DÜŞÜK KARBONLU ÇELİKLERDE ELEKTRİK ARK VE MAG KAYNAK YÖNTEMLERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 2. Uluslar arası Demir Çelik Sempozyumu (IISS 15), 1-3 Nisan 2015, Karabük, Türkiye DÜŞÜK KARBONLU ÇELİKLERDE ELEKTRİK ARK VE KAYNAK YÖNTEMLERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERE ETKİSİNİN İNCELENMESİ EXAMINING THE EFFECTS OF ELECTRIC ARC AND TO THE MECHANICAL PROPERTIES OF LOW CARBON STEELS Emine GÜNDOĞDU İŞ a, Bünyamin ÇİÇEK a, Emre GÜMÜŞ a, Eren YILMAZ a ve Polat TOPUZ a a İstanbul Gedik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye. E-posta: emine.gundogdu@gedik.edu.tr Özet Bu çalışmada yapı uygulamalarında kullanılan düşük karbonlu çelik malzemelerde kaynak yöntemi farkının mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. yapılacak malzeme olarak S355J2 kalite düşük karbonlu çelik kullanılmıştır. Bu malzeme gaz altı kaynak (çıplak tel ile) yöntemi () ve elektrik ark (elektrot) kaynağı () yöntemi ile uygun standartlarda V kaynak ağzı açılarak kaynaklanmıştır. işlemi esnasında pasolar arası geçiş sıcaklıkları kontrol edilmiş ve için G3Si1 ilave metali, elektrik ark kaynağı için ise E 42 3 B 42 H 10 özellikli ilave metali kullanılmıştır. işlemi tamamlandıktan sonra hem yüzeysel hem de hacimsel olarak tahribatsız muayene testleri yapılmıştır ve muayeneleri geçemeyen numuneler kullanılmamıştır. Ardından onaylanan bütün numunelerden ilgili standartlara göre çekme, eğme, sertlik ve darbe çentik (Charpy) testi sonuçları incelenmiştir. yöntemi farklılıklarına göre elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlara göre gaz altı kaynak yöntemine göre elektrik ark kaynağı ile birleştirilen numunelerin mekanik özelliklerinin daha üstün olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Gaz altı kaynağı, elektrik ark kaynağı, mekanik testler, düşük karbonlu çelikler. Abstract In this study, the effects welding method on the mechanical properties of low carbon steel used in structural applications were examined. S355J2 low carbon steel was used as welding material. This material was V shape notched according to related standards and welded using metal active gas () and electric arc welding (EAW) methods. Transition temperatures between passes were controlled during the welding process. G3Si1 for and E 42 3 B 42 H 10 for electric arc welding were used as filler materials. After welding processes, visual and magnetic non-destructive tests were applied. Samples which could not pass these tests were not used. Then bending, tensile, hardness and impact tests were applied to approve samples. Results were compared between different welding methods. It is found that samples that were welded with electric arc welding have higher mechanical properties. Keywords: Gas metal arc welding, electric arc welding, mechanic tests, lower carbon steel. 1. Giriş Son zamanlarda yapılan çalışmalar sonucu endüstri alanında kaynaklı birleştirme tekniklerinin fazlasıyla geliştiği görülmektedir. işleminin bu kadar hızlı gelişmesi her geçen gün yeni bir kaynak yöntemi bulunmasına sebep olmaktadır. Ancak yapılan çalışmalarda kullanılan her kaynak yöntemi her malzeme türüne uygun değildir. Bundan dolayı kullanılan malzeme türüne göre en fazla kullanılan kaynaklı birleştirme türleri; Elektrik Ark Kaynağı (), Gaz Altı Kaynağı (), Oksi- Gaz Kaynağı (OGK), Toz Altı Kaynağı (TAK), Laser Kaynağı (LK) gibi hem işlem kolaylığı olan hem de kullanım alanı geniş olan kaynak yöntemleridir. [1,2] Bu çalışmada gaz altı kaynağı yöntemi () ve elektrik ark kaynağı () yöntemi ile düşük karbonlu çelik malzemeler kaynaklanmıştır. Bu yöntemler uzun yıllardan beri çok fazla kullanılan ve işlem kolaylığına sahip yöntemlerdir. Gaz altı kaynak yöntemlerinde kullanılan koruyucu gazların birinci derecedeki fonksiyonu, ergiyen kaynak metalini atmosferde bulunan azot ve oksijenin olumsuz etkisinden korumaktır. Çünkü kullanılan gazın cinsi ve kompozisyonu birleştirilen parçaların özelliklerinin belirlenmesinde en önemli faktörlerden biridir [1-3]. Kullanılan gazın akışı, hızı, kimyasal özellikleri, kaynak esnasında metal akışını, kaynak banyosu yapısını, ark damlasının formunun belirlenmesinde oldukça önemlidir. Günümüzde gaz altı kaynak yöntemlerinde kullanılan gazlar genellikle Argon (Ar) gazı ve argon gazının O 2 (Oksijen), He (Helyum), H 2 (Hidrojen), CO 2 (Karbondioksit) gazları ile karışım gazları kullanılmaktadır. Seçilen gazın cinsi ve kompozisyonu birleştirilen malzemenin mikro yapısına ve mekanik özelliklerine önemli şekilde etki etmektedir [4]. Ayrıca bu yöntem de ilave metalde kullanılırken yine kullanılacak olan malzemenin kimyasal içeriği ile yakın olan bir çıplak elektrot kullanılmaktadır. Günümüzde önemli bir kaynak yöntemi olan elektrik ark kaynağı da oldukça sık kullanılmaktadır. Bu yöntem ile genellikle kaynaklanabilirliği iyi olan metallerin kaynağı yapılmaktadır. Bundan dolayı bu çalışmada kaynak malzemesi olarak düşük karbonlu çelikler tercih edilmiştir. Bu kaynak yönteminde en önemli unsur kaynak esnasında IISS 15, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye

2 kaynatılacak malzemeye uygun örtülü elektrot seçimidir. Hatalı yapılacak elektrot seçimi zaman ve malzeme kaybına neden olabileceği gibi sonuçta sağlıksız bir kaynak dikişi verecektir [5]. dikişinde oluşabilecek problemler ön tav ya da son tav işlemleri ile giderilebilir. Ancak bazı problemlerin giderilmesi oldukça zordur. Düşük karbonlu çelikler grubuna %0,20'ye kadar karbon içeren çelikler dahil edilebilirler. Mekanik özellikleri göz önünde bulundurularak yumuşak çelikler olarak da tanınırlar. Düşük karbonlu çelikler dünya çelik üretiminde en büyük paya sahiptir [6]. Yapılan bu çalışmada düşük karbonlu çeliklerin farklı kaynak yöntemleri ile birleştirilmeleri sonucu elde edilen mekanik değerlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Deneysel çalışmalar; sertlik, çentik darbe, eğme ve çekme deneylerinden oluşmaktadır. 2. Deneysel Çalışmalar Bu çalışmada 12 mm kalınlığındaki S355 J2 çeliği ve yöntemi ile birleştirilmiştir. Her iki kaynak yönteminde de PF (aşağıdan yukarıya) pozisyonunda kaynak işlemi gerçekleştirilmiştir. esnasında kullanılan düşük karbonlu çelik malzemenin kimyasal bileşimi Çizelge 1. de gösterilmiştir. Çizelge 1. Ana malzemenin kimyasal bileşimi (ağırlıkça %) Çizelge 3. yöntemlerinde kullanılan ilave metallerin kimyasal bileşimleri (ağırlıkça %) için ilave malzeme (G3Sİ1) için ilave malzeme (E423B42H10) C C Si Si Mn Mn P P S S 0 Cr Cr Ni Ni Mo Mo Cu Cu V V Al Al Ti+Zr Nb % Fe Kalan Fe Kalan Daha sonra her iki yöntem içinde numuneler kaynak işlemi yapılmak üzere Şekil 1. deki gibi hazırlanmış, gerekli ön temizlemeler yapılmış ve kaynak işlemleri gerçekleştirilmiştir. C 0.18 Cu 0.01 Mn 1.41 Mo P Nb S Ni Si 0.21 Ti Al V Cr Fe Kalan lı birleştirme esnasında gaz altı kaynak yöntemi için kullanılan koruyucu gaz olarak M24 (DIN EN ISO 14175) karışım gazı kullanılmıştır. Çizelge 2 de M24 gazının karışım gaz miktarları yüzde oranında verilmiştir. yöntemlerinde kullanılan ilave metaller gaz altı yöntemi için G3Si1 (TS EN ISO :2011) iken elektrik ark kaynağı için E423B42H10 (TS EN ISO 2560) özelliklerine sahiptir. Kullanılan ilave metallerin kimyasal bileşimleri Çizelge 3. te verilmiştir. Çizelge 2. kaynak yönteminde kullanılan karışım gazının kimyasal bileşimi [7] Gaz Kodu Bileşim (%) M 24 CO 2 O 2 Ar min. max. min. max ,5 3 Kalan Şekil 1. ağzı şematik görüntüsü işlemi öncesi ve sonrası herhangi bir ön ısıtma veya son tav işlemi yapılmamıştır. Kullanılan elektrot çapına göre gaz altı kaynağında (tel çapı:1,2 mm) 7 paso elektrik ark kaynağında (elektrot çapı: 2,5 mm) ise 5 paso ile kaynak işlemi gerçekleştirilmiştir. işlemi esnasında pasolar arası sıcaklığın maksimum 350 o C seviyesine kadar çıkmasına izin verilmiştir. Birleştirilmiş olan parçalar daha sonra görsel muayene ve manyetik parçacıkla muayene testleriyle kontrol edilmiş ve uygun olmayan numuneler işleme alınmamıştır. işlemi esnasında farklı yöntemler kullanıldığı için kaynak bölgesinde meydana gelen ısı girdisi farkından dolayı mekanik özelliklerdeki değişiklikler araştırılmıştır. Çizelge 4. ve Çizelge 5. de her iki kaynak yönteminde de kullanılan kaynak parametreleri ve malzemede meydana gelen ısı girdisi verileri görülmektedir.

3 Çizelge 4. Elektrik Ark Kaynağı () yöntemi kaynak parametreleri ve ısı girdisi değerleri Kök Elektro t Çapı Akım (A) Voltaj (V) Hızı (mm/dk) Isı Girdisi (KJ/mm) Dolgu 2, Kapak Çizelge 5. Gaz Altı Kaynağı () yöntemi kaynak parametreleri ve ısı girdisi değerleri Kök Tel Çapı Akım (A) Voltaj (V) Hızı (mm/dk) Isı Girdisi (KJ/mm) Dolgu 1, Kapak Çizelgelerde kaynak sırasında kullanılan değişkenler görülmektedir. Değerler kaydedilen en düşük ve en yüksek değerleri göstermektedir. Bu değerlere göre ısı girdisi değerinin alt ve üst sınırları hesaplanmıştır. Şekil 2. Sertlik ölçümleri sonucu bölgesel değerler Başka bir test olarak ilgili [10] standarda göre darbe testi (Charpy) uygulanmıştır. Çentik darbe testleri -20 o C de gerçekleştirilmiştir. Her iki metotla da kaynaklanmış malzemelerin hem kaynak metallerinden hem de ITAB bölgelerinden 3 er adet numune çıkartılmış ve ortalama darbe enerjileri Çizelge 7 de gösterilmiştir. Sonuçlar Şekil 3 te karşılaştırılmalı olarak görülmektedir. Çizelge 7. ve kaynak yöntemlerinin darbe testi sonuçları Bu hesaplamada [8]; 60EI H 1000 S (1) H: Isı Girdisi (KJ/mm) I: Akım (A) E: Voltaj (V) S: hızı (mm/dk) formülü kullanılmıştır. Isı girdisinin elektrik ark kaynağında fazla olmasının sebebi kullanılan örtülü elektrot ark kaynağının metal yığma hızı ve verimliliği pek çok ark kaynak yönteminden düşüktür. Buda gaz altı kaynağında daha düşük çaplı elektrotlar kullanıldığından hemen hemen aynı akım aralığında yüksek akım yoğunluğunu ve yüksek metal yığma hızına sahip olduğunu gösterir [8]. İlk olarak kaynaklı numunelerin sertlik değerleri ilgili standarda göre Vickers (HV 10) yöntemiyle tespit edilmiştir [9]. Isı tesiri altındaki bölgeden, ana metalden ve kaynak metalinden her yöntem için ayrı ayrı üç farklı Vickers (HV 10) sertlik değerleri alınmış ve bu değerlerin ortalaması Çizelge 6 da verilmiştir. Ayrıca alınan bu sertlik değerlerinin karşılaştırılması da Şekil 2 de gösterilmektedir. Çizelge 6. Sertlik testi sonuçları (HV 10) Yöntem M ITAB KM M: Ana metal ITAB: Isı tesiri altındaki bölge KM: metali Çentik Yeri ("V" Çentik) Metali Test Sıcaklığı ( o C) Ort. Darbe Enerjisi (J) ITAB Metali ITAB Şekil 3. Darbe testi sonuçları

