Numerical and experimental investigation of friction stir welding

Aim of this work is to gain a good understanding of the DeltaN friction stir welding process of Al2024. Three different test campaigns were held, during which small coupon samples were joined. Temperatures were measured through the use of type K thermocouples and acting forces through load cells. Deformations were also recorded for the 1st test campaign through photogrammetry. The process was simulated with MSC Marc software. The test structure has been idealized with different contact bodies and different meshes, depending on their purpose. The analyses were thermo-structural fully coupled with non-linear material behaviour: Different stress-strain curves depending on temperature for the different microstructural zones were applied. The power input is modeled through a heat source, thus no material flow has been modeled. Process parameters and their influence on temperature distribution have been also investigated (through both experimentation and numerical simulations) and the energies involved were defined and when possible also quantified. Finally, the numerical results were correlated to experimental results.

Lo scopo principale di questo lavoro è comprendere il processo di giunzione, mediante la tecnologia DeltaN friction stir welding. A tal fine sono state effettuate tre diverse campagne sperimentali, durante le quali sono stati giuntati provini in lega di alluminio 2024. La distribuzione di temperatura sugli stessi è stata misurata tramite termocoppie di tipo K, mentre le forze di processo agenti tramite celle di carico. Le deformazioni dei provini sono state acquisite attraverso fotogrammetria, nella prima campagna sperimentale. Il processo è stato simulato utilizzando il software MSC Marc, per correlare i risultati con quelli sperimentali e comprendere i parametri e le grandezze in gioco. La struttura sperimentale è stata modellata con più corpi di contatto e diverse discretizzazioni. Sono state effettuate analisi termo-meccaniche, con comportamento non lineare del materiale. In particolare, sono state usate curve sforzi-deformazioni dipendenti dalla temperatura, a seconda delle zone microstrutturali dei provini. La potenza fornita durante il processo è stata modellata con una fonte di calore, nel modello non è dunque presente un flusso di materiale. I parametri di processo e la loro influenza sulla distribuzione di temperatura sono stati ampiamente valutati, sia dal punto di vista numerico, sia sperimentale. L'energia richiesta ed i suoi diversi flussi sono stati individuati e, ove possibile, quantificati. Infine i risultati numerici sono stati correlati a quelli sperimentali, tramite un'opportuna scelta dei parametri investigati.