Sürtünme karıştırma kaynağıyla birleştirilen magnezyum alaşımlarının sayısal analizi ve kısa çevrimli yorulma davranışlarının incelenmesi
The numerical analysis and the investigation of low cycle fatigue behavior of magnesium alloys joined by friction stir welding
Yazar: MURAT TÜRKAN
Danışman: PROF. DR. ÖZLER KARAKAŞ
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Magnezyum alaşımları = Magnesium alloys ; Sayısal modelleme = Numerical modelling ; Sürtünme karıştırma kaynağı = Friction stir welding ; Yorulma = Fatigue

Özet:
Düşük ağırlığa sahip magnezyum alaşımları havacılık-uzay ve otomotiv sanayilerinde büyük potansiyele sahiptir ve magnezyum alaşımlarının bu sanayilerdeki uygulamaları kaçınılmaz olarak kaynaklı imalatı içerir. Kaynaklı imalat genellikle kaynak boyunca mikro yapısal değişiklikler ve/veya potansiyel kaynak hataları oluşumu nedeniyle malzemelerin dayanımının azalmasına neden olduğundan, kaynaklı birleştirmelerin özellikle dinamik yüklerdeki davranışının incelenmesi yapısal parçalarda büyük hasarların meydana gelmesini önlemek açısından oldukça önemlidir. Bu çalışma deneysel çalışmalar ve sayısal çalışmalar olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Deneysel çalışmalar kısmında 5.2 mm kalınlığındaki AZ31 magnezyum alaşımını klasik sürtünme karıştırma kaynağı ile en yüksek birleştirme verimliliğinde kaynaklamak amaçlanmıştır. Yapılan deneyler sonucunda 1250 rpm 400 mm/min kaynak parametresinde çekme dayanımında %88'lik birleştirme verimliliği elde edilmiştir. Bu numunelerin mikro-makro yapı incelemeleri sonucunda birleşimin tam olarak gerçekleştiği görülmüştür. Kaynaklı ve kaynaksız numunelerde yapılan uzama kontrollü düşük çevrim yorulma deney sonuçlarına göre kaynaksız numuneler %0.3 uzama oranında kaynaklı numuneler ise %0.2 uzama oranında belirlenen 50000 çevrim sınırını hasara uğramadan aşmıştır. Kaynaklı ve kaynaksız numunelerin Coffin-Manson-Basquin denklemine göre kısa zaman yorulma parametreleri elde edilmiştir. Kaynaklı numunelerden her bir uzama oranı için çok benzer yorulma deney sonuçları elde edilmesi kaynak kalitesinin dikiş boyunca sağlandığını göstermiştir. Sayısal çalışmalar kısmında ise bir sonlu elemanlar modeli aracılığıyla AZ61 magnezyum alaşımının sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmesi modellenmiştir. Sayısal modelde CEL (Coupled Eulerian Lagrangian – Birleştirilmiş Euler Lagrange) formülasyonu, modifiye edilmiş Coulomb sürtünme yasası, Johnson-Cook malzeme yasası, kütle ölçekleme tekniği ve sıcaklığa bağlı sürtünme katsayısı değerleri kullanılmıştır. Sayısal model ısı girdisi, sıcaklık dağılımı, plastik deformasyon tipi-miktarı ve kaynak bölgesinde kaynak hatası oluşumu açısından literatürdeki deneysel sonuçlarla doğrulanmıştır. Oluşturulan sayısal model oldukça gerçekçi çıktılar vermiştir.

Abstract:
Low-weight magnesium alloys have great potential in aerospace and automotive industries, and applications of magnesium alloys in these industries inevitably include welded manufacturing. Since welded manufacturing generally causes a decrease in the strength of materials due to microstructural changes and/or potential welding defects in the weld area, examining the behavior of welded joints, especially under dynamic loads, is very important to prevent major damage on the structural parts. This study can be divided into two groups as, experimental studies and numerical studies. In the experimental studies, it is aimed to join 5.2mm-thick AZ31 magnesium alloy with conventional friction stir welding with the highest joining efficiency. As a result of these experiments, 88% joint efficiency is obtained in tensile strength at 1250 rpm 400 mm/min welding parameter. As a result of micro-macro structure examinations of these samples, it is observed that the joining was fully realized. According to the results of the strain-controlled low cycle fatigue test performed on welded and non-welded samples, welded samples exceed the 50000-cycle limit determined at 0.3% strain rate and non-welded samples at 0.2% strain rate without any damage. Low cycle fatigue parameters of welded and non-welded samples are obtained according to the Coffin-Manson-Basquin equation. Obtaining very similar fatigue test results for each strain rate from welded specimens shows that weld quality was ensured throughout the seam. In the numerical studies, the joining of AZ61 magnesium alloy with friction stir welding is modeled by means of a finite element model. CEL (Coupled Eulerian Lagrangian) formulation, modified Coulomb friction law, Johnson-Cook material law, mass scaling technique and temperature dependent friction coefficient values are used in the numerical model. The numerical model has been verified with the experimental results in literature in terms of heat input, temperature distribution, plastic deformation type-amount and weld defect formation in the weld area. The numerical model created gives very realistic outputs.