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Title: Analysis of friction stir weldability of aluminium to copper
Authors: Galvão, Ivan Rodolfo Pereira Garcia 
Orientador: Loureiro, Altino de Jesus Roque
Rodrigues, Dulce Maria Esteves
Keywords: Friction stir welding; Al-Cu weldability
Issue Date: 30-Jul-2014
Citation: GALVÃO, Ivan Rodolfo Pereira Garcia - Analysis of friction stir weldability of aluminium to copper. Coimbra : [s.n.], 2014. Tese de doutoramento, Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/25964
Abstract: Friction stir welding (FSW) is a solid-state welding technology with increased potential for joining dissimilar materials with strong differences in physical and mechanical properties, as well as high chemical affinity, such as aluminium and copper (Al-Cu). Nevertheless, although Al-Cu FSW has high scientific, technical and economic interest, very scarce research had been conducted in this field until a few years ago, and so, most of the core issues on Al-Cu friction stir weldability remained largely unexplored. This way, current work, conducted from September 2009 to June 2014, in the Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra, had the purpose of analysing the friction stir weldability of aluminium to copper. Large number of Al-Cu butt and lap welds, produced using a wide range of welding conditions and three distinct base materials (AA 5083-H111 and AA 6082-T6 aluminium alloys and deoxidised high phosphorous copper), were subjected to a broad spectrum of experimental analyses, aiming their structural, morphological and mechanical characterisation. The characterisation of the material flow mechanisms occurring during welding evidenced that both the base materials mixing and the material deposition, at the rear of the tool, are strongly influenced by the shoulder geometry and the relative positioning of the base material plates, seriously impacting on the structure and morphology of the welds. From the study of the intermetallic phases’ formation and distribution, it was found that the formation of the intermetallic phases is governed by a thermomechanically induced solid-state diffusion phenomenon occurring inside the shoulder and pin-governed mixing volumes. The structural and morphological characterisation of the welds revealed that the morphology and the intermetallic content of the weld surface, which was concluded to be the key factor affecting the surface finishing of the welds, are strongly dependent on the shoulder geometry, but insensitive to the tool rotation and traverse speeds. On the other hand, the morphology and the intermetallic content of the weld nugget were found to be strongly influenced by both the shoulder geometry and the tool rotation and traverse speeds. Moreover, the study of the spindle torque evolution in Al-Cu FSW revealed that this physical quantity is highly sensitive to the formation of intermetallic phases and to the volume of material dragged by the tool at each revolution. However, the impact of each factor on the spindle torque was found to depend on the relative positioning of the base material plates. The analysis of the effect of the tool offset towards the aluminium alloy side on the structural, morphological and mechanical properties of the welds evidenced that this strategy significantly reduces base materials mixing, providing the production of welds with lower intermetallic content, both at the surface and nugget. So, tool offset revealed to be very suitable to achieve excellent surface finished Al-Cu welds. Nevertheless, it was not found to be effective to improve Al-Cu friction stir weldability, since welds with desirable strength were not achieved. A strong influence of the aluminium alloy type on Al-Cu friction stir weldability was also observed in current work. Important differences in the structural, morphological and mechanical properties of AA 5083/copper and AA 6082/copper friction stir welds, produced under similar conditions, were noticed. The mechanical behaviour of the aluminium alloys, under the extreme conditions of temperature and plastic deformation occurring during welding, was found to have strong influence on the welding results. Additionally, an impressive hardness increase was noticed in the nugget of the AA 5083/copper welds, which was inferred to result from the formation of a nano-structured aluminium region in this zone.
