Science and Technology of Welding and Joining

Hàn chấm, đặc biệt là hàn chấm điện trở (RSW), là một quy trình nối quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Sự phát triển của các loại thép siêu cường độ cao cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô đi kèm với thách thức là hiểu rõ hơn về kim loại học vật lý và cơ học của các vật liệu này trong quá trình RSW. Bài báo này xem xét một cách phê phán hiểu biết cơ bản về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất trong các mối hàn chấm thép ô tô. Điểm chú ý là các đặc tính kim loại học, sự tương quan giữa độ cứng và vi cấu trúc, sự chuyển đổi giữa các chế độ hỏng liên kết và kéo ra, cũng như hiệu suất cơ học của các mối hàn chấm thép dưới các điều kiện tải trọng tĩnh gần, mệt mỏi và va đập. Một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về hàn chấm bằng quay ma sát, như một sự thay thế cho RSW, cũng được bao gồm.

The feasibility of friction stir welding (FSW) of steel is demonstrated. Tensile and bend testing have confirmed that the mechanical properties of friction stir welded 12% chromium alloy and low carbon steel joints compare favourably with the properties of the parent metal. Some initial feasibility studies of FSW of both 12% chromium alloy and low carbon steel are described. Although more development work is needed, particularly to improve tool materials, the prognosis for continued developments in FSW of steel is shown to be good.

Pulsed Nd:YAG laser welds were produced on 23 different austenitic stainless steel alloys of known composition. The primary solidification mode (PSM) and solidification cracking susceptibility of individual welds on each alloy were identified and correlated with their compositions. Single phase austenite solidification occurred in alloys with Cr equivalent to Ni equivalent ratios (Cr_eq/Ni_eq) below approximately 1.59 (Hammar and Svennson equivalency relations). Alloys having a Cr_eq/Ni_eq value above approximately 1.69 exhibited single phase ferrite PSM, whereas alloys for which Cr_eq/Ni_eq was between 1.59 and 1.69 displayed either single phase ferrite PSM or a dual PSM with grains of single phase austenite adjacent to grains of single phase ferrite. The results of the present work were combined with those of a previous study to construct an improved weldability diagram for pulsed Nd:YAG laser welding of austenitic stainless steels. Consistent with previous observations, alloys that solidified as primary austenite were more prone to solidification cracking. Alloys that solidified as austenite (Cr_eq/Ni_eq < 1.59) generally cracked when the combined impurity content (P + S) was greater than approximately 0.02%. However, cracking was not found in alloys that solidified as primary austenite with combined impurity content less than approximately 0.02%. Solidification cracking behaviour of alloys that solidified in a dual mode (1.59 < Cr_eq/Ni_eq < 1.69) appeared to vary with impurity content. No cracking was observed in any of the alloys that solidified as primary ferrite (Cr_eq/Ni_eq > 1.59).

Laser welding, as a highly efficient processing technology, has been widely applied to manufacturing industry. This paper makes an overview on real time monitoring of laser welding. It begins with a detailed introduction to six typical sensors (photodiode, visual, spectrometer, acoustical sensor, pyrometer, plasma charge sensor) in laser welding detection. Then it makes a review on multi-sensor fusion technology in both laser welding monitoring and adaptive control. Last, subjects for future research concerning welding monitoring and control have been proposed. The paper concludes that the real-time monitoring of laser welding can provide a great amount of valid information about welding status to help effectively identify weld defects and realize adaptive control.

Hot rolled DH36 carbon steel, 6.4 mm in thickness, was friction stir welded at speeds of 3.4 mm s^-1 (8 in min^-1), 5.1 mm s^-1 (12 in min^-1), and 7.6 mm s^-1 (18 in min^-1). Single pass welds free of volumetric defects were produced at each speed. The relationships between welding parameters and weld properties are discussed. Optical microscopy, microhardness testing, and transverse and longitudinal tensile tests have been performed. Bainite and martensite are found in the nugget region of the friction stir welds whereas the base material is comprised of ferrite and pearlite. The maximum hardness is observed in the weld nugget, and the hardness decreases gradually from the weld nugget, through the heat affected zone, to the base metal. Tensile testing also indicates overmatching of the weld metal relative to the base metal. Maximum hardness and longitudinal (all weld metal) tensile strengths increase with increasing welding speeds. Weld transverse tensile strengths are governed by the base metal properties, as all transverse tensile bars fail in the base metal.

Although sound AA6061-T6 joints can be produced by friction stir welding, a loss in strength takes place in the weld region. In this study, it was demonstrated that the strength of the nugget could be increased by the use of a higher strength interlayer during friction stir welding. This strength recovery cannot, however, be attainable in the heat affected zone. Although an external cooling was applied during welding in order to increase strength in the heat affected zone, it was not sufficient for achieving the required cooling condition for improved strength.

