1. GÜN. 18 Kasım Oturum Başkanı Mehmet ÖZSAKARYA FARKLI AL-ALAŞIMI LEVHALARIN (AA6061/AA7075) SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI

Transkript

1 1. GÜN 18 Kasım 2011 Oturum 2A Oturum Başkanı Mehmet ÖZSAKARYA FARKLI AL-ALAŞIMI LEVHALARIN (AA6061/AA7075) SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI Güven İPEKOĞLU, Prof.Dr. Gürel ÇAM ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ KAYNAK ÖNCESİ-SONRASI MEKANİK VE MİKROYAPI ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Yrd.Doç.Dr. Mehmet ERDEM, Mehmet TÜRKER AZ31 MAGNEZYUM ALAŞIMININ SÜRTÜNME-KARIŞTIRMA KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ M. Aykut AYHAN, Doç.Dr. Tevfik KÜÇÜKÖMEROĞLU LAZER DESTEKLİ SÜRTÜNME-KARIŞTIRMA KAYNAĞI Prof.Dr. Mustafa Kemal KÜLEKÇİ, Onur ER

2

3 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları FARKLI Al-ALAŞIMI LEVHALARIN (AA6061/AA7075) SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI Arş. Gör. Güven İPEKOĞLU 1, Prof. Dr. Gürel ÇAM 2 1 Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Ege Üniversitesi Kampüsü, Bornova, İzmir 2 Mustafa Kemal Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İskenderun, Hatay ÖZET Farklı malzemelerin birbiriyle başarılı bir şekilde birleştirilebilmeleri, mukavemet, ağırlık, korozyon direnci v.b. faktörlerin optimize edilebilmesi açısından önem taşımaktadır. Alüminyum alaşımları, özellikle yaşlandırma sertleştirmesi uygulanabilenler, otomotiv ve uçak endüstrisinde üstün özelliklerinden ötürü kullanım alanı bulmaktadırlar. Alüminyum alaşımlarının tümü hafif olmakla beraber çok değişik özelliklere sahiptirler. Örneğin, AA6061 alaşımı üstün korozyon direncine sahipken, AA7075 alaşımı yüksek mukavemet göstermektedir. Durum böyle olunca, farklı Al-alaşımlarının birleştirilebilirliğinin araştırılması ve yapılan birleştirmelerin kalitesinin artırılması da son derece önem kazanmaktadır. Bu çalışmada, Al-alaşımlarının kaynağında başarılı sonuçlar veren sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) kullanılarak AA6061-O/7075-O ve AA6061-T6/AA7075-T6 bağlantıları her biri için iki farklı kaynak parametresi seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaynak parametrelerinin ve ısıl işlem durumunun kaynak kalitesi üzerindeki etkisi detaylı optik mikroskop incelemeleri, mikrosertlik ölçümleri ve çekme deneyleri ile araştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Sürtünme karıştırma kaynağı, Al-alaşımları, kaynak performansı, farklı levhaların kaynağı. ABSTRACT FRICTION STIR WELDING OF DISSIMILAR Al-ALLOYS (AA6061/AA7075) PLATES Successful joining of dissimilar materials is important in order to optimize mechanical properties such as strength, density, corrosion resistance, etc., for several applications. Al-alloys, particularly hardenable ones, are widely utilized in automobile and aerospace industries owing to their excellent properties. Besides all Al-alloys are light-weight they exhibit different properties. For instance, AA6061 alloy display excellent corrosion resistance whereas alloy AA7075 possesses a very high strength. Thus, it is worth to search the joinability of dissimilar Al-alloys plates and their performances. In this study, dissimilar joints between AA6061 and AA7075 alloys in two different temper conditions (i.e., O and T6) were produced using friction stir welding, which is well demonstrated to produce reliable joints in similar Al-alloy plates, employing two different sets of weld parameters. Detailed metallography and microhardness measurements were conducted in addition to tensile testing in order to characterize the joints obtain and to determine the effect of post-weld heat treatment on joint performance. Keywords: Friction stir welding, Al-alloys, joint performance, dissimilar plate welding 55

4 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 1. GİRİŞ İdeal bir kaynak sonrası kaynak bölgesinin baz malzeme ile aynı özelliklere sahip olması istenir. Ancak, Al-alaşımlarının kaynağındaki problemlerden dolayı bu alaşımlarda ideal kaynaklı birleştirmelerin elde edilebilmesi son derece güçtür [1]. Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), yirmi yıllık bir gelişim sürecinin sonunda özellikle uzay ve hava endüstrisinde Al-alaşımları için uygulanabilir hala gelmiş ve önemli bir üretim alternatifi olmuştur [2]. Özellikle yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış yüksek mukavemetli Al-alaşımlarının ergitme kaynak yöntemleri ile kaynaklarında sorunlar olduğu bilinmektedir [1, 3-5]. Ergitme kaynağı sorunlu olan bu alaşımlar için SKK daki bu gelişme son derece önemlidir. Bu kaynak yöntemi sayesinde ergitme kaynaklarında aşırı derecede çatlak ve porozite oluşumunun söz konusu olduğu Al-alaşımlarında başarılı sonuçlar alınmaktadır [6-9]. Son yıllarda ürün çeşitliliğinin artması ve artan ürün kalitesi talepleri farklı malzemelerin kaynağını gerektirmektedir. Farklı malzemelerin birbiri ile kaynağı, mukavemet, ağırlık ve korozyon direncinin optimize edilebilmesini sağlar [10]. Fakat, farklı malzemelerin birbiri ile kaynağı geleneksel ergitme kaynak yöntemleri ile imkansız ya da son derece zordur. SKK farklı Al-alaşımlarının birbiri ile kaynağında da başarılı bir şekilde kullanılabilme potansiyeline sahiptir [2]. Sürtünme karıştırma kaynağı temel olarak basit bir prensibe dayanan bir katı hal kaynak yöntemi olup, The Welding Institute (TWI), İngiltere tarafından geliştirilerek 1991 yılında patentlenmiştir [11]. Kaynak işlemi Şekil 1 de gösterildiği gibi alın alına sabitlenmiş iki levhanın ara yüzeylerine daldırılan yüksek devirde dönen bir batıcı ucun kaynak hattı boyunca ilerletilmesi ve açığa çıkan ısı tesiri altında çamur kıvamına gelmiş malzemenin birbiri içine karıştırılarak birleştirilmesi esasına dayanır. Batıcı ucun batma derinliğini sab it tutan k uvvet Kaynağın süpürme tara fı Pim İler leme yönü Kaynak h attı Batıcı ucun öncü ta rafı Batıcı ucun artçı tarafı Omuz Kaynağın yığma tarafı Şekil 1. Sürtünme karıştırma kaynağının şematik gösterimi [12, 13]. Bu çalışmada yukarıda bahsedilenler ışığında 7075 ve 6061 Al-alaşımlarının birbiri ile sürtünme karıştırma kaynakları, farklı iki kaynak parametresi seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu sayede değişen kaynak parametrelerinin kaynak kalitesi üzerindeki etkisi irdelenmiştir. Ayrıca, kaynaklar her bir malzeme için O ve T6 olmak üzere farklı iki temper şartında gerçekleştirilerek, değişen temper şartlarının değişik kaynak parametreleri altında kaynak kalitesine etkisi de incelenmiştir. 56

5 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 2. MATERYAL VE METOT Çalışmada 3.17 mm kalınlığında 6061-O ve 6061-T6 ile 7075-O ve 7075-T6 Al-alaşımı levhalar kullanılmıştır. Kullanılan Al-alaşımlarının kimyasal bileşimleri Tablo 1 ve Tablo 2 de verilmektedir. Kaynak edilecek parçalar lazerle kesim yöntemiyle 300x130 mm ebatlarında hazırlanmıştır. Kaynak öncesinde kaynak yüzeyleri talaşlı imalat yöntemiyle mekanik olarak temizlenerek 300x125 mm ebatlarına indirilmiştir. Bu farklı Al-alaşımı levhaların kaynak işlemleri (6061-O/7075-O ve 6061-T6/7075-T6), Tablo 3 de verilen kaynak parametreleri kullanılarak, hadde yönüne dik olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu parametreler söz konusu alaşımlar üzerine yapılmış olan önceki çalışmaların sonuçlarına göre belirlenmiştir. Parametre setlerinden biri 6061 Al-alaşımı levhaların kendi içinde kaynağında iyi sonuç veren parametre seti iken diğeri de 7075 Al-alaşımı levhaların kendi içinde kaynağında iyi sonuç veren parametre setidir. Kaynaklar CNC tezgahında, H13 sıcak iş takım çeliğinden imal edilmiş omuz çapı 15 mm ve pim çapı 4 mm olarak tasarlanmış ve M4 vida dişi açılmış olan silindirik batıcı uç kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kaynak işlemi sırasında batıcı ucun batma derinliği sabit olacak şekilde dikkatli bir şekilde kontrol altında tutulmuştur. Kaynaklı parçalardan her birinden kaynağa dik yönde olacak şekilde dörder adet çekme numunesi ve birer adet metalografik muayene numunesi çıkarılmıştır. Çekme deneyi numuneleri TS 287 EN 895 standardına uygun olarak hazırlanmış olup (Şekil 2), deneyde kullanılan çene hızı 1 mm/min olarak seçilmiştir. Metalografik muayene numuneleri üzerinde öncelikle detaylı olarak makro ve mikro düzeyde optik mikroskop incelemeleri yapılmış, sonrasında sertlik ölçümleri yapılarak mikro sertlik profilleri çıkarılmıştır. Sertlik ölçümleri 100g yük altında 20s uygulama süresi ile Vickers yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tablo 1. Kullanılan 6061 Al-alaşımı levhaların kimyasal bileşimleri (% ağırlıkça). Malzeme Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti V Diğer 6061-O Kalan T6 Kalan Ni Tablo 2. Kullanılan 7075 Al-alaşımı levhaların kimyasal bileşimleri (% ağırlıkça). Malzeme Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti V Zr Diğer 7075-O Kalan T6 Kalan B, Pb, Ni, Sn, Be, 0.08 H 2 * * ml H 2 / 100g Al 57

6 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Tablo 3. Kaynakların gerçekleştirilmesinde kullanılan parametre setleri. Parametre Seti No Devir (min -1 ) İlerleme(mm/min) R Şekil 2. Kullanılan standart çekme numunesi ölçüleri. 3. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA 3.1. İçyapı İncelemeleri Şekil 3 de çalışmada kullanılan baz malzemelerin içyapıları görülmektedir Al-alaşımının içyapıları incelendiğinde her iki temper şartında da levhaların alfa fazı içerisinde rastgele dağılmış zengin Si ve Fe partikülleri ihtiva ettiği gözlenmektedir O levhaların mikro yapısı alfa fazı içerisinde rastgele dağılmış büyük ve yuvarlak Mg 2 Si partikülleri içerirken, 6061-T6 levhaların mikro yapısı ise alfa matrisi içerisinde rastgele dağılmış harf-görünümlü Fe 3 SiAl 12 partikülleri ve yine rastgele dağılmış büyük ve yuvarlak Mg 2 Si partikülleri içermektedir [14] Al-alaşımlarının içyapılarında ise istenmeyen bir şekilde rastgele dağılmış Al 7 Cu 2 Fe, Al 2 CuMg, and Mg 2 Si gibi kaba taneli bileşenler formunda Fe ve Si açısından zengin partiküller içeren alfa taneleri dikkat çekmektedir [15,16] T6 levhalardaki sertleştirici partiküller verilmiş olan büyütmede net olarak görülmemektedir. 58

7 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları (a) (b) (c) (d) Şekil 3. Baz malzemelerin mikro yapıları: (a) 6061-O, (b) 6061-T6, (c) 7075-O, (d) 7075-T6. Şekil 4 ve 5 de elde edilen kaynaklı levha kesitlerinin makro resimleri verilmiştir. Bu görüntüler incelendiğinde, levhaların tavlanmış (O) hallerde 1500x400 parametre seti ile kaynak edilen numune hariç diğerlerinde herhangi bir kaynak hatası dikkat çekmemektedir. Bu numunede ise, Şekil 4 te görüleceği üzere tabana yakın bölgede 7075-O tarafında kaynak hatası bulunmaktadır. Şekil O / 7075-O kaynaklı levhaların kesit görüntüleri. 59

8 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil T6 / 7075-T6 kaynaklı levhaların kesit görüntüleri. Şekil 6 ve Şekil 7, yapılan kaynakların kaynak bölgesinde oluşan dinamik olarak yeniden kristalleşen bölgeleri (DKB) göstermektedir. Bu görüntülerde koyu renkli bölgeler 7075 alaşımının yoğunluklu olduğu bölgeler, açık renkli bölgeler ise 6061 alaşımının daha yoğunluklu olduğu bölgelerdir. Kaynak bölgesi, kaynağın süpürme tarafındaki malzeme (6061) tarafından domine edilmektedir ve artan devir ile yığma tarafındaki malzemenin (7075) kaynak bölgesindeki konsantrasyonu artmaktadır. Şekillerden görüleceği üzere, daha yüksek devir olan 1500 min-1 dönme hızı kullanılarak elde edilen numunelerin DKB si, gerek O temper şartlarında kaynak edilen numunelerde gerekse T6 şartlarında kaynak edilen numunelerde daha fazla 7075 yoğunluklu bölge içermektedir. Bu yoğunluk durumu Şekil 5 te de görülmektedir. Bu durumun yüksek devirde iki farklı malzemenin daha fazla karışmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. (a (b) Şekil O / 7075-O kaynaklı numunelerin dinamik olarak yeniden kristalleşen bölgeleri: (a) 1000x150 ve (b) 1500x400. (a) (b) Şekil T6 / 7075-T6 kaynaklı numunelerin dinamik olarak yeniden kristalleşen bölgeleri: (a) 1000x150 ve (b) 1500x

9 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 3.2. Sertlik Ölçümleri Kaynaklı numuneler üzerinde yapılan mikrosertlik ölçümleri göstermiştir ki; O temper şartlarında kaynak edilen numunelerde kaynak bölgesinde bir sertlik artışı meydana gelmektedir. Bu sertlik artışı 6061-O tarafına yakın kısımda daha düşük mertebelerdeyken, 7070-O tarafına yaklaşıldıkça daha yüksek seviyelerde sertlik artışı söz konusu olmuştur O tarafına yakın kaynak bölgesinde, 6061-O sertlik değeri olan 40 HV den yaklaşık olarak 66 HV ye çıkmıştır. Buna karşın diğer tarafta sertlik değeri, 7075-O sertlik değeri olan 60 HV den yaklaşık olarak 120 HV seviyelerine kadar çıkmıştır. Ayrıca kaynak bölgesinde 6061-O tarafından 7075-O tarafına geçişte keskin bir geçiş söz konusu olup çok küçük mesafelerde ani sertlik yükselişi söz konusu olmuştur (Şekil 8). Diğer taraftan, T6 şartlarında kaynak edilen numunelerde kaynak bölgesinde bir sertlik kaybı söz konusudur. O temper şartlarında söz konusu olan keskin geçiş bu numunelerde de söz konusu olmuştur. Bu numunelerde 1000x150 parametresi ile elde kaynaktan çıkarılan numunede gerek 7075-T6 tarafında gerekse 6061-T6 tarafında kaynak bölgesindeki sertlik kaybı 1500x400 parametresine nazaran daha fazladır. Bu numunede kaynak bölgesindeki minimum sertlik değeri 61,9 HV iken, 1500x400 parametre seti ile elde edilen diğer numunede minimum sertlik değeri 73,2 HV dir. Ayrıca, bu numunelerde kaynak bölgesinin7075-t6 tarafına yakın bir bölgesinde küçük bir aralıkta ani sertlik artışı ve sonra tekrar düşüşü söz konusudur (Şekil 9). Şekil 8 ve Şekil 9 incelendiğinde, O temper şartında kaynak edilen numunelerde ısıdan etkilenen bölgede (IEB) sertlikte belirgin bir değişim olmadığından sertlik değişiminin olduğu bölgenin omuz çapı genişliğinde (yaklaşık olarak 15 mm) olduğu görülmektedir. Diğer taraftan, T6 şartlarında kaynak edilen numunelerde ise, sertlik değişimi hem karıştırma bölgesi hem de IEB de gerçekleştiğinden bu genişlik yaklaşık olarak 30 mm dir. 200 Mikrosertlik (HV0.1) Kaynak merkezinden mesafe (mm) 1000x x400 Şekil O / 7075-O kaynaklı parçalardan elde edilen numunelerin sertlik profilleri. 200 Mikrosertlik (HV0.1) Kaynak merkezinden mesafe (mm) 1000x x400 Şekil T6 / 7075-T6 kaynaklı parçalardan elde edilen numunelerin sertlik profilleri. 61

10 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 3.3. Çekme Deneyi Sonuçları Tablo 4 de kullanılan baz malzemelerin ve elde edilen kaynakların çekme deneyi sonuçlarının bir özeti verilmektedir. Şekil 10 da da, çekme deneyi sonuçları sütun grafik şeklinde verilmektedir. O temper şartlarında kaynak yapılması halinde çekme deneyi numuneleri, kaynak bölgesinin uzağında 6061-O baz malzemeden kopmuştur. Dolayısıyla bu numunelerde, ölçülen değerler 6061-O baz malzeme sonuçlarına eşittir ve kaynak mukavemet performansı 6061-O baz malzeme mukavemetinin yaklaşık olarak %100 dür. Bu numunelerde dikkat çeken durum, 1500x400 parametre seti ile elde edilen kaynaktan çıkarılan numunede kaynak hatası olmasına rağmen kopmanın yine kaynak bölgesinden değil 6061 baz malzeme tarafından gerçekleşmesidir. Bu durum bu numunenin mikrosertlik sonuçları ile açıklanabilir. Kaynak bölgesinde meydana gelmiş olan sertlik artışı kaynak bölgesinin mukavemetini 6061-O baz malzeme mukavemetinin üstüne çıkarmıştır. Bu da O şartlarında kaynak edilen numunelerde kaynak bölgesinde hatalarının bu bölgedeki sertlik artışı yoluyla tölere edildiğini göstermektedir. Benzer sonuçlar, kaynak bölgesinde mukavemet artışı olan ve çatlak ihtiva eden lazer kaynaklı östenitik-perlitik çelik levhalarda da rapor edilmiştir [17, 18]. Bu numunelerde elde edilen % uzama değeri (yaklaşık %14) baz malzemelerin her ikisinin % uzama değerinden düşüktür. Bunun nedeni numune boyunun yaklaşık yarısının yüksek mukavemetli olmasından dolayı deney esnasında plastik şekil değişiminin yalnızca düşük mukavemetli tarafta gerçekleşmesidir. Başka bir deyişle, kaynaklı numunelerin, 6061-O tarafı yaklaşık 116 MPa da kopma aşamasına geldiğinde, 7075-O tarafı daha yeni yeni akmaya başlamakta (akma sınırı yaklaşık 85 MPa), dolayısıyla numune toplam uzamasına katkısı çok az olmaktadır. Diğer taraftan kaynak bölgesinde meydana gelmiş olan sertlik artışı bu bölgenin mukavemetini artırmaktadır. Dolayısıyla bu bölgenin % uzamaya katkısı çok az olmakta ya da olmamaktadır. Yani çekme numunesinin % uzama değerinin hesabında alınan ölçü uzunluğu (ilk boy) 100 mm olmasına karşın numunenin toplam uzamasına asıl katkıyı sağlayan kısmı bu ölçünün çok altındadır (yaklaşık olarak 47 mm). Kaynaklı numunelerin % uzama değerleri (yaklaşık %14), 6061-O baz malzemenin % uzama değerinin (%28,5) yaklaşık yarısıdır. Kaynaklı levhaların süneklik performansı 6061-O baz malzeme uzama değerinin yaklaşık %50 sidir. Bu sonuç yapılmış olan yaklaşımın doğruluğu göstermektedir ki, kaynaklı numuneler yaklaşık 47 mm ilk boy üzerinden baz malzeme % uzama değerine göre bir hesap yapıldığında 13,4 mm lik bir uzama değerine ulaşılır. Geri kalan yaklaşık 0,6 mm lik uzama değeri de 7075-O baz malzeme tarafından ve/veya kaynak bölgesinin az bir sertlik artışının söz konusu olduğu 6061-T6 tarafından sağlanmaktadır. Benzer sonuçlar kaynak bölgesinde mukavemet değeri baz levhadan daha yüksek olan lazer kaynaklı çeliklerde de rapor edilmiştir [17,18]. T6 temper şartlarında kaynak edilen numunelerin her ikisinde de herhangi bir kaynak hatası olmamasına rağmen 6061-T6 baz malzemeye göre kaynak bölgesinde bir mukavemet kaybı söz konusudur. Bu numunelerde 1500x400 parametre seti ile elde edilen kaynaktan çıkarılan numunelerin çekme dayanımı değeri (257,9 MPa), 1000x150 parametre seti ile elde edilen kaynaktan çıkarılan numunelerin çekme dayanımı değerinden (230,5 MPa) daha iyidir. İçyapı incelemesi kısmında tespit edilmiş olan, 1500x400 parametresinde kaynak bölgesindeki daha yoğun 7075 alaşımının varlığı bu numunenin neden daha yüksek mukavemet değeri gösterdiğini açıklamaktadır. Ayrıca, bu numunede kaynak bölgesindeki sertlik kaybı da 1000x150 parametre seti ile elde edilen kaynaktan çıkarılan numuneye nazaran daha düşüktür. Sertlik kaybının az olması da direkt olarak mukavemet artışı olarak yansımaktadır. Ancak, bu numunelerde elde edilen çekme dayanımı değeri 257,9 MPa bile 6061-T6 baz malzeme çekme dayanımı değerinin (334,6 MPa) altındadır ve bu numunelerin kaynak mukavemet performansı 6061-T6 baz malzemeye göre %77 dir. O temper şartlarında kaynak edilen numunelerin tersine T6 levhaların kaynağında kaynak bölgesinde söz konusu olan mukavemet kaybı, karıştırma bölgesinde mukavemet artırıcı çökelti partiküllerinin çözünmesi ve IEB de aşırı yaşlanmadan ötürüdür. Dolayısıyla, bu numunelerin % uzama değerleri de çok düşük mertebelerde kalmıştır (yaklaşık %1). Bunun nedeni, kaynaklı numunelerden

11 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları T6 nın 7075-T6 ya nazaran düşük mukavemet değeri göstermesi ve kaynak bölgesinde mukavemet kaybıdır. Bir başka deyişle, 6061-T6 çekme dayanımı yaklaşık olarak 335 MPa iken 7075-T6 bu değerde henüz akma sınırının çok altındadır (akma sınırı yaklaşık 500 MPa). Ayrıca, kaynak bölgesi her iki baz levhadan çok daha düşük sertliktedir. Dolayısıyla bu numunelerde çekme deneyinde plastik şekil değişimine uğrayan ve toplam numune uzamasına asıl katkı sağlayan kısım kaynak bölgesidir (yaklaşık 15 mm). Benzer davranış, lazer ve elektron hüzmesi kaynaklı, kaynak bölgesinde mukavemet kaybı olan, Al-alaşımı levhalarda ve difüzyon kaynaklı Ti-Al birleştirmelerde de rapor edilmiştir [3-5, 19]. Diğer bir bulgu, bu numunelerden 1500x400 parametre seti ile elde edilen kaynaktan çıkarılan numunelerde % uzama değeri diğerine göre çok az da olsa daha yüksek çıkmıştır (%0,83 ve %1,07). Mikro sertlik profilleri incelediğinde 1500x400 parametre seti ile elde edilen numunelerin kısmi olarak daha yüksek % uzama değeri vermesinin sebebinin kaynak bölgesindeki sertlik kaybının daha düşük mertebede olduğu anlaşılmaktadır. Tablo 4. Kaynaklı numunelerin çekme deneyi sonuçları. Malzeme ve Kaynak Parametreleri (min -1, mm/min) O-Temper Çekme Dayanımı (MPa) Akma Sınırı (MPa) Uzama (%) T6-Temper Ort. Verim (%)* Ort. Verim (%)* BM ,8 63,7 28,3 117, ,8 116,9 63,5 28,5 115,2 64,1 28,4 116,5 63,6 28, ,2 11, ,8 11,9 334,2 311,2 11,54 335,1 312,6 11,4 334,6 311,7 11, BM ,4 85,1 19,1 206,8 84,6 20,3 197, ,8 206,6 84,3 18,3 203,5 85,3 18, , ,4 559,2 492,2 14, ,3 564,8 496,2 17,1 563,5 496, x ,1 66,4 14,2 115,7 68,8 14,1 115,8 68,5 14, ,1 14,2 115,7 67,7 14,2 99,3 106,4 49,8 227,5 233,6 230,6 230,2 220,5 219,1 216,1 221,8 0,77 0,94 0,81 0,79 230,5 219,4 0,83 68,9 70,4 7,1 1500x , ,4 115,5 68,2 13,9 115,8 68,1 13,9 115,5 67,8 13,6 115,8 67, ,4 106,6 49,1 254,5 232,4 1,09 259, ,09 259,1 233,8 1,04 258,1 230,6 1,05 257,9 233,2 1,07 77,1 74,8 9,1 * Kaynak verimi daha düşük mukavemetli Al 6061 alaşımına göre hesaplanmıştır. 63

12 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Çekme Dayanýmý (MPa Akma Sýnýrý (MPa) Çekme Dayanýmý(MPa) A kma Sýn ýrý(m Pa ) Uzama (%) 6061-O 6061-T O 7075-T6 1000x x x x Uzama (%) Baz Baz Malzeme 6061-O / 7075-O / 6061-T6 / 7075-T6 Şekil 10. Baz malzemeler ve kaynaklı levhaların çekme deneyi sonuçlarının mukayesesi. 4. SONUÇLAR Bu çalışmadan aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Sürtünme karıştırma kaynağı farklı Al-alaşımları olan 6061 ve 7075 alaşım levhaların birbiri ile kaynağında, gerek O gerekse T6 temper şartlarında başarılı bir şekilde uygulanabilmektedir ve 7075 Al-alaşımı levhaların O temper şartlarında kaynağı ile elde edilen birleştirmelerin kaynak bölgesinde bir sertlik artışı meydana gelmektedir. Dolayısıyla, çekme deneyinde bu kaynaklı levhalar kaynak bölgesinden uzakta daha düşük mukavemetli 6061-O baz malzemeden kopmaktadır. O temper şartında kaynak durumunda kaynak bölgesinde söz konusu olan sertlik artışı kaynak hatalarını tölere etmekte ve çekme deneyinde numuneler kaynak hatasına rağmen kaynak bölgesinden değil zayıf olan baz malzeme (6061-O) tarafından kopmaktadır ve 7075 Al-alaşımı levhaların T6 temper şartlarında kaynağı ile elde edilen birleştirmelerin kaynak bölgesinde ise bir sertlik kaybı meydana gelmektedir. Dolayısıyla minimum sertlik kaynak bölgesinde olmakta ve çekme deneyinde kırılma kaynak bölgesinde gerçekleşmektedir. O temper şartlarında kaynaklı levhalar düşük mukavemetli 6061 baz malzeme mukavemetine eşdeğer mukavemet değerleri göstermişlerdir, yani kaynak mukavemet performansı yaklaşık % 100 dür. T6 temper şartlarında kaynak durumunda ölçülen en iyi kaynak performansı 1500x400 parametre seti ile elde edilmiş olup, %77 civarındadır. Kaynak bölgesi, kaynağın süpürme tarafındaki malzeme (6061) tarafından domine edilmektedir ve artan devir ile yığma tarafındaki malzemenin (7075) kaynak bölgesindeki konsantrasyonu artmaktadır. 64

13 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları O temper şartlarında kaynak durumunda sertlik değişimi olan genişlik yaklaşık olarak batıcı uc omuz çapına eşit olmakta iken (yaklaşık 15 mm), T6 temper şartlarında bu bölge genişlemekte ve yaklaşık iki katına çıkmaktadır (yaklaşık 30 mm). Kaynaklı numunelerin % uzama değerlerinde kaynak bölgesinin sertliğindeki değişim (O temper şartlarında sertlik artışı, T6 temper şartlarında sertlik kaybı) ve plastik şekil değişiminin toplam numune boyunda değil belirli bölgelerde olması nedeniyle bir kayıp söz konusu olmaktadır. Teşekkür: Bu çalışmada kullanılan levhalar DEÜ 2007.KB.FEN.52 nolu Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında temin edilmiştir. Yazarlar kuruma bu kısmi finansal destek dolayısıyla teşekkür eder. KAYNAKLAR [1] Mathers G., 2002, The Welding of Aluminium and Its Alloys, CRC Pres LLC, Woodhead Publishing Ltd., New York, USA. [2] Murr L.E., 2010, A review of FSW research on dissimilar metal and alloy systems, JMEPEG, 19, [3] Çam G. and Koçak M., 2007, Microstructural and mechanical characterization of electron beam welded Al-alloy 7020, J Mater Sci, 42, [4] Çam G. et al., 1999, Characterisation of electron beam welded aluminium alloys, Sci. Technol. Weld. Join., 4 (5), [5] Çam G. et al., 2000, Characterization of laser and electron beam welded al alloys, Practical Metallography, 37 (2), [6] Mishra R.S. and Ma Z.Y., 2005, Friction stir welding and processing, Materials Sci. and Eng. R: Reports, R50 (1-2), [7] Nandan R. et al., 2008, Recent advances in friction-stir welding - Process, weldment structure and properties, Prog. Mater. Sci., 53 (6), [8] Threadgill P.L., Leonard A.J., Shercliff H.R., and Withers P.J., 2009, Friction stir welding of aluminium alloys, Int. Mater. Rev., 54(2), [9] Çam G., 2011, Friction stir welded structural materials: Beyond Al-alloys, Int. Mater. Rev., 56 (1), [10] Milles M.P., Melton D.W., and Nelson T.W., 2005, Formability of friction-stir-welded dissimilaraluminum-alloy sheets, Metal. Mater. Trans. A, 36A, [11] Thomas W. M. et al., International Patent Application No. PCT/GB92/02203, GB Patent Application No , Dec. 1991, and U.S. Patent No. 5,460,317, Oct [12] Thomas W.M. and Nicholas E.D., 1997, Friction stir welding for the transportation industries, Mater. & Des., 18, [13] Kaluç E. ve Taban E., 2007, Sürtünen Eleman ile Kaynak (FSW) Yöntemi (Sürtünme Karıştırma Kaynağı), TMMOB MMO Yayını, Yayın No: MMO/2007/460. [14] Van der Voort G.F., 2006, Atlas of Aluminum Microstructures, in Analytical Characterization of Aluminum, Steel and Superalloys, ed.: MacKenzie D.S. and Totten G.E., CRC Press, Taylor & Francis Group, New York, USA, 55. [15] Raghavan A. et al., 1985, Microanalytical study of the heterogeneous phases in commercial Al- Zn-Mg-Cu alloys, Metall. Trans. A, 16A, [16] Deshpande N.U. et al., Relationship between fracture toughness, fracture path, and microstructure of 7050 aluminum alloy: Part I. Quantitative characterization 1998, Metall. Mater. Trans. A, 29A, [17] Çam G., et al., 1999, Determination of mechanical and fracture properties of laser beam welded steel joints, Weld. J., 78 (6), 193s-201s. [18] Çam G. et al., 1998, Investigation into properties of laser welded similar and dissimilar steel joints, Sci. Technol. Weld. Join., 3 (4), [19] Koçak M., Pakdil M., and Çam G., 2002, Fracture Behaviour of Diffusion Bonded Ti-Alloys with Strength Mismatch, Sci. Technol. Weld. Join., 7 (4),

14 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları ÖZGEÇMİŞLER Arş. Gör. Güven İPEKOĞLU 1978 yılında Hatay ın Altınözü ilçesinde doğdu yılında Mustafa Kemal Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu yılında aynı bölümde araştırma görevlisi olarak çalışmaya başladı ve bu bölümdeki yüksek lisans öğrenimini 2003 yılında tamamladı. Halen Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü ndeki doktora öğrenimini sürdürmektedir. Prof. Dr. Gürel ÇAM 1984 de İstanbul Teknik Üniversitesi nden Metalürji Mühendisi olarak mezun oldu yılında Imperial College de Malzeme Bilimi alanında doktorasını tamamladı yılına kadar Gaziantep Üniversitesi nde Yrd. Doç. Dr. olarak çalıştı. Ekim 1994 de Malzeme Bilimi dalında doçentlik derecesi aldı tarihleri arasında Almanya nın Hamburg kenti yakınlarındaki GKSS Araştırma Merkezi nde kaynak teknolojileri konusunda misafir araştırmacı olarak çalıştı. Araştırma alanları, temel olarak kaynak teknolojileri olmak üzere, sürtünme karıştırma kaynağı, difüzyon kaynağı ve lazer kaynağı, kaynaklı bağlantıların karakterizasyonu ve düşük dönüşüm sıcaklıklı kaynak dolgu malzemeleridir. 66

15 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ KAYNAK ÖNCESİ-SONRASI MEKANİK VE MİKROYAPI ÖZELLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI Mehmet ERDEM 1 ve Mehmet TÜRKER 2 1 İnönü Ü. Müh. Fak. Makine Müh. Bölümü, Malatya mehmet.erdem@inonu.edu.tr 2 Gazi Ü., Tekn. Fak., Metalürji ve Malz. Müh. Bölümü, Ankara mturker@gazi.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, 12.7 mm kalınlıktaki 7039 Al-Zn ve 5083 Al-Mg alaşımı levhalarına V kaynak ağzı açılarak argon koruyucu gaz atmosferinde MIG kaynak yöntemiyle çoklu paso kaynak yapıldı. Bu kaynaklı levhaların mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla çekme, eğme ve mikro sertlik deneyleri uygulandı. Kaynak sonrası değişen mikro yapıları tespit etmek amacıyla da mikro yapı incelemeleri yapıldı. Deneylerde elde edilen veriler kaynak öncesi standart değerlerle ve literatürle karşılaştırıldı. Kaynaklı numunelerin mekanik özelliklerinin kaynak öncesi standart değerlerle göre azaldığı ve literatürle benzer olduğu belirlendi. Ayrıca her iki alaşım grubuna ait kaynaklı levhaların ITAB (Isı Tesiri Altındaki Bölge) mikro sertlik değerinin ana metale ve kaynak metaline göre değiştiği tespit edilmiştir. Anahtar kelimeler: Al alaşımları, mekanik özellikler, ITAB ve mikro yapı. INVESTIGATION OF THE MECHANICAL AND MICRO STRACTURE PROPERTIES OF THE PRE AND POST-WELDED ALUMINUM ALLOYS ABSTRACT In this study, V weld grooves was created on 5083 Al-Mg and 7039 Al-Zn plates with thickness of 12.7 mm and they were welded with MIG welding technique via multiple pass. To determine the mechanical properties of these plates tensile, bending and micro hardness tests were performed. The micro structure were carefully examined in order to determine the post-welding micro structure. The experiments results were compared with standard values and literature. It were determined that the mechanical properties of the welded specimens were decreased in respect of pre-welding standard values and that it were similar with the literature. Moreover the HAZ micro hardness value were in comparison with them base metal and the HAZ grain structure were changed with the heat of welding. Moreover, it were determined that the HAZ micro hardness values of each of the alloy welded plates were changed according to base metal and weld metal. Key words: 7039 Al alloys, mechanical properties, ITAB and microstructure 67

16 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 1. GİRİŞ Teknolojinin gelişmesi ile mevcut olan malzemelere yeni kullanım alanları kazandırılmakla birlikte, oluşan ihtiyaçlara cevap verebilecek niteliği yüksek malzemelere de ihtiyaç duyulmaktadır. Bundan dolayı gelişen süreç içerisinde malzemelerin özelliklerini iyileştirme veya alternatif yeni ürünler ortaya koyma zorunluluğu doğmaktadır. Alüminyum, geliştirilen özellikleri bakımından sanayi sektöründe tercih sebebi olmaktadır. Hafifliği, iletkenlik özelliğinin iyi oluşu, korozyon direncinin yüksek olması, düşük sıcaklılarda emniyetli çalışabilmesinin yanında değişik elementlerle alaşım yaparak basit yapı çeliklerinin mukavemet değerlerine ulaşması, gıda sektöründen, uzay sanayisine ve değişik alaşımların balistik özelliklerinin iyiliğinden dolayı da askeri araç yapımına kadar geniş bir kullanım alanı söz konusudur [1-4]. Kaynaklı birleştirmelerde; uygun birleşim taslağı, kaynak ısı verimliliği, ısıdan etkilenen bölge genişliği, sertlik ve mikro yapı değişimleri mekanik ve balistik mukavemeti etkileyen başlıca nedenlerdir. Bu parametrelerin ideal düzeyde seçilmesi kaynaklı malzemelerin mekanik ve balistik özelliklerini korumasında belirleyici rol oynar [5]. Ergitme esaslı kaynak yöntemleri ile Al ve alaşımlarının birleştirilmesinde kaynak ısı girdisi sonucu ergime ve yeniden katılaşma ile oluşan kaynak metali ve ısıdan etkilenmiş bölgedeki (IEB) metalürjik dönüşümler büyük miktarlarda çarpılmalar ve kalıntı gerilmelerin oluşmasına neden olmaktadır [6]. Kaynaklı malzemelerde oluşan çarpılma oranı ve kalıntı gerilme miktarı kaynak esnasındaki ısı girdisine bağlıdır. Bu nedenle uygulanan kaynak yöntemi ve parametrelerin doğru seçilmesi kaynaklı birleştirmelerin emniyeti açısından önemlidir. Kaynak esnasında ısıdan etkilenen bölgede meydana gelen mukavemet kaybı, kaynak sonrası uygulanan uygun ısıl işlemle tekrar artırılabilir Yüksek magnezyum (%3 Mg) ve düşük bakır içerikli dolgu metali ile birleştirilen AA7003 alaşımı doğal yaşlanma veya suni yaşlanma ile ana metalin mukavemet değerinin yaklaşık %80-85 ine ulaşmaktadır. AA 7000 serisi Al alaşımlarının kaynağından sonra uygulanan ısıl işlemler sonucu oluşan çökeltilerin şekli, boyutu ve dağılımı ve kullanılan dolgu metalinin kimyasal bileşimi alaşımın mikro yapı ve mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir[7-8]. Savunma sistemlerinden uzay sanayisine kadar geniş bir yelpazede kullanılan Al alaşımların kaynaklı birleştirmelerinde; uygun birleşim taslağı, kaynak ısı verimliliği, ısıdan etkilenen bölge genişliği, sertlik ve mikro yapı değişimleri mukavemeti etkileyen başlıca nedenlerdir. Bu parametrelerin ideal düzeyde seçilmesi kaynaklı malzemelerin mekanik özelliklerini korumasında belirleyici rol oynar. Bu çalışmada, 12,7 mm kalınlığındaki Al-Zn alaşım grubundan 7039 (T64) alaşımı ile Al Mg alaşım grubundan 5083 (H321) Al alaşımına aynı kaynak parametreleri kullanarak çoklu paso MIG kaynağı yapılmıştır. Her alaşım grubu kendi arasında ( , ) kaynaklanmıştır. Kaynaklı levhalardan elde edilen numunelere çekme-basma deneyi, mikro sertlik ölçümleri ve mikro yapı analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar MIL-DTL-46063H [9] ve Federal spesification Aluminum alloy 5083 [10] standardındaki değerlerle karşılaştırılmıştır. 2. DENEYSEL YÖNTEM VE MALZEME 2.1. Malzeme Mekanik deneylerde kullanmak amacı ile kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen Al levhalara Şekil 1 de görüldüğü gibi talaş kaldırma işlemi ile ağzı açılmış ve MIG kaynak yöntemiyle çoklu paso kaynaklı birleştirme yapılmıştır. Kullanılan malzemenin mekanik özellikleri Tablo 2 de, kaynak ilave metalin kimyasal bileşimi Tablo 3 de ve malzemelerin kaynaklanmasında kullanılan parametrelerde Tablo 4 de verilmiştir. Kaynaklı parçaların mekanik özelliklerini tespit etmek için her bir alaşım grubundan TS de belirtilen ölçülere göre dörder adet enine kesitli kaynaklı çekme ve basma numunesi hazırlanmıştır. Bu numunelere TS138 e göre ZWICK 68

17 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 250 markalı cihazda, Test hızı: 20 mm/dak, Akma hızı: 15 mm/dak, Elastik modülü: 10 N/mm 2 s parametrelerde çekme deneyi, TS 205 e göre de Amsler marka 40 ton kapasitedeki çekme-basma makinesinde eğme deneyi yapılmıştır. Kaynaklı birleştirmelerin mikro yapı ve sertlik testleri için sırasıyla zımparalama, parlatma ve dağlama (keller dağlayıcısı) işlemleri yapılmıştır. Numenlere 10 g yük altında SHIMADZU HMV-2 cihazında sertlik testi yapılmıştır. Numunelerin mikro yapı resimleri ise LAICA optik mikroskopta çekilmiştir. Tablo Al-Zn ve 5083 Al-Mg alaşımlarının kimyasal bileşimi[9-10]. Element Zn Mg Mn Cu Fe Si Cr Ti Diğer Al % Bileşim (7039 Al- Zn) % Bileşim (5083 Al- Mg) Kalan Kalan Tablo Al-Zn ve 5083 Al-Mg alaşımlarının mekanik özellikleri [9-10]. Al alaşımı Kalınlık (mm) Çekme gerilmesi (MPa) Akma gerilmesi (MPa) % Uzama e kadar den kalın e kadar den kalın Tablo 3. İlave metalin kimyasal özellikleri [11]. AWS Sınıflaması Sınıflandırması ER5356 No su UNS UNS Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Diğer Al No su A , ,2 4,5-5, ,05-0, ,06-0, Kalan 69

18 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Tablo 4. Kaynak işlem parametreleri Kaynak yöntemi Birleşim tipi Kaynak tipi Dolgu malzemesi Kaynak öncesi ara paso temizliği İmalatçı firma MIG Alın birleştirme 12.7 mm levha V Safra Tipi Er 5356 Çapı 1.6 mm Markası ANSI/AWS A Paslanmaz Tel Fırça --- Yağ Alma --- Oksit Alma Malzeme sıcaklığı Örtü ortamı Koruyucu ortam Gaz karışımı Gaz debisi Oda sıcaklığı Gaz ortamı % Ar lt/dak Nozul boyutu 10 mm Kaynak konumu Düz Kanak işlemi Yarı otomatik Kaynak akımı Doğru akım (DC) ( A) Kutuplama Ters kutuplama, Elektrot (+), Malzeme (-) Kaynak hızı 40 cm/dak Kaynak gerilimi V 60 o Şekil 1. Mekanik özellikleri belirlemek amacıyla hazırlanan kaynak numunesi. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Çekme deneyi sonuçları Elde edilen çekme değerleri ile malzemelerin standart çekme değerleri Tablo 5 de verilmiştir Al-Zn alaşımına ait kaynaklı numunenin mekanik özelliklerinde gözle görülür oranda bir azalma vardır. Kaynaksız standart değerlere göre çekme gerilmesi 105,6 MPa ve akma gerilmesi 70

19 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 233,6 MPa azalırken % uzama ise %2.9 oranında artmıştır Al-Mg alaşımına ait kaynaklı numunenin mekanik özelliklerinde kaynaksız standart değerlere göre maksimum çekme mukavemetinden 68 MPa ve akma mukavemetinden de 174 Mpa lık bir azalma görülürken, % uzamada ise %3.5 oranında artma olmuştur. Kaynaklı 5083 Al-Mg alaşımına ait numunelerin çekme mukavemeti standartlarda belirtilen ana metalin minimum çekme mukavemetinden yüksek çıkmıştır. Bu durum 5083 Al-Mg alaşımının kaynaklanma kabiliyetinin daha iyi olduğunu göstermektedir. Kaynak dolgu metalinin özellikleri, kaynak sonrasında değişen mikro yapı ve sertlik değerlerindeki değişim malzemenin % uzama miktarını artırmış ve mekanik özelliklerin azalmasına neden olmuştur. Ayrıca, deney esnasında her iki alaşım grubuna ait numunelerin genellikle kaynak metali ve geçiş bölgesine yakın yerlerden koptuğu tespit edilmiştir. Tablo 5. Kaynaklı ve kaynaksız numunelerin çekme deney sonuçları Malzeme Kalınlık (mm) Çekme gerilmesi (MPa) Akma gerilmesi (MPa) % Uzama Kaynaksız 38 e kadar Kaynaklı Numune Kaynaksız 38 e kadar Kaynaklı Numune Eğme deneyi sonuçları Kaynaklı birleştirmelerde, kaynak mukavemeti ve kalitesi yönünde hızlı ve pratik yorum yapabilmek için eğme testi yapılmaktadır. Alın alına yapılan kaynaklı birleştirmelerin eğilebilme kabiliyetleri hakkında bilgi edinmek, ana metal ile kaynak metalinin uyumunu bulmak, kaynakçının becerisini belirlemek ve kaynak bölgesinin dayanımını bulmak amacıyla numunelere TS 205 de belirtilen koşullara uygun olarak eğme deneyi uygulandı ve Tablo 6 deki sonuçlar elde edildi. Bu sonuçlarda kaynaklı 7039 Al alaşımının maksimum eğme kuvveti 3435 kg, eğme mukavemeti MPa ve kırılma açısı da 52.6 o olarak tespit edilmiştir. Kaynaklı 5083 Al alaşımının maksimum eğme kuvveti 3080 kg, eğme mukavemeti 264 MPa ve kırılma açısı da 65,75 o olarak tespit edilmiştir. Kaynaklı 5083 Al alaşımının eğme açısının ve uzama yüzdesinin fazla olması 7039 Al alaşımına göre daha sünek karakterde olduğunu göstermektedir. Şekil 6.a-b de eğme sonrası numune genel görünümü ve eğme çatlağı oluşumu gösterilmiştir. Her iki alaşım grubu aynı dolgu metali ile kaynaklandığı için eğme çatlaklarının benzer bölgelerde oluştuğu görülmüştür. a b Şekil Al alaşımının eğme sonrası numune genel görünümü (a), Eğme çatlağı oluşumu (b). 71

