data, with analytical models from the literature, was also conducted. It was found that both the tool diameter and the tool rotational speed have a strong influence on the maximum and the stabilized torque values, as well as on the maximum temperature registered during welding. According to the present results, meanwhile the increase in the tool diameter results in a strong increase of the torque values, the increase in the rotational speed leads to a decrease in torque values. The increase in tool diameter, as well as the increase of the rotational speed, both promote an increase in the maximum temperatures reached during welding. Actually, for the maximum temperature, a threshold value of 1100 ºC was determined, irrespective to the base materials. The threshold temperature was mainly registered when welding with the larger tool diameter (16 mm) and/or the highest rotational speed (1500 rpm). The maximum temperature also showed to be less sensitive to the tool diameter when welding at the highest rotational speed. The fitting of the experimental results with analytical models, from the literature, showed the very good accuracy of the models in predicting all the process output values, especially for torque.

A previsão das condições termomecânicas desenvolvidas em Tool Assisted Friction Spot Welding (TAFSW) é muito importante para produzir soldaduras fortes e sem defeitos. O objetivo da presente dissertação é contribuir para a implantação industrial deste processo, por meio da análise dos valores de torque e da temperatura obtidos durante o mesmo, a fim de avaliar as condições termomecânicas desenvolvidas durante a soldadura. Com este objetivo, foram realizados uma série de ensaios de soldadura, utilizando cinco materiais de base diferentes, incluindo dois aços macios (DC01 e DC05), dois aços de alta resistência (HC420 e DP600) e um aço galvanizado (DX200). Os parâmetros de processo considerados na análise foram a velocidade de rotação e o diâmetro da ferramenta. A evolução da temperatura durante a soldadura foi medida com recurso a uma câmara termográfica, e o torque obtido na máquina de soldadura. O pós-processamento dos dados obtidos de torque e temperatura possibilitou determinar os valores de torque máximo (Mmax), torque estabilizado (Mstb) e de temperatura máxima (Tmax) correspondentes a cada ensaio de soldadura. A modelação dos dados de torque e temperatura, com modelos analíticos da literatura, também foi realizada.Verificou-se que tanto o diâmetro da ferramenta como a velocidade de rotação têm forte influência nos valores de torque máximo e torque estabilizado, assim como nos valores de temperatura máxima registrada durante a soldadura. De acordo com os presentes resultados, enquanto que o aumento no diâmetro da ferramenta resulta num forte aumento dos valores de torque, o aumento da velocidade de rotação leva a uma diminuição dos mesmos. O aumento do diâmetro da ferramenta, assim como o aumento da velocidade de rotação, promovem um aumento nas temperaturas máximas atingidas durante a soldadura. Na verdade, para a temperatura máxima, foi determinado um valor limite de 1100 ºC, independente dos materiais de base. A temperatura limite foi registrada principalmente para soldaduras com o maior diâmetro da ferramenta (16 mm) e/ou para a maior velocidade de rotação (1500 rpm). A temperatura máxima também apresentou menor sensibilidade à variação do diâmetro da ferramenta ao soldar na maior velocidade de rotação. O ajuste dos resultados experimentais com modelos analíticos da literatura, demostrou elevada precisão dos modelos na predeterminação dos valores das variáveis obtidas no processo, principalmente para torque.