Design, development and analysis of tools for hybrid friction stir channeling

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-06-12
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
IA3027
Degree programme
Master’s Programme in Mechanical Engineering
Language
en
Pages
98 + 6
Series
Abstract
The Friction Stir Channeling is a recent manufacturing technique based on the friction stir processing of a monolithic component, able to produces internal, closed channels in a single step, with any path and constant or continuously modified shape along the path. A new concept for this process: Hybrid Friction Stir Channeling, combines the concepts of Friction Stir Channeling and Friction Stir Welding. This is accomplished with development of specific tools inducing district material flows to join multiple components together while simultaneously producing an internal, closed and continuous channel. The focus of this investigation is on tool design, development and analysis. Tool design is critical for Hybrid Friction Stir Channeling performance and success. In this dissertation, probe and shoulder design are considered for development. Probe geometry is responsible for inducing two distinct material flow characteristics resulting in the formation of a weld nugget and an internal channel. Shoulder geometry is responsible for closing the channel and removing the extracted material in the form of detached flash. The influence of processing parameters on channel formation is studied for superior tool geometries. To analyze the effect of processing conditions, geometrical, microhardness and microstructural analyses are conducted. With the establishment of optimal processing parameters, channel stability, integrity and strength are analyzed. Three stability tests are established and conducted to understand Hybrid Friction Stir Channeling capabilities and limitations. Leak tests, utilizing helium, are conducted on a series of channels to provide an accurate understanding of channel integrity. Internal pressure tests are conducted to establish a leak pressure and a burst pressure for a series of channels to provide an accurate understanding of channel strength. Channel production was stable for many processing parameters studied. Channel path is only limited in minimum curvature by the size of the tooling used and in paths containing angles. Paths containing large sharp angles can be produced with the correct placement of the advancing side and retreating side in reference to the path. Channels possessed significant roughness, while maintaining stability, making Hybrid Friction Stir Channels ideal for thermal management applications. Leak tests reveal minimal leakage in the channels produced with a flow rate of 1.0E-06mbar*l/s. Pressure tests produced no conclusive information regarding leak pressure but did provide an average maximum pressure threshold of 400bar.

Kitkatappikanavointi on uusi kitkatappiprosessointiin perustuva valmistusmenetelmä, jolla voidaan valmistaa suljettuja kanavia yhdellä työvaiheella. Kanava voi kulkea vapaasti valittavan pinnan ja reitin mukaisesti ja kanavan muoto voi pysyä samana tai sitä voidaan säätää reitin mukaan. Uusi konsepti: Hybridikitkatappikanavointi yhdistää kitkatappikanavoinnin ja kitkatappihitsauksen. Tämä on onnistunut kehittämällä erityiset työkalut, jotka saavat aikaan paikallisen materiaalivirran, joka samanaikaisesti liittää useita komponentteja toisiinsa ja tuottaa komponenttien sisään suljetun ja yhtenäisen kanavan. Tämä tutkimus keskittyy työkalujen mallinnukseen, kehittämiseen ja arviointiin. Työkalujen muoto on keskeistä hybridikitkatappikananvoinnin tehokkuudelle ja onnistumiselle. Tässä diplomityössä keskitytään työkalun tappi- ja olkapääosien kehitykseen. Tapin geometria saa aikaan kaksi erillistä materiaalivirtaa, jotka muodostavat hitsin and kanavan. Olkapään geometria sulkee kanavan katon ja poistaa kanavasta poistetun materiaalin irtoavana purseena. Prosessiparametrien vaikutusta kanavan muodostamiseen tutkitaan parhaiden työkalugeometrioiden avulla. Prosessiolosuhteiden vaikutusta tutkitaan analysoimalla kanavan geometriaa, mikrokovuutta ja mikrorakennetta. Hybridikitkatappikanavoinnin kykyjä ja rajoja tutkitaan kolmella stabiiliuskokeella. Kanavien vuotoja testattiin heliumilla, jotta saatiin tarkka käsitys kanavien eheydestä. Kanavien lujuudesta saatiin käsitys painetestin avulla, jossa määritettiin testattujen kanavien vuoto- ja rikkoutumispaine. Kanavien valmistus oli vakaata useilla prosessiparametreilla. Kanavan reitti on rajoitettu vain tiukoissa kaarteissa, mikä riippuu työkalun koosta sekä reiteillä, jotka sisältävät kulmia. Suuria ja teräväkulmaisia kanavia voidaan valmistaa määrittämällä työkalun etenevä sivu ja jättösivu oikealla tavalla. Kanavien pinnankarheus on huomattava ja vakaa, mikä tekee hybridikitkatappikanavoinnista ideaalisen lämmönhallintasovelluksiin. Vuototestauksessa kanavien vuodot olivat suuruusluokkaa 1.0E-06 mbar*l/s. Painetestaus ei tuonut selvää tietoa vuotopaineesta, mutta kanavien suurin paine ennen rikkoutumista oli keskimäärin 400 bar.
Description
Supervisor
Vilaça, Pedro
Thesis advisor
Karvinen, Heikki
Keywords
aluminum alloy, friction stir channeling, friction stir processing, friction stir welding, hybrid friction stir channeling, tool design
Other note
Citation