+ All Categories
Transcript

 

Texture and mechanical properties of metal inert gaswelded 6082-T651 aluminum alloy joints

Qi Guangbin1,  Dong Honggang1,  Yang Jiang1,  Guo Baizheng1,  Hao Xiaohu1,  Xu Chenling2

祁广斌,董红刚,杨江,郭柏征,郝晓虎,许晨玲

1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. Dalian Huicheng Aluminum Co., Ltd, Dalian 116105, China

Received 30 December 2020; accepted 11 February 2021

Abstract Metal inert gas (MIG) welding was conducted with 12 mm thick 6082-T651 aluminum alloy plate to investigate the microstruc-ture  and mechanical  properties  of  welded joint.  The microstructure  and element  distribution of  weld  seam were  characterized by electronbackscattered diffraction (EBSD) and electron probe microanalysis (EPMA). The weld seam has typical cube texture ({001}<100>) charac-teristics. The closer to the center of weld seam, the weaker the texture feature, the higher the proportion of high-angle grain boundaries. Theaverage tensile strength of joint was 232 MPa which is up to 72% of 6082 aluminum alloy base metal, and the bending angle for the rootbend test sample reached 90° without cracks. The lack of strengthening phase and the existence of welding pores and inclusions in the weldseam caused the degradation of mechanical properties of resultant joint. The microhardness increased from the weld center to the base metal,but the overaging zone caused by welding thermal cycle was softening part of the joint, which had lower hardness than the weld seam.

Key words 6082-T651aluminum alloy, butt joint, microstructure, mechanical property

  

0 Introduction

Aluminum alloy  is  a  typical  lightweight  structural  ma-terial, widely used in rail transit, aerospace and bridge con-struction for  its  low  density,  high  specific  strength,   excel-lent  corrosion  resistance  and  processing  moldability[1  – 3].6082 aluminum alloy is a heat-treatable reinforced alloy andbelongs to Al-Mg-Si series aluminum alloy with Mg and Sias main alloying elements. Since it contains a large amountof Mg2Si as strengthening phase, 6082 aluminum alloy hasmoderate  strength[4  – 5]. In  recent  years,  with  the   develop-ment  of  the  high-speed  rail  industry,  the  research  on  6082aluminum  alloy  has  become  a  hot  topic[6  – 8].  The  weldingprocess is inevitable for the manufacture of aluminum alloystructural  parts.  However,  there  are  some challenges in  thewelding of aluminum alloys: (1) welding pores, (2) thermal

crack caused  by  excessive  internal  stress  and  (3)  the  burn-ing loss and evaporation of alloy elements, which results inthe significant reduction in mechanical properties and corro-sion resistance of the welded joint[9 – 10].

At  present,  a  large  number  of  studies  on  welding  of6082 aluminum alloy mainly focused on friction stir  weld-ing (FSW)[11 – 14]. Ehab et al.[11] investigated the microstruc-ture  and  mechanical  properties  of  FSWed  6082  aluminumalloy  in  as-welded  and  post-weld  heat  treated  conditions.Post-weld heat  treatment can partially restore the softeningof the stir zone and thermal-mechanically affected zone, andincrease the joint strength and hardness. Veerendra et al.[12]

conducted an acoustic analysis of the FSW process of 6082aluminum alloy. The ultimate tensile strength of the FSWedplate  can  be  predicted  by  giving  the  regression  equationbetween the peak strength and the ultimate tensile strength.In addition, a lot of literatures[15 – 18] have explored the influ-

Foundation item: Project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51674060) and the Collaborative InnovationCenter of Major Machine Manufacturing in Liaoning.Corresponding author: Dong  Honggang  (1975  −  ),  Ph.D,  Professor.  Mainly  engaged  in  dissimilar  materials  welding.  E-mail:[email protected]: 10.12073/j.cw.20201230001

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 1   

ence  of  FSW  tools  on  the  weldability  of  aluminum  alloy.Krishna  et  al.[15]  reported  the  influence  of  ridges  shoulderwith  polygonal  pins  on  FSW  characteristics  and  materialflow of  6082  aluminum  alloy.  The  polygonal  pins   de-creased the initial force required during the plunging phasedue to the shearing action of the material acted similar to thedrilling process compared to taper cylindrical pin. However,FSW  process  exhibits  some  limitations:  the  low  weldingspeed, high equipment cost and the shape/size restrictions ofworkpieces, which restrict the development and applicationof  FSW  in  the  extensive  manufactured  aluminum  alloyproduct.

Fusion  welding  is  currently  one  of  the  most  importantand widely used welding methods for aluminum alloys dueto the  advantages  of  high  welding  efficiency,  low   equip-ment cost and low requirements on the production environ-ment.  Prasad  et  al.[19]  researched  the  influence  of  differentwelding  grooves  on  the  hardness  and  tensile  properties  oftungsten inert gas welded 6082 aluminum alloy. The mech-anical property with single V and double V was better thanwith single Y, the maximum strength of joint with double Vwas greater than that with single V. Rakesh et al.[20 – 21] con-ducted in-depth  research  on 6082 aluminum alloy  and car-ried out  butt  and  lap  experiments  by  using  alternating  cur-rent and  direct  current  pulsed  gas  metal  arc  welding,   re-spectively.  The  results  revealed  that  the  three  methods  canobtain welded  joint  with  preferable  appearance,  good   per-formance and no welding defects. Ruan et al.[22] reported themechanical properties and microstructures of 6082-T6 jointsby twin-wire  metal  inert-gas  welding with  SiO2  flux.  Theyfound that  the  penetration depth  of  the  twin-wire  metal   in-

ert gas (MIG) welded joints containing SiO2 flux was about26% deeper than the welded joints without SiO2 flux, whichwas caused by the arc shrinkage and higher arc temperature.Chen  et  al.[23  – 24]  investigated  the  mechanical  strength  oflaser arc hybrid welded 6082 aluminum alloy and discussedthe relationship between pool characteristic and weld poros-ity in this condition. Compared with pure arc welding, laserarc hybrid welding could offer low heat input, low level ofoveraging  effect,  small  grain  size  and  high  joint  strength.The welding porosity can be reduced to below 0.5% by op-timizing the parameters.

Most  researches  on  fusion  welding  of  6082  aluminumalloy focus on thin plates, and the studies about the weldingof thick plates above 10 mm are not enough[25]. This work isaimed  to  investigate  MIG  multi-pass  welding  process  of12  mm thick  6082 aluminum alloy  plate  with  Al-Mg fillerwire. The  microstructure,  element  distribution  and   micro-texture  characteristics  are  observed  and  analyzed.  Themechanical  properties,  such  as  tensile  strength,  bendingstrength and  microhardness  of  the  joint  at  room   temperat-ure are tested. 

1 Materials and methods

6082-T651  aluminum  alloy  plate  with  the  size  of200 mm ×100 mm ×12 mm was used as base metal (BM) inthis  study,  and  the  ER5087  filler  wire  with  a  diameter  of1.2  mm  was  employed  for  the  welding  experiment.  Thechemical  composition  of  6082-T651  aluminum  alloy  andfiller  wire  is  given  in Table 1, and  the  mechanical   proper-ties of 6082-T651 aluminum alloy are listed in Table 2.

 Table 1 Chemical composition of the base metal and filler wire (wt.%)

Material Si Mg Mn Fe Cr Cu Zn Ti Zr Al

6082-T651 0.984 0.911 0.726 0.286 0.208 0.040 0.016 6 0.021 0.000 2 Balance

ER5087 0.040 4.760 0.750 0.140 0.007 0.010 0.010 0.080 0.110 Balance

 Table 2 Mechanical properties of the base metal

Material Tensile strength/MPa Yield strength/MPa Elongation (%) Hardness (HV)

6082-T651 324 290 16.0 104.6

 The  welding  experiment  was  performed  under  MIG

mode by using a CMT welder (Fronius CMT Advanced 4 000).Fig. 1  shows  the  geometrical  shape  and  dimensions  of  thebutt  joint  with  single-V  groove  of  70°.  The  sequence  ofwelding pass and the dimensional details  of the groove areshown in Fig. 1. Two kinds of welded joints were preparedwith  three-layer  four-pass  and four-layer  five-pass  weldingprocess,  and  the  corresponding  welded  joints  were  marked

as  sample  1  and  sample  2,  respectively.  In  order  to  ensuregood weld appearance, a copper plate was placed under thebase metal. The welding direction was perpendicular to therolling direction of the base metal. Before welding, the ox-ide films of the faying area were removed with the 800 gritSiC sandpaper, and then the alcohol was employed to elim-inate the surface impurities  and contamination.  The shield-ing  gas  is  high-purity  argon  with  a  purity  of  99.99%.  The

  2 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021

detailed  welding  parameters  for  each  pass  are  listed  inTable 3. 

(a)

(b)

70°

70°

s3

s2

s1

s4

s3

s2

s1

s4 s5

2 3

2 3 Unit: mm

 

Fig. 1 Weld pass schematic (a) Sample 1 (b) Sample 2 

In order  to  examine the microstructure  features  of  wel-ded  joints,  the  sample  was  cut  perpendicular  to  the  weldseam.  The  sample  was  ground  with  up  to  2 000  grit  SiCsandpaper and then polished using 1.5 μm diamond polish-ing  paste.  Keller  Reagent  (2  mL HF +  1  mL HCl  +  1  mLHNO3  +  76  mL  H2O)  was  finally  used  to  etch  the  samplefor 30  s.  The  microstructure  of  the  welded  joint  was   ob-served  by  optical  microscopy  (OM).  In  addition,  electronbackscattered diffraction (EBSD) was employed to analyze

the microstructure and grain misorientation distribution, andthe EBSD  data  was  processed  by  Chanel  5  software.   Ele-ment  distribution  of  welded  joint  was  characterized  withelectron probe microanalysis (EPMA).

The  tensile  test  and  bending  test  of  welded  joints  werecarried out by a DSN-100 universal testing machine at roomtemperature.  The cross speed of tensile test  was 4 mm/minand the  tensile  strength  of  welded  joint  was  averaged  withthree  identical  tensile  samples.  The  specific  dimensions  ofthe tensile and bending samples are shown in Fig. 2. Micro-hardness  of  the  welded  joint  was  measured  by  usingHUAYIN HV-1000B microhardness tester  with an intervalof 1  mm under  100  g  load  and  dwell  time  of  15  s.  Mean-while, the  fracture  surfaces  of  tensile  samples  were   ob-served by scanning electron microscope (SEM).

 

(a)

(b)

Weld seam

100

25

37

20

R25

200

200 

Fig. 2 The dimensions of Samples (a) Tensile sample (b) Bending specimen (mm)  

2 Results and discussion 

2.1 Macrostructure and microstructureThe appearance of two welded joints is shown in Fig. 3.

From  the  surface  morphologies  of  two  welded  joints,  nowelding defects are found on the front and back of the weldseam, such as cracks and undercut. Si can raise the fluidityof the molten pool and hot crack resistance of the resultant

Table 3 Welding parameters

NumberWeldlayer

Voltage/V Current/A

Wire feedspeed/

(m·min–1)

Weldingspeed/

(mm·min–1)

Gas flow/(L·min–1)

1

1 20 215–220 11 500 25

2 22 275–280 13 500 25

3 22 275–280 13 500 25

2

1 20 215–220 11 500 25

2 22 245–250 12 500 25

3 22 245–250 12 500 25

4 22 245–250 12 500 25

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 3   

weld  seam,  and  Mg  can  improve  the  specific  strength  ofwelded  joint[26].  In  addition,  it  can  be  seen  from  the  crosssection  of  the  weld  seam that  there  are  a  small  number  ofsubcutaneous pores on the surface of the weld metal, whichis  caused by the  fast  solidification rate  of  the  molten  pool.However, these  subcutaneous  pores  are  mainly   concen-trated  in  the  weld  reinforcement,  which  has  little  effect  onthe mechanical  properties  by  removing  the  weld   reinforce-ment.

Fig. 4  shows  the  microstructure  in  BM and  weld  seamof 6082 aluminum alloy butt  joints.  It  can be  seen that  themicrostructure  of  BM  is  mainly  the  fibrous  structure  withobvious  rolling  streamlines  and  the  precipitation  phase  isdispersed  in  the  matrix.  Fig. 4b  shows  the  microstructurenear  the  fusion  zone  (FZ).  The  FZ  is  a  transition  zonebetween  weld  seam and  heat-affected  zone  (HAZ),  and  itsmicrostructure and chemical composition are more complic-ated.  On  the  side  of  the  fusion  line  near  weld  seam,  thecoarse columnar grains grow in the direction perpendicularto  the  fusion  line.  The  microstructure  in  HAZ undergoes  asignificant  change  during  welding,  which  is  caused  by  thedissolution and precipitation of  the  second phase.  The pre-cipitation process of the second phase in 6082 aluminum al-loy  includes  GP  zone,  β''  (Mg5Si6),  β'  (Mg9Si5)  and  β(Mg2Si)

[27].  It can be seen from Fig. 4c that the microstruc-ture  of  the  weld  center  is  mainly  composed  of  equiaxeddendrite.

The microstructure morphology of the weld metal is re-lated to the constitutional supercooling. As aluminum alloyhas  high  thermal  conductivity,  the  rapid  cooling  of  moltenpool  results  in  a  large temperature gradient  near  the fusionline  and  a  low  degree  of  the  constitutional  supercooling,which promotes the growth of weld metal with cell crystals.As the cell crystal grows, the concentration of solutes (Mg,

Si, Mn,  etc.)  in  the  liquid  phase  at  the  front  of   crystalliza-tion increases,  and  the  degree  of  constitutional   supercool-ing increases, leading to the transformation of the weld met-al  crystal  form  from  cell  crystal  to  cell  dendrite[28].  In  thecenter  of  the  weld,  the  solute  concentration  in  the  liquidphase increased  significantly,  the  temperature  gradient   de-creased  significantly,  and  the  constitutional  supercoolingcontinued to increase, resulting in the formation of equiaxeddendrites in weld seam.

Fig. 4d  shows  the  microstructure  of  the  weld  passesjunction of the welded joint.  It  can be seen that  part  of  thegrain boundary  of  the  fore-pass  at  the  junction  remelts  be-cause of the heating effect of the rear-pass. The rear-pass isepitaxially  grown  on  the  basis  of  the  melted  grain  of  thefore-pass. The direction of  growth is  opposite  to  the  direc-tion of  heat  flow, and the grains are in the form of colum-nar crystals.

In order to further explore the microstructure character-istics of weld seam, the texture and grain boundary misori-entation  distribution  of  weld  seam are  observed  by  EBSD.The inverse pole figure (IPF) of Fig. 4d is shown in Fig. 5.It can be seen that the IPF results in this area are consistentwith  the  metallographic  results.  There  is  a  clear  interfacetransition  zone  between  the  weld  passes.  The  edge  part  ofthe fore-pass away from the BM has equiaxed crystal struc-ture  after  undergoing  second  thermal  cycle.  The  rear-passgrows  on  this  basis,  and  the  direction  of  grain  growth  isconsistent with the direction of temperature gradient, whichforms a columnar crystal structure. Meanwhile, the temper-ature gradient at the front of the solid-liquid interface gradu-ally  becomes  smaller,  and  the  crystal  form  graduallychanges into equiaxed crystal[29]. It can be concluded that inmulti-pass  welding,  each  weld  seam  forms  a  small  caststructure, which together affects the performance of the en-

 

20 mm

20 mm

20 mm

20 mm 6 mm

6 mm

Front

Back

Back

Front

1

2

Fig. 3 Appearance of the welded joints

  4 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021

tire joint.In  order  to  specifically  investigate  the  texture  dis-

tribution  in  this  area,  the  pole  figure  (PF)  of  rear-pass  iscalculated  in  Fig. 6.  It  can  be  seen  that  cube  texture({001}<110>) is obtained in this zone. The maximum poledensity  is  10.40  times  more  than  the  random  background.This indicates that the weighted distribution of polar projec-tion points  on  the  polar  equatorial  plane  is  relatively   con-centrated, and the microtexture is relatively strong.

