Sürtünme karıştırma kaynağının ısıl modellemesi için 2.5 boyutlu sonlu farklar yönteminin geliştirilmesi: Alüminyum-bakır örneği

Abstract

Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK, İngilizcesi Friction Stir Welding-FSW), 1991 yılında İngiltere, Cambridge'deki Kaynak Enstitüsü (TWI) tarafından patentlenen bir katı hal kaynak işlemidir. Bu kaynak süreci(proses) 4 aşamadan oluşur: dalma, bekleme, ilerleme, çıkış. Dönen sert bir takım, bu evreler boyunca kaynak bölgesinde sürtünme yoluyla ısı ve plastik deformasyon oluşturur, böylece malzemeler ergime noktalarının %80-90'ı sıcaklıklarda birleşir. Bu hem daha düşük ısı girdisi hem de farklı ergime noktasına sahip metallerin intermetalik bileşim oluşmadan birleştirilerek dayanımın büyük oranda korunması yani kaynak veriminin yüksek tutulması anlamlarına gelir. Böylece ergitme kaynağı işlevsel olmayan kaynakların yapılabilmesini yapar. Bununla birlikte ergime kaynaklarına görece geometri esnekliği daha zayıf, yatırım maliyeti daha yüksek ve kaynak hızı daha düşüktür. Bu üstün ve zayıf özelliklerinin neticesinde ergitme kaynakları kadar yaygın bir kullanıma sahip olmamakla birlikte yüksek dayanım/hafiflik oranının önemli olduğu özellikle otomotiv ve havacılık endüstrilerinde özgül bir ağırlığı bulunmaktadır. SKK farklı malzeme ve işlem(proses) şartlarında uygulanabilirliklerinin ve en iyi(optimum) girdilerinin(parametrelerinin) belirlenmesi için deneysel yönteme olduğu kadar matematiksel modelleme-simülasyon çalışmalarına da ihtiyaç duyar. Bu modellemeler beklenen çıktılara göre farklı kapsamlarda olabilmektedir. SKK'de termomekanik sürecin temel belirleyicisinin karıştırma bölgesindeki zonundaki sıcaklık değerleri-dağılımı olduğu bilinmektedir. Bu nedenle bu çalışmada ısıl modelleme üzerinde durmaya karar verilmiştir. Modellemede işlem yükünü en düşük düzeye indirmek için 2 boyutlu yaklaşım ve ağ yöntemi-kinematik çerçeve olarak da sonlu farklar yöntemi seçilmiştir. Bunun gereği olarak levhalar 2 boyutta belirli sayıda ağa bölünmüş bununla birim soğuma etkisini daha doğru olarak modelleyebilmek için kalınlık etkisi eklenerek hacimsel hücreler oluşturulmuş yani 2.5 boyutlu (Quasi 2D) yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem, özel olarak geliştirilen Turkish-FDM adlı yazılımla bilgisayar diline dönüştürülmüş ve modeller bunun üzerinde çalıştırılmıştır. Geliştirilen bu yöntem test amaçlı olarak alüminyum-bakır kaynağının örnek bir çalışmadaki deney sonuçlarında yer alan zamanla değişen ısı değerleri girdi olarak kullanılarak çeşitli simülasyonlar yapılmıştır. Bu simülasyonlarda öncelikle ağ bağımsızlığı ve sonra yarı kararlı sürecin oluşumunu sağlayan minimum taşınım katsayısının varlığı aranmış daha sonra taşınım katsayısı, kaynak yarıçapının ve malzeme özelliklerinin sıcaklıklar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ek olarak hesaplama süreleri de yorumlanmıştır. Simülasyonlarda aynı girdiler kullanılarak ağ sayısı artırıldığında maksimum sıcaklık değerinin azaldığı fakat bu azalmanın giderek azaldığı dolayısıyla bir sonlu değere yakınsadığı görülmüş dolayısıyla ağ bağımsızlığı sağlanmıştır. Isı taşınım katsayısının artırılması beklendiği üzere maksimum sıcaklık değerlerini düşürmüş ve ancak belli bir değerden sonra beklenilen yarı kararlı evre oluşumu gözlemlenmiştir. İlerleme evresinin sonlarında meydana gelen ve levha ucu etkisi olarak adlandırılan sıcaklık artışı, önek çalışmayla aynı zaman aralıklarında-80 ve 87 saniyeleri arasında yakalanmıştır. Kaynak yarıçapı düşürüldüğünde ve malzeme özellikleri sıcaklık bağımlı yapıldığında da maksimum sıcaklıkların beklendiği üzere arttığı gözlemlenmiştir. Model çözünürlüğü (nokta sayısı) arttıkça, kararlılık için zaman adımının küçültülmesi gerekir. Bu ikili gereklilik, hesaplama sürelerini üssel olarak artırır. Nitekim iki boyutlu model geliştirme ihtiyacı buradan doğmuştur. Malzeme özelliklerinin sıcaklık bağımlı yapılması durumunda düşürülen zaman adımı da hesaplama süresini artırmıştır. Bunun için doğruluk-süre dengesini en iyileştirecek (optimize edecek) çarpanın seçilmesi gerekir. Hem maksimum sıcaklık hem de belirli izleme noktalarındaki zamana bağlı sıcaklık eğrilerinin bu 3 aşamalı termomekanik sürecin her bir aşamasında genel eğilim(trend) açısından örnek çalışmadaki simülasyon sonuç eğrileri ile büyük oranda benzer olduğu gözlemlenmiştir. Örnek çalışmadaki eğrilerdeki tüm yön değişimleri yaklaşık olarak aynı zaman aralıklarında meydana gelmiş fakat eğri daha düşük sıcaklıklarda seyretmiş yani tam örtüşme sağlanmamıştır. Bu beklenilen bir durumdur zira yöntemin doğası gereği takım geometrisinin omuz yarıçaplı dairesel ısıl kaynak olarak modellenmiş olmasıdır. Oysa en başta gerçekte takım 3 boyutludur ve dalma evresinde temas yüzeyi omuz çapı değil, zamanla artan dalmış pim dış yüzeyidir. Bunun dışında ısı kaynağı yüzeyde değil dalma derinliğinde ilerlemektedir. Bu farklar yapılacak deney ve 3 boyutlu simülasyon sonuçları ile elde edilecek deneysel(ampirik) düzeltme katsayılarıyla giderildiği takdirde mevcut yöntem bu konudaki en etkin yaklaşım olabilir. Bunun için takım geometrisini de sonlu farklar yöntemiyle modelleyebilen yöntem üzerinde çalışmaya başlanmıştır.