SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI VE YENİ UYGULAMA ALANLARI

Transkript

1 SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI VE YENİ UYGULAMA ALANLARI Kaan ÖZEL 1, Mümin ŞAHİN 2 1 Trakya Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Makina Mühendisliği Bölümü Edirne / TÜRKİYE Tel: E-Posta : kaanozel@trakya.edu.tr 2 Trakya Üniversitesi Müh.-Mim. Fak. Makina Mühendisliği Bölümü Edirne / TÜRKİYE Tel: E-Posta: mumins@trakya.edu.tr Özet- Genellikle endüstride makina parçalarının üretimi için çeşitli imalat yöntemleri kullanılmaktadır. İmalat yönteminin seçimi, parçaların üretim maliyetlerine ve çeşitli özelliklerine bağlı olarak değişmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı da, geleneksel olmayan kaynak yöntemleri arasında bulunan ve endüstriyel uygulaması son yıllarda yoğunlaşmakta olan bir katı hal kaynak yöntemidir. Bu yöntemde, çeşitli geometrideki parçalar katı halde (sıvı faz oluşmadan) birleştirilmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı, özellikle geleneksel yöntemlerle birleştirilmesi zor ve masraflı olan demirdışı metallerin birleştirilmesi amacıyla ortaya çıkan bir birleştirme yöntemidir ve beraberinde malzeme ve enerji tasarrufunu getirmektedir. Bu yöntem, temeli ve kullanım alanları daha eskiye dayanan sürtünme kaynağının geliştirilmiş şeklidir. Aynı veya farklı çeşitli malzemelerin birleştirilmesi, enerji tasarrufu, ITAB ve kaynak bölgesinin istenilen şekilde kontrolü, koruyucu gaza ihtiyaç duyulmaması, kaynak sonrası az deformasyon, sürtünme karıştırma kaynağını diğer özel kaynak yöntemlerinden üstün kılan üstünlüklerden bazılarıdır. Bu çalışmada, çelikler ve özellikle demir-dışı malzemeleri birleştirmek için kullanılan sürtünme karıştırma kaynak yöntemi hakkında bilgi verilerek, yöntemin otomasyonu, şimdiye kadar yapılan çeşitli çalışmalar, uygulamasındaki gelişmeler ve yeni uygulama örnekleri verilmiştir. Anahtar Kelimeler: Metaller, Demir-dışı Metaller, Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Katı Hal Kaynağı, Özel Kaynak Yöntemleri, 1. GİRİŞ Yeni geliştirilmiş malzemeler genellikle modern birleştirme tekniklerine ihtiyaç duyarlar. Son yirmi beş yılda alaşımların geliştirilmesinde bu malzemelerin kaynağı ile ilgili büyük ilerlemeler olmuştur. Sürtünme Karıştırma Kaynağı diğer adıyla Sürtünen Eleman ile Birleştirme Kaynak Yöntemi, 1991 yılı Aralık ayında İngiliz Kaynak Enstitüsü nde (TWI), Wayne Thomas tarafından icat edilen geleneksel olmayan kaynak yöntemleri arasında bulunan ve endüstriyel uygulaması son yıllarda yoğunlaşmakta olan bir katı hal kaynak yöntemidir. [1, 2] İşlemin, iş parçasının ergime noktasının altındaki bir sıcaklıkta meydana gelmesiyle birlikte Sürtünme Karıştırma Kaynağı, ergitme kaynağına göre çeşitli avantajlara sahiptir. Kaynak konstrüksiyonu güç olana malzemelerin birleştirme işlemleri için kısa kaynak süresi, minimum yüzey hazırlama ve otomasyon kolaylığı gibi kendine özgü avantajlarından dolayı uygun bir alternatif kaynak yöntemidir. Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile ilgili çeşitli araştırmalar yapılmış ve aşağıda verilmiştir: Thomas, W. M. tarafından sürtünme karıştırma kaynak yönteminin patenti alınmıştır [3]. Nicholas, D. konunun temel prensipleri hakkında bilgi vermiştir [4]. Çam, G. tarafından, Al-Alaşımları için sürtünme karıştırma kaynağı ve sürtünme karıştırma kaynağındaki gelişmeler hakkında çalışmalar yapılmıştır [5, 6, 7]. Mert, Ş. ve ark. tarafından takımlardaki gelişmeler hakkında araştırma yapılmıştır [8]. Nagasawa, T. ve Otsuka, M. AZ31 magnezyum alaşımının sürtünme karıştırma kaynaklı bağlantılarının yapısal ve mekanik özelliklerini incelemişlerdir [9]. Marzoli, L. M. ve ark. AA6061/Al 2 O 3 /20p takviyeli alaşımının sürtünme karıştırma kaynağını gerçekleştirmişlerdir [10]. Fuji, H. ve ark. tarafından sürtünme karıştırma kaynaklı alüminyum alaşımlarının mekanik özellikleri ve mikro yapısında takım geometrisinin etkisini araştırılmıştır [11]. Kolligan, K. alüminyumun sürtünme karıştırma kaynağı esnasında, malzeme akış davranışını irdelemiştir [12]. Kallee, S. ve Nicholas, D. sürtünme karıştırma kaynağında malzemeler ve kalınlıkları ile ilgili araştırma yapmışlardır [13]. Lee, W.-B. ve Jung, S.-B. tarafından sürtünme karıştırma kaynaklı bakırın bağlantı özellikleri incelenmiştir [14]. Lomolino, S. ve ark. sürtünme karıştırma alın kaynaklı alüminyum alaşımlarının yorulma davranışları ve tasarım eğrileri üzerine araştırma yapmışlardır [15]. 2. SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI Sürtünen eleman ile kaynak yöntemi, sürtünme kaynak yöntemine benzer olur bu kaynak yönteminden türetilmiştir. Kaynak edilen parçalar ergimediklerinden dolayı yöntem, bir katı hal kaynağıdır. 225