The distribution of grain boundary misorientation in the

rear-pass  is  illustrated  in  Fig. 7.  The  proportions  of  grainswith different grain boundary angle are: 58% (θ<10°), 3.6%(10°<θ<15°)  and  38.4%  (θ>15°), respectively.  In  this   re-gion, there is a relatively high proportion of low-angle grainboundaries. This is because the grain boundary misorientedangle determines  the  magnitude  of  the  grain  boundary   en-ergy. In order to minimize the interface reaction energy, it iseasy to generate grains with similar orientation (small mis-oriented angle).  This  result  is  also  consistent  with  the   res-ults observed by other researchers in 6 000 series of alumin-um alloys[30].

The EBSD result of weld center was shown in Fig. 8. Asshown in Fig. 8a, the grains in the weld center change fromcolumnar  to  equiaxed.  PF  of  this  region  is  calculated  andthe result is shown in Fig. 8b. The density peak of the weldcenter is dispersing and the highest pole density is only 6.07times  more  than  the  random  background.  It  indicates  thatfrom the edge of the weld seam to the center,  as the struc-ture changes, the microtexture also weakens. Fig. 8c showsthe grain  boundary  misorientation  distribution  of  this   re-gion.  Compared  with  Fig. 7,  the  proportion  of  high-anglegrain  boundaries  increases  significantly  and  the  ratio  is

 

ac

d b

50 μm

(a)

100 μm

(c)

100 μm

(d)

50 μm

(b)

WS HAZ

Fusion line

WS HAZ

Fusion line

Fig. 4 Microstructures of joint 1 (a) BM (b) FZ (c) Weld center (d) Weld passes junction

 

Rear-pass

Fore-pass

250 μm

Fig. 5 EBSD IPF between the weld passes

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 5   

70%.  It  is  mainly  because  as  the  grain  grows,  some  low-angle grain boundaries will merge, which will eventually beconverted into high-angle  grain boundaries.  For  high-anglegrain  boundaries,  the  angle  between the slip  planes  is  verylarge,  which  will  cause  dislocations  to  accumulate  at  thegrain  boundaries.  When  the  crack  propagates  to  the  high-angle grain boundaries, it needs to overcome and consume alot of energy, so the strength of the material is improved. Itshould be noted that even inside the weld seam, the textureis  not  uniform due  to  the  mode  the  molten  pool  solidified,especially in multi-pass welding. If there is a preferred ori-entation in the microstructure,  the properties  will  show an-isotropy,  which  has  a  certain  influence  on  the  processingand performance of materials. 

2.2 Distribution of alloying elementsFig. 9 shows the major element distribution of the BM.

 

Y0

X0

{100} {110} {111}

Max=10.40

2468

Fig. 6 The pole figure of rear-pass

 

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

00 10 20 30 40 50 60

Misorientation angle/(°)

Fre

quen

cy (%

)

Angle range

Percentage (%)

θ<10°

58

10°<θ<15°

3.6

θ>15°

38.4

Fig. 7 The grain boundary misorientation distribution ofrear-pass

 

(a)

(c)

Y0

X0

{100} {110} {111}

Max=6.07

12345

(b)0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

00 10 20 30 40 50 60

Misorientation angle/(°)

Fre

quen

cy (%

) Angle range

Percentage (%)

θ<10°

25

10°<θ<15°

5

θ>15°

70

250 μm

Fig. 8 The EBSD result of weld center (a) IPF in weld center (b) The grain boundary misorientation distribution (c) PF

  6 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021

From  the  backscattered  electron  image,  it  can  be  clearlyseen  that  there  are  white  second phases  distributing  on  thegray Al matrix and these second phases appear as short rodsor  spherical.  Moreover,  the  distribution  of  these  secondphases  has  obvious  directivity  along  the  rolling  direction.Combined with  the  distribution  of  major  element,  the   se-gregation of  Si,  Fe  and  Mn  are  in  the  same  position.   Ele-ment quantitative analysis of the second phases at locationsA and B is shown in Table 4 and the result also proved thatthe main elements are Al, Si,  Fe and Mn. So, it  can be de-termined  that  the  second  phases  are  Al-Si-Fe-Mn  phases,which  are  common  impurity  phases  in  aluminum  alloy[7].However, there is also a small amount of segregation of Mgand Si in the same position. It has been inferred that the pre-cipitates are likely Mg2Si phase, which is the main strength-

ening phase of 6082 aluminum alloy[23].Fig. 10  shows the  distribution  of  major  alloying   ele-

ments near the fusion line. The microstructure in weld seamis composed of  gray matrix  and white  grain  boundary pre-cipitates. A large number of grain boundary precipitates dis-tribute  intermittently  at  the  grain  boundaries  of  the  solid

 

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Conc. %Al

100.0

93.8

87.5

81.3

75.0

68.8

62.5

56.3

50.0

43.8

37.5

31.3

25.0

18.8

12.5

6.3

0.0

Ave 91.9

Conc. %Mg

35.0

32.6

30.3

27.9

25.5

23.1

20.8

18.4

16.0

13.6

11.3

8.9

6.5

4.2

1.8

0.0

0.0

Ave 0.9

Conc. %Mn

20.0

18.6

17.3

15.9

14.6

13.2

11.9

10.5

9.2

7.8

6.4

5.1

3.7

2.4

1.0

0.0

0.0

Ave 0.8

LvCOMPO

4 095.0

3 858.1

3 611.1

3 369.2

3 127.3

2 885.3

2 843.4

2 401.4

2 159.5

1 917.6

1 675.6

1 433.7

1 191.8

949.8

707.9

465.9

224.0

Ave 1959.2

Conc. %Si

18.0

16.8

15.6

14.4

13.2

11.9

10.7

9.5

8.3

7.1

5.9

4.7

3.5

2.3

1.1

0.0

0.0

Ave 0.6

Conc. %Fe

20.0

18.6

17.3

15.9

14.6

13.2

11.9

10.5

9.2

7.8

6.4

5.1

3.7

2.4

1.0

0.0

0.0

Ave 0.5

A

50 μm

50 μm

50 μm

50 μm

50 μm

50 μm

B

Fig. 9 Backscattered electron image and elemental distribution of BM (a) BSE (b) A1 (c) Si (d) Mg (e) Fe (f) Mn

Table 4 Element quantitative analysis of the specific pointin Fig. 9

PointAtomic percentage (%)

Al Si Fe Mn

A 72.81 12.50 4.31 10.38

B 73.12 12.07 5.42 9.38

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 7   

solution and a small amount of impurity phases also precip-itate  in  weld  seam and BM. It  can be  seen that  there  are  alarge  amount  of  segregation  of  Mg  and  Si  at  the  grainboundary. This is because Mg and Si diffuse to the front ofthe solid-liquid  interface  when  α-Al  solid  solution   crystal-lizes. In addition, the white second phases are mainly com-posed of Fe, Mn and Si at zone A and zone B, which are thesame as  the  second phases  contained  in  the  BM.  This  alsoproves that the edge of the weld seam is formed by the mixand resolidification of the liquefied BM and filler wire. 

2.3 Mechanical propertiesThe  macro  morphology  of  tensile  fracture  samples  is

shown  in  Fig. 11.  The  fracture  of  sample  1  occurs  in  theweld seam and HAZ, while the fracture of sample 2 occurs

in the  HAZ.  The  weld  reinforcement  of  sample  1  is   relat-ively small,  and the subcutaneous pores can easily becomethe  source  of  cracks,  causing  cracks  to  initiate  at  the  weldseam.  Besides,  the  initial  fracture  position  locates  at  thejunction of the weld passes, which may be caused by inclu-sions  from  incomplete  welding  slag  cleaning.  Then  thecrack  propagates  in  the  HAZ  due  to  the  softening  of  thisarea. The average tensile strength of sample 1 welded jointis 220 MPa, which is 68% of the BM strength. The averagetensile strength of sample 2 is 232 MPa, which reaches 72%of the BM strength.

The fracture morphology of tensile samples is shown inFig. 12.  It  can  be  clearly  seen  from Fig. 12a  that  there  aretwo different morphology on the fracture surface of sample1. Fig. 12b is an enlarged view of zone A in HAZ. The frac-

 

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Conc. %Al

100.0

95.9

91.9

87.8

83.7

79.7

75.6

71.5

67.5

63.4

59.3

55.3

51.2

47.1

43.1

40.0

40.0

Ave 714.2

Conc. %Mg

15.0

14.0

13.0

11.9

10.9

9.9

8.9

7.9

6.9

5.8

4.8

3.8

2.8

1.8

0.8

0.0

0.0Ave 10.5

Conc. %Mn

20.0

18.6

17.3

15.9

14.6

13.2

11.9

10.5

9.2

7.8

6.4

5.1

3.7

2.4

1.0

0.0

0.0Ave 0.7

LvCOMPO

4 095.0

3 839.1

3 583.1

3 327.2

3 071.3

2 815.3

2 559.4

2 303.4

2 047.5

1 791.6

1 535.6

1 279.7

1 023.8

767.8

511.9

255.9

0.0

Ave 2143.1

Conc. %Si

20.0

18.6

17.3

15.9

14.6

13.2

11.9

10.5

9.2

7.8

6.4

5.1

3.7

2.4

1.0

0.0

0.0

Ave 10.5

Conc. %Fe

18.0

16.8

15.6

14.3

13.1

11.9

10.7

9.5

8.2

7.0

5.8

4.6

3.4

2.1

0.9

0.0

0.0

Ave 0.7

50 μm 50 μm

50 μm 50 μm

50 μm 50 μm

A

B

Fig. 10 Backscattered electron image and elemental distribution of FZ

  8 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021

ture  surface  has  numerous  of  dimples,  which  indicated  theductile fracture mode. Moreover,  secondary phase particlescan also be seen in the center of the dimple. The EDS ana-lysis  shows  that  these  secondary  phase  particles  are  Al-Si-Fe-Mn  phases  mentioned  above.  Fig. 12c  is  an  enlargedview of zone B in weld seam. This region is also composedof  many  dimples,  showing  a  clear  ductile  fracture  mode.However,  compared with zone A,  the size of  the dimple issmaller. In addition, obvious pores can be seen on the frac-ture surface.  During  tensile  testing,  large  stress   concentra-tion  occurs  around  the  pores,  which  making  the  pores  asource of  cracks.  Besides,  the  pores  would  reduce  the   ef-fective bearing area of the joint. Consequently, the strengthof the welded joint is reduced.

