شبیه سازی کوپل الکتریکی-حرارتی-مکانیکی برای بهینه سازی فرآیند جوش مقاومتی نقطه ای آلیاژ Ti-۶Al-۴V در کاربردهای هوافضا

در این پژوهش فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای (RSW) آلیاژ تیتانیوم Ti-۶Al-۴V که یکی از پرکاربردترین آلیاژها در صنایع هوافضا است به صورت عددی مورد مطالعه و بهینه سازی قرار گرفته است. با وجود تحقیقات پیشین به صورت تجربی و عددی هنوز درک دقیقی از تاثیر پارامترهای اصلی مانند جریان، زمان جوش و نیروی الکترود بر ریزساختار و کیفیت اتصال این آلیاژ به دست نیامده است [۲۱]. هدف اصلی، تحلیل و شبیه سازی رفتار حرارتی، مکانیکی و الکتریکی این فرآیند و تعیین محدوده بهینه پارامترهای جوشکاری به منظور دستیابی به استحکام بالا، توزیع حرارت یکنواخت و کاهش ناحیه تاثیر حرارت در نقاط اتصال است. به این منظور طراحی آزمایش به روش سطح با استفاده از نرم افزار Minitab انجام گرفت تا اثر جریان، نیروی الکترود و زمان اعمال جریان بر شکل، ابعاد و خواص مکانیکی دکمه جوش مورد ارزیابی قرار بگیرد. محدوده جریان ۳۰۰۰ تا ۴۰۰۰ آمپر و نیروی فشاری ۸۰۰۰ تا ۹۰۰۰ نیوتن به عنوان محدوده های بهینه انتخاب و با استفاده از مدل سازی چندفیزیکی میدان های حرارتی و توزیع تنش در ناحیه جوش مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داده اند که افزایش جریان تا مقادیر بالا موجب بهبود نفوذ و استحکام اتصال شده است ولی در صورت تجاوز از حد بهینه پدیده پاشش و سوختگی در ناحیه ذوب رخ داده و موجب کاهش کیفیت اتصالات شده است. همچنین افزایش نیروی الکترود تا حدود ۹۰۰۰ نیوتن با ایجاد تماس یکنواخت تر و توزیع فشار مناسب باعث بهبود هندسه دکمه جوش و کاهش تمرکز جریان در مرکز اتصال گردید. بررسی های ریزساختاری با میکروسکوپ نوری و SEM نشان داد که ساختار ناحیه ذوب شامل فاز مارتنزیتی است که به همراه مقدار محدودی از فاز β تشکیل شده و با نرخ سرمایش بالا سبب افزایش سختی و استحکام نهایی اتصال شده است. ناحیه تحت تاثیر حرارت دارای ساختار سوزنی α و α با دانه های نسبتا درشت تر بوده و در مقایسه با فلز پایه از چقرمگی و انعطاف پذیری کمتری برخوردار است. آزمون های کشش و برش نشان داد که حداکثر استحکام برشی در جریان ۳۵۰۰ آمپر و نیروی ۸۵۰۰ نیوتن حاصل می شود و نسبت قطر به ارتفاع دکمه جوش در این حالت حدود ۱.۶ بوده که با هندسه یکنواخت و حداقل اعوجاج حرارتی همراه است. نتایج تحلیل حرارتی نشان داد که دمای مرکز دکمه جوش به حدود ۱۶۶۰ درجه سانتی گراد می رسد و توزیع گرما به صورت متقارن از مرکز به سمت مرز اتصال کاهش می یابد. مقایسه داده های تجربی و نتایج شبیه سازی در نرم افزار JMatPro نشان داد که مدل ارائه شده قابلیت پیش بینی دقیق تغییرات دما، اندازه حوضچه ذوب و فازهای حاصل را دارد. بر این اساس محدوده بهینه فرآیندی شامل جریان ۳۰۰۰ تا ۴۰۰۰ آمپر و نیروی ۸۰۰۰ تا ۹۰۰۰ نیوتن تعیین گردید که در آن استحکام برشی و سختی دکمه جوش در بیشترین مقدار و اندازه ناحیه تحت تاثیر حرارت در کمترین حد ممکن قرار گرفت. دستاورد پژوهش حاضر ارائه یک مدل تحلیلی برای طراحی بهینه فرآیند RSW در آلیاژ Ti-۶Al-۴V است که می تواند به عنوان ابزاری موثر در بهبود عملکرد اتصالات و کاهش هزینه ساخت قطعات هوافضایی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج این تحقیق با نشان دادن اینکه کنترل دقیق پارامترهای جریان، فشار و زمان جوشکاری به طور قابل توجهی بر ویژگی های مکانیکی و کیفیت متالورژیکی اتصالات تاثیر می گذارند، باعث ایجاد دیدگاه های جدیدی برای توسعه تکنیک های جوشکاری کارآمد و بادوام برای آلیاژهای تیتانیوم شد.

کلیدواژه ها:

آلیاژ تیتانیوم ، جوش مقاومتی نقطه ای ، شبیه سازی چندفیزیکی ، خواص مکانیکی