20 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Tablo 6. Kaynaklı numunelerin eğme deney sonuçları Kalınlık (mm) Maksimum eğme kuvveti (kg) Eğme mukavemeti (MPa) Malzeme kırılma açısı ( o) Kopma yeri Kaynaklı 7039 Al alaşımı ,8 52,6 Kaynak metali Kaynaklı 5083 Al alaşımı ,75 Kaynak metali Malzeme fazla oldu#u için hadde yönünde uzamı" iri taneler dikkat çekmektedir. Isı tesiri altındaki 3.3. Mikro yapı ve mikro sertlik sonuçları bölgeden (ITAB) uzakla"tıkça hadde yönünde uzayan taneler incelmektedir. Aynı ala"ımın Şekil 7-9 de 5083 ve 7039 Al alaşımlarına ait mikro yapı görüntüleri ve mikro sertlik değerleri ITAB sertlik de#erinde de kalıntı gerilmelerden kaynaklanan bir artı" görülmektedir ($ekil 8). verilmiştir. Şekil 7-C,D de Ana metal mikro yapılarında herhangi bir değişim görülmemektedir. Ayrıca 7039 Al bölgesine ala"ımı ya"lanma ile sertle"en bir verilmiştir. ala"ım grubuher oldu#u do#al ya"lanmaya Şekil 7-B,E de geçiş ait mikro yapı resmi iki için alaşım grubunda bu bölgede ısıdan etkilenme söz konusu olduğu için ana metale göre iri tane yapısı görülmektedir. ba#lı bir sertlik artı"ının da olabilece#i dü"ünülmektedir. $ekil 7-A,F deki her iki ala"ım Şekil 7.E deki 7039 Al alaşımına ait mikro yapıda ısıdan etkilenme fazla olduğu için hadde yönünde ait kaynak mikro yapısında dendritik bir bölgeden yapı görülmektedir. Bu dendritler hadde uzamışgrubuna iri taneler dikkatmetali çekmektedir. Isı tesiri altındaki (ITAB) uzaklaştıkça yönünde uzayanso#uması taneler incelmektedir. Aynı alaşımın sertlikolu"an değerinde de kalıntı gerilmelerkayna#ın esnasında olu"mu"tur. Kaynak ITAB bölgesinde bu dendritlerin ince den kaynaklanan bir artış görülmektedir (Şekil 8). Ayrıca 7039 Al alaşımı yaşlanma ile sertleşen veya iri olması kaynak bölgesinin so#uma hızına ba#lıdır. Kaynak metali bölgesi sertli#inin bir alaşım grubu olduğu için doğal yaşlanmaya bağlı bir sertlik artışının da olabileceği düşünüldi#erşekil bölgelere göre daha dü"ük oldu#u $ekilait 8 de görülmektedir. Ayrıca kaynak dendritik diki"i mektedir. 7-A,F deki her iki alaşım grubuna kaynak metali mikro yapısında bir yapı görülmektedir. Bu dendritler kaynağın soğuması esnasında oluşmuştur. Kaynak bölgesinde kesitlerindeki sertlik de#i"imi $ekil 9 de verilmi"tir Al ala"ımına ait mikro yapıda oluşan bu dendritlerin ince veya iri olması kaynak bölgesinin soğuma hızına bağlıdır. Kaynak ba#lı bölgelere olarak irile"mi" taneler dikkat çekmektedir. Isıgörülmektedir. tesiri altındaki Ayrıca metali ısıdan bölgesietkilenmeye sertliğinin diğer göre daha düşük olduğu Şekil 8 de kaynakbölgeden dikişi kesitlerindeki sertliktanelerin değişimi Şekil 9 de verilmiştir Al alaşımına ait mikro (ITAB) uzakla"tıkça inceldi#i görülmektedir. Aynı ala"ımın ITAB sertlik yapıda ısıdan etkilenmeye bağlı olarak irileşmiş taneler dikkat çekmektedir. Isı tesiri altındaki de#erinde bir dü"me söz konusudur. Sertlikteki bu dü"me kaynak metalurjik yapısının do#al bölgeden (ITAB) uzaklaştıkça tanelerin inceldiği görülmektedir. Aynı alaşımın ITAB sertlik desonucudur 8). ğerindebirbir düşme ($ekil söz konusudur. Sertlikteki bu düşme kaynak metalurjik yapısının doğal bir sonucudur (Şekil 8) B (a) A 3 (b) D C E F Şekil 7. Isıdan etkilenmiş bölgelerin mikro yapısı: a-) 5083 Al alaşımı, b-) 7039 Al alaşımı; C-D)Ana metal, $ekil 7. Isıdan etkilenmi" bölgelerin mikro yapısı: a-) 5083 Al ala"ımı, b-) 7039 Al ala"ımı; B-E)Geçiş bölgesi, A-F) Kaynak metali. C-D)Ana metal, B-E)Geçi" bölgesi, A-F) Kaynak metali. 72

21 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Mikro Sertlik (HV 0.2) Ana Metal metal 2-2-Geçiþbölgesi-1 Geçiş Bölgesi Geçiþbölgesi-2 Geçiş Bölgesi Geçiþbölgesi-3 Geçiş Bölgesi Metali Kaynak metali Al-Zn - Alaþýmý Zn Alaşımı Al-Mg - Mg Alaþýmý Alaşımı 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 Mesafe (mm) Şekil ve 5083 Al alaşımlarının ısıdan etkilenmiş bölgelerin mikro sertlik değerleri. 1,50 1, Al-Zn - Alaþýmý Alaşımı 5083 Al-Mg - Alaþýmý Alaşımı Mesafe (mm) 1,00 0,75 0,50 0,25 0, Mikro sertlik (HV 0.2) Şekil Al alaşımlarının kaynak metali mikro yapı resmi ve mikro sertlik değerleri Her iki alaşım grubundan elde edilen mikro sertlik sonuçlarında kaynak metali sertlik değeri ana metal ve geçiş bölgesi sertlik değerlerinden daha az olduğu görülmüştür. Bu azalma ilave metalin kimyasal yapısından kaynaklanmaktadır Al alaşımında en yüksek sertlik değeri geçiş bölgesinde görülmüştür. Bunun nedeni ise kaynak sonrasında numuneler (90 günden fazla) bekletilmiştir. Bu sürede geçiş bölgesi sertliği doğal yaşlanmaya bağlı olarak artmıştır. Oğuz [12], 7005 ve 7039 Al alaşımlarının kaynaktan sonra günlük bir doğal yaşlanma ile sertliklerinin, ısıl işlemle yaşlandırılan ana metal sertliğine ulaştıklarını belirtmiştir. Wu ve Wang[13], 6 mm kalınlığındaki 7005 Al alaşımını (ER5153, ER5556 ve ER5356) ilave metal kullanarak TIG kaynak yöntemi ile birleştirdiler. Kaynak sonrası numunelere değişik yaşlanma işlemleri uyguladılar ve 18 gün doğal yaşlanmış numunelerin kaynak metali sertliğinin ana metal ve geçiş bölgesine göre daha az olduğunu belirlediler. Ayrıca, doğal yaşlanmaya bağlı olarak geçiş bölgesi sertliklerinin de ana metal sertlik değerine ulaştığını tespit ettiler. 73

22 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Wu ve Wang [8], Bu konu ile ilgili yaptıkları başka bir çalışmada da 6 mm kalınlığındaki AA 7005 ve AA7003 Al levhalar ER5183, ER5556 ve ER5356 dolgu metalleri kullanılarak TIG kaynağı yapılmıştır. Kaynaklı levhalara 18 gün doğal yaşlanma, T6 ve T73 ısıl işlemleri yapılmıştır. ER5356 dolgu metali ile kaynatılan AA7003 alaşımının ana metal bölgesinin sertlik değeri kaynak metali ve ısıdan etkilenen bölgenin sertlik değerinden yüksek çıkmıştır. Ana metalin sertlik değeri 105 HV ve kaynak metalinin sertlik değeri de 95 HV olarak tespit edilmiştir. Isıdan etkilenen bölgenin sertlik değeri kaynak metalinden yüksek çıkmıştır. Aynı çalışmada ER5356 dolgu metali ile kaynaklanan AA7003 ve AA7005 alaşımlarına T6 ısıl işlemi uygulanmış ve kaynak metali, ITAB ve ana metalin sertlik değeri AA7003 alaşımında 140 HV ve AA7005 alaşımınında ise 125 HV olduğu belirtilmiştir. Aynı dolgu metali ile kaynaklanan levhalara T73 ısıl işlemi uygulanmış ve AA7005 alaşımınında kaynak metali ve ITAB ın sertlik değeri (125 HV) ana metalin sertlik değerinden (115 HV) yüksek çıkmıştır. AA7003 alaşımında ise kaynak metalinin sertlik değeri (125 HV) ITAB ve ana metalin sertlik değerinden (115 HV) yüksek olduğu ifade edilmiştir. Aynı çalışmada ER5356 dolgu metali ile kaynaklanan AA7005alaşımının doğal yaşlanma sonrası maksimum çekme mukavemeti 221 MPa, T6 ısıl işlemi sonrası 326 MPa ve T73 ısıl işlemi sonrasında ise 312 MPa olduğu belirtilmiştir. Aynı dolgu metali ile kaynaklanan AA7003 alaşımının ise doğal yaşlanma sonrası maksimum çekme mukavemeti 257MPa, T6 ısıl işlemi sonrası 335 MPa ve T73 ısıl işlemi sonrasında ise 308 MPa olduğu ifade edilmiştir. Başka bir çalışmada da 6,45 mm kalınlığındaki 5083 H321 levhalar ER 5356 dolgu metali ile çift taraflı tek paso ile MIG ve TIG kaynağı ile birleştirilmiştir. Birleştirilen levhaların mekanik özelliklerine bakılmış ve MIG kaynaklı bağlantıda ana metal sertliğinin ortalama 140, kaynak metali sertliğinin ortalama 115 HV civarında olduğu ve sertlik değeri ana metalden, ITAB a ve kaynak metaline doğru düştüğü ifade edilmiştir. Yani bağlantının ITAB ve kaynak metalinin daha yumuşak olduğu belirtilmiştir. TIG kaynaklı bağlantının ana metal sertlik değeri 135 HV olduğu ve ITAB ve kaynak metalinde de ana metale göre ani sertlik düşüşlerinin olmadığı ifade edilmiştir. MIG kaynağı ile kaynatılan numunenin çekme mukavemeti çekme mukavemeti 282 N/mm 2, akma mukavemeti 177 N/mm 2 ve uzama ise %6.93 olarak bulunmuştur. TIG kaynağı ile kaynatılan numunenin çekme mukavemeti 291 N/mm 2, akma mukavemeti 205 N/mm 2 ve uzama ise %8.03 olarak bulunmuştur. Çekme deneyi sonrasındaki kopmalar her iki kaynak yönteminde de kaynak metalinde meydana geldiği ifade edilmiştir. Aynı çalışmada numunelere eğme deneyi yapılmış ve her iki kaynak yöntemi (MIG ve TIG) ile kaynatılan numunelerde eğme çatlaklarının oluşmadığı tespit edilmiştir [14]. Yapılan başka bir çalışmada, AA 5754 H-22 alüminyum levhalar farklı parametrelerde ve TS EN standardında Robotta MIG yöntemiyle birleştirilmiş numunelerin mikro yapı ve mekanik özellikleri incelenmiş ve çekme işlemine tabi tutulan numunelerin ITAB ve çevresinde boyun vererek sünek kopmalar meydana geldiği tespit edilmiştir. Numunelerin akma mukavemeti yaklaşık 15 kg/mm 2, çekme mukavemetinin 22 kg/mm 2, uzamanın ise %6.4 olduğu tespit edilmiştir. Bu mekanik değerlerin referans numuneden daha iyi olduğu ifade edilmiştir. Aynı çalışmada amper ve kaynak hızı gibi parametreler değiştikçe sertlik değerinin de farklılık gösterdiği ifade edilmiştir. Ana metal sertlik değeri yaklaşık 75 HV, ITAB 63 ve kaynak metalinin de 66 HV olduğunu belirtmişlerdir. Yapılan eğme deneyinde numunelerde çatlamanın meydana gelmediğini belirtmişlerdir [15]. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER 5083 ve 7039 Al levhalar belirli parametreler kullanılarak MIG kaynak yöntemi ile kaynatılmış, mikro yapı ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu incelemede şu sonuçlar elde edilmiştir: MIL-DTL-46063H 7039 ve Federal spesification Aluminum alloy 5083 standardındaki mekanik mukavemet değerleri ile karşılaştırıldığında kaynaklı numunelerin çekme-akma mukavemet değerlerinin azaldığı ve % uzama değerlerinin de arttığı tespit edilmiştir. Kaynaklı 7039 Al alaşımının çekme ve akma mukavemeti kaynaklı 5083 Al alaşımına göre daha yüksek, % uzama da ise daha düşük olduğu tespit edilmiştir. 74

23 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Kaynaklı 7039 Al alaşımının maksimum eğme kuvveti ve eğme mukavemeti kaynaklı 5083 Al alaşımına göre daha yüksek, kırılma açısının ise daha düşük çıktığı tespit edilmiştir. Kaynaklı 5083 Al alaşımının eğme açısının ve uzama yüzdesinin fazla olması 7039 Al alaşımına göre daha sünek karakterde olduğunu göstermektedir. Her iki alaşım grubuna ait kaynaklı levhaların ısıdan etkilenen bölgelerinde mikro yapının değiştiği ve ITAB bölgelerinde tanelerin irileştiği, ITAB dan uzaklaştıkça tanelerin inceldiği tespit edilmiştir. Mikro yapı değişimine bağlı olarak kaynaklı 7039 Al alaşımının ITAB bölgesinin mikro sertliği kaynak metali ve ana metalden yüksek olduğu tespit edilmiştir. Kaynak ısısı ile oluşan kalıntı gerilmeler malzemenin sertliğini artırırken mekanik özelliklerini düşürmüştür. Ayrıca 7039 Al alaşımı yaşlanma ile sertleşen bir alaşım grubu olduğu için doğal yaşlanmaya bağlı bir sertlik artışının da olabileceği düşünülmektedir Al alaşımının ITAB bölgesinin mikro sertliği kaynağın metalurjik yapısının doğal bir sonucu olarak kaynak metali ve ana metalden düşük olduğu tespit edilmiştir. Kaynaklı tasarımlarda kaynak parametreleri ve birleşim taslağı mikro yapı ve mekanik özellikleri belirleyen en önemli faktörlerdir. Bu parametrelerin ideal düzeyde seçilmesi kaynaklı bağlantıların emniyeti açısından çok önemlidir. KAYNAKLAR [1] Faulkner, J.F., Jonson, E.W., 1967, Military vehicles and equipment, American Society for Design Application, Vol:II, Chapter: 19, 460. [2] G Madhusudhan Reddy., Mohandas T., Papukutty K.K., 1998, Effect of welding process on the ballistic performance of high-strength low-alloy steel weldments, J. of Mater. Proces. Tech., 74, [3] Madhusudhan Reddy G, Mohandas T., 1996, Ballistic performance of high strength low alloy steel weldments. J. of Mater. Proces. Tech., 57, [4] Mohandas T, Madhusudhan Reddy G, Satish Kumar B., 1999, Heat affected zone softening in high strength low alloy steels. J. of Mater. Proces. Tech., 88, [5] Erdem, M., ve Türker, M., 2011, 7039 Al alaşımının kaynak öncesi ve sonrası mekanik ve balistik özelliklerinin araştırılması, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 26, No 1, 17-26, [6] Mathers, G., 2002, The welding of aluminium and its alloys, Woodhead Publishing Limited, Cambridge, England, 4: 66. [7] Fu, G., Tian, F., and Wang, H., 2006, Studies on Softening of Heat-Affected Zone of Pulsed-Current GMA Welded Al-Zn-Mg Alloy, J. Mater. Process. Technol., 180, p [8] Wu, Y.E. and Wang Y.T., 2010,Effect of Filler Metal and Postwelding Heat Treatment on Mechanical Properties of Al-Zn-Mg Alloy Weldments, Journal of Mater. Eng. and Performance Puplished online:01 april. [9] Aluminum alloy 7039, MIL-DTL H, ARMOR PLATE, 14 September [10] Federal spesification Aluminum alloy 5083 plate and sheet, Goverment printing office, U.S.A.1979, N: /1204. [11] American welding society, ANSI/ AWS A An American national standart, Spesification for bare aluminum and aluminum alloy welding electrodes and rods. [12] Oğuz B, 1990, Demir dışı metallerin kaynağı, OERLIKON Yayını, 1-9. [13] Wu Y.E., Wang Y.T., 2010, Enhanced SCC resistance of AA7005 welds with appropriate filler metal and post-welding heat treatment Department of Mechanical Engineering, National Theoretical and Applied Fracture Mechanics 54: [14] Emel, T., Erdinç, K., EN AW H321 Al Alaşımının MIG, TIG ve Sürtünen eleman ile birleştirme kaynaklı bağlantılarının mekanik ve mikro yapısal özellikleri,mühendis ve Makine, Cilt: 46 Sayı: 541 [15] Tatlı, Z., Köse, C., May 2011, AA 5754 Alüminyum Alaşımının Robot (MIG) Kaynağı ile Birleştirilmesi ve Mikroyapısının İncelenmesi, 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18, Elazığ, Turkey. 75

