AZ31

Page 1

Dipl.‐Ing. Jakob Hilgert

Institute of Materials Research

Materials Mechanics and Joining

Solid‐State Joining Processes (WMP)

Geesthacht20/03/2012

[afrin]

Review:

Friction Stir Welding Magnesium AZ31

-2-

Content

Introduction FSW of Magnesium AZ31 Magnesium Alloy Material Properties after FSW Process Parameters Process Temperature Defects Failure Mode Dissimilar Welds References

AZ31, 355rpm‐160mm/min.

[johnson]

-3-

Joining of magnesium alloys by conventional  techniques  is very difficult due  to 

the several problems such as, cracking, expulsion and void in the weld Zone [1], a 

large  heat  affected  zone  (HAZ),  porosity,  evaporative  loss  of  the  alloying 

elements and high residual stresses [2]

FSW  is  capable  of  joining magnesium  alloy without melting*  it  and  thus  can 

eliminate problems related to the solidification

FSW of Magnesium

*) The possibility of local melting is being discussed

-4-

AZ31

[Carter]

0.2

‐

Mn [wt%]

Bal.13AZ31B

Bal.13AZ31

MgZn [wt%]Al [wt%]Alloy

The commercial AZ31B sheet material is used in most investigations. Nominal compositions given below:

Examples for applications of hot blow formed AZ31B sheet material. It is in the automotive industry due to the high weight saving potential

[Carter]

-5-

AZ31

Example: base material microstructure of the magnesium wrought alloy AZ31B

[Noster]

rolling direction

thickness direction

Grain size: inhomogeneous

Mean: 11µm

-6-

Material Properties after FSW‐grainsize‐

Properties of Friction Stir Welded AZ31 Magnesium alloy are reported controversially in literature. Afrin et. al. [1] have compiled results of various authors stating that the grain size of Friction Stir welded AZ31 can either be observed to grow [9] or to shrink [8] as compared to the base material. 

[commin]

13mm shoulder

10mm shoulder

-7-

Material Properties after FSW‐microhardness‐

The micro‐hardness is reported to increase by some [8] and to decrease by others [10]. The effect of FSW parameters on the material is also discussed controversially. 

[Wang]

[Satoshi]

-8-

Material Properties after FSW‐tensile strength‐

Weld4.0 201 124 AZ31, FSW 

Weld 3.5 201 127 AZ31, FSW 

10.0 292 205 AZ31, parent 

6.5 288 219 AZ31, parent 

15 290 220 AZ31‐H24, typical

12 255 200 AZ31, typical

Fracture locationElongation [%]Ultimate Stress [MPa]Proof Stress [MPa]Sample 

Johnson et. al. [4] report tensile properties of AZ31 FSW welds as compared to the base material

69% ‐ 79% 23% ‐ 61%

-9-

Material Properties after FSW‐tensile strength‐

base material

weld

[satoshi]

[Wang]

Some Authors [11] report a decrease of tensile strength of the weld with increasing welding speed while others [12] find no such effect. Even increasing tensile strength with increasing welding speed has been reported [8, 13]

-10-

Material Properties after FSW‐parameter sensitivity‐

The diversity of these results suggests a strong dependency of the material properties on the whole welding setup. 

Global  statements do not  seem  to be  readily  available.  This  is  in good  agreement with  the  statements  of Mishra et.  al.  [6]  in  the magnesium related part of their review on FSW and FSpW.

-11-

Process Parameters

Johnson  et.  al.  [4]  state  that  the  processing  parameters  of magnesium using FSW are found to be  lower than those known for aluminium.  This  is  attributed  to  the  close  packed  hexagonal structure of the magnesium with its limited slip systems.

Additionally sticking of material to the tool (coated and uncoated) is reported to cause defects on the weld surface.

fcc

(Aluminium)

hdp

(Magnesium)

-12-

Process Parameters‐process window‐

A process window has been suggested for 2mm thick plates by Commin et. al. [2]. Welding speeds V above 200mm/min and rotational speeds W of 

are needed to achieve sound welds. The quality of these welds is improved with increasing load, welding speed and rotational speed. 

mmmin rpm 4000

VW 2

2

Rotational speeds of 250 to 2500 rpm and welding speeds of 60 to 450 mm/min are reported in literature [6]

-13-

Process Temperature‐Measurements‐

[commin]

Temperature Measurements and analytical fits are available for many process parameters.

-14-

Process Temperature‐Modeling‐

The relationship between process parameters (V=welding speed and W=rotational speed) and the nugget temperature T has been reported by Commin et. al. [2]. A model developed by Abregast et. al. [14] was used to find:

With the empirical constants K=0.8052 and alpha=0.0442. Tm is the alloy melting point assumed at 610°C [15].

4

2

10VWK

TT

m

-15-

Defects

[zhang]

The defects in a weld at different welding speeds. The white arrow is directed to the welding line at the bottom of the weld.

