الکترود مخروط ناقص در جوشکاری نقطه ای مقاومتی

چكیده

الكترودهای مخروط ناقص (Truncated electrode) با زوایای مخروطی مختلف به طور گسترده در مونتاژ بدنه ی خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. به هرحال، اثر زاویه ی مخروط بر روی فرایند جوشكاری هنوز مشخص نشده است. در این مقاله، یك مدل المان محدود چند فیزیكی برای مطالعه ی اثر تغییرات زاویه ی مخروط بر روی جوش نقطه ای مقاومتی، مورد استفاده قرار گرفته است كه در این مدل مزدوج شدن میدان الكتریكی، میدان مغناطیسی، جریان سیال و انتقال حرارت در نظر گرفته شده است. 4 نوع زاویه ی مختلف (شامل زوایای 15، 30، 45 و 60) به صورت سیستماتیك مورد بررسی قرار گرفته اند. نتایج اخیر نشان داده است كه تغییرات در زاویه ی مخروط نه تنها بر روی كیفیت جوش اثر می گذارد، بلكه همچنین بر روی طول عمر الكترود نیز مؤثر است. به طور خاص، زاویه ی مخروطی پایین تر، موجب می شود تا دانسیته ی جریان شدیدتری بر روی لبه های سری ایجاد شود، موجب ایجاد تكان های الكترواستاتیك شدیدتری در قطعه ی مذاب می شود و بنابراین، موجب ایجد جریان های مایع قوی تر و میدان دمایی یكنواخت تری در قطعه ی در حال جوش دادن، می شود. این مسئله دارای اثر مثبتی بر روی كیفیت جوش می باشد. در عین حال، زوایای مخروطی موجب افزایش قابلیت سرد كردن الكترودها می شود. این مسئله به دلیل افزایش وزن و وجود دمای پایین تر در الكترودها، ایجاد می شود. به هر حال، الكترودهای مخروطی با زاویه ی كوچك ترموجب ایجاد قطعه های كوچكتری می شوند و مس بیشتری مصرف می كنند. به هر حال، برای الكترودهای با زوایای مخروطی كوچك، یك جریان جوش بزرگتر باید به منظور جبران حرارت پراكنده شده بوسیله ی الكترودها، اعمال گردد. علت این مسئله قابلیت سرمایش استثنایی آنها می باشد. به عنوان یك نتیجه، با در نظر گرفتن اثرات مربوط به زاویه ی مخروطی الكترودها،عمر الكترودها و همچنین هزینه های تولید، الكترودهای با زاویه ی 30 و 45 برای تولید بدنه های خودرو، پیشنهاد گردید.

مقدمه

تكنولوژی جوش نقطه ای مقاومتی (RSW) به طور گسترده برای مونتاژ صفحات فلزی مورد استفاده قرار می گیرد، مخصوصا در صنعت اتومبیل. یك بدنه ی اتومبیل تمام فولادی نمونه وار، از طریق جوش نقطه ای 4000 – 6000 مونتاژ می شود. در طی RSW، نه تنها الكتریسیته، بلكه الكترودهای مسی مصرف می شوند. عملكرد الترودهای مسی در RSW شامل اعمال نیرو برای جمع كردن صفحات نمونه ی كاری، انتقال جریان رسانایی به داخل نمونه های كاری و تسهیل سرد شدن متعاقب جوش می باشد. به منظور تولید یك قطعه ی با اندازه ی قابل قبول در یك زمان كوتاه، جریان اعمال شده از طریق الكترودها و نمونه ی كاری، باید به اندازه ی كافی بالا باشد. بنابراین، الكترودها در طی RSW، به سرعت گرم می شوند. در ضمن، به منظور مهیا نمودن یك مسیر رسانای مناسب در طول الكترودها و نمونه ی كاری، یك نیروی قوی باید به نمونه ها اعمال گردد. این نیرو منجر به تنش های داخلی بزرگی در الكترودها می شود. بنابراین، در طی RSW، الكترودها در تماس مستقیم با فلزات با دمای بالا هستند. این فلزات با دمای بالا در واقع قطعه ی مایع را در بر گرفته اند. اعمال نیروهای مكانیكی و گرمایی تكراری، می تواند موجب بدتر شدن سایش الكترودها شود، مخصوصا در جوشكاری صفحات فلزی نازك، آلومینیوم یا فولادهای گالوانیزه. برای یك خط مونتاژ با ظرفیت تولید سالانه ی 300000 ماشین در سال، 600000 الكترود مسی مورد استفاده قرار می گیرد كه ارزشی برابر با 350000 دلار آمریكا دارد. تولیدكنندگان به دنبال روش هایی هستند كه سایش الكترودها را كاهش دهند و بدین وسیله میزان مصرف الكترودها را كاهش دهند و بنابراین، هزینه های تولیدشان را كاهش دهند.
هندسه ی الكترود یك فاكتور كلیدی است كه بر روی سایش الكترودها اثرگذار است. مطالعات عملی و آماری مختلفی بر روی بررسی اثرات هندسه ی داخلی الكترودها، انجام شده است. هندسه ی خارجی الكترودها همچنین اثرات قابل توجهی را بر روی سایش الكترودها و تشكیل قطعه ی جوش دارد. همانگونه كه در شكل 1 نشان داده شده است، 6 نوع از هندسه های خارجی برای RSW طراحی شده است. از این هندسه ها، انواع A، B و E طراحی های متداول هستند. نوع D در زمانی استفاده می شود كه یك جوش در نزدیكی یك گوشه یا فلنج ایجاد شود. و نوع C و F برای بهبود كیفیت سطحی جوش، طراحی شده اند. در بین طراحی های متداول، نوع A قادر به حمایت از جوش هایی با اندازه ی بزرگتر از می باشد (t بیان كننده ی ضخامت نازكترین صفحه ی موجود می باشد). نوع B به طور نمونه وار موجب نفوذ بیشتری می شود زیرا دارای شكل كروی است و قادر به حمایت از جوش های با اندازه ی بزرگ نیست و نوع E (طراحی بریده) به طور نمونه وار پیشنهاد می شود زیرا دارای نرخ سایش پایینی است. تاكنون، یك تعداد مطالعات بر روی الكترودهای مخروطی ناقص انجام شده است. به هر حال، برای الكترودهای مخروط بریده، اثرات زاویه ی مخروط بر روی تشكیل قطعه ی جوش و سایش الكترود، هنوز واضح نیست.
به دلیل اینكه زاویه ی مخروط بر روی نزدیكی میان صفحات و الكترودها، اثرگذاراست، تغییر آن می تواند بر روی توزیع دانسیته ی جریان در الكترودها و نمونه ی كاری، اثرگذار باشد. علاوه بر این، در فرایند RSW، یك میدان مغناطیسی بزرگ و بوسیله ی جریان جوش، ایجاد می شود. علاوه بر این، جریان و میدان مغناطیسی با همدیگر برهمگنش می كنند و موجب تشكیل میدان نیروی مغناطیسی در قطعه ی كاری می شود. این مسئله موجب به حركت در آمدن فلزمذاب و مخلوط شدن نواحی گرم و نواحی سردتر قطعه می شود و به عنوان یك نتیجه، این مسئله بر روی توزیع دمایی ناحیه ی جوش داده شده و شكل و اندازه ی نهایی قطعه، اثر می گذارد. برای زاویه ی مخروطی مختلف، میدان دانسیته ی جریان با میدان مغناطیسی القا شده بوسیله ی آن، برهمكنش می كند و موجب تولید میدان های نیروی مختلف می شود. این مسئله مطمئنا موجب تشكیل رفتارهای مگنتو- هیدرو دینامیكی (MHD) در قطعه نمی شود و بنابراین، بر روی تشكیل قطعه و میدان دمایی موجود در الكترودها، اثر می گذارد.
به دلیل واضح نبودن و دمای بالای نمونه ی جوش داده شده، این سخت است كه به صورت مستقیم، رفتار MHD را در طی RSW اندازه گیری كرد. در سال 1996، Wei برای اولین بار، یك مدل تفاضلی محدود (FD) پیشنهاد داده است كه در آن با استفاده از در نظر گرفتن مزدوج شدن میدان های الكتریكی، مغناطیسی، گرمایی و جریان مایع در فرایند RSW، اثر خواص نمونه ی كاری، خواص معناطیسی، تغییر فازی، مقاومت تماس الكتریكی بر روی رفتارهای MHD الكترودهای مخروط بریده ی در فرایند RSW، مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به كار او، khan یك مدل FD سه بعدی و یك مدل FE بر پایه ی آباكوس پیشنهاد كردند كه بوسیله ی آنها، قابلیت مطالعه ی اثر جاذبه بر روی جریان مایع در طی RSW، ممكن شد. در سال 2007، Li یك مدل المان محدود چند فیزیكی (FE) برای مطالعه ی سیستماتیك جریان مایع و الگوهای انتقال حرارت تحت میدان مغناطیسی القا شده و اثر دامنه ی جریان جوشكاری و حالت جریان ورودی جوش كاری را بر روی تغییرات در رفتارهای MHD در RSW مورد استفاده قرار داد. به هر حال، تمام این محققین به صورت سیستماتیك، اثر تغییر زاویه ی مخروط را بر روی رفتارهای MHD ایجاد شده در قطعه ی جوش را در نظر نگرفته اند (مخصوصا میدان دمایی در الكترودها).
در این مطالعه، یك مدل FE چند فیزیكی، كه در آن رفتار مگنتو- هیدرودینامیكی (MHD) در قطعه ی جوش در نظر گرفته شده است، برای بررسی اثر زاویه ی مخروطی بر روی الكترودهای مخروط بریده ی بر روی فرایند RSW مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس شبیه سازی های عددی، نرخ سایش الكترودها در زوایای مخروطی مختلف مورد بحث قرار گرفته است و علاوه بر این، آزمایشاتی نیز در این زمینه انجام شده است.

مدل عددی

برای دیدن برهمكنش های میان الكترودها و نمونه ی كاری در RSW، هم الكترودها و هم نمونه های كاری در این مقاله، مدل سازی شده اند. برای فرایند RSW نمونه وار، تولید الكتریسیته و حرارت و انتقال های جرمی در اطراف محورهای الكترودی، متقارن در نظر گرفته شده است. بنابراین، آنها را می تواند با استفاده از تقارن محور در نظر گرفت (شكل 2a و 2b). به هر حال، با توجه به تئوری های الكترومغناطیس، میدان مغناطیسی القا شده بوسیله ی میدان الكتریكی متقارن به طور فیزیكی عمود بر میدان الكتریكی است (مثلا صفحه ی تقارن در شكل 2a و 2b نشان داده شده است). بنابراین، میدان مغناطیسی در RSW نمی تواند با مدل متقارن، مدل سازی شود. بنابراین، یك مدل سه بعدی گوه ای شكل برای آنالیز مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرد تا بدین صورت، ویژگی های تقارنی مربوط به میدان مغناطیسی مورد بررسی قرار گیرد. همانگونه كه در شكل 2c نشان داده شده است، هم لایه ی هوایی محدود و هم لایه ی هوایی نامحدود برای مدل مغناطیسی مورد استفاده قرار گرفته است. از لحاظ تئوری، یك لایه ی هوایی نازك محدود می تواند برای مدل سازی محو شدن میدان معناطیسی، مورد استفاده قرار گیرد. به هر حال، این مسئله در اصل موجب افزایش اندازه ی مدل و بنابراین كاهش بازده محاسباتی می شود. به عنوان یك نتیجه، یك لایه ی تكی محدود درالمان میدانی (مثلا اینفین 111)، برای مدل سازی زوال میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار گرفته است تا بدین صورت، نتایج بهتری حاصل گردد. همانگونه كه در شكل 2 نشان داده شده است، زوایه ی مخروطی می تواند از لحاظ پارامتری تغییر كند در حالی كه طول الكترود، شعاع بیرونی و شعاع سری، ثابت باشد. در این مطالعه، 4 نوع زاویه ی مخروطی مثلا زوایای 15، 30، 45 و 60 درجه مدل سازی شده است و نتایج با مطالعه بر روی اثر آن در فرایند RSW مورد بررسی قرار گرفته است.
به منظور كاهش بیشتر پیچیدگی فرایند چند فیزیكی مزدوج، فرض شده است كه فلز مذاب موجود در قطعه قابلیت متراكم شدن را نداشته باشد، ویسكوز باشد، لمینار باشد و از قانون نیوتونی تبعیت كند. همچنین از اثر جاذبه ی زمین بر روی جریان مایع صرفنظر شده است و میدان الكترومغناطیسی به عنوان شبه پایدار در نظر گرفته شده است. بر اساس فرض های بالا، معادلات MHD برای توصیف رفتارهای چند فیزیكی در فرایند RSW مورد استفاده قرار گرفته است. این معادله با معادله ی پیوستگی و معادله ی الكترومغناطیس ماكسول تطابق دارد و به صورت زیر نوشته می شود:
كه در اینجا، بردار شدت میدان الكتریكی، بردار دانسیته ی فلاكس مغناطیسی، بردار شدت میدان مغناطیسی ، بردار دانسیته ی جریان، پتانسیل بردار مغناطیسی، بردار سرعت، علامت كرونكر، P فشار هیدرواستاتیك، ضریب ویسكوزیته ی مؤثر می باشند.
عبارت منبع بیان كننده ی ایجاد حرارت در داخل قطعه می باشد. ظرفیت حرارتی اصلاح شده است كه در اینجا، و در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است:
كه در اینجا، T_s و T_l بیان كننده ی دماهای سالیدوس و لیكوییدوس است.
یك روش افزایشی برای مورد مدل سازی فرایندهای چند فیزیكی، مورد استفاده قرار می گیرد. یك ANSYS با كد FE یا چند فیزیكی و APDL مربوطه برای تشخیص مزدوج شوندگی میدان های الكتریكی، مغناطیسی، گرمایی و میدان جریانی در RSW مورد استفاده قرار گرفته است. همانگونه كه در شكل 3 نشان داده شده است، كل شبیه سازی به سه بخش تقسیم بندی می شود:
یك آنالیز الكترو- گرمایی
یك آنالیز مغناطیسی و
یك آنالیز دینامیك سیالاتی
در هر مرحله ی افزایشی، آنالیز الكترو- گرمایی دو بعدی ابتدا برای دانسیته ی جریان خروجی و حرارت ژول یكپارچه شده با زمان، اعمال می شود. و سپس، آنالیز سه بعدی مغناطیسی بر روی دنسیته ی جریان به عنوان ورودی انجام می شود و بدین وسیله، میدان نیروی مغناطیسی متوسط گیری شده بر اساس زمان، محاسبه می شود. بعد از آن، آنالیز میدان جریان با استفاده از حرارت ژول و میدان نیروی مغناطیسی به عنوان ورودی، مورد انجام می شود. ایده ی FLOW به عنوان ایده ی صحیح در نظر گرفته شده است به نحوی كه نیروی مغناطیسی می تواند در آنالیز دینامیك سیالات عمل كند. با توجه به مطالعات قبلی، جریان سینوسی و مقدار RMS آن می تواند اثرات تحركی قابل توجهی در فرایند RSW ایجاد كند. بنابراین، در این مطالعه، ورودی جریان RMS برای بهبود بازده حلالیت مورد استفاده قرار گرفته است.

