بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک تکنیک اتصال حالت جامد است که به منظور رفع محدودیت جوشکاری آلیاژهای سخت آلومینیم ابداع گردید. دوعامل اصلی فشار و تغییر شکل در این فرایند نقش کلیدی و حیاتی را دارا میباشند. عوامل موثر و تعیین کننده بر کیفیت جوش و اتصال نهایی را میتوان در دو دسته کلی هندسه ابزار و پارامترهای فرایند تقسیمبندی نمود. با توجه به پیچیدگیهای موجود و عدم وجود یک مدل تحلیلی جامع و کارآمد، شبیه سازی اجزا محدود همواره در ایجاد درکی مناسب از تاثیر عوامل مختلف بر فرایند و کیفیت اتصال نهایی راهگشا بوده است.
در پژوهش حاضر به واسطه کد اجزا محدود ABAQUS 2016 شیبه سازی عددی فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیم AA6061-T6 در سرعت دورانی 513 rpm و سرعتهای تغذیه متفاوت صورت پذیرفت، پیک دمایی ایجاد شده در فرایند برای همه حالات شبیه سازی ثبت و با داده های آزمایشگاهی استخراج شده از پژوهشهای پیشین به منظور صحهسنجی بر شبیهسازی مورد مقایسه قرار گرفت و مشخص گردید که قرابت بالایی میان شبیه سازی و شرایط تجربی موجود است.
اثر ضریب اصطکاک بر میزان پر شدگی حفره ایجاد شده به وسیله پین در سه ضریب اصطکاک مختلف مورد بررسی قرار گرفت و با توجه به غالب بودن شرایط چسبندگی بر لغزندگی بین ابزار و قطعه کار در دمای کاری بهترین حالت ضریب اصطکاک انتخاب شد.
با توجه به نامتقارن بودن انتقال حرارت و جریان پلاستیک مواد حول پین و خط اتصال شاهد مناطق متفاوتی از لحاظ ریزساختاری در سطح مقطع جوش در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی هستیم که اندازه دانه و الگو های چینش آنها و مساحت این مناطق بر کیفیت نهایی اتصال ایجاد شده تاثیر گذار است. با استفاده از کرنش های پلاستیک معادل درک صحیح و پیش بینی مناسبی از وسعت این مناطق به عمل آمد. با توجه به قابلیت تکنیک CEL در شبیه سازی فرایندهایی با جابجاییهای بزرگ مشخص گردید که روش مزبور به خوبی قادر به شبیه سازی فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی خواهد بود.
-1 مقدمه
جوشکاری حالت جامد1 به فرایندی اطلاق میرددگ که عموماً در آن ذوب در ماده صورت نمیپذیرد، در این فرایند به واسطه دو عامل اصلی یعنی فشار و حرارت، تغیر شکل و کرنشهای پلاستیک بزرگ ایجاد میشود و ناحیه اتصال دو قطعه به صورت خمیری شکل در یکدیگر آمیخته میشوند و اتصال نهایی را تشکیل میدهند
از جمله تکنیکهای دستهبندی شده در زمره اتصال حالت جامد میتوان به جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اشاره داشت که روشی نسبتاً نوین به شمار میرود. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی FSW در سال 1991 در موسسه TWI انگلستان ابداع گردید و از آن زمان تا کنون توانسته است جایگاه قابل توجهی را در صنعت بدست آورد.
وجود محدودیت در اتصال و جوشکاری آلومینیم و آلیاژهای سخت آن محققین را برآن داشت که تکنیکی جایگزین برای جوش گداخت این گونه مواد به وجود آورند، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهای آلومینیوم منجر به جوشی با کیفیت و عاری از عیوب معمول در سایر فرایندهای جوشکاری دیگر، همراه با قابلیت و بازده کاری بالاتر خواهد شد. اتصال نهایی دارای استحکام خستگی و استاتیکی مناسب و سطحی عاری از خلل و فرج می باشد که این عوامل خود دلیلی بر بکارگیری هرچه بیشتر این تکنیک و روزافزون شدن استفاده از آن شده است.
قابلیت جوشکاری و اتصال آلیاژهای متفاوت آلومینیم و همچنین اتصال سایر مواد غیر هم جنس با خواص مکانیکی و حرارتی متفاوت نیز از دیگر مزایای این روش میباشد. از جمله دیگر خصوصیات این تکنیک میتوان به طبیعت دوستی آن اشاره داشت زیرا هیچ گونه ماده و اثر آلایندگی و خطر زیست محیطی و پیامد نامناسبی را بر محیط بر جای نمیگذارد وکاملاً با معیارها و پارامتر های صنعتی حامی محیط زیست همسو و همجهت است، میزان مصرف انرژی در این روش تفریبا برابر با 2/5 درصد انرژی استفاده شده در تکنیک جوشکاری با لیزر است، در FSW هیچ گونه بخار و ماده پسماند آلاینده ای تولید نمیشود و همچنین از ماده پرکننده و یا عملیات حرارتی پس از اتمام اتصال در این روش استفاده نمیگردد که این مساله در مقایسه با سایر تکنیک های جوشکاری یک استثنا محسوب میشود و حاکی از قابلیت و کارایی این تکنیک دارد
-2 فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوش اصطکاکی اغتشاشی در عین کارایی و قابلیتهای فراوان از روند و عملیاتی ساده بهره میگیرد. در این تکنیک یک ابزار دوار مصرف نشدنی که دارای دو بخش اصلی پین و شانه میباشد مورد استفاده قرار میگیرد به طور معمول ابزار دارای شانه و پین با مقطع دایرهای میباشد، ابزارعموماً از قطعه کار سخت تر است و دارای استحکام نهایی بالاتری از قطعه کار در دمای کاری میباشد. اتصال بدین صورت انجام میپذیرد، نخست ابزار دوار به واسطه حرکت انتقالی در راستای z در شکاف میان دو قطعه کار که در کنار یکدیگر قرار گرفتهاند به آرامی وارد میگردد.
تماس اولیه بین ابزار دوار و قطعه کار سبب ایجاد اصطکاک میشود و منجر به تولید حرارت در قطعات و ابزار میگردد سپس این نفوذ ادامه مییابد تا سطح شانه ابزار با سطح بیرونی قطعات تماس پیدا کند. این تماس ثانویه سبب ایجاد حرارتی وسیع و شدیدتر خواهد شد که موجب میگردد دمای قطعه کارشدیداً افزایش پیدا کند، همزمان با افزایش دما میزان استحکام تسلیم قطعات کاهش قابل توجهی پیدا میکند که موجب میشود که فشار اعمالی به واسطه ابزار، قطعات را به منطقه پلاستیک وارد کند و جریان پلاستیک بزرگی حول ابزار تولید شود.
این جریان پلاستیک به صورتی خواهد بود که مواد قرار گرفته در روبهروی ابزار را به پشت ابزار انتقال میدهد. در این مرحله به طور معمول یک زمان اسکان نیز وجود دارد که با توجه به نوع ماده میزان این توقف تغییر پیدا میکند، این اسکان به منظور افزایش و بالا بردن بیشتر دمای قطعات صورت میگیرد. پس از اتمام مراحل پیشین ابزار دارای سرعت انتقالی نیز خواهد شد که این سرعت انتقالی در راستای شکاف موجود خواهد بود.
تا پیش از حرکت انتقالی ابزار، انتقال حرارت و توزیع جریان پلاستیک ماده در اطراف پین به صورت کاملا متقارن صورت میپذیرد اما پس از شروع حرکت انتقالی این تقارن از بین رفته و شاهد توزیعی نامتقارن خواهیم بود که این عدم تقارن سبب ایجاد نواحی خاص در قطعه کار و ابزار میگردد،قسمتی که درآن جهت برداری سرعت دورانی وسرعت انتقالی ابزار هم سو باشند را سمت پیشرو1 و بخش دیگر که درآن جهت برداری دو سرعت مذکور مخالف یکدیگر باشند را سمت پسرو2 در نظر گرفته و مینامند، نحوه انتقال حرارت و بالطبع جریان پلاستیک موجود در این دو بخش کاملا متفاوت از یکدیگر خواهد بود
با توجه به دو عامل حرارت و تغییر شکل پلاستیک بزرگ که مشخصههای اصلی FSW میباشند باید انتظار داشت که این عوامل سبب ایجاد تغییرات ریزساختاری قابل توجهی شوند. سه فرایند ریز ساختاری عمده در منطقه جوش صورت می پذیرد که این سه فرایند به ترتیب ریکاوری، تبلور مجدد و رشد دانه ها می باشد. در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی هر سه این موارد اتفاق میافتد و ریز ساختار نهایی با توجه به میزان این سه عامل شکل میگیرد و متاقباًع بر روی خواص مکانیکی اتصال نیز تاثیر مستقیم دارد و کیفیت جوش از این عوامل تاثیر میپذیرد.
با توجه به عدم تقارن موجود، مناطق مختلفی در سطح مقطع جوش ایجاد میشود و با فاصله هایی مشخص از مرکز جوش قرار میگیرند که این مناطق چهارگانه به ترتیب بیشترین فاصله از مرکز جوش منطقه فلز بیس، منطقه HAZ، منطقه TMAZ و منطقه Weld Nugget میباشند که هر کدام از این بخش های مختلف دارای خواص ریز ساختاری خاص خود میباشند، در شکل - 1 - این مناطق مختلف به تصویر کشیده شده است.
شکل - 3 - مناطق مختلف ریزساختاری در فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
1-2 عوامل موثر بر فرایند
عدم تقارن موجود در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی سبب پیچیدگی قابل توجهی در تاثیر متغیرهای مختلف بر فرایند و کیفیت اتصال نهایی دارد. کلیه عوامل دخیل در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی را میتوان در دو دسته کلی تقسیمبندی نمود، هندسه ابزار و پارامترهای فرایند، تغییر در هرکدام از این موارد موجب تاثیر بر ریز ساختار و خواص مکانیکی اتصال نهایی خواهد شد -
2-2 هندسه ابزار
همانطور که اشاره شد ابزار موجود در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی دارای دو بخش اصلی پین و شانه میباشد. ابزار دارای سه وظیفه اصلی میباشد که این وظایف عبارت اند از:
- ایجاد حرارت به واسطه اصطکاک و گرم کردن قطعه کار
- ایجاد اغتشاش حول پین و به وجود آوردن اتصال
- گرم نگهداشتن قطعه کار به منظور اصلاح ریز ساختار و عدم ایجاد عیوب
از سه مورد عنوان شده شانه به صورت عمده مورد لاو و سوم را انجام می دهد و مورد دوم غالباً به واسطه پین ابزار انجام میپذیرد. هندسه ابزار به شدت بر عوامل عنوان شده تاثیر میگذارد و این تاثیر منتج به تغییر ریزساختاری و خواص مکانیکی اتصال خواهد شد
