علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

تأثیر پارامترهای FSW بر تنش‌های پسماند در آلیاژ آلومینیوم با استفاده از المان محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه پژوهشی مهندسی سامانه های حمل و نقل فضایی، پژوهشکده حمل و نقل فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران
2 پژوهشکده سامانه‌های حمل و نقل، تهران، ایران
3 پژوهشکده سامانه های حمل و نقل، پژوهشگاه فضایی ایران
10.22034/jssta.2025.506404.1232
چکیده
هدف از این مطالعه، بررسی پارامتر‌های مؤثر بر جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی(FSW) آلیاژ آلومینیوم، مبتنی بر تحقیقات پیشین، روش عددی و تحلیل المان محدود می‌باشد. در این مطالعه، جوشکاری FSW توسط روش کوپل متوالی در نرم افزار ABAQUS شبیه سازی گردیده و از کدنویسی زیرروال DFLUX برای اعمال شار حرارتی استفاده شد. در نهایت تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری استخراج شد. همچنین پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی توسط روش‌های المان محدود و تحقیقات سایرین مورد بررسی قرار گرفتند. جنس قطعات تحلیلی از آلیاژ آلومینیوم 6061 بود. گرمای حاصل از جوشکاری FSW در این مطالعه، حاصل از گرمای تولید شده ناشی از اصطکاک شانه ابزار با سطح قطعه، گردش پین در داخل مواد و جریان مواد در ناحیه جوشکاری است. پارامتر‌های مورد بررسی در این تحقیق، سرعت چرخشی ابزار، سرعت جوشکاری، نیروی محوری ابزار، قطر پین و جنس ابزار بوده و تأثیر آن‌ها بر کیفیت جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و تنش‌های پسماند مورد بررسی قرار گرفته است. در مجموع، 9 حالت مختلف شامل ترکیب‌هایی از پارامترهای کلیدی نظیر نیروی محوری ابزار (3000 و 4000 نیوتن)، سرعت جوشکاری (80 تا 150 میلی‌متر بر دقیقه)، سرعت چرخش ابزار (1000 تا 1200 دور بر دقیقه) و قطر پین (4 و 6 میلی‌متر) مدل‌سازی شدند. نتایج نشان داد که افزایش نیروی محوری ابزار از 3000 به 4000 نیوتن منجر به افزایش 66 درصدی تنش پسماند گردید. همچنین، با افزایش سرعت جوشکاری به میزان 50 میلی‌متر بر دقیقه، تنش پسماند حدود 31 درصد افزایش یافت. سرعت چرخش ابزار نیز با افزایش100 دور بر دقیقه، باعث رشد 17 درصدی تنش‌های پسماند شد. توزیع تنش‌های پسماند به‌صورت کششی و با شدت حداکثر تا حدود 96 درصد تنش تسلیم ماده پایه در ناحیه جوش مشاهده گردید. این مدل عددی قابلیت پیش‌بینی رفتار تنش پسماند را پیش از اجرای فرآیند واقعی دارا بوده و می‌تواند در بهینه‌سازی پارامترهای FSW در کاربردهای صنعتی و فضایی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