2 Bu kaynak yöntemi alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir karıştırıcı uç daldırılarak kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir. [1] Şekil 1. de işlemin prensibi gösterilmiştir; oluşmaktadır. Şekil 3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Prensibi (Ayrıntılı Görünüm) 2.2 Yöntemin Avantajları Sürtünme karıştırma kaynağının diğer kaynak yöntemlerine göre bazı avantajları şunlardır; Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Şematik Gösterimi [15] 2.1 Yöntemin Prensibi Pim, malzemelere temas ettiğinde sürtünme kaynağındaki duruma benzer bir durum oluşarak temas noktasında ısı, sürtünmenin de etkisiyle hızla artar ve malzemelerin plastik değişimine neden olur. Bu değişim malzemelerin akışını sağlar ve birleşme olayı gerçekleşir (Şekil 2.). Çeşitli kaynak pozisyonlarına uygunluk Enerji verimliliği İlave malzeme gerektirmez Koruyucu gazlar gerektirmez Çevre dostu (duman, ses ve kıvılcım yok) Ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmesi zor olan malzemelerin başarılı bir şekilde birleştirilmesi Kaynak sonrası cüruf oluşumu görülmez İşlem sonrası yüzeyler daha temiz Çarpılma ve çatlamalar geleneksel yöntemlere göre daha az Otomasyon uygulaması diğer yöntemlere göre daha kolay Farklı malzemelerin birleştirilmesi Ark kaynağında meydana gelen ark üflemesi oluşmaz [1] Makina bakım maliyetleri düşük 2.3 Yöntemin Dezavantajları Sürtünme karıştırma kaynağı sağladığı avantajlar haricinde az da olsa dezavantajlara sahiptir, bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir; Kaynak işlemi sonunda takımın parçaya giriş ve çıkış kısımlarında delik kalmaktadır. Bu delikler, diğer yöntemler ile kapatılmalıdır. Bazı durumlarda geleneksel kaynak yöntemlerine göre daha yavaş bir biçimde kaynak dikişi elde edilir. Kaynak işlemi öncesinde yüzeyler iyi bir biçimde hazırlanmalıdır. Kaynaklanacak parçalar, işlemin yapılacağı düzgün bir biçimde bağlanmalıdır. İşlemin yapılacağı tezgahların maliyeti yüksektir. Şekil 2. Sürtünen Eleman ile Birleştirme Kaynak Yönteminin Prensibi (Ayrıntılı Görünüm) [16] Şekil 2. den de görülebileceği gibi kaynak bölgesi, farklı mikro yapıların oluştuğu üç belirgin bölgeden 2.4 Sürtünme Karıştırma Kaynağının Uygulanan Malzemeler ve Yöntemin Parametreleri Geleneksel yöntemler ile kaynak yapılması zor olan alüminyum ve alaşımları için sürtünme karıştırma kaynağı getirdiği üstünlükler ile geniş bir biçimde kullanılmaya başlanmıştır. Ayrıca bakır bakır alaşımları, titanyum titanyum alaşımları, magnezyum magnezyum alaşımları, metal 226

