Date of Award

3-2012

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Abdel-Hamid AI. Mourad

Second Advisor

Dr. Khalifa H. Harib

Abstract

The fracture behavior of friction stir welded joints of aluminum alloy 5083-H111 was studied in this investigation. Different samples of stir welded joints at variable tool rotational speeds (1660 rpm, 850 rpm, and 675 rpm), different traveling speeds (24, 42, 55, 74, and 98 mm/min), and different tool pin shapes (cylindrical, tapered and threaded) were studied to investigate the effect of process parameters on the joint strength/load-bearing capacity. A series of tensile tests using an MTS machine, scanning electron microscope (SEM) analysis, and optical microscope analysis was conducted to study the effect of varying the rotational speed, traveling speed, and tool shape on the strength and microstructure of the welded joint. The tensile tests were used to study the mechanical behavior of the AA5083 base metal and the welded samples. The mechanical properties of AA5083 (yield strength, ultimate strength/fracture strength, modulus of elasticity, and percent elongation) were measured. This was followed by measuring the fracture strength of the welded joint. Scanning electron and optical microscopy were conducted to study the effect of the friction stir welding (FSW) process on the grain size in the different welding zones (parent, HAZ, TMAZ and nugget). A thermal camera was used during the welding process to measure the temperature of the welding zone.

A thermo-mechanical model has been developed in this work to predict some of the FSW parameters. The model was based on the energy balance. The energy generated due to friction between the tool surfaces and the metal and plastic deformation is balanced with heat energy due to the rise in metal temperature.

In general, the results illustrated that tool profile has a great effect on the strength of the welded joint. The threaded pin tool resulted in the highest strength among the used tools. A strength of 85% of the base metal strength was achieved. The tensile tests performed indicate that the tool rotation speed and traveling speed have also influenced the strength of the joint. The highest strength was achieved at tool rotational speed of 675 rpm if compared to the other rotational speeds regardless of the traveling speeds. As the tool rotational speed increases, the strength of the joint reduces. Tool traveling speed was also observed to be a major factor influencing the strength of the joint. Attempts were done to obtain the suitable traveling speed that should be implemented to achieve the desired strength. It has been noticed that the joint strength increases with traveling speed up to a certain speed (depending on the rotational speed and pin profile) and then reduces with increasing the traveling speed.

Scanning electron microscopy and optical microscopy investigations showed that the grains inside the welding zone were refined and equiaxed resulting in higher hardness inside the nugget.

The results of the developed thermo-mechanical model overestimate the welding temperature. This was expected as the heat loss (due to conduction, convection, and radiation) was not considered in the model. Further, the effect of the generated temperature on the plastic deformation energy while welding was also not considered. Therefore, a scaling factor was introduced in the model to consider the reduction in plastic energy due to the increase in temperature. A scaling factor of 0.22 was found to predict the measured temperature.

Arabic Abstract

تم دراسة سلوك الكسر لوصلات نصفية من سبيكة الألمنيوم رقم H111 - 5083 والتي تم لحامها بتقنية اللحام بالاحتكاك، حيث تم إجراء هذه الدراسة على عينات مختلفة وبسرعات مختلفة لأداة اللحام (1660، 850، 675 لفة في الدقيقة)، وكذلك بسرعات تحرك مختلفة لأداة اللحام (24، 42، 55، 74، 98 ملمتر في الدقيقة)، وبأشكال مختلفة لمقدمة أداة اللحام (أسطواني، مخروطي، ومقلوب)، بغرض فحص تأثير هذه العوامل على متانة وسعة تحمل هذه الوصلات للأحمال. وقد تم إجراء سلسلة من اختبارات الشد لهذه الوصلات وذلك باستخدام ماكينة (MTS نظام اختبار المواد) وكذلك إجراء عمليات تحليل باستخدام ميكروسكوب المسح الإلكتروني SEM والميكروسكوب الضوئي، وذلك بغرض دراسة تأثير سرعة الدوران وسرعة الحركة والشكل الخاص بأداة اللحام على المتانة والبنية المجهرية لوصلات اللحام. وقد تم إجراء اختبارات الشد لدراسة السلوك الميكانيكي للسبيكة رقم AA5083 قبل عملية اللحام، وتم عن طريق هذه الاختبارات قياس كل من إجهاد الخضوع وإجهاد الكسر ومعامل المرونة وكذلك النسبة المئوية للاستطالة، وقد تلى ذلك قياس إجهاد الكسر لوصلات اللحام. وقد تم استخدام ميكروسكوب المسح الإلكتروني والميكروسكوب الضوئي لدراسة تأثير عملية اللحام بالاحتكاك على حجم الحبيبات في مناطق اللحام المختلفة (المعدن الأصلي، المنطقة المتأثرة بحرارة اللحام، والمنطقة المتأثرة بالحركة الميكانيكية والحرارية وكذلك منطقة وسط اللحام). وقد تم استخدام كاميرا حرارية أثناء عملية اللحام وذلك لقياس درجة الحرارة في منطقة اللحام.

