溶接継手の評価と経済的側面に基づくAA5083-H111のFSW、MIGおよびTIG溶接の比較研究

Comparative Study of FSW, MIG, and TIG Welding of AA5083-H111 Based on the Evaluation of Welded Joints and Economic Aspect.

抄録

経済的に適切な溶接技術を選択し、高い継手品質を得るために溶接パラメータを最適化することは、5xxxアルミニウム合金シリーズを様々な産業用途に拡大するための課題であると考えられている。この研究は、固体接合プロセスである摩擦攪拌接合（FSW）と比較して、融合接合プロセスとしてタングステン不活性ガス（TIG）および金属不活性ガス（MIG）という異なる溶接技術を適用することが、異なる溶接条件で製造された厚さ5 mmの類似AA5083-H111突合せ溶接継手の接合性能に及ぼす影響を調査することを目的としている。製造された接合部の品質を評価するために、硬さ試験と引張試験に加え、目視検査、X線検査（RT）、マクロ組織評価など、さまざまな方法が用いられた。また、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、引張破壊した試験片の破面を調査した。さらに、本研究の最後に、使用した溶接技術の経済性分析を行った。その結果、摩擦攪拌接合継手では、100 mm/分と400 mm/分の2種類の移動速度と400 rpmの一定工具回転速度で、X線透視フィルムから欠陥のない接合部が確認された。さらに、溶接電流130Ap、純アルゴン流量19L/minでMIG溶接した接合部は1箇所のみであった。一方、TIG溶接した2つの継手とMIG溶接した1つの継手のX線フィルムには、融着不足（LOF）、溶け込み不足（LOP）、ポロシティ（P）などの内部欠陥が認められた。溶接継手の硬さは，AA5083-H111母材（BM）に対して，MIG継手，TIG継手，FSW継手でそれぞれ24-29，31-35，46-50%向上した．最大極限引張強さは，移動速度400 mm/分で溶接したFSW継手で得られた．造船用途にFSWを採用することで、MIGやTIGプロセスのような融合溶接技術よりもさらに高い品質と効率でAA5083-H11継手を製造することができる。さらに、厚さ5ミリ、長さ1メートルのAA5083-H111について、TIG、MIG、FSWの時間とコストの比較を行った。

Selecting an economically suitable welding technique and optimizing welding parameters to obtain high joint quality is considered a challenge for expanding the 5xxx aluminum alloy series in various industrial applications. This work aims to investigate the effect of applying different welding techniques, tungsten inert gas (TIG) and metal inert gas (MIG), as fusion welding processes compared to friction stir welding (FSW), a solid-state joining process, on the joint performance of the produced 5 mm thick similar AA5083-H111 butt weldments at different welding conditions. Different methods were used to evaluate the quality of the produced joints, including visual inspection, radiographic testing (RT), and macrostructure evaluation, in addition to hardness and tensile tests. The fracture surface of the tensile-failed specimens was also investigated using a scanning electron microscope (SEM). Furthermore, the current study ended with an economic analysis of the welding techniques used. The results showed that, for the friction stir-welded joints, the radiographic films revealed defect-free joints at the two applied travel speeds of 100 mm/min and 400 mm/min and a constant tool rotating speed of 400 rpm. In addition, only one joint was welded by MIG at a welding current of 130 Amp, with a 19 L/min flow rate of pure argon. In contrast, the radiographic films showed internal defects such as lack of fusion (LOF), lack of penetration (LOP), and porosity (P) for the two joints welded by TIG and one joint welded by MIG. The hardness of the welded joints was enhanced over the AA5083-H111 base material (BM) by 24-29, 31-35, and 46-50% for the MIG, TIG, and FSW joints, respectively. The maximum ultimate tensile strength was obtained for the FSW joint welded at a 400 mm/min travel speed. Adopting FSW in shipbuilding applications can further produce the AA5083-H11 joints with higher quality and efficiency than fusion welding techniques such as MIG and TIG processes. In addition, time and cost comparisons between TIG, MIG, and FSW were performed for five-millimeter-thick and one-meter-long AA5083-H111.