خلاصه

ورقهای فولادی کم کربن کاربرد زیادی در صنایع مختلف، بخصوص صنایع اتومبیل سازی دارند.انتظار میرود خواص مکانیکی و متالورژیکی اتصالات ایجاد شده جوابگوی این وسعت کاربرد باشد.جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، یکی از روش های کاربردی اتصالدهی ورقها بوده، و در صورتیکه از پارامترهای بهینه در این فرایند استفاده گردد، میتواند این نیازها را برآورده سازد. لذا لازم است مقادیر بهینه پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی معین گردد. با توجه به اهمیت موضوع در این تحقیق از روش بهینه سازی سطح پاسخ((RSM، که ابزار قدرتمندی در طراحی آزمایشات((DOE است، استفاده و آزمایشهای طراحی شده توسط این روش، اجرا شد. پارامترهای ورودی در این طراحی، سرعت دورانی، سرعت خطی ابزار، قطر شانه و قطر پین بودند. همچنین استحکام کششی حاصل از جوش به عنوان پارامتر خروجی در نظر گرفته شده وتاثیر هریک از پارامترها بر روی آن به کمک تحلیلهای ریاضی و آماری بررسی شد. در ادامه جهت دستیابی به ورق جوشکاری شده با خواص مکانیکی و متالورژیکی مناسب مقادیر بهینه پارامترهای نامبرده محاسبه شد. در نهایت نتایج تئوری حاصل از مدل ریاضی با نتایج تجربی مقایسه، و ملاحظه شد، استحکام کششی جوش بیشتر از فلز پایه است.

کلمات کلیدی: جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، طراحی آزمایشات، روش سطح پاسخ RSM، فولاد .St14

.۱ مقدمه

امروزه مطالعات و پیشرفتهای فراوانی در فرایند FSW صورت گرفته است، اما همچنان یکی از مهمترین موضوعات مهم و تاثیرگذار در این فرایند تنظیم پارامترهای جوشکاری FSW میباشد. سرعت دوران ابزار، سرعت حرکت خطی ابزار، قطر پین، قطر شولدر، هندسه ابزار، طرح اتصال تعیین کننده نحوه الگوی سیلان مواد و توزیع حرارت در موضع اتصال میباشد و این موضوع ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی جوش را تحت تاثیر قرار میدهد، بنابراین برای بدست آوردن یک جوش با کیفیت لازم است از پارامترهای مناسب و بهینه استفاده کرد. طراحی آزمایشها شامل یک آزمون یا یکسری از آزمونهایی است که بطور آگاهانه در متغیرهای ورودی فرایند تغییراتی ایجاد میگردد، تا از این طریق میزان تغییرها حاصل در پاسخ خروجی فرایند مشاهده و شناسایی شود. بعضی از متغیرهای فرایند قابل کنترل و سایر آنها غیر قابل کنترل هستند. این آزمون چهار هدف را بیان می کند .[۱] الف) تعیین متغیرهای قابل قبول کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند و آن را به مقدار مطلوب هرچه نزدیکتر میکنند. ب) تعیین مقادیر متغیرهای قابل قبول کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند، و آن را ماکزیمم میکنند. ج) تعیین مقادیر متغیرهای قابل قبول کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ

۱دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک
۲دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی مواد و متالورژی
۳دانشجو کارشناسی ارشد مهندسی مواد و متالورژی

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در »مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

