TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4854 ~ 4 8 6 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.584 5          4854     Re cei v ed  Jan uary 21, 201 4 ;  Revi sed Ma rch 1 9 , 2014;  Acce pted April 1, 2014   Finite Element Analysis for Bobbin Tool Friction Stir  Welding      X.M.Liu* 1 ,   J. S.Yao 2 ,   Z.D.Zou 1 ,  Y.Cai 1 , H. Meng 1   1 Ke y  L abor ator y for Li qui d-Sol i d Structural Ev oluti on &  Proce ssing of Materi als,  Ministr y  of  Educati on,  Shan do ng Un i v ersit y , Jin an,  250 06 1, Chin a   2 Shang hai A e r o spac e Equ i p m ents manufa c turer, Shang h a i 20 00 45, Chi n a   * Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : xu emei _bu aa @sdu.e du.cn       A b st r a ct   W i th DEF O RM-3D fin i te e l e m ent softw are, b y  ther mo- m ec h anic a l co up lin g  method, th e p h ysica l   mo dl e for  bob b i n to ol fricti on s t ir w e ldin g w a s  set up.  By  this  mode l, the  te mp eratur e fie l d  an d flow  fie l d  of   AA 201 4 alu m iniu m  all o y w o rk plate of 6 m m w a s ana ly zed, w h ich pro v ides us eful i n formati on for th e   investi gatio n of  this new  proc ess. Simulati o n  results  show  that the temp erature fie l d of  the cross section   prese n ts symmetry a ppr oxi m ate l y a bout t he  mi d thickn e ss of the w o rk plate. T he hi g h   temper ature z o n e   has lar ge rad i u s  at bottom an d top su rfaces  near the sh ou l ders w h ile s m a ll  radi us at the mi d thickn ess, lik e   a w a ist, w h ich  i s  verifie d   by th e ex peri m ents. T he re lativ e y hig hest  ste ady temp eratur e  ke eps abo ut  3 6 0 Ԩ .  Groove defects  are easy to be  found in th e si mu lati on.      Ke y w ords : DE F O RM-3D, bob bin too l  friction  stir w e lding, F E M       Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Since fri c tion  stir weldi ng (FSW) was in v ented by The Weldin g Institute (TWI ) in 1990,   this techniqu e has  bee n  developin g  fa st. Re c ently, some  ne w types of FS W  have eme r ge d,  su ch a s  fricti on stir  spot  weldi ng (FSS W) [1, 2], friction plug  wel d ing (FP W) [ 3 -5], and b o b b in  tool friction sti r  weldi ng [6, 7]. In this paper,  bobbi n too l  friction stir  welding i s  involved.   There is only one sh ould e r  in conventio n a l FS W techn i que. To gen erate a force  to react  again s t the weldi ng tool pre s sure loa d , it is  necessary to have  a devic e of high rigi dity  and   steady ba ck to achi eve co nventional  FS W su cce ssfull y  [6], which restri cts its a p p licatio n to weld  thin metal plate and co m p lex spa c e curve ,su c h a s  circu m fere ntial dire ction  welding in t ank.  Acco rdi ngly the bob bin to ol is invented  by  TWI, BOEING and M T S. The bob bin tool ha s two   sho u lde r s  an d one pi n, as  illustrate d in  Figure 1 an d  Figure 2. By these tw o  sho u lders, the la rge  pre s sure in  welding  progre s s could  be  b a lan c ed   with its  internal se lf–rea cting m e ch ani sm,  an d  thus th e weld ing loa d  i s  ta ken  by the  b obbin to ol  eff e ctively. As  well,  the stea dy  ba ck co ul d  be  remove d. So, the prog re ss gets  more flexible an d  co uld be  u s ed t o  more a ppli c ations,  su ch  as  circumfe renti a l dire ction welding, which  is mention ed  above.           Figure 1. Photograp h of Bobbin Tool   Figure 2. Photograp h of Bobbin Tool F r iction  Stir Welding [7]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Finite Elem ent Analysi s for  Bobbin To ol Frictio n  Stir Weldi ng (X.M .Liu)  4855 In this pape r, with DEFO RM-3 D finite elem ent softwa r e, by thermo -me c ha nical cou p ling  method, the  physi cal m o d e l of bo bbin t ool fri c ti on  stir weldin g wa s  set up,  and  the tempe r at ure   field and flow field of the  weld i ng process wa s si m u lated an d a nalyze d . The  results could  help  study the  me cha n ism  of t he p r o c e s s d eeply, set u p  the  ba sis to  broad en it s  use  sco p e  a nd  instru ct its ap plicatio n to practice.      