Numerical simulation of the plunge stage in friction stir welding

Abstract

This paper investigates the plunge stage using numerical modeling. A three-dimensional finite element model (FEM) of the plunge stage is developed using the commercial code ABAQUS to study the thermo-mechanical processes involved during the plunge stage. A coupled thermo-mechanical 3D FE model uses the arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation, the Johnson-Cook material law and Coulomb's Law of friction. The model is developed to study the temperature fields of alloy Al2024-T351 under different process parameters (rotating speed) during the friction stir welding (FSW) process. Numerical results indicate that the maximal temperature of the FSW process can be increased with the increase of rotational speed and that temperature is lower than the melting point of the welding material. In this analysis, temperature, displacement, and mechanical responses are determined simultaneously. The heat generation in FSW can be divided into three parts: frictional heat generated by the tool shoulder, frictional heat generated by the tool pin, and heat generated by material deformation near the pin region.

U ovom radu je istražena faza uranjanja alata primenom numeričkog modeliranja. Trodimenzionalni model konačnih elemenata (FEM) faze uranjanja je razvijen primenom softvera ABAQUS radi proučavanja termomehaničkih procesa koji se odvijaju tokom faze uranjanja. Spregnuti termomehanički 3D FE model se bazira na proizvoljnim formulacijama Lagranža-Ojlera, zakonu materijala Džonson-Kuk i Kulonovom zakonu trenja. Model je razvijen radi proučavanja temperaturskih polja legure Al2024-T351 pod različitim parametrima postupka (brzina rotacije) kod postupka zavarivanja trenjem mešanjem (FSW). Numerički rezultati pokazuju da se maksimalna temperatura postupka FSW može povećati sa povećanjem brzine rotacije, kao i da je temperatura niža od tačke topljenja zavarenog materijala. U ovoj analizi, temperatura, pomeranje i mehanički odzivi se određuju simultano. Izdvajanje toplote kod FSW se može podeliti na tri dela: toplota trenja koja se razvija kretanjem čela alata, toplota trenja dobijena kretanjem trna alata, kao i toplota usled plastične deformacije materijala u blizini oblasti trna alata.