تحلیل آماری و بهینه‌سازی پارامترهای موثر بر سختی مقطع عرضی اتصال لب به لب آلیاژ Al7075 حاصل از فرآیندهای FSW و SFSW با استفاده از روش رویه پاسخ و تابع مطلوبیت

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسنده

استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.22044/jsfm.2020.9476.3136

چکیده

تأثیرات ناشی از سیکل‌های حرارتی در فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) منجر به نرم‌شدگی اتصال می‌شود. این پدیده عموماً در آلیاژهای عملیات حرارتی‌پذیر آلومینیوم رُخ می‌دهد و منجر به کاهش خواص مکانیکی اتصال می‌شود. به منظور غلبه بر این محدودیت، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در زیر آب (SFSW) توسعه یافته است. در این پژوهش، در ابتدا با استفاده از فرآیند FSW، اتصالات لب به لب از آلیاژ Al7075-T6 تولید شدند‌. بدین‌منظور، روش رویه پاسخ به عنوان روش طراحی آزمایش، انتخاب گردید و متغیرهای سرعت دورانی ابزار، نرخ پیشروی ابزار، قطر شانه ابزار و زاویه انحراف ابزار به عنوان متغیرهای ورودی، تعیین شدند. در ادامه، تحلیل آماری و بهینه‌سازی پارامترهای موثر بر سختی مقاطع عرضی اتصالات به انجام رسید. با توجه به مقدار بالای تابع مطلوبیت (976/0)، می‌توان دریافت که روند بهینه‌‌سازی به طور موفقیت‌آمیزی، هدف از پیش تعیین‌شده را به صورت مناسب و مطلوب، محقق نموده است. علاوه بر این، شرایط بهینه با اجرای آزمون صحه‌گذاری، به تأیید رسید. سپس با استفاده از فرآیند SFSW و بر اساس مقادیر بهینه نرخ پیشروی ابزار و زاویه انحراف ابزار، اتصالات لب به لب تولید شدند‌. نتایج تحلیل داده‌های حاصل از آزمون‌های تجربی، صحت و دقت معادله رگرسیون را مورد تأیید قرار داد و نشان داد که مدل نهایی می‌تواند پارامتر MHD را با خطای کمتر از 5% پیش‌بینی کند. همچنین، عبارات خطی از متغیرهای قطر شانه ابزار و سرعت دورانی ابزار بر سختی مقاطع عرضی اتصالات تولید شده در زیر آب، موثر هستند.

کلیدواژه‌ها


[1] Tamasgavabari R, Ebrahimi AR, Abbasi SM, Yazdipour AR (2020) Effect of harmonic vibration during gas metal arc welding of AA-5083 aluminum alloy on the formation and distribution of intermetallic compounds. J Manuf Process 49: 413-422.
[2] Pujari KS, Patil DV, Mewundi G (2018) Selection of GTAW process parameter and optimizing the weld pool geometry for AA 7075-T6 aluminium alloy. Mater Today-Proc 5(11): 25045-25055.
[3] Thomas WM, Nicholas ED, Needham JC, Murch MG, Smith PT, Dawes CJ (1991) Friction stir butt welding. Int. Patent No. PCT/GB92/02203.
[4] Zhao J, Jiang F, Jian HG, Wen K, Jiang L, Chen XB (2010) Comparative investigation of tungsten inert gas and friction stir welding characteristics of Al−Mg−Sc alloy plates. Mater Des 31: 306-311.
[5] Steel RJ, Packer SM, Fleck RD, Sanderson S, Tucker C (2013) Advances in FSW and new applications. Editor: Fujii H, Proceedings of the 1st International Joint Symposium on Joining and Welding, Woodhead Publishing 125-127.
[6] Thomas WM, Nicholas ED (1997) Friction stir welding for the transportation industries. Mater Des 18: 269-273.
[7] Gite RA, Loharkar PK, Shimpi R (2019) Friction stir welding parameters and application: A review. Mater Today-Proc 19(2): 361-365.
[8] Woo W, Balogh L, Ungár T, Choo H, Feng Z (2008) Grain structure and dislocation density measurements in a friction-stir welded aluminum alloy using X-ray peak profile analysis. Mater Sci Eng A 498(1-2): 308-313.
[9] Jata KV, Semiatin SL (2000) Continuous dynamic recrystallization during friction stir welding of high strength aluminum alloys. Scripta Mater 43: 743-749.
[10] Ramanjaneyulu K, Madhusudhan Reddy G, Hina G (2015) Optimization of process parameters of aluminum alloy AA 2014-T6 friction stir welds by response surface methodology. Defence Tech 11(3): 209-219.
[11] Rathinasuriyan C, Sankar R, Avin Ganapathi S, Senthil Kumar VS (2018) Optimization of Welding Parameters for Friction Stir Lap Welding of AA6061-T6 Alloy. Mod Mech Eng 8: 31-41.
[12] Liu HJ, Fujii H, Maeda M, Nogi K (2003) Tensile properties and fracture locations of friction stir welded joints of 6061-T6 aluminum alloy. Mater Sci Lett 22: 1061-1063.
[13] Guo Y, Ma Y, Wang F (2019) Dynamic fracture properties of 2024-T3 and 7075-T6 aluminum friction stir welded joints with different welding parameters. Theor Appl Fract Mec 104: 102372.
[14] Cabibbo M, Mcqueen HJ, Evangelista E, Spigarelli S, Paola MD, Falchero A (2007) Microstructure and mechanical property studies of AA6056 friction stir welded plate. Mater Sci Eng A 460-461: 86-94.
[15] Fratini L, Buffa G, Shivpuri R (2009) In-process heat treatments to improve FS-welded butt joints. Int J Adv Manuf Tech 43: 664.
[16] Sakurada D, Katoh K, Tokisue H (2002) Underwater friction welding of 6061 aluminum alloy. J Jpn Inst Light Met 52 (1): 2-6.
[17] Derazkola HA, Khodabakhshi F (2019) Underwater submerged dissimilar friction-stir welding of AA5083 aluminum alloy and A441 AISI steel. Int J Adv Manuf Tech 102: 4383-4395.
[18] Rouzbehani R, Kokabi AH, Sabet H, Paidar M, Ojo OO (2018) Metallurgical and mechanical properties of underwater friction stir welds of Al7075 aluminum alloy. J Mater Process Tech 262: 239-256.
[19] Mofid MA, Abdollah-Zadeh A, Ghaini FM, Gur CH (2012) Submerged friction-stir welding (SFSW) underwater and under liquid nitrogen: An improved method to join Al alloys to Mg alloys. Metall Mater Trans A 43: 5106-5114.
[20] Sabari SS, Malarvizhi S, Balasubramanian V, Reddy GM (2016) Experimental and numerical investigation on under-water friction stir welding of armour grade AA2519-T87 aluminium alloy. Defence Tech 12: 324-333.
[21] Xua WF, Liu JH, Chen DL, Luan GH, Yao JS (2012) Improvements of strength and ductility in aluminum alloy joints via rapid cooling during friction stir welding. Mater Sci Eng A 548: 89-98.
[22] Liu HJ, Zhang HJ, Huang YX, Lei Y (2010) Mechanical properties of underwater friction stir welded 2219 aluminum alloy. T Nonferr Metal Soc 20: 1387-1391.
[23] Klobcar D, Kosec L, Pietras A, Smolej A (2012) Friction-stir welding of aluminium alloy 5083. Mater Tehnol 46: 483-488.
[24] Darras B, Khraisheh M, Abu-Farha F (2007) Friction stir processing of AZ31 commercial magnesium alloy. J Mater Process Tech 191: 77-81.
[25] Kishta EE, Darras B (2014) Experimental investigation of underwater friction-stir welding of 5083 marine-grade aluminum alloy. Proc Inst Mech Eng B J Eng Manuf 230(3): 458-465.
[26] Hosseini M, Manesh HD (2010) Immersed friction stir welding of ultrafine grained accumulative roll-bonded al alloy. Mater Des 31: 4786-4791.
[27] Liu HJ, Zhang HJ, Huang YX, Lei Y (2010) Mechanical properties of underwater friction stir welded 2219 aluminum alloy. T Nonferr Metal Soc 20: 1387-1391.
[28] Wang KS, Wu JL, Wang W, Zhou LH, Lin ZX, Kong L (2012) Underwater friction stir welding of ultrafine grained 2017 aluminum alloy. J Cent South Univ 19: 2081-2085.
[29] Zhang HJ, Liu HJ, Yu L (2012) Effect of water cooling on the performances of friction stir welding heat-affected zone. J Mater Eng Perform 21(7): 1182-1187.
[30] De PS, Mishra RS (2011) Friction stir welding     of precipitation strengthened aluminium alloys: scope and challenges. Sci Technol Weld Joi 16: 343-347.
[31] Wang Q, Zhao Z, Zhao Y, Yan K, Liu C, Zhang H (2016) The strengthening mechanism of spray forming Al−Zn−Mg−Cu alloy by underwater friction stir welding. Mater Des 102: 91-99.
[32] Lokesh R, Senthil Kumar VS, Rathinasuriyan C, Sankar R (2015) Optimization of Process Parameters: Tool Pin Profile, Rotational Speed and Welding Speed for Submerged Friction Stir Welding of AA6063 Alloy. Int J Tech Res Appl 12: 35-38.
[33] Rathinasuriyan C, Senthil Kumar VS (2016) Modelling and optimization of submerged friction stir welding parameters for AA6061-T6 alloy using RSM. Kovove Mater 54: 297-304.
[34] Zhang HJ, Liu HJ, Yu L (2011) Microstructure and mechanical properties as a function of rotation speed in underwater friction stir welded aluminum alloy joints. Mater Des 32: 4402-4407.
[35] Liu HJ, Zhang HJ, Yu L (2011) Effect of welding speed on microstructures and mechanical properties of underwater friction stir welded 2219 aluminum alloy. Mater Des 32(3): 1548-1553.
[36] Zhang Z, Xiao BL, Ma ZY (2014) Influence of water cooling on microstructure and mechanical properties of friction stir welded 2014Al-T6 joints. Mater Sci Eng A 614: 6-15.
[37] Sabari SS, Malarvizhi S, Balasubramanian V, Reddy G (2016) The effect of pin profiles on the microstructure and mechanical properties of underwater friction stir welded AA2519-T87 aluminium alloy. Int J Mech Mater Eng 11(5): 1-14.
[38] Jelokhani-Niaraki MR, Mostafa Arab NB, Naffakh-Moosavy H, Ghoreishi M (2016) The systematic parameter optimization in the Nd:YAG laser beam welding of Inconel 625. Int J Adv Manuf Tech 84(9-12): 2537-2546.
[39] Myers RH, Montgomery DC, Anderson-Cook CM (2016) Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. John Wiley & Sons, ISBN 978-1-118 91601-8.
[40] Vahdati M, Moradi M (2020) Statistical analysis and optimization of the yield strength and hardness of surface composite Al7075/Al2O3 produced by FSP via RSM and desirability approach. Iran J Mater Form 7(1): 32-45.
[41] Vahdati M, Moradi M, Shamsborhan M (2020) Modeling and Optimization of the Yield Strength and Tensile Strength of Al7075 Butt Joint Produced by FSW and SFSW Using RSM and Desirability Function Method. T Indian I Metals 73: 2587-2600.
[42] Design Expert software, version 11, http://www.statease.com.
[44] AMSH6088: Heat Treatment of Aluminum Alloys, SAE International, https://www.sae.org.
[45] Montgomery DC (2017) Design and analysis of experiments. John Wiley & Sons, ISBN 978-1-119-11347-8.
[46] Arbegast WJ (2003) Modeling friction stir joining as a metalworking process. Proc. Hot Def Alum All III: 313-327.
[47] Benavides S, Li Y, Murr LE, Brown D, McClure JC (1999) Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminium. Scripta Mater 41(8): 809-815.
[48] Shanmuga Sundaram N, Murugan N (2010) Tensile behavior of dissimilar friction stir welded joints of aluminium alloys. Mater Des 31(9): 4184-4193.