 
[1]     “T. WM, ‘Friction stir butt welding,’ International Patent Application, vol. 9125978.8., 1991.”.
[2]     P. Kah, R. Rajan, J. Martikainen, and R. Suoranta, “Investigation of weld defects in friction-stir welding and fusion welding of aluminium alloys,” Int. J. Mech. Mater. Eng., vol. 10, no. 1, p. 26, Dec. 2015, doi: 10.1186/s40712-015-0053-8.
[3]     M. R. Mohammadaliha and S. A. Pur-Kasgari, “Optimal Parameters for Joining Polymer and Aluminum with an Adhesive Layer Using Friction Stir Welding in Aerospace Industry,”  J. Space Sci. Technol. Appl., vol. 3, no. 2, pp. 1–15, 2023.”.
[4]     S. W. Williams, “Welding of airframes using friction stir,” Air Sp. Eur., vol. 3, no. 3–4, pp. 64–66, May 2001, doi: 10.1016/S1290-0958(01)90059-0.
[5]     A. Heinz, A. Haszler, C. Keidel, S. Moldenhauer, R. Benedictus, and W. . Miller, “Recent development in aluminium alloys for aerospace applications,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 280, no. 1, pp. 102–107, Mar. 2000, doi: 10.1016/S0921-5093(99)00674-7.
[6]     X.-L. Wang, Z. Feng, S. David, S. Spooner, and C. Hubbard, “Neutron Diffraction Study of Residual Stresses In Friction Stir Welds,” In Proc. 6th Int. Conf. on ‘Residual stresses’, Oxford, UK. 2000.
[7]     M. Baba Khanzadeh, K. Malekzadeh, and H. Mehrali, Design, simulation and optimization of friction stir welding, 1st ed. Iran: Akhavan, 1390.
[8]     R. Ben Khalifa and O. Toumi, “Prediction of the friction stir welding temperature and ultimate tensile stress for 6061 T6 aluminum,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part C, vol. 239, issue. 14,pp.5622_5635,2025.doi:10.1177/09544062251327542.
[9]     C. A. Charitidis, D. A. Dragatogiannis, E. P. Koumoulos, and I. A. Kartsonakis, “Residual stress and deformation mechanism of friction stir welded aluminum alloys by nanoindentation,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 540, pp. 226–234, Apr. 2012, doi: 10.1016/j.msea.2012.01.129.
[10]   Z. Y. Ma, A. Feng, D. Chen, and J. Shen, “Recent Advances in Friction Stir Welding/Processing of Aluminum Alloys: Microstructural Evolution and Mechanical Properties,” Crit. Rev. Solid State Mater. Sci., vol. 43, pp. 1–65, 2017, doi: 10.1080/10408436.2017.1358145.
[11]   T. DING, H. ge YAN, J. hua CHEN, W. jun XIA, and B. SU, “Effect of welding speed on microstructure and mechanical properties of Al−Mg−Mn−Zr−Tialloy sheet during friction stir welding,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China (English Ed., vol. 31, no. 12, pp. 3626–3642, 2021, doi: 10.1016/S1003-6326(21)65753-9.
[12]   M. Saad, R. Reda, M. Ahmed, and H. Abdelkader, “Influence Of Tool Rotational Speed And Axial Load In Friction Stir Welding (FSW) of High Strength Aluminum Alloys,” Int. J. Res. Eng. Technol., vol. 6, no. 2, pp. 114–120, 2017.
[13]   T. Sun, M. J. Roy, D. Strong, C. Simpson, P. J. Withers, and P. B. Prangnell, “Weld zone and residual stress development in AA7050 stationary shoulder friction stir T-joint weld,” J. Mater. Process. Technol., vol. 263, pp. 256–265, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.08.022.
[14]   Z. Sun, C.S. Wu, and S. Kumar, “Determination of heat generation by correlating the interfacial friction stress with temperature in friction stir welding,” J. Manuf. Process., vol. 31, pp. 801–811, 2018, doi:https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.01.010.
[15]   T. Inoue and Z. G. Wang, “Coupling between Temperature, Stress and Metallic Structures during Phase Transformation and the Analysis of Carburized Quenching of a Steel Gear,” in Computational Mechanics,” Theory and Applications, vol. 86, pp. 691–696, 1986.
[16]   Y. Z. Itoh, S. Suruga, and H. Kashiwaya, “Prediction of fatigue crack growth rate in welding residual stress field,” Eng. Fract. Mech., vol. 33, no. 3, pp. 397–407, 1989, doi: https://doi.org/10.1016/0013-7944(89)90089-1.
[17]   G. BUSSU and P. IRVING, “The role of residual stress and heat affected zone properties on fatigue crack propagation in friction stir welded 2024-T351 aluminium joints,” Int. J. Fatigue, vol. 25, no. 1, pp. 77–88,Jan.2003,doi:10.1016/S01421123(02)00038-5.
[18]   M.T. Milan and P. Bowen, “Fracture toughness of selectively reinforced Al2124 alloy: Precrack tip in the composite side,” Metall. Mater. Trans. A, vol. 35, no. 4, pp. 1393–1401, 2004, doi: 10.1007/s11661-004-0314-2.
[19]   V. Mishin et al.,“Numerical Simulation of the Thermo-Mechanica  Behavior of 6061 Aluminum Alloy during Friction-Stir Welding,” J. Manuf. Mater. Process., vol. 6, no. 4, 2022, doi: 10.3390/jmmp6040068.
[20]   H. Mohammadi. and S. Naderi. ,“Modeling Elastic–Plastic Residual Stresses Induced by Laser Welding in Aerospace Structures,” J. Space Sci. Technol. Appl., vol. 5, no. 2, pp. 153–162, Jun. 2015.”.
[21]   K. N. Salloomi, “Full coupled thermomechanical simulation of friction stir welding of aluminum 6061-T6 alloy T-joint,” J. Manuf. Process., vol.45,pp.746–754, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.06.030.
[22]   L. Nie, Y. X. Wu, and H. Gong, “Prediction of temperature and residual stress distributions in friction stir welding of aluminum alloy,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 106, no. 7, pp. 3301–3310, 2020, doi: 10.1007/s00170-019-04826-4.
