Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak sürtünme karıştırma kaynağının modellenmesi
Friction stir welding modeling using the finite element method
Yazar: HÜSEYİN TARIK SERİNDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. BİNNUR GÖREN KIRAL
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum alaşımları = Aluminum alloys ; Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Sayısal analiz = Numerical analysis ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sürtünme karıştırma kaynağı = Friction stir welding

Özet:
İmalat teknolojisinde en çok kullanılan yöntemlerden biri kaynaklı birleştirmelerdir. 20 yıldan beri geliştirilmekte olan Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK) yöntemi günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. SKK metalürjik özelliklerin korunması gereken uygulamalar için tasarlanmıştır ve işlem süresince metalin erimediği bir katı-hal birleştirme işlemidir.  

 Bu çalışmada, ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesi zor olan alüminyum ve magnezyum alaşımlarının SKK deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Bunun için, alüminyum ve magnezyum alaşımlarının birleşimi farklı kaynak parametreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaynak esnasında kaynak bölgesindeki sıcaklık dağılımı temassız kızılötesi termometre ve K-tipi termokupllar ile ölçülmüştür. 

Sonlu elemanlar analizleri için SKK ile birleştirilen plakalar üç boyutlu katı olarak modellenmiştir. Kaynak işlemlerinin benzetimi ANSYS programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Zamana bağlı doğrusal olmayan sonlu elemanlar analizleri için APDL (ANSYS Parametric Design Language) kodları geliştirilmiştir. Analizler iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşama pim ve omuzdan plakaya ısı transferinin modellendiği termal analizdir. İkinci aşama ise termal analizden elde edilen sıcaklık verisinin kullanıldığı yapısal analizdir. Termal ve yapısal sınır koşulları tezde detaylı olarak açıklanmıştır. 

Sonlu elemanlar analizlerinden takımın dönüş hızı arttıkça sıcaklık ve gerilme değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. Takım dönüş hızının sürtünme karıştırma kaynağı için önemli bir faktör olduğu görülmüştür. Sonlu elemanlar analizlerinden elde edilen sıcaklık değerleri dikkate alınarak kaynak esnasında plakaların kaynağının başarılı olup olmadığı tahmin edilebilir. Sonuçların doğruluğu ve hassasiyeti için sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin bilinmesi gereklidir. 
Çekme deneyleri ile SKK ile birleştirilmiş alüminyum ve magnezyum alaşımı plakaların mekanik özellikleri belirlenmiştir. Deneysel ve sayısal sonuçlar tablo ve grafikler şeklinde sunulmuştur.

Abstract:
One of the most used methods in the production technology is welded joints. Friction Stir Welding (FSW) method which has been developed for 20 years is widely used nowadays. FSW is devised for applications where the original metallurgical characteristics must be retained and is a solid-state joining process which the metal is not melted during the process.

In this study, FSW of aluminum and magnesium alloys which are hard to weld by the fusion welding is investigated experimentally and numerically.  For this purpose, joints of aluminum and magnesium alloys are performed by using various welding parameters. Temperature distribution around the welding region is measured during the welding by using the non-contact infrared thermometer and K-type thermocouples.

Plates joined by FSW are modeled as three-dimensional solid for the finite element analyses. Simulation of the welding processes is carried out by using ANSYS software. APDL (ANSYS Parametric Design Language) codes are developed for the transient nonlinear finite element analyses. Analyses consist of two stages. The first stage is the thermal analysis which the heat transfers from the pin and shoulder to the plate is modeled. The second stage is structural analysis which the temperature data obtained by the thermal analysis are used. In the thesis, thermal and structural boundary conditions are explained in detailed.  

It is observed from the finite element analyses that temperature and stress values increase as the rotational speed of the tool increases. It is seen that the rotational speed of the tool is the important factor for the FSW.  It is estimated whether the weldment of the plates is well-done or not during the welding considering the temperature values obtained by the finite element analyses. Material properties depending on the temperature should be known for the accuracy and sensitivity of the results. 
   
Mechanical properties of aluminum and magnesium alloys plates joined by the FSW are determined by the tensile tests. Experimental and numerical results are presented as the tabular and graphs.