بخشی از مقاله
چکیده
تا کنون جنبههای اندکی از اثر جریان الکتریکی فرعی در جوش نقطهای مقاومتی مورد تحلیل قرار گرفته است. اثر شار فرعی در نقطهجوش مقاومتی - RSW - به واسطه جریان الکتریکی فرعی ایجادشده از طریق نقطهجوشهای قبلی بروز میکند . بنابراین ابعاد دکمه جوش، ساختار متالورژیک، و استحکام مکانیکی نقطه جوشهای متأثر از اثر شار فرعی تحت تاثیر تغییرات جریان الکتریکی و توزیع دمایی ناشی از این جریان قرار میگیرند. پارامترهای مؤثر شامل فاصله جوش، و تعداد یا ابعاد نقطه جوش قبلی میشود.
در این مطالعه، اثر شار الکتریکی فرعی در جوش نقطهای مقاومتی، به کمک یک مدل المان محدود، روی ورقهای آلومینیوم 2219 مورد تحلیل قرار گرفته است. فاصله، جریان الکتریکی، و زمان جوشکاری جهت درک مکانیزم اثر شار الکتریکی فرعی روی کیفیت نهایی دکمه جوش نهایی مورد بررسی قرار گرفتهاند.
در این راستا اثرات متقابل حرارتی و الکتریکی شامل وابستگی دمایی خواص جنس و رسانایی تماسی، به همراه جنبههای مکانیکی در مدل سهبعدی کارتزین مورد بررسی قرار گرفتهاند. تاثیر شار الکتریکی فرعی روی هندسه دکمه جوش، به صورت عددی تحلیل شده است و ابعاد دکمه جوش مورد پیشبینی قرار گرفتهاند. تأثیر شدید جریان الکتریکی فرعی روی ارتفاع دکمه جوش نیز کشف شده است. نتایج مورد با مطالعه تجربی-عددی قبلی مورد مقایسه قرار گرفتهاند و مطابقت مطلوبی دیده میشود.
مقدمه
مطالعات اندکی روی اثر جریان الکتریکی فرعی انجام شده است، در حالی که در اکثر کاربردهای RSW، چندین نقطه جوش جهت اتّصال ورقها مورد نیاز است و در موارد اندکی جوش به صورت منفرد دیده میشود. در ایجاد نقطهجوشهای متناوب، کیفیت نقطهجوشهای بعدی به واسطه تغییرات الکتریکی-حرارتی ایجادشده، تحت تأثیر جریان الکتریکی فرعی قرار میگیرد. این امر نشان میدهد که اهمیت تحلیل اثر جریان فرعی برای دستیابی به شناختی در زمینه چگونگوی تأثیر پارامترهای مختلف بر این قضیه اهمیت خواهد داشت.
بنابراین میتوان راهکارهایی را جهت بهینهسازی پارامترها و کاهش آثار نامطلوب یافت . کارهای تحلیلی انجامشده روی اثر جریان الکتریکی فرعی کمتر از کارهای تجربی است. قدیمیترین آنها مربوط به تحلیل الکتروترمال المانمحدود انجامشده توسّط چانگ - Chang and Cho, 1990 - است. او از یک مدل سهبعدی در دستگاه کارتزین استفاده کرد تا از این طریق دکمه جوش قبلی، و در نتیجه اثر جریان الکتریکی فرعی را در مدل خود لحاظ کند.
توزیع پتانسیل و دما، به صورت عددی، توسّط این مدل پیشبینی شدند. باید توجّه داشت که مدلهای المان محدود مورد استفاده جهت تحلیل فرآیند جوش نقطهای، در وضعیت موجودشان برای بررسی اثر جریان فرعی مناسب نیستند، گرچه مطالعات المانمحدود متعدّدی در زمینه جوش نقطهای مقاومتی، و در زمینههای مختلفی از سال 1960 آغاز شده است.
از جمله این زمینهها، میتوان به بحث شبیهسازی توزیع حرارتی و الکتریکی - ها - Huh and Kang, 1997 - ، آرکر - Ma and Murakawa, 2010 - ، گرینوود - Greenwood, 1961 - ، و سای - - Tsai et al, 1992 - پیشبینی خواص تماس الکتریکی و حرارتی، و شعاع تماس - لؤلؤ و همکاران - Loulou et al, 2006 - ، اکادا - Ma and Murakawa, 2010 - ، و شن همکاران - - Shen et al , 2011 - ، رشد دکمه و تغییرشکلهای حرارتی - نید - Nied, 1984 - ، گولد - - Gould, 1987 - ، و تحلیل الکتروترمال و مکانیکی - ژانگ - Zhang, 2003 - ، و کیم و همکاران - - Kim et al, 2013 - اشاره کرد.