4 Ayrıca kaynaklı numunelere ilgili [11] standarda göre eğme testi uygulanmıştır. Çizelge 8. de gösterilmiş olan eğme testi değişkenlerine göre numuneler 180 o lik eğme açısıyla eğilmiştir. Şekil 4 te yapılan yan eğme testi şematik olarak ifade edilmiştir. Çizelge 8. testi değişkenleri Tipi Boyutlar Açısı ( o ) Kullanılan Mandren Çapı ve Yan 10x12x Şekil 5. Çekme testi sonuçları 3. Deney Sonuçlar ve Tartışma Düşük karbonlu çeliklerin, karbon eşdeğerliklerinin uygun olması dolayısıyla deneylerde kullanılan S355J2 kalite düşük karbonlu çeliğe uygulanan ve kaynakları için kaynak sonrası gerilim giderme ısıl işlemi uygulanmasına gerek kalmamıştır Sertlik Deneyleri Şekil 4. testi numunesi lı malzemelere son olarak çekme deneyleri ilgili standarda göre [12] yapabilmek için, hem işlem görmemiş ana malzeme olan S355J2 çeliğinden, hem elektrik ark kaynak yöntemiyle kaynaklanmış levhadan, hem de gaz altı kaynak yöntemiyle kaynaklanmış levhadan 2 şer adet numune kullanılmıştır. Numunelere uygulanan çekme deneyi sonuçları Çizelge 9. da gösterilmiştir. Şekil 5 te çekme testi sonuçları karşılaştırılmalı olarak gösterilmiştir. Çizelge 9. Çekme deneyi sonuçları Numune No Test Sıcaklığı Çekme Dayanımı ( o C) (N/mm 2 ) Kopma T Ana Metal T Ana Metal T Ana Metal T Ana Metal işlemleri tamamlanmış numunelerden Vickers yöntemine göre 10 kg. (HV 10) yük uygulanarak sertlik ölçümleri alınmıştır. kaynağı ile birleştirilmiş malzemenin gerek esas metal bölgesi, gerek ısı tesiri altında kalan bölgesi ve gerekse kaynak metali bölgesinin sertlik değerleri, kaynak yöntemi ile birleştirilmiş malzemenin aynı bölgelerine göre %1 ila %6 arasında daha yüksek çıkmıştır. Her iki kaynak yönteminde de en sert bölgelerin kaynak metali olduğu görülmüştür. kaynağının sertlik değerlerinin; kaynağının sertlik değerlerinden daha yüksek oluşunun sebebi, daha düşük ısı girdisi sebebiyle soğuma olayının çok hızlı gerçekleşmesidir. Ayrıca Gharibshahiyan ve arkadaşlarının [13] gaz altı kaynağı ile, Sokolov ve arkadaşlarının [14] lazer kaynağı ile düşük karbonlu çelikler üzerine yaptıkları çalışmalarda da en sert bölgenin kaynak metali ve en yumuşak bölgenin ise ana malzeme olduğu belirtilmektedir Çentik darbe deneyleri -20 o C sıcaklıkta gerçekleştirilen Çentik Darbe (Charpy metodu ile) deneylerinin sonuçları incelendiğinde ile birleştirilen numunelerin kırılma enerjisi değerlerinin ile birleştirilen numunelere göre daha yüksek olduğu görülmüştür. yöntemlerine göre kırılma enerjisi değerlerinin farklı olması, tamamen ısı girdisi değerlerinin farklılığından kaynaklanmıştır. Malzemelerin sertlik değerlerinin de darbe enerjisi değerlerine uyum sağladığı görülmüştür. Daha yüksek sertliğe sahip birleştirmenin kırılma enerjisi düşük ve daha düşük sertliğe sahip malzemenin kırılma enerjisi yüksektir. Yüksek ısı girdisi ısı tesiri altındaki bölgeyi genişletecektir. Daha fazla ısının

