Predviđanje temperature tokom FSW koristeći FEA

Graz University of Technology

Univerzitet u Sarajevu

Mainski fakultet Sarajevo

Diplomski rad

Predvianje temperaturnih polja u radnom predmetu i alatu tokom FSSW koristei FEA

Tasi Petar

Ovaj diplomski rad je realizovan kao dio Network of Excellence for Joining podrane od:

Rad na ovom diplomskom radu realizovan je na

Institute for Materials Science and Welding

Zahvala

o.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont. Horstu H. Cerjaku sa Instituta za materijale i

zavarivanje i Vicerektoru za nastavu i studije pri Tehnikom univerzitetu Graz, i poasnom profesoru Dr. Omeru Paiu sa Mainskog fakulteta Sarajevo za omoguavanje ove meunarodne saradnje izmeu univerziteta.

Posebno zahvaljujem Dipl.-Ing. Dr.techn. Norbertu Enzingeru za voenje,

sugestije, korisne komentare i rasprave o rezultatima simulacija i eksperimenata. Takoe elim zahvaliti Dipl.-Ing. Thomasu Weinbergeru za svu pomo tokom

mog rada, te za sve komentare, sugestije i reference, kao i za svu brigu koju je iskazao za vrijeme mog boravka na Institutu.

elio bih izraziti zahvalnost i grupi iz Laboratorije za zavarivanje (IWS, TU Graz)

koja mi je pomogla da izvedem sve eksperimente. Svaki projekat zavisi od napora mnogo razliitih ljudi i ovaj nije izuzetak. elio

bih zahvaliti Institutu i svim njegovim lanovima za pomo i podrku tokom pripreme i rada na ovom diplomskom.

Na kraju, iako ne manje vano, elio bih zahvaliti ocu na njegovoj podrci,

pomoi i strpljenju. Bez njegovog ohrabrenja, rad na ovom diplomskom moda ne bi bio mogu.

SAETAK Strana 1

Saetak

Ovaj diplomski rad je uraen kao dio projekta K-net Network of excellence for joining JOIN, i bavi se numerikom simulacijom temperaturnih polja prilikom friction stir takastog zavarivanja dva aluminijska lima. Model sadri alat, radni komad, stezni ureaj i oslonu plou. Odgovarajui granini, poetni i okolinski uslovi su definisani. Osobine materijala su definisane kao temperaturno zavisne. Za modeliranje je koriten ininjerski pristup, to znai da su provedeni eksperimenti prije simulacija. Simulacija je provedena kao vremenski zavisna, sa vremenima zavarivanja koji odgovaraju onima iz eksperimenata.

Cilj je bio kreirati model koji e biti u stanju da predvidi temperaturna polja u radnom komadu i alatu koristei metod konanih elemenata, kao i precizno simulirati termiki ciklus za pojedine take unutar numerikog modela.

Provedena je i eksperimenatalna verifikacija rezultata simulacije, koristei termoparove za biljeenje temperature radnog komada.

Kako je ovo prevod originalnog rada, koji je na engleskom jeziku, uinjen je

svaki napor da sve bude pravilno i korektno prevedeno. Ipak, mogue je da su neke slike, grafikoni i eme i dalje na engleskom, usljed copyrighta ili druge nemogunosti, kao i da se javljaju izrazi koji ne zvue sasvim u duhu naeg jezika (tuice su ili potpuno preuzeti izrazi zbog nedostatka naih). U sluaju takvih i drugih nejasnoa u tekstu, prednost dajem verziji na engleskom jeziku, kako ona sadrava originalan materijal.

DIMENZIJE I JEDINICE Strana 2

Dimenzije i jedinice

Veliina Oznaka Jedinica

Srednji tangencijalni napon Y Nm-2

Povrina A m2 Toplotni kapacitet cp Jkg-1C-1 Sila F N

Vertikalna sila Fn N

Debljina h mm

Duina l m Masa m kg

Obrtni moment M Nm

Broj obrtaja n min-1

Toplota Q W

Toplotni protok (po liniji) q Wm-1

Toplotni protok (po povrini) q Wm-2 Toplota trenja qfi W/m

Radijus (alata) r m

Granica razvlaenja R0.2 MPa Radijalno odstojanje Ri m

Zatezna vrstoa Rm MPa Radijus vrha alata rp mm

Temperatura T C Vrijeme t s

Brzina kretanja alata v mm/min

Zapremina V m3

Obodna brzina Vp ms-1

Komponente obodne brzine Vm ms-1

Vrp ms-1

Koordinate x, y, z m

Koeficijent konvekcije Wm-2C-1 Koeficijent emisivnosti - Termika konduktivnost Wm-1C-1 Ugao nagiba zavojnice Koeficijent trenja - Gustina (gustoa) kgm-3 Ugaona brzina s-1

SADRAJ Strana 3

Sadraj

SAETAK ........................................................................................................................................................ 1

DIMENZIJE I JEDINICE .................................................................................................................................... 2

1. UVOD ........................................................................................................................................................ 5

2. O PROJEKTU DIPLOMSKOG RADA .............................................................................................................. 7

3. PREGLED LITERATURE ................................................................................................................................ 8

3.1. FRICTION STIR ZAVARIVANJE ............................................................................................................................... 8 3.1.1. Parametri FSW procesa ....................................................................................................................... 9

3.1.1.1. Geometrija alata ............................................................................................................................................ 9 3.1.1.2. Parametri zavarivanja .................................................................................................................................. 15 3.1.1.3. Izgled zavara ................................................................................................................................................ 16

3.1.2. Takasto zavarivanje trenjem sa mijeanjem (FSSW) ........................................................................ 16 3.1.3. Specifinosti zavarivanja pojedinih materijala .................................................................................. 19 3.1.4. Posebne primjene .............................................................................................................................. 20 3.1.5. Budunost .......................................................................................................................................... 22

3.2. ANALIZA KONANIM ELEMENTIMA ..................................................................................................................... 22 3.2.1. Kratka istorija FEA ............................................................................................................................. 22 3.2.2. Metod konanih elemenata ............................................................................................................... 23 3.2.3. Osnove analize konanim elementima .............................................................................................. 24 3.2.4. Vrste ininjerskih analiza ................................................................................................................... 25 3.2.5. Adaptivne tehnike stvaranja mrea ................................................................................................... 26

3.3. MODELIRANJE FSW PROCESA ........................................................................................................................... 26 3.3.1. Dovoenje toplote ............................................................................................................................. 28

3.3.1.1. Direktni pristup ............................................................................................................................................ 28 3.3.1.2. Indirektni (ininjerski) pristup ..................................................................................................................... 29

3.3.2. Odvoenje toplote ............................................................................................................................. 31

4. MODELIRANJE I SIMULACIJA U PROGRAMU MSC.MARC ........................................................................... 33

4.1. GEOMETRIJA I MREA ...................................................................................................................................... 33 4.2. GEOMETRIJSKE OSOBINE .................................................................................................................................. 38 4.3. OSOBINE MATERIJALA ..................................................................................................................................... 38 4.4. POETNI USLOVI ............................................................................................................................................. 40 4.5. GRANINI USLOVI ........................................................................................................................................... 40 4.6. ANALIZA ....................................................................................................................................................... 41 4.7. POST-PROCESIRANJE ....................................................................................................................................... 42

5. EKSPERIMENTI ......................................................................................................................................... 44

5.1. OPREMA ....................................................................................................................................................... 44 5.2. EKSPERIMENTI ............................................................................................................................................... 47

5.2.1. Prvi pokuaj ....................................................................................................................................... 48 5.2.2. Drugi pokuaj ..................................................................................................................................... 50 5.2.3. Trei pokuaj ...................................................................................................................................... 52

5.3. REZULTATI .................................................................................................................................................... 54

6. POREENJE I DISKUSIJA ........................................................................................................................... 57

6.1. TEMPERATURE I TERMIKI CIKLUSI ...................................................................................................................... 57 6.1.1. Prvi pokuaj ....................................................................................................................................... 57 6.1.2. Drugi pokuaj ..................................................................................................................................... 59 6.1.3. Trei pokuaj ...................................................................................................................................... 61

SADRAJ Strana 4

6.1.4. Zakljuak ............................................................................................................................................ 63 6.2. PARAMETRI I EFIKASNOST ................................................................................................................................. 64 6.3. RADIJACIJA .................................................................................................................................................... 66 6.4. ZAKLJUCI I PREPORUKE ................................................................................................................................... 67

7. ZAKLJUAK .............................................................................................................................................. 69

8. INDEX ...................................................................................................................................................... 70

9. LITERATURA ............................................................................................................................................ 72

10. DODATAK A: OSOBINE MATERIJALA ....................................................................................................... 76

10.1. ALUMINIJ .................................................................................................................................................... 76 10.1.1. Gustina ............................................................................................................................................ 76 10.1.2. Toplinska vodljivost ......................................................................................................................... 77 10.1.3. Toplotni kapacitet ............................................................................................................................ 77 10.1.4. Koeficijent termalne ekspanzije ....................................................................................................... 78 10.1.5. Tehnika granica razvlaenja .......................................................................................................... 78 10.1.6. Modul elastinosti ........................................................................................................................... 79

10.2. ELIK 1.4828 ............................................................................................................................................. 79 10.2.1. Toplinska vodljivost ......................................................................................................................... 80 10.2.2. Koeficijent termalne ekspanzije ....................................................................................................... 80 10.2.3. Modul elastinosti ........................................................................................................................... 81

10.3. ELIK 1.0305 ............................................................................................................................................. 81 10.3.1. Toplinska vodljivost ......................................................................................................................... 82 10.3.2. Toplotni kapacitet ............................................................................................................................ 82 10.3.3. Koeficijent termalne ekspanzije ....................................................................................................... 83 10.3.4. Modul elastinosti ........................................................................................................................... 83

11. DODATAK B: DIGITAL DATA ................................................................................................................... 84

UVOD Strana 5

1. Uvod

Nemogunost pravljenja visoko-vrstih zavara otpornih na zamor i lom dijelova od aluminijskih legura namjenjenih zranoj industriji (kao to su visoko legirane 2XXX i 7XXX serije), dugo vremena je ograniavala upotrebu zavarivanja za spajanje konstrukcija namjenjenih vazduhoplovnoj i svemirskoj industriji. Ove aluminijske legure su generalno klasifikovane kao nezavarive zbog loe strukture koja se javlja pri ovravanju i poroznosti u zoni uticaja toplote. Dodatno, javlja se i znaajan pad u mehanikim osobinama u odnosu na osnovni materijal. Ovi faktori su uinili spajanje ovih legura konvencionalnim postupcima zavarivanja neprivlanim. Neke aluminijske legure mogu biti elektrootporno zavarene, ali priprema povrine je skupa jer oksidi na povrini predstavljaju veliki problem.

Friction stir zavarivanje (zavarivanje trenjem sa mjeanjem, eng. skr. FSW) je izumljeno 1991. na The Welding Institute (Cambridge, Velika Britanija). To je proces zavarivanja u vrstom stanju (bez topljenja osnovnih materijala), i u poetku je koriten za zavarivanje aluminijskih legura. Koncept FSW procesa je nevjerovatno jednostavan. Rotirajui alat (koji nije potroni materijal), sa specijano dizajniranim vrhom i ramenom se ubacuje izmeu podudarnih rubova tabli ili limova koje treba da budu spojene, i kree se du linije spoja [3] (Slika 1.1).

Rotacija alata

Smjer

zavarivanja

Pritisna sila

zx

y

SpojNailazna

strana

Silazna

strana

Vrh

Rame

Friction Stir

zavareno podruje

Slika 1.1: ematski prikaz friction stir zavarivanja (prema [3])

Alat slui za dvije osnovne funkcije: (a) zagrijavanje osnovnog materijala, i (b) pokretanje materijala u svrhu stvaranja spoja. Toplota se stvara trenjem izmeu alata i komada i plastinom deformacijom osnovnog materijala.

FSW se smatra najznaajnijim napretkom u tehnici spajanja metala u posljednjoj deceniji dvadesetog vijeka, a takoe i zelenom tehnologijom zbog energetske efikasnosti i jer nije tetna po okolinu. Primjenjiva je za razliite stvari. U poreenju sa konvencionalnim metodama zavarivanja, FSW troi znaajno manje energije. Ne koriste se dodatni ili zatitni gasovi, i zbog toga je proces prihvatljiv po okolinu. Proces ne ukljuuje dodatni materijal i zato aluminijske legure mogu biti zavarivane bez problema sa kompatibilnosti spoja, to je izraen problem pri

UVOD Strana 6

zavarivanju topljenjem. Takoe, mogu biti zavarivane i razliite aluminijske legure kada je to potrebno. Za razliku od tradicionalnog zavarivanja trenjem (koje se obino koristi za zavarivanje malih rotacionih komada koji mogu biti pritisnuti jedan spram drugoga da bi se spoj formirao), FSW se moe koristiti za razliite tipove zavarenih spojeva (sueoni, preklopni, T spojevi). Kljune prednosti FSW procesa su sumarno prikazane u tabeli 1.1 [3].

Tabela 1.1: Kljune prednosti FSW procesa

Metalurke prednosti Okolinske prednosti Energetske prednosti

Zavarivanje bez topljenja Male deformacije komada Dimenzionalna stabilnost

procesa, ponovljivost Bez gubitka legirajuih

elemeneta Odline metalurke osobine u

zoni spoja Sitnozrnata struktura Odsustvo pukotina Mijenja dijelove spojene vijcima

Nema zatitnog gasa Nema ienja povrine Nema otpadaka Nema rastvaraa potrebnih za

odmaivanje Nema dodatnih potronih

materijala (ica, elektroda)

Napredna upotreba materijala

(npr. zavarivanje limova razliitih debljina smanjuje masu)

Samo 2,5% energije potrebne za zavarivanje laserom

Smanjena koliina goriva potrebna za pokretanje automobila, malih aviona i brodova

Ipak, FSW ima i nedostataka. Trebaju biti primjenjene velike sile pri stezanju

komada radi toga to se velike sile primjenjuju i tokom zavarivanja. Ovo zahtjeva veoma kruta i jako dimenzionisana tijela maina i, uglavnom, velike konstrukcije. Namjenski graene FSW maine (za specijalne svrhe) su jako skupe.

Otkako je FSW izumljen, provedeno je mnogo simulacija koje su se fokusirale na predvianje temperaturnih polja, toka materijala i strukture. U literaturi su predstavljeni mnogi modeli prenosa toplote, dok su se neke od studija bavile detaljnim predvianjem toka materijala, zaostalih napona i deformacija. Neke od njih koriste metod konanih elemenata [1,7,10], druge koriste metod konanih razlika [4,5,8,13]. Dobra uporedna studija numerikog modeliranja FSW je prikazana u radu McCuna [12], dok je studija trenutnog stanja razvoja FSW prikazana u radu Mishre [3].

PROJEKT Strana 7

2. O projektu diplomskog rada

Cilj ovoga diplomskog rada je kreirati numeriki model za simuliranje temperaturnih polja pri takastom FSW dvije aluminijske ploe (preklopni spoj) koristei komercijalnu FEA aplikaciju Marc (proizvoa MSC.Software), koja je bazirana na nelinearnom FEM.

Diplomski rad je podjeljen u tri dijela:

1. Modeliranje/Simulacija U ovom dijelu, potrebno je definisati model procesa. Bitno je definisati osobine

materijala kao temperaturno zavisne (za sve elemente modela). Moraju biti definisani pravilni i odgovarajui granini uslovi. Ovo ukljuuje generisanje toplote na ramenu i vrhu alata, odvoenje toplote konvekcijom i radijacijom, kao i poetne i uslove okoline.

Simulacija treba da bude nestacionarna, i to da vrijeme simulacije bude podudarno sa vremenom stvarnog zavarivanja u eksperimentu. Jedan od ciljeva je i utvrditi uticaj radijacije (kao graninog uslova) u simulaciji na temperaturna polja.

Takoe, model treba da ukljuuje i definisanu latentnu toplotu topljenja, kao i mogunost koritenja razliitih geometrija alata.

2. Ekperiment

Zbog koritenja ininjerskog pristupa modeliranju ovoga problema, eksperimenti

treba da budu provedeni da bi se obezbjedile potrebne informacije o samom procesu. Zavarivanje treba da bude izvedeno u dovoljnom broju taaka, tako da model moe biti verifikovan za razliite sluajeve zavarivanja.

3. Poreenje i zakljuci

Rezultati simulacije trebaju biti uporeeni sa rezultatima eksperimenta radi

verifikacije numerikog modela. Iz verifikacije se trebaju donijeti zakljuci o uticaju vremena zavarivanja na efikasnost procesa. Glavni cilj je obezbjediti dokaz da je numeriki model u stanju precizno predvidjeti temperaturna polja i termiki ciklus u cjelini, i ovo treba biti bazirano na rezultatima mjerenja u pojedinim takama tokom zavarivanja.

PREGLED LITERATURE Strana 8

3. Pregled literature

U ovom pregledu literature date su osnovne informacije o FSW procesu i njegovim trenutnim dostignuima i primjenama, te o analizi konanim elementima.

Prvi dio se bazira na FSW procesu. Navedene su i objanjene osnovne karakteristike procesa, gemetrija alata i izgled zavarenog spoja. Ovo poglavlje se takoe bavi i objanjenjem dovoenja i odvoenja toplote tokom procesa, jer su oni sastavni dio numerikog modeliranja. Kao dodatak, objenjen je i Friction Stir Spot Welding proces (FSSW), kao varijacija FSW. Navedeni su i posebni problemi vezani za pojedine materijale i konstrukcije, kao i trenutna primjena ova dva procesa u industriji.

Kao zakljuak je data mogunost primjene ovih procesa u budunosti. Ovaj dio rada je uglavnom baziran na radu Mishre [3], kao cjelovitog pregleda moguih primjena FSW u odnosu na sadanje, i Khose [53].

Drugi dio se bazira na analizu konanim elementima. Ovo je iroko koriten metod za predvianje temperaturnih polja u ininjerstvu. Data je kratka istorija metode, nakon ega je dato nekoliko rijei o samoj metodi. Navedene su i vrste analiza koje je mogue provesti koristei FEA, kao i osnove adaptivnih mrea koje su jako bitne za numerki model i simulacije prezentovane u ovom radu.

3.1. Friction Stir zavarivanje

Friction stir zavarivanje (FSW) je proces spajanja u vrstom stanju, izumljen 1991. godine na TWI, Cambridge, UK [37]. Istraivanja FSW procesa tokom zadnje decenije su se uglavnom fokusirala na osobine zavarenih spojeva izmeu dva dijela zavarena FSW procesom. Rad na modeliranju i eksperimentalnoj verifikaciji je proveden radi karakterizacije razliitih zona unutar podruja spajanja, odnosno onoga to je kod konvencionalnog zavarivanja poznato kao zona uticaja toplote (ZUT, eng. HAZ heat affected zone).

Specifinost FSW procesa je prisustvo korijena i termomehanike zone uticaja (eng. TMAZ thermomechanically-affected zone), to ini opisivanje zavarenog spoja sloenijim. Mehanike osobine FSW spoja (npr. jaina i ilavost) su povezani sa osobinama razliitih zona u zavarenom spoju.

Slika 3.1: ematski prikaz FSW procesa i definicije orjentacija [9]

FSW proces se satoji od nekoliko faza svaka faza pri tome moe biti opisana kao period tokom kojeg se alat i radni komad kreu relativno jedno u odnosu na drugo [9]. Tokom prve faze, alat prodire vertikalno na mjestu linije spoja izmeu dijelova (radnih komada) koje treba zavariti, rotirajui pri tome. Ova faza traje tokom perioda prodiranja. Period prodiranja je popraen fazom zadravanja, pri emu alat


miruje relativno u odnosu na radni komad, ali i dalje rotira. Mehanika interakcija usljed razlike u brzinama izmeu rotirajueg alata i mirujueg komada proizvodi toplotu trenjem i deformacijama. Ova toplota prelazi u okolni materijal, i temperatura raste dok materijal omekava. Nakon ove dvije faze, stvarni proces zavarivanja moe zapoeti, pokretanjem bilo alata bilo komada relativno jedno u odnosu na drugo du linije spoja. Brzina kretanja se kree u rasponu 110 mms1, zavisno od parametara zavarivanja (npr. brzine rotacije, sile i dubine prodiranja, ugla nagiba, ali i dizajnom i osobinama radnog komada). Kada se na ovaj nain pree itava duina zavaranog spoja, alat se izvlai iz radnog komada, ostavljajui u njemu izlaznu rupu kao otisak alata. ematski prikaz FSW procesa je dat na slici 3.1.

Slika 3.2 pojednostavljeno prikazuje izgled alata. U optem sluaju, potrebne su dvije povrine da bi se izveli procesi zagrijavanja i zavarivanja tokom FSW. Povrina ramena je podruje gdje se stvara veina toplote, dok je povrina vrha ona koja spaja dva radna komada i pri tome stvara samo mali dio ukupne toplote. S druge strane, rame ograniava materijal ispod nje, te je sprijeeno nastajanje upljina i poroznosti nakon prolaska alata.

Konini oblik ramena pomae postizanju pritiska pod njim, ali slui i za zadravanje materijala istisnutog alatom tokom faze prodiranja (slika 3.2). Dizajn novijih alata moe biti specifine geometrije (npr. vie lica, navoji i ljebovi) [17-20], za koje se vjeruje da imaju prednosti i da pomau procesu zavarivanja. Ipak, dokazano je da ak i jednostavni cilindrini vrh radi zadovoljavajue.

Visina vrha je ograniena debljinom radnog komada; vrh ne smije probiti radni komad ili je neizbjeno oteenje maine.

Slika 3.2: Boni pogled na FSW alat sa koninim ramenom i zavojnim vrhom. Prostor ispod ramena slui za zadravanje istisnutog materijala. [9]

3.1.1. Parametri FSW procesa

FSW ukljuuje sloena kretanja materijala i plastine deformacije. Na tok materijala i temperature znaajan uticaj imaju paramteri zavarivanja, geometrija alata i izgled zavarenog spoja. Samim time utiu i na razvoj mikrostruktura u materijalu. U ovom dijelu se govori o nekoliko glavnih uticajnih faktora na FSW proces, kao to su geometrija alata, paramteri zavarivanja i izgled zavarenih spojeva.

3.1.1.1. Geometrija alata

Geometrija alata vai kao najuticajniji faktor definisanja procesa. Geometrija (izmeu svih ostalih parametara) igra kljunu ulogu u toku materijala, dok sa druge strane ograniava brzinu kretanja alata koja moe biti koritena pri kretanju du linije zavarenog spoja. FSW alat se sastoji od ramena i vrha, kao to je ematski prikazano u slici 3.3.


Slika 3.3: ematski prikaz FSW alata [3]

Kako je spomenuto ranije, alat ima dvije glavne uloge: a) lokalno zagrijavanje, b) izazvati strujanje i mijeanje materijala.

Tokom poetne faze ulaska alata u materijal, zagrijavanje potie prvenstveno od trenja izmeu vrha alata i radnog komada, i neto dodatne toplote razvijene usljed plastine deformacije materijala. Alat prodire sve dok rame ne dotakne radni komad. Trenje izmeu ramena i komada rezultuje u stvaranju najveeg dijela toplote [1,8,10]. Sa aspekta zagrijavanja, relativne veliine vrha i ramena su bitne, dok druge odlike dizajna alata i nisu toliko bitne. Rame alata takoe ograniava dodatnu zapreminu materijala nastalu usljed zagrijavanja. Druga uloga alata je da mijea i pomie materijal. Uniformnost mikrostrukture i osobine materijala, kao i optereenja tokom procesa su zavisni od dizajna alata.

Geometrija alata se znaajno razvila sa stjecanjem iskustva i nekim pomacima u razumijevanju toka materijala [3]. Kompleksne karakteristike su dodavane da bi se poboljao tok materijala i mijeanje, a smanjilo mehaniko optereenje. Na primjer, Whorl i MX Triflute razvijene od strane TWI [3], prikazane u slici 3.4.

Slika 3.4: Whorl i MX Triflute alati razvijeni na The Welding Institute (TWI), VB [3]

Vjeruje se da znaajke dizajna Whorl i MX Triflute alata: a) poveavaju povrinu kontakta izmeu alata i omekanog materijala,

poveavajui time stvaranje toplote, b) omoguavaju laki tok omekanog materijala, c) smanjuju sile potrebne pri zavarivanju, d) zavojnicom omoguavaju samopovlaei efekt.

Demonstrirano je da aluminijske ploe debljine i do 50 mm mogu biti uspjeno zavarene FSW procesom u samo jednom prolazu, koristei ove alate. Ploa 6082Al-T6 debljine 75 mm je uspjeno zavarena u dva prolaza sa Whorl alatom, pri emu je svaki prolaz imao penetraciju od oko 38 mm.


Pri zavarivanju preklopnih spojeva, konvencionalni cilindrini alati sa zavojnicom rezultuju u intenzivnom stanjenju gornjeg lima, to za posljedicu ima smanjenje osobine otpornosti na savijanje. U sluaju primjene preklopnih spojeva tamo gdje je zamor materijala od najvee vanosti, znaajane su takoe i irina zavara i ugao izmeu ruba zavara i zareza u materijalu.

Nedavno su razvijene i dvije nove geometrije, namjenjene poboljanju kvalitete preklopnih spojeva. Flared-Triflute [3] sa ljebovima ije osnove su isturene napolje (slika 3.5) i A-skew [17] sa osom vrha koja je blago nagnuta u odnosu na osu rotacije alata (slika 3.6). Odlike dizajna Flared-Triflute i A-skew poveavaju odnos izmeu zapremine zahvaene alatom i statike zapremine samog vrha alata. Pri tome se dobija i ira zona zavarivanja zbog isturenih ljebova (koristei Flared-Triflute) i dejstva zakoenja (koristei A-skew), omoguavajui znatno bolju fragmentaciju oksida i njihovo uklanjanje, kao i orbitalnog pritisnog dejstva pri korijenu zavara zbog dejstva zakoenja, to sve skupa daje znaajno poboljanje kvaliteta zavarenog spoja u datom regionu.

Slika 3.5: Flared Triflute alati razvijeni na The Welding Institute (TWI), VB: (a) neutralni ljebovi, (b) lijevi ljebovi, and (c) desni ljebovi [3]

U poreenju sa alatom sa konvencionalnim navojnim vrhom, koritenje Flared-Triflute i A-skew alata daje:

a) preko 100% poveanje brzine zavarivanja, b) preko 20% smanjenje aksijalne sile, c) znaajno proirenu zonu zavarivanja, d) smanjenje stanjenja gornje ploe za vie od etiri puta.


Slika 3.6: A-Skew alat razvijen na The Welding Institute (TWI), VB: (a) pogled sa strane, (b) pogled sprijeda, i (c) zona pokrivanja postignuta dejstvom zakoenja [17]

Nadalje, na TWI su izvedene i mnoge varijacije profila ramena, kako bi se prilagodile razliitim materijalima i uslovima (slika 3.7). Ovi profili ramena poboljavaju povezivanje izmeu ramena alata i radnog komada tako to zarobljavaju omekani materijal.

Slika 3.7: Razliite geometrije ramena alata, pogled ispod [3]

Mnogi drugi alati i procedure su razvijene na TWI, ukljuujui i sloeno FSW kretanje, Com-Stir [18], alat za kretanje unazad tokom FSW procesa, Rev-stir [19], simultanu upotrebu dva ili vie alata pri FSW zvanu Twin-stir [20] i alat za dvojnu rotaciju [21].

Neki od alata su razvijeni na Institutu za materijale i zavarivanje iz (IWS, Graz, Austrija), u saradnji sa MTS (SAD), i prikazani su na slikama 3.8 i 3.9.


Slika 3.8: Alat sa kvadratnim vrhom od volfram-renija za zavarivanje aluminija sa elikom (desno: detalj vrha)

Slika 3.9: Alat za zavarivanje aluminija

Na slici 3.8 prikazan je alat za preklopno zavarivanje aluminija i elika. Ima vrh kvadratnog profila umjesto krunog sa ciljem boljeg mijeanja materijala.

Alat prikazan na slici 3.9 namjenjen je zavarivanju aluminija i to tamo gdje je zavareni spoj kombinacija sueonog i preklopnog.

Alat prikazan na slici 3.10 ima istu ulogu, ali je razvijen od strane Rifteca i rezultati ostvareni sa njim su uporeeni sa prethodno pomenutim (sa slike 3.9).


Slika 3.10: Alat za ekstrudirane aluminijske profile, razvijen od strane Rifteca

Alat prikazan na slici 3.11 je Bobbin alat, standardni MTS-ov alat, koji je bio isporuen sa mainom. Koristi se za zavarivanje vie povrina istovremeno. Prikazani na slici ima dva ramena. Obino se koristi za zavarivanje profila, odnosno tamo gdje nema ploe za oslanjanje ispod zavara (zatitne ili oslone ploe).

Slika 3.11: Bobbin alat za FSW profila bez oslone ploe

Alat prikazan na slici 3.12 je u potpunosti napravljen od volfram-renija (W-Re), i namjenjen je preklopnom zavarivanju elinih ploa. Sa ovim alatom je mogue zavarivati visokovrste elike, jer renij ima izuzetno visoku taku topljenja (3186C). Meutim, ovaj alat je i izuzetno krt, kao i vrlo podloan oksidaciji te se zavarivanje vri u inertnoj atmosferi. Takoe se isporuuje kao MTS standardni alat.

Shvatajui znaaj uticaja geometrije alata na tok materijala pri zavarivanju, moe se rei da se zavisnost izmeu toka materijala i dobijene mikrostrukture mijenja sa svakim alatom. Kljuno je razviti sistematian pristup dizajnu alata. Da bi se vizualizirali tokovi materijala i izraunale sile mogu se koristiti kompjuterizovani alati, ukljuujui i analizu konanim elementima.

Neke kompanije su indicirale vlastita istraivanja i razvoj na konferencijama o FSW procesu, meutim o tome nema nikakvih dostupnih podataka.

Vano je shvatiti da je uspostavljanje odnosa o razvoju mikrostrukture i uticaja parametara procesa teko bez informacija o alatu.


Slika 3.12: Alat za zavarivanje elika, napravljen od volfram-renija, razvijen od strane MTS

3.1.1.2. Parametri zavarivanja

Dva su najznaajnija parametra FSW procesa: brzina obrtanja alata (n [min-1]) u smjeru kazaljki na satu ili obratno i brzina kretanja alata (v, [mm/min]) du linije spoja [3]. Obrtanje alata rezultuje mijeanjem materijala oko rotirajueg vrha, dok kretanje alata pomjera promijeani materijal sa prednje ka zadnjoj strani vrha i dovrava proces zavarivanja. Vee brzine obrtanja daju vie temperature zbog veeg zagrijavanja usljed trenja i daju intezivnije mijeanje materijala. Ipak, ne moe se rei da koliina toplote stvorene trenjem monotono raste sa rastom broja obrtaja, jer koeficijent trenja na mjestu dodira opada kako se poveava brzina rotacije.

Pored brzine obrtanja i brzine kretanja alata, znaajan parametar je i ugao obrtanja ili nagib alata u odnosu na povrinu radnog komada. Odgovarajui nagib alata u smjeru kretanja osigurava da rame alata zadrava materijal promijean zavojnim vrhom i efikasno ga pomjera sa prednje na zadnju stranu vrha.

Bitan parametar je i dubina ulaska vrha alata u materijal radnog komada (dubina penetracije, dubina prodiranja), a nekada se zove i ciljna dubina. Izuzetno je bitan za postizanje dobrog izgleda zavara. Dubina ulaska vrha je povezana sa visinom vrha. Kada je dubina ulaska suvie mala, nije mogue ostvariti kontakt ramena alata sa kontaktnom povrinom, te rotirajue rame ne uspijeva efikasno pomjerati promijeani materijal sa prednje na zadnju stranu vrha, to daje zavarene spojeve sa udubljenjima ili ispupenjima.

Sa druge strane, ukoliko je dubina ulaska prevelika, rame alata prodire u materijal komada, stvarajui pri tome liniju istisnutog materijala. Tada se dobija zavareni spoj izrazito konkavnog izgleda, to za posljedicu ima stanjenje materijala koji se zavaruje.

Predgrijavanje ili hlaenje moe imati znaajnu ulogu pri nekim specifinim FSW procesima [14]. Za materijale sa visokom takom topljenja, kao to su elik i titanij, ili sa visokom toplinskom vodljivou, kao to je bakar, mogue je da toplota proizvedena trenjem i mijeanjem nee biti dovoljna da omeka materijal oko alata. Tada je teko proizvesti kontinualan zavar bez greaka. U takvim sluajevima je mogue koristiti predgrijavanje ili vanjske izvore zagrijavanja da bi pomoglo strujanje materijala i olakali uslovi zavarivanja (ili uopte omoguilo zavarivanje).

Kod materijala sa niskom takom topljenja, kao to su aluminij i magnezij, dodatno hlaenje moe biti jako korisno da bi se smanjio intenzivan rast rekristaliziranih zrna i rastvaranje ovravajuih precipitata u zoni zavara i oko nje.


3.1.1.3. Izgled zavara

Najee konfiguracije FSW zavarenog spoja su sueoni i preklopni spoj. Jednostavni sueoni spoj je prikazan na slici 3.13a. Dva elina lima iste debljine su postavljeni na zatitnu plou i paljivo uvreni da bi se sprijeilo rastavljanje podudarnih povrina spoja.

Tokom faze prodiranja alata u materijal, razvijaju se posebno velike sile i potrebna je posebna briga da bi se sprijeilo da se ploe u ovakvoj konfiguraciji ne razdvoje. Rotirajui alat prodire na mjestu linije spoja i kree du iste, pri emu je rame alata u kontaktu sa povrinom ploa, stvarajui zavar du linije podudaranja.

U sluaju jednostavnog preklopnog spoja, dvije ploe koje se preklapaju su privrene na zatitnu plou. Rotirajui alat prodire normalno kroz gornju u donju plou, i nakon toga se pomjera u eljenom pravcu (slika 3.13d) [3]. Mnoge druge konfiguracije se mogu napraviti kombinujui sueone i preklopne spojeve[14].

Ukoliko je potrebno, mogue je pored konfiguracija baziranih na ova dva osnovna tipa spojeva izvesti i druge tipove, kao to je ugaoni spoj (slika 3.13g).

Slika 3.13: Konfiguracije moguih FSW spojeva: (a) prosti sueoni spoj, (b) ugaoni sueoni, (c) T-sueoni, (d) preklopni, (e) viestruki preklopni, (f) T-preklopni, i (g) ugaoni [3]

Bitno je naglasiti da nije potrebna nikakva posebna priprema za FSW sueone ili preklopne spojeve. Dvije iste metalne ploe mogu biti jednostavno spojene zajedno u obliku sueonih ili preklopnih spojeva bez velike brige o stanju povrina ploa.

3.1.2. Takasto zavarivanje trenjem sa mijeanjem (FSSW)

Takasto zavarivanje trenjem sa mijeanjem (FSSW) je nov proces koji je u zadnje vrijeme naiao na znaajnu panju automobilske i drugih industrija [11].

To je jo nova i neispitana varijanta linearnog FSW, i kreira preklopni zavareni spoj bez topljenja. Izgled nastalog zavarenog spoja je slian onom koji nastaje kod takastog elektro-otpornog zavarivanja, koje se obino koristi pri sastavljanju karoserija automobila.

Osnovni princip je dat na slici 3.14. Dok alat rotira i stvara toplotu usljed trenja, primjenjuje se aksijalna sila, i nastaje zavareni spoj.


Slika 3.14: Osnovni princip FSSW [11]

Karakteristike ovog procesa, kao to je spajanje u vrstom stanju, ine ga jako interesantnim u procesu montae automobila i slinim procesima. Danas, elektro-otporno takasto zavarivanje je vodei proces koji se koristi pri montai strukturalnih elemenata automobila, i njegova primjena moe biti izuzetno problematina za mnoge nove materijale (lagane, a pri tome visokih performansi). Takvi materijali su, izmeu ostalih, legure aluminija i napredni visokovrsti elici (AHSS).

Zasada je veina istraivanja i razvoja bila fokusirana na legure aluminija. Kako su one lagane za plastinu obradu na relativno niskim tempretaurama, relativno su i lagane za zavarivanje FSW procesom. Zapravo, primjena FSSW procesa za legure aluminija se do sada pokazala prilino uspjenom.

Mazda je objavila prvu primjenu FSSW procesa 2003. godine za svoj model automobila masovne proizvodnje, RX-8. Zadnja vrata izraena od aluminija su u potpunosti sastavljena koristei FSSW proces [38].

I druge kompanije su takoe objavile uvoenje FSSW procesa za zavarivanje aluminijskih dijelova automobila.

U dostupnoj literaturi su objavljene dvije razliite varijante FSSW procesa [57, 58, 59]. Prvi pristup, koji koristi Mazda, koristi alat sa nepromjenjivom geometrijom vrha [58, 59]. Istaknuti vrh ostavlja karakteristian izlazni otvor u sredini spoja. Drugi pristup [11] koristi mala relativna kretanja vrha i ramena u svrhu popunjavanja otvora nastalog nakon izlaska alata. Prema raspoloivim informacijama, drugi pristup bi dao mnogo due vrijeme zavarivanja, usljed potrebe da se ostvare sloena kretanja alata pri popunjavanju izlaznog otvora.

Informacije radi, pristup sa nepromjenjivom geometrijom je jako brz, i ukoliko se radi o aluminijskim legurama zavar moe biti napravljen za manje od jedne sekunde [58]. Takoe, maina za zavarivanje i kontrolni sistem za alat nepromjenjive geometrije je jednostavan i pri tome lagan za integrisanje u proizvodne linije masovne proizvodnje.

Mazda je objavila da su postignute utede, i to 90% u energiji potrebnoj za zavarivanje i 40% u opremi, kada se izvri poreenje sa konvencionalnim elektro-otpornim takastim zavarivanjem aluminijskih legura.

Razlog za tako veliki interes automobilske i drugih industrija za primjenu FSSW procesa lei u mnogim prednostima koje taj proces ima u odnosu na takasto elektro-otporno zavarivanje (koje se sada koristi). Neke od njih su [52]:

otpornost na zamor je i do pet puta vea, i veoma postojana, jai i postojaniji zavareni spojevi, smanjene potrebe za odravanjem, pogodna je za okoli (ne proizvodi isparenja i dim), zavarene spojeve je mogue postaviti vrlo blizu jedan drugom, mogue zavarivati kroz zaprljanja, nema metalurke degradacije, savreno uklopljena boja zavara.


FFSW proces se sastoji od skoro sasvim istih faza kao i linearni FSW proces (slika 3.15).

Nakon to alat postigne odgovarajui broj obrtaja, on ulazi u komad. Nakon ovoga slijedi obrtanje alata u komadu, ali sve vrijeme na istom mjestu. Ovaj period se naziva vrijeme zadravanja, i moe biti od pola sekunde do pet sekundi. Pri FSSW alat nakon ovoga se povlai iz materijala komada, dok bi kod FSW ovdje zapoelo kretanje du linije zavarenog spoja.

Slika 3.15: Faze FSSW procesa

Svi ovi razlozi su uinili FSSW veoma zanimljivim procesom za primjenu u avio industriji, gdje je on zamjena za zakovice. Takoe i u automobilskoj industriji, gdje se primjenjuje za zavarivanje aluminijskih limova i profila.

Slika 3.16: Presjek jednog FSSW zavara; crtkana linija predstavlja granicu zone mijeanja [82]

Uspjeh koritenja FSSW procesa pri zavarivanju aluminijskih komponenti je vodio ka nevjerovatnom interesu za primjenu iste tehnologije za zavarivanje visokovrstih elika. Meutim, provedena istraivanja i razvoj FSW su pokazala da je zavarivanje elika mnogo tee nego aluminijskih legura [11].

Tehniki problemi poinju od veoma fundamentalnih aspekata samog FSW procesa u poreenju sa aluminijskim legurama, FSW zavarivanje visokovrstih elika se vri na mnogo viim temperaturama i trai mnogo vea mehanika optereenja za prodiranje i mijeanje. To znai da e se na iste probleme vjerovatno naii i pri FSSW procesu. Istraivanje primjene FSSW u procesu montae automobila ine jo izazovnijim faktori kao to su masovna proizvodnja, potreba za velikom brzinom, a da sve pri tome bude i jeftino.

vrh rame alata

www.frictionstirlink.com


3.1.3. Specifinosti zavarivanja pojedinih materijala

Znaajan razvoj FWS procesa za legure aluminija i njegova uspjena komercijalna implementacija je motivisala njegovu primjenu za druge neeljezne metale (magnezij, bakar, titanij i njihove legure), elik, pa ak i termoplastike. Ipak, mogua prepreka komercijalnom uspjehu primjene FSW procesa na materijale sa visokom takom topljenja (kao to je titanij i elici) je pronalaenje i/ili razvoj odgovarajuih materijala za alate, kao i ostvarenje prednosti nad trenutno koritenim metodama zavarivanja. Za razliku od visokovrstih legura aluminija, koje su nezavarive veinom tehnika koje ukljuuju topljenje, legure titanija i elici mogu biti zavareni razliitim tehnikama sa topljenjem i pri tome moe biti postignuta visoka efikasnost. Zato nije samo bitno pokazati da je mogua zavarivost FSW procesom, nego i naglasiti njegove prednosti nad ostalim tehnikama. Nadalje, FSW zavarivanje legura/metala koji nisu slini je privukla veliki interes za istraivanje zbog svoje ininjerske vanosti i problema povezanih sa konvencionalnim zavarivanjima. Sljedei saeci su bazirani na [3].

Bakar. Zavarivanje bakra je obino teko izvedivo konvencionalnim procesima zbog njegove odline toplotne provodljivosti, koja je deset do stotinu puta vea od one kod elika i legura nikla. Zbog toga je toplota potrebna za zavarivanje mnogo vea, to rezultuje jako malim brzinama zavarivanja. Nedavno je napravljeno nekoliko pokuaja da se spoje ploe istog bakra i 60/40 bronze putem FSW procesa. Uspjeno su zavarene ploe bakra debljine 0,5 do 5 mm.

Nekoliko vanih zakljuaka je doneseno kroz ove pokuaje. Pokazalo se da materijal alata i njegova geometrija imaju znaajan efekt na izvodivost procesa FSW zavarivanja debelih ploa bakra. Andersson i njegovi saradnici su pokazali da vrh alata sa paralelnim profilom, napravljen od toplootpornog elika, moe zavariti 3 mm debelu plou, ali je bio nepogodan za plou od 10 mm zbog popunjavanja profila alata omekanim bakrom i slabljenja materijala alata iznad 540C. Sinterovana legura na bazi titanija sa poboljanom geometrijom je bila mnogo efektivnija za primjenu FSW procesa na ploama debljine 1025 mm. Oni su takoe probali i alat sa novim dizajnom vrha, kao i drugim toplootpornim materijalima. Alat se pokazao dovoljno jakim za zavarivanje bakrenih ploa debljine iznad 30 mm.

Titanijske legure. Iako se mnoge legure titanija lako zavaruju konvencionalnim procesima (sa topljenjem) kao to je TIG, mogue je da im je potrebna dodatna termika obrada, odnosno dodatni korak u proizvodnji, to podie njene trokove. Kako je FSW proces zavarivanja u vrstom stanju, oekuje se da e njegova primjena odstraniti potrebu za dodatnom termikom obradom. Naalost, informacije o FSW zavarivanju titanijskih legura su zasada veoma ograniene.

elici. Iako je veina napora usmjerena na FSW zavarivanje aluminijskih legura, postoji znaaj interes i za elike. Oekuje se da e nie pogonske energije koje su obino povezane sa FSW procesom (u odnosu na konvencionalne procese sa topljenjem) dati manje metalurkih promjena u ZUT-u, te time smanjiti distorziju i zaostale napone u elicima. Ovo je izuzetno znaajno kod komponenti velike debljine, kakve se javljaju u brodogradnji i proizvodnji tekih maina. Takoe, izbjegao bi se i problem hladnih pukotina zbog injenice da je ovo proces zavarivanja u vrstom stanju. Dodatno, pri FSW procesu ne nastaju nikakva isparenja, posebno ona koja sadre esterovalentni hrom. Ove prednosti e vjerovatno uiniti FSW proces pogodnim za zavarivanje elika u mnogim oblastima.

Rana istraivanja primjene FSW procesa na elicima su bila obeavajua za njegovu primjenu u zavarivanju razliitih tipova elika. Kao dodatak stalnim naporima da se optimiziraju FSW parametri i shvati nastanak i razvoj mikrostruktura tokom


FSW, kljuna stvar je odabir odgovarajueg materijala alata. Zahtjev koji se postavlja pri FSW procesu je odravanje odgovarajueg odnosa izmeu tvrdoe i osobina na povienim temperaturama materijala alata i komada. Kako elici imaju znaajno veu tvrdou i bolje osobine na visokim temperaturama, vano je odabrati materijal za alat koji ima dobru otpornost na habanje i ilavost na temperaturama od 1000C, pa ak viim.

Magnezij. Kako magnezij inae ima slabu obradivost deformacijom, njegove ploe se komercijalno prave livenjem ili livenjem pod pritiskom, izuzev nekih legura za kovanje kao to je AZ31. Obino je teko zavariti livene magnezijske legure zbog nastanka visoke poroznosti u zavaru. Relativno velik koeficijent termalnog irenja magnezijskih legura moe uzrokovati velike deformacije/distorzije zavara. Zbog ovoga bi tehnika zavarivanja u vrstom stanju bila optimalan izbor za spajanje livenih ploa magnezijskih legura.

Kompoziti sa metalnim matriksom. Kompoziti sa metalnim matriksom imaju poveanu krutost, jainu i otpornost na habanje u odnosu na na one sa monolitnim. Ipak, zavarivost ovakvih kompozita je znaajno smanjena usljed dodavanja keramikih ojaanja. Iako TIG postupak niske pogonske energije sa koncentracijom toplote na neojaani dodatni materijal moe dati dobre zavare, ovaj postupak uvelike zavisi od onoga ko ga izvodi, i nemogue je u potpunosti izbjei reakciju izmeu matriksa i ojaanja. Problemi povezani sa zavarivanjem topljenjem ukljuuju:

a) nepotpuno mijeanje osnovnog i dodatnog materijala, b) prisustvo pora veliine i do 100 m unutar zone zavarivanja, c) intenzivna eutektika reakcija, d) nastanak neeljenih otrovnih faza kao to je Al4C3.

Radi nabrojanog, vrlo je poeljna primjena procesa zavarivanja u vrstom stanju za spajanje kompozita sa metalnim matriksom. Inercijanlno i frikciono zavarivanje se primjenjuje ve deset godina na kompozite sa aluminijskim matriksom ojaane esticama. Ova tehnika se bazira na relativnom kretanju izmeu dijelova koji se spajaju dok se istovremeno primjenjuje pritisak. Pokazalo se da konvencionalno frikciono zavarivanje daje dobre zavarene spojeve, sa dobrim mehanikim osobinama. Ipak, ogranieno je na relativno jednostavne geometrije, tipino ipke i cijevi. FSW proces pokazuje potencijal za primjenu na zavarivanje kompozita sa metalnim matriksom jer je ve uspjeno primjenjen na zavarivanje legura aluminija.

Mogue je takoe primjenjivati FSW i na mnoge druge, razliite i raznorode,

materijale, iako o tome nema mnogo informacija. Veina injenica u ovoj oblasti se oslanja na rezultate ekperimenata, proveden u svrhu dobijanja optimalnih parametara. Napravljeno je i nekoliko pokuaja zavarivanja polimera, a proces je i patentiran [31]. Za vie informacija o primjeni FSW procesa za navedene materijale, pogledati [3], i reference navedene u njemu. Informacije o drugim specifinim primjenama FSW procesa (uglavnom u vojne svrhe i svemirskoj tehnologiji) mogu biti pronaene u [14, 23-27].

3.1.4. Posebne primjene

Avijacija. Dobro je poznato da se u avio industriji za izradu nekih dijelova, kao to su rezervoari, rep i krila, koriste visokovrste aluminijske legure poput 2XXX i 7XXX serija. Naalost, zavarivanje ovih materijala konvencionalnim postupcima sa topljenjem je problematino zbog pojave toplih pukotina tokom zavarivanja. Zbog toga se veliki dio spajanja vri zakovicama, to poveava sloenost montae kao i trokove. Uvoenje FSW procesa daje ansu za zamjenu tradicionalnih pristupa proizvodnji lakih konstrukcija i znaajno smanjenje trokova [3, 68].


Eclipse Aviation je napravila revoluciju u proizvodnji aviona usvajanjem FSW procesa za spajanje komponenti spoljanjih limova i dijelova strukture na modelu Eclipse 500 [69, 70]. Druge znaajne primjene ukljuuju prihvatanje FSW procesa od strane kompanije Boeing za njihove rezervoare za gorivo Delta 2 rakete i dijelove unutranje strukture C17. Udruene snage u avio industriji su proizvele kilometre komercijalnih FSW zavara bez greaka. Lockheed-Martin je takoe prihvatio FSW proces [25], a NASA ga je primjenila u proizvodnji rezervoara za gorivo za Space Shuttle [26, 27].

Oplate. Visokovrste legure aluminija se koriste u o proizvodnji oplata zbog svojih dobrih balistikih osobina i vrstoe. Na primjer u Velikoj Britaniji, gdje Minstarstvo odbrane od ranih sedamdesetih koristi leguru aluminija Def Stan 95-22 Class 1, baziranu na sastavu 7017 Al4.5Zn2Mg legure. Ovakve legure se konvencionalno zavaruju MIG postupkom, koristei Al-Mg dodatni materijal. Glavni problem povezan sa MIG zavarima je naponska korozija koja se pojavljuje na korijenu zavara, osiromaenje koja se pojavljuje u dijelovima ZUT-a koji su izloeni razliitim rastvorima i prirodno ostareni, i razdvajanje zbog nastanka filmova niske take topljenja po granicama zrna. Sa pojavom FSW procesa zavarivanja u vrstom stanju, Agencija za vojna istraivanja u Velikoj Britaniji je 1995. zapoela program za ocjenjivanje primjenjivosti FSW procesa na alumijske oplate. Preliminarna istraivanja agregatne korozije i pukotina usljed naponske korozije potvrdila su prednosti FSW procesa nad MIG postupkom u smislu kvaliteta. Budua istraivanja su fokusirana na razvoj realnih zavara za potrebe ispitivanja njihovih osobina, i tehnike poveanja brzine zavarivanja i debljine lima/ploe koji mogu biti zavareni [3].

U SAD-u se kao glavna strukturalna legura u proizvodnji AAAV (Advanced Amphibious Assault Vehicle, napredno amfibijsko vozilo za napad) koristi oklopna aluminijska legura 2519-T87 jer nudi visok nivo balistike zatite i statike vrstoe u odnosu na Mainstay-evu oklopnu aluminijsku leguru 5083Al-H131. AAAV je oklopni transporter koji se razvija za potrebe U.S. marinaca. Trenutno se kao glavni procesi za proizvodnju oklopa koriste MAG i TIG postupci. Meutim, oba procesa daju jako slabu duktilnost sueonih zavara 2519Al legure, to znai da zavareni spojevi ne mogu da prou test balistikog udara, propisan pravilima za sva borbena vozila. Ovo sprijeava upotrebu jednostavnih sueonih zavara u strukturi vozila. Iako su razvijeni drugi tipovi zavara za mjesta gdje se ploe moraju spojiti, ovo poveava sloenost prizvodnje i uzrokuje vie trokove. FSW, kao proces zavarivanja u vrstom stanju, pokazao je da daje superiorne mehanike osobine zavarenih spojeva (bez dodatne termike obrade) kada se uporedi sa tipinim elektrolunim procesima pri zavarivanju drugih aluminijskih legura kao to su 5083Al, 6061Al, i 2219Al. Zbog toga su General Dynamics Land Systems (GDLS) i Concurrent Technologies Corporation (CTC) u zadnjih nekoliko godina izveli nekoliko pokuaja da se 2519Al-T87 zavari FSW procesom. Pokazano je da se na ovaj nain mogu proizvesti dobri zavareni spojevi, i to sueoni spoj debljine 25 mm, kao i ugaoni spoj sa limovima debljine 2550 mm. FSW zavareni spoj 2519Al-T87 je pokazao da ima zateznu vrstou od 389 MPa pri izduenju od 14%, to je poveanje vrstoe od 124 MPa i trostruko poveanje izduenja u odnosu na minimalne osobine postignute MAG postupkom. Trenutno je u toku ispitivanje FSW procesa, s ciljem ocjenjivanja njegove budue primjenjivosti na izradi oklopa od aluminijskih legura [3, 23, 24].

Transport. Druge primjene ukljuuju eljeznika vozila, gdje se ekstrudirani profili, koji ine koljku voza, spajaju zajedno FSW procesom. Hitachi je usvojio ovu proceduru u prizvodnji dva voza, lokalnog 815 i brzog Shinkansen [35, 77]. Mnoge druge procedure su ve patentirane, veinom od strane japanskih proizvoaa. Neka od njih su za tijela automobila [28], uplja tijela i cijevi velikog prenika [32], tijela


nainjena od ekstrudiranih profila [34] i tijela vozova [33]. TWI (VB) je proveo neka istraivanja i eksperimente vezane za zavarivanje debelih aluminijskih limova [29, 30], i razvio procedure za neke specifine konstrukcije [77].

3.1.5. Budunost

Pored legura aluminija, FSW proces se uspjeno koristi za spajanje drugih metalnih materijala, kao to su bakar, titan, elik, magnezij i kompoziti. Uspjena primjena FSW na materijale sa visokom takom topljenja je obino ograniena na veoma uzak dijapazon parametara, usljed visoke take topljenja i/ili slabe duktilnosti. Ako se radi o takvim materijalima, uvoenjem predgrijavanja se obino pobolja kvalitet zavarenog spoja i povea brzine zavarivanja (kretanja du spoja) [3].

Na osnovnim principima FSW se razvio novi oblik tehnike procesiranja i mikrostrukturnih modifikacija, nazvan procesiranje trenjem sa mijeanjem (friction stir processing, FSP). Ovo je objavio Mishra [3]. FSP je naao nekoliko primjena za mikrostrukturne modifikacije metalnih materijala, ukljuujui i proces mikrostrukturne homogenizacije u aluminijskim legurama sa nano fazama, kompozitima sa metalnim matriksom, livenih Al-Si legura, kao i obradu povrinskih kompozita na aluminijskom supstratu [3, 14].

Uprkos znaajnom inetersu za FSW tehnologiju u zadnjih skoro dvije decenije, i dalje nedostaje osnovno fizikalno razumjevanje procesa. Potrebno je shvatanje nekih veoma vanih aspekata, ukljuujui strujanje materijala, geometriju alata, troenje alata, miktrostrukturnu stabilnost i zavarivanje razliitih legura i metala. Sa druge strane, FSW je uspjeno primjenjen u industriji u vie sluajeva, iako je prolo samo dvadesetak godina otkako TWI izumio ovu tehnologiju 1991.

3.2. Analiza konanim elementima

Izrada mnogih modernih konstrukcija bi bila nemogua bez analize konanim elementima (Finite Element Analyse, FEA). Prisutna je toliko da je prihvaena za skoro svaku primjenu koja se moe zamisliti. Kada se tek poela koristiti, bila je bazirana na linearnoj metodi konanih elemenata (finite element method, FEM), i tokom godina postala izuzetno moan ininjerski alat. Danas se FEA moe koristiti pri rijeavanju problema klasine mehanike, mehanike fluida, linearnih i nelinearnih problema, prenosa toplote, elektromagnetizma, akustike, i mnogim drugim, kao i na uvezivanju nabrojanih.

U ovom poglavlju su izloene osnove FEA i FEM. Prvi dio je kratka istorija FEA i FEM. Iako su osnove metode konanih elemenata i rjeavanja sistema diferencijalnih jednaina postavljene ve od strane Eulera (1707-1783) [74], kompjuteri koji su u stanju baviti se njima su razvijeni tek nedavno. Ovdje je dat izvod iz [49] koji se bavi ranim istraivanjima FEM. Drugi dio ukratko objanjava razvoj FEM i osnove rada sa jednainama. Trei dio daje osnove FEA, ukljuujui mree, vorove i granine uslove. Navedeni su tipovi simulacija koje se mogu izvesti sa FEA, koji granini uslovi mogu biti definisani i kakve osobine materijala upotrijebljene. etvrti dio je kratak pregled tipova ininjerskih analiza koje mogu provedene koristei FEA. Peti i zadnji dio je posveen adaptivnim mreama, jer je to bitna stvar kod kompleksnih modela koji sadre viestruke granine uslove, a ne trebaju uniformnu mreu.