40mm/min 200mm/min

250mm/min 600mm/min

-16-

Defect Model

Zhang et.al. [7] have proposed an analytical model based on the welding pressure to predict defect free welds:

When the welding pressure P and the rotational speed vr are kept at a constant value, the welding speed vw must be less than a material specific value α to avoid the formation of pores.

When the welding speed is kept constant, the welding pressure and the rotational speed must larger then a specific value.

!! rate

w

r rPvvP

-17-

Failure Mode

Afrin et. al.  [1]  report  that  the majority of  the welded  tensile specimens  fracture  in  the boundary region between the stir zone and the TMAZ. The failure mode is 45° shear fracture. This is explained by the grain growth and  the presence of oxides on the  fracture surface. Both dimple and cleavage like  fracture  are  reported.  This  is  in  good  agreement with  results  from  Sunggon et.  al.  [5] which additionally report the fracture to occur predominantly on the advancing side of the weld.  

[afrin]

[sunggon]

base material

Friction Stir Welded

-18-

Failure Mode

[commin]

Typical fractography of friction stir welds failure (1000 rpm, 200 mm/min)

oxides

-19-

Dissimilar Welds

When  welding  AZ31  to  other magnesium  alloys  Johnson  et.  al.  [4]  found  that  it  has  a  positive influence to place the AZ31 on the retreating side of the weld.

Dissimilar welds of AZ31 to AA6040 aluminium alloy have been reported by Satoshi et. al.  [10] and recently by Kostka et. al. [3]. The AZ31 is place on the retreating side of the weld here as well.

AZ31

AZ31 Mg Alloy

Al Alloy

AS      RS

AS      RS

-20-

Dissimilar Welds

[kostka]

Figure 2. Secondary electron micrograph of the AA6040 Al alloy and AZ31 Mg alloy interface: (a) AZ31 Mg alloy inclusion incorporated in the AA6040 Al alloy and surrounding intermetallic phase formation and (b) more detailed view of the intermetalliccompound formed.

Figure 1.Montage of backscattered electron micrographs of the crosssection (shoulder flow arm) of the friction stir zone (Advancing side of the tool is on the right in the AZ31 alloy).

-21-

Dissimilar Welds

It is suggested that the intermetallic phase found at the joining interface are formed in a very complex process wherein the dominant mechanism has not yet been revealed.

[kostka]

-22-

References

[1] N. Afrin, D.L. Chen, X. Cao, M. Jahazi, Materials Science and Engineering A 472 (2008) 179–186

[2] L. Commin, M. Dumont, J.‐E. Masse, L. Barrallier, Acta Materialia 57 (2009) 326–334

[3] A. Kostka, R.S. Coelho, J. dos Santos and A.R. Pyzalla, Scripta Materialia 60 (2009) 953–956

[4] R. Johnson, P. Threadgill, Magnesium Technology 2003 Edited by Howard I. Kaplan TMS (The Minerals, Metals & Materials Society), 2003 

[5] L. Sunggon, K. Sangshik, L. Chang‐gil, Y. Chang Dong, and K. Sung Joon, Metallurgical And Materials Transactions A 36A, (2005), pp. 1609‐1612.

[6] R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Mater. Sci. Eng. R 50 (2005) 1–78.

[7] H. Zhang, S.B. Lin, L. Wu, J.C. Feng, Sh.L. Ma, Materials and Design 27 (2006) 805–809 

[8] X.H. Wang, K.S. Wang, Mater. Sci. Eng. A 431 (2006) 114–117. 

[9] W.B. Lee, Y.M. Yeon, S.B. Jung, Mater. Sci. Technol. 19 (2003) 785–790. 

[10] H. Satoshi, O. Kazutaka, D. Masayuki, O. Hisanori, I. Masahisa, A. Yasuhisa, Q. J. Jpn. Weld. Soc. 21 (2003) 539–545.

[11] W.B. Lee, Y.M. Yeon, S.K. Kim, Y.J. Kim and S.B. Jung In: H.I. Kaplan, Editor, Magnesium Technology 2002, TMS (2002), pp. 309–312.

[12] S. Lim, S. Kim, C.‐G. Lee, C.D. Yim and S.J. Kim, Metall. Mater. Trans. A 36 (2005), pp. 1609–1612.

[13] M. Pareek, A. Polar, F. Rumiche and J.E. Indacochea, Proceedings of the Seventh International Conference on Trends in Welding Research Pine Mountain, GA, United States, May 16–20, 2005, ASM International (2006), pp. 421–426.

[14] W.J. Arbegast, P.J. Hartley, in: Proceedings of the Fifth International Conference of Trends in Welding Research, Pine Mountain, GA, June 1–5, 1998, p. 541.

[15] magnesium‐elektron.com

-23-

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION