Friction Stir Welding of Hybrid Structure Materials. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Friction Stir Welding of Hybrid Structure Materials.pdf Restricted to Repository staff only until 4 October 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الدراسة في إمكانيات وأداء اللحام بواسطة التحريك الاحتكاكي (FSW) لربط المواد غير المتماثلة، وتحديدا البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) وسبيكة الألمنيوم AA5052. تستكشف الدراسة كيفية تأثير معايير العملية المختلفة، بما في ذلك سرعة الدوران، سرعة اللحام، والمعالجة السطحية المسبق، على جودة الوصلات باستخدام تصميم تجريبي للصفيف العمودي Taguchi L9. تم تغيير معايير العملية بشكل منهجي، وتم تقييم أداء الوصلات من خلال تحليل مظهر السطح، والقوة الميكانيكية من خلال اختبار الشد والقص، وبنية الربط داخل منطقة التحريك الاحتكاكي من خلال المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). أظهرت النتائج أن أفضل قوة وصل هي 29.787 ن/مم كمتوسط حمولة قص للعرض، وتم الحصول عليها باستخدام سطح ألومنيوم تم تجريده مسبقا وشروط لحام بسرعات دوران تبلغ 800 دورة في الدقيقة وسرعة لحام تبلغ 30 مم/دقيقة. أكدت تحليل SEM تكوين الخطافات الفعال، وجود فراغات ضئيلة، ووجود طبقة تفاعلية متطورة بين Al5052 و HDPE في منطقة اللحام. لدعم التحليل السطحي بشكل أكبر، كشفت أشعة X (XRD) عن مرحلة الكريستالات لـ HDPE وتكوين مرحلة أكسيد ثانوية (مثل Al2O3) في الوصلات المحسّنة. أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتقنية تحويل فورييه (FTIR) وجود مجموعات كيميائية محلية من C=O و O-H في العينات ذات الحرارة الأعلى، مما يشير إلى أكسدة محلية، بينما حافظت العينات ذات الحرارة الأقل على الخصائص الطيفية الأساسية لـ HDPE. تم بناء نموذج عنصر محدد وحلّه باستخدام بيئة Abaqus/Explicit؛ تم التحقق من النموذج والنتائج من خلال الاتجاهات التجريبية. توقع FEM بدقة توزيع درجة الحرارة وتكوين الفراغات. تؤكد النتائج أن المدخل المعتدل للحرارة، والتشطيب السطحي المناسب، وتدفق المواد المنضبط ضرورية لتحقيق وصلات قوية خالية من العيوب بين مواد الألمنيوم والبوليمر. تؤكد النتائج أن إدخال الحرارة المعتدل، وتشكيل السطح بشكل صحيح، وتدفق المواد تحت السيطرة تعتبر أساسية لتحقيق وصلات قوية وخالية من العيوب بين المواد الألمنيوم والبوليمر. تظهر هذه النتائج جدوى اللحام بواسطة الاحتكاك للتطبيقات الهجينة الخفيفة، مع استخدامات في صناعات السيارات والفضاء.

English Abstract

This research investigates the potential and performance of friction stir welding (FSW) for joining dissimilar materials, specifically high-density polyethene (HDPE) and aluminum alloy AA5052. The study explores how different process parameters, including rotational speed, welding speed, and surface pretreatment, on joint quality using a Taguchi L9 orthogonal array design of experiment. Process parameters were systematically varied, and joint performance was evaluated through surface appearance analysis, mechanical strength through tensile-shear testing, and bond structure within the friction stir zone through scanning electron microscopy (SEM). The findings showed that the best joint strength, with an average lap shear load per width of 29.787 N/mm, was obtained using a pre-macro-grooved aluminum surface and welding conditions of 800 rpm rotational speed and 30 mm/min welding speed. SEM analysis confirmed effective hook formation, minimal voids, and a well-developed interaction layer between the Al5052 and HDPE at the welding zone. To further support the interfacial analysis, X-ray diffraction (XRD) revealed the HDPE crystalline phase and the formation of minor oxide phase (such as Al2O3) in optimized joints. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed localized the presence of C=O and O-H functional groups in higher-heat samples, indicating localized oxidation, while lower-heat samples maintained key HDPE spectral characteristics. A finite element model was also built and solved using the Abaqus/Explicit environment; the model and results were validated through experimental trends. The FEM accurately predicted temperature distribution and void formation. The findings emphasize that moderate heat input, proper surface texturing, and controlled material flow are essential to achieving strong, defect-free joints between aluminum and polymer materials. These results demonstrate the viability of FSW for hybrid lightweight structures, with application in the automotive and aerospace industries.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	A. Al-Badour, Fadi
Committee Co-Advisor:	Merah, Nesar Ammar
Committee Members:	Suleiman, Rami Khalid Mohammad and Sarhan, Ahmed Aly Diaa Mohammed and Shaukat, Mian Mobeen
Depositing User:	FILMON SURAFIEL (g202204860)
Date Deposited:	09 Oct 2025 07:52
Last Modified:	09 Oct 2025 07:52
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143711