گرچه اکثر این مطالعات جنبهای حرارتی، الکتریکی، و حتّی مکانیکی فرآیند جوش نقطهای را در کار لحاظ کردهاند، جهت بررسی اثر شار الکتریکی فرعی نیاز به افزودن فرضیات و شرایط جدیدی برای استفاده از این مدلها میباشد. برای مثال عدم وجود تقارن در پیکربندی مدل به واسطه وجود جریان الکتریکی فرعی، مدلهای متقارن محوری یک یا دو بعدی مورد استفاده در مطالعات قبلی برای جوش نقطهای منفرد کمتر قابل استفاده هستند.
روش تحقیق
در این بخش، به روش تحقیق، جامعه آماری، نمونه و روش نمونه گیری، ابزارهای پژوهش - چگونگی بررسی روایی و پایایی ابزارها - و روشهای تجزیه و تحلیل داده ها پرداخته میشود - مقالات غیر پژوهشی از این چارچوب مستثنی هستند - .
میتوان از معادله شبهلاپلاس پتانسیل الکتریکی ، در مختصات سهبعدی - Hard, 1948 - ، استفاده نمود:
که در آن پتانسیل الکتریکی و مقاومت الکتریکی است. شرایط مرزی الکتریکی در شکل 1 نمایش داده شدهاند.
شکل 1 شرایط مرزی و محدودههای مفروض
رابطه حرارتی مورد استفاده در معادله - Chang and Cho, 1990 - - 2 - آورده شده است:
که در آن چگالی جرم، ظرفیت گرمایی، شریب رسانایی حرارتی، دما، و ولتاژ است. شرایط مرزی حرارتی در شکل 1 نمایش داده شدهاند. رابطه الاستیک-پلاستیک افزایشی - Hou et al, 2007 - نیز برای حل حرارتی-مکانیکی استفاده شده است.
جهت انجام تحلیل المان محدود از یک مدل المان محدود الکتریکی-حرارتی-مکانیکی استفاده شده است. کوپلینگ بین این سه مقوله با در نظر گرفتن حرارت ژولی ایجادشده توسّط جریان الکتریکی و انبساط حرارتی با توجّه به دمای لحظهای برقرار شد.
پیکربندی مدل
در مدل سهبعدی مورداستفاده برای تحلیل المان محدود، دکمه جوش قبلی به صورت یک اتّصال استوانهای بین دو ورق ایجاد شده است و قطر آن با توجّه به قطر دکمه جوشی که در آزمایشات، برای نقطه جوش منفرد بدست آمده است - Jafari et al, - 2016، تعیین شده است.
خواص جنس
ماده الاستیک-پلاستیک بعنوان نوع ماده مورد استفاده برای آلیاژ آلومینیوم 2219، در مدل تعریف شده است. همچنین خواص جنس وابسته به دما برای ورقه و الکترود، در نظر گرفته شده است. از آنجائی که دمای دکمه جوش قبلی، به طور قابل ملاحظهای در حین فرآیند ایجاد نقطه جوش جدید، دچار تغییرات نمیشود، خواص در دمای محیط برای آن در نظر گرفته شده است. بنابراین، خواص حرارتی دکمه جوش قبلی نیز مانند ورق تعریف شده است. مقاومت الکتریکی با استفاده از روش گزارش شده توسّط واگلر - Vogler and Sheppard, 1993 - ، به طور تجربی اندازهگیری شده است. همچنین خواص مکانیکی با انجام تست میکروسختی، که در گزارش شده است، انجام شده است.
تعریف تماس
جهت تعریف تماس الکتریکی، حرارتی، و مکانیکی، المان تماسی بین دو ورق و الکترود تعریف شده است. همچنین ضریب اصطکاک کمی بین نقاط مماس تعریف شده است تا امکان لغزش وجود داشته باشد.
یافته ها
شکل 2 و 3 ابعاد دکمه جوش پیشبینیشده را به ترتیب برای نقطه جوش منفرد و تحت شار الکتریکی فرعی نشان میدهد. با مقایسه ابعاد دکمه جوش در شکل 2 و 3 - الف - و - ب - ، میتوان نتیجهگیری کرد که جریان فرعی دارای اثر قویتری روی ارتفاع است تا قطر. به عبارت دیگر، کاهش فاصله جوشکاری باعث کاهش قابل ملاحظه ارتفاع دکمه جوش شده است، در حالیکه کاهش در قطر کمتر است.