24

25 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları AZ31 MAGNEZYUM ALAŞIMININ SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİ M. Aykut Ayhan 1, Tevfik Küçükömeroğlu 2 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Trabzon 1 aykut.ayhan@yahoo.com, 2 tkomer@ktu.edu.tr ÖZET Magnezyum iyi korozyon dayanımı ve yüksek mukavemet/yoğunluk oranına sahiptir. Magnezyum ve alaşımları günümüzdeki en hafif konstrüksiyon malzemeleridir. Hafifliğin öne çıktığı mühendislik uygulamalarında, kullanım alanlarının artmasıyla magnezyum, stratejik bir metal konumuna gelmiştir. Bu üstünlükleri sayesinde havacılık ve otomotiv başta olmak üzere pek çok sektörde kullanılmaktadır. Magnezyum alaşımlarından biri olan AZ31 in otomotiv sanayinde çeşitli parçaların imalatında kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Söz konusu magnezyum alaşımının kullanımında zaman zaman kaynaklı birleştirme ihtiyacı oluşmaktadır. Ancak ergitmeli kaynak yöntemleriyle birleştirilmesi oldukça zor olan magnezyum alaşımlarının bir katı hal kaynağı olan Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK) kullanılarak birleştirilmesinin daha uygun olacağı düşünülmektedir. Bu çalışmada AZ31 alaşımının SKK yöntemiyle birleştirilebilirliği incelenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, AZ31 magnezyum alaşımının sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmesinin tatminkâr sonuçlar vermekte olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Magnezyum alaşımı, AZ31 ABSTRACT Magnesium, the lightness construction material, has a good corrosion resistance and high strength/density ratio. The use of magnesium alloys is increasing where the lightness is demanded. Thus, this material is becoming a strategic metallic material especially in aerospace and automotive sectors. Among Mg alloys, the alloy so-called AZ31 is commonly used in the manufacturing of various parts of automotive industry. In such application, the welding is needed for construction. But, Mg is not welded easily using conventional welding techniques. Friction Stir Welding (FSW) can be considered for this purpose. In the current study, a Mg alloy (AZ31) was welded by the FSW technique and feasibility of this welding technique was Keywords: Friction Stir Welding, magnesium alloys AZ31 1. GİRİŞ Günümüzde konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılan metalik malzemeler içinde magnezyum en hafif olanıdır [1]. Magnezyum, yoğunluğu ve buharlaşma özellikleri bakımından plastiklere benzetilirken, tipik bir metalin mekanik özelliklerine sahiptir. Magnezyumun 1,74 gr/cm 3 lük yoğunluğu, alüminyuma göre %33, demir ve çeliğe göre %75 daha düşüktür. Düşük yoğunluğun- 77

26 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları dan kaynaklanan düşük eylemsizliği, hızlı hareket eden makine elemanları için avantaj olmaktadır. Hafiflik aynı zamanda, imalat sırasında parçanın daha kolay taşınması ve bitmiş ürünün daha ucuza sevk edilmesi demektir. Magnezyum alaşımları yüksek oranda şekillendirme kabiliyeti ve darbe dayanımı, yüksek saflıktaki alaşımlarında çok iyi korozyon dayanımı gösterir [2]. Magnezyumun çevre dostu bir metal olduğu belirtilmektedir. Günümüzde malzeme seçimini çevresel faktörlerin ortaya koyduğu kriterler belirlemektedir. Bu faktörler hammaddeden başlayarak üretim, işleme ve geri dönüşüm aşamalarını etkilemektedir. Malzeme üretimi ve kullanımının toplam ekolojik etkileri artık karşımıza çıkan önemli bir olgudur [2]. Magnezyum metalinin saf halde kullanılması çoğu diğer metallerde olduğu gibi dayanımının düşük olmasından dolayı mümkün değildir. Bu durum, değişik magnezyum alaşımlarının üretilmesini gerektirmiştir. En önemli özelliğin hafiflik olarak ortaya çıktığı Mg alaşımlarının mühendislik uygulamalarındaki kullanılabilirliği özgül mukavemetlerine bakılarak değerlendirilir. Bu özelliği sayesinde Mg alaşımları günümüzde başlıca elektronik, savunma, havacılık ve uzay sanayi olmak üzere yaygın olarak kullanılmaktadırlar [3]. Bu olumlu özelliklerinin yanında maliyet açısından dezavantaja sahiptir. Ancak maliyetin öncelikli olmadığı mühendislik uygulamalarında (askeri, havacılık ve uzay sanayi gibi) magnezyum alaşımları vazgeçilemez malzemeler olarak karşımıza çıkmaktadır. Çeşitli alanlarda kullanılmakta olan magnezyum alaşımlarının yoğun olarak kaynak edilme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu alaşımların ergitmeli yöntemle ile kaynak edilebilirlikleri oldukça fazla sayıda parametreye ve kalifiye elemana ihtiyaç duymaktadır [4]. Dolayısıyla, magnezyum alaşımlarının kaynak işlemleri için daha çok katı hal kaynak yöntemleri kullanılmaktadır. Kaynak için gerekli ısı girdisinin az olması ve birleşme bölgesindeki yapısal değişimlerin kabul edilebilir mertebede oluşarak, mekanik özelliklerin nispeten korunması, ekonomiklik, hızlı ve seri üretim avantajlarının olması nedenleriyle sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) öne çıkan birleştirme yöntemlerinden biri olmuştur Sürtünme karıştırma kaynak metodu 1991 yılında İngiliz Kaynak Enstitüsü nde (TWI), W. Thomas tarafından geliştirilerek patent altına alınmış ve genel olarak alüminyum esaslı alaşım levhaların alın kaynağında kullanılmak üzere geliştirilen bir yöntem olarak, geleneksel sürtünme kaynağına göre bazı farklılıklar göstermektedir. Söz konusu kaynak yönteminin geliştirilmesine devam edilmekte olup, farklı malzemelere uygulanabilirliği araştırılmakta olan katı hal kaynak yöntemidir [8,9]. Kaynak metodunun temel prensibi, aşınmaya dayanıklı malzemeden imal edilen dönel bir omuz tarafından üretilen ısının etkisiyle artan sıcaklık malzemenin şekil değiştirme kabiliyetini arttırarak ara yüzeye daldırılan ucun karıştırma etkisiyle parçaların birleştirilmesidir. Bu yöntem, genel olarak alüminyum esaslı malzemelerin kaynağı için geliştirilmiş olmasına rağmen, günümüzde metalik yapıdaki alüminyum, bakır, çinko ve titanyum alaşımları ve kompozitleri ile çeşitli çeliklerin kaynağında başarılı bir şekilde uygulanmaya başlanmıştır. Sürtünme karıştırma kaynağı katı fazda gerçekleştirildiği için birleştirilen malzemelerde ergimenin olmaması, ısı girdisinin ergimeli klasik kaynak yöntemlerine oranla daha az olması ve çok iyi mekanik özellikler ile korozyon dayanımı göstermesi metodunun önemini oldukça artırmaktadır [5-8]. Çeşitli magnezyum alaşımlarının SKK yöntemi ile birleştirilme çalışmalarında, uygulanan kaynak hızı ve devir sayısının, çekme dayanımı üzerine doğrudan etkili olduğu, yine aynı şekilde takım geometrisinin ve takım açısının da birleşme bölgesinin mikroyapısına ve kaynak dikişi mukavemetine önemli etkisinin olduğu bildirilmiştir [8-11]. Magnezyum hegzagonal kafes yapısına sahip olması nedeniyle deformasyon kabiliyeti düşüklüğünün kaynak edilebilirliğe olumsuz etkileri incelenmiş ve bunun mikroyapıya etkileri araştırılmıştır [12]. Takım baskı kuvveti ve karıştırma oranının arttırılması, kaynak bölgesinde erişilen sıcaklığı yükselterek malzemenin plastik şekil değiştirme kabiliyetini arttırarak, parçalar arasında mekanik bağlanmanın kabul edilebilir seviyeye erişmesine ve birleşme bölgesinin mikroyapısında önemli ölçüde iyileşmeler oluşturduğu ifade edilmiştir [13,14]. Diğer taraftan, birleşme bölgesinde 78

27 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları oluşan boşluklar, düşük ilerleme hızlarında birleşme ekseninde görülürken, artan ilerleme hızlarında ilerleme tarafına kaydığı ve takım baskı yükü arttırıldıkça boşlukların küçüldüğü görülmüştür [15]. Bu çalışmada, konstrüksiyon malzemesi olarak hafiflikleri (özgül mukavemet) ile dikkat çeken magnezyum alaşımlarının kaynak edilebilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, gerçekleştirilen çalışmada, birleştirilen parçaların mekanik özellikleri değerlendirilerek, kaynak işlemlerinde uygulanması gereken en uygun parametrelerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada, gerçekleştirilecek sürtünme karıştırma kaynağı işlemi için AZ31 magnezyum alaşımı kullanılmıştır. Bu malzemenin belirlenen kimyasal bileşimi Tablo 1 de, mekanik özellikleri ise Tablo 2 de verilmiştir. Düzenek olarak Şekil 1 de görüldüğü gibi, üniversal bir dik freze tezgâhı tablası üzerine hidrolik olarak kontrol edilen ve dikey yönde hareket edebilen bir tabla yerleştirilerek, takımın uygulayacağı baskı kuvveti istenilen değerde sabit tutulabilen bir düzenek kullanılmıştır. Numuneler, bu düzeneğin dikey hareketli tablası üzerine sıkma pabuçları yardımıyla sabitlenmiştir. Birleştirme işlemi için numuneler 3x40x200 mm 3 boyutlarında hazırlanmıştır. Numunelerin alın birleşme yüzeyleri düzeltilip kaynak işleminden hemen önce mekanik yöntem ve çözücüler ile yıkanarak oksit, yağ ve kirden arındırıldı. SKK işlemi için literatür araştırması [4,7,8] ve ön deneyler sonucunda fotoğrafı Şekil 2 de verilen takım sıcak iş takım çeliğinden imal edilerek kullanılmıştır. Deneyler, yapılan literatür çalışmaları ve ön deneylerden elde edilen bilgiler ışığında, Tablo 3 te gösterildiği gibi 1600 dev/ dak dönme hızında, 35, 55, 135 mm/dak ilerleme hızlarında, 2 kn ve 3 kn takım baskı kuvveti uygulanarak gerçekleştirilmiştir. a) b) Şekil 1. Deney düzeneği a) Üniversal freze tezgâhı, b) Hidrolik yükleme ünitesi. 79

28 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Tablo 1. AZ31 alaşımının kimyasal bileşimi. Kütlesel Oranı (%) Malzeme Al Zn Mn Si Fe Mg AZ31 3,12 0,9 0,39 0,007 0,001 Kalan Çekme Dayanımı (MPa) Tablo 2. AZ31 alaşımının mekanik özellikleri. Akma Dayanımı (MPa) Uzama (%) ,37 Şekil 2. SKK da kullanılan takımın fotoğrafı. Kaynağı yapılan her bir numunenin homojen olmadığı düşünülen başlangıç ve bitiş bölgelerinin 25 mm lik kısmı kesilerek değerlendirme işlemleri dışında bırakılmıştır. Geriye kalan ve nispeten homojen olarak birleştirilmiş olan bölgeden elde edilen numuneler incelemelerde kullanılmıştır. Tablo 3. Birleştirme işlemi parametreleri Deney No İlerleme Hızı (mm/dak) Takım Baskı Yükü (kn) Karıştırma Oranı (dev/ mm) BULGULAR VE TARTIŞMA Deneylerde kullanılan AZ31 alaşımının mikro yapısı Şekil 3 de verilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerden elde edilen numunelerin birleşme bölgelerinin yüzey görünümlerinin birbirlerine benzer oldukları ve yüzeysel olarak belirgin çatlak veya boşluk içermedikleri görülmüştür (Şekil 4). 80

29 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 3. AZ31 magnezyum alaşımının içyapısı. TS 287 standardına uygun olarak temel malzeme ve kaynak edilen malzemelerin birleşme bölgesine dik doğrultuda hazırlanan yassı çekme numunelerinden elde edilen sonuçlar Tablo 4 te verilmiştir. Gerçekleştirilen deneylerden elde edilen sonuçlar incelendiğinde en yüksek çekme dayanımı 213 MPa ve kırılma enerjisi 1,11 J ile 4 numaralı numunede (1600 dev/dak, 135 mm/ dak ve 3 kn takım baskı kuvveti) elde edilmiştir. Arttırılan ilerleme hızının kaynak dikişi mukavemetini artırmakta olduğu görülmüştür. Şekil 4. Kaynak edilen AZ31 alaşımının birleşme bölgesine ait yüzey görüntüleri. Deney No. Tablo 4. Çekme numunelerinden elde edilen sonuçlar. Çekme Dayanımı (MPa) Akma Dayanımı (MPa) Kopma Uzaması (%) Tokluk (J) AZ ,3 3, ,39 0, ,20 0, ,74 0, ,10 1,16 81