2. Thermo-m echanic al Process a nd Analy s is   Similar to  co nventional  F S W, the b o b b in tool  fricti on  stir  weldi ng p r o c e s s  coul d b e   divided into  two se que ntial pha se s: the preli m ina r y friction pre heating p h a s e and the n e xt  steady adva n cin g  pha se.  The preh ea ting phase  is the essent ial stage for enough h e a t  to   pro c ee d su ccesfully of the  the next advancin g peri od.   At the beginn ing of the p r o c e ss, d ue to  t he violent fri c tion b e twe e n  the work pl ate and  the tool, nea rby metal’s te mperature  in cre a se fa st, and p a rt  work plate  metal  become s  pl a s tic,  then dee p pl astic. Th e pl astic d e form ation be co m e s the m a in  heat so ur ce. The  process is  a  typical pro b le m of thermo-mech ani cal couplin g,  so th e cou p le calculation is n e cessary.    Acco rdi ng to the resea r chers’stu d y[8], t he heat produ ced by the action bet wee n  the  sho u lde r  and  the work pl a t e Q1 is mo re than 80%  of the total heat pro d u c tio n , and the h eat  prod uced by  the action b e twee n the p i n and the work  plate Q2  is only less than 20%. The  bobbi n tool friction  stir wel d ing could  be  thought  a s  a  modificatio n   of adding  a should e r b a sed   on co nventio nal FSW. So  the friction b e t ween the  sh oulde r and th e wo rk pl ate has m o re  effect  on the proce ss. Due to di fferent  heat i nput, the wel d ing cha r act e r in bo bbin  tool friction  stir   weldi ng is diff erent fro m  co nventional p r oce s s.  Duri ng   FSW, tool  thread s wea r  qui ckly  l ead  to   a   “self –optimized ” smooth pin su rface  [9 - 12], so the  pi n was  simplifi ed as  cylindri c al smooth here  to  avoi d  possibl e inst abilities. Figure  3   is the geomet ry model of the bobbi n tool. Meanw hil e , two wokpi e ce s we re  simplified to be one  singl e plate. The wh ole pl ate is 400m m * 150mm * 6m m. The weldi ng begin n ing  positio n is 10 0mm  from the bou ndary of the  wo kpie ce in  Y directio n,which i s  the sa me as the ex perim ent.  Non - unifo rm  mesh  i s  a d o p ted, an d the  large s t ratio   of me sh  si ze  is 5, a s  ill ust r ated  in   Figure 4. Adaptive remeshi ng is  adopted, after remeshing, the z one of samller element s will  be   ajuste d to pro per si ze.             Figure 3. Bobbin Tool Ge o m etry Model   Figur e 4.  FEM Mesh G e n e ration L a you t  Plan  for Wo rk plate       The bob bin  tool is co nsi dere d  to be  rigid. The  plate is con s ide r ed to b e  rigid- visco pla s tic.  The yield  stre ss of the  plat e mate rial , whic h is   a function of s t rain,  s t rain rate, and   temperature,  can  also b e  treated a s  flo w  stre ss . In thi s   coupl ed th e r mo-me c ha ni cal p r o b lem, t h e   temperature  filed an alysi s   is a m a tter of  unste ady h e a t excha nge   with inn e r  he at sou r ce. Th e   fundame n tal  equation of  the heat condition wi th  chang eabl e  thermal propertie s  can  be   expre s sed a s  the following  3-D, un stea d y  equation:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4854 – 4 860   4856 22 22 1 TT T T ck q tr r r z                                                                                            (1)    Whe r e  ρ , c a nd k a r e de n s ity, specifi c   heat, and the r mal cond ucti vity of  the wokpi e ce  material, res p ec tively, q  is  the internal energy rate.   The fri c tion i n terface bet wee n  the too l  and the  wo kpie ce i s  the  heat ge nera t ing face.   The othe r faces that co nta c t su rro undi n g s are for he at dissi pation.        3. Results a nd Analy s is  The tempe r at ure field an d flow field of workplate a r e i n volved in the study.    