3.2.1. Kratka istorija FEA

Analiza konanim elementima (FEA) je kompjuterska tehnika simulacije koritena u ininjerskim analizama. Koristi numeriku tehniku zvanu metod konanih


elemenata (FEM). FEA je prvobitno razvijena 1943. godine od strane R. Couranta, koji je iskoristio Ritz metod numerike analize i minimizacije varijacionog rauna da bi dobio priblina rijeenja oscilirajuih sistema. Ubrzo nakon toga, u radu objavljenom 1956., M. J. Turner (i ostali) su postavili iru definiciju numerike analize. Rad se fokusirao na krutost i deformacije kompleksnih struktura.

Znaajna istraivanja o FEM su provedena izmeu 1957. i 1970. na Berkeleyu (University of California at Berkeley). Poetna istraivanja su krenula pravcem klasinih metoda strukturalnih analiza, koje su prije toga bile ograniene samo na jednodimenzionalne elemente. Veina istraivanja koja su provedena su bila potaknuta potrebom rijeavanja praktinih problema u avioindustriji, mainskom i graevinskom ininjerstvu. Tokom tog kratkog perioda, metodom konanih elemeneta su pokrivene i oblasti linearnih i nelinearnih problema povezanih sa puzanjem, prenosom toplote, teenjem vode u poroznim medijima i dinamikim analizama. Tokom zadnjih est godina navedenog perioda, polja strukturalne analize i mehanike kontinuuma su povezane. Vie o istoriji FEA je dostupno u [49, 71].

Do ranih sedamdesetih, upotreba FEA je bila ograniena na izuzetno skupe kompjuterske stanice, koji su obino bile u vlasnitvu proizvoaa aviona i automobila, vojske ili nuklearne industrije. Usljed naglog pada cijene i nevjerovatnog poveanja snage kompjutera, FEA je razvijena do nivoa visoke preciznosti.

3.2.2. Metod konanih elemenata

Metod konanih elemenata (FEM) je razvijen usljed potrebe rijeavanja kompleksnih problema elastinosti i strukturalne analize u graevinarstvu i avio industriji. Ray Clough, vrhunski ameriki strukturalni ininjer, je prvi skovao ime metod konanih elemenata, ali je u svom uvenom radu iz 1960. priznao da je FEM zapravo Argyrisova metoda. Poetni rad Argyrisa i Clougha je bio kljuan za razvoj FEM, jer su je nadogradili na nain kako to ranije nije bilo uraeno. Metod je bio dopunjen strogim matematikim osnovama radom Stranga i Fixa iz 1973., Analiza metode konanih elemenata [71], i otada se svrstava u dio primjenjene matematike za numerika modeliranja fizikalnih sistema, u raznim oblastima ininjerstva, kao to su elektromagnetizam i mehanika fluida.

Razvoj metode konanih elemenata u mehanici esto se bazira na energetskim principima (kao to su princip virtuelnog rada ili minimuma ukupne potencijalne energije), koji pruaju optu, intuitivnu i fizikalnu osnovu koja ima veliku podrku meu strukturalnim ininjerima.

Matematiki gledano, FEM se koristi za nalaenje priblinih rijeenja parcijalnih diferencijalnih jednaina kao i integralnih jednaina (kao to je jednaina prenosa toplote). Pristup rijeenju se bazira ili na potpunoj eliminaciji diferencijalne jednaine (stacionarni problemi), ili pretvaranjem parcijalnih diferencijalnih jednaina u ekvivalentane obine diferencijalne jednaine, koji se rijeavaju koristei standardne tehnike, kao to je metod konanih razlika.

Pri rijeavanju parcijalnih numerikih jednaina glavni izazov je napraviti jednainu koja aproksimira eljenu, ali koja je pri tome i numeriki stabilna, to znai da se greke u ulazu i izmeu koraka ne nakupljaju, uzrokujui time besmislen konani rezultat. Ima jako puno naina da se ovo uradi, ali svi imaju svoje prednosti i nedostatke [74]. FEM je odlian izbor za rijeavanje parcijalnih diferencijalnih jednaina nad kompleksnim domenama (kao to su automobili i naftovodi) ili kada eljena preciznost varira nad cijelim domenom. Na primjer, ukoliko se eli simulirati vrijeme na Zemlji, mnogo je bitnije imati tano predvianje nad kopnom nego nad otvorenim morem, a to je zahtjev koji je mogue ostvariti primjenom metode konanih elemenata.


3.2.3. Osnove analize konanim elementima

FEA se sastoji od kompjuterskog modela materijala ili predmeta koji je optereen i analiziran radi dobijanja specifinih rezultata. Koristi se razvoj novih proizvoda ili poboljanje postojeih. Kompanija je u mogunosti da provjeri da li e dati proizvod ispunjavati eljene uslove prije nego se i pone proizvoditi. Promjene postojeih proizvoda ili struktura se koriste za ocjenjivanje pogodnosti nastavka njegovog rada [72].

Slika 3.17: vorovi i mrea

Postoje dvije vrste analiza koje se koriste u industriji, i to 2D i 3D. 2D modeliranje zadrava jednostavnost i omoguava da se analiza uradi sa

manjim trokovima u pogledu kompjuterskih zahtjeva. Sa druge strane, 3D modeliranje prua mnogo veu preciznost, iako nema mogunosti da se takva analiza vri na bilo kakvim izuzev jako skupim i brzim kompjuterima. Unutar svake od ovih ema modeliranja, programer moe da ubaci mnoge algoritme (funkcije) koje mogu da uine da se sistem ponaa linearno ili nelinearno.

Linearni sistemi su generalno jednostavniji, i ne uzimaju u obzir plastine deformacije, osobine materijala zavisne od temperature i radijaciju kao granini uslov. Nelinearni sistemi uzimaju u obzir plastine deformacije, osobine materijala zavisne od temperature, radijaciju, i mnogi takvi sistemi su sposobni za simulaciju sve do pojave pukotina (mehanika analiza) ili pregrijavanja (analiza prenosa toplote).

Slika 3.18: Primjena vie graninih uslova na jedan sistem [72]

FEA koristi kompleksan sistem taaka koje se zovu vorovima, koje ine mreu (Slika 3.17). Mrea je programirana tako da sadri osobine materijala i strukture koje opisuju kako e se ponaati kada se optereti. vorovi se postavljaju potujui odreenu gustinu kroz cijeli materijal, zavisno od toga koliki se naponi oekuju (i/ili temperaturni gradijenti) u nekom odreenom dijelu. Dijelovi koji imaju vea optereenja obino imaju veu gustinu nego oni gdje nema (ili ima vrlo malo)


optereenja. Mrea se ponaa kao paukova mrea, i svaki vor je povezan sa susjednim koristei elemente mree. Ovakva mrea vektora je nosilac informacija o osobinama materijala, stvarajui pri tome mnogo elemenata.

Dostupne su mnoge varijable za koritenje unutar sistema:

masa, zapremina, temperatura,

energija, naponi,

sila, pomjeranje, brzina, ubrzanje,

sintetike (definisane od strane korisnika). Na stvorene sisteme se mogu primjeniti i viestruki uslovi optereenja. Neki su

navedeni ovdje:

takasto optereenje i pritisak (slika 3.18), termiko i centrifugalno optereenje, ubrzanje,

termiko optereenje kao rijeenje analize prenosa toplote, prisilno pomjeranje,

toplotni protok i konvekcija,

takasto optereenje, pritisak, i gravitaciono optereenje. Svaki FEA program (komercijalna aplikacija) dolazi sa setom gotovih

elemenata, iako se oni uglavnom mogu definisati i dodatno. Primjeri elemenata su:

ipkasti elementi, linijski elementi,

ravanski/uplji/kompozitni elementi, solidni elementi,

elastini elementi, elementi mase,

kruti elementi,

viskozni elementi. Mnogi FEA programi posjeduju mogunost da rade sa razliitim materijalima

unutar svoje strukture, kao to su: izotropni, iste osobine u svim smjerovima,

ortotropan, iste osobine u dva meusobno normalna pravca, anizotropan, razliite osobine u svim smjerovima.

3.2.4. Vrste ininjerskih analiza

Strukturalne analize se sastoje od linearnih i nelinearnih modela. Linearni koriste jednostavne parametre i pretpostavljaju da se materijal ne deformie plastino. Nelinearni modeli ukljuuju i naprezanje materijala preko njegove granice elastinosti. Naponi u materijalu tako zavise od stepena deformacije [72].

Analiza vibracija se koristi da bi se materijal provjerio u odnosu na vibracije, promjene u vibracijama i udare. Svaki od ovih moe imati efekta na prirodnu (vlastitu) frekvenciju vibriranja materijala i moe, dodatno, uzrokovati rezonancu i lom kao posljedicu iste.

Analiza zamora pomae dizajnerima da se predvidi ivotni vijek materijala ili strukture uzimajui pri tome u obzir ciklino optereenje. Ovakve analize mogu pokazati oblasti gdje je nevjerovatnije da e se pojaviti pukotina. Lom usljed zamora takoe moe pokazati toleranciju na oteenje materijala.


Analiza prenosa toplote obuhvata provodljivost ili termodinamiku fluida ili strukture. Moe biti stacionarna i nestacionarna. U sluaju stacionarne to ne znai da su osobine materijala konstantne u odnosu na temperaturu.

3.2.5. Adaptivne tehnike stvaranja mrea

Uobiajena analiza konanim elementima poinje od baze (koordinatnog sistema) i odabira mree, i ide prema raunanju rijeenja, i dalje prema ocjeni tanosti i analizi [74]. U tradicionalnom nainu kreiranja mrea je potrebno iskustvo da bi znalo da li e mrea biti optimalna (ili ak samo pogodna) za datu analizu. Ocjena tanosti obino zahtijeva kreiranje drugogo rijeenja baziranog na finijoj mrei ili primjenu druge metode i ad hoc poreenje dvije date solucije.

Adaptivne procedure automatski ine mreu finijom, grubljom, i premjetaju mreu i/ili podeavaju bazu da bi se dobilo rijeenje potrebne tanosti na optimalan nain.

Raunanje poinje obino sa generisanjem probnog rijeenja baziranog na gruboj mrei. Zatim se vri procjena greke ovakvog rijeenja. Ukoliko se desi da zadata tanost nije ispotovana, prave se podeavanja koja za svrhu imaju postizanje potrebne tanosti sa minimalnim naporima. Na primjer, moe se pokuati smanjiti greka diskretizacije na eljeni nivo koristei najmanje stepene slobode. Iako se adaptivni metod konanih elemenata prouava blizu dvadeset godina, jako se malo zna o optimalnim strategijama.

Uobiajene procedure koje su bile prouavane obuhvataju: lokalno profinjenje i/ili pogrubljenje mree (h-adaptacija), relokacija ili pomjeranje mree (r-adaptacija), lokalno mijenjanje stepena polinoma (p-adaptacija).

Ove strategije se mogu koristiti pojedinano ili u kombinaciji. Ako je mrea previe gruba, moda e biti nemogue da se postigne visok stepen tanosti bez dodavanja vie elemenata ili mijenjanja osnove.

r-adaptacija je korisna za nestacionarne probleme gdje se elementi pomjeraju slijedei fenomen razvoja samog problema.

h-adaptacija je ipak daleko najpopularnija. Sa njom je mogue poveati stepen konvergencije, posebno u sluaju postojanja singulariteta.

p-adaptacija posjeduje u odreenom smislu najvee mogunosti, i mogue su eksponencijalne konvergencije. Kada se kombinuje sa h-adaptacijom, mogue je ostvariti vrlo visok nivo konvergencije, ak i uz postojanje singulariteta.