3 matrisli alüminyum kompozitler, kurşun, bronzda da bu yöntemin uygulanmasına başlanmıştır [13]. Birleştirme karakteristiklerini belirleyen üç önemli faktör vardır. Bunlar sırasıyla pimin devir hızı, pimin ilerleme hızı ve pimin batma derinliğidir. Bunlardan ilk ikisi rahatlıkla kontrol edilebilir. Fakat pimin batma derinliği kritik bir faktör olup kontrol edilmesi güçtür. Batma derinliğinin kaynak işlemi süresince sabit kalması gerekmektedir [6]. 2.5 Sürtünme Karıştırma Kaynağı Makinaları ve Takımları Makinalar Aşağıda, Japonya Osaka Üniversitesi nin Birleştirme ve Kaynak Araştırma Enstitüsü (JWRI) de bulunan tipik bir Sürtünme Karıştırma Kaynağı Makinası nın fotoğrafları [18] ve ayrıca endüstriyel düzeyde kullanılan bir sürtünme karıştırma kaynak makinası fotoğrafları [19] verilmiştir. Şekil 5. Tipik Bir Sürtünme Karıştırma Kaynağı Takımları Fotoğrafları [18] Şekil 4. Tipik Bir Sürtünme Karıştırma Kaynağı Makinası Fotoğrafları [18] Takımlar Çeşitli takım şekilleri aşağıda gösterilmektedir. Her takım kaynak için gerekli ısının çoğunu meydana getiren, esas malzemeye karşı dönüşe sahip bir omuza sahiptir. Takım üzerindeki pim, malzemeye dalar ve metalin katı halde karıştırılmasına yardım eder. Şekil 6. Fikstürleme ve Kaynak Fotoğrafları [18] 3. UYGULAMA ALANLARI Sürtünme Karıştırma Kaynağı diğer adıyla Sürtünen Eleman ile Birleştirme Kaynağı, öncelikle gemi imalatında olmak üzere, havacılık, inşaat, elektrik, otomotiv, demiryolları endüstrisi, köprüler, depolama tankları ve beyaz eşyalar gibi çeşitli uygulama alanlarına sahiptir. [19] Gemi İmalatındaki Uygulamalar Gemilerde kullanılan çeşitli paneller 227

4 Alüminyum ve alaşımlarından oluşan yapılar Tekne v.b. elemanları Şekil 9. Uygulama Örneği [20] Demiryolu Endüstrisi Şekil 7. Çift Taraftan Sürtünme Kaynağı Yapılarak Birleştirilmiş 75 mm Kalınlığındaki 6082 Al Alaşımı Levhaları [6] Hızlı tren panelleri ve gövdeleri, tankerler ve vagonlar Konteynır gövdeleri Diğer uygulama türleri ise şunlardır Çeşitli araç gövdeleri Zırhlı taşıt gövdeleri Karavan gövdeleri Yakıt tankları Magnezyum ve magnezyum / alüminyum eklemleri Şekil 8. Uygulama Örneği [20] Şekil 10. Yüksek Hız Feribotlarında Kullanılan Alüminyum Ekstrüzyon Panellerinin Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Birleştirilmesi [5] Havacılık Endüstrisi Uygulamaları Çeşitli uçak gövdeleri Uçak kanatları ve kuyruk takımları Uçak yakıt tankları Askeri amaçlı uçaklar İnşaat Endüstrisi Alüminyum köprüler ve alüminyum borular Alüminyum, kurşun veya titanyumdan yapılmış ön cephe panelleri Şekil 11. Japonya da Sürtünme Karıştırma Kaynağının Kullanıldığı Hızlı Tren [5] 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Sürtünme karıştırma kaynağı (sürtünen eleman ile birleştirme kaynağı), çeşitli profillerdeki sac ve levhaların 228

5 alın ve bindirme kaynağında kullanılma potansiyeline sahiptir. Sürtünme karıştırma kaynağı geleneksel ergitme kaynak yöntemlerine çeşitli avantajlara sahiptir. Enerji verimliliğine sahip olması, kaynak ağzı hazırlanmasına ihtiyaç duyulmaması, ilave tel ve koruyucu gazlara ihtiyacı bulunmaması, insan sağlığına diğer yöntemlere göre daha az zararda bulunması, hataların minimumda olması en önemli avantajlarıdır. Ayrıca sürtünme karıştırma kaynağı teknolojisi, takım tezgahları teknolojilerine dayalı olup geleneksel ergitme kaynağındaki gibi kalifiye elemanlara ihtiyaç duyulmamaktadır. Yöntem önemli avantajlara sahip olmasına karşın bazı zayıf yönlere de sahiptir. Örneğin parçaların kaynak yapılacak tezgaha düzgün bir biçimde bağlanması gerekmekte olup yüzeyler düzgün bir şekilde temizlenmelidir. Sürtünme Karıştırma Kaynağı otomasyona oldukça uygun bir teknik olup dünya üzerinde robotik sistemleri üzerinde çalışmaları devem etmektedir. Ülkemizde şu anda yalnızca araştırma aşamasında uygulanan ve ülke endüstrisine henüz çok fazla girmemiş olan yöntemdeki olumlu gelişmelerin her geçen gün artması beklenmektedir. 5. KAYNAKLAR 1 M.Özsoy, E. Kaluç, Sürtünen Eleman ile Birleştirme Kaynağının Esasları, Mühendis ve Makina, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Yayını, 513, Ekim 2002 [2] A.Kurt, M. Boz, M. Özdemir, Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Hızının Birleşebilirliğe Etkisi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 19, No 2, 2004, s [3] Thomas, W. M., Friction Stir Butt Welding, International Patent Application, No. PCT / GB92 / 0220 and GB Patent Application No , US Patent No. 5,460,317, December 1991 [4] D.Nicholas, TWI Bulletin 6, Vol. 32, November / December 1991, s [5] G.Çam, Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK); Al- Alaşımları için Geliştirilmiş Yeni Bir Kaynak Teknolojisi, Mühendis ve Makina, TMMOB Makina Mühendisleri Odası Yayını, 46, 541, s [6] G.Çam, Al-Alaşımları İçin Geliştirilen Yeni Kaynak Yöntemleri, Kaynak Teknolojisi III. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, İstanbul, Ekim 2001, s [7] G.Çam, Sürtünme Karıştırma Kaynağındaki Gelişmeler, Kaynak Teknolojisi IV. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, Kocaeli, Ekim 2003, s [8] Ş.Mert, E.Kaluç, Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Takımlardaki Gelişmeler, Kaynak Teknolojisi IV. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, Kocaeli, Ekim 2003, s [9] T.Nagasawa, M.Otsuka, Structure and Mechanical Properties of Friction Stir Weld Joints of Magnesium Alloy AZ31 [10] L.M.Marzoli, et all, Friction Stir Welding of an AA6061/Al 2 O 3 /20p Reinforced Alloy, Composite Sciences and Technology, Vol. 66, 2006, s [11] H.Fuji, et all, Effect of Tool Shape on Mechanical Properties and Microstructure of Friction Stir Welded Aluminum Alloys, Materials Science and Engineering, A419, 2006, s [12] K.Kolligan, Material Flow Behavior during Friction Stir Welding of Aluminum, Welding Research Supplements, July 1999, s [13] S.Kallee, D.Nicholas, Friction Stir Welding Materials and Thicknesses, TWI, 2000 [14] W.-B.Lee, S.-B.Jung, The Joint Properties of Copper by Friction Stir Welding, Materials Letters, Vol. 58, 2004, s [15] S.Lomolino, R.Tovo, J.D.Santos, On the Fatigue Behaviour and Design Curves of Friction Stir Butt-Welded Al Alloys, International Journal of Fatigue, Vol. 27, 2005, s [16] A.Şık, Ö.Kayabaş, Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Yapılan Alüminyum Kaynağında Kaynak Bölgesinin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fakültesi Dergisi, Y. 11, S. 12, 2003, s [17] [18] [19] S.Kallee, D.Nicholas, Causing A Stir In The Future, Welding & Joining, February 1998, s [20] ESAB AB Welding Automation, Friction Stir Welding, SE , LAXA / Sweden 229

6 6. ÖZGEÇMİŞ Kaan ÖZEL, 1978 yılında Edirne de doğdu. İlk ve orta öğrenimini Edirne de tamamladıktan sonra 2000 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu yılı Şubat ayında Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı nda Yüksek Lisans eğitimine başladı ve 2005 yılı Ocak ayında tamamladı ve Doktora eğitimine başladı yılı Ekim ayından itibaren Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı nda Araştırma Görevlisi olarak çalışmakta olan Kaan ÖZEL evli olup İngilizce bilmektedir. MMO Sicil No: Mümin ŞAHİN, 1970 yılında Barbaros-Tekirdağ da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Tekirdağ da tamamladı yılında girdiği Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü nden 1993 yılında mezun olduktan sonra aynı yıl yüksek lisans eğitimine başladı yılında Araştırma Görevlisi kadrosuna atandı yılında doktora eğitimine başladı ve 1999 yılında Öğretim Görevlisi oldu yılında Yardımcı Doçent kadrosuna atandı yılı Ekim ayında Doçentlik sınavını başararak Doçent unvanını almıştır. Halen bu görevine devam etmektedir Ekim ayından itibaren Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dekan Yardımcılığı görevine atanmış olup, halen bu görevi yürütmektedir. Evli ve iki çocuk babası olan Mümin ŞAHİN İngilizce bilmektedir. MMO Sicil No: