Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Mekanik ve Metalurjik Özellikleri

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 11, No: 1, 2014 (31-45) Electronic Journal of Machine Technologies Vol:11, No: 1, 2014 (31-45) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Mekanik ve Metalurjik Özellikleri Niyazi ÇAVUŞOĞLU *, Hüseyin ÖZDEN * * Ege Üniversitesi Müh. Fak. Makine Mühendisliği Bölümü, İzmir/TÜRKİYE niyazi.cavusoglu@ege.edu.tr Özet Otomotiv sektöründe karma malzemelerin lazer kaynaklı birleştirilmelerine olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Bu sebeple, farklı özellikteki malzemelerin birlikte kullanıldığı kaynak bağlantılarında ortaya çıkan sorunların çözümü ile ilgili araştırmalar halen devam etmektedir. Bu çalışmada, otomobil karoserinde yaygın olarak kullanılan 1.2 mm kalınlığında düşük karbonlu çelik (DC04) ile 2 mm kalınlığında aluminyum alaşımı (6061-T6) sac levhaların lazer bindirme kaynak bağlantıları araştırılmıştır. Lazer bindirme kaynak bağlantılarının mekanik ve metalürjik özellikleri incelenmiştir. Kaynak bölgesinin makro ve mikro yapıları optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenmiştir. Ayrıca kaynak bölgesinde ve intermetalik tabaka üzerinde sertlik ölçümleri yapılmıştır ve ölçüm yapılan noktalarda (EDX/EDS) ile element analizi yapılmıştır. Bu inceleme sonuçları kullanılarak kaynaklı birleştirme sonucunda oluşan intermetalik fazlar belirlenmeye çalışılmıştır. Elde edilen verilere göre, lazer gücüne bağlı olarak ısı girdisinin artması ile bindirme kaynaklı numunelerde nüfuziyet derinliğinin arttığı, çekme-makaslama kuvvetinin azalmasına bağlı olarak dayanımın düştüğü tespit edilmiştir. Farklı özellikteki malzemelerin birbirlerine kaynaklı bağlantılarında, kırılgan intermetalik bileşiklerin oluşumuna bağlı olarak ortaya çıkan sorunlar uygun işlem parametrelerinin seçimi ile kısmen de olsa giderilebilir. Anahtar Kelimeler: Farklı Malzemeler, Bindirme Kaynağı, Lazer, Otomotiv, Çelik, Aluminyum. Mechanical and Metallurgical Properties of Laser Lap Welded Steel-Aluminum Dissimilar Metal Pair Abstract The interest in laser lap welding of hybrid materials is continually increasing in many sectors. Hence, the studies regarding the solution of problems that arise due to the use of different materials together in welded joints are still continuing. In this study, the laser lap welding of low carbon steel sheet metal (DC04; thickness: 1.2 mm) and aluminum alloy sheet metal (6061-T6; thickness: 2 mm) has been examined. The selected materials are widely used in automotive industry. Mechanical and metallurgical properties of laser lap welded joints were investigated. Macro and micro structures of the weld zone are visualized by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). Additionally, the hardness values is measured on the weld region and the intermetallic layers. Elemental analysis is carried out on the points of the hardness measurement by SEM. The formed intermetallic phases are tried to determine by using the results of this examination of welded joints. According to the obtained data, it is determined that increasing of heat input increases the depth of penetration, and decreases the tensileshear force. Problems due to the formation of brittle intermetallic compounds in the welding joints of materials with different properties have been partially eliminated with the selection of proper process parameters. Keywords : Dissimilar Materials, Lap Welding, Laser, Automotive, Steel, Aluminum. Bu makaleye atıf yapmak için Çavuşoğlu N. *, Özden H. *, Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Mekanik ve Metalürjik Özellikleri Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2014, (11) How to cite this article Çavuşoğlu N. *, Özden H. *, Mechanical and Metalurgical Properties of Laser Lap Welded Steel-Aluminum Dissimilar Metal Pair Electronic Journal of Machine Technologies, 2014, (11) 31-45

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının 1. GİRİŞ Lazer kaynak yöntemleri, özellikle yüksek kaynak hızı, derin nüfuziyet, kontrol edilebilir ısı girdisi gibi birçok avantajları nedeniyle geleneksel ergitme kaynak yöntemlerinin yerini almaktadır. Konvansiyonel kaynak yöntemleri ile mümkün olmayan tasarımlar günümüzde lazer kaynak yöntemleriyle gerçekleştirilebilmektedir. Farklı malzemelerin kaynaklı bağlantılarında, malzemelerin ergime sıcaklıkları, ısıl iletkenlikleri ve ısıl genleşmeleri arasındaki farklardan kaynaklanan metalurjik sorunlar büyük önem arz etmektedir. Ulaşım sektöründe, özellikle otomobil karoseri imalatında çelik ile alüminyum alaşımları gibi hafif metallerin kaynak bağlantılı tasarımlarına olan ilgi artmaktadır. Farklı iki malzemenin kaynağında, kullanılan malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, oluşan ergime bölgesinin karakteristiklerini belirler. Özellikle bağlantının mekanik dayanımını sınırlayan kırılgan intermetalik fazların oluşması (alüminyum-çelik kaynağında oluşan Fe x Al y intermetalik fazları), büyük bir sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Farklı metal malzemelerin kaynaklı birleştirmelerinde intermetalik fazların oluşumu kaçınılmaz bir durumdur. Bu yüzden ergime bölgesinde intermetalik fazların kalınlıklarını minimize etmek önemlidir [1,2]. Farklı malzemelerin ısıl birleşmesi sırasında önemli rol oynayan intermetalik fazların oluşumu, sıcaklık ve zaman döngüsüyle ilişkili olarak ortaya çıkmaktadır. İntermetalik tabakanın kalınlığı, sıcaklık ve zamana bağlı olarak katılaşma tamamlanana kadar artmaya devam eder. İntermetalik faz oluşumuyla birlikte bağlantı bölgesinde kırılganlık gözlenir. Eğer, yüksek tokluk ve dayanıma sahip bağlantılar gerekliyse, intermetalik faz oluşumlarının minimum boyutta tutulması gerekir. Burada dikkate alınması gereken ana etkenler, ergiyik havuzunun boyutlarını azaltmak ve toplam ısı girdisini sınırlamaktır [3-5]. Farklı metallerin birleştirilmesi için kullanılabilen lazer kaynak yöntemi, yüksek kaynak hızları ve soğuma oranlarından dolayı intermetalik fazların aşırı oluşmasını engellemede etkili olmaktadır. Birleşme süresince oluşan intermetalik fazlar belli bir büyüklüğe ulaşmaktadır. Bu intermetalik fazların kompozisyonuna bağlı olarak kaynaklı bağlantının mekanik özellikleri etkilenmektedir. İntermetalik bileşik tabaka kalınlığının 10 μm altında sınırlanması, bağlantının iyi mekanik özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır [6]. Farklı malzeme çiftlerinin kaynaklı birleştirmeleri güncel bir konu olmakla birlikte bu konu ile ilgili olarak literatürde erişilebilen çalışmalar sınırlı sayıdadır. Literatürde farklı malzemelerin konvansiyonel kaynak yöntemleriyle yapılan kaynağında ortaya çıkan problemleri minimize etmeyi amaçlayan çalışmalar vardır. Magnezyum-Aluminyum [7], Bakır-Nikel [8], Magnezyum-Çelik [9], Paslanmaz Çelik- Paslanmaz Çelik [10], TRIP780 Çeliği-Yumuşak Çelik [11], Paslanmaz Çelik-Düşük Karbonlu Çelik [12] gibi farklı malzeme çiftlerinin lazer kaynaklı bağlantıları ile ilgili olarak bazı çalışmalar yapılmıştır. Aluminyum-Çelik çiftinin lazer bindirme kaynağı üzerine yapılan çalışmalar sınırlıdır. Alüminyum-çelik malzeme çiftleriyle yapılan çalışmalarda; Shahverdi et al., katı demir ve erimiş aluminyum çiftinin kaynaklı birleştirmesinin ara yüzey mikro yapısını çalışmışlardır. Fe 2 Al 5 ve FeAl 3 gibi intermetalik fazları belirlemişlerdir. Fe 2 Al 5 in hızlı büyüdüğünü ve ana faz olarak geliştiğini, FeAl 3 ün kaynak işleminin sonraki safhalarında kolaylıkla saptanabildiğini ve ergiyik aluminyum içinde parçalı olarak eridiğini söylemişlerdir. Kaynak sonucunda arayüzeyde, termodinamik esaslara zıt olarak FeAl 3 ün yerine Fe 2 Al 5 in oluşabileceğini belirtmişlerdir [13]. Rathod ve Kutsuna, A5052 alüminyum alaşımı ve SPCC çelik malzemeleri (ASTM A 1008 ve A 1008M) Lazer Roll Bonding yöntemiyle kaynak etmişlerdir. Lazer gücü, kaynak hızı ve makara basıncı arasında bir ilişki olduğunu söylemişlerdir [14]. Katayama ve arkadaşları, farklı malzemelerin bindirme bağlantısını geliştirmek amacıyla 5052 alüminyum alaşımı ve SPCC malzemelerini kullanmışlardır. Kaynak bağlantılarında tek pasolu, iki pasolu ve üç pasolu bağlantıları denemişlerdir. Kaynak dikiş sayısının artmasıyla bağlantı dayanımının arttığını söylemişlerdir [15]. Rodriguez et al. ND:YAG lazer cihazı kullanarak 6016 aluminyum alaşımı ve AISI 1020 çeliğinin lazer lehim kaynağını incelemişlerdir. Bu çalışma, kaynak için kullanılan konfigürasyon tipinin, kırılgan 32

3 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) fazların oluşumuna etkisi olduğunu ve dolayısıyla bağlantının mekanik performansını etkilediğini göstermiştir [16]. Sierra ve arkadaşları, çinko kaplı düşük karbonlu çelik DC04 ve 6016-T4 aluminyum alaşımını kaynak etmişlerdir. Lazer ve ark kaynak (GTAW) prosesi kullanmışlardır. Kaynak işlemleri sonucunda oluşan intermetalik fazları ve oluşan hasarları incelemişlerdir. Lazer kaynak bağlantısının ve ark kaynak bağlantısının doğrusal dayanımının sırasıyla 250 N/mm ve 190 N/mm değerinde olabileceğini belirtmişlerdir [17]. 2. MALZEME ve METOT Bu çalışmada kullanılan malzemeler, yaygın olarak otomotiv uygulamalarında kullanılan 1,2 mm kalınlığında düşük karbonlu çelik (DC04) ile havacılık ve otomotiv alanlarında kullanılan 2 mm kalınlığında AlMgSiCu (6061-T6) alüminyum alaşımıdır. Kullanılan malzemelerin kimyasal analizleri ve mekanik özellikleri sırasıyla Tablo 1 ve Tablo 2 de gösterilmektedir. Tablo 1. Kullanılan malzemelerin kimyasal kompozisyonları (%). Standart C P S Mn DIN-EN (DC04 çelik) AlMgSiCu (6061-T6 Aluminyum) 0,08 0,03 0,03 0,40 Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Ga V 0,54 0,21 0,24 0,07 0,98 0,10 0,006 0,10 0,012 0,014 0,014 Tablo 2. Kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri (%). Akma dayanımı (MPa) Çekme Dayanımı (MPa) Uzama (%) ( 80 mm de) DC T Lazer kaynak işlemi için kullanılan, çelik (DC04) ve alüminyum (6061-T6) levhalar 100x50 mm boyutlarında giyotinde kesilmiştir. Şekil 1 de çelik ve alüminyum parçalarının birleştirilme şekli ve boyutları şematik çizimle gösterilmektedir. Kaynak işleminden önce alüminyum parçalar 1200 meşlik SiC taneli zımpara kağıdı kullanılarak parlatılmış ve aseton ile yüzeyleri temizlenmiştir. Çelik numuneler ise, sadece aseton ile temizlenerek yüzeylerindeki kirlerden arındırılmıştır. Kaynak işlemlerine başlamadan önce her iki malzeme, bir fikstür kullanılarak alüminyum üzerine çelik gelecek şekilde sıkıştırılmıştır. Şekil 1. Bindirme bağlantısının şematik gösterimi. 33

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Çalışmada kullanılan malzemelerin kaynak işlemleri için 3 kw güce sahip, sürekli dalga (cw) Nd:YAG lazer kaynak makinası kullanılmıştır. Lazer kaynak makinası 6 eksenli robot ile entegre çalışmaktadır. Lazer kafası, 200 mm odak ünitesi ve kolimatör ünitesinden meydana gelmektedir. Işın iletimi, 1 mm fiber kablo ile gerçekleşmektedir. Lazer kaynak işlemlerinde koruyucu gaz olarak Argon gazı kullanılmıştır. Koruyucu gaz, kaynak bölgesine kenar jet nozulu kullanılarak 20 l/dak debiyle iletilmiştir. Lazer kafasının odak noktası, çelik malzemenin üst yüzeyi sıfır noktası olacak şekilde belirlenmiştir. Lazer kafasından gelen ışınlar, çelik malzemenin yüzeyine dik olarak uygulanmıştır. Uygulanan lazer gücü ve ısı girdisi, sırasıyla W ve J/mm aralığında değiştirilmiştir. Kaynak parametreleri Tablo 3 de gösterilmiştir. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Tablo 3. Lazer kaynak parametreleri. Güç (W) Kaynak dikişlerinin mekanik özellikleri Isı girdisi (J/mm) Kaynak hızı (m/min) 60 2, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,80 Lazer gücü, kaynak hızı, ısı girdisine parametrelerine göre gerçekleştirilen lazer bindirme kaynaklı bağlantılarının mekanik özellikleri hakkında genel bir bilgi edinmek için sertlik ve çekme, makaslama testleri uygulanmıştır Sertlik ölçümlerinin değerlendirilmesi Lazer bindirme kaynaklı parçaların yerel mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla yapılan mikro sertlik deneyleri için vickers sertlik cihazı kullanılmıştır. Numunelerin sertlik dağılımlarının belirlenmesi için 100 gramlık deney yükü 10 saniye süreyle uygulanmıştır. Sertlik değerleri üç hat üzerinde ve 100 μm aralıklarla alınmıştır (Şekil 2). Birinci hat çelik tarafında ara yüzeyden 200 μm yukarıda, ikinci hat alüminyum tarafında ara yüzeyden 200 μm aşağıda yatay bir çizgi üzerinde, üçüncü hat kaynak dikişi ekseninde çelik tarafından alüminyum tarafına dik bir çizgi boyunca aşağıya doğrudur. 34

5 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Şekil 2. Mikro sertlik ölçüm noktaları. Lazer bindirme kaynak işlemlerinde kullanılan çelik malzemenin sertliği 99 HV ve aluminyum malzemenin sertliği 102 HV olarak saptanmıştır. Mikro sertlik deneyleri, 2200, 2400, 2600, 2800 ve 3000 W lazer güçlerinde ve 60, 70, 80, 90 ve 100 J/mm ısı girdilerinde kaynaklanmış olan parçaların çekme-makaslama deney sonuçlarına göre en yüksek çekme-makaslama kuvvetini veren numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Lazer kaynak parametrelerine bağlı olarak, çelik tarafında ve aluminyum tarafında kaynak bölgesindeki sertlik değerleri değişimleri grafiklere (Şekil 3-7) aktarılmıştır. Sertlik diyagramlarına göre, kaynak bölgesinin sertlik değerlerinin ve ana malzemeden daha büyük olduğu belirlenmiştir. Ölçüm sonuçları değerlendirildiğinde aynı ısı girdisinde, lazer kaynak gücünün artmasıyla kaynak bölgesinin sertlik değerlerinin arttığı görülmüştür. Lazer kaynağının karakteristik özelliği olan hızlı soğumadan dolayı kaynak bölgesinin sertliği ana malzemeye kıyasla yüksek olmaktadır. Kaynak bölgesinin sertlik değerlerinin yüksek olmasının sebeplerinden biri de lazer kaynak işleminde, çelik ergiyiğinin aşağıdan yukarıya doğru türbülans hareketlerinden dolayı sıvı alüminyumun, kaynağın üst bölgelerine taşınması ve Fe-Al intermetalik bileşiklerinin oluşumuna bağlı olduğu düşünülmektedir. Fe 2 Al 5, FeAl 2 ve FeAl 3 intermetalik bileşikleri, çelik-aluminyum birleştirmelerinde meydana gelen çok yüksek sertliğe sahip, kırılgan bileşiklerdir. Bununla birlikte çelik ergime bölgesinin üst taraflarında bu bileşikler, oluşma eşiğine ulaşamazlar. Bu yüzden, ergime bölgesinde sertlik değerlerinin yüksek olmasını sağlayan bileşiklerin, Fe 3 Al ya da FeAl olduğu düşünülmektedir. 35

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Şekil 3. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2200 W, Isı girdisi: 100 J/mm). Şekil 4. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2400 W, Isı girdisi: 90 J/mm). Şekil 5. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2600 W, Isı girdisi: 80 J/mm). 36

7 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Şekil 6. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2800 W, Isı girdisi: 80 J/mm). Şekil 7. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 3000 W, Isı girdisi: 70 J/mm) Çekme-Makaslama testlerinin değerlendirilmesi Çekme-makaslama testlerinde kullanılan lazer bindirme kaynak dikişli numunelerin şekil ve ölçüleri Şekil 8 de gösterilmiştir. Kaynaklı parçalardan çekme-makaslama deney numunelerinin kesilmesi için tel erozyon makinası kullanılmıştır. Kaynaklı parçaların her birinden beşer adet numune çıkarılarak çekmemakaslama testi uygulanmıştır. Çekme-makaslama testi yapılacak parçaların iki ucuna çekme doğrultusunun kaymaması için destek parçaları konulmuştur. Testler oda sıcaklığında ve 5 mm/dak çekme hızında gerçekleştirilmiştir. En küçük ve en büyük değerli deney sonuçları çıkarılmış ve diğer üçünün ortalaması alınarak çekme-makaslama kuvveti belirlenmiştir. 2200, 2400, 2600, 2800 ve 3000 W 37

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının lazer güçlerinde 60, 70, 80, 90 ve 100 J/mm ısı girdisine bağlı olarak kaynak edilen parçaların çekmemakaslama kuvvetleri grafiğe aktarılmıştır (Şekil 9). Şekil 8. Çekme-makaslama testi için kullanılan numune ölçüleri. Şekil 9. Lazer gücü ve ısı girdisine bağlı olarak çekme-makaslama kuvvet değerleri. Şekil 9 da görüldüğü gibi, 60 J/mm ısı girdisi için 2200 W ve 2800 lazer gücünde yapılan kaynakların çekme-makaslama kuvvet değeri yoktur W lazer gücü için yeterli ergime meydana gelmemiştir. Bu yüzden bağlantıların kaynağı gerçekleşmemiştir. Kaynaklanacak parçalar arasındaki boşluklardan dolayı keyhole kararsızlıkları ortaya çıkmaktadır. Bu yüzden kaynak prosesi başarısız olmaktadır. Dolayısıyla, 2800 W lazer gücü için kullanılan fikstürün o kaynak işleminde parçaları tam olarak sıkıştırmadığı 38

9 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) söylenebilir. Bindirme kaynak bağlantılarında, kaynak doğrultusu boyunca kaynaklanacak parçaları sıkı bir temas halinde tutmak, başarılı bir lazer kaynak prosesi için çok önemlidir. Lazer bindirme kaynak prosesi boşluk toleranslarına karşı çok hassastır. En ufak bir boşlukta bile kaynak prosesi gerçekleşmeyebilir. Grafik incelendiğinde 2200 W lazer gücü uygulanmış olan parçaların çekme makaslama kuvveti 60 J/mm den 100 J/mm ye kadar bir artış göstermiştir W aralığında lazer gücü uygulanmış parçaların çekme makaslama kuvveti 60 J/mm ve 100 J/mm aralığında belirli ısı girdisi değerine kadar yükselip sonradan alçalma eğilimine girmiştir. Kaynak dayanımları, doğrusal dayanım (N/mm) göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Doğrusal dayanım, çekme-makaslama deneylerinde elde edilen çekmemakaslama kuvvetinin numune genişliğine (kaynak uzunluğuna) bölünmesiyle elde edilmektedir. Maksimum doğrusal dayanım değeri 2200 W lazer gücü-100 J/mm ve 2800 W lazer gücü-80 J/mm parametrelerinde elde edilmiş olup değerler sırasıyla 142,8 N/mm ve 142,7 N/mm dir. Elde edilen nüfuziyet değerleri lazer kaynak gücü ve ısı girdisine bağlı olarak değişmektedir. Buna göre nüfuziyet değeri, sabit ısı girdisinde artan lazer gücüyle orantılı olarak artmaktadır. Alüminyum-çelik çiftinin lazer bindirme kaynağında artan nüfuziyet, dayanımı düşürmektedir. Nüfuziyet değerlerinin artmasıyla sıcaklık ve zamanla ilişkili olarak intermetalik fazların oluşumu artmaktadır. Alüminyum içeriğine bağlı olarak, Fe 3 Al, FeAl, FeAl 2, Fe 2 Al 5, FeAl 3 intermetalik fazlarının sertlik değerleri HV aralığından değişmektedir [18]. Fe 2 Al 5 and FeAl 3 intermetalik fazları son derece kırılgan ve yüksek sertliğe sahiptirler. Bu yüzden, kaynaklı bağlantıda sert fazların oluşumu bağlantının dayanımını düşürmektedir. Daha sağlam kaynaklı bağlantılar için intermetalik fazların oluşumu minimum seviyede tutulmalı ve demirce zengin Fe 3 Al and FeAl gibi bileşiklerin oluşumu gereklidir. Kaynaklı parçaların gözle incelemeleri sırasında, belirli lazer gücü ve ısı girdisi değerlerinde, numunelerin alt kısmında aluminyumun dışarıya doğru çıkıntı yaptığı ve ısı girdisi yükseldikçe dışarıya doğru patlamalar olduğu görülmektedir (Şekil 10). Lazer derin nüfuziyet kaynağında, lazer gücü yada ısı girdisi artırılarak (aynı lazer gücünde kaynak hızının azaltılması) anahtar deliği kanalının (keyhole buhar kanalı) uzunluğunun artmasıyla kaynak nüfuziyeti artmaktadır. Bu çıkıntıların görüldüğü, dolayısıyla nüfuziyetin fazla olduğu numunelerin çekme-makaslama kuvvetinin azalmaya başladığı saptanmıştır. Şekil 10. Aluminyumun alttan görünüşü a) 2800 W-90 J/mm, b) 2800 W-100 J/mm. 3.2 Kaynak dikişlerinin metalurjik özellikleri Kaynak dikişlerinin mikroyapı incelemeleri Mikroyapı incelemeleri için kaynaklı parçalardan tel erozyon makinası ile numuneler kesilmiştir. Kesilen numuneler soğuk kalıplama yöntemiyle kalıba alınmış ve numunelerin kesitleri sırasıyla 400, 800, 1200, 2500 mesh lik SiC taneli zımpara kağıtları ile zımparalanmıştır. Son parlatma işlemi, 3 μm ve 1 μm elmas süspansiyonlarla yapılmıştır. Parlatma işlemlerinden sonra, aluminyum için Keller ayıracı ( % 1 HF, % 1.5 HCl, % 2.5 HNO 3 ve H 2 O), çelik için de Nital 4 ayracı (% 4 HNO 3 ) kullanılmıştır. 39

