Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Atapoor,Aboozar Taherizadeh
مسعود عطاپور (استاد راهنما) ابوذر طاهري زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behzad Sadeghian Loudariche
بهزاد صادقيان لودريچه

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Simulation of friction stir welding of 304 stainless steel to 5083 aluminum alloy dissimilar joint
Today, steel to aluminum joints are used to facilitate traortation and fuel consumption. These joints are applied from nuclear, aerospace and naval to automobile and kitchen industries. According to previews studies, fusion welding processes are not suitable methods for these joints. Solid-state welding, especially friction stir welding, is proper for these joints. Friction stir welding is of the most applicable methods to join dissimilar metals. However, using this method for these two metals needs adequate prediction of temperature distribution and material flow to obtain enhanced joints. In this study, a finite element method is used to predict the temperature distribution. The heat produced during the joining of 304 stainless steel to 5083 aluminum alloy by friction stir welding method was simulated and the distribution of temperature was predicted by finite element method. Both, transient and steady-state (with and without infinite elements) thermal solutions were used in simulations and the two methods were compared correspondingly. To verify the models, two sheets of stainless steel and aluminum alloy were prepared and welded by friction stir welding. Additionally, by using thermocouples temperature history of different points on the sheets was obtained during welding. Then, the simulation and the experimental results were compared to validate the model. Finally, an Artificial Neural Network model was created and the effect of different process parameters on the maximum temperature was investigated. In addition, a computational fluid dynamics solution is coupled with the thermal solution. Therefore, the flow rate, strain rate and dynamic viscosity were obtained. The effects of welding parameters on material plastic flow and final properties of the weldment for friction stir welding interface is investigated. In order to predict the temperature distribution, a steady-state solution with infinite elements was used. Also to predict the interface morphology, Computational Fluid Dynamics (CFD) with Level Set method was used. It should be noted that computed results were verified using experimental results. It was concluded that by lowering rotational speed and movement of pin offset through aluminum, more continues material flow and proper weldments were obtained. Keywords: Friction stir welding, dissimilar joint, Finite element method, Thermal simulation, Computational fluid dynamics, Level set method, Morphology simulation.
چکيده امروزه اتصالات فولادها به آلياژهاي آلومينيوم به منظور کاهش مصرف سوخت و سهولت حمل و نقل بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. اين اتصالات از صنايع هسته اي، هوافضا و دريايي تا صنايع خودرو و آشپزخانه استفاده مي شوند. فولاد زنگ نزن 304 از پرکاربردترين فولادهاي زنگ نزن آستنيتي مي باشد که مقاومت به خوردگي عالي در محيط هاي خورنده دارد. از طرفي آلياژ آلومينيوم 5083 نيز مقاومت به خوردگي مناسبي در محيط هاي دريايي از خود نشان داده است. از اين رو، اتصال فولاد زنگ نزن 304 به آلياژ آلومينيوم 5083 اتصال مناسبي در کاربردهاي حمل و نقل دريايي مي باشد. جوشکاري فولاد زنگ نزن به آلياژ آلومينيوم با روش هاي ذوبي به دليل ايجاد ترکيبات بين فلزي نامناسب و سيلان بيش از حد آلومينيوم خواص مناسبي را ايجاد نمي کند. درنتيجه، جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي به عنوان يک فرايند حالت جامد روش مناسبي براي اتصال اين دو فلز محسوب مي شود. جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي اتصالاتي با کمترين ميزان عيوب و بيشترين استحکام و حداقل ترکيبات بين فلزي را براي اتصالات غيرمشابه ايجاد مي کند در اين پژوهش به منظور بررسي خواص اتصال از جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي اين فلز در پارامترهاي مختلف پرداخته شد. نشان اين پژوهش نشان داد که افزايش سرعت چرخشي موجب پراکنده شدن ذرات فولاد در زمينه آلومينيوم مي شود که مناطق مستعدي براي ايجاد و رشد ترک مي باشند. همچنين افزايش سرعت چرخشي موجب افزايش عيوب مي گردد. بعلاوه افزايش بيش از حد حرارت ورودي موجب ايجاد ترک هاي طولي و شکست قطعه مي شود. آناليز شکست نگاري نشان از شکست ترد در سمت فولاد و شکست نرم و ترد در سمت آلومينيوم داشت. از طرفي، به دليل اختلاف زياد در خواص انتقال حرارت و سيلان دو فلز، کنترل پارامترها در حين جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي از اهميت بالايي برخوردار است. شبيه سازي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي ابزار مناسبي براي پيش بيني و کنترل پارامترها حين فرايند است. در اين تحقيق به منظور بررسي نحوه توزيع دما در هر دو قطعه از روش المان محدود استفاده گرديد. براي اين منظور از سه حل حالت گذرا، حالت پايدار و حالت پايدار با المان هاي نامحدود استفاده شده است. نشان داده شد که حل حالت گذرا بيشترين دقت را دارد. بعلاوه، تاثير پارامترهاي جوشکاري بر نحوه توزيع دما بررسي شد که نشان داده شد افزايش سرعت چرخشي و کاهش سرعت خطي افزايش حرارت توليدي را به‌همراه دارد. اين حرارت بيشتر در آلومينيوم پخش شده و بيشترين تجمع حرارت در زير ابزار سمت فولاد است. همچنين در اين پژوهش به بررسي سيلان پلاستيک مواد پرداخته شد. بدين منظور از روش ديناميک سيالات محاسباتي با معادلات نوير- استوکس کمک گرفته شد. نشان داده شد که افزايش سرعت چرخشي بيشترين تاثير را بر افزايش سرعت سيلان و نرخ کرنش داشته و ويسکوزيته را کاهش مي‌دهد. گفتني است به منظور بررسي مورفولوژي اتصال حين جوشکاري دو فلز از روش سطح تراز کمک گرفته شد. نشان داده شد که افزايش سرعت چرخشي موجب جدايش بيشتر ذرات فولاد در زمينه آلومينيوم مي شود. همچنين جابجايي پين به سمت آلومينيوم کاهش ذرات جدا شده را به همراه دارد. در پايان به مدل سازي پارامترهاي جوشکاري پرداخته شد و رابطه بين سرعت چرخشي و خطي با دماي حداکثر منطقه جوش با استفاده از شبکه عصبي مصنوعي بررسي شد. همچنين به منظور بررسي تاثير پارامترها از آناليز واريانس استفاده شد. نشان داده شد که سرعت چرخشي بيشترين ميزان تاثير را بر حرارت توليدي دارد. کلمات کليدي : فولاد زنگ نزن 304، آلياژ آلومينيوم 5083، جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، روش المان محدود، ديناميک سيالات محاسباتي، روش سطح تراز، شبکه عصبي مصنوعي.

تحت نظارت وف ایرانی