Koritenje p-adaptacije je najpogodnije u sluaju postojanja hijerarhijske baze, jer dijelovi matrica krutosti i mase, kao i vektori optereenja, ostaju nepromijenjeni sa poveanjem stepena polinoma baze.

3.3. Modeliranje FSW procesa

FSW proces rezultuje u intenzivnoj plastinoj deformaciji i poveanju temperature unutar i oko zone mijeanja. Ovo daje znaajne promjene u mikrostukturi, ukljuujui promjenu veliine zrna, osobina granice zrna, rastvaranje i pogrubljenje precipitata, preraspodjelu rastvorenih tvari i teksturu.

Za optimizaciju parametara procesa i kontroliranje mikrostrukture i osobina zavarenog spoja potrebno je razumijevanje mehanikog i termikog procesa tokom FSW [3]. Kako ovo ukljuuje mnogo razliitih parametara, modeliranje FSW procesa je izuzetan izazov. Osnovna ema modeliranja je data na slici 3.19.


MODEL

Ulazi

Izlazi

Stvaranje toplote trenjem

Mehaniki model

Metalurki model

Deformacioni rad

Latentna toplota

Termiki model

Geometrija

Osobine materijala

Parametri procesa

Parametri sistema

Profili napona

Deformacije

Zone u spoju

Termalni profili

Granini uslovi

Poetni uslovi

Mikrostrukture

UVEZIV

ANJE

MODELA

Slika 3.19: ema modeliranja FSW procesa [53]; navedeno u podebljanim okvirima je obuhvaeno ovim diplomskim radom

ematski prikaz operacije FSW primjenjen na preklopni zavar dva ravna lima (radni komad) je dat na slici 3.20. Uobiajeno je se radni komad postavlja na pomonu plou (kako je prikazano) i vrsto stegne dovoljno daleko od zavara, u svrhu sprijeavanja bonog pomjeranja tokom zavarivanja. Vrh alata moe imati prenik i do jedne treine prenika alata i obino ima duinu malo krau od debljine radnog komada [1]. U poetku procesa vrh se ubacuje u materijal (prodire, penetrira) na mjestu zavara sve dok rame alata ne dotakne povrinu komada. Tada se trenjem povrine ramena sa gornjom povrinom radnog komada stvara toplota. Kako se temperatura materijala ispod ramena poveava, tako opada njegova vrstoa. Onda se alat poinje kretati uzdu linije spoja kako bi se poeo proces zavarivanja. Vrh rotirajueg alata obezbjeuje mijeanje materijala iz obje ploe koje trebaju biti spojene. Nakon prolaska alata, zavar (ili promijeani i pomijeani dio) se hladi, spajajui na taj nain dvije ploe.

Rotacija alata

Smjer

zavarivanja

Pritisna sila

Poetna taka

Slika 3.20: ematski prikaz preklopnog FSW spoja


Jedan od glavnih elemenata FSW procesa je toplota stvorena na kontaktu izmeu alata i radnog komada, koja je kljuna stvar da FSW proces bude uspjean. Stvorena toplota mora biti dovoljna da odri maksimalnu temperaturu radnog komada dovoljno visokom kako bi materijal bio dovoljno omekan da bi vrh alata mogao da ga mijea, ali dovoljno nisko da se materijal ne topi. Maksimalne temperature tokom FSW procesa variraju od 80% do 90% temperature topljenja materijala koji se zavaruje (kako su izmjerili Tang [56] i Colegrove [4]), tako da greke zavarivanja i velike deformacije, koje se obino povezuju sa procesima zavarivanja sa topljenjem, su ili smanjene ili potpuno izbjegnute.

Toplota se tokom FSW procesa primarno stvara putem trenja i procesa deformacije. Toplota se provodi i u alat i u radni komad. Koliina toplote koja dospije u radni komad definie uspjenost FSW procesa, kvalitet, oblik, mikrostrukturu, kao i zaostale napone i defomacije komada. Koliina toplote koja dospije u alat odreuje njegov ivotni vijek i njegovu sposobnost zavarivanja. Na primjer, nedovoljno toplote stvorene trenjem bi moglo uzrokovati lom vrha alata usljed toga to materijal nije dovoljno omekan. Zbog navedenog, razumijevanje aspekta prenosa toplote tokom FSW procesa je veoma vano, ne samo sa naunog stanovita, nego i radi poboljanja procesa. Dodatno, od velikog interesa je ukupna efikasnost prenosa i potronje energije tokom FSW procesa je, jer se energija odraava na cijenu zavara.

3.3.1. Dovoenje toplote

Postoje dva razliita naina da se definie stvaranje toplote. Prvi je direktan nain, sa eksplicitnim izrazima za koliinu stvorene toplote. Drugi je inverzni (ininjerski) nain, gdje se mjere temperature tokom procesa zavarivanja, a tada se postavljaju relacije izmeu pojedinih faktora (stvorena toplota, koeficijent trenja, sila, brzina obrtanja i druge) i temperatura dostignutih tokom procesa. Poreenje ova dva naina je dato u [12, 14].

3.3.1.1. Direktni pristup

Ovaj nain su koristili Colegrove [4] i Song [5, 13]. Ovdje postoje dva razliita pristupa. Jedan pretpostavlja da je stvaranje toplote zavisno od tangencijale jaine materijala, a drugi od koeficijenta trenja. Colegrove je u svom radu [4] uzeo u obzir da oboje imaju uticaja na tok materijala oko FSW alata. Materijal ili tee ili se lijepi oko alata, a brzina na kojoj e se ostvariti teenje zavisi od tangencijalne vrstoe materijala. Uspostavlja se stanje ravnotee izmeu sila primjenjenih kroz trenje i napona koji se javljaju kao otpor. Ipak, najvaniji zakljuak iz pomenutog rada je da toplota stvorena na vrhu alata (najveim dijelom usljed pastine defomacije) moe biti i do 20% ukupno stvorene toplote, a moe se izraunati kao:

22 4 cos

23 3 1

p rpm mpin p

Y r hVV F VQ r hY

(3.1)

Ovdje je pr radijus vrha alata, h debljina materijala, Y srednji tangencijalni

napon u materijalu, koeficijent trenja, F translaciona sila tokom zavarivanja, a

ugao zavojnice na vrhu alata. Dodatne relacije su:

90 arctan

sin

sin 180m pV V

sin

sin 180rp p

p p

V V

V r


Neki radovi prije [4] su zakljuili da je toplota stvorena na vrhu alata reda svega oko 2% ukupne.

Toplota stvorena trenjem na ramenu alata se moe izraunati kao: 2fi n iq F R (3.2)

Ovdje je iR udaljenost take kalkulacije od ose rotirajueg alata.

3.3.1.2. Indirektni (ininjerski) pristup

Ovo je nain koji su koristili Chao, Qi i Tang [1, 10, 16]. Potrebno je dodati da je ovo nain koji je koriten za simulacije prezentovane u ovom radu, te je ovaj pristup izloen sa vie detalja. Ovo to slijedi je isjeak iz [1, 10]. Osnovna ema je data na slici 3.21.

Smjer

zavarivanja

Poetna taka

q(r)

rQp+Qs=Q3

rp

rs

Q4

q1

Q2

Q3 Q 1 q2

Slika 3.21: Prenos toplote u alatu i radnom komadu tokom FSW procesa [10, 16] (usvojeno iz [1]; radijacija je zanemarena)

Alat. FSW normalno poinje od poetka zavarenog spoja i zavrava na drugom kraju zavara, kako je pokazano na slici 3.21. U srednjem dijelu spoja (gledano po duini), proces prenos toplote se moe posmatrati kao (priblino) stacionaran. Kako je pokazano na slici 3.21, prenos toplote u alatu i maini ukljuuje Q3, Q4 i q1, gdje je Q3 toplotni fluks prema alatu, stvoren trenjem izmeu alat i radnog komada; q1 je toplota odvedena sa alata u okolinu puten konvekcije; Q4 je toplota prenesena na mainu u kojoj se nalazi alat. Ravnotea energija zahtjeva da je:

3 4 1Q Q q (3.3)

U [1] je pretpostavljeno da makismalna temperatura aluminija neprelazi 500C, te je radijacija zanemarena. U ovom diplomskom radu je uzeta u obzir, i provedene su dvije simulacije, jedna sa i jedna bez radijacije, pri emu su rezultati uporeeni (Poglavlje 5).

U tipinom problemu prenosa toplote, dovoenje i odvoenje toplote u i iz sistema su esto poznati, i tada se mogu izraunati temperaturna polja unutar njega. Ako bismo slijedili istu proceduru pri modeliranju FSW, to bi zahtijevalo konstantan napor da se odrede ulazni i izlazni toplotni fluksovi, prikazani na slici 3.21. Toplota Q3 je, na primjer, vjerovatno funkcija dinamikog koeficijenta trenja, pritisne sile alata na komad, temperature i tribolokih uslova na kontaktnoj povrini. Svaki od ovih


parametera ima vlastite probleme i nesigurnosti ukoliko im se eli utvrditi stvarna i trenutna vrijednost, jer, na primjer, veoma je teko dobiti dinamiki koeficijent trenja kao funkciju brzine i temperature.

Zbog svih nabrojanih nepoznanica, usvojen je ininjerski pristup u [1, 10], pri emu je koriten inverzni metod da bi se odredile veliine toplotnih fluksova iz jednaine 3.3. U osnovi, mjere se temperature u nekoliko taaka na povrini alata tokom procesa FSW. Tada se provodi stacionarna analiza konanim elementima [1, 10], koristei pretpostavljenu vrijednost Q3 i koeficijenta konvekcije.

Kako je maina (odnosno glava u koju je uvren alat) relativno velika u odnosu na alat, slui za odvoenje toplote, i modelira se kao veliko tijelo sa konstantnom temperaturom na povrini od 25C (kao i okolina). Set pogaanih vrijednosti (Q3 i koeficijenta konvekcije) koji najbolje odgovara izmjerenim stvarnim temperaturama se smatra tanim.

Radni komad. Problem radnog komada je ematski prikazan na slici 3.21. Ravnotea energija u bilo kom trenutnu FSW procesa trai da bude:

1 2 2Q Q q Q (3.4)

Ovdje je Q1 toplotni fluks koji dolazi od trenja izmeu alata i radnog komada, Q2 je toplota provedena sa donje povrine komada prema oslonoj ploi na maini, q2 je gubitak toplote sa povrine komada prema okolini usljed konvekcije, dok je Q poveanje toplote u radnomkomadu. Radijacija je opet zanemarena [1, 10].

Proces. Proces prenosa toplote u cijelom komadu je nestacionaran zbog toga to se Q iz jednaine 3.4 mijenja sa vremenom. Ipak se za Q1, izuzev u samom poetku i kraju procesa, oekuje da bude konstantno jer je to funkcija samo fizikalnih uslova na kontaktu izmeu alata i komada i nezavisno je od pozicije alata u odnosu na komad. Radi ovoga je za potrebe numerikih simulacija i razvijen model sa pokretnim izvorom toplote i pretpostavljenim konstantnim fluksom Q1.

