مطالعه تجربی فرایند جوشکاری نقطه‌ای ورق آلومینیوم غیرآلیاژی به روش اصطکاکی اغتشاشی با شانه ثابت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران.

3 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران.

چکیده

در فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از یک ابزار غیرمصرفی دوار که شامل پین و شانه است، استفاده می­شود. اصطکاک بین ابزار و قطعه کار باعث ایجاد اغتشاش، تغییر شکل پلاستیکی و در نتیجه اتصال قطعات می‌شود. مشکل این نوع جوشکاری باقی‌ماندن اثر ابزار روی قطعه کار است که علاوه بر مخدوش کردن ظاهر قطعه، منجر به نازک شدن ورق بالایی می­شود. در این پژوهش به‌منظور کاهش این اثر، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نقطه­ای با شانه ثابت برای اتصال ورق‌هایی از جنس آلومینیوم غیرآلیاژی انجام شد. هدف از این پژوهش بررسی تأثیر عمق نفوذ با دو سطح 3 و 3.5 میلی­متر، سرعت دورانی با دو سطح ۱۰۰۰ و ۲۰۰۰ دور بر دقیقه و قطر شانه با دو سطح ۲۰ و ۲۴ میلی­متر، بر میکروسختی، استحکام شکست، ریزساختار و کیفیت ظاهری اتصال به‌دست‌آمده می­باشد. سرعت پیشروی و زمان نگهداری ثابت و به‌ترتیب ۲۰ میلی­متر بر دقیقه و ۱۰ ثانیه در نظر گرفته شد. بهینه­یابی در سه حالت براساس بیشترین نیروی شکست، بیشترین سختی و ترکیبی از بیشترین نیروی شکست و سختی انجام شد. در حالت اول، بیشترین نیروی شکست معادل 51/1389 نیوتن با سرعت دورانی ۲۰۰۰ دور بر دقیقه، عمق نفوذ ۳ میلی­متر و قطر شانه ۲۴ میلی­متر به‌دست آمد. در حالت دوم بیشترین سختی به میزان میانگین 33/91 ویکرز با سرعت دورانی ۱۰۰۰ دور در دقیقه، عمق نفوذ 5/3 میلی­متر و قطر شانه ۲۰ میلی‌متر به‌دست آمد. در حالت سوم بیشترین نیروی شکست و بیشترین میانگین سختی به‌ترتیب 51/1389 نیوتن و 66/85 ویکرز به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Study of Friction Stir Spot Welding of a Non-Alloyed Aluminium Sheet with Stationary Shoulder

نویسندگان [English]

  • Javad Derogar 1
  • S.M. Hossein Seyedkashi 2
  • Moosa Sajed 3
1 MSc, Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Birjand, Birjand, Iran.
3 Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran.
چکیده [English]

