Generación de juntas de vuelta a través de soldadura por punto de agitación por fricción en acero DP780

Engineering

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Summary

Aquí, presentamos un protocolo de soldadura por puntos de agitación por fricción (FSSW) en acero de doble fase 780. Un pasador de herramienta con rotación de alta velocidad genera calor de fricción para suavizar el material, y luego, el pasador se sumerge en 2 juntas de hoja para crear la unión de vuelta.

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Hsu, T. I., Tsai, M. H. Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel. J. Vis. Exp. (150), e58633, doi:10.3791/58633 (2019).

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Abstract

La soldadura por puntos de agitación por fricción (FSSW), un derivado de la soldadura por agitación por fricción (FSW), es una técnica de soldadura de estado sólido que se desarrolló en 1991. Una aplicación de la industria fue encontrada en la industria automotriz en 2003 para la aleación de aluminio que se utilizó en las puertas traseras de los automóviles. La soldadura por puntos de agitación por fricción se utiliza principalmente en aleaciones Al para crear juntas de regazo. Los beneficios de la soldadura por puntos de agitación por fricción incluyen una temperatura de fusión de casi 80% que reduce las soldaduras por deformación térmica sin salpicaduras en comparación con la soldadura por puntos de resistencia. La soldadura por puntos de agitación por fricción incluye 3 pasos: hundir, agitar y retracción. En el presente estudio, otros materiales, incluido el acero de alta resistencia, también se utilizan en el método de soldadura por agitación por fricción para crear juntas. DP780, cuyo proceso de soldadura tradicional implica el uso de soldadura por puntos de resistencia, es uno de varios materiales de acero de alta resistencia utilizados en la industria automotriz. En este papel, DP780 se utilizó para la soldadura por puntos de agitación por fricción, y su microestructura y microdureza se midieron. Los datos de la microestructura mostraron que había una zona de fusión con grano fino y una zona de efecto térmico con martensita insular. Los resultados de la microdureza indicaron que la zona central presentaba un mayor grado de dureza en comparación con el metal base. Todos los datos indicaron que la soldadura por puntos de agitación de fricción utilizada en acero de doble fase 780 puede crear una buena junta de vuelta. En el futuro, la soldadura por puntos de agitación por fricción se puede utilizar en soldadura de acero de alta resistencia aplicada en procesos de fabricación industrial.

Introduction

La soldadura por agitación por fricción (FSW) se informó por primera vez en 1991 en TWI, Abington, Reino Unido1. En 2003, Piccini y Svoboda determinaron un método superior para mejorar las ventajas de FSW llamado soldadura por puntos de agitación por fricción (FSSW) para su uso en procesos comerciales de fabricación de automóviles2. El método FSSW implica la creación de una junta de vuelta puntual sin fusión de área a granel. El desarrollo más importante para el uso de FSSW ha sido en aleaciones de aluminio ya que las aleaciones Al se deforman en el proceso de soldadura en condiciones de alta temperatura. El primer ejemplo exitoso fue en la industria automotriz, donde FSSW se utilizó en la fabricación de toda la puerta trasera del Mazda RX-81,3,4.

Mientras tanto, el acero de alta resistencia es el material dominante de la carrocería del coche, específicamente el acero de doble fase. La literatura indica que DP600 producido con FSSW puede tener las mismas propiedades que el metal base, donde todas las regiones de soldadura tienen microestructuras y grados de dureza similares5. Los métodos FSSW para el uso de acero DP en su microestructura de la zona de agitación (SZ), la zona termomecánicamente afectada (TMAZ) y el modelo de falla de acero DP590 y DP600 han sido estudiados por algunos investigadores. Observaron diferencias en la consistencia de la microestructura (ferrita, bainita y martensita) de acero DP590 y DP600 a varias velocidades de rotación6,7,8,9,10. Algunos investigadores llevaron a cabo estudios comparativos de FSSW y RSW para DP780 acero8,9. Informaron que tiempos de unión más largos y velocidades de rotación de la herramienta más altas resultaron en un mayor área de unión para todas las caídas, lo que llevó a una fuerza de cizallamiento más alta y cambió el modo de interfacial a tirar hacia fuera. También concluyeron que FSSW tenía una mayor resistencia que RSW. El proceso FSSW incluye 3 pasos: hundir, agitar y retracir. El primer paso es hundir con un pasador de herramienta de rotación cerca de la hoja de la junta de vuelta y enchufado en la hoja. El hombro de la herramienta giratoria en el proceso FSSW puede generar calor por fricción. En el segundo paso, el calor puede suavizar la hoja y facilitar la enchufación del pasador de la herramienta en la hoja, así como morar en los materiales para agitar dos piezas de trabajo juntas y mezclar alrededor del área del pasador. Por último, la presión de la prensa del hombro de la herramienta en las piezas de trabajo puede mejorar la unión. Después del proceso de soldadura, el pasador se puede retraer de la cerradura. Los beneficios de FSSW en comparación con RSW son una temperatura de soldadura más baja, sin salpicaduras y más estabilidad en el proceso de fabricación.

