Materials Joining  How can we join materials? What will it depend on? Type of material Strength/structural requirements Aesthetics Cost 

 

Joining * Metals 

Welding, brazing, soldering 

* Polymers  Adhesively bonded to metals, glasses, themselves 

* Ceramics  diffusion bonded  

* Note:  Joining dissimilar materials can be difficult  i.e.  glass windows and metal frames, composites and bolts, etc. 

Classification of joining processes

Adhesives

 

Adhesives  AAddhheessiivvee  bboonnddiinngg  – a joining process in which a filler material is used to hold two (or more) closely spaced parts 

Used for joining similar and dissimilar materials 

AAddhheessiivvee is usually a polymer e.g. epoxy, silicon and urethane 

CCuurriinngg  ttiimmee  or setting time is the time from a liquid to a solid state, usually by a chemical reaction 

MMaajjoorr  aapppplliiccaattiioonnss  –  

automotive, aircraft, building products, and packaging industries; other industries include footwear, furniture, bookbinding, electrical, and shipbuilding 

Adhesive Types   Hot melt adhesive 

thermoplastic material  Will soften again when heated 

Evaporate volatile  release solvent or carrier 

Polymerize in situ 

cyanoacrylate (super glue), epoxy  thermosets 

Pressure sensitive Wetting

poor wetting good wetting complete wetting

θ > 90°C 90° > θ > 0° θ→ 0°

θ θ θ

γlv γlv γlvγsv

γls

cosθ < 0 cosθ = 0 cosθ > 0

 

masking tape 

Inorganic  Sodium silicate. Magnesium oxychloride 

Natural 

Starch, animal products  

 

Adhesive bonding:  Single lap  

Adhesive Bonding  thinner is better 

tri‐axial state of stress ‐ “contact strengthening”  any thin film will bond 

 

Joint strength  Increases with adhesive strength.  Increases with adhesive ductility.  Peel stresses very hard to analyze.  Dissimilar materials may disbond due to CTE’s. 

Residual stresses also important. 

   

AD M

Adhesion  The principlecalled adhes Adhesion is occurring at intimate conforce betwee Adhesion sttwo adhered

CChheemmiiccaall  bboo

   AAddhheessiioonntthhee  ffoorrcceess  hhoo

Advantages of adDisadvantages o

Mechanical Fa

Assembly Pr

Mechanical 

Threadextern

Screws

Washetightne

e basis of adhession 

a complex of phthe interface of

ntact, which resuen the two mate

rength is a forced parts along the

oonndd  tthheeoorryy  

nn  bbeettwweeeenn  aaddhheessoollddiinngg  aattoommss  aanndhesive bondingof adhesive bond

astening 

rocesses 

Assembly 

ded fasteners – nal or internal th

s, bolts, and nut

ers – used with tess 

ive bonding is a 

hysicochemical pf two materials bult in formation erials. 

e required for see interface. 

ssiivvee  aanndd  aaddhheerreendd  mmoolleeccuulleess  ttooggg ding 

hardware compreads 

ts 

threaded fastene

phenomenon 

processes brought into an of an attractive 

eparation of 

nntt  iiss  rreellaatteedd  ttoo  ggeetthheerr  

onents with 

ers to ensure 

1. Reqpre

2. Lon3. Imp4. Diff5. Nec

dur6. Ser7. Low8. Cha

Disbon

quires careful subeparation;ng mixing and curportance of right jficult disassemblycessity to fixture (ring curing;rvice temperaturew creep strength; anging properties

sadvantagnding

bstrate (adherent

ring time may be oint design;y of joined parts;(hold together) th

e and environmen s during service

ges of ad

) surface

required;

he joined parts

nt limitation;

dhesive

 

* Fasteners 

bolting  riveting  stapling  snap rings ‐  rods ‐ covers 

Hemming, seaming 

Bend edge of one component  over another 

Automobile door stampings and trunk lids  “Welding”  

Solid state welding processes  No filler metals but w/o local melting with either pressure‐alone or heat and pressure. 

Intimate contact is necessary by a through cleaning or other means. 

Solid‐state Welding Processes 

Forge welding – Samurai sword 

Cold welding – high pressure  Roll welding  Hot‐pressure welding  Diffusion welding at 0.5Tm 

Diversity of welding processes

welding

Solid state welding Soldering and brazingFusion welding

Electrical energy  Chemical energy

Other processes 

Non consumable electrode 

Consumable electrode 

Resistance welding Cold weldingFriction welding Diffusion weldingFlash weldingUltrasonic weldingExplosion welding

Gas metal arc welding Shielded metal arc weldingSubmerged arc weldingFlux cored arc welding Electrogas weldingElectroslag welding  

Gas tungsten arc weldingAtomic hydrogen welding Plasma arc welding

Oxyacetylene welding Oxyfuel gas welding

Laser beam weldingThermit weldingElectron beam welding

SolderingBrazing 

  Explosive welding – mechanical locking commonly used to bond two dissimilar metals, in particular to clad one metal on top of a base metal over large areas 

Friction welding – friction to heat  Ultrasonic welding – oscillatory shear stresses of ultrasonic 

Ultrasonic Welding Friction Welding  Friction stir welding used for aluminum requires no filler low distortion low microstructural changes probe – 5‐6 mm diameter 5 mm height Temps 230 – 260oC     

 

Solid + Liquid States  Soldering and Brazing  Typically, a liquid metal joins two solid surfaces. 

 Solder T < 425oC  Braze T > 425oC 

Capillary forces for the wetting and flow of the liquid metal into the gaps. 

Proper fluxes for lowering surface tension, remove oxides, and prevent oxidation. 

Solder tape  Flux  To prevent oxidation.  Used to clean off surface contaminants. 

Proper flux needed to decompose surface oxides. 

Clean surfaces are needed for good wetting and bonding.  High temperatures increase cleaning and speed of process. 

   

Fluxes can be organic or inorganic.  e.g. boric acid, fluorides/chlorides 

Pb‐Sn Solders  Electrical solder  40%Pb‐60%Sn “60/40” 

Single freezing/melting point  allows for quicker wetting out as the solder heats up,  

and quicker setting as the solder cools..   Any differential movement during the plastic phase may result in cracks, giving an unreliable joint.  

 a eutectic formulation has the lowest possible melting point, which minimizes heat stress on electronic components during soldering. 

 

Lead Sleds  70%Pb‐30%Sn 

A non‐eutectic formulation must remain still as the temperature drops through the liquidus and solidus temperatures 

Lead free solders    

July 1, 2006 the European Union Waste Electrical and Electronic Equipment Directive (WEEE) and Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) came into effect prohibiting the intentional addition of lead to most consumer electronics produced in the EU.  

California recently adopted a RoHS law and China has a version as well.  

 Lead‐free solders in commercial use may contain tin, copper, silver, bismuth, indium, zinc, antimony, and traces of other metals.. 

Silver solders  Joint Strength  Solder: 

 Controlled by creep of solder  Solder rule of thumb: 

Don’t exceed 7MPa above 0.75 Tmelting K 

Soft solders are  alloys of lead and tin, sometimes with the addition of bismuth;  

Hard solders are   alloys of silver, copper, and zinc (silver solder) or of copper and zinc (brazing spelter). 

    

Brazing  strengths up to 35‐70MPa 

 

Joint Strength  Typically, thinner is better. 

 “contact strengthening”  tri‐axial stress state 

Thicker joints can relieve differential thermal stress concentrations. 

Liquid State  Resistance Welding 

Heat  to form the weld is generated by the resistance of the welding current through the workpieces 

Small pools of molten metal are formed at the point of most electrical resistance (the connecting surfaces)  

Spot welding  the sheets are in the 0.5‐3.0 mm thickness range. 

Lends itself to automation 

a lot of energy can be delivered to the spot in a very short time (ten to one hundred milliseconds 

Spot welding cycle  

   

M

Resistance s Arc welding electric arc bto melt the m

Principles of fMetallurgically th

Fusion 

Heat af

Unaffe

Arc We

Consum

Heat d

Arc betto be w

Uses b

Tempe

Manua

Gas Tungste(TIG) 

a non‐consu an inert or s

eam welding 

uses a welding between an elecmetals at the we

usion welding here are three d

zone 

ffected zone (un

cted original pa

elding 

mable electrode

eveloped by ele

tween tip of thewelded 

oth AC/DC powe

rature 5000‐300

al metal arc (MM

n Arc Welding (G

umable electrode

emi‐inert gas m

power supply toctrode and the belding point)  

istinct zones 

nmelted)  

rt 

e: first developed

ctric energy 

e electrode and t

er supplies 

000 °C ,very high

MA) welding 

GTAW) Tungsten

e made of tungs

ixture, and 

o create an base material 

d in mid 1800 

the work piece 

h!! 

n Inert Gas 

sten,  

 

 

a separate filler material 

Gas metal Arc Welding (GMAW) Metal Inert Gas (MIG) 

semi‐automatic or automatic welding process  

wire feed as an electrode and an inert or semi‐inert shielding gas to protect the weld from contamination. 

 When using an inert gas as shield it is known as Metal Inert Gas (MIG) welding. 

Submerged Arc Welding  

Submerged Arc 

‐Shielded metal arc welding (SMAW), 

Oxyfuel gas weldings (OFW)  

Use various fuels mixed with oxygen 

Oxyacetylene welding –   A mixture of acetylene and oxygen 

– Total heat: 55x106J/m3 

 Other gases  – MAPP (Dow), Hydrogen, 

Propylene, Propane and Natural gas  

   

HAZ  Bad microstructure, course grains, weak to corrosion 

Plastic vs. Metal 

Region near the weld pool is affected by heat.  Microstructure changes. 

 

Weld quality and defects 

IInnccoommpplleettee  ffuussiioonn//ppeenneettrraattiioonn  

Preheat and clean joint  Clean weld area, enough shielding gas  Change joint design or type of electrode 

CCrraacckkss,,  rreessiidduuaall  ssttrreesssseess   Temperature gradients, embrittlement of grain boundaries 

Inability of weld metal to contract during cooling  

Corrosion issues  hydrogen embrittlement.  

Some materials, notably high‐strength steels, aluminium, and titanium alloys, are susceptible  

electrodes with traces of moisture,  

when moisture absorption may be suspected oven baking usually 430‐540°C  

   

Flux used has to be kept dry as well.  

intergranular  corrosion  Some austenitic stainless steels and nickel‐based alloys are prone to.  

Sensitization 500‐800oC  

This kind of corrosion is often termed weld decay.  

Heat Treatment Issues 

Steels  Steels that have already been heat treated 

Quenched and tempered 

Annealed  Non‐ferrous alloys  Peak aged alloys  .