Fig. 12d shows the tensile fracture surface of sample 2.Different  sizes  of  dimples  can  be  observed  on  the  fracturesurface,  which  indicated  the  ductile  fracture  feature.  It  canbe seen from the inserted enlarged view that many second-ary phase particles are found on the fracture surface. Theseparticles can improve the strength of welded joint by inhib-iting the  dislocation  slip  during  tensile  test.  The  EDS ana-lysis  results  of  point  D (Table 5) proves  that  the  main  ele-ments of these particles are Ai, Si, Fe, Mn and its content issimilar  to  point  C.  Therefore,  these  secondary  phaseparticles are still the Al-Si-Fe-Mn phases.

Sample 1 and sample 2 after bending test are displayedin  Fig. 13.  The  joint  surface  on  one  side  of  the  groove  isdefined as the front of the joint, and the other side, the gapside,  is  the  back of  the  joint.  According to  China StandardGB/T 2 653-2008, the sample undergoes face bending whenthe tension face is on the front of the welded joint, and it un-dergoes  root  bending while  the  tension face  is  on the  back

 

(b)

HAZ

(a)

HAZ

Weld seam

Fig. 11 Fracture positions of joints (a) Sample 1 (b) Sa-mple 2

 

2 μm

(c)

20 μm

(a)

A

B

Pore

2 μm

(b)

C

10 μm

(d)

D

Fig. 12 Fracture morphology of (a) Sample 1 (b) Enlar-ged view of zone A (c) Enlarged view of zone B and(d) Sample 2

Table 5 EDS analysis results of the specific point in Fig. 12

PositionAtomic percentage (%)

Al Si Fe Mn

C 74.33 6.65 6.76 9.17

D 72.39 11.84 5.76 8.00

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 9   

of the welded joint. The bending test results show that rootbending  of  two  samples  can  reach  90°  without  cracks,  asshown  in  Fig. 13a  and  Fig. 13c.  However,  when  the  facebending  was  about  50°,  cracks  appeared,  as  shown  inFig. 13b  and Fig. 13d.  The  fracture  position  located  in  theweld  and  FZ.  Compared  with  the  back  of  joint,  the  weldzone on the front of joint is wider with relatively more de-fects such as welding pores and inclusions. When the frontof joint is under tensile stress, welding pores will reduce theeffective  bearing  area,  and  inclusions  will  decrease  thebonding  force  of  structure.  Bending  cracks  easily  initiatedand propagated in the dense area of defects.

Fig. 14  shows  the  distribution  of  microhardness  in  thewelded  joints.  The  distribution  trend  of  microhardness  in

the two welded joints is similar and roughly symmetrical. InFig. 14b, the microhardness of the weld metal of layer 4 isabout  70  HV,  which  is  lower  than  that  of  the  base  metal.Generally, the microhardness is closely related to the micro-structure. The weld metal is mainly α-Al solid solution andlacks strengthening phases, which makes the microhardnessvalue relatively low. With the distance from the weld centerincreasing,  the  microhardness  value  gradually  increases  toabout  82  HV.  However,  there  is  a  softening  zone  in  HAZ,due to  the  welding  heat  cycle  and  the  dissolution  and  pre-cipitation  of  the  precipitated  phase  resulting  in  overagingphenomenon.  As  it  moves  away  from  the  weld  center,  thesoftening  effect  generated  by  this  thermal  effect  decreases,and the  hardness  increases  until  the  hardness  of  the  BM isrestored.  Therefore,  there  are  two  weak  areas  in  the  6082-T651 aluminum alloy welded joints. One is the weld seam,and the other is the overaging HAZ.

Compared with layer 4, the width of weld seam of layer2  is  only  about  7  mm,  but  its  microhardness  value  is  thesame as that of layer 4. However, due to the secondary heat-ing  effect  of  the  rear-pass  on  the  fore-pass,  the  overagingphenomenon is  more  serious,  so  it  also  has  a  wider   over-aging zone. The minimum microhardness at 7 mm from theweld center reaches 57.9 HV. As the distance from the weldcenter increases, the microhardness gradually returns to thatof the BM. Zhang et al.[31] used MIG to weld 6082-T6 alu-minum alloy  and  got  the  same  microhardness  results.  Andthey also studied the microhardness variation caused by thephase transformation after  paint  baking,  and found that  themicrohardness  of  the  weld  seam  and  overaging  zone  wasgreatly improved after three baking cycles.

The  weld  seam  is  a  typical  casting  structure,  and  itsproperty depends on the chemical composition and crystal-lization  process  of  the  filler  wire[32].  The  precipitation  ofsecond  phases  is  inhibited  upon  solidification  due  to  therapid  cooling  rate  of  the  weld  metal,  so  the  weld  seam  iswith mainly supersaturated α-Al solid solution. The lack ofprecipitated phases strengthening is the main reason for thelower  tensile  strength  and  hardness  of  the  weld  seam.  Inmulti-pass  welding,  each  welding  pass  will  heat-treat  thejoint. The dissolution and precipitation of the second phasescaused  by  cyclic  heat  treatment  reduces  the  mechanicalproperties  of  the  HAZ.  Additionally,  the  pores  form in  theweld  seam  due  to  the  oxygen  and  hydrogen  coming  fromthe  air,  BM  and  welding  consumables,  and  incompletewelding  slag  cleaning  causes  the  existence  of  inclusions.Welding  pores  and  inclusions  also  reduce  the  strength  ofresultant joint[9]. 

