33098

بررسي تجربي و شبيه‌سازي عددي فرآيند جوش فلز التراسونيك ورقه‌هاي چند لايه فلزي ناهمجنس

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1401

1403/11/30

رضوان عابديني

-

مكانيك

جوشكاري فراصوتي (التراسونيك) فلزات يك روش جوشكاري نوين است كه به طور گستره در صنايع مختلف و براي اتصال‌دهي قطعات مختلف استفاده مي‌شود. توسعه و توليد روز افزون خودروهاي برقي و نياز مبرم به ذخيره‌سازي انرژي از طريق توليد باطري‌هاي نوين (مانند باطري‌هاي ليتيومي) اهميت روش اتصال‌دهي جوش فراصوتي فلزات را دو چندان نموده است. يكي از مسائل مهم در كاربرد فناوري جوش فلز فراصوت انتخاب درست پارامترهاي ورودي فرآيند با هدف دستيابي به جوش با استحكام مكانيكي و اتصال الكتريكي مناسب مي باشد. بدين منظور و با هدف ارتقاء دانش فني در زمينه اتصال‌دهي قطعات و ورقه‌هاي ظريف مورد استفاده در باطري‌هاي ليتيومي، در پژوهش حاضر به مطالعه جوشكاري ناهم‌جنس مس (با پوشش نيكل) و آلومينيوم سري 1050 پرداخته شده است. هدف از اعمال پوشش نيكل بهبود جوش پذيري و ارتقاء مشخصه‌هاي مكانيكي و متالوژيكي اتصال است. بررسي پارامترهاي تاثيرگذار بر استحكام مكانيكي اتصال (شامل زمان، فشار و توان فراصوتي) و بهينه‌سازي آن‌ها با استفاده از نرم‌افزار طراحي آزمايش (DOE) و به روش سطح پاسخ (RSM) انجام شده است. در كنار آزمون مكانيكي كشش برش براي تعيين استحكام اتصال، بررسي ميكروسكوپي مقطع اتصال و تصويربرداري از محل شكست در حالت‌هاي مختلف انجام شد. نتايج آزمايش نشان داد، پارامترهاي زمان، فشار و توان دوم جوشكاري مهم‌ترين پارامترهاي تاثيرگذار مثبت بر استحكام مكانيكي اتصال هستند. حداكثر نيروي بدست آمده از آزمون‌ كشش برش نمونه‌ها برابر با 4/869 نيوتن بوده است كه تاثير پوشش نيكل بر بهبود استحكام اتصال را نشان مي‌دهد. مقدار خطاي نسبي طراحي آزمايش صورت گرفته برابر با %77/8 بوده است. با افزايش زمان جوشكاري ضخامت موثر جوش از %2/55 براي نمونه با زمان جوشكاري 2/0 ثانيه به 34% در زمان جوشكاري 1 ثانيه رسيده است. مطالعه تحولات ريزساختاري فصل مشترك اتصال نشان مي‌دهد نفوذ سطحي و قفل مكانيكي اصلي‌ترين مكانيزم‌هاي جوشكاري هستند. ضخامت موثر جوش و چگالي پيوند مهم‌ترين پارامترهاي ريزساختاري تاثيرگذار بر استحكام مكانيكي اتصال شناخته شدند. رسيدن به جوش خوب در زمان‌هاي جوشكاري پايين‌تر و در محدوده وسيعي از پارامترها، افزايش حدود 5/5 درصدي حداكثر استحكام مكانيكي اتصال حاصل از آزمون كشش برش در مقايسه با پژوهش‌هاي قبلي انجام شده يكي از يافته‌هاي مهم اين پژوهش بوده و مرتبط با حضور پوشش نيكل معرفي شده است. شبيه‌سازي اجزاء محدود فرآيند با استفاده از نرم افزار ABAQUS انجام گرفت و نتايج آن شامل دماي فصل مشترك اتصال و مقدار تغيير شكل پلاستيك ورق‌ها با نتايج تجربي مقايسه گرديد. ميانگين خطاي نسبي بين نتايج شبيه‌سازي و تجربي بررسي دماي فصل مشترك اتصال برابر با %3/12 بدست آمد.

1403/12/15

Experimental investigation and numerical simulation of the ultrasonic metal welding of dissimilar multilayer metal sheets

1/1/1900 12:00:00 AM

Ultrasonic metal welding is an innovative welding method widely used in various industries for joining different parts. The growing development and production of electric vehicles and the urgent need for energy storage through the production of modern batteries (such as lithium-ion batteries) have significantly increased the importance of ultrasonic welding for metal joining. One of the main issues in the application of ultrasonic metal welding technology is the correct selection of input parameters to achieve a weld with suitable mechanical strength and electrical connection. To enhance technical knowledge in the field of joining components and thin sheets used in lithium-ion batteries, this study investigates the welding of dissimilar metals, specifically copper (with nickel coating) and aluminum 1050. The objective of applying the nickel coating is to improve weldability and enhance the mechanical and metallurgical properties of the joint. The effect of parameters such as time, pressure, and ultrasonic power on the mechanical strength of the joint was studied and optimized using Design of Experiments (DOE) software and Response Surface Methodology (RSM). In addition to the tensile shear test to determine joint strength, microscopic examination of the joint cross-section and imaging of the fracture location under different conditions were performed. The experimental results showed that the parameters of time, pressure, and power were the most influential positive factors on the mechanical strength of the joint. The maximum force obtained from the tensile shear test of the samples was 869.4 Newtons, indicating the effect of the nickel coating on improving joint strength. The relative error in the design of the experiments was 8.77%. With an increase in welding time, the effective weld thickness increased from 55.2% for a welding time of 0.2 seconds to 34% at a welding time of 1 second. Microstructural changes at the joint interface revealed that surface penetration and mechanical locking are the primary welding mechanisms. Effective weld thickness and bond density were found to be the most important microstructural parameters affecting the mechanical strength of the joint. Achieving a good weld at lower welding times and across a wide range of parameters, with a 5.5% increase in the maximum mechanical strength of the joint from the tensile shear test compared to previous studies, is one of the important findings of this research and is related to the presence of the nickel coating. Finite element simulation of the process was conducted using ABAQUS software, and the results, including the joint interface temperature and the amount of plastic deformation of the sheets, were compared with experimental results. The average relative error between the simulation and experimental results for the weld interface temperature was found to be 12.3%.

جوش فلز فراصوت , اتصال ناهم‌جنس , استحكام اتصال , تحولات ريزساختاري , شبيه‌سازي اجزاء محدود

Ultrasonic Metal welding , Dissimilar welding , joint strength , microstructural evolution , FEM simulation

Vahid allahverdizadeh

Dr. Rezvan abedini