3.1. The Temperature Fiel d  Acco rdi ng to the tempe r atu r e sim u lation  result s, on  co ndition s that the wel d ing p r essure  is 350 0N a n d  the rotating  spe ed is 1 0 0 0 r/min,  the preheatin g pha se time is a p p roximately 3 1 s.  Figure 5 i s  t he i s othe rma l  diag ram  on  half X-Y  se ction  (midthi c kne s s of th e workplate )  at  different time . It could  be  con c lu ded th at along  with  moving  of the tool, the  tempe r ature fi eld   arou nd th e to ol is  qua si-st eady. The te mperature  gr adient at th e  front of the  welding  dire cti on is  large r  th an  th e ba ck. Th e  reason li es th at the  ba ck  metal h a s lo wer  cooli ng  speed  an d hi g her   temperature  due to wo rse thermal  con d i t ions.       (a) 3 1 s     (b) 4 7 .9s   (c ) 71.2 s   (d) 9 5 s                                                                                   Figure 5. The  isothermal Di agra m  on Hal f  X-Y Section at Different Ti me （℃ ）       We l d i n g   Di r e c t i o n   W e ld in g   Di r e c t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Finite Elem ent Analysi s for  Bobbin To ol Frictio n  Stir Weldi ng (X.M .Liu)  4857 Figure 6 is th e isoth e rmal  diagram on  cross  se ction  vertical to the  weldin g dire ction at   31s  (p reh eati ng time) of the work pl ate. It sho w s t hat the temp eratu r e n e a r   the tool i s  hi gher,   that is about  450 Ԩ . And th e zon e  of hig her temp erat ure i s  wid e r o n  the wo rk pl ate su rfaces t han  the mid thi ckness. So, th e high er te m peratu r e  zo n e  shows th e  distri but ion  of narro w at  mid   thickne ss  an d wid e  at t op an d b o ttom surfa c e s . Different from conventi onal FS W, the  temperature f i eld on X-Z  cross  se ction  in bobbi n  too l  friction sti r  weld i ng presents symm etry  approximatel y about the mid thickne s s of the wo rk  plate, like  a wai s t. The  rea s on is th at a t   preh eating  p e riod, th e he at gene rate d  by friction  bet wee n  the  sh o u lder an d the  wo kpie ce  ta ke s   great pa rt, co mpared to the heat by  the pin and the work plate. In  this study, the two sho u ld ers’  diamete r  a r e  sam e , as illustrate d in  F i gure  3. At the same  rot a tion velo city and th e sa me   pre s sure, the  heat  ge nerated by  the  wo rk plate  an d  each  sho u lde r  i s  the   same  app roximatel y   too.        Figure 6 ． Th e isothe rmal  Diag ram o n  X-Z  Cro s s Sectio n at 31s  Figure 7. Macro Photo of the Weld Spe c i m en  Cro s s Sectio n (X-Z ) after Etching               This can be verified indi re ctely by  the macr o photo of  the weld sp e c imen  cro s s se ction  (X-Z ) after etchin g, as illu strated in Figu re 7. In  the photo, two gra y  line are add ed to indicate  the  sketch  of a waist in a pl an e. Its sketch i s  simi l a r to hi gher  zo ne di stributio n in  Figure 6. Du e to   different heat  generation, temperat ure  cycle a nd force, differne n t zone ha s g r ain of differe nt  s i ze,  as  well s o me  other propertits .   Yet for  thos e  zon e s th at un de rgo  simila r te mperature  cy cle  and fo rce, th ey co uld h a ve simil a r  microst r u c tu re  a nd  similar ap pearan ce  after et chin g. T h is  balan ce d h e a t  input a nd te mperature  di stribution i n  b o bbin to ol fri c ti on  stir  weldi n g can  aviod t h e   root def cts effectively.   At the mid thickne ss of th e wo kpie ce,  15  point s’ te mperature  ch ange  with time we re  tracking. Th e 15 point s we re distri buted  as Fig u re 8.   Point A, B, C, D, E are on the wel d ing lin e,  with the  internal of 2 0 mm.  Point A is th e  begi nni ng  welding  point.  A1, B1, C1,  D1, E1  are  o n  the   retre a ting  sid e  with the  int e rnal  of 20m m. A2, B2, C2, D2, E2 a r e  on the  advan cing  sid e  with  the  internal of 20 mm too. A1,  A and A2 have the same   Y coordinate,  Z coordinate ,  but different X  coo r din a te, and ea ch internal is 8mm. T he sam e  situ ation is true f o r B1 、， B and  B2 and so o n .       Figure 8. Tra cki ng Points  Distri bution     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4854 – 4 860   4858 Figure 9 i s  th e sim u lation  result s of the  tempe r at ure p r ofile  with tim e  of poi nt A, B, C, D,   E. The fig u re sho w s tha t  the temp erature  changi ng trend s fo r e a ch p o int  are the  sa me  approximatel y. And point A is a little  spe c ial,  b e cause it locates at the  welding  begin n ing   positio n. Whi l e in the unsteady  prehe ating peri od,  the tempera t ure he re experie nces m o re   instability and fluctuation.   The temp era t ure in crea se s by the  cu rve wi th  seve ral inflexion s ,  but not in creases  contin uou sly, whi c h is simil a r to popula r  friction we ldin g. The existence of  inflexio n is asso ciate d   with the  cha nge of the fri c tion torque  virus time  an d the flow of  vico-pl a sti c   material  on t he  fric tion interfac e [13].          Figure 9. The  Simulation Result of Temp eratu r e Hi story of Mid Weld  Point      Figure 1 0  i s  the  simul a tion  re sults of  the tem p e r a t ure  profile  o f  retre a ting  side a nd  advan cing  si de re sp ective ly. The max tempe r ature  for the p o int a t  retreatin g si de is a bout 4 0 Ԩ   highe r than a d vanci ng si de . This is be ca use the  pl asti c materi al mo ves from the  advan cing  sid e   to the retrea ting side by  the tool, ta king  some  h eat with it.  The rel a tivey highe st ste ady  temperature kee p s  a bout 360 Ԩ .      (a)The retreat ing sid e   (b)The adva n c ing  side     Figure 10. Th e Simulation  Re sult of Te m perature  Hi story of Different Side Poin t      3.2. The Flow   F i eld   Duri ng th e p r oce s s of b o b b in tool f r ictio n  stir welding ,  the flow  pattern i s  m o re complex   than co nventi onal FSW, d ue to the existen c e of  the  se cond  sh o u lder. Th e m e tal flow patt e rn  can affe ct the weld figuration  strai ghtly and effectivel y.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Finite Elem ent Analysi s for  Bobbin To ol Frictio n  Stir Weldi ng (X.M .Liu)  4859 Figure 11 is the flow distributio n on  t op and bo ttom surfa c e  for workpl a t e. The   simulatio n  re sults sh owed  that the ma x veloci ty  of the  flowin g material co ul d  be 47mm/ s  on   con d ition s  of  the study. T w o sh ould e rs  help m o ve  of  the workplat e materi al. Surface figu rati on   of both side i s  goo d.      (a) T op s u rfa c e   (b) Bottom s u rface      Figure  11. Flow Di strib u tio n  (velocity)  o n  Top and Bo ttom Surface  for Wo rkplate       In the  simul a tion, if the  te mperature  of  the wo rk  plat e metal  is hi ger, th e flo w   stre ss i s   lowe r, the n  t he  weld  woul d have  b e tter figuration  du e to  ea sy flo w ing.  Othe rwise, d e fect s li ke  cra c k, lack of penetration a nd gro o ve mi ght occur.   However,in the sim u lation,  to av oid  possible instabiliti e s, there  is no obli quity of  the tool,  and sim p lifie d cylindri c al  pin is ad opte d . So there  are mo re ten den cie s  to form the defe c t o f   groove i n  the  weld, a s  sho w n in Fi gure  12. For  persp icuo us  unde rstandi ng, onl y the wo k pla t e is  involved in Figure 1 2 .          Figure 12. Groove in the Simulation       4. Conclusio n   Bobbin tool friction stir  wel d ing is a n e w type  of FSW. As a new  kin d  of FSW techniqu e,  the bobbi n friction sti r  weld ing ha s differences  a nd si milaritie s  with  conventio nal  FSW.   The heat in put in the bobbin tool fri c tion st ir  wel d ing is different, beca u se  of the   addition al sh oulde r. Th e  temperature   field on  X- Z   cross se ctio n  in bob bin tool  frictio n  stir  weldi ng p r e s ents  symmet r y app roxima tely about th e  mid thi c kn ess of the  work plate, li ke a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4854 – 4 860   4860 wai s t, whi c h i s  verified i ndi rectly by the  macro p hoto  of the wel d  cross sectio n. In bob bin fri c tion  stir welding  si mulation, the  max tempera t ure for the p o int at retreat ing sid e  is ab out 40 ℃  h i ghe r   than adva n ci ng si de, wh ich i s  simil a r to co nvent ional fri c tion  stir weldin g. Due to t he  simplification  for the tool, the  defect of groove is mo re  easy to be fo und in the si mulation.       Ackn o w l e dg ements   The a u tho r s  appreci a te th e finan cial  su pport f r om P r omotive rese arch fun d  for  excelle nt  young an d middle-age d sci entisits of Sh ando ng Provi n ce (Grant NO. BS2011ZZ 007).       Referen ces   [1]  Sakano R, Murakami K,  Yamashita K, H y oe   T ,  Fujim oto M, Inuzuka M, et al.  Develo pment of spo t   FSW robot system for  auto m obil e  b ody  me mb ers.  Proce e d in gs of the  3r d inter nati ona l  s y mp osi u m of   friction stir  w e l d in g.  Kobe. 20 01. (CD-ROM).  [2]  Mazda D e vel o ps W o rld’s F i r s t Aluminum  Joini ng T e chn o lo g y   Usin g F r iction H eat. Mazda N e w s   Rele ase. 2 003:  27.   [3]  Paul a J  Hartl e y. F r ictio n   plu g   w e l d  r e p a ir  of  space  shuttl e e x tern al  tank.  W e ldi n g  & M e tal  F abricati on.   200 0; 96-7.   [4]  Z haoYa n -Hu a ,  Liu  Jin g -Du o ,  Z hang  Li- N a,  Sun Z h ong-S h ao, W a n g  Guo - Qing. Stud y  o n  friction  pl ug   w e ld in g of 20 14 al umin um  Allo y F S W  joi n t.  Hangk ong  Caili ao X ueb ao/Jour nal  of Aeron autic a l   Materials . 2 0 1 0 ; 30(1): 41-4 6 .   [5]  Che n  H ao,  Liu   Jing-D uo, Z h a ng  Li-N a, Z h a n g  Yi-K un, D u  Y an-F e n g .  Stud y on  friction  pl ug w e l d in g  of   a l um in um  a l l o y.  Internatio nal  Astrona utical   F ederati on -  5 8 th Intern atio n a l Astron autic al C o n g ress.   India. 20 07; 8: 537 4-53 83.    [6]  T o mohiko Goto, Hiroaki S a to , Daisuke T anaka,  Hid eaki S a kag u chi, T a keshi Yam ada,  Hide nor i Hara.   High l y R e li ab l e  T ank Structu r e of H-IIB L a unch  Ve h i cle. Mitsubis h i H e a v y  In dustri e s, Ltd. T e chnica l   Revie w .  200 5; 42(5): 1-4.   [7]  Guan Qia o , L uan Gu oh on g.  T he curre nt s t atus an d d e v e lo p m ent  of F S W .   T he Elev enth W e l d i n g   Confer ence  of Chin a. Sha ngh ai. 200 5; 1: 15- 29.   [8]  W ang  Xiji ng,  Bao K o n g , Jin  Lo ng, H a n   Xiao hui, Gu o  R u iji e. An al ysis  an d com par i s ion  of F S W   temperatur e field sim u lation  of  plates 3mm - LY12  and 10mm- LF2.  Jo u r n a l  o f  L a n z hou U n i v e r si ty of  T e chno logy . 2 005; 31( 3): 1-4 .     [9]  PA Colegrove,  HR Sher cliff. T w o-dimensional  CFD  modelling of flo w  round  profiled F S W tooling.   Scienc e an d T e chn o lo gy of W e ldin g & Join ing . 20 04; 9(6):  483– 49 2.  [10]  Liva n Fratini, Gianl uca Buffa . CDRX mo del l i ng i n  fric tion stir  w e ld in g of al umini u m all o ys . Internation a l   Journ a l of Mac h in e T ools & Manufactur e . 20 05; 45: 11 88– 1 194.   [11]  RA Prad o, LE   Murr, KF  Soto, JC  McCl ure.  Self-optim izati on i n  to ol  w e ar  for friction-stir   w e l d in g  of A l   606 1+ 20% A l 2 O 3 MMC.  Materials Scie nce a nd Eng i n eeri n g  A. 2003; 349:  156- 165.   [12]  G Buffa, J Hu a, R Shiv pur i, L  Fratini. A c o ntinu u m b a sed  fem mode l for  friction stir  w e ldin g-mo de l   deve l opm ent.  Materials Sc ie nce an d Eng i n eeri ng: A.  2006 ; 419: 389- 396.   [13]  SG Du, L F u , XW  Liu. F EA coupl ed  w i th  thermo- mech anic a l effect on friction  w e l d i ng.  Chi nes e   Journ a l of Mec han ical En gi ne erin g . 200 2; 38 (6): 77-82.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.