An investigation has been carried out of the effects of tool probe shape and size on the formation of surface composite by uniformly distributing SiC particles into a surface layer of an A1050-H24 aluminium plate through friction stir processing (FSP). Tool probes of three different diameters (3, 5 and 7 mm) and four different shapes (circular with threads, circular without threads, square and triangular) have been used to fabricate the surface layers at rotation speeds of 1500–2250 rev min⁻¹ and a travelling speed of 1·66 mm s⁻¹. The SiC particles were packed into a groove of 3 mm width and 1·5 mm depth cut on the aluminium plate and covered by an aluminium sheet of 2 mm thickness. A rotating tool was plunged into the plate through the cover sheet so that the tip of the probe reached beyond the bottom of the groove. As a result, it was found that the square probe dispersed the SiC particles homogeneously in the nugget zone compared with other probe shapes regardless of the rotation speeds. Furthermore, the distributed particles and also the aluminium matrix grain size became finer by the use of square probe than those of the other shapes. On the other hand, the wear rates of the square and triangular probes were higher than that of circular shape. The worn iron debris from the tool reacted with aluminium matrix and form fine iron aluminides compound dispersed in the nugget zone. The probe size had limited effects on the homogeneity of the SiC particles distribution in the nugget zone; the distribution of SiC particles obtained by triple FSP passes was less homogeneous when the probe size was smaller. Microhardness of the nugget zone was homogeneously increased to a level as high as 60 HV with tool of square probe shape after three passes to be compared with 23 HV of the aluminium matrix beside the nugget zone.

Trong bài báo hiện tại, một nỗ lực đã được thực hiện để liên kết giữa điều khiển quá trình hàn trục khuỷu bằng ma sát (FSW) và các biến phản hồi. Nhiều điểm tương đồng đáng kể giữa các mối quan hệ giữa mô-men xoắn, kích thước hạt hàn, lực trên trục x và tốc độ quay của dụng cụ đã được làm rõ cho ba loại hợp kim nhôm khác nhau. Việc so sánh công việc thực nghiệm với các kết quả từ mô phỏng quá trình cho thấy rằng trong mỗi trường hợp, một giới hạn nhiệt độ đã đạt được vượt qua giá trị tới hạn nào đó của tốc độ quay dụng cụ. Một phương pháp đơn giản để ước tính biến dạng và tốc độ biến dạng trong các mối hàn trục khuỷu bằng ma sát đã được trình bày. Độ căng chảy trong quá trình FSW được tính toán từ các giá trị mô-men xoắn đo được và được phân tích liên quan đến độ căng chảy của hợp kim nhôm đo được qua các thử nghiệm xoắn và kéo tiêu chuẩn ở nhiệt độ cao. Kết quả cho thấy có thể rằng điều kiện ma sát bám không phải lúc nào cũng áp dụng trong quá trình FSW (trên toàn bộ hoặc một phần của dụng cụ) hoặc rằng, trên một tốc độ quay dụng cụ tới hạn, tiếp xúc được bôi trơn không liên tục xảy ra do sự nóng chảy cục bộ trong vùng quá trình hàn.

The effects of increasing the nickel content from 3 to 7 or 9 wt-% were investigated in high strength steel weld metals with 2 wt-% manganese. Nickel additions were beneficial to strength but detrimental to impact toughness. Significant segregation of nickel and manganese to interdendritic regions was observed at the two higher nickel contents. In these weld metals a mainly martensitic microstructure developed at interdendritic regions, whereas bainite was found at dendrite core regions. The microstructural inhomogeneity was due to segregation and the accompanying stabilisation of austenite in solute enriched regions to lower transformation temperatures. With 3 wt-% nickel the microstructure was found to be more homogeneous, with mainly bainite forming. The decrease in impact toughness with increasing nickel content was mainly attributed to the formation of coarse grained coalesced bainite.

Trong nghiên cứu hiện tại, một nỗ lực đã được thực hiện để nối hai hợp kim kim loại nhẹ khác nhau, đang trở nên quen thuộc trong ngành công nghiệp ô tô, tức là hợp kim nhôm AA5083 và hợp kim magiê AZ31, bằng quy trình hàn chấm khuấy. Các mối hàn chồng đã được thực hiện với các thông số hàn khác nhau, và các cấu trúc vi mô tại giao diện và khả năng cắt chéo của các mối hàn này đã được kiểm tra. Hàn chấm khuấy đã tạo ra các mối hàn không có khuyết tật, mặc dù có một lớp giao diện dày chủ yếu được tạo thành từ các hợp chất bimetallic. Độ dày của lớp giao diện dường như không ảnh hưởng đến khả năng cắt chéo của mối hàn, trong khi sự phân bố của các hợp chất bimetallic trong lớp giao diện có ảnh hưởng đến điều này. Các yếu tố cấu trúc vi mô của giao diện chi phối khả năng cắt chéo của mối hàn đã được xem xét.