نتایج و بحث ها

در این كار، ماده ی شبیه سازی شده، صفحات فولادی با ضخامت 1.6 میلی متر می باشد. فركانس كاری مربوط به منبع جوشكاری برابر با 60 Hz است، مقدار RMS (I_w) مربوط به جریان جوشكاری سینوسی مورد استفاده برابر با 8700 A بوده است. زمان جوشكاری 21 سیكل (هر سیكل 0.35 ثانیه) بوده است و جوشكاری در دمای 21 درجه ی سانتیگراد انجام شده است. دمای آب سرد كننده نیز برابر با 17.8 درجه ی سانتیگراد بوده است.
اثر زاویه ی مخروطی الكترودها بر روی میدان الكترومغناطیسی در RSW
در RSW، یك تفاوت هندسی درسطح تماس و در زمانی ایجاد می شود كه تماس های الكترودی كوچك با نمونه های با سطح بزرگ، ایجاد می شود. این مسئله را تكینگی هندسی (geometry singularity) نامیده می شود. برای زوایای مخروطی مختلف، تكینگی هندسی میان الكترود و نمونه ی كاری، متفاوت است. زاویه ی مخروطی كوچكتر موجب ایجاد جریان های متفاوت جوشكاری می شود. بردارهای دانسیته ی جریان در پایین ترین لایه از المان های الكترودی برای زوایای مخروطی مختلف در شكل 4 نشان داده شده است. این واضح است كه برای هر زاویه ی مخروطی، توزیع دانسیته ی جریان در طول سطح موجود، از وسط لبه ها، یكنواخت نیست. در بخش میانی، دانسیته ی جریان نسبتا یكنواخت است و جهات آن تقریبا بر روی سطح مشترك تماس صفحات نمونه ی كاری، عمود است. به هر حال، این مقدار در اصل در بخش لبه ها افزایش می یابد. علاوه بر این، در نزدیكی لبه ی الكترودها، اجزای بزرگتر در جهت افقی است.
با كاهش زاویه ی مخروطی از 60 به 15 درجه، یكنواختی مربوط به توزیع دانسیته ی جریان در طول سطح، به طور قابل توجهی افزایش می یابد. برای زاویه ی 60 درجه، تفاوت میان بخش میانی و لبه ها تنها 0.26E+08 A/m^2 است. به هرحال، برای زاویه ی 15 درجه، این تفاوت به 0.93E+08 A/m^2 می رسد كه این مقدار یك سوم بزرگتر از دانسیته ی جریان در بخش میانی است. این تفاوت بزرگ در دانسیته ی جریان و جهت آن موجب ایجاد تفاوت در میدان مغناطیسی می شود و در نهایت منجر به تولید میدان نیروی مغناطیسی می شود. و بنابراین موجب ایحاد قوانین جریان سیال متفاوت در قطعه ی جوش می شود.
اثر زاویه ی مخروطی الكترود بر روی میدان سرعت در قطعه ی جوش
شكل 5 نشاندهنده ی میدان جریان در قطعه تحت زوایای مختلف است. این واضح است كه برای تمام زوایای مخروطی، الگوهای جریان آنها به طور كامل ایده آل است. فلز مذاب در هر قطعه موجب ایجاد جریان های چرخشی در 4 سلولی می شود كه نسبت به سطح و محور الكترود، تقارن دارند. در واقع مركز قطعه در طول سطح جریان می یابد و دوباره به سمت مركز قطعه بازمی گردد. به دلیل جریان چرخشی، 4 مركز چرخشی (مانند گرداب) در قطعه ایجاد می شود. 4 گرداب در نزدیكی سطح قرار دارند و از مركز تقارن قطعه دورند. علاوه بر این، سرعت جریان در مركز گرداب بسیار پایین است. برای زوایای مخروطی مختلف، سرعت جریان ماكزیمم همواره در سطح و لبه های قطعه، مشاهده می شود. این مسئله از پیوستگی ایجاد می شود كه از میدان نیروی مغناطیسی اطراف این محل، نشئت گرفته است.
وقتی سرعت جریان ماكزیمم برابر با صفر متر بر ثانیه باشد، میدان جریان نیز ناپدید می شود. در همین زمان، وقتی دمای ماكزیمم در قطعه پایین تر از سالیدوس است، قطعه ی مایع تشكیل نمی شود یا در كل حذف می شود. بنابراین، سرعت جریان ماكزیمم و دمای ماكزیمم در RSW می تواند بر روی آغاز، رشد و كریستالیزاسیون قطعه اثرگذار باشد. شكل 6 تغییر ماكزیمم سرعت جریان را در قطعه و تحت زوایای مخروطی مختلف، نشان می دهد. واضح است كه در مرحله ی حرارت دهی مقاومتی، زوایای بزرگتر اولین زمانی است كه جریان ایجاد می شود (شكل 6b)؛ در حالی كه در این زمان، سرعت جریان ماكزیمم پایین تر است. علاوه بر این، سرعت جریان ماكزیمم به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این رویه یه طور خطی با زاویه ی مخروط، كاهش می یابد. در واقع سرعت جریان ماكزیمم برای زوایای 15 و 30 درجه مشابه است. از آنجایی كه دامنه ی جریان جوشكاری و زمان حرارت دهی برای زوایای مخروطی مختلف، ایده آل است، تفاوت قابل توجه در سرعت جریان موجود میان زوایای مخروطی مختلف، به طور واضحی بواسطه ی وجود تفاوت در توزیع دانسیته ی جریان (از لحاظ مقدار و جهت)، ایجاد می شود.
در طی مرحله ی نگه داشتن، جریان های مایع قوی تری در قطعه ایجاد می شود و اتلاف حرارتی سریع تر است. بنابراین، زاویه ی مخروطی كوچكتر موجب سریع تر شدن كاهش سرعت جریان می شود. علاوه بر این، بعد از حدود 0.02 ثانیه از مرحله ی سرد كردن، سرعت های جریان ماكزیمم الكترودهای با زاویه ی مخروطی كوچك حتی كمتر از سرعت های مربوط به الكترودهای با زوایای بزرگ می شود (شكل 6c).
اثر زوایه ی مخروطی الكترود بر روی میدان گرمایی در قطعه ی جوش
شكل 7 نشاندهنده ی میدان گرمایی مربوط به قطعه تحت زوایای مخروطی مختلف است. این واضح است كه در مقایسه با نتایج محاسباتی مربوط به مدل سنتی، گرادیان های دمایی تحت زوایای مخروطی مختلف با EMS در قطعه، اندك در نظر گرفته شده است. زاویه ی مخروطی بزرگتر موجب پدید آمدن گرادیان دمایی بزرگتر در قطعه می شود. این واضح است كه این مسئله بوسیله ی وجود دامنه های جریان سیال مختلف در قطعه، ایجاد می شود. برای زوایای مخروطی كوچك، جریان های مایع قدرتمندی در حوالی قطعه ایجاد می شود. این جریان ها موجب مخلوط شدن مناسب فلز گرم و سرد می شود و بنابراین، به طور قابل توجهی موجب كاهش گرادیان های دمایی موجود در قطعه می شود. گرادیان دمایی كاهش یافته موجب آزاد شدن سختی در جوش فولادهای با استحكام بالا می شود و موجب كاهش تنش های باقیمانده در جوش ها می شود. به دلیل اثر EMS بر روی زوایای مخروطی كوچك تر، بیشتر است، از لحاظ تئوری، جوش های ایجاد شده تحت زوایای مخروطی كوچك، بیشتر مورد حمایت قرار می گیرند. به هر حال، با افزایش زاویه ی مخروط، عرض قطعه به طور قابل توجهی افزایش می یابد اگر چه، ضخامت قطعه بدون تغییر باقی می ماند. این مسئله نشاندهنده ی این است كه جرم برای زوایای مخروطی كوچك، افزایش می یابد و این مسئله موجب افزایش قابل توجه اثر سرمایشی بر روی الكترودها می شود و موجب خروج حرارت بیشتری از قطعه می شود. بنابراین، این مسئله موجب افزایش اثرات EMS بر روی اندازه ی قطعه می شود كه اثری منفی در نظر گرفته می شود.
شكل 8 تغییرات دمای ماكزیمم برای زوایای مخروطی مختلف را نشان می دهد. این واضح است كه اثر زوایه ی مخروطی بر روی تغییر ماكزیمم دما، قابل توجه نیست و تغییر ماكزیمم دما تقریبا در طی فرایند ایده آل است (مخصوصا در مرحله ی اولیه ی حرارت دهی). با افزایش زمان، تفاوت دمایی بیشتر و بیشتر می شود. علاوه بر این، زاویه ی مخروطی بزرگتر موجب می شود تا دمای ماكزیمم بالاتری برای جرم الكترونی كاهش یافته ایجاد شود. در مرحله ی فازی، تفاوت دمایی میان زوایای مخروطی مختلف برای جذب گرمای نهان، خنثی شده است. بعد از آن، دمای ماكزیمم و تفاون های دمایی دوباره افزایش می یابد و رویه ی این افزایش مشابه چیزی است كه قبل از تغییر فازی ایجاد شده است. به هر حال، در حدود 0.27 ثانیه، نرخ افزایش دمای ماكزیمم برای تمام زوایای مخروطی به طور قابل توجهی كاهش می یابد. همانگونه كه در شكل 6 نشان داده شده است، در این مرحله، سرعت جریان فلز مذاب بسیار بالاست و بنابراین، این EMS قوی است كه با افزایش دما، به طور قابل توجهی كاهش می یابد.
در مرحله ی نگهداری، برای جریان های داخلی قوی از فلز مذاب، حرارت در قطعه سریع تر از مرحله ی اول از بین می رود و بنابراین، دمای به طور بسیار سریع افت می كند. علاوه بر این، زاویه ی مخروطی كوچكتر، موجب سریع تر شدن افت دمای ماكزیمم می شود.
زاویه ی مخروط موجب افت سریع تر در دمای ماكزیمم می شود. وقتی سرعت جریان به كمتر از 0.1 mm/s كاهش می یابد، اثر EMS بر روی قطعه بسیار محدود است و بنابراین نرخ افت دما به طور ظاهری سریع تر می شود. در مقایسه با زاویه ی مخروطی 60 درجه، سایر زوایا دارای رویه ی یكسانی هستند. این مسئله به طور واضح بوسیله ی تفاوت كوچك در سرعت جریان ماكزیمم در قطعه، ایجاد می شود.
به منظور آشكار شدن سایر پدیده های ایجاد شده بوسیله ی میدان الكترواستاتیك در RSW، تغییرات دمایی در 5 نقطه ی خاص مورد بررسی قرار گرفت. همانگونه كه در شكل 9a نشان داده شده است، P1 در مركز قطعه، P2 و P3 در سطح قطعه ، P4 در داخل گرداب چرخشی مربوط به میدان جریان و P5 بر روی محور عمودی قطعه واقع شده است. شكل 9a تغییر دمایی 5 محل در زاویه ی مخروطی 15 درجه را نشان می دهد و نتایج بدون در نظر گرفتن EMS، در شكل 9b نشان داده شده است. این واضح است كه قبل از ذوب، دماهای هر دو مورد به طور كامل یكسان است. در اولین سیكل حرارت دهی، دمای P1، P2 و P3 به سرعت برای الكترودهای با سطح تماس بیشتر، افزایش می یابد. علاوه بر این، فاصله ی بیشتر از مركز قطع موجب می شود تا نرخ دمایی بالاتری ایجاد شود. به هر حال، دماهای بالاتر موجب می شود تا مقاومت تماس سریع، كاهش یابد و در نتیجه دما در زمان متعاقب كاهش می یابد. با حرارت دهی پیوسته، 5 نقطه تماما به نقطه ی استحاله ی فازی می رسند و دماهای آنها افت می كند.
بعد از ذوب شدن، 5 محل برای هر دو مورد به طور پیوسته و با نرخ بالا، حرارت دهی می شود. برای موردی كه در آن EMS در نظر گرفته نشده است، دماها به طور سریع افزایش می یابد تا جایی كه جریان جوش افت كند. مركز قطعه (یعنی P1) به دمای 2118 درجه ی سانتیگراد می رسد كه این دما از دمای بخش های دیگر بالاتر است. P3 و P4 در حوالی لبه ی قطعه واقع شده اند بنابراین، دمای آنها بسیار پایین تر است. به هر حال، عمل EMS موجب می شود تا دما اندكی افزایش یابد در حالی كه این دما تا زمانی ثابت باقی می ماند كه فاز جوش داده شده، كامل شود. علاوه بر این، مكان های مرجود بر روی سطح، دارای دمای بالاتری نسبت به مكان موجود بر روی محور عمودی است. در ضمن، در سطح، فاصله ی دورتر تامركز قطعه موجب می شود تا دمای افت یافته بیشتر باشد. در P4 كه در داخل مركز چرخشی واقع شده است، اثر جریان سیال به نسبت ضعیف است و بنابر این، دمای آن اندكی افزایش می یابد و به 1806 درجه می رسد. بنابراین، این دما، دمای ماكزیمم در بین 5 نقطه می شود.
در مرحله ی سرد كردن (مثلا بعد از 0.35 ثانیه)، برای مورد بدون در نظر گرفتن EMS، دما در تمام مكان ها ، سریع افت می كند زیرا در این حالت، سرد كردن پیوسته بوسیله ی آب در حال چرخش، ایجاد می شود. به هر حال، برای موردی كه EMS در نظر گرفته شده است، اگر چه نیروی الكترومغناطیسی ناپدید شده است، فلز مذاب هنوز هم جریان داخلی ایجاد می كند. این مسئله موجب می شود تا نرخ سرد كردن به طور قابل توجهی در تمام محل ها، كاهش یابد. در ضمن، گرادیان دمایی پایین در قطعه همچنین موجب كمك كردن به نرخ سرمایش می كند. این را می توان فهمید كه دماهای بالاتر در انتهای فاز جوشكاری، موجب ایجاد اثر واضح تری بر روی جریان داخلی می باشد و موجب افزایش نرخ سرد كردن در زمان اولیه می شود.