A pesar de que varios investigadores han informado de estudios sobre el FSSW de aceros avanzados de alta resistencia (AHSS), los estudios sobre el FSSW de DP590, DP600 y DP780 se han centrado en la microestructura y en los modelos mecánicos y de falla según el proceso Parámetros. En el presente estudio, se consideró el FSSW de acero DP780. El protocolo del proceso FSSW se informó en detalle, y la dureza individual en la zona de agitación, la zona afectada mecánicamente y la zona afectada por el calor, así como el metal base se evaluaron en función de la microdureza medida.

Con el crecimiento continuo y la fuerte demanda de reducción de peso en las industrias automotriz y aeroespacial, la industria automotriz ha mostrado un creciente interés en AHSS y juntas de vuelta. Por ejemplo, la carrocería de acero convencional de un coche, en promedio, tiene más de 2.000 juntas de soldadura por puntos11. Hay 3 procesos de soldadura comunes para juntas de vuelta utilizadas en la industria, incluyendo soldadura por puntos de resistencia, soldadura por puntos láser y soldadura por puntos de fricción12. Una forma de disminuir el peso es mediante el uso de aceros avanzados de alta resistencia (AHSS). Los materiales más populares son los aceros de plasticidad dual e inducida por la transformación (TRIP), que se están utilizando cada vez más en la industria automotriz13,14,15,16. Debido a que la industria automotriz ha aumentado los estándares de resistencia debido a la mejora del consumo de combustible y la absorción de energía de choque bajo una disminución del peso del vehículo, el uso de diferentes materiales y procesos de soldadura se está convirtiendo en un problema importante.

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Protocol

1. Preparación de materiales

NOTA: Mecanizado las láminas DP780 de 1,6 mm de espesor en cupones de 40 mm x 125 mm. Las juntas FSSW están diseñadas como muestras de cizallamiento de vuelta para las pruebas mecánicas. Unir dos hojas de 125 mm por 40 mm con una superposición de 35 mm por 40 mm siguiendo la norma RSW NF ISO 18278-2; 2005. Una herramienta de diamante policristalino de diseño de geometría con un hombro de cono truncado. El diseño de geometría se muestra en la Figura 1a. El diámetro del pasador es de 5 mm; la longitud es de 2,5 mm, y el ancho del hombro es de 10 mm. El pin de herramienta real se muestra en la Figura 1b.

  1. Pautas de seguridad
    1. Use dispositivos como una capucha o deflector, gafas y guantes para protegerse.
    2. Párate detrás de la capucha o del deflector. Use gafas y guantes para evitar el contacto con salpicaduras o daños por calor.
  2. Ajuste de la máquina FSSW
    1. Fabricar todas las juntas utilizando una máquina soldadora de agitación por fricción artificial MIRDC.
    2. Registre la fuerza axial Z y la profundidad de penetración durante cada operación de unión utilizando el sistema de adquisición de datos integrados (DAQ).
  3. Configuración de parámetros
    1. En este estudio, utilice los siguientes parámetros: una velocidad de rotación del pasador de herramienta de 2.500 rpm, 4 s de tiempo de permanencia del pin de herramienta y una velocidad pf 0,5 mm/s de un pin de herramienta que se sumerja en la hoja.
    2. Optimice los parámetros para el operador. El rango de la velocidad de rotación es de 1.000 a 2.500 rpm. El rango del tiempo de permanencia puede ser de 2-10 s, y la velocidad de caída puede ser de 0.1-0.5 mm/s.