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Lazer derin nüfuziyet kaynağında, lazer kaynak gücü ya da ısı girdisi artırılarak (aynı lazer gücünde kaynak hızının azaltılması) anahtar deliği kanalının (keyhole buhar kanalı) uzunluğunun artmasıyla kaynak nüfuziyeti artmaktadır. Önceki çalışmalarda da belirtildiği gibi [19], çelik-aluminyum malzemelerin lazer bindirme kaynağında (aluminyumun altta olduğu bağlantı tipi), alüminyum tarafında elde edilen nüfuziyet değerinin artması kaynak dayanımını düşürmektedir. Bu sonuç çekme-makaslama deneyleri yapılan kaynaklı parçaların nüfuziyet incelemelerinde doğrulanmıştır. Şekil de farklı lazer gücü ve ısı girdileri ile kaynak edilmiş numunelerin optik mikroskop görüntüleri görülmektedir. Bu görüntüler, Şekil 9 da görülen ve en yüksek çekme dayanımı sonuçlarına sahip numunelerin mikroskop görüntüleridir. Şekil W lazer gücü ve 100 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü. Şekil W lazer gücü ve 90 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü. 40

11 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Şekil W lazer gücü ve 80 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü. Şekil W lazer gücü ve 80 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü. Şekil W lazer gücü ve 70 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü. 41

12 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Lazer bindirme kaynaklı numunelerin optik mikroskop görüntüleri incelendiğinde ergime bölgesinde ergiyik metalin katılaşmasının, çelik kaynak ara yüzeyinden kaynak merkezine doğru yönlenmiş sütunsu (kolonsu) taneler şeklinde olduğu görülmektedir. Kaynak bölgesinin aluminyum tarafında ergime bölgesinin sütunsu (kolonsu) katılaşmış tanelerinin üzerinde beyaz renkli bölgeler oluşmuştur. Bu beyaz çözelti bölgeleri (çözelti bantları), lazer derin nüfuziyet kaynak yönteminde kaynak sırasında meydana gelen buhar kanalı içerisindeki türbülans hareketlerinden dolayı kaynak işlemi sırasında ergiyik aluminyumun kaynak metali içine hapsedilmesi yoluyla oluşmaktadır. EDX analizi sonuçları değerlendirilerek Fe-Al denge diyagramı yardımıyla, beyaz çözelti bantlarının kaynak metali içinde oluşan Fe 3 Al ya da FeAl bileşiği olduğu sonucuna varılmıştır. Farklı malzemelerin kaynak işlemindeki zorluklardan biri olan kırılgan intermetalik fazların oluşumu sebebiyle, lazer derin nüfuziyet kaynak yönteminde, kaynak metali ve aluminyum ergime bölgesi arasında düzensiz sınırlar boyunca intermetalik tabaka meydana gelmiştir. Oluşan bu arayüzey tabakasının gri renkte olduğu ve diğer bölgelerden kolaylıkla ayırt edilebildiği görülmektedir. Şekil 16 da bu beyaz çözelti bantları ve intermetalik faz tabakası görülmektedir. Şekil 16. Kaynak metali içinde oluşan çözelti bantları ve intermetalik faz tabakası SEM-EDX analiz incelemeleri Kaynaklı numunelerde, seyrelme bölgelerinin kimyasal kompozisyonunu ve alüminyum-çelik karışımı ile elde edilen ara yüzeyleri belirlemek için SEM-EDX analizleri gerçekleştirilmiştir W lazer gücü ve 100 J/mm ısı girdisi uygulanarak kaynak edilen deney numunesinde intermetalik faz tabakası üzerinde alınan sertlik noktalarında yapılan EDX analizinden elde edilen bulgular, Fe-Al denge diyagramı yardımıyla değerlendirildiğinde Fe 3 Al ve FeAl intermetalik bileşiklerinin oluştuğu saptanmıştır. Belirlenen sertlik noktalarının, SEM görüntüleri, EDX analiz sonuçları ve mikro sertlik deneyi sonuçları ile birlikte Şekil de gösterilmiştir. Buna göre Şekil 17 de Fe 3 Al, Şekil 18 de FeAl intermetalik bileşikleri belirlenmiştir. 42