30 nak oldu$u birle%me kırılmaların gevrek karakterde görülmektedir. Numunelerin bölgesinde yeterli gibi ana malzemenin mekanik öze Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları tümünün mekanik malzemenin 7 de verilmi%tir. Bu %ekilden görülm hegzagonal kafes yapısına sahip olan kaynaklı numunelerdeki VE SERGİSİ KAYNAK TEKNOLOJİSİ VIII. ULUSAL KONGRE ana özellikleriyle kar%ıla%tırmalı de$erlen ise!ekil 6 da görülmekte olup bu görüntülerden ba$ın yakın de$erler 4 numaralı numu edilmi%tir. Söz konusu de$er dayanımının % 82, kopma uzamas olu%mu% görülmekte olup,değerleri kırılmadeğişiminin ana yapının AZ31 alaşımının kaynak dikişioldu$u bölgesinde ölçülen sertlik ve kırılma enerjisinin sertlik değeri olan 65VSD0,1 değerine oldukça yakın olduğu ve en olarak yüksek sertlik değerinin karış- ise % 33 ü mer yerlerinin karı%ma bölgesi dı%ında yakla%ık ma bölgesinde 73VSD olarak belirlenmiştir. Çekme deneyi sonrası kırılma yüzeyleri Şekil 5 de, termomekanik ile görülmekte ısı tesiri olup bu görüntülerden kırılma yüzeyine dik doğrultuda alınan etkilenmi% kesitleri ise bölge Şekil 6 da hegzagonal kafes yapısına sahip olan kaynaklı numunelerdeki kırılmaların altındaki bölge arasında gerçekle%mi% oldu$u gevrek karakterde olduğu görülmektedir. Numunelerin tümünün birleşme bölgesinde yeterli mekanik bağın oluşmuş belirlenmi%tir. olduğu görülmekte olup, kırılma yerlerinin karışma bölgesi dışında yaklaşık olarak termomekanik etkilenmiş bölge ile ısı tesiri altındaki bölge arasında gerçekleşmiş olduğu belirlenmiştir. edilen AZ31 ala%ımının ne ait yüzey görüntüleri. me özelliklerin kırılma yüzeyine dik do$rultuda alınan kesitleri numunelerinden elde!ekil 5. Ç ekme deneyi numunelerin kırık yüzey Şekil 5. Çekme deneyi numunelerin kırık yüzey görünümleri. görünümleri. edilen Akma Dayanı mı (MPa ) Kopma Uzama sı (% ) Tokluk ,3 3, ,39 0, ,20 0, ,74 0, ,10 1,16 Takım omuzu Karı tırıcı pim (J) kaynak diki%i bölgesinde ölçülen de$i%iminin ana yapının sertlik!ekilkırılma 6. yüzeyine Numunelerin kırılmahazırlanan yüzeyinekesitlerinin dik Şekil 6.yakın Numunelerin dik doğrultuda görünümleri. SD0,1 de$erine oldukça do$rultuda hazırlanan kesitlerinin görünümleri. üksek sertlik de$erinin karı%ma KaynaklıÇekme numunelerden belirlenen mekanik özelliklerin ana malzemenin mekanik özelliklesd olarak belirlenmi%tir. Kaynaklı numunelerden belirlenen mekanik riyle karşılaştırmalı değerlendirmesi Şekil 7 de verilmiştir. Bu şekilden görülmekte olduğu gibi ana kırılma yüzeyleri!ekil 5 de, malzemenin mekanik özelliklerine en yakın değerler 4 numaralı numuneden elde edilmiştir. Söz özelliklerin ana malzemenin mekanik dik do$rultuda alınan kesitleri konusu değerler, çekme dayanımının % 82, kopma uzamasının % 32 si ve kırılma enerjisinin ise özellikleriyle kar%ıla%tırmalı de$erlendirmesi!ekil % 33 ü mertebesindedir. rülmekte olup bu görüntülerden 7 de verilmi%tir. Bu %ekilden görülmekte oldu$u s yapısına sahip olan kaynaklı gibi ana malzemenin mekanik özelliklerine en 82 kırılmaların gevrek karakterde yakın de$erler 4 numaralı numuneden elde ktedir. Numunelerin tümünün edilmi%tir. Söz konusu de$erler, çekme sinde yeterli mekanik ba$ın

31 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 7. Karşılaştırmalı olarak mekanik özellikler. 4. SONUÇLAR Magnezyum alaşımı AZ31 in 1600 dev/dak dönme, ve 135 mm/dak ilerleme hızlarında, 2 ile 3 kn takım baskı yükü koşullarında sürtünme karıştırma kaynak yöntemiyle birleştirilen numunelerin incelenmesinden elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir. 1. AZ31 alaşımı, kullanılan kaynak parametreleriyle tatmin edici bir şekilde kaynak edilebilmektedir. 2. Gerçekleştirilen çalışmalarda karıştırma oranı artıkça birleşme bölgesi gevrekleşmektedir. Isı girdisi, kaynak dikişinin mekanik özelliklerini etkilemektedir. 3. Sabit karıştırma oranında takım baskı yükünün artması, kaynak bölgesindeki mekanik özellikleri olumsuz etkilemektedir. 4. Temel malzemeye en yakın mekanik özellikler 1600 dev/dak dönme, 135 mm/dak ilerleme hızında ve 3kN takım baskı yükü altında elde edilmektedir. KAYNAKLAR [1] P. M. Jardim, I. G. Solórzano, J. B. Vander Sande, B. S.You, W. W. Park, Characterization of Melt Spun Mg-Ca-Zn Alloys, International Conference on Magnesium Alloys and their Applications, September 2000, Munich, [2] Zeytin, H. K., (1999), Magnezyum Alaşımları: Otomotiv Endüstrisinde Uygulaması ve Geleceği, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi, Kocaeli. [3] Çıtak K. Magnezyum Alaşımları Seçim ve Kullanım Kriterleri, Metal Dünyası Dergisi, Eylül 2004 [4] Z.Y. MA, Friction Stir Processing Technology: A Review, Metallurgical And Materials Transactions A, Vol., 39A (2008) [5] Stephan W. Kallee, E. Dave Nicholas and Wayne M Thomas TWI Ltd Friction stir welding invention, innovations and applications INALCO th International Conference on Joints in Aluminium Munich, Germany (2001)

32 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları [6] Çam G., Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamalarındaki Son Gelişmeler, Makina Tek., 120 (2007) [7] Çam G., Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamalarındaki Son Gelişmeler, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi VI. Ulusal Kongresi, 9-10 Kasım 2007, Ankara, [8] G. Çam and M. Koçak, Joining of Advanced Materials, Area 6: Materials Science and Engineering, Topic : Materials Processing and Manufacturing Technologies, edited by Rees D. Rawlings, in Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Developed under the auspices of the UNESCO, Eolss Publishers, Oxford, UK. [9] Çam G., Friction Stir Welded Structural Materials: Beyond Al-Alloys, Int. Mater. Rev., 56, 1 (2011) [10] Wang, X. and Wang, K., Microstructure And Properties Of Friction Stir Butt-Welded AZ31 Magnesium Alloy, Materials Science and Engineering 431 (2006) [11] Watanabe, T., Kagiya, K., Yanagisawa, W. and Tanabe, H., Solid State Welding Of Steel And Magnesium Alloy Using A Rotating Pin, Quart. Journal of Japanese Welding Society, 24 (2006) [12] Sato, Y.S., Sugimoto A., Kokawa H., Effect Of Texture On Fracture Limit Strain İn Friction Stir Processed AZ31B Mg Alloy, 15th International Conference on Textures of Materials, Haziran 2008, Pittsburgh/ Pennsylvania, [13] Gharacheh, M. A., Kokabi, A. H., Daneshi, G.H., Shalchi, B., Sarrafi, R., The İnfluence Of The Rotational Speed/Traverse Speed (Ω/Υ) On Mechanical Properties Of AZ31 Friction Stir Welds, International Journal of Machine Tools and Manufacture 46, 15 (2006) [14] Padmanaban G. ve Balasubramanian V., An Experimental İnvestigation On Friction Stir Welding of AZ31B Magnesium Alloy, Int. J Adv. Manuf. Technol., 49 (2010) [15] Zhang H., Lin S.B., Wu L., Feng J.C., Ma Sh.L., Defects Formation Procedure And Mathematic Model For Defect Free Friction Stir Welding Of Magnesium Alloy, Materials and Design, 27 (2006) ÖZGEÇMİŞLER Doç. Dr. Tevfik KÜÇÜKÖMEROĞLU 1958 yılında Trabzon da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Trabzon da tamamladıktan sonra İDMMA-Galatasaray Mühendislik Fakültesinden mezun oldu. Aynı yıl Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde Yüksek Lisans ve sonra Doktora eğitimini tamamladı. Belirli bir süre KTÜ Makine Müh. Böl. öğretim görevlisi olarak görev yaptı. Şu an aynı bölümde Doç. Dr. olarak görev yapmaktadır. Mehmet Aykut AYHAN 1986 yılında Malatya da doğdu. İlk ve orta öğrenimini İzmir, Malatya ve Erzincan da tamamladıktan sonra 2005 yılında girdiği Karadeniz Teknik Üniversitesi-Makina Mühendisliği bölümünde lisans eğitimine devam etmektedir. 84

33 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları LAZER DESTEKLİ SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI 1 Prof. Dr. Mustafa Kemal KÜLEKCİ, 2 M. Sc. Onur ER 1 Mersin Üniversitesi, Tarsus Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Anabilim Dalı, MERSİN 2 Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, KOCAELİ Elektronik Postalar: mkkulekci@mersin.edu.tr, onurer@windowslive.com ÖZET Kaynak teknolojisi alanında yaşanan gelişmeler kaynak kabiliyeti daha yüksek konstrüksiyonların elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Özellikle son yıllarda sağlamış olduğu düşük distorsiyon, yüksek mekanik özellikler ve çevre dostu olma gibi bir seri avantajlarından dolayı sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) yönteminin bu alanda yaşanan en önemli teknolojik gelişmelerden biri olduğu düşünülmektedir. Bununla birlikte, çelik benzeri yüksek ergime dereceli malzemelerin SKK yöntemi ile birleştirilmesinde takım aşınması problemi ile karşılaşılmaktadır. Bir hibrit kaynak yöntemi olarak lazer destekli sürtünme karıştırma kaynağı (LDSKK) yöntemi ile kaynatılacak malzemeler bir ön ısıtmaya tabi tutularak takım aşınmasının en aza indirilmesi öngörülmektedir. Bu çalışmada yüksek ergime dereceli malzemelerin SKK yöntemi ile birleştirilmesinde meydana gelen takım aşınması problemine değinilerek bu problemin en aza indirilmesi hususu değerlendirilmiştir. LDSKK yönteminin esasına ve bu hibrit kaynak yöntemi ile elde edilen kaynaklı bağlantıların özelliklerine yer verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), lazer destekli SKK, kombine kaynak. ABSTRACT Improvements in welding technology enables constructions with superior weldability. In recent years, friction stir welding is recognized to be the most significant technological development due to the advantages such as low distortion, high mechanical properties, and being enviromental friendly. In friction stir welding of materials with high melting points such as steel, tool wear problem is encountered. It is predicted that, using a hybrid welding process-laser assisted friction stir welding, would minimize the tool wear by preheating the base metals. In this study, the tool wear problem of friction stir welded materials with high melting point is examined and its minimization is evaluated. The principle of this hybrid process and the properties of welded joints are also reported. Keywords: Friction stir welding (FSW), laser assisted FSW, combined welding. 85

34 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 1. GİRİŞ Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) 1991 yılında The Welding Institute (TWI) tarafından İngiltere de geliştirilerek patenti alınmış [1] ve geliştirildiği günden itibaren günümüze kadar birçok araştırmaya konu olarak farklı endüstri kollarında kullanım alanı bulmuş bir katı hal kaynak yöntemidir [2]. Özellikle gemi, uzay, otomotiv ve demiryolu endüstrilerinde alüminyum alaşımlarının birleştirilmesinde kullanılan bu yöntem [2-4] enerji verimliliği ve çevre dostu özellikleri ile temiz bir teknolojidir [5]. Ayrıca, SKK yönteminin hızlı bir gelişme göstermesi ve alüminyum alaşımlarının ticari olarak başarılı bir şekilde birleştirilmesine olanak sağlaması, yöntemin diğer demir dışı malzemeler (magnezyum, bakır, titanyum), çelik ve hatta termoplastiklere uygulanmasını sevk etmiştir [5]. Bununla birlikte, yöntemin çelik benzeri yüksek ergime dereceli malzemelere uygulanmasında bir takım unsurlardan dolayı güçlüklerle karşılaşılmıştır [6-8]. Nitekim SKK yönteminin alüminyum benzeri düşük ergime dereceli malzemelere uygulanması, takım çeliklerinden imal edilmiş karıştırıcı takım malzemesi kullanılarak rahatlıkla gerçekleştirilirken [7], özellikle çeliklerin SKK esnasında o C aralığındaki bir sıcaklık derecesine ulaşılması, yöntemin uygulanmasında karıştırıcı takım malzemesinin bu sıcaklık derecelerinde sertliğini ve formunu koruyabilecek malzemelerden imal edilmesini kaçınılmaz kılmaktadır [4-6]. Öte yandan, çeliklerin SKK için sadece daha dayanımlı takımlara değil aynı zamanda motor gücü yüksek ve ağır tezgâhlara da ihtiyaç duyulmaktadır [6]. Buna ek olarak, çeliklerin birleştirilmesinde hâlihazırda başarılı bir şekilde kullanılan farklı yöntemlerin olması ve ticari çelik türlerinin geniş bir yelpazeye sahip olmasından dolayı oldukça fazla sayıda deneysel çalışma gerektirmesi bu yöntemin çeliklerin birleştirilmesinde alüminyum alaşımlarında olduğu hızda ilerleyememesinin başlıca nedenleri olmaktadır [8]. Bu hususta, SKK yönteminin endüstriyel uygulamaları yavaş bir ilerleme gösterse de yöntem ile ilgili yapılan araştırmalar hızla devam etmektedir [9]. Yöntem ile ilgili 1995 yılından 2006 yılına kadar sadece ABD nde 50 nin üzerinde patent bildirilmiştir [9, 10]. Özellikle kalın kesitli, bindirme pozisyonlu, yüksek sıcaklıklı ve yüksek hızlı birleştirme uygulamaları için özel karıştırıcı takım tasarımları geliştirilmiştir [9-13]. Buna ek olarak, diğer araştırma çalışmaları genellikle SKK yöntemi üzerine bir takım modifikasyonların yapılarak farklı uygulama türlerinin geliştirilmesine dayanmaktadır [10]. Diğer taraftan, yüksek ergime dereceli malzemelerin SKK, daha önce de bahsedildiği üzere, 1000 o C üzeri sıcaklıklardan dolayı tungsten karbür (WC) benzeri refrakter ya da çok taneli elmas (PCD) veya çok taneli kübik bir nitrür (PCBN) benzeri süper abrasif malzemelerden yapılmış takımlar kullanarak mümkün olmaktadır [6-8, 10-13]. Bununla birlikte, WC benzeri refrakter ve PCBN benzeri abrasif malzemelerin kullanılması halinde dahi takım aşınması önemli bir sorun haline gelebilmektedir [12, 14]. Ayrıca, SKK yönteminde kullanılacak takım malzemelerinin sınırlı ve olanlarının da, örneğin PCBN gibi, yüksek maliyetli olması [6, 7] aşırı takım aşınması problemi ile birleşerek bu yöntemin yüksek ergime dereceli malzemelere uygulanmasında büyük bir engel teşkil etmektedir [8]. Bu hususta takım ömrünü uzatmak ve kaynak sırasında kaynatılacak malzemeyi daha kolay hamur kıvamına getirebilmek için alınabilecek bir önlem karıştırıcı takım ucunun birleştirilecek malzemelere daldırıldığı bölgenin bir ön ısıtmaya tabii tutulmasıdır [7, 8]. Bu ve buna benzer ön ısıtma tabanlı uygulamalar yüksek sertlikteki malzemelerin SKK ile birleştirilmesine dair iyileştirmelerde bulunurken [12, 14] aynı zamanda da SKK takım aşınmasını düşürür yönde olumlu etkide bulunmaktadır [7, 8, 12, 14]. Hazırlanan bu bildiride, gerek SKK ile hâlihazırda başarılı bir şekilde birleştirilen malzemelerin daha üstün nitelikli kaynak performanslarına ulaşmak ve gerekse de daha öncede bahsedildiği üzere yüksek ergime dereceli malzemelerin SKK ile birleştirilmesinde ortaya çıkan güçlükleri en aza indirerek kaynak performanslarının iyileştirilmesine yönelik bir yenilik içeren lazer destekli SKK (LDSKK) yönteminin esasına ve bu yöntem ile elde edilen kaynaklı bağlantıların özelliklerine yer verilmiştir. 86