2. Procedimiento

NOTA: El espacio de trabajo se muestra en la Figura2. Todos los procedimientos de fabricación se completan en el espacio de trabajo. Antes del procedimiento, las secuencias de proceso de soldadura se componen de una combinación de rotaciones de herramientas y profundidades de penetración, así como una serie de secuencias que incluyen precalentamiento, hundimiento, vivienda, retracción y postcalentamiento. Todos los pasos se muestran en la Figura 3 en forma de diagrama de flujo de trabajo.

  1. Preparación de la pieza de trabajo DP780
    1. Antes del proceso de soldadura, asegúrese de que no haya sustratos de impureza que contaminen las piezas de trabajo. Utilice tejidos de microfibra de punto para limpiar la superficie de la pieza de trabajo para eliminar cualquier partícula pequeña.
  2. Coloque la pieza de trabajo DP780 y sujete 2 hojas DP780 (tamaño: 125 mm x 40 mm) con una superposición de 35 mm. Fije las piezas de trabajo limpias en un yunque para evitar el cambio.
  3. Asegúrese de que el pasador esté limpio para evitar la contaminación impura del sustrato. Utilice tejidos de microfibra de punto para limpiar la superficie del pasador de herramientas para eliminar pequeñas partículas.
  4. Fije el pasador con una abrazadera en la máquina.
    1. Atornille firmemente el pasador de la herramienta firmemente de nuevo para la sujeción del pasador de la herramienta.
    2. Preste atención al paso de sujeción del pasador. Asegúrese de que el pasador esté apretado en la máquina para evitar peligros. La herramienta giratoria está rodeada por un anillo de sujeción no giratorio con el que las piezas de trabajo se presionan firmemente unas contra otras antes y durante la soldadura mediante la aplicación de una fuerza de sujeción. La ilustración que se muestra en la Figura 3a señala el anillo de abrazadera utilizado para fijar el pasador de la herramienta. Después de este paso, la producción se muestra en el diagrama de flujo.
    3. Garantizar la seguridad.
    4. Confirme que el pasador de rotación de alta velocidad sin un anillo de sujeción se afloja. Cuando el pasador de la herramienta esté colocado en la máquina, asegúrese de que el pasador de la herramienta no se separe de la abrazadera durante la rotación por razones de seguridad. El pasador de la herramienta utiliza una baja tasa de rotación de 10 a 100 rpm en 1 minuto. La velocidad puede acelerar de 100 a 1.000 rpm en 1 minuto (Figura3b).
  5. Configuración de la máquina
    1. Utilice los siguientes parámetros: una velocidad de rotación de 3.000 rpm, un pliegue de 4 s y una tasa de inmersión de 0,5 mm/s (Figura3c).
  6. Calibrar la ubicación de soldadura (Figura3d y el producto real que se muestra en la Figura 4a).
    1. Fije el pasador en la máquina de soldadura del punto de agitación. El espacio entre el pasador y la pieza de trabajo es menor que 5 cm para calibrar la ubicación de la junta. Después de confirmar la ubicación, pase al proceso de soldadura.
  7. Durante la soldadura, use gafas y guantes para evitar lesiones.
    1. Comience el proceso de soldadura con la herramienta bajo rotación de alta velocidad para sumergir el pasador de la herramienta en la pieza de trabajo. El hombro de la herramienta entra en contacto con las piezas de trabajo y detiene la rotación y retrae el pasador.
  8. Hundiendo
    1. Encienda el botón de agitación. Cuando la máquina se caliente, confirme que el pasador de la herramienta funciona constantemente a una velocidad de rotación de 2.500 rpm. Asegúrese de que el pasador de la herramienta esté bien sujeto bajo la rotación de alta velocidad a 2.500 rpm. El pasador se sumerge en las piezas bajo una rotación de alta velocidad y el hombro entra en contacto con las piezas a una alta velocidad angular (Figura3e). El producto real se muestra en la Figura 4b.
  9. Agitación
    1. A medida que el pasador de herramienta sumergido continúa agitando en la pieza de trabajo, ablandar la interfaz del pasador y el material del calor de fricción para crear el grano. Cuando el hombro del pasador de la herramienta entre en contacto con la parte superior de la pieza de trabajo, detenga el proceso porque la alta rotación del pasador de la herramienta puede generar altas temperaturas. Es importante usar equipo de protección que garantice la seguridad operativa (ver Figura 3f.) El producto real se muestra en la Figura 4c.
  10. Retracción
    1. Dibuje el pasador de herramienta en la dirección vertical. Después del procedimiento, el pasador crea el punto de soldadura de orificio de llave en la junta de vuelta. Tenga en cuenta que la soldadura por puntos de agitación por fricción se detiene en este paso (Figura3g). El producto real se muestra en la Figura 4e.
  11. Retire las piezas de trabajo.
    1. Apague la máquina.
    2. Una vez finalizada la soldadura, retire las piezas de trabajo del yunque. Observe las muestras en busca de grietas y falta de fusión.
    3. Retire el pasador de herramientas.
    4. Después del procedimiento, retire el pasador de la herramienta del anillo de sujeción. Se observa y comprueba la apariencia del pasador de herramienta (Figura5).

