Preliminary study on the mechanical behavior of Friction Spot Welds

Abstract

The Friction Spot Welding - FSpW is a solid-state process that allows joining two or more metal sheets in lap configuration with no residual keyhole as occurs in the Friction Stir Welding - FSW process. The present work reports part of the efforts made at GKSS Research Centre to better understand the complex phenomena that take place during FSpW of aluminum alloys and establish the mechanical response of the resulting joints. Over the recent years the research on modeling friction based welding processes has increased considerably. Most of the works related to this subject deal with the process mechanics. On the other hand, some investigations have shown how the process variables affect the mechanical properties of the joints, but it is very difficult to find quantitative results that can be readily used for mechanical design purposes. The aim of this work is to develop an analysis procedure based on the process characteristics that allows evaluating how the resulting geometry and microstructure affect the joint mechanical behavior. For this, the results of the mechanical tests obtained on AA2024-T3 aluminum alloy were used to calibrate and validate a numerical model that was used to predict the joint failure mode. The model reproduced the specimen geometry and load conditions adopted in the lap-shear and cross-tensile tests. The joint was considered as formed by three main regions (SZ - stir zone, TMAZ - thermo mechanically affected zone and HAZ - heat affected zone) whose properties and dimensions were based in microhardness evaluation and macrographic analysis of welded specimens. It was observed a good agreement between the simulation results and experimental data. The numerical modeling of the joints allows the prediction of the joint mechanical properties, as well as to understand how a change in geometry and property of each region affects the final mechanical behavior. Based in the obtained results, the analysis procedure can be easily extended to the related friction based spot processes as Friction Stir Spot Welding - FSSW.

O processo de Soldagem a Ponto por Fricção (FSpW - Friction Spot Welding) caracteriza-se por possibilitar a união no estado sólido de duas ou mais chapas de material sobrepostas sem deixar o furo residual característico do processo FSW. O presente trabalho apresenta os primeiros resultados de estudos visando determinar a resistência mecânica de juntas em ligas de alumínio soldadas por FSpW. Recentemente diversos estudos sobre o modelamento numérico de soldas realizadas por processos de soldagem baseados em fricção têm sido realizados, entretanto a maioria destes estudos está relacionada à física do processo. Alguns trabalhos estabelecem a relação entre as variáveis de processo e as propriedades mecânicas da junta resultante, mas é muito difícil encontrar na literatura resultados quantitativos que possam ser usados diretamente para projeto destas uniões. O presente trabalho objetiva desenvolver um processo de análise baseado nas características do processo que permita avaliar como a geometria e microestrutura das regiões da solda afeta o comportamento mecânico das juntas resultantes. Com este objetivo, os resultados de ensaios mecânicos realizados em juntas de alumínio AA2024-T3 foram usados para validar e calibrar um modelo numérico desenvolvido para prever o modo de falha da união. O modelo numérico reproduz as dimensões e carregamento utilizados nos ensaios de cisalhamento e traçao. As dimensões e propriedades das regiões principais da junta (ZM - zona de mistura, ZTMA - zona termo-mecânicamente afetada, ZAC - zona afetada pelo calor e MB - metal base) foram definidas com base na medição da dureza e análises macrográficas de corpos de prova soldados com diferentes parâmetros. Pode-se comprovar uma ótima correlação entre os resultados obtidos nas simulações e os dados experimentais. O modelamento numérico das juntas pernite a previsão das propriedades mecânicas da junta e auxilia na compreensão da influência da geometria e propriedades de cada região sobre o seu desempenho em serviço. Baseado nos resultados obtidos, o procedimento de análise pode ser facilmente adaptado para o processo de Soldagem a Ponto por Fricção e Mistura Mecânica (FSSW - Friction Stir Spot Welding).