وقد تم في هذه الدراسة تطوير نموذج ميكانيكي حراري للتنبؤ بتأثير بعض العوامل في عملية اللحام بالاحتكاك، وقد استند هذا النموذج على مبدأ توازن الطاقة حيث توازن الطاقة المتولدة نتيجة للاحتكاك بين أسطح أداة اللحام والمعدن وكذلك الناتجة عن التشوه (التشكيل) الدائم للمعدن مع الطاقة الحرارية الناتجة عن ارتفاع درجة حرارة المعدن.

وبصفة عامة فقد أوضحت النتائج أن شكل أداة اللحام له تأثير كبير على متانة وصلة اللحام، وقد أعطت أداة اللحام المخروطية أعلى متانة بين كل أشكال أدوات اللحام المستخدمة، حيث حصلنا من خلال استخدامها على متانة لوصلة اللحام تبلغ 85% من متانة المعدن الأصلي. وقد أوضحت اختبارات الشد التي تم إجراؤها أن سرعة دوران أداة القطع وكذلك سرعة تحرك أداة القطع لهما أيضاً تأثير واضح على متانة وصلة اللحام، حيث حصلنا على أعلى متانة لوصلة اللحام باستخدام سرعة دوران لأداة اللحام قدرها 675 لفة في الدقيقة وذلك في حالة المقارنة مع سرعات الدوران الأخرى وبغض النظر عن سرعة تحركها، واتضح أيضاً أنه كلما زادت سرعة الدوران فإن متانة وصلة اللحام تتناقص. وقد تبين أيضاً أن سرعة تحرك أداة اللحام تعتبر عامل ذو تأثير رئيسي على متانة وصلة اللحام، وقد تم إجراء محاولات للحصول على أنسب سرعة تحرك لأداة اللحام من خلالها نحصل على أعلى متانة لوصلة اللحام، وقد لوحظ تزايد متانة وصلة اللحام بزيادة سرعة تحرك أداة اللحام وذلك حتى قدر معين (اعتماداً على سرعة دوران أداة اللحام وكذلك شكل أداة اللحام) ثم يحدث تناقص لمتانة وصلة اللحام عند زيادة سرعة تحرك أداة اللحام.

وقد أوضحت الفحوصات التي تم إجراؤها باستخدام الميكروسكوب الماسح الإلكتروني والميكروسكوب الضوئي أن حبيبات المعدن في منطقة اللحام صارت متساوية الأبعاد وذات حجم أصغر مما نتج عنه زيادة في قراءات قياس الصلادة داخل منطقة وسط اللحام.

نتائج النموذج الميكانيكي الحراري المصغركانت أعلى مما تم قياسه لدرجة حرارة اللحام، وكان ذلك متوقعاً حيث أن فقد الحرارة نتيجة (التوصيل والحمل والإشعاع) لم يتم أخذه في الاعتبار في هذا النموذج. علاوة على ذلك فإن تأثير درجة الحرارة المتولدة أثناء عملية اللحام على طاقة التشوه الدائم لم تؤخذ أيضاً في الاعتبار. ولذلك تم إدخال عامل قياس في النموذج حتى يأخذ في الاعتبار النقص الناتج في طاقة التشوه نتيجة لزيادة درجة الحرارة، وقد وجدنا أن عامل القياس الذي يبلغ 0.22 هو الأنسب للتنبؤ بدرجة الحرارة التي يتم قياسها.

Download
COinS