Friction stir welding (FSW) é uma tecnologia de soldadura no estado sólido com grande potencial para realizar ligações heterogéneas entre materiais com propriedades físicas e mecânicas muito distintas e com elevada afinidade química, sendo exemplo a ligação de alumínio a cobre (Al-Cu). Não obstante o elevado interesse científico, económico e técnico da ligação Al-Cu por FSW, a investigação nesta área, até há alguns anos, era praticamente inexistente, pelo que a maioria das questões relacionadas com a soldabilidade de ambos os metais por esta técnica permanecia quase totalmente inexplorada. Neste sentido, o presente trabalho, desenvolvido entre Setembro de 2009 e Junho de 2014, no Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra, teve como principal objectivo analisar a soldabilidade do alumínio ao cobre por FSW. Um número substancial de soldaduras Al-Cu, produzidas em juntas de topo e sobreposta, usando uma larga gama de condições de soldadura e três materiais base distintos (ligas de alumínio AA 5083-H111 e AA 6082-T6 e cobre desoxidado com elevado teor em fósforo), foi submetido a um amplo espectro de análises experimentais, por forma a caracterizar as suas propriedades estruturais, morfológicas e mecânicas. A caracterização dos mecanismos de fluxo do material durante a soldadura evidenciou que a mistura dos materiais base, assim como a deposição do material na parte de trás da ferramenta, na sequência do seu movimento de translação, são fortemente influenciados pela geometria da base da ferramenta e pelo posicionamento relativo dos materiais base, tendo forte impacto na estrutura e morfologia das soldaduras. Ao estudar-se a formação e distribuição das fases intermetálicas nas soldaduras, inferiu-se que a sua formação é resultado de um fenómeno de difusão no estado sólido, induzido térmica e mecanicamente, que ocorre nos volumes de mistura gerados pela acção da base e do pino da ferramenta. A caracterização estrutural e morfológica das soldaduras revelou ainda que tanto a morfologia como o conteúdo intermetálico das superfícies de soldadura, factor com influência preponderante no seu acabamento superficial, são fortemente dependentes da geometria da base da ferramenta, mas independentes das suas velocidades de rotação e de avanço. Por outro lado, a morfologia e o conteúdo intermetálico do nugget mostraram ser dependentes quer da geometria da ferramenta, quer das velocidades de rotação e de avanço. Adicionalmente, o estudo da evolução do binário imposto na ferramenta, durante o processo de soldadura, revelou que esta grandeza física é sensível à formação de fases intermetálicas, bem como ao volume de material arrastado pela ferramenta em cada rotação. Todavia, verificou-se que o impacto de cada factor no binário registado durante o processo depende do posicionamento relativo dos materiais base. Ao analisar-se o efeito do desvio da ferramenta, relativamente à linha de interface dos materiais a ligar, para o lado da liga de alumínio, nas propriedades estruturais, morfológicas e mecânicas das soldaduras, verificou-se que esta estratégia proporciona uma redução significativa da mistura dos materiais base, levando à produção de soldaduras com menor conteúdo intermetálico, tanto à superfície como no nugget. Assim, concluiu-se que o desvio da ferramenta é uma estratégia de grande eficácia na obtenção de soldaduras Al-Cu com excelente acabamento superficial. Porém, não apresenta qualquer mais-valia no que respeita à melhoria da soldabilidade Al-Cu por FSW, uma vez que origina soldaduras com resistência mecânica insuficiente. O estudo permitiu ainda verificar que o tipo de liga de alumínio tem forte influência na soldabilidade Al-Cu por FSW. Efectivamente, soldaduras AA 5083/cobre e AA 6082/cobre, produzidas sob as mesmas condições de soldadura, apresentaram propriedades estruturais, morfológicas e mecânicas bastante distintas. Concluiu-se, assim, que o comportamento mecânico das ligas de alumínio, sob as extremas condições de temperatura e deformação plástica experienciadas durante a operação de soldadura, tem grande influência nos resultados finais obtidos. É ainda de realçar que um aumento de dureza assinalável foi observado no nugget das soldaduras AA 5083/cobre, sendo resultado da formação de uma região de alumínio nanoestruturada nesta zona.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, especialidade de Tecnologia da Produção, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/25964
Rights: embargoedAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento

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