35 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları 2. GELİŞME 2.1. SKK ve Ön Isıtma SKK yöntemi, kaynak bölgesinde gerek duyulan ısı enerjisini temin etmek için dönen bir takımın ürettiği sürtünme ısısını kullanan bir birleştirme yöntemidir. Takım ve kaynak edilecek iş parçaları arasındaki sürtünmeyi meydana getirmek için büyük kuvvetlere gerek duyulmaktadır. Bu durum yüksek ergime dereceli malzemelerin kaynağında takım aşınması problemine sebebiyet verebilmektedir. Bununla birlikte, şimdiye kadar süregelen SKK çalışmalarının çoğu alüminyum alaşımlarının birleştirilmesini kapsarken, çelikleri içeren diğer malzeme gruplarının birleştirilmesinde de bu teknolojinin uygulanabilirliğine dair dikkate değer ilgi vardır. Ancak, çeliklerin SKK uygulamaları, alüminyum alaşımları ile karşılaştırıldığında, gerek duyulan kuvvetler ve takım ömrü açısından karşılaşılan problemlerden dolayı sınırlı kalmıştır. Özellikle, yöntem plastikleştirilmiş malzemenin içindeki takımı hareket ettirmek için daha yüksek kuvvetlere gereksinim duymakta ve bu durum zamanla takım aşınmasına sebebiyet vermektedir. Bu problemi elimine etmek için alışılagelmiş SKK sistemine ön ısıtma sistemi entegre edilen farklı yaklaşımlar geliştirilmiştir [15, 16]. Bu yaklaşımlar genel olarak ek bir ısı kaynağının kullanıldığı yöntemlerdir. Isı kaynağı dönen takım milinin hemen önündeki bölgeyi ısıtmak için kullanılmaktadır. Bu durum malzemenin daha etkili bir usul ile plastikleştirilmesi sonucunu doğurmaktadır. Çünkü sadece dönen takım milinin sürtünme ısısı değil aynı zaman da ayrı bir ısı kaynağının ek ısıtması da kullanılmaktadır. Kullanılabilen ek ısı kaynağı örnek olarak dirençli ısıtıcı, indüksiyon bobini, yüksek frekanslı indükleme ya da lazer ışınlarını içerebilmektedir [17]. Bununla ilgili literatürde yer alan bir yaklaşım, kaynatılacak malzemelerin sınırlı ve kontrollü ısıtılmasını temin eden ve malzemeyi plastikleştirmek için dönen takımın önüne ısı kaynağı olarak hareket eden bir indüksiyon bobini uygulamasına dayanmaktadır. Böylece, dönen takım milinin ana işlevi, indüksiyon bobini tarafından ön ısıtma uygulanmış malzemenin akış profilini kontrol etmek ve kaynaklanan elemanlardan ortaya çıkarılan oksit dış katmanını kırmaktır [18]. Bununla birlikte, SKK yöntemi için geliştirilen bu ek ısı kaynağı ile ön ısıtma sağlayan yöntem tamamıyla yeterli değildir. Isıtılan indüksiyon bobini tarafından bağlama aparatları ve takım mili de dâhil olmak üzere tüm iletken malzemelerin geçen akım tarafından etkilenmesi hiç de arzu edilmeyen bir durum olmaktadır. İndüklenmiş akımlar kaynak yolu boyunca akabilmekte ve kıvılcım oluşumuna neden olabilmektedir. Öte yandan, takım ve iş parçası için elektriksel iletkenliğe sahip malzemelerin kullanımı ön koşuldur. Ayrıca, dirençli ısıtıcıların kullanımı, takım ve iş parçası arasında akan nispeten yüksek elektrik akımlarına sebebiyet vereceğinden çevre ve özellikle insan faktörü açısından dezavantajlıdır [17, 18] LDSKK Yönteminin Esası LDSKK yöntemi esas olarak, alışılagelmiş SKK yöntemine ek bir ısı kaynağı olarak lazer enerjisini kullanan bir ön ısıtma sisteminin entegre edilmesi ile sağlanan bir kombine kaynak yöntemidir [8-12, 15-23]. İlk olarak Wisconsin Üniversitesi nde geliştirilen [9, 10] bu yeni kombine kaynak yöntemi ile ilgili ilk patent bildirisi 2001 yılında yayınlamıştır [18]. Şekil 1 de LDSKK yöntemine ait şematik ve uygulama esaslı gösterime yer verilmiştir. 87

36 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 1. LDSKK yöntemine ait a) şematik ve b) uygulama esaslı gösterim [15, 19, 23]. SKK yönteminde, kaynatılacak iş parçaları güçlü bağlama aparatları ile sıkıca kenetlendirilerek tezgâh tablası üzerinde bir arada tutturulmaktadır. Özel bir profile sahip takım döndürülmekte ve kaynak hattı boyunca hareket ettirilmektedir. Kaynatılacak iş parçası malzemeleri basınç ve eş zamanlı sürtünmeden dolayı üretilen ısı tarafından plastikleştirilmekte ve takım milinin arka bölgesine doğru yine takım mili tarafından taşınmaktadır. Malzeme burada soğumakta ve kaynak formunu almaktadır. [19, 20]. SKK ve lazer kaynağının kombine edilmiş bir kaynak yöntemi olan LDSKK yönteminde ise SKK sürece baskın olmakla beraber lazer kaynağı yardımcı bir rol oynamaktadır [15, 16]. Burada, SKK takım mili tarafından üretilen sürtünme ısısına ek olarak aynı zamanda lazer ışını tarafından üretilen ısıtmadan istifade edilmektedir [17]. Yöntem, dönen takım milinin önündeki bölgesel olarak sınırlandırılmış bir alanda kaynatılacak iş parçası malzemelerine bir ön ısıtma uygulamak için lazer enerjisini kullanmaktadır. Bunun sonucu olarak takım milinin önündeki bölgede hacimsel olarak bir miktar iş parçası malzemesi yumuşatılmaktadır. Daha sonra, iş parçaları alışılagelmiş SKK yönteminde olduğu gibi dönen bir takım tarafından birleştirilmektedir [15-20]. Bu süreç esnasında, dönen takım milinin önündeki yüksek sıcaklık kaynatılacak iş parçalarını yumuşatmaktadır. Bu durum kaynak süreci esnasında daha az miktarda kuvvete gereksinim duyulmasını neden olmaktadır. Böylece, kaynak makinesi ve güçlü bağlama aparatları üzerine tesir eden yükler azalmaktadır. Bunun bir sonucu olarak yöntem, daha az takım aşınması ile birlikte daha yüksek hızlarda kaynak sürecini mümkün kılmaktadır. [15-21]. Kaynak esnasında üretilen ısı miktarı kaynağın kalitesini belirlemektedir. Bundan dolayı, yöntemin optimum kaynak parametrelerini tayin etmek için kaynak esnasında üretilen ısı ile gelişen sıcaklık dağılımını iyi etüt etmek gerekmektedir [15]. SKK yönteminde ısı takım ile kaynatılacak iş parçası ara yüzeyinde [15-20] ve termomekanik olarak etkilenmiş bölgedeki (TEB) sürtünme ve eş zamanlı plastik deformasyondan dolayı üretilmektedir [16, 20]. Temas yüzeylerindeki ısı üretimi sürtünmeden dolayı meydana gelen sürtünme kuvvetinin ve iş parçasına göre takımın teğetsel hızının bir sonucudur. Takım ile kaynatılacak iş parçası ara yüzeyindeki plastik deformasyondan dolayı üretilen ısı ise kaynak süreci esnasında ara bağ oluşumundan dolayı takıma tutunan iş parçası malzemesinin kayma gerilimi ve takımın teğetsel hızının bir bileşkesidir [16]. Lazer ışını ile ısıtmada ise lazer ışınının kaynatılacak iş parçası malzemesi ile etkileşimi önemli bir mekanizmadır. Bu etkileşim mekanizması lazer gücü (Q), bu lazer gücünün malzeme üzerindeki yoğunluk dağılımı (I), ısıtma hızı (V b ), lazer ışınının dalga boyu (λ) ve malzeme özellikleri gibi birçok parametre tarafından etkilenmektedir [16]. 88

37 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Lazer ışın enerjisi kaynatılacak iş parçaları üzerinde absorbe edilmektedir [16-18]. Absorbe edilen lazer ışın enerjisinin geri kalan miktarı yansıtılmaktadır. Ayrıca, lazer ışın enerjisi iş parçası levhaları içinde absorbe edilen lazer gücünün bir fraksiyonunu belirten absorpsiyon katsayısı (η) ile tanımlanabilmektedir. Bu hususta genel olarak kondüksiyon esaslı ve anahtar deliği olmak üzere iki farklı uygulama durumu söz konusudur. Kondüksiyon esaslı uygulama sadece ısıtma durumunu kapsamakta olup lazer ışın enerjisi absorbe edildiği bölgede ısıya dönüştürülür ve absorbe edilmiş enerji daha sonra ısı iletimi vasıtası ile kaynatılacak iş parçası levhalarının kalınlığı boyunca taşınır. Bununla birlikte, anahtar deliği esaslı uygulama da ise lazer ışın enerjisi anahter deliği duvarının üzerinde tekrar edilen yansımalar aracılığı ile yine anahtar deliği duvarnın üzerinde absorbe edilir. Bu çoklu yansımalardan dolayı, anahtar deliği tekniği yaklaşık olarak % 80 e eşit veya bu değerden daha büyük miktarda yüksek bir absorpsiyon katsayısına sahip olmaktadır. [16] Literatür Taraması Daftardar tarafından yapılan çalışmada LDSKK süreci esnasında meydana gelen sıcaklık dağılımı deneysel olarak incelenmiştir. Bu hususta, alışılagelmiş SKK yönteminin takım ilerleme ve dönme hızı parametreleri ile lazer ısı girdisi parametresi değerlendirilmiştir. Çalışmada 304 L paslanmaz çelik ve AA2195 T8 Al alaşımı malzemelerinin LDSKK yöntemindeki sıcaklık dağılımını belirlemek için ticari Fluent yazılımı kullanılırken optimum kaynak paramterelerinin belirlenebilmesi için deneysel tasarım metotlarına başvurulmuştur. Çalışmadan elde edilen verilere göre, LDSKK yönteminin kullanılması halinde SKK yöntemine nazaran takım üzerine tesir eden kuvvetler azalmış ve bunun bir sonucu olarak iş parçasının sıcaklığını arttırmak için takımın üstlendiği iş miktarı azalmıştır. Bu durumun takım aşınmasını minimize edeceği düşünülmüştür. Ayrıca, iş parçası sıcaklığı üzerinde SKK takım ilerleme hızının SKK ısı girdisi ve lazer ısı girdisi parametrelerini takiben en fazla etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir [15]. Çalışma ile ilgili olarak, Tablo 1 de deneysel tasarım neticesinde elde edilen optimum kaynak parametrelerine ve Şekil 2 de alışılagelmiş SKK ve LDSKK yöntemlerine ait sıcaklık dağılımlarının termal model esas alınarak yapılan mukayesesine grafiksel olarak yer verilmiştir. Tablo 1. İlgili çalışmada deneysel tasarım neticesinde elde edilen optimum kaynak parametreleri [15]. Yöntem Malzeme SKK Parametreleri SKK Isı Girdisi (W) İlerleme Hızı (mm min -1 ) Takım çapı (mm) SKK AA2198 T L LDSKK Parametreleri SKK Isı Girdisi (W) İlerleme Hızı (mm min -1 ) Lazer Isı Girdisi (W) LDSKK AA2198 T L

38 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 2. SKK ve LDSKK yöntemlerine ait sıcaklık dağılımlarının termal modele göre mukayesesi [15]. Alışılagelmiş SKK ve LDSKK yöntemleri arasında bir mukayese yapmak için, Şekil 2 de görüldüğü üzere, iş parçasındaki maksimum sıcaklık derecesi 400 o C olarak ayarlanmıştır. Tüm etki alanındaki maksimum sıcaklığın iş parçası malzemesinin ergime sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklık seviyesine ulaşmadığı belirtilmiştir. Şekil incelendiği zaman, LDSKK esnasında 105. s den sonraki sıcaklığın 300 o C olduğu görülebilir. Bu sıcaklık derecesi aynı kaynak zamanı için SKK esnasındaki ulaşılan sıcaklık derecesinden iki kat daha fazladır. Buradan hareketle, alışılagelmiş SKK yöntemi ile mukayese edildiği zaman LDSKK yönteminde lazer ön ısıtma kaynağının sürece entegre edilmesinden dolayı karıştırma daha sıcak bir bölgede meydana gelmektedir [15]. Biswas ve Mandal tarafından yapılan çalışmada çelik levhaların ısıl gelişim aşamalarını hesaplamak için lazer ve sürtünme ısısı gibi çift ısı kaynağını temel alan geniş kapsamlı bir model geliştirilmiştir. Bunun için 6 mm kalınlığındaki C-Mn çelik levhalara üç boyutlu sonlu eleman termal analizi uygulanmıştır. Geliştirilen modele dayanarak kaynak süreci esnasında sıcaklık seviyesinin yaklaşık olarak % 75 ine lazer ışınının kondüksiyonu yolu ile ulaşılırken, sıcaklık seviyesinin geri kalan yaklaşık % 25 ine sürtünme ısısı ile ulaşılmıştır. Buna ek olarak, lazer enerjisinden istifade eden bir ön ısıtma mekanizması ile SKK takımının sürtünme etkisinin bir arada uygulandığı birleşik ısıtma uygulamaları deneyler ve bilgisayar destekli modelleme vasıtaları ile araştırılmıştır. Çalışmadan elde edilen verilere göre, SKK takımının sürtünme ısısına ek olarak lazer gücüne sahip bir ön ısıtma mekanizmasının kombine edilmesi levha yüzeyinde yaklaşık olarak 1200 o C civarı sıcaklık düzeyine ulaşılmasına neden olmuştur. Bununla birlikte, çalışmada kullanılan lazer gücü değeri 1000 W olarak ayarlanmıştır Ayrıca, çalışmadaki analizler ışığında, t 8 5 değeri 25 s olarak hesap edilmiştir. Bu sürenin, yaklaşık olarak 1.3 kj mm -1 ısı girdisine sahip el ile yapılan metal ark kaynağı yöntemlerinden elde edilen t 8 5 değerini hemen hemen iki katı olduğunun altı çizilmiştir. Yapılan çalışma, azalan takım aşınmasının yanında çelik levhaların LDSKK yöntemi ile başarılı bir şekilde birleştirilmesinin mümkün olabileceğini de göstermiştir. Öte yandan, SKK takımı ile lazer ışını arasındaki uzaklık değişiminin elde edilen maksimum sıcaklık derecesine etkisi araştırılmıştır. Buna göre, sabit 1000 rev min -1 takım devri, 80 mm min -1 takım dönme hızı ve 6500 N takım dalma kuvveti parametrelerinde gerçekleştirilen modele dayalı deneylerde 15, 20 ve 25 mm takım-lazer arasındaki uzaklık değerlerinin kullanılması ile sırasıyla 1105, 1082 ve 1063 o C maksimum sıcaklık artışı elde edilmiştir. Diğer taftan, SKK takım devri değişiminin de maksimum sıcalık derecesine etkisi araştırılmıştır. Buna göre, sabit 80 mm min -1 takım dönme hızı, 20 mm takım-lazer arası uzaklık parametrelerinde gerçekleştirilen modele dayalı deneylerde 1000, 1400 ve 2000 rev min -1 değerlerinin kullanılması ile sırasıyla 1082, 1151 ve 1227 o C maksimum sıcaklık artışı elde edilmiştir [16]. Çalışma ile ilgili olarak, Şekil 3 de geliştirilen model esas alınarak elde edilen kaynak hattının merkezindeki sıcaklık dağılımının grafik görüntüsüne yer verilmiştir. 90