Identina procedura koja je provedena za alat, provedena je i za radni komad. Promjenjive (u vremenu) temperature su ekperimentalno izmjerene koristei termoparove, i to na nekoliko lokacija tokom procesa FSW. Trodimenzionalna analiza konanim elementima je provedena za radni komad, koristei razliite pretpostavljene ulaze i izlaze. Set graninih uslova koji najbolje odgovara izmjerenim temperaturama daje Q1, vrijednost koja je od interesa u prouavanju.

Treba primjetiti da tokom FSW procesa vrh alata mijea materijal neposredno ispod centra alata. Rad plastine deformacije povezan sa mijeanjem nije modeliran u [1,10]. Sa druge strane, toplota stvorena na ovaj nain jeste izmjerena termoparovima, te se ona dodaje kao da je stvorena trenjem na kontaktu izmeu alata i komada [1].

Za ovakvu proceduru modeliranja se vjeruje da, iako nije savrena, daje razuman pristup rijeenju problema.

Kako je prikazano na slici 3.21, pretpostavlja se da je stvaranje toplote linearno zavisno od rastojanja od ose alata, a ovo je bazirano na sljedeim pretpostavkama:

a) pritisna sila primjenjena na radni komad putem alata stvara uniforman pritisak izmeu alata i radnog komada,

b) toplota je stvorena radom sile trenja. Da bi se simulirala toplota stvorena trenjem izmeu ramena alata i radnog

komada [10], pretpostavlja se da je toplota koja ide u radni komad (npr. u W/m2):

1

3 3

0

3

2

ii

p

Q rq r

r r

za 0p ir r r (3.5)


U jednaini 3.5, Q1 je ukupna toplota dospjela u radni komad (npr. u W), 0r i pr

su radijusi ramena i ruba vrha alata, respektivno, i vrijedi 0p ir r r . Toplota iq r moe nadalje biti povezana sa varijablama procesa kao:

2 20

2

60

ii

p

nrFq r

r r

(3.6)

U jednaini 3.6 F je pritisna sila, n je broj obrtaja alata, a je koeficijent trenja

koji odgovara relativnoj brzini u nekoj taki ir .

Sumiranje toplote koja ide u komad, definisane sa jednainom 3.5 u taki ir ,

preko cijelog radijusa 0p ir r r daje ukupnu koliinu toplote QT (npr. u W).

0

2

p

r

T i i i

r

Q q r rdr (3.7)

Ukupna koliina toplote koja ide u radni komad, Q, je funkcija razliitih parametera procesa. Koristei jednaine 3.5 i 3.6, moe se dobiti:

2 2

0 0

045

p p

T

p

n F r r r rQ

r r

(3.8)

Pored ovoga, vjeruje se da i rub alata takoe stvara toplotu od trenja povrine ruba sa radnim komadom. Da bi se i ovo uzelo u obzir, u radovima [5, 10] se smatra

da je pr jednak nuli. To znai da bi jednaina 3.5 postala jednostavnija.

1 30

3

2

ii

Q rq r

r za 00 ir r (3.9)

U [1, 10], koriten je WELDSIM kao program za simulaciju. WELDSIM je nestacionaran, nelinearan, trodimenzionalan kompjuterski kod za metod konanih elemenata za analizu kako prenosa toplote tako i mehanike. Koritene su termike osobine materijala zavisne od temperature [16].

Izvor toplote Q1, koji ima linearnu distribuciju toplote od centra prema vanjskom preniku alata slino jednaini 3.5, se primjenjuje na gornju povrinu radnog komada da bi se simulirala toplota stvorena trenjem. Izvor toplote Q1 se kree du zavara po gornjoj povrini komada istom brzinom kao i alat.

3.3.2. Odvoenje toplote

Pri FEM modeliranju se potpostavlja da gornja i donja povrina imaju dva razliita koeficijenta konvekcije. Vjeruje se da je prenos toplote radijacijom sa povrina mali i pridruen je konvekciji. Na gornjoj povrini je definisan koeficijent konvekcije od 30 W/m2C, i ova vrijednost je tipina za prirodnu konvekciju izmeu aluminija i zraka [1]. Radni komad je stegnut na pomonu elinu plou na glodalici koja je koritena za FSW, i na donjoj povrini radnog komada se javlja kontaktni otpor provoenju toplote. Zbog nedostatka fizikalnih podataka vezanih za kontaktni otpor na ovom mjestu dodira, donja strana je modelirana sa koeficijentom konvektivnog prenosa toplote radi izrauna koliine toplote koja prolazi kroz mjesto dodira dvije povrine. Q iz jednaine 3.4 je toplota zadrana unutar radnog komada i ukljuena je definiciju elementa koritenog u FEM modelu. To ostavlja samo dva parametra, Q1 i koeficijent konvekcije na donjoj strani radnog komada, da budu pogoene putem poreenja sa izmjerenim temperaturama. Za vrijeme eksperimenata, utvreno je da je Q1 osjetljivije na temperature blizu gornje povrine,


dok je koeficijent konvekcije na donjoj povrini mnogo osjetljiviji na temperature na donjoj povrini.

Tokom FSW procesa, vrh alata mijea materijale ploa kojima je okruen. Ovo ubrzava kondukciju u datom podruju. U analizi [1, 10], koristei WELDSIM, definisan je mnogo vei koeficijent kondukcije, na primjer pet puta vei nego odgovarajua normalna vrijednost na istoj temperaturi, i to za podruje ispod ramena alata, za koje se pretpostavlja da je zahvaeno mehanikim mijeanjem. Ipak se pokazalo da rezultati nisu osjetljivi na ovaj broj. (Ovakav pristup simulaciji je koriten za procese sa topljenjem, gdje je predloeno da se povea koeficijent kondukcije na primjer za deset puta da bi se uskladio sa veim koeficijentom konvekcije u podruju istopljenog metala [10].)

MODELIRANJE I SIMULACIJA U PROGRAMU MSC.Marc Strana 33

4. Modeliranje i simulacija u programu MSC.Marc

Ovo poglavlje je detaljno i sistematino objanjenje kreiranja numerikog modela FSSW procesa, analiza i tumaenje rezultata. Prvi dio se bavi kreiranjem modela, mreenjem i profinjenjem mree. Drugi dio je objanjenje kako definisati geometrijske osobine modela i osobine materijala kao funkcije temperature. Trei dio se bavi definisanjem poetnih i graninih uslova modela. Zadnji dio se bavi procesiranjem i post-procesiranjem. Za modeliranje i post-procesiranje e biti koriten MSC.Marc.Mentat, dok e za procesiranje biti koriten MSC.Marc.

Radi boljeg razumijevanja, pojedine stvari koje se tiu FEM analize koristei MSC.Marc i MSC.Marc.Mentat su date u Dodatku B (u verziji rada na engleskom) ili u digitalnoj formi, odnosno u Dodatku B u ovoj verziji rada. Mnogo vie je mogue pronai u citiranim referencama.

Prije nego se pone sa modeliranjem, vrijedi spomenuti nekoliko stvari koje se tiu ovog modela:

Bie iskoritena mogunost koju ima MSC.Marc da uveze (ili izveze) razliite vrste fajlova. Ovo znai da geometrija moe biti kreirana u nekoj od drugih aplikacija koje su podrane, a nakon toga uvezena u MSC.Marc. U ovom sluaju, geometrija cijelog modela e biti kreirana u programu Autodesk AutoCAD 2006, izvezena kao DXF fajl, i uvezena u MSC.Marc.Mentat za potrebe daljnjeg modeliranja. Razlog za ovo je injenica da je mogue tanije definisati sloene geometrije u AutoCADu, to ini proces modeliranja flaksibilnijim. Na primjer, mogue je ubaciti razliite geometrije alata u skladu sa potrebama.

Automatsko generisanje mree je uraeno za alat i dijelom za stezni ureaj, dok je za ostatak modela mrea runo generisana.

Tokom runog generisanja mree, koriteni su trouglasti i kvadratni elementi, posebno tokom procesa pogrubljenja mree koristei h-adaptaciju (vidjeti Poglavlje 3, dio Adaptivne tehnike stvaranja mrea).

Osobine materijala definisane su kao funkcije temperature.

Pretpostavljeni su idealni kontakti (na primjer izmeu alata i komada). Kao rezultat ovoga, cijeli model e sadravati samo jednu mreu, ali e razliiti elementi imati razliite osobine materijala.

Za dovoenje toplote usljed trenja e biti iskoritena jednaina 3.9. Odovoenje toplote ukljuuje radijaciju i konvekciju, sa tim to je

provedena uporedna analiza sa i bez radijacije kao graninim uslovom. Izvedene simulacije su nestacionarne, u trajanju jednakom stvarnom

eksperimentu.

Kako manje-vie svi FEM programi imaju sisteme jedinica koje definie sam korisnik (da bi se izbjegla kolizija izmeu njih), u ovom modelu je koriten kg-m-s-C sistem jedinica.

4.1. Geometrija i mrea

Kako je ve navedeno, geometrija je kreirana u Autodesk AutoCAD 2006. Zbog simetrinosti, samo pola modela je kreirano i razmatrano. Elementi modela i njihov meusobni poloaj je dat na slici 4.1.


Slika 4.1: Pozicije elemenata modela

Konani izgled AutoCAD modela je dat na slici 4.2., a u sluaju definisanja geometrije u AutoCADu treba posebno voditi rauna o tome da svaki element (alat, radni komad, zatitni uloak) bude kreiran kao zatvorena kontura, ak i u sluaju da neke od njih budu meusobno preklopljene. Ovo je neophodno jer MSC.Marc prepoznaje samo takve konture u sluaju da se eli uraditi automatsko kreiranje mree.

Slika 4.2: Konaan izgled modela u AutoCADu prije prebacivanja u MSC.Marc

Za modeliranje bi ustvari mogla biti iskoritena svaka aplikacija koja podrava izvoz u bilo koji format koji podrava MSC.Marc i koji je on u stanju uvesti. Na primjer, mogla se koristiti i CATIA i iz nje izvesti IGES fajl, ali je u ovom sluaju to najpogodnije bilo uraditi putem programa AutoCAD.


Slika 4.3: Model u programu MSC.Marc nakon uvoza iz AutoCADa

Nakon uvoza, potrebno je kreirati mreu. Plan mreenja je dat na slici 4.4. U podrujima gdje je runo kreirana mrea primjenjena je relaksacija (oputanje) cijele mree. Relaksacija je proces repozicioniranja (premjetanja) vorova sa ciljem smanjenja krivljenja mree.

Slika 4.4: Plan kreiranja mree modela

Tokom runog kreiranja mree, koritene su dvije vrste MSC.Marc elemenata, 40 i 38.

Element 38 ima tri vora, i on je izoparametarski, trostrani element predvien za osno simetrine simulacije prenosa toplote. Element 40 ima etiri vora, i on je izoparametarski, proizvoljan etverostrani element, takoe napisan za osno simetrini prenos toplote. Veoma je vano naglasiti da numeracija vorova oba ova elementa mora da bude desno orjentisana. Detaljne specifikacije ovih elemenata mogu da se nau u [42], a prikazani su na slici 4.5. U modelu datom u ovom diplomskom radu uglavnom je koriten MSC.Marc element broj 40.


Slika 4.5: MSC.Marc elementi broj 38 (lijevo) i broj 40 (desno)

Prema specifikacijama u [42] mrea treba da bude finija u dijelovima gdje se oekuju vei gradijenti. Uzimajui ovo u obzir, model treba da ima finiju mreu ispod alata i du kontakta izmeu stezne poluge i radnog komada (u horizonta

Documents

Predviđanje temperature tokom FSW koristeći FEA