Microstructure Analysis of Friction Stir Welding of Aluminum Alloy 6061 Coated with Copper Nanofilm

Abstract

У роботі представлено вплив різних вхідних параметрів процесу на розмір зерен алюмінієвого сплаву 6061, покритого мідною наноплівкою, при зварюванні фрикційним перемішуванням. У цьому експерименті мідна наноплівка формується методом термічного випаровування з боків пластин з алюмінієвого сплаву. Мідна плівка осідає всередині вакуумної камери під тиском 4·10 – 4 Торр і зі швидкістю осадження 4-6 ангстрем на секунду. Температуру підкладки підтримують від 40 до 45 °С. Відстань між човном і підкладкою підтримується на рівні 10 см. Мідні наноплівкові покриття товщиною 300, 600 та 900 нм виготовляються на різних пластинах з алюмінієвого сплаву. Зварювальний апарат з фрикційним зварюванням використовується для стикового зварювання на алюмінієвому сплаві 6061, покритому мідною наноплівкою різної товщини. Площа зерна та периметр зерна слугують вихідними параметрами. На основі трьох вхідних параметрів, кожен на трьох рівнях, проводиться 9 експериментів із застосуванням ортогонального масиву Taguchi L9. Модель регресії також розроблена для прогнозування розміру зерна мікроструктури. Розмір зерна цих зразків відмічається за допомогою програмного забезпечення для аналізу зображень з перевернутим металургійним мікроскопом при збільшенні 200Х. Показано, що покриття мідною наноплівкою має значний вплив на площу зерна та периметр зерна. Збільшуючи товщину плівки з 600 до 1800 нм, середня площа зерна зменшується на 20,83 мкм2 і одночасно середній периметр зерна зменшується на 8,57 мкм. Крім того, мідне наноплівкове покриття має максимальний вплив на розмір зерна з наступною швидкістю зварювання та швидкістю обертання інструменту. Збільшуючи швидкість зварювання з 30 до 60 мм/хв, периметр зерна зменшується на 6,47 мкм, тоді як швидкість обертання має змішану реакцію.

This work presents the effect of various input process parameters on grain size of aluminum alloy 6061 coated with copper nanofilm in friction stir welding. In this experiment, copper nanofilm is coated with thermal evaporation unit on the sides of aluminum alloy plates. Copper film is deposited inside the vacuum chamber at a pressure of 4 x 10 – 4 Torr and a deposition rate of 4-6 Å per sec. The substrate temperature is maintained at 40 to 45 °C. The distance between the boat and the substrate is maintained at 10 cm. Copper nanofilms with a thickness of 300, 600 and 900 nm are fabricated on various aluminum alloy plates. Friction stir welding machine is used to perform the butt welding on aluminum alloy 6061 coated with copper nanofilm with different thickness. Welding speed, tool rotational speed and copper nanofilm coating thickness are considered as input process parameters, and grain size viz. grain area and grain perimeter as output parameters. Based on three input parameters, each at three levels, nine experiments are carried out using Taguchi L9 orthogonal array approach. Regression model is also developed to predict the grain size of the microstructure. Grain size of these samples is noted by using image analysis software with inverted metallurgical microscope at 200X magnification. It is observed that copper nanofilm coating has a significant impact on the grain area and grain perimeter. By increasing the nanofilm thickness from 600 to 1800 nm, the mean grain area decreases by 20.83 µm2 and simultaneously the mean grain perimeter decreases by 8.57 µm. Also, the copper nanofilm coating has the maximum effect on the grain size, followed by welding speed and tool rotational speed. By increasing the welding speed from 30 to 60 mm/min, the grain perimeter decreases by 6.47 µm, whereas the rotational speed has a mixed response.