3. Evaluación mecánica de la propiedad

  1. Examen por microscopía de las soldaduras FSSW (Figura 3h)
    1. Preparación microscópica de muestras
    2. Mida el área transversal de la región enlazada utilizando una imagen de microscopio óptico y un análisis secundario de la imagen de electrones. Preparar las muestras microscópicas utilizando papel de carburo de silicio molido con un tamaño de grano que oscila entre 200 y 2.000 a partir de un tamaño de grano de 200 y aumentando en secuencia. Pulir las muestras con 0,03% de alúmina y etch con una solución nital 4% para 7-10 s a temperatura ambiente.
    3. Observación de microscopía
    4. Observar y caracterizar las microestructuras mediante microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido. Utilice una tensión de 20 kV y una distancia de trabajo de 10 m. A partir de la microscopía óptica, se puede determinar cualquier línea de grieta diminuta o falta de una zona de fusión. Utilice la microscopía electrónica de barrido para analizar la distribución de martensita y austenita y el tamaño del grano.
  2. Microdureza
    1. Verifique los experimentos de microdureza más de 3 veces. Los valores eran demasiado pequeños para denotar claramente la desviación estándar.
    2. Presione el indentador de diamantes Vickers con una muestra de carga de prueba de 300 g y 0,5 mm por prueba.
    3. Realice las pruebas de microdureza de la chapa de acero DP780 utilizando una máquina de pruebas de microdureza con una carga de 300 g y un tiempo de retención de 15 s. Las pruebas de microdureza revelaron la distribución de dureza y los valores de dureza individuales en la zona de agitación, la zona de afectación termomecánica, la zona afectada por el calor y en el metal base de las soldaduras.

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Representative Results

Hay un diagrama en la Figura 3 que demuestra que el proceso de soldadura por puntos de agitación por fricción se compone de 3 partes: hundido (Figura3e), agitación (Figura3f) y retráctil (Figura3g). En nuestra investigación, se podría generar el punto de soldadura. La profundidad de penetración es un factor que se evaluó. En la Figura 6a, el FSSW crea la cerradura en el centro para crear la unión para 2 hojas. La profundidad de medición de la cerradura es desde la parte superior de la hoja hasta la superficie inferior del ojo de cerradura (Figura6b). Los valores de medición se muestran en la Figura 6c,para la que los valores de ajuste son de 2 cm y los valores reales son de 1,92 a 1,98 cm. En la Figura 7, la imagen muestra la vista general del orificio de clave del punto de soldadura en la hoja DP780. El análisis de la microestructura de metal base mostró islas martensitas en una matriz de ferrita (Figura8a). Las microestructuras del TMAZ cerca de la cerradura muestran una mezcla de martensitasimilar a una aguja y ferrita acicular fina (Figura8b,c). La región de agitación alrededor de la cerradura reveló una martensita de grano fino y porosidad (Figura 8d).

25 estudiaron la dureza de un metal base en comparación con la propiedad del material original. En la región intercrítica de HAZ, se encontró que el valor de dureza estaba en un rango de aproximadamente 310 a 330 Hv. La dureza de TMAZ era de aproximadamente 360 Hv. La dureza en la zona de agitación de soldaduras por puntos de agitación de fricción es significativamente mayor que en otras regiones; los valores se encontraron en 370 Hv (Figura9, modificado de Hsu et al.25). Si el proceso de soldadura no tiene éxito, habrá algunas grietas y una falta de fusión en la zona de soldadura.

Figure 1
Figura 1. Un diagrama del pin de herramienta.
(a) El tamaño y la geometría del pasador de herramienta (b) el pin de herramienta real Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2. Un diagrama para demostrar el espacio de trabajo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3. Un diagrama de flujo para ilustrar el proceso de soldadura por puntos de agitación por fricción.
(a) pin de sujeción (b) seguridad confirmada (c) ajuste de la máquina confirmada (d) calibración (e) hundido (f) agitación (g) retracción (h) validación de las propiedades mecánicas de las juntas Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4. El proceso de soldadura. (a ) calibración (b) hundido (c) agitación (d) retraer Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5. Un diagrama que muestra el pin usado. Los pines se consumen a altas temperaturas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6. Confirmación de la profundidad de permanencia mediante una comparación de los ajustes.
(a) La vista macro del FSSW creando la cerradura. (b) Un diagrama que ilustra dónde se miden las profundidades (c) Las profundidades de habitacín se establecen en 2 cm. Los valores de medición reales oscilan entre 1,92 y 1,98 cm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7. Una vista general de la soldadura por puntos de agitación por fricción. El área analizada contenía 4 partes: (I) metal base (II) HAZ (III) TMAZ, y (IV) la zona de agitación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8. La composición de la microestructura de la junta creada con FSSW. (a ) metal base: el metal base de las piezas de trabajo se compone de hojas DP 780. El metal base no muestra ningún cambio en las propiedades del material (b) HAZ: el ciclo térmico alrededor del sitio de soldadura con transferencia de calor. La zona HAZ muestra las islas martensitas. (c) TMAZ: zona termomecánicamente afectada alrededor de la zona de agitación. La martensita similar a una aguja y la ferrita acicular fina que se muestran en la zona de TMAZ. (d) Stir zone: el orificio de pasador creado en el proceso de soldadura con la formación de granos de recristalización. El grano fino de menos de 10 m apareció en la zona de agitación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 9
Figura 9. Los valores de microdureza de la pieza de trabajo examinada utilizando una máquina de ensayo Vickers con un peso de carga de 300 g se mantuvieron durante 15 s. Esta cifra fue modificada de Hsu et al.25. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La etapa de hundimiento es la más importante durante el proceso FSSW. Sin suficiente calor de fricción procedente del hombro del pasador para suavizar la pieza de trabajo, el pasador se fracturará. La geometría de la herramienta, la velocidad de rotación, el tiempo de permanencia y la profundidad de penetración de la herramienta26 parámetros del proceso FSSW desempeñan un papel fundamental en la determinación de la integridad de la articulación. TPD y la geometría de la herramienta27 tienen un efecto importante en la soldabilidad y se notificaron las propiedades de la junta.