 

(a)

(c)

Front

Back

(b) 48°

Cracking

(d) 52°

Cracking

Fig. 13 Appearance of the bending samples (a) Root bend-ing of sample 1 (b) Face bending of sample 1 (c) Root bend-ing of sample 2 and (d) Face bending of sample 2

  10 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021

3 Conclusions

(1)  The  weld  seam  of  multi-pass  welding  is  relativelycomplex with different microstructure and texture feature indifferent  zones.  The  weld  seam has  a  typical  cube  texture,and  the  grain  boundary  misoriented  angle  is  mainly  low-angle  grain  boundary.  The  closer  to  the  center  of  the  weldseam, the weaker the texture feature, the higher the propor-tion of high-angle grain boundaries.

(2)  The  maximum  tensile  strength  of  welded  joint  is232  MPa  and  the  bending  angle  of  the  root  bend  samplereaches 90°  without  cracks,  which  can  meet  the   require-ment of engineering application.

(3) The microhardness of the welded joint is symmetric-al along the weld center, and there are two softening zones:the weld seam and the overaging zone. The lack of strength-ening phase  in  the  weld  seam and  the  dissolution  and  pre-cipitation  of  second  phases  in  the  overaging  zone  are  themain causes of softening. In addition, welding pores and in-clusions  also  remarkably  reduce  the  mechanical  propertiesof the resultant joint.

References

 Dursun  T,  Soutis  C.  Recent  developments  in  advancedaircraft  aluminum  alloys.  Materials  &  Design,  2014,  56:862 − 871.

[1]

 Coniglio  N,  Cross  C  E,  Dörfel  I,  et  al.  Phase  formation  in6060/4043 aluminum weld solidification.  Materials  Science& Engineering A, 2009, 517:321 − 327.

[2]

 Shi  T  Y,  Wang  C  M,  Mi  G  Y,  et  al.  A  study  of[3]

microstructure and mechanical properties of aluminum alloyusing  laser  cleaning.  Journal  of  Manufacturing  Processes,2019, 42:60 − 66. Liu Y, Liu H B, Chen Z H. Post-fire mechanical propertiesof  aluminum  alloy  6082-T6.  Construction  and  BuildingMaterials, 2019, 196:256 − 266.

[4]

 Kumar  V,  Kumar  D.  Investigation  of  tensile  behaviour  ofcryorolled  and  room  temperature  rolled  6082  Al  alloy.Materials Science & Engineering A, 2017, 691:211 − 217.

[5]

 Algahtani  A,  Mahmoud  E  R  I.  Erosion  and  corrosionresistance  of  plasma  electrolytic  oxidized  6082  aluminumalloy  surface  at  low  and  high  temperatures.  Journal  ofMaterials Research and Technology, 2019, 8:2699 − 2709.

[6]

 Kumar  N,  Goel  S,  Jayaganthan  R,  et  al.  Effect  of  grainboundary  misorientaton,  deformation  temperature  andAlFeMnSi-phase on fatigue life of 6082 Al alloy. MaterialsCharacterization, 2017, 124:229 − 240.

[7]

 Peng  Y,  Shen  C  B,  Zhao  Y  D,  et  al.  Comparison  ofelectrochemical behaviors between FSW and MIG joints for6082  aluminum  alloy.  Rare  Metal  Materials  andEngineering, 2017, 46:344 − 348.

[8]

 Li  S,  Dong  H  G,  Wang  X  X.  Effect  of  repair  welding  onmicrostructure  and  mechanical  properties  of  7N01aluminum  alloy  MIG  welded  joint.  Journal  ofManufacturing Processes, 2020, 54:80 − 88.

[9]

 Bunaziv  I,  Akselsen  O  M,  Salminen  A,  et  al.  Fiber  laser-MIG hybrid welding of 5 mm 5083 aluminum alloy. Journalof Materials Processing Technology, 2016, 233:107 − 114.

[10]

 El-Danaf  E  A,  El-Rayes  M  M.  Microstructure  andmechanical properties of friction stir welded 6082 AA in aswelded  and  post  weld  heat  treated  conditions.  Materials  &Design, 2013, 46:561 − 572.

[11]

 

100

(a) (b)

90

80

70

60

50

−20 −10 0 10 20

HAZ WZ HAZ

HAZ WZ HAZ

Layer 2Layer 4

Layer 2Layer 4

HAZ WZ HAZ

HAZ WZ HAZ

HAZ WZ HAZ

Layer 1

Layer 2Layer 3

Distance from weld center/mm

Vic

ker

s har

dnes

s (H

V)

100

90

80

70

60

50−20 −10 0 10 20

Distance from weld center/mmV

icker

s har

dnes

s (H

V)

Layer 1Layer 2Layer 3

Fig. 14 Transverse microhardness distribution of different weld passes of (a) Sample 1 (b) Sample 2

Texture and mechanical properties of metal inert gas welded 6082-T651 aluminum alloy joints 11   

 Veerendra  Prasad  S,  Ravi  Kumar  B V R,  Subba  Rao  V V.Acoustic  analysis  in  friction  stir  welding  of  6082  -  T6aluminum alloy plates. Materials Today: Proceedings, 2019,19:161 − 169.

