عنوان پایان‌نامه
تحلیل اثر شار الکتریکی فرعی در جوشکاری مقاومتی نقطه ای بر جوش پذیری و خواص مکانیکی اتصالات AI۲۲۱۹
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک- ساخت و تولید
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3278;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75552;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3278;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75552
- تاریخ دفاع
- ۱۵ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- مهدی جعفری وردنجانی
- استاد راهنما
- علیرضا آرائی
- چکیده
- جوش نقطه ای یکی از رایج ترین روش های اتّصال ورق ها به یکدیگر می باشد که در ساخت بدنه های خودرو و لوازم خانگی بطور وسیع از آن استفاده می شود. جوش های نقطه ای مقاومتی هم بصورت منفرد و هم بصورت سری روی ورق ها اجراء می شوند که در حالت سری باعث بروز پدیده شار الکتریکی فرعی می شود. این پدیده به دلیل عبور بخشی از جریان الکتریکی اعمال شده از نقطه جوش های قبلی رخ می دهد که باعث بروز تغییراتی در کیفیت نهایی جوش بدست آمده می شود. هدف اصلی این رساله تحلیل و شناخت عمیق تر مکانیزم این پدیده از دیدگاه های تئوری و تجربی می باشد. آلیاژ مورد بحث در این تحقیق آلیاژ آلومینیوم 2219 می باشد که کاربرد وسیعی در صنایع هوا فضا دارد. پدیده شار الکتریکی فرعی به همراه پارامترهای اصلی ورودی جوشکاری بطور مستقیم بر نرخ انتقال حرارت و چگونگی ریزساختار و در نتیجه خواص مکانیکی جوش ایجادشده تأثیر دارند. در این رساله از مدل المان محدود، تئوری، و آزمایش های تجربی جهت کشف اثر پارامترهای ورودی شامل فاصله بین دو نقطه جوش، و جریان و زمان جوشکاری بر کیفیت متالورژیکی و مکانیکی جوش حاصل استفاده شده است. جهت دستیابی به این هدف آزمایش های تجربی بر اساس طراحی آزمایش انجام شده با تغییر پارامترهای مذکور و اندازه گیری پارامترهای خروجی قطر و استحکام کششی برشی صورت پذیرفت. سپس بررسی های متالورژیکی و مکانیکی بررسی ابعاد، ریزساختار، و استحکام دکمه جوش انجام شد. همچنین یک تحلیل المان محدود سه بعدی با بررسی دو نقطه جوش مجاور انجام شده، ابعاد دکمه جوش، توزیع دما، و پتانسیل الکتریکی جهت مقایسه مستقیم و غیر مستقیم با نتایج تجربی انجام شد. تحلیل تئوری مسئله نیز با اصلاح یک مدل تئوری موجود جهت بررسی فاصله حداقل مجاز بین دو جوش انجام شد. بر اساس نتایج بدست آمده از تمام بخش های مذکور اثر مستقیم شار الکتریکی فرعی بر کاهش ابعاد دکمه جوش به روشنی اثبات شده، مدل المان محدود و تئوری ارائه شده ابزارهای مناسبی جهت کنترل اثر شار الکتریکی فرعی با توجّه به پارامترهای مذکور می باشد. همچنین نتایج آزمایش های تجربی و تحلیل عددی جنبه های مختلف متالورژیکی و مکانیکی جوش تحت تأثیر شار فرعی را در چهار مقوله مختلف نشان داده است. با توجّه به نتایج حاصل، مهم ترین اثر این پدیده بر کاهش میزان ابعاد دکمه جوش به ویژه در بعد ارتفاع بوده است. این مقوله با توجّه به جنس آلیاژ مورد نظر هائذ اهمیت است. نتیجه دیگر در زمینه اثر این پدیده بر رشد نامتقارن منطقه تحت تأثیر دما به سمت نقطه جوش قبلی می باشد. این پدیده در دو بخش عملی و عددی اثبات شده است. همچنین تأثیر شار الکتریکی فرعی بر افزایش میزان تمرکز عنصر آلیاژی مس در مرز دانه ها به اثبات رسیده است. این رویداد در نواحی تحت تأثیر حرارت بطور قابل توجّهی دیده شد. یکی از مهم ترین آثار این پدیده در مقوله مکانیکی نیز تأثیر آن بر تضعیف استحکام کششی برشی و نوع گسیختگی بوده است که بصورت تجربی اثبات شده است. با توجّه به مجموعه نتایج بدست آمده اثر معکوس فاصله جوشکاری بر شار الکتریکی فرعی آشکار شده است. کاهش فاصله جوشکاری باعث تقویت اثر شار الکتریکی فرعی شده، فاصله بهینه با توجّه به تحلیل کمّی انجام شده در بخش پایانی جهت دستیابی به کیفیت بالاتر برای این آلیاژ و ضخامت مورد نظر بدست آمد. واژه های کلیدی: جوش نقطه ای مقاومتی، شار الکتریکی فرعی، آلیاژ آلومینیوم، تحلیل المان محدود، مدل تئوری، آزمایش های تجربی.
- Abstract
- Resistance spot welding (RSW) is one of the most common methods used in manufacturing of vehicle bodies extensively. This method is used to generate single or multiple spots for which shunting effect occurs in latter case. Shunting effect in RSW occurs when the electrical current passes through the previous spot welds in the series of spot welds. The amount of this current depends mostly on factors such as distance, number and size of previous spot welds. This will cause some dimensional and metallurgical changes in shunted welding nugget which are the result of changes in electrical and thermal distribution. In this dissertation shunting effect in RSW is considered by the use of a finite element model and a theoretical approach while the results are compared with experiments performed on aluminum alloy 2219. Important factors in shunting effect include number and size of previous spots and distance between current and previous spots. The most important factor in shunting (distance) together with welding current and time are considered to discover the effect of shunting current in the final quality of nugget and generate a numerical, theoretical and statistical model to describe the relationship between welding distance, current, and time with nugget diameter. The whole procedure of study is divided to experimental, finite element analysis (FEA), and theoretical approach. In experimental section after performing a three factor experiment design to find the significance of factors and interactive effects for nugget dimensions, the main experiments are performed with new factor levels while the same procedure is performed for shear-tensile tests of spots to generate an experimental regression model to check the reliability of dimensional results. In FEA section shunting effect problem is numerically analyzed using a coupled electrical-thermal-mechanical finite element model. This model is verified using the first stage of experimental section. In theoretical phase shunting problem is considered by the use of electrical and thermal equations while a pure theoretical model is proposed at the end. Thermal and electrical interactions including temperature dependence of material properties and contact conductivities are considered in numerical and theoretical model. Experimental, numerical, and theoretical methods have yielded comparable similar results in terms of welding nugget properties. In addition micro-structural images have demonstrated the significant effect of shunting current on the reduction of nugget height, asymmetric increase in heat affected zone (HAZ) toward shunting nugget, segregation of alloying elements along the boundaries of grain particularly in HAZ, and alternations in microstructure of nugget and HAZ. Using theoretical and numerical models obtained in this dissertation, shunting current in RSW is controllable regarding associated parameters. Keywords: Resistance spot welding, Shunting effect, Aluminum alloy, Finite element analysis, Theoretical model, Experiments
