بخشی از مقاله
چکیده - فرآیند جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی - FSW - یک فرآیند جوشکاری در حالت جامد است که با حرکت چرخشی ابزار و حرکت خطی آن در طول درز جوش باعث ایجاد اصطکاک بین ابزار و ماده میشود و باعث میگردد ماده سیلان پیداکرده و درز جوش را پر کند. مقدار حرارت ایجادشده به طور مستقیم بر ساختار متالورژیکی، کیفیت جوش، تنش باقیمانده و اعوجاج ناشی از حرارت در قطعه، اثرگذار است.
بنابراین به دست آوردن توزیع دما در حین انجام فرآیند بسیار حائز اهمیت میباشد. برای شبیهسازی توزیع دما توسط نرمافزار آباکوس ابتدا حرارت تولید شده بر اثر اصطکاک و تغییر شکل پلاستیک فرمولبندی و محاسبه گردیده است. پارامترهای مورد بررسی در این پژوهش شامل پارامترهای فرآیند مانند سرعت خطی حرکت، سرعت چرخش ابزار و قطر شانه ابزار و قطر پین برای آلومینیوم 6061-T6 بوده است . در نهایت نتایج حاصل با نتایج عملی مقایسه و تصدیق گردید.
نتایج مطابقت قابل قبولی را بین دادههای آزمایش تجربی و آنالیز المان محدود نشان میدهد. براساس نتایج، محدوده انتخابی سرعت ابزار برای توزیع حرارت در فرآیند باید به گونهای باشد که ماکزیمم دما در قطعه برای نرم کردن آن جهت ایجاد تلاطم کافی بوده و از سویی باعث ذوب فلز نگردد تا بتوان خواص آلومینیوم را بهتر حفظ کرد. از طرفی تاثیرات قطر و ارتفاع پین در تولید حرارت در برابر حرارت تولیدی در اثر تغییر قطر شانه ابزار کم بوده و بیشترین میزان حرارت تولیدی به دلیل کار اصطکاکی ناشی از شانه ابزار میباشد.
مقدمه
ابداع فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاش ی1 توسط موسسه جوش در کمبریج بریتانیا2 در سال 1991، افق جدیدی در زمینه اتصالات مواد مختلف به وجود آورده است. در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، فرآیند اتصال دو قطعه بدون عمل ذوب فلز میباشد از این رو به آن جوشکاری در حالت جامد میگویند . فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بدین گونه است که نوک ابزار - پین - با یک نیرو و حرکت دورانی مشخص پایین آمده و در قطعه فرو می رود . به دلیل حضور نیرو پین به تدریج در قطعه فرو میرود تا سطح شانه3 ابزار در تماس با قطعه قرار بگیرد و حرارتی ناشی از اصطکاک ایجاد شود.
با فرورفتگی و افزایش نیروی اصطکاک بین سطح ابزار و سطح فوقانی قطعه حرارت ایجاد شده بیشتر میشود که با افزایش حرارت تولیدی استحکام فلز کاهش مییابد. از طرفی با حرکت خطی ابزار در راستای فصل مشترک دو قطعه، فرآیند جوشکاری صورت پذیرفته و موجب اتصال دو قطعه میشود . در این فرآیند ماده دستخوش تغییر شکل پلاستیکی شدیدی در دمای بالا میشود که جوش ایجاد شده در فرآیند نتیجه حرارت ناشی از اصطکاک و تغییر شکل مکانیکی ایجاد شده توسط ابزار در حال چرخش است.
پس گرمای تولیدی در این فرآیند حاصل تولید حرارت اصطکاک لغزشی بین ماده و ابزار و تغییر شکل پلاستیکی که به علت چسبندگی رخ میدهد، میباشد .[10] برای اندازهگیری توزیع دمایی از دوربینهای مادون قرمز استفاده میشود .[16] گرچه تنها با این روش تنها میتوان دمای سطح را اندازهگیری کرد. روش پرکاربرد تجربی برای اندازهگیری توزیع دمایی قرار دادن ترموکوپل در قطعه میباشد .[7-6]
البته بایستی توجه نمود از آنجایی که ترموکوپل در تماس با پین 4 ابزار از بین می رود، نمیتوان آن را در نزدیکی خط اتصال دو قطعه قرارداد. با توجه به دشواری که در اندازهگیری توزیع حرارت در این فرآیند وجود دارد، استفاده از روشهای عددی و المان محدود برای این منظور میتواند مفید باشد.[13 مدلهای تحلیلی ارائه شده برای فرآیند به طور کلی به سه دسته تقسیم میتوان کرد؛ مدلهایی که تنها حرارت ناشی از اصطکاک، مدلهایی که تنها حرارت ناشی از تغییرشکل و مدلهایی که هر دو حالت تولید حرارت را در نظر میگیرند.
معادلات تحلیلی که حرارت ناشی از تغییرشکل را در نظر میگیرند تفاوت قابل توجهی با مدلی که حرارت ناشی از اصطکاک را در نظر میگیرند، ندارند بلکه ترم اصطکاک - ʽP - بوسیله تنش سیلان - - جایگزین میشود. در شرایط لغزشی، فشار اعمالی به وسیله ابزار کمتر از تنش سیلان در دمای مورد نظر است و بنابراین اصطکاک مابین ابزار و ماده منجربه تولید حرارت میشود.
در شرایطیکه ماده به ابزار میچسبد حرارت از طریق اصطکاک داخلی مابین لایههای ماده تولید میشود. این فرمولاسیون در توافق با فرمولاسیون بر پایه گشتاور ارائه شده توسط رینولدز و همکارانش [3] که مدلسازی معکوس تولید حرارت بوسیله محاسبه شرایط اصطکاک/تغییرشکل براساس گشتاور و انرژی اندازهگیری شده ضمن جوشکاری را امکان پذیر می سازد.
اگر چه به کمک مدل های تحلیلی می توان به نتایجی دست یافت که به راحتی توسط نرم افزارهای حل عددی تجاری مرسوم قابل دست یابی نیست ولی دشواری های حل های تحلیلی در مسائل پیچیده باعث جایگزینی این روش با روشهای عددی شده است. در این تحقیق نیز توزیع حرارت در جوشکاری آلیاژ آلومینیوم T6-6061 به روش المان محدود مورد بررسی قرارگرفته است. جهت صحت نتایج، توزیع حرارت به روش تجربی و با استفاده از اندازهگیریهای ترموکوپل گذاری شده در قطعه مشابه با توجه به منبع [5] بررسی شده است.
مدلسازی حرارت تولیدی
بیشینه دما در قطعه برای نرم بودن آن جهت ایجاد تلاطم کافی بوده باشد و از طرفی باعث ذوب فلز نگردد. با دقت در این نکته بیشینه دمای ایجاد شده در فرآیند جوشکاری آلومینیوم بر اساس مطالعات صورت گرفته در [9-8] بایستی بین 90% -80% دمای ذوب فلز جوش باشد، که با این حال در این فرآیند نمیتوان انتظار داشت به طور کامل عیوب و اعوجاج مربوط به جوشکاری ذوبی وجود نداشته باشد.
