Simulation and Optimization of Friction Stir Process of Aluminum 7075-T6 Alloy

Abstract

In recent decades, friction stir process (FSP) has become a popular manufacturing method for joining metals especially in automotive and aerospace industries. Aluminum alloys match the requirements of aircraft and automobile production due to the balance between light weight and strength as well as resistance to rust and corrosion. In the present study, Abaqus®/Explicit CAE 2017 (Complete Abaqus® Environment) with built-in Johnson-Cook material flow algorithm was used to model the friction stir process for joining two AA7075-T6 Aluminum alloy plates under different rotation and linear speeds. The trade-off analysis can be performed in three dimensional numeric domain before joining the alloys in experiments. This study used Eulerian finite-element simulation for the workpiece and Lagrangian simulation for the tool. The present study simulated tool rotation speed at 135, 500, 1000, 1500, 2000, 2500 rpm. Also, traverse speed was simulated at 16, 25, 50, 75, 100, 125 mm/min. The effects of different parameters on the temperature, material flow, and microstructures in SZ and TMAZ zones were evaluated. Taguchi DOE determined the optimum FSP/FSW process parameters at 1500 rpm rotation, 50 mm/min traverse, and 20 rev/mm pitch to generate the highest tensile strength. This study demonstrated that Abaqus®/Explicit is a powerful tool for engineers and researchers to develop optimized 3D numeric models. The Abaqus® inputs can be modified to adjust FSP parameters and simulate the thermo-mechanical goals that must be achieved in industrial applications. Optimum non-linear 3D model will minimize lab experimentation and will result in significant industrial cost savings. The findings of present study are useful for industrial manufacturing, future scientific studies of alloy compositions, and finding new alloys optimized for emerging industrial applications.

ÖZ: Son yıllarda, sürtünmeli karıştırma işlemi (FSP), özellikle otomotiv ve havacılık endüstrilerinde metalleri birleştirmek için popüler bir üretim yöntemi haline geldi. Alüminyum alaşımları, hafiflik ve mukavemet arasındaki dengenin yanı sıra pas ve korozyona karşı direnç nedeniyle uçak ve otomobil üretiminin gereksinimlerini karşılar. Bu çalışmada, iki AA7075-T6 Alüminyum alaşımlı plakayı farklı dönüş ve doğrusal hızlarda birleştirmek için sürtünmeli karıştırma işlemini modellemek için yerleşik Johnson-Cook malzeme akış algoritmasına sahip Abaqus® / Explicit CAE 2017 (Tam Abaqus® Ortamı) kullanılmıştır. Takas analizi, alaşımları deneylerde birleştirmeden önce üç boyutlu sayısal alanda gerçekleştirilebilir. Bu çalışmada, iş parçası için Euler sonlu eleman simülasyonu ve takım için Lagrange simülasyonu kullanılmıştır. Mevcut çalışma, 135, 500, 1000, 1500, 2000, 2500 rpm'de takım dönüş hızını simüle etti. Ayrıca travers hızı 16, 25, 50, 75, 100, 125 mm / dak olarak simüle edildi. Farklı parametrelerin SZ ve TMAZ bölgelerinde sıcaklık, malzeme akışı ve mikroyapılar üzerindeki etkileri değerlendirildi. Taguchi DOE, en yüksek gerilme mukavemetini oluşturmak için 1500 rpm dönüş, 50 mm / dak travers ve 20 rev / mm aralıkta optimum FSP / FSW işlem parametrelerini belirledi. Bu çalışma, Abaqus® / Explicit'in, mühendisler ve araştırmacılar için optimize edilmiş 3B sayısal modeller geliştirmek için güçlü bir araç olduğunu gösterdi. Abaqus® girişleri, FSP parametrelerini ayarlamak ve endüstriyel uygulamalarda ulaşılması gereken termo mekanik hedefleri simüle etmek için değiştirilebilir. Optimum doğrusal olmayan 3B model, laboratuvar deneylerini en aza indirecek ve önemli endüstriyel maliyet tasarrufu sağlayacaktır. Bu çalışmanın bulguları, endüstriyel üretim, alaşım bileşimlerinin gelecekteki bilimsel çalışmaları ve ortaya çıkan endüstriyel uygulamalar için optimize edilmiş yeni alaşımların bulunması için faydalıdır.