La geometría de los pines era cilíndrico, Whorl, MX Triflute, Flared-Triflute, A-skew y Re-stir diseñado por TWI28. Son adecuados para la soldadura a tope, pero no para la soldadura de vuelta porque el movimiento de la herramienta y el par de soldadura se pueden reducir por la fuerza de travesía causada por la agitación intensa. Los pasadores de herramientas flared-Triflute, A-skew y Re-stir son adecuados para la soldadura de vuelta; el diseño está destinado a aumentar el volumen barrido del pasador con el fin de ampliar la región de agitación para formar una junta de vuelta trabajada más amplia29. Mientras tanto, durante FSSW, la fricción genera calor en la interfaz de la herramienta giratoria y la pieza de trabajo. La geometría de la herramienta y los parámetros FSSW afectan a la resistencia de las soldaduras FSSW4. El hombro y el pasador de la herramienta son las partes principales de la herramienta FSSW5. El pasador genera calor de fricción, deforma el material a su alrededor y remueve el material calentado6. El tamaño7, ángulo8, orientación de rosca9, longitud10 y perfil11 del pasador depende de la formación de pepita. Mientras tanto, el hombro de la herramienta genera calor durante el proceso FSSW, forja el material calentado, evita la expulsión del material y ayuda al movimiento del material alrededor de la herramienta12. El tamaño y la concavidad del hombro también son factores importantes en la soldadura por puntos de agitación por fricción13.

Los materiales del pasador se componen de los siguientes componentes: acero Cr 12%, acero de bajo carbono, aleación Mo y W, aleación W, nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN) y boro cúbico policristalino. Debido a que el desgaste de la herramienta se produjo en el período de hundimiento en la etapa inicial de soldadura, la deformación de la herramienta y el desgaste del roce se pueden encontrar en la herramienta. Este problema se puede resolver eligiendo un material adecuado para el pasador que es duro y puede soportar temperaturas elevadas en comparación con las piezas de trabajo para aumentar la vida útil de la herramienta. En nuestra investigación, utilizamos el diamante de policristalpara soldar la pieza de trabajo.

La longitud del pasador y la profundidad de penetración también son factores que pueden influir en la carga máxima en el proceso de soldadura. Se ha indicado que habrá una mayor profundidad de penetración de la herramienta y una menor longitud del pasador, lo que resulta en un más alto2.

La tasa de rotación es un factor importante que conduce a la fricción del pasador en las piezas de trabajo para comenzar el proceso de soldadura. Una velocidad que oscila entre 300-1.000 rpm se puede utilizar para detectar la temperatura máxima de aproximadamente 430 a 470 oC en la zona del centro de soldadura. Lejos de la zona de soldadura, la zona de efecto térmico presentó una disminución de la temperatura a 350 oC para la aleación Al (6061Al-T6)30. A partir de otras referencias, la situación de fricción a una baja velocidad de rotación con un palo puede transformarse en un palo / deslizamiento a altas velocidades. La tasa de rotación es el factor clave que conduce a la generación del calor necesario para forjar la pieza de trabajo. En el pasado, los estudios se han centrado en la aleación Al. Sin embargo, en nuestro estudio, el enfoque se centra en el acero DP. No hay ningún valor de prueba para identificar la temperatura. Sin embargo, sobre la base del hecho de que la microestructura en la línea central exhibió martensita de grano fino, se puede inferir que la temperatura del sustrato excedió el estándar Ac3.

El estudio de las piezas de trabajo FSSW en el pasado se ha concentrado en aleaciones de aluminio porque la baja temperatura de fusión en la soldadura de metal conduce a deformidades y baja resistencia que requieren ser fijados a través de FSSW. Desde que se desarrolló el FSSW, se han utilizado diferentes materiales, incluido el acero ligero. Diferentes tipos de acero DP soldado con aleaciones Al son nuevas áreas para la investigación. Basado en aplicaciones comerciales, el FSSW puede ser un método útil para diferentes aleaciones de componentes utilizados en la producción industrial debido a ahorros en términos de tiempo y costo.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Agradecemos al Dr. K. C. Yang de la China-Steel Company por su apoyo material y deseamos expresar nuestro agradecimiento al Sr. L.D. Wang, C. K. Wang y B. Y. Hong en el MIRDC por la asistencia con el FSSW experimental. Esta investigación fue apoyada por el Centro de Investigación y Desarrollo de Industrias Metálicas, Kaohsiung, Taiwán, ROC.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
anvil MIRDC made by MIRDC
DP780 China steel Corporation CSC DP780
stir spot welder machine MIRDC made by MIRDC
tool pin KINIK COMPANY DBN2B005B

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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