مدل‌سازي الاستيك-پلاستيك تنش‌هاي پسماند ناشي از جوشكاري ليزري در سازه‌هاي هوافضا

Elastic-Plastic Modeling of the Residual Stresses Caused by Laser Beam Welding in Aerospace Structures

يكي از مناسب‌ترين فناوري‌هاي اتصال، جوشكاري با اشعه ليزر است كه در اين نوع جوشكاري به دليل انرژي موضعي كمتري كه در محل جوش اعمال مي‌شود، اعوجاج كمتري به وجود مي‌آيد، محل جوش استحكام بالايي را دارا بوده، فرآيندي با سرعت بالا است. رشد صنعت هواپيما در كاهش وزن سازه‌هاي هوافضا، منجر به معرفي جوشكاري ليزري در ساخت سازه‌هاي هوافضا با تقويت‌كننده‌ها به جاي اتصالات پرچ شده است. در اين مقاله، يك مدل تحليلي براي محاسبه تنش‌هاي پسماند ناشي از جوشكاري ليزري ارايه گرديده، نتيجه به دست آمده با نتايج عددي اعتبارسنجي شده است. هدف از اين تحقيق، مطالعه توزيع تنش پسماند عرضي صفحات ساخته‌شده از آلومينيوم آلياژ 6061-T6 است كه در ساخت پنل‌هاي بدنه هواپيما به‌كاربرده مي‌شود. نتايج نشان مي‌دهد، در صورتي كه حداكثر تنش اعمال‌شده در قطعه‌كار كمتر از تنش تسليم ماده باشد، ناحيه پلاستيك در قطعه كار ايجاد نمي شود كه در اين شرايط تنش پسماند نيز وجود نخواهد داشت. مشخص شده است كه بزرگ‌ترين تنش‌ها در نزديكي سطح صفحه گسترش پيدا مي‌كنند، اما اين تنش‌ها به سرعت كاهش‌يافته، در سطوح پايين‌تر تقريباً به صفر مي‌رسند. ماده الاستيك-پلاستيك ايده آل فرض شده است. مطابقت خوبي بين نتايج تحليلي محاسبه شده و عددي به دست آمده است.

An appropriate joining technology is the laser beam welding process, because of its low localized energy input leading to low distortion, high strength of the joint and high processing speeds. The growing of aircraft industry in reducing the weight of aerospace structure has led the introduction of laser beam welding into the fabrication of aerospace structure with stiffeners, instead of riveted joints. In the present paper an analytical model for calculation of the residual stresses induced by laser welding is proposed and numerically validated. The aim of this work is to study the transverse residual stress distribution of plates made of an aluminum alloy 6061-T6, which is used for fabrication of fuselage panels. The results show that, if the maximum stress amount induced in the workpiece does not exceed the material yield stress, no plastic penetration will occur and there will be no residual stress. It was found that high stresses are developing close to the plate surface while these stresses decrease rapidly to almost zero values at the lower surface. An ideal elastic-plastic material curve was assumed. Good accordance is found between the calculated and numerical results.