Influence of pin geometry on mechanical and structural properties of butt friction stir welded 2024-T351 aluminum alloy

Abstract

The aim of this work was to investigate the combined effect of small difference in pin geometry, together with rotation and welding speed on the weldability, mechanical and structural properties of FSW 2024-T351 Al plates. The only difference in tool pin design was the shape of thread: regular and rounded. Specimens were welded using rotation rate of 750 rev/min and welding speeds of 73 and 93 mm/min. Specimens were defect free, with good or acceptable weld surface, in all four cases. Modification in pin design showed strong influence on macro structure and hardness distribution. Weak places are identified as low hardness zone, close to the nugget zone and are in good agreement with fracture location in tensile testing. Weld efficiency, as a measure of weld quality, is better in case of 310 tool, while UTS values can differ up to 13% for the equal welding parameters. Therefore, it can be assumed that small modification in tool design, particularly in pin geometry, can have great influence on weld formation and mechanical properties.

U radu je ispitivano kakav zajednički, kombinovani uticaj brzina rotacije alata, brzina zavarivanja i mala promena u geometriji trna alata imaju na zavarljivost, mehaničke i strukturne karakteristike sučeonog spoja Al legure 2024-T351 zavarene primenom FSW (zavarivanje trenjem alatom) postupka zavarivanja. Zavarivane su ploče dimenzija 260 mm×65 mm×6 mm. Ploče su pre zavarivanja mašinski obrađene i kruto stegnute za potpornu ploču. Zavarivanje je izvedeno u pravcu valjanja ploča, na alatnoj glodalici prilagođenoj postupku FSW. Dužina svakog zavarenog spoja iznosila je oko 210 mm. Korišćena su dva alata sa veoma slično profilisanim trnovima. Razlika u dizajnu trna alata je u obliku zavojnice, normalna (klasična) kod alata oznake 310 odnosno zaobljena za alat 310-O. Zavarivanje je izvedeno pri brzini rotacije alata od 750 o/min i brzinama zavarivanja 73 i 93 mm/min. Ukupno su zavarene četiri kombinacije spojeva. U svim slučajevima dobijen je zavareni spoj bez prisustva grešaka, sa glatkom odnosno delimično hrapavom površinom zavara. Prisutne su tri različite oblasti u spoju - grumen, zona termomehaničkog uticaja i zona uticaja toplote. Promene u dizajnu trna alata imaju znatnog uticaja na makrostrukturu spoja i raspodelu tvrdoće kroz spoj. Mapiranjem spoja, na osnovu raspodele tvrdoće, određene su oblasti sa najnižim vrednostima tvrdoće a nalaze se u neposrednoj blizini grumena, tačnije na liniji dodira grumena i zone termomehaničkog uticaja. Položaj oblasti najmanje tvrdoće je u saglasnosti sa mestom preloma zateznih epruveta. Efikasnost spoja, kao ocena kvaliteta spoja, je veća kod spojeva zavarenih alatom 310. U zavisnosti od alata, pri istim parametrima zavarivanja dobijene su različite vrednosti zateznih čvrstoća a razlika iznosi do 13%. Pokazano je da mala modifikacija u dizajnu trna alata ima velikog uticaja na formiranje spoja i njegove mehaničke karakteristike.