بخشی از مقاله
چکیده
پژوهش حاضر به منظور ایجاد مدل المان محدود براي بررسی مراحل نفوذ کامل ابزار - - plunge و پیش گرمایش - preheat - در فرآیند جوشکاري اصطکاکی تلاطمی در آلیاژ Al 6061-T6 می باشد. براي بررسی فرآیند ترمومکانیکی حین نفوذ ابزار و پیش گرمایش، یک مدل المان محدود سه بعدي با استفاده از نرم افزار ABAQUS ایجاد شد. در مدل حاضر رفتار وابسته به نرخ کرنش و دماي ماده براساس قانون Johnson-Cook تعریف شده است.
با استفاده از مدل ارائه شده تأثیر دماي پیش گرم قطعه قبل از فرآیند بر روي زمان انجام فرآیند در دو مرحله نفوذ ابزار و پیش گرمایش شبیه سازي و مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیه سازي نشان می دهد که با افزایش دماي پیش گرم قبل از انجام فرآیند، زمان انجام فرآیند جوشکاري تا پایان مرحله پیش گرمایش با رفتاريتقریباً خطی کاهش می یابد.
1 مقدمه
فرآیند جوشکاري اصطکاکی تلاطمی - FSW - فرآیندي نوین براي اتصال حالت جامد فلزاتی از قبیل آلومینیوم، منیزیم و آلیاژهاي فولاد می باشد. این فرآیند در سال 1991 در یک انستیتیو جوشکاري ابداع گردید .[1] جوشکاري با نفوذ ابزار چرخان به دو ورق فلزي آغاز شده و با حرکت خطی ابزار در راستاي خط جوش - خط اتصال دو ورق - ادامه می یابد. گرماي لازم براي انجام فرآیند از اصطکاك بین ابزار و قطعه و همچنین تغییر فرم پلاستیک تأمین می گردد. از مزایاي جوشکاري FSW نسبت به جوشکاري سنتی می توان به تنش پسماند کم، انرژي لازم کم براي اتصال و دانه هاي ریز محل جوش نام برد.
مطالعات فراوانی براي ایجاد کد هاي عددي در زمینه FSW صورت گرفته است. فرآیند حاضر با اینکه در ظاهر نشان دهنده یک پدیده ساده می باشد، ولی فیزیک مسئله که شامل ایجاد گرماي ناشی از کار مکانیکی و انتقال گرما و جرم می باشد، بسیار پیچیده است. حضور کرنش و نرخ کرنش هاي بالا مانع از مشاهده جزئیات دقیق فرآیند می شود.
از این رو مدلسازي فرآیند امري لازم و مورد توجه بیشتر محققان قرار گرفته است. [2] Colligan، [3] Li et al. و [4] Guerra et al. نحوه سیلان فلز را حین فرآیند جوشکاري مورد مطالعه قرار داده و مکانیزم کلی آن را بررسی نموده اند. [5,6] Xu et al. مدلی عددي براي بدست آوردن پدیده هاي ترمومکانیکی حین فرآیند را بررسی و ارائه نموده اند. گرماي موثر در فرآیند جوشکاري FSW در حدود 95 درصد می باشد که خیلی بیشتر از مورد مشابه در جوشکاري سنتی است .[7]
فرآیند جوشکاري FSW شامل سه مرحله نفوذ ابزار در قطعه1، پیش گرمایش2 و انتقال خطی ابزار3 می باشد. مرحله نفوذ ابزار یکی از مراحل حساس در فرآیند می باشد، چرا که بیشتر شرایط ترمومکانیکی اولیه در این مرحله ایجاد شده و فلز جوش تحت اثر دما و تنش هاي بالایی قرار می گیرد. بیشتر دانسته ها در مورد مرحله نفوذ ابزار در فلز براي توسعه ابزار و همچنین خود فرآیند به منظور جوشکاري آلیاژهاي استحکام بالایی همچون فولاد و آلیاژهاي پایه نیکل اهمیت دارند .[8,9]
اگرچه چندین مطالعه آزمایشگاهی در زمینه نفوذ ابزار در فلز صورت گرفته [10,11]، اما مدل هاي عددي چندانی در زمینه شرایط ترمومکانیکی حاکم بر این مرحله وجود ندارد. از سوي دیگر مطالعاتی چند در مورد مدلسازي عددي المان محدود براي شبیه سازي فرآیند FSW صورت گرفته است .[12-15] یکی از مشکلات عمده و اصلی در شبیه سازي هاي صورت گرفته، اعوجاج مش بسیار بالایی است که در فرآیند و بویژه در مرحله نفوذ ابزار در فلز رخ می دهد. مسئله دیگر تعریف رفتار الاستیک-پلاستیک مناسب براي فلز می باشد. هر دو مورد ذکر شده در پژوهش حاضر مرتفع گردیده است.
پیش گرم کردن قطعه همچنین می تواند در برخی از فرآیندهاي FSW مهم باشد. براي موادي با نقطه ذوب بالا مانند فولاد و تیتانیوم، یا موادي با هدایت حرارتی بالا مانند مس و همچنین در برخی موارد براي آلومینیوم، گرماي ناشی از فرآیند می تواند براي نرم کردن فلز اطراف ابزار کافی نباشد. بنابراین ایجاد یک جوش سالم و عاري از عیب امکان پذیر نخواهد بود. در این شرایط پیش گرم کردن و یک منبع حرارتی خارجی می تواند باعث بهبود سیلان ماده شود .[16] پیش گرمایش فلز قبل از انجام جوشکاري از طرفی می تواند باعث بهبود سرعت جوشکاري، کاهش زمان جوشکاري و کاهش میزان سایش ابزار گردد.
هدف از پژوهش حاضر ایجاد مدل عددي بر پایه المان محدود براي شبیه سازي فرآیند FSW و بویژه مراحل نفوذ ابزار در فلز و پیش گرمایش می باشد؛ و در ادامه با استفاده از مدل ارائه شده تأثیر دماي پیش گرم اولیه قطعه قبل از انجام جوشکاري بر زمان انجام فرآیند در دو مرحله مذکور مورد بررسی قرار گرفته و یک رابطه ریاضی ارائه شده است.
.2 روش تحقیق
براي انجام شبیه سازي قوانین الاستیک-پلاستیک براي ماده تعریف گردید. مدل استفاده شده براي شبیه سازي دو ورق Al6061-T6 و ابزار با سطح صلب1 می باشد. مش بندي ورق ها به صورت مکعبی - C3D8RT - بوده و به منظور افزایش دقت محاسبات، محل جوشکاري داراي دانسیته مش بالایی است. شماتیکی از نحوه مش بندي در شکل 1 نشان داده است.
ابعاد قطعه پس از جوش L × W× H = 60× 40× 3/1 mm3 می باشد. شکل ابزار استفاده شده و ابعاد آن نیز در شکل 2 نشان داده شده است. ابعاد قطعه و ابزار براي مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود در مقالات [17] به طور یکسان با آنها در نظر گرفته شده است. قطعه مورد نظر در مدل ارئه شده از انتها مقید شده است تا از هر گونه خمش جلوگیري شود؛ و از سطوح جانبی نیز طوري مقید شده اند که هیچ گونه تغییر فرمی جز در جهت فشار وارد از نفوذ ابزار وجود نداشته باشد. ضریب اصطکاك بین ابزار و قطعه ثابت، برابر 0/3 در نظر گرفته شده است. اندرکنش بین دو سطح نیز با روش سطح تماس کمکی2 تعریف گردیده است. سرعت دورانی و خطی ابزار نیز به ترتیب 920rpm و 20 mm/min می باشد.
