Skip to main content
SUPERVISOR
Masoud Atapoor,Aboozar Taherizadeh
مسعود عطاپور (استاد راهنما) ابوذر طاهری زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behzad Sadeghian Loudariche
بهزاد صادقیان لودریچه

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.
امروزه اتصالات فولادها به آلیاژهای آلومینیوم به منظور کاهش مصرف سوخت و سهولت حمل و نقل بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. این اتصالات از صنایع هسته ای، هوافضا و دریایی تا صنایع خودرو و آشپزخانه استفاده می شوند. فولاد زنگ نزن 304 از پرکاربردترین فولادهای زنگ نزن آستنیتی می باشد که مقاومت به خوردگی عالی در محیط های خورنده دارد. از طرفی آلیاژ آلومینیوم 5083 نیز مقاومت به خوردگی مناسبی در محیط های دریایی از خود نشان داده است. از این رو، اتصال فولاد زنگ نزن 304 به آلیاژ آلومینیوم 5083 اتصال مناسبی در کاربردهای حمل و نقل دریایی می باشد. جوشکاری فولاد زنگ نزن به آلیاژ آلومینیوم با روش های ذوبی به دلیل ایجاد ترکیبات بین فلزی نامناسب و سیلان بیش از حد آلومینیوم خواص مناسبی را ایجاد نمی کند. درنتیجه، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به عنوان یک فرایند حالت جامد روش مناسبی برای اتصال این دو فلز محسوب می شود. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اتصالاتی با کمترین میزان عیوب و بیشترین استحکام و حداقل ترکیبات بین فلزی را برای اتصالات غیرمشابه ایجاد می کند در این پژوهش به منظور بررسی خواص اتصال از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی این فلز در پارامترهای مختلف پرداخته شد. نشان این پژوهش نشان داد که افزایش سرعت چرخشی موجب پراکنده شدن ذرات فولاد در زمینه آلومینیوم می شود که مناطق مستعدی برای ایجاد و رشد ترک می باشند. همچنین افزایش سرعت چرخشی موجب افزایش عیوب می گردد. بعلاوه افزایش بیش از حد حرارت ورودی موجب ایجاد ترک های طولی و شکست قطعه می شود. آنالیز شکست نگاری نشان از شکست ترد در سمت فولاد و شکست نرم و ترد در سمت آلومینیوم داشت. از طرفی، به دلیل اختلاف زیاد در خواص انتقال حرارت و سیلان دو فلز، کنترل پارامترها در حین جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از اهمیت بالایی برخوردار است. شبیه سازی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ابزار مناسبی برای پیش بینی و کنترل پارامترها حین فرایند است. در این تحقیق به منظور بررسی نحوه توزیع دما در هر دو قطعه از روش المان محدود استفاده گردید. برای این منظور از سه حل حالت گذرا، حالت پایدار و حالت پایدار با المان های نامحدود استفاده شده است. نشان داده شد که حل حالت گذرا بیشترین دقت را دارد. بعلاوه، تاثیر پارامترهای جوشکاری بر نحوه توزیع دما بررسی شد که نشان داده شد افزایش سرعت چرخشی و کاهش سرعت خطی افزایش حرارت تولیدی را به‌همراه دارد. این حرارت بیشتر در آلومینیوم پخش شده و بیشترین تجمع حرارت در زیر ابزار سمت فولاد است. همچنین در این پژوهش به بررسی سیلان پلاستیک مواد پرداخته شد. بدین منظور از روش دینامیک سیالات محاسباتی با معادلات نویر- استوکس کمک گرفته شد. نشان داده شد که افزایش سرعت چرخشی بیشترین تاثیر را بر افزایش سرعت سیلان و نرخ کرنش داشته و ویسکوزیته را کاهش می‌دهد. گفتنی است به منظور بررسی مورفولوژی اتصال حین جوشکاری دو فلز از روش سطح تراز کمک گرفته شد. نشان داده شد که افزایش سرعت چرخشی موجب جدایش بیشتر ذرات فولاد در زمینه آلومینیوم می شود. همچنین جابجایی پین به سمت آلومینیوم کاهش ذرات جدا شده را به همراه دارد. در پایان به مدل سازی پارامترهای جوشکاری پرداخته شد و رابطه بین سرعت چرخشی و خطی با دمای حداکثر منطقه جوش با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی بررسی شد. همچنین به منظور بررسی تاثیر پارامترها از آنالیز واریانس استفاده شد. نشان داده شد که سرعت چرخشی بیشترین میزان تاثیر را بر حرارت تولیدی دارد. کلمات کلیدی : فولاد زنگ نزن 304، آلیاژ آلومینیوم 5083، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، روش المان محدود، دینامیک سیالات محاسباتی، روش سطح تراز، شبکه عصبی مصنوعی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی