احمد توسلیمنش

تاریخ انتشار : Publish : نسخه قابل چاپ Print



دانشکده مهندسی

گروه مهندسی مکانیک

 

جلسه ­دفاع از رساله دکتری مهندسی مکانیک گرایش طراحی جامدات

 

عنوان:

 

تولید لولههای کامپوزیت دوجداره مس- آلومینیوم با و بدون نانو مواد به روش FSW/ FSP و بررسی خواص مکانیکی آن‌ها

 

ارائه ­دهنده:

احمد توسلیمنش

 

استاد راهنما:

دکتر علی علوینیا

 

 

اساتید داور:

دکتر علیرضا فلاحی آرزودار

دکتر اکبر حیدرپور

دکتر امیرحسین محمودی


زمان:

یکشنبه30 دی ماه 1397 ساعت 14

سالن آمفی تئاتر دانشکده مهندسی

 

 

BU-Ali Sina University

Faculty of Engineering

Department of Mechanical Engineering

 

Thesis submitted for Ph.D

 

 

Title

 

Production of Al-Cu composite bi-tubes with and without nano-materials using FSW/FSP and investigating their mechanical properties


By:

Ahmad Tavassolimanesh

 
Superviser:

Ali Alavi Nia (Ph.D)

 

Master Reviewers:

 

Alireza Fallahi Arezoudar

Akbar Heidarpour

Amir Hossein Mahmoudi

 

 

Tuesday, January 20, 2019

Faculty of Engineering Amphitheater, 14:00


 

چكيده:

            مس، فلزی گران­بها با خواص فیزیکی و الکتریکی منحصربه‌فرد است که به علت محدودیت منابع معدنی با افزایش قیمت روزافزون روبه‌روست. همین مسئله دانشمندان را بر آن داشته تا به دنبال جایگزینی آن با فلزاتی با خواص مشابه مانند آلومینیوم باشند. راه­حل دیگر، استفاده از سازه­های دو جداره مانند لوله­های دوجداره مس-آلومینیوم است. در این سازه­ها همزمان با استفاده از خواص مس، از آلومینیوم برای کاهش قیمت و وزن آن استفاده می­شود. این نوع از لوله­ها در انتقال آب شرب در ساختمان­ها، صنایع شیمیایی، پالایشگاه­ها، خطوط هیدرولیک، تهویه مطبوع و مبدل­های حرارتی و همچنین، صنایع غذایی استفاده می­شوند. در این پژوهش، با استفاده از یک روش جدید، لوله­های دوجداره مس-آلومینیوم تولید شدند. ابتدا یک قیدوبند جدید برای نگهداری لوله­ها و دوران آن‌ها حول محورشان و یک قالب جدید برای داخل لوله­ها جهت انجام جوشکاری FSW، طراحی و ساخته شد. لوله­های دوجداره مس-آلومینیوم به‌صورت انطباق مماسی آماده شده و روی قیدوبند نصب شدند. سپس، با استفاده از ابزار ساخته شده از جنس فولاد H13 و دستگاه فرز، جوشکاری آن‌ها انجام شد. ابتدا جوشکاری لوله­ها روی یک خط محیطی با شرایط مختلف انجام شد. سپس، نمونه­هایی از مقطع جوش و در راستای عمود بر آن تهیه شد تا تصویربرداری­های ماکرو و ریزساختار، آزمایش­های سختی­سنجی و برش، برای تعیین خواص ریزساختاری و مکانیکی بر روی آن‌ها انجام شود. نتایج نشان داد جوشکاری روی­هم لوله­ها با سرعت پیشروی و دورانی mm/min 60 و rpm 710 بهترین نتایج را ارائه می­دهد. سپس، برای بررسی اثر استفاده از نانو مواد بر استحکام اتصال لوله­ها از نانو ذرات TiC با درصدهای حجمی 6/1، 2/3 و 8/4 استفاده شد. نتایج نشان داد که استفاده از نانو ذرات موجب تضعیف خواص مکانیکی می­شود، مثلاً استحکام اتصال لوله­ها تا 60 درصد اتصال جوشکاری بدون استفاده از نانو ذرات کاهش می­یابد. درنهایت با استفاده از تجربیات به‌دست‌آمده، جوشکاری لوله­ها روی یک مسیر مارپیچ و در سرتاسر طول لوله انجام شد. لوله­ها روی یک مسیر مارپیچ و با تعداد حلقه­های مختلف جوشکاری شدند. آزمایش برش لوله­ها به­منظور بررسی استحکام اتصال آن‌ها انجام شد. مطابق نتایج نیروی شکست حاصل از این آزمایش­ برای لوله­های آلومینیومی پوشیده شده با لوله مسی و لوله­های مسی پوشیده شده با لوله آلومینیومی به ترتیب، تا 3 و 9 برابر نیروی محوری لازم برای تولید این نوع از لوله­ها به روش انقباض محیطی است. برتری نیروی لازم برای جدایش لوله­ها در کنار افزایش سختی سطح، بهبود ساختار ریزدانه در محل اتصال و اختلاط اتمی و بین فلزی میان ذرات مس و آلومینیوم دلایل محکمی برای اثبات مزیت تولید لوله­های دوجداره مس-آلومینیوم با استفاده از این روش نسبت به سایر روش­هاست. همچنین، به­منظور بررسی تاریخچه دمایی جوش، ابتدا مدل­سازی عددی با استفاده از روابط تجربی و امکانات نرم­افزار قدرتمند کامسول انجام شد. نتایج حاصل از شبیه­‌سازی عددی و اندازه­‌گیری­های تجربی دما تطابق بسیار خوبی را نشان داد. سپس، بررسی پارامتری سرعت و مسیر ذرات در ناحیه جوش با استفاده از نتایج حاصل از شبیه­‌سازی انجام شد. بررسی­های عددی نشان داد که استفاده از سرعت دروانی بیشتر ابزار موجب ایجاد گرادیان سرعت دورانی بیشتر ذرات حول پین ابزار خواهد شد.



 

Abstract:

  Copper and its alloys are extensively used for their electrical properties, thermal conductivity, corrosion resistance, easy fabrication and acceptable fatigue resistance. Also, copper tubes are extensively used because of their excellent conductivity, strength, and corrosion resistance. However, their high density and ever-increasing price encourage the attempts to replace them with metals of similar properties (such as aluminum) with lower weight and cost. To this end, bimetallic copper-aluminum tubes are one of the alternatives. This has led scientists to seek to replace them with metals with similar properties, such as aluminum. Another solution is to use bimetallic structures, such as copper-aluminum bimetallic tubes. In this research, a new method is developed for manufacturing bimetallic tubes from pure Copper and 6061-T6 Aluminum tubes by Friction Stir Welding (FSW). In this research, the tubes were successfully joined by this new method. Then, the effect of welding parameters such as rotational speed and traverse speed on surface quality, hardness profile, macro and micro-structure and shear strength of the samples was investigated. Experimental results showed that copper and aluminum to be blend much better when bimetallic tubes are manufactured by FSW compared to other methods such as Severe Plastic Deformation (SPD). Furthermore, incorporating high rotational speeds during welding results in generation of excess heat, thus reducing weld surface quality and strength of copper and aluminum tube joints. According to the results, samples welded at rotational speed of 710 rpm  and traverse speed of 60 mm/min  presented the highest shear strength. Then, nanoparticles were used to investigate the effect of the use of them on the bond strength of the tubes. The results showed that the use of nanoparticles would weaken the mechanical properties and strengthen the bonding of the tubes. After examining the strength of copper-aluminum tubes connection on a welding line and obtaining optimal parameters, welding of the tubes on a spiral path from the beginning to the end of their length was conducted. Examining the results obtained from separation of bimetallic copper-aluminum tubes produced by the FSW method indicated that the obtained fracture force is a function of the strength of the base material on both ends of the bimetallic tube. Improving mechanical properties and FSW connection microstructure between copper-aluminum tubes, factors such as superiority of the force required for the tube separation along with increased surface hardness, improved fine-grained structure at the connection point, and atomic and intermetallic mix of copper and aluminum particles all are the main reasons to prove advantage of producing copper-aluminum bimetallic tubes by this method compared to other methods such as shrink fit. Also, in order to study the welding temperature history, numerical modeling was first performed using empirical relationships and powerful utilities of COMSOL software. The results of numerical simulation and experimental temperature measurements showed a very good agreement. Then, the particle velocity and path analysis of the particle in the weld region was performed using the simulation results. Numerical studies showed that the use of the higher rotational speed of the tool would create a higher velocity gradient of particles around the tool pin.

Personal Details:

Full Name:                  Ahmad Tavassolimaneh

Date of Birth:               April 17, 1988; Dezful

Email:                          Ahmad.ezek@gmail.com

 

 

Education:

BSc: Mechanical Engineering- Solids Design, Maleke ashtar University of Technology (2007-2011)

Project Title: Sensitivity Analysis of Pendulum Tracker.

MSc: Mechanical Engineering- Applied Design, Yasouj University (2011-2013)

Project Title: Theoretical and Experimental Investigation of the Inversion Progress in the Empty and Foam-filled Frusta under the Axial Loading.

PhD.: Mechanical Engineering- Applied Design, Bu-Ali Sina University (2013-2019)

Project Title: Production of Al-Cu composite bi-tubes with and without nano-materials using FSW/FSP and investigating their mechanical properties.

 

 

 

Research Areas:

·         Analysis Type:

·         Large deformation

·         Plasticity (Plastic deformations)

·         Metal Forming

·         Energy Absorption Mechanisms

·         Friction stir welding

·         Material Type:

·         Composites

·         Metals

·         Polyurethane foam

 

 

Relevant computer experience:

I am Professional user of personal computer (Windows, Internet, M.S Office). I am Professional in Computer Software like: Matlab, Solidwork, AutoCAD, Adobe photoshop CSS, Adams, COMSOL.

 

Publications, Conference & Invention:

1.    Niknejad, Ahmad Tavassolimanesh, "Axial compression of the empty capped–end frusta during the inversion progress", Materials and Design, Vol. 49, pp. 65-75, August 2013.

2.    Tavassolimanesh, A., Niknejad, A., Assaee, H. (2013). “Effects of polyethylene and polyurethane Teflon-fillers on the energy absorption behavior of composite tubes during the flattening tests.” Journal of Composite Materials, 2014, Vol. 49, pp. 2057-2072.

3.    Ahmad Tavassolimanesh, A. Niknejad, "Comparison of folding and inversion processes on foam-filed and empty frusta", 21st Annual International Conference on Mechanical Engineering (ISME2013), K.N.Toosi University, Tehran, Iran, May 7-9, 2013, pp. 33.

4.    عباس نیک­نژاد، احمد توسلی­منش. جاذب انرژی مخروطی با تغییرشکل پلاستیک برگشت­پذیر. شماره و تاریخ ثبت اظهارنامه: 139115014000307931-03/10/1391، شماره و تاریخ ثبت اختراع: 79309- 08/02/1392.

5.    Ahmad Tavassolimanesh, Ali Alavi Nia, "A new approach for manufacturing copper-clad aluminum bimetallic tubes by friction stir welding (FSW) ", Journal of Manufacturing Processes, 2017, Vol. 30,  374–384.

Ahmad Tavassolimanesh, Ali Alavi Nia, "Investigating the properties of bimetallic aluminum-clad copper tubes produced by friction stir welding", Journal of Alloys and Compounds, 2018, Vol. 751, pp