بخشی از مقاله
چکیده
میدان دما و سیلان پلاستیک سه بعدی ماده در طول جوشکاری اصطکاکی اختلاطی آلیاژ آلومینیوم AA6061 بهصورت ریاضی مدلسازی گردید. این شبیه سازی براساس دینامیک سیالات محاسباتی و با استفاده از نرمافزار FLUENT انجام شد. سرعت چرخشی 1120 rpm و سرعت جوشکاری 0/002 m/s برای این شبیهسازی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که توزیع دما پیرامون ابزار متقارن نبوده و دماهای بالاتر در نزدیکی سطح پین ایجاد میگردد. همچنین خطوط جریان بهدست آمده آشکار میسازد که ماده به طور عمده در اطراف پین و از قسمت پسرونده عبور میکند.
مقدمه
جوشکاری اصطکاکی اختلاطی - FSW - 1 یک روش جوشکاری حالت جامد است که در سال 1991 توسط انجمن جوشکاری ابداع گردید. در این فرایند یک ابزار در حال چرخش و غیرمصرفی که از دو قسمت پین و شانه تشکیل شده است به محل اتصال دو قطعه وارد شده و در امتداد خط اتصال حرکت میکند. ابزار دو وظیفهی تولید حرارت و حرکت مواد را برعهده دارد. حرارت از اصطکاک بین ابزار و قطعه و تغییر شکل پلاستیک قطعه تولید میشود. این حرارت موضعی مواد اطراف پین را نرم کرده و حرکت ابزار، مواد را از جلوی پین به پشت آن منتقل میکند و اتصال ایجاد میگردد .[1]
از زمان گسترش FSW این فرایند به طور گسترده توسط آزمایشهای مختلف و همچنین مدلهای ریاضی مورد تحلیل قرار گرفت. میدانهای دمایی و میدانهای سیلان پلاستیک میتوانند به شکل مناسبی توسط روشهای عددی و حل معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی در سه بعد و با درنظر گرفتن شرایط مرزی مناسب توصیف شوند 2]، .[3 همچنین مدلسازی فرایند FSW پیشبینی واقعگرایانهای در مورد متغیرهای فرایند ارائه مینماید و تعداد آزمون های آزمایشگاهی را کاهش می دهد. این امر میتواند از هزینههای طراحی کاسته و بهینهسازی متغیرهای فرایند را سهولت بخشد .[4]
از اینرو محققان تلاشهایی به منظور مدلسازی این فرایند داشتهاند که از جملهی آنها میتوان به موارد زیر اشاره نمود: سیدل و رینولدز [5] برای شبیهسازی فرایند FSW از یک مدل دو بعدی براساس دینامیک سیال محاسباتی استفاده نمودند. ناندان و همکارانش [6] از یک مدل سه بعدی براساس دینامیک سیال محاسباتی جهت تعیین انتقال حرارت و سیلان پلاستیک ماده در فرایند FSW استفاده کردند. آنها همچنین از مدل مشابهی جهت شبیهسازی فرایند بر روی فولاد بهره گرفتند.
کولگروف و شرکلیف 9]، [10 برای شبیه سازی فرایند از مدلهایی براساس CFD استفاده کردند و سیلان ماده، دمای اطراف ابزار و نیروهای مؤثر در فرایند را شبیه سازی نمودند. در مطالعهی دیگری کولگروف و همکارانش [11] براساس یک مدل دوبعدی و به کمک خواص حرارتی و ویژگیهای تغییر شکل داغ ماده، تولید حرارت در طول فرایند FSW را پیشبینی کردند.
همیلتون و همکارانش [12] یک مدل حرارتی را برای پیشبینی تولید حرارت و توزیع دما طی فرایند جوشکاری بر روی آلیاژهای آلومینیوم به کار بردند. لانگ و همکارانش [13] با استفاده از یک مدل دو بعدی و حل معادلات بقای جرم، بقای مومنتوم و بقای انرژی نشان دادند که شرایط تماسی بین قطعه و ابزار همواره چسبنده نیست.
همچنین لانگ و رینولدز [14] اثر تغییر خواص ماده و پارامترهای فرایند بر روی نیرو و عیوب جوش را به کمک یک مدل ترمومکانیکی دو بعدی بررسی نمودند. وانگ و همکارانش [15] با استفاده از یک مدل سه بعدی، تولید حرارت، توزیع دما، سرعت و نرخ کرنش را برای آلیاژ آلومینیوم پیشبینی کردند. آنها در این مدل شرایط تماسی کاملا چسبنده، کاملا لغزنده و ترکیبی از هر دو حالت را در نظر گرفتند. در این پژوهش فرایند FSW بر روی آلیاژ آلومینیوم AA6061 به صورت سه بعدی براساس محاسبات دینامیک سیالات و با استفاده از نرمافزار Fluent شبیهسازی شده است.
مواد و روش تحقیق
به منظور شبیه سازی فرایند FSW یک مدل سه بعدی در نرمافزار ANSYS Fluent ایجاد گردید. در این مدل ابعاد قطعه کار 300×150×5mm و قطر پین، ارتفاع پین و قطر شانه به ترتیب 5mm، 5mm و 15mm است. جنس قطعه آلیاژ آلومینیوم AA6061 و جنس ابزار، فولاد H13 در نظر گرفته شده است. شکل 1 مدل ایجاد شده را نشان میدهد. سرعت چرخش ابزار در این مدل 1120 rpm و سرعت جوشکاری 0/002m/s تعریف شده است.
