NOKTA DİRENÇ KAYNAK SÜRESİNİN IF 7114 ÇELİĞİ BİRLEŞTİRMELERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ

Transkript

1 IV.Demir Çelik Kongresi NOKTA DİRENÇ KAYNAK SÜRESİNİN IF 7114 ÇELİĞİ BİRLEŞTİRMELERİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ Fatih HAYAT 1, Bilge DEMİR 1, Salim ASLANLAR 2 1 Karabük Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, Tel: (370) /1515 E-Posta: bilge.demir@hotmail.com 2 Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü Özet: Bu çalışmada 7114 kalite IF çeliğinin nokta direnç kaynak birleştirmelerinde kaynak süresinin ve çekirdek çapının dayanıma etkisi incelenmiştir. Nokta direnç kaynak işlemleri sabit basma kuvveti (6 bar) ve kaynak akımı (7kA) ile değişen kaynak sürelerinde ( ve 30 çevrim) gerçekleştirilmiştir. Birleştirilmiş numunelerin mikroyapı incelemeleri, mikrosertlik ölçümleri ve çekme makaslama deneyleri yapılmıştır. Kaynak süresine bağlı olarak kaynak çekirdek çapı artmaktadır. En düşük çekme makaslama dayanım ve mikrosertlik değerlerini 5 çevrim numuneleri gösterirken en yüksek değerleri ise 25 çevrim numuneleri göstermiştir. Sonuçlar çekme makaslama sırasında yırtılmanın özellikle kaynak sürelerinin artışıyla ısı tesiri altında kalan bölgede (ITAB) oluştuğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler: IF çeliği, Nokta Direnç Kaynağı, Çekme Makaslama Kuvveti 1.GİRİŞ Nokta direnç kaynağı malzemenin geçen elektrik akımına karşı gösterdiği direnç ile oluşan ısı ve kaynak bölgesine uygulanan basma kuvveti ile sağlanan bir kaynak yöntemidir [1,3]. Nokta direnç kaynağı otomotiv sanayisinde çok yaygın olarak kullanılan bir birleştirme tekniğidir. Nokta direnç kaynağı; işleminin hızlı olması sağlam birleştirme ve ekonomiklik gibi çok önemli avantajlara sahiptir. Gelecekte otomotiv endüstrisinde laser kaynağı yerine veya ortak kullanımının artacağı ve bu şekilde daha hafif araçlar yapılabileceği tasarlanmaktadır [4]. İlave olarak, yüksek mukavemet, estetiklik ve özel beceri gerektirmemesi gibi nedenlerden az karbonlu ve diğer çelik sacların, petro-kimya, gıda, mutfak eşyaları, beyaz eşya, otomotiv endüstrisi gibi korozyon dayanımının ve hijyenin bir arada istendiği ürünlerin imalatında yaygın olarak kullanılmaktadır. IF çelikleri son teknoloji çelik çeşitlerinden bir tanesidir. Düşük akma ve çekme dayanımları, yüksek yüzde uzama ve r değerleri ile özellikle otomobil ve beyaz eşya üreticilerinin gözdesi haline gelen bu çeliklerin üretimi için gerekli teknolojik donanım hayli pahalıdır. IF çelikleri, düşük akma dayanımları ve yüksek r değerleri ile ekstra derin çekilebilme özelliği göstermekte ve çok karmaşık parçaların kolaylıkla üretilmesine imkân vermektedir [1,2]. Otomotiv endüstrisinin en önemli konularından bir tanesi yakıt tasarrufu sağlayan araçlar geliştirmektedir. Bunu sağlayan en önemli faktörlerden bir tanesi malzeme ağırlığının dolayısıyla taşıt ağırlığının azaltılmasıdır. Otomotiv endüstrisinde kullanılan kaynak yöntemleri arasında nokta direnç kaynak yöntemi önemli bir noktadadır ve bu nedenle IF çeliklerin otomotiv endüstrisindeki kaynak işleminde elektrik direnç nokta kaynağı kullanımı üst seviyelere kadar ulaşmıştır. Bir otomobilin üretiminde binlerce parça kullanılmakta ve yüzlerce farklı tipte işlem gerçekleştirilmektedir [3,5,7]. Bu işlemlerden belkide en önemlisi, araç kalitesini %40 oranında etkileyen, aracın gövdesinin ortaya çıkarıldığı kaynak işlemleridir. Araçların karoserleri, takviye sacları ve şase bağlantı parçalarının kaynağı elektrik direnç nokta kaynağı ile yapılmaktadır [6]. Bu çalışmada nokta direnç kaynak tekniği ile yaygın olarak birleştirmeleri yapılan IF çeliklerin birleştirilmesi sırasında kaynak parametrelerinden kaynak süresinin kaynak çekirdeği ve sonuç olarak kaynak dayanımı üzerindeki etkisi incelenerek endüstriyel olarak katkı sağlanması 243