دارند، و آن را مینیمم میکنند. د) تعیین مقادیر متغیرهای قابل قبول کنترلی که بیشترین اثر را بر روی پاسخ دارند، به گونهای که اثرات متغیرهای غیرقابل کنترل حداقل گردد. کلیجننٌ و همکاران [۲]، در سال ۲۰۰۲ ویژگی های متدلوژی سطح پاسخ را بطور خلاصه بصورت زیر بیان کردند: الف) متدلوژی سطح پاسخ یک روش ابتکاری در بهینهسازی است که پس از تخمین روابط (رگرسیونی) بین متغیرهای قابل کنترل و متغیر پاسخ، سعی در تعیین مقداری از متغیرهای کنترلی دارد؛ که بهترین مقدار پاسخ را دربر داشته باشند. ب) متدلوژی سطح پاسخ یک روش چند مرحلهایست (از گام های پیاپی تشکیل شده است). د) جهت برازش چند جمله ای درجه اول، متدلوژی سطح پاسخ از طرح های کلاسیکی استفاده می کند. همچنین برای برازش چند جمله ای های درجه دوم، طرح های مرکزی مرکبٍ (CCD) استفاده می شود. و) در مرحله پایانی با استفاده از مشتق گیری، متدلوژی سطح پاسخ به کشف نقطه بهینه در چند جملهای درجه دوم می پردازد. آقای غفارپور و همکاران [۳] در سال ۲۰۱۳ پارامترهای فرایند FSW از جمله سرعت دوران، سرعت حرکت خطی، قطر پین و قطر شولدر توسط طراحی آزمایش DOE تحت رویه باکس بنکن بهینه سازی کرد و با پارامترهای بهینه آلیاژ آلومینیوم ۰۰۰۱ و ۳۰۰۳ را جوشکاری کرد. آنها تاثیر هر یک از پارامترهای مذکور را بر روی میزان استحکام اتصال حاصل بررسی کرد و نشان داد که سرعت دوران و سرعت حرکت خطی بیشترین تاثیر را بر روی میزان استحکام اتصال را دارد. در تحقیق حاضر، پارامترهای فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بر روی ورق فولادی St14 نورد شده، توسط نرم افزار DOE تحت رویه باکس بنکن طراحی آزمایش شد و پارامترهای سرعت حرکت خطی، سرعت حرکت پیشروی، قطر پین و قطر شولدر بهینه سازی شد و نتایج طراحی آزمایش با نتایج عملی بدست آمده مقایسه شد. سپس خواص مکانیکی ناحیه جوشکاری شده مورد بررسی قرار گرفت.

.۲ روش تحقیق

در این پژوهش عملیات جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی روی ورق فولادی نورد شده St14 به ضخامت ۱/۳ میلیمتر با پارامترهای متفاوت انجام شد. ترکیب شیمیایی ورق مورد استفاده در جدول (۱) آمده است .[۴] ورق ها با استفاده دستگاه گیوتین به ابعاد ۱۰۰×۰۰×۱/۳ میلی متر برش زده شدند. نمونه ها بعد از برش لبه آنها به وسیله سوهان پلیسه گیری و تمیز شدند و در ادامه دو ورق بصورت لب به لب در داخل قیدی محکم ثابت شدند. فرایند جوشکاری در جهت طولی نمونه ها با استفاده از یک ماشین فرز سه محور در سرعت دورانی و پیشروی و قطرهای مختلف شانه و پین انجام شد. در این تحقیق ابزاری از جنس کاربید تنگستن تولید شده توسط متالورژی پودر با پین استوانه شکل استفاده شد. این ابزار دارای طول پین ۱/۳ میلی متر و قطر های شانه و پین های مختلف می باشد. همچنین شانه ابزار یک زاویه ۰ درجه به سمت داخل داشت تا مواد به واسطه چرخش پین، وارد محفظه حاصل از این زاویه شده و در هنگام عبور ابزار با نیروی زیاد به سمت پایین فورج شود. شکل (۱) هندسه ابزار کاربید تنگستن حاوی پین استوانه ای مورد استفاده در این تحقیق را نشان می دهد. ابتدا سطوح بالا و پایین پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از جمله قطر پین، قطر شانه، سرعت دورانی ابزار و سرعت پیشروی ابزار بررسی و تعیین شدند. در ادامه برای بررسی این پارامترهای قابل کنترل، توسط نرم افزار DOE3 آزمایشهایی از طریق باکس و بنکن۴ تحت رویه مونتگومری، طراحی آزمایش شدند و سپس تابع هدف بصورت مدل ریاضی تعریف شده و در نهایت این مدل توسط متدولوژی سطح پاسخ۵ بهینهسازی شد. هدف از این بهینهسازی برای دستیابی به ورق جوشخورده با بیشترین استحکام کششی میباشد.

جدول (۱) ترکیب شیمیایی [۴] St14

Pb Sn Al Co W V Cu Mo Ni S P Mn Si C Grade
0.00 0.00 0.05 0.00 0.00 0.00 0.0 0.0 0.0 0.00 0.00 0.2 0.0 0.0 EN1013
3 7 5 4 3 2 3 1 3 6 7 3 1 4 0

۱ Kleijnen 2 Central Composite Design (CCD) 3 Design of Expert 4 Box and Benken

۵ Response Surface Methodology (RSM)

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در »مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering