Effect of Repair Cycles on Fractographic and Microstructural Properties in Aluminum and Carbon Steel Dissimilar Welds Using Transition Joints

Abstract

Dissimilar welding between aluminum and carbon steel presents challenges due to differences in mechanical properties and melting points, which are key causes of brittleness and defects in the weld zone. This study aims to investigate the brittleness behavior and microstructure of repair welds utilizing bimetallic transition joints (TJ), employing ASTM A131 Grade EH36 carbon steel and ASTM B209 Grade 5083 aluminum, both with a thickness of 6 mm. The aluminum side was welded using the MIG process, while the steel side was welded using the FCAW process in the horizontal (2F) position. The number of repair cycles was set to 0, 1, and 3. Results showed that the hardness in the Al-Fe interface region of the TJ was approximately 240–250 HV, while the steel side exhibited hardness values ranging from 153–170 HV, and the aluminum side around 38 HV. After welding, the heat-affected zone (HAZ) on the aluminum side connected to the TJ in the R1 specimen (one repair cycle) exhibited the highest weld hardness of 81.53 HV, compared to 64.67 HV in the non-repaired (NR) specimen. This increase was attributed to the thermal influence of the steel-side repair welding. Additionally, in the steel HAZ near the TJ, the R3 specimen (three repair cycles) showed an average maximum hardness of 216.15 HV, while the NR specimen showed 185.17 HV—an increase of 16.73%. This result corresponds with the microstructural observation, where the R3 specimen exhibited finer grains due to grain refinement. The findings indicate that repeated repair welding may induce significant structural changes in the weld and dissimilar metal interface, potentially compromising long-term integrity and increasing brittleness. Therefore, controlling the number of repair cycles is a critical consideration in the design of dissimilar metal repair strategies for industrial applications.

การเชื่อมโลหะต่างชนิดระหว่างเหล็กกล้าคาร์บอนและอะลูมิเนียมมีข้อจำกัดด้านความแตกต่างของสมบัติทางกลและจุดหลอมเหลว ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของความเปราะและข้อบกพร่องในแนวเชื่อม งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาพฤติกรรมความเปราะและโครงสร้างของรอยเชื่อมซ่อมที่ใช้ข้อต่อทรานซิชันแบบไบเมทัลลิก โดยใช้วัสดุคือเหล็กกล้าคาร์บอน ASTM A131 เกรด EH36 และอะลูมิเนียม ASTM B209 เกรด 5083 ความหนา 6 มม. เชื่อมด้วยกระบวนการเชื่อมอาร์กด้วยลวด ฟลักซ์คอร์สำหรับเหล็กและกระบวนการการเชื่อมโลหะโดยใช้แก๊สเฉื่อยปกคลุมสำหรับอะลูมิเนียม ในท่าขนานนอน (2F) และกำหนดรอบการซ่อมเป็น 0 1 และ 3 รอบ ผลการตรวจสอบพบว่าข้อต่อทรานซิชันแบบไบเมทัลลิก บริเวณรอยต่อเหล็กกล้าคาร์บอนและอะลูมิเนียมมีค่าความแข็งประมาณ 240-250 HV ฝั่งเหล็กคือ 153-170 HV และฝั่งอะลูมิเนียมมีค่าความแข็งประมาณ 38 HV หลังการเชื่อมบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนของอะลูมิเนียมด้านเชื่อมต่อกับข้อต่อทรานซิชันแบบไบเมทัลลิก แนวเชื่อมของชิ้นงานที่ผ่านการซ่อม 1 รอบ (R1) มีค่าความแข็งสูงสูดเท่ากับ 81.53 HV และแนวเชื่อมของชิ้นงานที่ไม่ผ่านการซ่อม (NR) มีค่าความแข็งเท่ากับ 64.67 HV ทั้งนี้เนื่องจากผลกระทบทางความร้อนจากการเชื่อมซ่อมฝั่งเหล็ก โดยพบเพิ่มเติมว่าบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนของเหล็กด้านเชื่อมต่อกับ TJ แนวเชื่อมที่ผ่านการซ่อม 3 รอบ (R3) มีค่าความแข็งสูงสุดเฉลี่ยอยู่ที่ 216.15 HV ในขณะที่ NR มีค่า 185.17 HV ซึ่งพบว่าค่าความแข็งเพิ่มขึ้น 16.73% ซึ่งสอดคล้องกับโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงาน โดยชิ้นงาน R3 มีเกรนละเอียดกว่าเนื่องจากการเกิดการทำให้เกรนละเอียด ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าการซ่อมซ้ำหลายรอบได้เพิ่มความเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงลึกในแนวเชื่อมและรอยต่อของวัสดุต่างชนิด ซึ่งส่งผลต่อความเปราะและความสมบูรณ์ของรอยเชื่อมในระยะยาว แนวทางการควบคุมจำนวนรอบการซ่อมจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบงานซ่อมโลหะต่างชนิดในภาคอุตสาหกรรม