39 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 3. Kaynak hattının merkezindeki sıcaklık dağılımı [16]. Şekil 3 de görüldüğü üzere, lazer ısı kaynağı yaklaşık olarak 900 o C luk bir sıcaklık artışı üretmiştir. Böylece, iş parçası malzemesi yeterli düzeyde plastikleştirilmiştir. Dolayısı ile sürece dâhil olan kuvvetlerde bir düşüş olacağı beklenmektedir. Bununla birlikte, bu ön ısıtma sürecini takip eden takım ve levha yüzeyi arasındaki sürtünme ısısı ise şekilden de görüleceği gibi sıcaklığı yaklaşık olarak 1200 o C ye arttırmak için ek harici ısı üretmiştir [16]. Palm tarafından yapılan patent çalışmasında iş parçalarını birleştirmeye yönelik olarak lazer ile desteklenmiş bir sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi bildirilmiştir. Çalışmada, kaynak hattı boyunca kaynatılacak iş parçalarının birbirine temas eden yüzeylerine ait bağlantı profili özel olarak tasarlanmış bir takım boşluklu formlara sahiptir. Bu şekilde oluşturulan iş parçası yüzeyinde lazer ışınının istenmeyen geri yansımasının belirgin bir şekilde azaltılabileceği ya da tamamen engellenebileceği vurgulanmıştır. Ayrıca, özel olarak tasarlanmış bu bağlantı profillerinden dolayı lazer enerjisinin iş parçalarının orta bölgelerine derinlemesine ve merkezi olarak girebileceği ve oradan da ısı iletimi yolu ile tüm arakesit boyunca üniform bir şekilde dağıtılabileceğinin altı çizilmiştir. Bu durumun iş parçası malzemesinin oldukça etkili bir şekilde ısınmasına neden olacağı ifade edilip özellikle 6 mm den kalın numunelerin uygun bir şekilde kaynatılmasına olanak sağlayacağı bildirilmiştir. Öte yandan, bu yöntemin SKK yöntemine göre süreç esnasında meydana gelen yüklerde bir azalmaya yol açarak bir avantaj sunacağı düşünülmüştür. Buna bağlı olarak, yöntemin uzun vadede üretim maliyetlerinde bir takım tasarrufları mümkün kılacağına dikkat çekilmiştir. Yapılan bu patent bildirisinde sunulan diğer bir takım iddialara göre, lazer ışını CO 2 (karbondioksit) lazeri, Nd:YAG (neodimyum katkılı itriyum alüminyum granat) lazeri veya yarı iletken lazer aktif maddelerinden herhangi biri tarafından yayımlanmıştır. İstifade edilen lazer ışını dalga boyunun ise 10.6 µm ye eşit ya da daha küçük olabileceği ifade edilmiştir. Ayrıca, lazer ışınının dairesel, eliptik veya doğrusal formlarından herhangi biri ile odaklanabileceği ya da doğru odaktan saptırılabileceği açıklanmıştır. Buna ek olarak, lazer ışınını sürece dâhil ederken darbeli ya da sürekli modlardan herhangi birinin kullanılarak sürecin tamamlanabileceği bildiride yer almıştır [17]. Patent bildirisi ile ilgili olarak, Şekil 4 de yukarıda bahsedilen özel olarak tasarlanmış bağlantı profillerine yer verilmiştir. 91

40 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 4. Bir arada sıkıştırılarak özel olarak tasarlanmış bağlantı profili örnekleri [17]. Kohn tarafından yapılan patent çalışmasında SKK yöntemini geliştirmeye yönelik sağlanan süreçler ve aparatlar bildirilmiştir. Çalışmada, alışılagelmiş SKK yöntemi ile birleştirilecek iş parçalarına lazer enerjisinden istifade eden bir ön ısıtma uygulayarak mevcut süreci iyileştirmeye yönelik detaylar açıklanmıştır. Bu şekilde iyileştirilen yöntemin tüm malzemelere uygulanabilir bir şekilde kullanımına değinilmiş ve özellikle yüksek ergime dereceli malzemelerin başarılı bir şekilde birleştirilmesi adına araştırmalar yapılmıştır. Bildirilen patent ile ilgili altı çizilen bir başka husus, iyileştirilen bu sürecin diğer amaç ve avantajlarının uygulama alanı genişleyip ilerledikçe ortaya çıkacağıdır. Yapılan bu patent bildirisinde sunulan diğer bir takım iddialara göre, lazer ışını tarafından uygulanan enerji iş parçasını 0.4 Tm Tm (Tm, derece Kelvin olarak iş parçasının ergime sıcaklığıdır) arasında ihtiva edilen bir sıcaklığa getirme niteliğine sahip olmalıdır. Öte yandan, iyileştirilen bu yeni sürecin alışılagelmiş SKK donanımına ek olarak lazer ışını üreteci, optik fiberden oluşan bir lazer ışını iletim hattı ve iş parçasının istenilen bölgesi üzerine lazer ışınını odaklayan odaklayıcı ile yönlendirici sistemleri ihtiva ettiği bildirilmiştir. Buna ek olarak, lazer ışın üreteci için iş parçasını istenilen sıcaklık derecesine ulaştırmak adına yeterli enerjiyi üretebilecek katı, sıvı ya da gaz lazer aktif maddeleri arasından herhangi birinin seçilebileceği ifade edilmiştir. Ayrıca, lazer enerjisi absorpsiyonunu arttırmak adına kaynak yapılacak alana soğurucu yüzey kaplamalarının uygulanabilineceğinin altı çizilmiştir. Bununla birlikte, dönen takım kaynak hattı boyunca ilerledikçe, sürece dâhil edilen ön ısıtma sistemine ait donanımlarında bu ilerleme hareketine senkronize bir şekilde eşlik edeceği mekanizmaların gerekliliği vurgulanmıştır. Dahası, tüm bu sürecin nispeten kullanımı kolay ve düşük maliyetli geleneksel freze makinesinin kullanılarak işletilebileceği açıklanmıştır. Diğer taraftan, kaynatılacak iş parçalarının ergime sıcaklıklarının nispeten farklı olduğu durumlarda lazer ışınının uygun tarafa kaydırılarak optimum bağlantıların elde edilebileceği bildiride yer almıştır [18]. Bu patent çalışmasında yer alan iddialara ek olarak yöntemin kullanılabilirliği açısından bir uygulama yapılmıştır. Uygulamada, ön ısıtma sistemine ait donanımlar alışılagelmiş SKK yönteminin çalışma alanına yakın olacak şekilde geleneksel bir freze tezgâhı üzerine monte edilmiştir. Lazer ışını takım milinin 5 mm önünde ve 10 mm çapa sahip hafif bir leke meydana getirecek şekilde ayarlanmıştır. Bu deneme amaçlı uygulamada 4 mm kalınlığına sahip iki AZ91 Mg alaşımı levhalar kaynatılmıştır. Alışılagelmiş SKK yöntemi parametreleri 1700 rev min -1 takım devri ve 50 mm min -1 kaynak hızı olarak seçilmiştir. Ayrıca, çalışmada yüksek hız çeliğinden imal edilmiş düz ve silindirik bir takım kullanılmıştır. Ön ısıtma sistemi parametreleri ise 700 W lazer gücü ve 1064 nm lazer ışını dalga boyu olarak seçilmiştir. Bununla birlikte, çalışmada Nd:YAG lazer aktif maddesi kullanılmıştır. Lazer gücü iki levha arasındaki bağlantı yerine o C aralığındaki bir sıcaklık derecesine kadar ısıtmak için 200 W olarak ayarlanmıştır. Bunun ardından, takım dönmeye başladıktan ve bağlantı yerinin içine doğru daldırıldıktan sonra sıcaklık o C aralığındaki bir sıcaklık derecesine yükselmiş ve süreç bu sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Bu ön ısıtma sisteminin kullanılması ile kaynak işlemi adına gerekli olan sıcaklığa ulaşmak için gerek duyulan ısı enerjisinin yaklaşık olarak sadece % 35 i dönen takım tarafından sağlanmıştır. Bunun bir sonucu olarak, güçlü bağlama aparatlarına olan gereksinimler azalırken iş parçalarını sıkı sıkıya kenetlemek için gerek duyulan kuvvetler küçülmüştür. [18, 19]. Patent bildirisi ve çalışma ile ilgili olarak, Şekil 5 de lazer ve optik sisteme ait şematik bir gösterime yer verilmiştir. Diğer taraftan, Şekil 6 da LDSKK yöntemi kullanılarak birleştirilmiş 92

41 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları iki AZ91Mg alaşımı numuneye ait bir fotoğraf görüntüsüne yer verilmiştir. Şekil 7 de ise bu numunenin kaynak bölgesine ait enine bir kesit görüntüsüne yer verilirken Şekil 8, hatası bir mikro yapı gösteren kaynak bölgesine ait büyütülmüş bir görüntüyü içermektedir. Şekil 5. Lazer ve optik sisteme ait şematik bir gösterim [18]. Şekil 6. LDSKK yöntemi kullanılarak birleştirilmiş iki AZ91 Mg alaşımı numuneye ait bir fotoğraf görüntüsü [19]. Şekil 7. Birleştirilmiş numunenin kaynak bölgesine ait enine bir kesit görüntüsü [19]. Şekil 8. Hatasız bir mikro yapı gösteren kaynak bölgesinin büyütülmüş bir görüntüsü [19]. 93

42 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Merklein ve Giera tarafından yapılan çalışmada lazer ile desteklenmiş sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi kullanılarak birleştirilen çelik-alüminyum farklı metal çifti bağlantılarının şekil verilebilirliğini araştırmak için derin çekme deneyleri yapılmıştır. Çalışmada, 1 mm kalınlığa sahip derin çekme çeliği olan DC04 ve çökelme sertleşmeli AA6016 T4 Al alaşımı sacların alın alına bağlantısı gerçekleştirilirken lazer enerjisinden istifade eden bir ön ısıtma sistemi ile çelik malzemeye ön ısıtma tatbik edilmiştir. Çelik sacın ön ısıtması bir diyot lazer tarafından üretilen lazer noktası kullanılarak gerçekleştirilmiştir. % 55 den fazla radyasyon oranına sahip bu lazer ışını kaynak doğrultusunda SKK takımının 10 mm önünde konumlandırılmıştır. Lazer noktasının alanı ise 9 mm 2 olarak ayarlanmıştır. Bununla birlikte, bağlantı bölgesine yakın olan çelik sacın ön ısıtılması çelik malzemenin akma mukavemetini azaltmıştır. Bunun bir sonucu olarak, Ni alaşımı içeren SKK takımı kullanılarak daha az takım aşınmasına neden olan birleştirmeler temin edilmiştir. Çalışmada kullanılan parametreler ise 2000 ile 3200 rev min -1 takım devri, 1500 ile 2000 mm min -1 ilerleme hızı ve 1000 ile1500 W lazer gücü olarak seçilmiştir. Öte yandan, kaynaklı malzemelerin çekme deneyleri sonucu, Al esaslı malzemenin çekme mukavemetinin yaklaşık olarak % 80 ine tekabül eden 200 MPa a kadar yüksek çekme mukavemetli değerler elde edilmiştir. Bu durum, kaynaklanmış farklı metal bağlantılarına derin çekme deneylerinde bir ön şekillendirme yapılabilirliğini sağlamıştır. Diğer taraftan, lazer ile desteklenmiş sürtünme karıştırma kaynağının, bir diyot lazer noktası ile çelik sacı ön ısıtarak sürece dâhil ederek çelik-alüminyum gibi farklı metal kaynağında hiçbir metaller arası fazın olmadığı oldukça umut verici bir yöntem olduğunun altı çizilmiştir [21]. Çalışma ile ilgili olarak, Şekil 9 da lazer ile desteklenmiş LDSKK yöntemine ait bir düzeneğin fotoğraf görüntüsüne yer verilmiştir. Bununla birlikte Şekil 10 da elde dilen kaynak dikişinin üstten görünüşü ile enine kesitlerinin görüntüleri gösterilmiştir. Şekil 9. LDSKK yöntemine ait bir düzeneğin fotoğraf görüntüsü [21]. 94

43 Kaynak Mühendisliği ve Uygulamaları Şekil 10. Kaynak dikişine ait üstten görünüş ve enine kesitlerin (I-III) farklı büyütülmüş görüntüleri [21]. Şekil 10 da görüldüğü üzere, I numaralı enin kesit AA6016 Al alaşımının karıştırma alanındaki bazı koyu bölgelerini göstermektedir. II numaralı büyütülmüş enine kesit ise AA6061 alaşımının üst kısmındaki belirgin Zn kordonlarının varlığını ortaya koymaktadır. Bu Zn kordonlar karıştırma esnasındaki sürtünme kuvvetlerinden dolayı DC04 çelik sac malzemesinin üst yüzeyinden Al esaslı sac malzemenin içine doğru taşınmıştır. Ayrıca, III numaralı enine kesit süreç esnasında kaynatılan sacların temas alanında termomekanik karıştırma etkisi ile meydana gelen DC04 çelik malzemesinin tane bozunumuna ve rafinerizasyonuna dikkati çekmektedir. Öte yandan, üstten görünüşe ait görüntü incelendiği zaman sacların temas alanında çengel biçiminde bir şekillenme görülebilmektedir. Bu şekillenmenin oluşumu bir olasılık olarak tekrarlı bir yüklemeye yol açan işleme makinesinin yetersiz bir rijitliğe sahip olmasına dayandırılabilmektedir. Bununla birlikte, bir diğer olasılığın ise süreç esnasında eş zamanlı olarak meydana gelen ısıtma ve soğutma hızlarından dolayı kaynaklı bağlantının yapı ve özelliklerini çevrimsel olarak etkileyen farklı ve kompleks fiziksel etkileşimlerden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bunun anlamı ise takımın, kuvvetler arttıkça ilerlemeyi bölgesel olarak azaltacak soğutulmuş alanları ısıtmak zorunda olmasıdır. Akabinde, yüksek sıcaklıktan dolayı plastikleştirilmiş malzeme takımın arkasına doğru takım mili tarafından taşınacağından dolayı bu süreç esnasında takım, tekrar daha serin alanlara çarpana kadar kuvvetler azalırken ilerlemeyi geçici olarak arttıracak [21]. Chang ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmada lazer sürtünme karıştırma hibrit kaynağı olarak tanımladıkları, SKK sürecine lazer enerjisinden istifade eden bir ön ısıtma sisteminin entegre edilmesine dayalı yöntem ile 4 mm kalınlığına sahip AA6061 T6 alüminyum ve AZ31B H24 magnezyum alaşımı levhalar bir arada alın alına kaynatılmıştır. Ayrıca, kaynatılacak levhaların birbirlerine temas eden yüzey alanları boyunca 0.5 mm kalınlığına sahip Ni folyo yerleştirilmiştir. Kullanılan bu Ni folyonun kaynak bölgesinde vuku bulabilen gevrek metaller arası tabakayı 95