Wpływ kształtu narzędzia na pole temperatury w procesie punktowego zgrzewania tarciowego z mieszaniem

Friction stir welding (FSW) is one of the youngest methods of metal welding. Metals and its alloys are joined in a solid state at temperature lower than melting points of the joined materials. The method is constantly developed and friction stir spot welding (FSSW) is one of its varieties. In the friction stir spot welding process a specially designed tool is brought into rotation and plunged, straight down, in the joined materials. Heat is generated as a result of friction between the tool and materials, and plastic deformation of the joined materials. Softening (plastic zone) of the joined materials occurs. Simultaneously the materials are stirred. After removal of the tool, cooling down the stirred materials create a solid state joint. Numerical simulation of the process was carried out with the ADINA System based on the finite element method (FEM). The problem was considered as an axisymmetric one. A thermal and plastic material model was assumed for Al 6061-T6. Frictional heat was generated on the contact surfaces between the tool and the joined elements. The model of Coulomb friction, in which the friction coefficient depends on the temperature, was used. An influence of the tool geometry on heat generation in the welded materials was analysed. The calculations were carried out for different radiuses of the tool stem and for different angles of the abutment. Temperature distributions in the welded materials as a function of the process duration assuming a constant value of rotational tool speed and the speed of tool plunge were determined. Additionally, the effect of the stem radius and its height on the maximum temperature was analysed. The influence of tool geometry parameters on the temperature field and the temperature gradient in the welded materials was shown. It is important regarding the final result of FSSW.Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW) jest jedna ze stosunkowo niedawno opracowanych metod łączenia metali. Należy do grupy metod łączenia metali i ich stopów w stanie stałym, w temperaturach niższych od temperatury topnienia łączonego materiału. Metoda jest stale rozwijana, a jedną z jej odmian jest punktowe zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSSW). W procesie punktowego zgrzewania tarciowego z przemieszaniem specjalnie zaprojektowane narzędzie wprowadzane jest w ruch obrotowy i wgłebiane, pionowo w dół, w obszar łączenia dwóch elementów. Wskutek tarcia narzędzia o materiał oraz plastycznego odkształcania materiału, generowane jest ciepło. Następuje zmiękczenie materiału łączonych elementów. Zmiękczony materiał (uplastyczniony) jest stale mieszany. Po wyprowadzeniu narzędzia, przemieszany materiał stygnąc tworzy między spajanymi elementami złącze w stanie stałym. Symulację numeryczną procesu za pomocą metody elementów skończonych wykonano z wykorzystaniem programu ADINA. Problem rozpatrywano jako zagadnienie osiowosymetryczne. Przyjęto termoplastyczny model materiału - Al 6061-T6. Ciepło tarcia generowane jest na powierzchni kontaktu narzędzia z łączonymi elementami. Zastosowano model tarcia Coulomba, w którym współczynnik tarcia zależy od temperatury. W pracy analizowano wpływ geometrii narzędzia na generowanie ciepła w zgrzewanym materiale. Obliczenia przeprowadzono dla różnych wartości promienia trzpienia narzędzia oraz kąta wieńca opory. Wyznaczono rozkłady temperatury w zgrzewanym materiale w funkcji czasu trwania procesu, przyjmując stałą wartość prędkości obrotowej narzędzia i prędkości jego wgłębiania. Analizowano także zależność maksymalnej temperatury od promienia i wysokości trzpienia. Wykazano wpływ parametrów geometrycznych narzędzia na pole temperatury i gradientu temperatury w zgrzewanym materiale, co jest ważne dla finalnego efektu połączenia materiałów technologią FSSW