Optimization of the parameters of low-carbon steel (EN10130) welding using friction stir welding method

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

اکبر علیمحمدی ¹ (کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.)
مسعود کثیری ² (استادیار، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.)
مسعود افرند ³ (استادیار، گروه مهندسی مکانیک، واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران.)
حسین نوروزی فروشانی ⁴ (کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر(پلی­تکنیک تهران)، ایران.)

تاریخ دریافت : 1394/10/26 تاریخ پذیرش : 1395/02/18 تاریخ انتشار : 1395/09/01

کلید واژه: Design of experiment, Friction stir welding method, Low-carbon steel,

چکیده مقاله :

Friction-stir welding process is a novel method of solid state welding, which produces heat due to friction between the pin, the shoulder and the workpiece. This heat causes a paste area. Shoulder pressure and pin spin cause edges integration and lead to welding. In this study, firstly, the feasibility of welding of steel sheet (EN10130) with a thickness of 1.5mm has been tested by 58 experiments. After making perfect welds, the ranges of 500-1000 RPM and 30-160 mm/min were selected as the suitable upper and lower levels, respectively, for rotational speed and linear speed. To achieve a maximum tensile strength, 29 tests were designed by using the Box-Benken method considering specified levels of the parameters. Then, the response surface methodology was used for optimization of the parameters. Results showed that the optimal outputs and experimental data were in good agreement, which indicate the adequacy of the design of experiments and optimization predict results. Micro-hardness tests, metallography and normal tensile test were carried out on three series of plates produced with the most appropriate tensile strength and elongation. Results showed that heat-affected zone weaked the sheet of advancing side compared to other welding zones.

چکیده انگلیسی:

فرایند جوشکاری اصطکاکی-اغتشاشی یک روش نو و جدید جوشکاری حالت جامد است که در اثر اصطکاک بین پین و شولدر و قطعه کار، تولید حرارت می کند. این حرارت باعث ایجاد یک منطقه خمیری شکل می‌شود. نیروی فشار از طرف شولدر و چرخش پین و ادغام لبه های اتصال سبب انجام جوشکاری می‌شود. در این پژوهش ابتدا به بررسی جوش پذیری ورق‌ فولادی EN10130 با ضخامت 5/1 میلی‌متر پرداخته شد و پارامترهای سرعت دورانی، سرعت پیش روی ابزار، قطر پین و شولدر، توسط 58 عدد آزمایش مورد بررسی قرار گرفته است. پس از ایجاد جوش‌هایی بدون عیب، بازه 500 تا 1000 دور بردقیقه برای سرعت دورانی و بازه 30 تا 160 میلی‌متر بر دقیقه برای سرعت خطی بترتیب به عنوان سطوح بالا و پایین مناسبی برای این پارامترها انتخاب شده‌اند. برای دست‌یابی به بیشترین استحکام کششی، تعداد 29 آزمایش با توجه به سطوح معین شده پارامترها، از روش باکس بنکن طراحی شده، سپس متدولوژی سطح پاسخ برای بهینه‌سازی پارامترها مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج بهینه‌سازی و شرایط آزمایشگاهی همخوانی خوبی داشتند که این نتیجه، نشان دهنده کفایت مدل طراحی آزمایش‌ها و نتایج پیش‌بینی بهینه‌سازی است. آزمایش‌های ریز سختی سنجی، متالوگرافی و تست کشش نرمال صورت گرفته روی 3 سری از ورق‌های تولید شده با مناسب‌ترین استحکام کششی و ازدیاد طول، منطقه متأثر از حرارت ورق ‌های سمت پیشرونده را ضعیف‌تر از بقیه موضع جوش معرفی کردند  

منابع و مأخذ:

[1] Burak M., Meran C., The effect of tool rotational and traverse speed on friction stir weldability of AISI 430 ferritic stainless steels, Materials and Design, 33, 2012, pp. 376–383.

[2] محمدی زهرانی ا ، طاهری م، زمردیان ا، ارزیابی قابلیت شکل پذیری ورق های فولادی کم کربن St14  درتولید بدنه خودرو، مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد واحد شهر مجلسی، شماره 1، 1386، ص 83-89 (مقاله نشریه).

[3] غفارپور م، بررسی فرم­پذیری ورق­های جوش­خورده­ترکیبی آلیاژهای نامتجانس آلومینیوم جوشکاری شده به روشاصطکاکی-اغتشاشی(FSW)، دانشگاه امیر کبیر،1390.

[4] Sabooni S., Karimzadeh F., Enayati M.H., Ngan A.H.W., Friction-stir welding of ultrafine grained austenitic 304L stainless steel produced by martensitic thermomechanical processing, Materials & Design, 76, 2015, pp. 130–140.

[5] Husain Md.M., Sarkar R., Pal T.K., Prabhu N., Ghosh M., Friction Stir Welding of Steel: Heat Input, Microstructure, and Mechanical Property Co-relation, Journal of Materials Engineering and Performance, 24, 2015, pp. 3673-3683.

[6] Jafarzadegan M., Feng A.H., Abdolah-zadeh A., Saeid T., Shen J., Asadi H., Microstructural characterization in dissimilar friction stir welding between 304 stainless steel and st37 steel, Materials characterization, 74, 2012, 28-41.

[7] Ghosh M., Kumar K., Mishra R.S., Friction stir lap welded advanced high strength steels: Microstructure and mechanical properties, Materials Science and Engineering A, 528, 2011, pp. 8111– 8119

[8] Cho H.H., Han H.N., Hong S.T., Park J.H., Kwon Y.J., Kim S.H., Russell J., Microstructural analysis of friction stir welded ferritic stainless steel, Materials Science and Engineering A, 528, 2011, pp. 2889–2894.

[9] A. Falahi, A. Eghbali,  " Evaluating the Parameters Affecting the Distribution of Thickness in Cup Deep drawing of ST14 Sheet", Mech. Dep. Amirkabir University of Technology, ISBN: 978-1-61804-115-9.

[10] Chung Y.D., Fujii H., Ueji R., Tsuji N., Friction stir welding of high carbon steel with excellent toughness and ductility, Scripta Materialia, 63, 2010, pp. 223–226.

[11] ASTM, “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Material”, E8, Vol. 03.01, 2004.

[12] Ahn B.W., Choi D.H., Kim D.J., Jung S.B., Microstructures and properties of friction stir welded 409L stainless steel using a Si3N4 tool, Materials Science and Engineering A, 532, 2012, pp. 476– 479.

[13] Fujii H., Cui L., Tsuji N., Maeda M., Nogi K., Friction stir welding of carbon steels", Materials Science and Engineering A, 42, 2006, pp. 50–57.

 

[14] G.E.P. Box, K.B. Wilson, "On The Experimental Attainment of Optimum Conditions" J. of the Royal Statistical Society. Series B 13. pp. 1–45, 1951.

[15] D.C. Montgomery, "Design and Analysis of Experiments" Sixth Edition. John Wiley & Sons. Inc. ISBN. 0-471-48735-X. 2005.

[16] W.M. Thomas, E.D. Nicholas, J. Needham, M. Murch, P. Templesmith, C. Dawes, "Friction stir butt welding", International Patent Application. No. PCT/GB92/02203. December. 1991.

 [17]  نوروزی س ، شاکری م، کریمی ن، مقایسه ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال آلیاژ آلومینیوم به روش روش اصطکاکی-اغتشاشی در هوا و زیر آب، سیزدهمین کنفرانس ملی جوش و بازرسی، تهران، 1392، 146-152.