[12]

 Costa  M  I,  Leitão  C,  Rodrigues  D  M.  Influence  of  post-welding  heat-treatment  on  the  monotonic  and  fatiguestrength  of  6082-T6  friction  stir  lap  welds.  Journal  ofMaterials Processing Technology, 2017, 250:289 − 296.

[13]

 Verma  S,  Meenu,  Misra  J  P.  Study  on  temperaturedistribution  during  friction  stir  welding  of  6082  aluminumalloy. Materials Today: Proceedings, 2017, 4:1350 − 1356.

[14]

 Mugada  K  K,  Adepu  K.  Influence  of  ridges  shoulder  withpolygonal  pins  on  material  flow  and  friction  stir  weldcharacteristics  of  6082  aluminum  alloy.  Journal  ofManufacturing Processes, 2018, 32:625 − 634.

[15]

 Scialpi  A,  De  Filippis  L  A  C,  Cavaliere  P.  Influence  ofshoulder  geometry  on  microstructure  and  mechanicalproperties  of  friction  stir  welded  6082  aluminium  alloy.Materials & Design, 2007, 28:1124 − 1129.

[16]

 Ullegaddi  K,  Murthy  V,  Harsha  R  N,  et  al.  Friction  stirwelding tool design and their effect on welding of AA-6082T6. Materials Today: Proceedings, 2017, 4:7962 − 7970.

[17]

 Farghaly  Ahmed A,  El-Nikhaily  Ahmed E,  Essa  A R S,  etal. Prediction of tensile strength of friction stir welded 6061AI plates. China welding, 2019, 28(3):1 − 6.

[18]

 Prasad  V  V,  Lingaraju  D.  Effect  of  different  edgepreparations on the tensile and hardness properties of Gtawwelded  6082  aluminum  alloy.  Materials  Today:Proceedings, 2017, 4:157 − 165.

[19]

 Kumar  R,  Dilthey  U,  Dwivedi  D  K,  et  al.  Thin  sheetwelding of Al 6082 alloy by AC pulse-GMA and AC wavepulse-GMA  welding.  Materials  &  Design,  2009,  30:306  −313.

[20]

 Kumar  R,  Dilthey  U,  Dwivedi  D  K,  et  al.  Welding  of  thinsheet of al alloy (6082) by using vario wire dc p-gmaw. TheInternational  Journal  of  Advanced  ManufacturingTechnology, 2009, 42:102 − 117.

[21]

 Ruan Y, Qiu X M, Gong W B, et al. Mechanical propertiesand  microstructures  of  6082-T6  joint  welded  by  twin  wiremetal inert gas arc welding with the SiO2 flux. Materials &Design, 2012, 35:20 − 24.

[22]

 Zhang  C,  Zhang  M,  Jiang  M,  et  al.  Effect  of  weldcharacteristic  on  mechanical  strength  of  laser-arc  hybrid-welded  Al-Mg-Si-Mn  aluminum  alloy.  Metallurgical  andMaterials Transactions A, 2016, 47:5438 − 5449.

[23]

 Zhang  C,  Gao  M,  Wang  D  Z,  et  al.  Relationship  betweenpool  characteristic  and  weld  porosity  in  laser  arc  hybridwelding  of  AA6082  aluminum  alloy.  Journal  of  MaterialsProcessing Technology, 2017, 240:217 − 222.

[24]

 Holmen  J  K,  Børvik  T,  Myhr  O  R,  et  al.  Perforation  ofwelded  aluminum  components:  Microstructure-basedmodeling and experimental validation. International Journalof Impact Engineering, 2015, 84:96 − 107.

[25]

 Nie  F  H,  Dong  H  G,  Chen  S,  et  al.  Microstructure  andmechanical  properties  of  Pulse  MIG  welded  6061/A356aluminum  alloy  dissimilar  butt  joints.  Journal  of  MaterialsScience & Technology, 2018, 34:551 − 560.

[26]

 Gallais  C,  Denquin  A,  Bréchet  Y,  et  al.  Precipitationmicrostructures in an AA6056 aluminium alloy after frictionstir  welding:  Characterisation  and  modelling.  MaterialsScience & Engineering A, 2008, 496:77 − 89.

[27]

 Jiang  P,  Gao  S,  Geng  S  N,  et  al.  Multi-physics  multi-scalesimulation  of  the  solidification  process  in  the  molten  poolduring  laser  welding  of  aluminum  alloys.  InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, 2020, 161:120316.

[28]

 Chu Q L,  Bai  R X, Jian H G, et  al.  Microstructure,  textureand  mechanical  properties  of  6061  aluminum  laser  beamwelded  joints. Materials  Characterization,  2018,  137:269  −276.

[29]

 Amegadzie M Y, Bishop D P. Effect of asymmetric rollingon the microstructure and mechanical properties of wrought6061  aluminum. Materials  Today:  Communications,  2020,25:101283.

[30]

 Zhang  W K,  He  H,  Xu C C,  et  al.  Precipitates  dissolution,phase transformation,  and re-precipitation-induced hardnessvariation  in  6082-T6  alloy  during  MIG  welding  andsubsequent baking. JOM USL, 2019, 71:2711 − 2720.

[31]

 Peng X Y, Cao X W, Xu G F, et al. Mechanical properties,corrosion  behavior,  and  microstructures  of  a  MIG-Welded7020  Al  alloy.  Journal  of  Materials  Engineering  andPerformance, 2016, 25:1028 − 1040.

[32]

  12 CHINA WELDING Vol. 30 No. 1 March 2021


Top Related