برای مطالعه ی بیشتر بر روی اثر میدان الكترومغناطیسی بر روی پدیده ی انتقال در زوایای مخروطی مختلف، تغییر دمای در P1، P2 ، P3 ، P4 و P5 در زوایای مخروطی مختلف مورد بررسی قرار گرفت. همانگونه كه در شكل 10 نشان داده شده است، برای تمام محل ها، تغییر دما در زوایای مخروطی مختلف دارای رویه ی مشابهی است. 15 درجه دارای حداقل دما و 60 درجه دارای بیشترین دماست. 30 و 45 درجه نیز حالت بینابینی دارند. علاوه بر این، تغییر دمایی اتفاق افتاده در 30 درجه و 45 درجه، به نتایج 15 درجه نزدیك است. این مسئله واضح است چون تفاوت در تغییرات سرعت میان 15، 30 و 45 درجه ، نسبتا اندك است. در مرحله ی نگهداری، دستگاه از جوش جدا می شود، شرمایش قوی آب در حال چرخش، اتفاق می افتد و موجب می شود تا افت قابل توجهی در دما ایجاد شود.
به هر حال، به دلیل جریان داخلی قوی، سرد كردن اجباری به طور سریع توزیع می شود و نرخ سرد كردن بسیار سریع كاهش می یابد. علاوه بر این، یك دمای مشهود برای 15 درجه و 30 درجه و در مكان های P1 و P5 مشاهده شده است. بدون سرد كردن های دیگر، جریان داخلی نزدیك به مرز قطعه به طور قابل توجهی كاهش می یابد. بنابراین، نرخ سرد كردن در حوالی مركز قطعه، دوباره افزایش می یابد. با گذر زمان، جریان اولیه بسیار ضعیف می شود (شكل 6c) و بنابراین، رویه ی نرخ سرد كردن هر محل در زوایای مخروطی مختلف، ایده آل می شود.
اثر زاویه ی مخروط الكترودی بر روی میدان حرارتی در الكترود
شكل 11 میدان حرارتی موجود در الكترود را تحت دماهای الكترودی بالا، نشان می دهد. بدون شك، الكترود دارای زاویه ی مخروطی كوچكتر دارای جرم بیشتری است. این مسئله می تواند موجب بهبود ظرفیت سرمایشی می شود و كمك می كند تا حرارت بیشتری وارد الكترود شود و از این رو میزان آب مورد استفاده برای سرد كردن نیز بیشتر می شود. بنابراین، به طور قابل توجهی بر روی تجمع حرارت در الكترود، اثر دارد.
در شكل12، توزیع دما در سطح سری الكترودی تحت زوایای مخروطی مختلف، نشان داده شده است. این تصاویر اثر زاویه ی الكتروی را آشكار ساخته است. این واضح است كه با افزایش خطی زاویه ی مخروطی از 15 به 60 درجه، دما در سطح سری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. دما در مركز بیشتری از لبه هاست. علاوه بر این، در زوایای مخروطی كوچكتر، تفاوت دمایی بزرگتری میان مركز و لبه ها مشاهده می شود. یك تفاوت 241 درجه ای برای زوایه ی 15 درجه مشاهده شده است. این تفاوت در زاویه ی 60 به 111 درجه می رسد. به دلیل تكینگی هندسه ی میان الكترود و نمونه ی كاری، فشار الكترود همواره و در طی فرایند RSW، متمركز است. بنابراین، دمای پایین تر در لبه های سری مشاهده می شود و این مسئله موجب كاهش میزان سایش می شود. همانگونه كه در شكل 12 مشاهده می شود، یك تفاوت در حدود 200 درجه ای میان دمای لبه های مربوط به زوایای 15 و 60 وجود دارد. بنابراین، بین 4 نوع از الكترودها، نرخ سایش مربوط به زاویه ی 15 درجه آهسته ترین حالت است.
برای الكترود های دارای زوایای مخروطی مختلف، علاوه بر اثر توزیع دانسیته ی جریان، تغییر مستقیم در واقع كاهش جرم الكترود است. همانگونه كه در شكل 13 نشان داده شده است، دمای لبه ی الكترود به طور قابل توجهی با جرم سری الكترود در ارتباط است. با افزایش خطی در زاویه ی مخروط، جرم الكترود افت می كند مخصوصا از زاویه ی 45 به 60. كاهش وزن با افزایش زاویه ی مخروط، می تواند به طور قابل توجهی موجب كاهش نرخ سرد كردن الكترود می شود. و بنابراین، این مسئله موجب افزایش قابل توجه در دمای لبه ها می شود (مخصوصا برای زوایه ی 60 درجه).
اثر زاویه ی مخروط بر روی سایش الكترود
به دلیل توزیع متفاوت دما در طول الكترود دارای زوایای مخروطی مختلف، نرخ سایش الكترود در زوایای مختلف می تواند متفاوت باشد. از لحاظ تئوری، دماهای پایین تر سری موجب افزایش عمر سری می شود. برای تأیید این مسئله، الكترودهای با زوایای مخروطی مختلف تولید شد و از فولاد گالوانیزه با ضخامت 0.8 میلی متر برای انجام تست سایش استفاده شد. یك قطعه ی با قطر 4√t (t ضخامت صفحات فولادی) به عنوان معیار ارزیابی مورد استفاده قرار گرفت. اندازه ی قطعه 100 امین جوش برش داده شد تا اندازه ی جوش با میكروسكوپ متالورژیكی، اندازه گیری گردد. جوش های كمتر از میزان بحرانی، مورد قبول قرار نگرفت.
شكل 14 سایش الكترود را تحت زوایای مخروطی مختلف و پارامترهای جوشكاری ایده آل، نشان داده است. این مشاهده می شود كه اقطار قطعات برای زوایای مخروطی مختلف در هر 100 جوش مورد قبول، به طور واضح در طول عمر مفید الكترودها، تغییر می كند. علاوه بر این، برای 200 جوش ایده آل، زاویه ی مخروطی بزرگتر دارای قطر قطعه ی بزرگتری است. این مسئله با نتایج عددی نشان داده شده در شكل 7 تطابق دارد. به هر حال، با وجود سایش پیوسته، این قانون برای حالتی كه دمای الكترود افزایش می یابد، تغییر خواهد كرد. این واضح است كه اگر چه جریان سیال برای زاویه ی 15 درجه، قوی تر است، اثر سرمایشی بهبود یافته بوسیله ی افزایش جرم موجب خارج شدن مقدار قابل توجهی حرارت از نمونه ی كاری می شود. همچنین این مسئله در قطعه ی با قطر كم ترین مشاهده می شود.
مقایسه ی نرخ سایش برای الكترودهای با زاویه ی مخروطی مختلف نشان داده است كه زویای مخروط كوچكتر موجب اهسته تر شدن سایش می شود. یك چنین پدیده ای می تواند با استفاده از مسئله ی توزیع دمای در طول سطح الكترود، توصیف گردد. برای زوایای الكترودی بالا، دمای لبه ها بالاتر است و این مسئله موجب می شود تا تغییر شكل های بزرگتری ایجاد شود و بنابراین شكست با سهولت بیشتری ایجاد می شود.

نتیجه گیری

در این مقاله، اثر زاویه ی مخروطی در الكترودهای مخروط ناقص بر روی تشكیل قطعه ی جوش و عمر مفید الكترود (با استفاده از دو روش عددی و تجربی) مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج زیر حاصل شده است:
با كاهش در زاویه ی مخروطی از 60 به 15، عدم یكنواختی در توزیع دانسیته ی جریان در طول سطح افزایش می یابد. یك چنین اثر بزرگی در دامنه ی دانسیته ی جریان و جهت آن، مووجب ایجاد میدان مغناطیسی متفاوت می شود و در نهایت موجب تولید میدان نیروی مغناطیسی مختلف می شود.
در مرحله ی حرارت دهی، زاویه ی مخروطی بزرگتر، موجب شروع سیالیت زودتر می شود اما موجب ایجاد سرعت ماكزیمم سیالیت پایین تری می شود. علاوه بر این، افزایش قابل توجه در سرعت جریان ماكزیمم موجب كاهش خطی زاویه ی مخروط می شود. در طی مرحله ی نگهداشتن، زوایای مخروطی كوچكتر موجب كاهش سریع تر سرعت سیالیت می شود.
جریان سیال ظاهر خواهد شد و در زمانی كه مذاب ظاهر شود، بر روی تغییر میدان گرمایی اثر می گذارد. زاویه ی مخروطی كوچكتر موجب ایجاد جریان مایع قوی تر، كاهش گرادیان حرارتی، كاهش دمای ماكزیمم و بنابراین، موجب سریع تر شدن نرخ سرمایش می شود. علاوه بر این، در مقایسه با حالت سنتی، محل های قرار گرفته در داخل قطعه، فاز ركود را تجربه می كنند و نرخ سرمایش در محل های مختلف عموما موجب كاهش اثر سیالیت مایع می شود.
الكترودهای با زوایای كوچكتر، موجب افزایش قابلیت سرمایش می شود كه علت آن افزایش جرم الكترود است. این قابلیت بسیار كمتر از دمای سری الكترود و نرخ سرمایش قطعه است و بنابراین موجب افزایش عمر مفید الكترود می شود.
به هر حال الكترودهای دارای زاویه ی مخروطی 15، دارای مزیت های ظاهری از جمله افزایش عمر مفید و كفیت جوش هستند. به هر حال، به منظور ایجاد اندازه ی یكسان برای جوش، الكترودهای دارای زاویه ی 15 به طور گسترده برای جبران اتلاف حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند. این الكترودها میزان مصرف مس كمتری دارند. بنابراین، زاویه ی مخروطی كوچكتر موجب افزایش هزینه های تولید می شود. در كل، با در نظر گرفتن اثر زاویه ی مخروطی بر روی عمر مفید الكترود، كیفیت جوش و هزینه های تولید، باید گفت: الكترودهای با زوایای 30 و 45 برای تولید انبوه پیشنهاد می شوند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.