13 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Şekil HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2200 W J/mm) Şekil HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2200 W J/mm) 2400 W lazer gücü ve 90 J/mm ısı girdisi uygulanarak kaynak edilen deney numunesinin intermetalik faz tabakası üzerindeki sertlik noktalarında yapılan EDX analizlerinden elde edilen bulgular, Fe-Al denge diyagramı yardımıyla değerlendirildiğinde FeAl, FeAl 2 ve FeAl 3 intermetalik bileşiklerinin oluştuğu saptanmıştır. Belirlenen sertlik noktalarının SEM görüntüleri, EDX analiz sonuçları ve mikro sertlik deneyi ölçüm sonuçları ile birlikte Şekil de gösterilmiştir. Buna göre Şekil 19 da FeAl, Şekil 20 de FeAl 2 intermetalik bileşikleri belirlenmiştir. Şekil HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2400 W - 90 J/mm) 43

14 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının 4. SONUÇLAR Şekil HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2400 W - 90 J/mm) Bu çalışmada gerçekleştirilen mekanik ve metalografik deneyler sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Çelik-alüminyum (alüminyum üzeri çelik) lazer bindirme kaynaklı bağlantılarında, lazer kaynak parametrelerine bağlı olarak ısı girdisinin artması dolayısıyla nüfuziyet derinliklerinin arttığı görülmüştür. Çelik-alüminyum malzemelerin lazer bindirme kaynağında (alüminyumun altta olduğu bağlantı tipinde) alüminyumda elde edilen nüfuziyet değerinin artması kaynak dayanımını düşürmektedir. Bu sonuç çekme-makaslama deneyleri yapılan kaynaklı parçaların nüfuziyet incelemelerinde doğrulanmıştır. Gerçekleştirilen kaynaklı birleştirmelerde 2200 W ve 2800 W lazer güçlerinde, 60 J/mm ısı girdisi uygulandığında kaynak bağlantısı gerçekleşmediği görülmüştür. Her numune aynı fikstür kullanılarak sıkıştırılmış olmasına rağmen, bu durumun, sıkıştırma aygıtının düzensiz sıkması sonucu malzemeler arasında boşluk oluşmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Kaynaklı bağlantıların bazılarında kaynak doğrultusu boyunca alüminyumun alt kısmında gözle görülür şekilde bir çıkıntı belirmiştir. Yapılan deneyler sonucunda bu numunelerin çekmemakaslama kuvveti değerlerinin düşük olduğu saptanmıştır. Bu numunelerin mikroskop altında kaynak kesitleri incelendiğinde nüfuziyetin fazla olduğu görülmüştür. Çelik-alüminyum lazer bindirme kaynak bağlantılarında nüfuziyetin fazla olması dayanımı düşürmektedir. Bu sonuç literatürle uyumludur. Çekme-makaslama kuvveti sonuçları incelendiğinde en yüksek çekme-makaslama kuvvet değerleri; 1428 N (2200 W lazer gücü, 100 J/mm ısı girdisi), 1427 N (2800 W lazer gücü, 80 J/mm ısı girdisi), olarak elde edilmiştir. Çekme-makaslama kuvvet değerinin numunenin kaynak uzunluğuna bölünmesiyle elde edilen doğrusal dayanım (lineer dayanım) değerleri, yukarıdaki sonuçlara göre N/mm ve N/mm olarak saptanmıştır. SEM görüntülerinin incelenmesi sonucunda, kaynak metali ile aluminyum arasında metalurjik yapışmanın meydana geldiği ara yüzeyde oluşan intermetalik faz tabakasının, aluminyum tarafına doğru testere ağzı biçiminde oluşumlar gösterdiği saptanmıştır. Bu oluşumlar literatürle uyumludur. Kaynaklı birleştirilmiş deney numunelerinde gerçekleştirilen EDX analizleri incelendiğinde, Fe-Al denge diyagramı göz önüne alınarak yapılan değerlendirmeler sonucunda, metalurjik yapışmanın olduğu ara yüzeyde Fe 3 Al, FeAl ve FeAl 2 intermetalik fazların oluştuğu saptanmıştır. Ayrıca, sertlik deneyi sonuçları da bu fazların oluştuğunu doğrulamıştır. 44

15 Çavuşoğlu N., Özden H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) KAYNAKLAR 1. Theron, M., Rooyen, V., Ivanchev, L.H., 2007, CW ND:YAG Lazer Welding of Dissimilar Sheet Metals, 26th International Congress on Applications of Lazers & Electro-Optics(ICALEO), pp.8 2. Bouayad A., Geromettaa C., Belkebir A., Ambari A., 2003, Kinetic interactions between solid iron and molten aluminium, Materials Science and Engineering, 1(2): Potesser M., Schoeberl T., Antrekowitsch H., Bruckner J., 2006, The characterization of the intermetallic Fe-Al layer of steel-aluminum weldings, The Minerals, Metals & Materials Society, pp Wagner, F., Zerner, I., Kreimeyer, M., Seefeld, T., Sepold, G., 2004, Characterization and Properties of Dissimilar Metal Combinations of Fe/Al and Ti/Al-Sheet Materials, BIAS, Bremen Institute of Applied Beam Technology, Bremen, Germany 5. Chen, H. C., Pinkerton, A. J., Li, L., 2010, Fibre lazer welding of dissimilar alloys of Ti-6Al-4V and inconel 718 for aerospace applications, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 52(9-12): Ozaki, H., Kutsuna, M., Nakagawa, S., Miyamoto, K., 2010, Lazer roll welding of dissimilar metal joint of zinc coated steel to aluminum alloy, Journal of Lazer Applications, 22(1):1 7. Borrisutthekul, R., Miyashita, Y., Mutoh, Y., 2005, Dissimilar material lazer welding between magnesium alloy AZ31B and aluminium alloy A5052-O, Science and Technology of Advanced Materials, 6: Phanikumar, G., Dutta, P., Chattopadhyay, K., 2005, Continuous welding of Cu Ni dissimilar couple using CO 2 lazer, Science and Technology of Welding and Joining, ;10(2): Liu, L. M., Zhao, X., 2008, Study on the weld joint of Mg alloy and steel by lazer-gta hybrid welding, Materials Characterization, 59(9): Berretta, J., Rossi, W., Neves, D. M., Almeida, I. A., Junior, N. D., 2007, Pulsed Nd:YAG lazer welding of AISI 304 to AISI 420 stainless steels, Optics and Lazers in Engineering, 45(9): Sharma, R. S., Molian, P., 2009, Yb:YAG lazer welding of TRIP780 steel with dual phase and mild steels for use in tailor welded blanks, Materials & Design, 30(10): Anawa, E. M., Olabi, A. G., 2006, Effects of lazer welding conditions on toughness of dissimilar welded components, Applied Mechanics and Materials, 5(6): Shahverdi, H. R., Ghomashchi, M. R., Shabestari, S., Hejazi, J., 2002, Microstructural Analysis Of İnterfacial Reaction Between Molten Aluminium And Solid İron, Journal of Materials Processing Technology, 124: Rathod, M., Kutsuna, M., 2003, Lazer roll bonding of A5052 aluminium alloy and SPCC steel, Japan Welding Society NII-Electronic Library Service, 21(2): Katayama, S., Joo, S., Mizutani, M., Bang, H., 2005, Lazer weldability of aluminium alloy and steel, Trans Tech Publications, Materials Science Forum, Switzerland, pp Rodriguez, L., Mathieu, A., Langlade, C., Vannes, A., 2006, Controlling Phase Formation During Aluminium/Steel Nd:YAG Lazer Brazing, Revista de Metalurgia, 42(6): Sierra, G., Peyre, P., Deschaux, B. F., Stuart, D., Fras, G., 2008, Galvanised steel to aluminium joining by lazer and GTAW processes, Materials Characterization, 59(12): Torkamany, M. J., Tahamtan, S., Sabbaghzadeh, J., 2009, Dissimilar welding of carbon steel to 5754 aluminum alloy by Nd:YAG pulsed lazer, Materials & Design, 31(1): Sierra, G., Peyre, P., Deschaux, B. F., Stuart, D., Fras, G., 2007, Steel to Aluminium key-hole laser welding, Materials Science and Engineering, A