In friction stir welding process, a non-consumable rotary tool is used which consists of a pin and a shoulder. The tool/workpiece friction results in stirring, plastic deformation, and joining. It is the shoulder penetration which leads to thinning of the upper sheet and remaining of a hole. In this study, a stationary shoulder was used to investigate the spot welding of a non-alloyed aluminium sheet to address the mentioned drawback. The aim was to investigate the effects of tool rotational speed with two levels of 1000 and 2000 rpm, tool shoulder diameter with two levels of 20 and 24 mm, and plunge depth with two levels of 3 and 3.5 mm on the microhardness, strength, and microstructure of the welded samples. Feed rate and dwell time were constantly set to 20 mm/s and 10s, respectively. Optimization was carried out in three modes including maximum strength, maximum hardness, and a combination of the maximum strength and hardness. In the first mode, the maximum strength was 1389.51 N in the specimen welded with a tool rotational speed of 2000 rpm, plunge depth of 3 mm, and tool shoulder diameter of 24 mm. In the second mode, the highest micro-hardness value was 91.33 HV in the specimen that was welded with a tool rotational speed of 1000 rpm, plunge depth of 3.5 mm, and tool shoulder diameter of 20 mm. Finally, in the third mode, the combination of the highest strength and micro-hardness values were 1389.51 N and 85.66 HV, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Friction stir spot welding Aluminium sheet
  • Stationary shoulder tool
  • Welding defects
[1] Mishra, R. S., & Ma, Z. Y. (2005). Friction stir welding and processing. Materials Science and Engineering: R: Reports, 50(1), 1-78. https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.07.001
[2] Thomas, W. M., Nicholas, E. D., Needham, J. C., Murch, M. G., Temple-Smith, P., & Dawes, C. J. (1997). Friction welding. (US5460317B1). https://patents.google.co m/patent/US5460317B1/en
[3] Sun, T., Roy, M. J., Strong, D., Simpson, C., Withers, P. J., & Prangnell, P. B. (2019). Weld zone and residual stress development in AA7050 stationary shoulder friction stir T-joint weld. Journal of Materials Processing Technology, 263, 256-265. https://doi.org/1 0.1016/j.jmatprotec.2018.08.022
[4] Wen, Q., Li, W. Y., Wang, W. B., Wang, F. F., Gao, Y. J., & Patel, V. (2019). Experimental and numerical investigations of bonding interface behavior in stationary shoulder friction stir lap welding. Journal of Materials Science & Technology, 35(1), 192-200. https://d oi.org/10.1016/j.jmst.2018.09.028
[5] Ahmed, M. M. Z., Wynne, B. P., Rainforth, W. M., & Threadgill, P. L. (2011). Through-thickness crystallographic texture of stationary shoulder friction stir welded aluminium. Scripta Materialia, 64(1), 45-48. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.08.060
[6] Li, J. Q., & Liu, H. J. (2013). Effects of tool rotation speed on microstructures and mechanical properties of AA2219-T6 welded by the external non-rotational shoulder assisted friction stir welding. Materials & Design, 43, 299-306. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.07. 011
[7] Ji, S. D., Meng, X. C., Liu, J. G., Zhang, L. G., & Gao, S. S. (2014). Formation and mechanical properties of stationary shoulder friction stir welded 6005A-T6 aluminum alloy. Materials & Design 62, 113-117. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.05.016
[8] Li, D., Yang, X., Cui, L., He, F., & Shen, H. (2014). Effect of welding parameters on microstructure and mechanical properties of AA6061-T6 butt welded joints by stationary shoulder friction stir welding. Materials & Design, 64, 251-260. https:// doi.org/10.1016/j.matdes.2014.07.046
[9] Maltin, C. A., Nolton, L. J., Scott, J. L., Toumpis, A. I., & Galloway, A. M. (2014). The potential adaptation of stationary shoulder friction stir welding technology to steel. Materials & Design, 64, 614-624. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.08.017
[10] Li, D., Yang, X., Cui, L., He, F., & Zhang, X. (2015). Investigation of stationary shoulder friction stir welding of aluminum alloy 7075-T651. Journal of Materials Processing Technology, 222, 391-398. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.0 3.036
[11] Davies, P. S., Wynne, B. P., Rainforth, W. M., Thomas, M. J., & Threadgill, P. L. (2011). Development of Microstructure and Crystallographic Texture during Stationary Shoulder Friction Stir Welding of Ti-6Al-4V. Metallurgical and Materials Transactions A, 42(8), 2278-2289. https://doi.org/10.1007/s11661-011-0606-2
[12] Ji, S. D., Meng, X. C., Li, Z. W., Ma, L., & Gao, S. S. (2016). Experimental Study of Stationary Shoulder Friction Stir Welded 7N01-T4 Aluminum Alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 25(3), 1228-1236. https://doi.org/10.100 7/s11665-016-1954-2
[13] Sun, T., Tremsin, A. S., Roy, M. J., Hofmann, M., Prangnell, P. B., & Withers, P. J. (2018). Investigation of residual stress distribution and texture evolution in AA7050 stationary shoulder friction stir welded joints. Materials Science and Engineering: A, 712, 531-538. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.12.019
[14] Li, W., Niu, P. L., Yan, S. R., Patel, V., & Wen, Q. (2019). Improving microstructural and tensile properties of AZ31B magnesium alloy joints by stationary shoulder friction stir welding. Journal of Manufacturing Processes, 37, 159-167. https://doi.org/10.1016/j.jma pro.2018.11.014
[15] Liu, H., Hu, Y., Wang, H., Du, S., & Sekulic, D. P. (2018). Stationary shoulder supporting and tilting pin penetrating friction stir welding. Journal of Materials Processing Technology, 255, 596-604. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.01.010
[16] Liu, Z., Meng, X., Ji, S., Li, Z., & Wang, L. (2018). Improving tensile properties of Al/Mg joint by smashing intermetallic compounds via ultrasonic-assisted stationary shoulder friction stir welding. Journal of Manufacturing Processes, 31, 552-559. https://doi.org/10.1016/j. jmapro.2017.12.022
[17] Goebel, J., Reimann, M., Norman, A., & dos Santos, J. F. (2017). Semi-stationary shoulder bobbin tool friction stir welding of AA2198-T851. Journal of Materials Processing Technology, 245, 37-45. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.02.011
[18] Kumar, B. V., Srikanth, B., Raju, B., Sandeep, C., & Indu, D. (2019). Friction Stir Spot Welding of Aluminium Alloy (AA6063). Journal of Trend in Scientific Research and Development, 3(3), 1291-1294. https://doi.org/10.31142/ijtsrd23316
[19] Asadi Boroojeni, B., & Mozafari Vanani, L. (2020). The effect of tool geometry on the tensile strength of polypropylene Components Welded by Friction Stir Welding Method. Karafan Quarterly Scientific Journal, 17(1), 133-145. https://doi.org/10.4 8301/kssa.2020.112761
[20] Ghasemi Tamami, P., Javadimanesh, A., & Mardani, S. (2021). Investigation and optimization of friction stir welding process of aluminum 5010 to 6061. Karafan Quarterly Scientific Journal, 17(4), 281-311. https://doi.org/10.48301/kssa.2021.128408
[21] Dorudgar, M., Seyedkashi, S. M. H., & Sajed, M. (2021). Experimental study on manufacturing of bi-metal sandwiches with aluminum foam core and copper layers using friction stir welding. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 7(12), 1-9. http://www.iranjme. ir/article_129685_08479b48e9b6f6c3bd0fa409aac 262c0.pdf
[22] Sajed, M., & Bisadi, H. (2016). Experimental failure study of friction stir spot welded similar and dissimilar aluminum alloys. Welding in the World, 60(1), 33-40. https:/ /doi.org/10.1007/s40194-015-0268-6
[23] Khoran, M., & Seyedkashi, S. M. H. (2017). Investigation and Optimization of Damage Factor in Drilling of Parabeam Three-dimensional Composites. Modares Mechanical Engineering, 16(10), 51-59. http://mme.modares.ac.ir/article-15-8502-en.html http://mme.moda res.ac.ir/article-15-8502-en.pdf