[23]   M. Bevilacqua, F. E. Ciarapica, A. D’Orazio, A.Forcellese,and M. Simoncini, “Sustainability Analysis of Friction Stir Welding of AA5754 Sheets,” Procedia CIRP, vol. 62, pp. 529–534, 2017,doi:https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.06.081.
[24]   S. Ji, Y. Jin, Y. M. Yue, S. Gao, and L. Wang, “Effect of Temperature on Material Transfer Behavior at Different Stages of Friction Stir Welded 7075-T6 Aluminum Alloy,” J. Mater. Sci. Technol., vol. 29, pp. 955–960, 2013, doi: 10.1016/j.jmst.2013.05.018.
[25]   X. He, F. Gu, and A. Ball, “A review of numerical analysis of friction stir welding,” Prog. Mater. Sci., vol. 65, pp. 1–66, 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2014.03.003.
[26]   H. Yu, B.Zheng, and X. Lai,“A modeling study of welding stress induced by friction stir welding,”J.Mater.Process.Technol.,vol.254,pp.213_220, 2018,doi:https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.11.022.
[27]   Z. Zhang and H. W. Zhang, “Solid mechanics-based Eulerian model of friction stir welding,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 72, no. 9, pp. 1647–1653, 2014, doi: 10.1007/s00170-014-5789-4.
[28]   Q. Wen, W. Y. Li, Y. J. Gao, J. Yang, and F. F. Wang,“Numerical simulation and experimental investigation of band patterns in bobbin tool friction stir welding of aluminum alloy,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 100, no. 9, pp. 2679–2687, 2019, doi: 10.1007/s00170-018-2750-y.
[29]   H. Schmidt, J. Hattel, and J. Wert, “An analytical model for the heat generation in friction stir welding,” Model. Simul. Mater. Sci. Eng., vol. 12, p. 143, 2003, doi: 10.1088/0965-0393/12/1/013.
[30]   D. Yan, W. Aiping, J. Silvanus, and Q. Shi, “Predicting residual distortion of aluminum alloy stiffened sheet after friction stir welding by numerical simulation,” Mater. Des., vol. 32, pp.2284_2291,2011,doi:10.1016/j.matdes.2010.11.032.
[31]   K. N. Salloomi and S. Al-Sumaidae, “Coupled Eulerian–Lagrangian prediction of thermal and residual stress environments in dissimilar friction stir welding of aluminum alloys,” J. Adv. Join. Process., vol. 3, pp. 100052, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jajp.2021.100052.
[32]   Z. Sarfaraz, Y. R. Awan, H. A. Saeed, R. Khan, M. Wieczorowski, and N. A. Din, “Residual Stress in Friction Stir Welding of Dissimilar Aluminum Alloys: A Parametric Study,” Materials (Basel)., vol. 18, no. 2, 2025, doi: 10.3390/ma18020316.
[33]   K. V. Jata, K. K. Sankaran, and J. J. Ruschau, “Friction-stir welding effects on microstructure and fatigue of aluminum alloy 7050-T7451,” Metall. Mater. Trans. A, vol. 31, no. 9, pp. 2181–2192, Sep. 2000, doi: 10.1007/s11661-000-0136-9.
[34]   D. G. Moghadam, K. Farhangdoost, and R. M. Nejad, “Microstructure and Residual Stress Distributions Under the Influence of Welding Speed in Friction Stir Welded 2024 Aluminum Alloy,” Metall. Mater. Trans. B, vol. 47, no. 3, pp. 2048–2062, 2016, doi: 10.1007/s11663-016-0611-3.
[35]   C. Dalle Donne, E. Lima, J. Wegener, A. Kaysser-Pyzalla,an T. Buslaps, “Investigations on Residual Stresses in Friction Stir Welds,” 2001, pp. 1–10.
[36]   F. Gemme, Y. Verreman, L. Dubourg, and M. Jahazi, “Numerical analysis of the dwell phase in friction stir welding and comparison with experimental data,” Mater. Sci. Eng. A, vol. 527, no.16, pp.4152_4160, 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.03.026.
[37]   F. Panzer, M. Werz, and S. Weihe, “Experimental investigation of the friction stir welding dynamics of 6000 series aluminum alloys,” Prod. Eng., vol. 12, no. 5, pp. 667–677, 2018, doi: 10.1007/s11740-018-0834-z.
[38]   Z. Zhang and H. W. Zhang, “A fully coupled thermo-mechanical model of friction stir welding,” Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 37, no. 3, pp. 279–293, 2008, doi: 10.1007/s00170-007-0971-6.
[39]   Z. Zhang and H. W. Zhang, “Numerical studies on controlling of process parameters in friction stir welding,” J. Mater. Process. Technol., vol. 209,no.1,pp.241_270,2009,doi:https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.01.044.
[40]   Z. Zhang and H. W. Zhang, “Numerical studies on the effect of transverse speed in friction stir welding,” Mater. Des., vol. 30, no. 3, pp. 900–907,2009,doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2008.05.029.
[41]   A. K. Lakshminarayanan and V. BALASUBRAMANIAN, “Process parameters optimization for friction stir welding of RDE-40 aluminium alloy using Taguchi technique,” Trans. Nonferrous Met. Soc. China, vol. 18, no.3,pp.548_554,2008,doi:https://doi.org/10.1016/S1003-6326(08)60096-5.
[42]   V.V. Ramalingam, P. Ramasamy,D. A. Moganraj,T. Subramaniam, J. Gokulachandran, and M. Ram,“Numerical Modelling of Thermal Phenomenon in Friction Stir Welding of Aluminumplates,”2016.doi:10.13140/RG.2.2.22558.43845/1.
[43]   R. S. Mishra and Z. Y. Ma, “Friction stir welding and processing,” Mater. Sci. Eng. R Reports, vol. 50, no. 1, pp. 1–78, Aug. 2005, doi: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
 
 
 
دوره 6، شماره 1
مهر 1405
صفحه 36-49

  • تاریخ دریافت 29 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 27 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 18 مرداد 1404