Computer simulation of heat transfer on tools used in friction stir welding
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Universidad Industrial de Santander
Abstract
Description
Friction Stir Welding is a process used for joining metals, mainly of low melting temperature, such as aluminum alloys. Studies involving the tool used in this welding process, focusing mainly on quantifying the effect of geometry on the final properties of the welded joint. In this paper it was studied the effect of the tool geometry in the heat dissipation, using computer simulation, specifically the module CFX of Ansys®14.5. They were considered three tool geometries, each built in a modular way with three parts: Collet Chuck, Shank and Implant. The virtual assembly was subjected to simulation models for the calculation of temperature and heating time. The models were evaluated, considering as welding parameters: Welding Speeds of 100, 150, 200 and 250 mm.min−1 and Rotation Speed of 700, 800, 900 and 1000 rpm. For the calculation it was assume that the temperature reached on the implant (Shoulder and Pin) were 500°C, in a welding time of 1 hour. The results allow to improve the tools design with a shorter shank and allows to confirm the effectiveness of using fins on the shank for greater heat dissipation, being more effective the use of Fins Displaced towards the insert in comparison with System with Fins on the Rod Center.
La soldadura por fricción-agitación es un proceso empleado para la unión de metales, principalmente de baja resistencia mecánica, como aleaciones de aluminio. Los estudios que involucran la herramienta usada en este proceso de soldadura, se centran principalmente en cuantificar el efecto que la geometría ejerce en las propiedades finales de la junta. En este trabajo se estudia el efecto de la geometría de la herramienta en la disipación de calor, utilizando simulación computacional, específicamente el módulo CFX de Ansys®14.5. Fueron considerados tres geometrías de herramienta, cada una construida de forma modular con tres partes: cono, vástago e implante; el ensamble virtual fue sometido a simulación con modelos para el cálculo de la temperatura y tiempos de calentamiento. Los modelos fueron evaluados considerando como parámetros de soldadura las velocidades de avance de 100, 150, 200 y 250 mm.min-1 y rotación de 700, 800, 900 y 1000 rpm. Para el cálculo se consideró que la temperatura alcanzada en el implante (hombro y pin) es de 500 °C, con tiempo de soldadura es de 1 hora. Los resultados permiten refinar el diseño de herramientas con vástagos más cortos; confirma la efectividad del uso de aletas en el vástago para mayor disipación de calor, siendo más efectivo el uso de aletas desplazadas hacia el inserto en comparación con el sistema de aletas con estas en el centro
La soldadura por fricción-agitación es un proceso empleado para la unión de metales, principalmente de baja resistencia mecánica, como aleaciones de aluminio. Los estudios que involucran la herramienta usada en este proceso de soldadura, se centran principalmente en cuantificar el efecto que la geometría ejerce en las propiedades finales de la junta. En este trabajo se estudia el efecto de la geometría de la herramienta en la disipación de calor, utilizando simulación computacional, específicamente el módulo CFX de Ansys®14.5. Fueron considerados tres geometrías de herramienta, cada una construida de forma modular con tres partes: cono, vástago e implante; el ensamble virtual fue sometido a simulación con modelos para el cálculo de la temperatura y tiempos de calentamiento. Los modelos fueron evaluados considerando como parámetros de soldadura las velocidades de avance de 100, 150, 200 y 250 mm.min-1 y rotación de 700, 800, 900 y 1000 rpm. Para el cálculo se consideró que la temperatura alcanzada en el implante (hombro y pin) es de 500 °C, con tiempo de soldadura es de 1 hora. Los resultados permiten refinar el diseño de herramientas con vástagos más cortos; confirma la efectividad del uso de aletas en el vástago para mayor disipación de calor, siendo más efectivo el uso de aletas desplazadas hacia el inserto en comparación con el sistema de aletas con estas en el centro
Keywords
Aluminum Welding, heat transfer, tool design, thermal simulation, diseño de herramientas, simulación térmica, soldadura FSW de aluminio, transferencia de calor