5 absorbe edilmesi daha geç soğumaya sebep olacak veya genişliği fazla olan ITAB bölgesinin bir nevi kaynak metalini temperlemesi gerçekleşecektir. Bu yüzden fazla ısı girdisi oluşan malzemede sertlik düşük ve kırılma enerjisi yüksektir Deneyleri Oda sıcaklığında gerçekleştirilen 180 o yan eğme testlerinde, her iki kaynak yöntemi ile birleştirilmiş malzemede de herhangi bir çatlak oluşumu veya hasar tespit edilmemiştir. Buda kaynakların uygun ön ısı ve uygun pasolar arası sıcaklık değerlerinin sağlıklı olduğunu göstermektedir. testi sonucunda herhangi bir hasar olmaması, malzemenin gevrekleşmemiş olduğunu, dolayısıyla kaynak işlemleri esnasında ani ısı girdisi veya gereğinden fazla sıcaklığa maruz kalmadığını göstermiştir Çekme Deneyleri Çekme deney sonuçları incelendiğinde gerek kaynağı gerekse ile birleştirilen malzemelerin çekme dayanımlarının, işlem görmemiş ana malzemeye göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Çekme deneyleri gerçekleştirilen bütün numunelerin kopma bölgeleri ana malzemeye denk gelmiştir. lı malzemelerin çekme mukavemetlerinin yüksek çıkmasının sebebi, ITAB ve kaynak metali bölgesinin tane yapısının farklılaşmış olmasıdır. Bu durumla ilgili ayrıca Durgutlu ve arkadaşlarının [15] toz altı kaynak yöntemiyle birleştirilmiş düşük karbonlu çeliklerin mekanik özellikleri ile ilgili çalışmada da benzer sonuçlar görülmüştür. lar [1] Tusek, J., Suban, M Experimental Research of The Effect of Hydrogen in Argon as a shielding Gas in Arc Welding of High-Alloy Stainless Steel, International Journal of Hydrogen Energy, 25 (4), [2] Ural, M., Kaluç, E Paslanmaz Çeliklerin TIG ile Kaynağı, Makine&Metal Dergisi, Mart, [3] Tülbentçi, K Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı, MIG- Ergiyen Elektrot ile Gazaltı Kaynağı, Gedik Holding, , İstanbul [4] Lin, Y. C., Chen, P. Y Effect of Nitrogen Content and Retained Ferrite on Residual Stress in Austenitic Stainless Steel Weldments, Materials Science and Engineering A, 307, p [5] Kahraman K., Gülenç B. ve Akça H. Ark İle Birleştirilen Ostenitik Paslanmaz Çelik İle Düşük Karbonlu Çeliğin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 17, No 2, 75-85, 2002 [6] (Erişim tarihi ) [7] ISO 14175:2008, ICS ; , Welding consumables - Gases and gas mixtures for fusion welding and allied processes, Ocak 2010 [8] R. Scott Funderburk, Key Concepts in Welding Engineering, Welding Innovation Vol. XVI, No. 1, 1999 [9] TS EN ISO :2011, ICS , "Destructive tests on welds in metallic materials - Hardness testing - Part 1: Hardness test on arc welded joints", Kasım 2011 [10] TS EN ISO 9016:2012, ICS , Destructive tests on welds in metallic materials - Impact tests - Test specimen location, notch orientation and examination, Haziran 2013 [11] TS EN ISO 5173:2010/A1, ICS , Destructive tests on welds in metallic materials - Bend tests, Nisan 2012 [12] TS EN ISO 4136:2012, ICS , Destructive tests on welds in metallic materials - Transverse tensile test,haziran 2013 [13] Gharibshahiyan E., Raouf A.,Parvin N., Rahimian M., The Effect of Microstructure on Hardness and Toughness of Low Carbon Welded Steel Using İnert Gas Welding, Materials and Design, Iran, 2011 [14] Sokolov M., Salminen A., Kuznetsov M., Tsibulskiy I., Laser Welding and Weld Hardness Analsis of Thick Section S355 Structural Steel, Materials and Design, 2011 [15] Durgutlu A., Kahraman N., Gülenç B., Toz Altı Ark Kaynağında Tozunun Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisinin İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Endüstriyel Sanatlar Eğitim Dergisi, 2002