The Effect of Rotation Speed and Dwell Time on the Mechanical Properties and Microstructure of Dissimilar Aluminum-Titanium Alloys by FSSW Process

Abstract

Friction Stir Spot Welding (FSSW) is a novel solid-state joining process developed by Mazda and Kawaski and patented in 2003. It utilizes a profiled rotating pin that plunges into the joint and penetrates the material surface to the tool's shoulder and material is softened by heat-input generated by friction on contact area. FSSW has several advantages over fusion joining processes, as it is could be more cost effective, durable and reliable than conventional spot welding processes. In addition, joints made by FSSW process have high shear tensile strength without adding weight than rivets, bolts, nuts and fasteners. Recently, many researches have applied FSSW for joining of similar as well as dissimilar alloys such as; Al-Al, Mg-Mg, Al-Cu, and Al-Mg alloys. This study focuses on FSSW of aluminum alloy with grade 5 titanium (AA 6061; Ti-6Al-4V), and the relationship between the welding parameters of; tool rotation speed and dwell time on the mechanical properties and microstructure of welded joint, which it is investigated by empirical observation utilizing SEM-EDS analysis, shear tensile and Vickers hardness tests. Tow-level factorial design was conducted for welding parameters. It is observed that the joint quality, mechanical behavior and microstructural evolution in the welded regions are considerably affected by the welding parameters. The microhardness profiles of titanium have significantly affected by heat-input. Additionally, maximum shear load was produced at 1000 rpm and 10 sec dwell time. SEM-EDS analyses detected the formation of Intermetallic Compounds (IMC) of AlTi3 patterns near to Thermomechancial Affected Zone (TMAZ). Keywords: Friction Stir Spot Welding, Aluminum Alloy, Titanium Alloy, Lap-joint, Welding Parameters

ÖZ: Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW), Mazda ve Kawaski tarafından geliştirilen ve 2003 yılında patenti alınmış yeni bir katı hal birleştirme işlemidir. Ekleme içine giren ve malzeme yüzeyini aletin omzuna geçiren profilli bir döner pim kullanır ve malzeme tarafından yumuşatılır. Temas alanındaki sürtünme sonucu oluşan ısı girişi. FSSW, füzyon birleştirme işlemlerine kıyasla, avantajlı nokta kaynak işlemlerinden daha uygun maliyetli, dayanıklı ve güvenilir olabileceğinden, çeşitli avantajlara sahiptir. Ek olarak, FSSW işlemiyle yapılan bağlantıların perçin, cıvata ve somun tutturuculara göre ağırlık eklemeden daha yüksek kesme gerilme mukavemeti vardır. Son zamanlarda, pek çok araştırma, benzerlerinin yanı sıra benzer olmayan alaşımların bir araya getirilmesi için FSSW'yi uygulamıştır; Al-Al, Mg-Mg, Al-Cu ve Al-Mg alaşımları. Bu çalışma 5. sınıf titanyumlu (AA 6061; Ti 6Al-4V) alüminyum alaşımlı FSSW ve kaynak parametreleri; Kaynaklı mafsalın mekanik ve mikroyapısal özellikleri üzerinde takım dönme hızı ve durma süresi, SEM-EDS analizi, kesme gerilmesi ve Vickers sertlik testleri ile ampirik gözlemlerle incelenmiştir. Kaynaklı bölgelerdeki eklem kalitesi, mekanik davranış ve mikroyapısal evrimin kaynak parametrelerinden önemli ölçüde etkilendiği görülmektedir. Titanyumun mikro sertlik profilleri, ısı girişinden önemli ölçüde etkilenmiştir. Ek olarak, maksimum devir sayısı 1000 rpm'de ve 10 saniye kalma süresinde üretildi. SEM-EDS analizleri, Thermomechancial Affected Zone (TMAZ) 'a yakın AlTi3 desenlerinin İntmetalik Bileşiklerinin (IMC) oluşumunu göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı, Alüminyum Alaşımı, Titanyum Alaşımı, Lap-eklem, Kaynak Parametreleri