Tool assisted friction welding of mild steel

Abstract

The present work aimed to analyse the thermomechanical conditions in Tool Assisted Friction Welding (TAFW) of mild steel, by relating the process parameters with output parameters, namely, the torque and the temperature. With this objective, linear lap welds were made in 1 mm thick plates of DC01 carbon steel. The process parameters considered in the investigation were the rotational and the traverse speeds and the tool diameter. The temperature evolution during welding was registered using a thermographic camera and the torque evolution was acquired from the welding equipment. Transverse cross-sections of the welds were cut for morphological analysis and the strength of the joints was assessed by performing tensile-shear tests. The strain distribution in the samples, acquired using Digital Image Correlation (DIC), was used in order to determine the local properties of the weld. Finally, an analysis of the torque and of the temperature evolutions, with process parameters, was also made to understand the influence of the process parameters on the joints properties.The results obtained allowed to conclude that lap welding of 1 mm thick steel plates may be carried out successfully by TAFW, using a penetration depth of only 0.1 mm. It was also found that both the traverse and rotational speeds have an important influence on the temperature distribution during welding, and in this way, on the morphology of the process affected zone (PAZ). For a constant traverse speed, the increase in the rotational speed conducts to an increase of the welding temperature. On the other hand, for a constant tool rotational speed, the increase of the traverse speed conducts to a decrease of the welding temperature. Independently of the rotational speed, all the welds produced with 1400 mm/min traverse speed were defective or not welded. All the other welds produced with the 16 mm diameter tool have strength similar to that of the base material. It was also found that the tool diameter, axial force and rotational speed strongly influence the welding torque.

O presente trabalho teve como objetivo analisar as condições termomecânicas durante a soldagem por Tool Assisted Friction Welding (TAFW), relacionar os parâmetros de entrada com os principais parâmetros de saída: binário e temperatura. Com este objetivo, foram realizadas soldaduras lineares em juntas sobrepostas utilizando um aço-carbono, DC01, com espessura de 1 mm, como material base. Os parâmetros dos processos considerados na investigação foram a velocidade de rotação e de avanço e o diâmetro da ferramenta. A evolução da temperatura durante a soldadura foi registada por uma câmara termográfica e a evolução do binário por o equipamento de soldadura. As secções transversais das soldaduras foram cortadas para fazer uma análise metalográfica, e uma análise da resistência da soldadura caracterizada pela realização de ensaios transversais de tração-cisalhamento. Durante os ensaios foi usada a aquisição de dados de deformação por Digital Image Correlation (DIC). A análise de sensibilidade do binário e da temperatura foi feita, de forma a perceber a influência dos parâmetros de entrada nas propriedades das soldaduras.Os resultados obtidos permitiram concluir que a soldadura sobreposta por TAFW em placas de aço com 1 mm de espessura e uma penetração inferior a 0.1mm podem ser realizadas com sucesso. Verificou-se também que as velocidades quer de avanço quer de rotação têm importante influência na distribuição da temperatura durante o processo, que está relacionada com a morfologia da zona afetada pelo processo (PAZ). Para uma velocidade de avanço constante o aumento da velocidade de rotação promove o aumento da temperatura do processo. Por outro lado, para uma velocidade de rotação da ferramenta constante, o aumento da velocidade de avanço promove uma diminuição de temperatura Independentemente da velocidade de rotação, todas as soldaduras produzidas a uma velocidade de 1400 mm/min apresentam defeitos ou não estão soldadas. No entanto todas as outras soldaduras produzidas com a ferramenta de 16 mm de diâmetro apresentam uma curva de Força-Deformação semelhante á do material base. Verificou-se também que a força axial, o diâmetro da ferramenta e velocidade de rotação têm forte influência na evolução do torque.