2 IV.Demir Çelik Kongresi amaçlanmıştır. Bu amaçla ERDEMİR tarafından üretilen 7114 kalite IF çeliği kullanılmıştır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Malzeme Deneylerde kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen 0,85mm kalınlığında IF 7114 (DIN EN ) çeliği kullanılmıştır. Tablo 1. Deneylerde kullanılan IF çeliğinin kimyasal kompozisyonu (%Ağırlık) C S Mn Nb Ti Fe , Geriye kalan 2.2. Çekme Makaslama Deneyi Şekil 1 deki boyutlarda hazırlanan 3 er adet numune çekme makaslama deneyine tabi tutulmuş sonuçların ortalaması alınmıştır. Deney SHIMADZU UH 600kN marka bilgisayar kontrollü çekme cihazında 2 mm/dak. çekme hızında gerçekleştirilmiştir. Numuneler 0,85x30x100 mm boyutlarında kesilerek hazırlanmıştır. Deneylerde elektronik akım ve zaman kontrollü, pnömatik basma donanımlı AC nokta direnç kaynak makinesinde su soğutmalı kesik konik uçlu Cu-Cr elektrotlar kullanılmıştır. Alt elektrot çapı 8,5 mm, üst ise 8mm olarak ayarlanmıştır. Kaynak sırasında numunelerin eksenden kaymasını önlemek amacıyla ahşaptan tutucu bir kalıp hazırlanmıştır. Şekil 1 de birleştirme için hazırlanmış numunelerin boyutları ve kaynak pozisyonu gösterilmiştir. Kaynak akımı 7 ka ve kaynak elektrot kuvveti 6 bar değerlerinde sabit tutulmuştur. Kaynak süreleri ise; çevrim (1çevrim: 0,02 sn) olarak ayarlanmıştır. Deneylerde kullanılan kontrol sisteminin ayarları Tablo 2 de verilmiştir. İnme Tablo 2. Kaynak makinesi kontrol sistemi ayarları Sıkıştırma Durma Ayrılma Elektrot kuvveti (bar) Elektrot basma kuvveti kaynak makinesine bağlı olan manometre ile ölçülmüştür. Kaynak süresi, sıkıştırma ve tutma süreleri yine makinenin elektronik donanımları ile ayarlanmıştır. Tablo 2 de verilen kaynak parametreleri kullanılarak kaynak işleminin gerçekleşmesi grafiksel olarak Şekil 2 de gösterilmiştir. Şekil 2. Kaynak işleminde kullanılan kaynak parametrelerinin grafiksel olarak gösterimi Mikrosertlik (a) Şekil 1. Çekme makaslama deney numunesi boyutları ve kaynak pozisyonu. Kaynak öncesinde numunelerin yüzeyleri 400 ve 800 mesh lik zımparalarla kir, pas, yağ gibi kaynağı olumsuz olarak etkileyebilecek maddelerden temizlenmiştir. Ardından özel olarak hazırlanmış kalıp vasıtasıyla doğrusal (boylamasına) üst üste yerleştirilmiştir. Nokta direnç kaynağı ile birleştirilmiş numuneler mikrosertlik deneyi için Şekil 3 teki profili sağlayacak şekilde standart metalografik yöntemler kullanılarak hazırlanmıştır. Metalografik incelemeler optik mikroskopta yapılmıştır. Optik incelemelerde kaynak profillerinin önceki araştırmalarda belirtildiği ve Şekil 3 teki gibi oluştuğu tespit edilmiştir. Mikrosertlik değerleri Şekil 3 te görüldüğü gibi kaynak merkezinden dışa doğru iki taraftan yaklaşık 1 mm aralıklarla alınmıştır. Mikrosertlik ölçümleri 200 g. yük kullanılarak SHIMADZU marka Mikrosertlik cihazında yapılmıştır. 244

3 Çekme-Makaslama kuvveti (N) IV.Demir Çelik Kongresi Şekil 3. Mikrosertlik ölçüm ve numune profili 3. DENEY SONUÇLARI ve TARTIŞMA 3.1. Çekme Makaslama Deneyi Nokta direnç yöntemi ile farklı kaynak sürelerinde birleştirilen IF çeliği numunelerinin çekme-makaslama deney sonuçları Şekil 4 teki çekme makaslama kuvvetikaynak süresi grafiğinde gösterilmiştir Nokta direnç kaynaklarında kaynak çekirdek çapı en önemli parametrelerden bir tanesidir. Bu çalışmada elde edilen kaynak çekirdek çaplarının kaynak süreleri ile değişimi Şekil 5 te verilmiştir. Kaynak süresinin artmasına bağlı olarak kaynak çekirdek çapıda artmaktadır. Bu sonuç önceki araştırmacılarında belirttiği gibi kaynak süresinin artması ile artan ısı girdisi ile açıklanmaktadır. Artan ısı girdisi daha fazla bir alanda birleşmeyi sağlamaktadır [6,8,10-12,14]. Kaynak süresinin artışıyla birlikte düğme çapının arttığı gözlenmiştir. Düğme çapının artması dayanımı olumlu yönde etkileyerek dayanımın yükselmesine neden olmuştur (Şekil 6). Şekil 6 da görüldüğü gibi bu çalışma şartlarında kaynak çekirdek çapı artışının çekme makaslama kuvvetine etkisi kaynak süresi ile benzerlik göstermektedir. Vural ve Akkuş [14], kaynak çekirdek çapının belli bir kaynak süresi için belli bir akım değerine kadar kritik bir çapa ulaştıktan sonra artan akım değeriyle azaldığını ve bunun akım artışına bağlı olarak eriyen metalin iki parça arasında oluşan fışkırma sebebiyle olduğunu bildirmişlerdir. Bu çalışma sonuçları akım şiddetine karşılık olarak kaynak süresi için benzer şekilde yorumlandığında: Şekil 5 te görüldüğü gibi çekirdek çapındaki artış eğilimi 30 çevrimde oldukça azalmakta ve eğilim çizgisinde görüldüğü gibi azalma meyili gözlenmektedir. Bu çalışmada kullanılan 30 çevrim süreli kaynakta Vural ve Akkuş [14] un belirttiği aşırı ergime ve fışkırmaya yaklaşılmakla birlikte gerçekleşmediği düşünülebilir. Şekil 4 de görülen 30 çevrimdeki çekmemakaslama kuvvetindeki düşüşte bu konuya işaret olabilir. Bununla birlikte yalnızca çekirdek çapı birleşme kalitesini tanımlamak için yeterli değildir. Bu kapsamda çekirdek kalınlığı ve ITAB çekirdek çapı kadar önemli faktörlerdir Kaynak Süresi (Cycle) Şekil 4. Kaynak süresinin dayanıma etkisi Şekilde görüldüğü gibi artan kaynak süresine bağlı olarak çekme makaslama kuvveti de artmakla birlikte en yüksek kaynak süresi olan 30 çevrimde azalma eğilimi göstermektedir. 25 çevrim numuneleri en fazla çekme makaslama kuvveti göstermiştir. Kaynak süresi dayanım üzerindeki bu etkisini esasen belli bir kritik çapa kadar kaynak çekirdek çapını artırarak yapabilmektedir. 245

4 Weld Nugget [mm] Çekme-Makaslama Kuvveti [N] IV.Demir Çelik Kongresi Kaynak [Çevrim] Şekil 5. Kaynak düğme çapının kaynak süresiyle değişimi Isı girdisinin artışıyla birlikte kaynak çekirdek çapında olduğu gibi ITAB ın genişliği de artmıştır [6,10-12]. Çekirdek çapı, kalınlığı ve ITAB birleşmenin taşıyacağı yük için değerlendirildiğinde her üreticinin ideal değerlerinin belirlemesi gerektiği sonucuna varılabilir Kaynak düğme çapı [mm] Şekil 6. Kaynak düğme çapının dayanıma etkisi Nokta direnç kaynaklı birleşmesi sağlanan malzemelerin nokta direnç kaynak kabiliyetleri farklılık gösterir. Bu farklılık malzemelerin mekanik, fiziksel özelliklerinin farklılığından ileri gelmektedir. Dolayısıyla her üreticinin kendi şartları için optimum kaynak parametrelerini belirlemesi gerekmektedir. Justin ve arkadaşları [13], uygulama şartlarına bağlı olarak kaynak çekirdek çapının büyümesi ve diğer kaynak parametreleri için bir model geliştirmişlerdir. Bu modelden anlaşılacağı üzere çekirdek için en önemli etkenler basma kuvveti, akım şiddeti ve kaynak süreleri ile birlikte kaynak işlemi yapılan malzemenin karakteristikleridir. Bu çalışma için kaynak süresine bağlı olarak çekme makaslaşama kuvveti ve çekirdek çapı parametrelerinin eğilim çizgileri seçilen kaynak süreleri için belli bir noktadan sonra düşüş göstermektedir. Bu parametrelerden pik noktalarda olanlar bu çalışma şartları için uygun değer değerler olarak alınabilir. Bütün IF çeliği çekme-makaslama numunelerde yırtılma ve sonuçta kırılma ITAB da tane büyümesinin oluştuğu bölgeden meydana gelmiştir. Bu sonuç genel kaynaklı birleştirmelerde olduğu gibi IF çeliklerinin nokta direnç kaynaklı birleştirmelerinde birleştirmenin en zayıf noktasının ITAB olduğunu göstermektedir. 246

5 Mikrosertlik HV0,2. IV.Demir Çelik Kongresi 3.2. Mikrosertlik Nokta direnç kaynağı ile birleştirilmiş numunelerin Şekil 3 te gösterilen bölgelerinde yapılan mikrosertlik ölçüm sonuçları Şekil 7 de verilmiştir. Görülüğü gibi önceki araştırmalarda görülene benzer bir sertlik profili vardır. Bununla birlikte düşük çevrim değerlerinde sertliğin kaynak çekirdeğinde homojen bir dağılım değilde merkezde pik şeklinde ortaya çıktığı görülmektedir. Bu sonuç düşük akım değerlerinde çekirdeğin tamamında kaynak prosesinin tam olarak sonuçlanmadığı şeklinde yorumlanabilir. Bu çevrim değerleri yük taşıma kapasitesi ve diğer üretim şartları (ekonomiklik vb.) da değerlendirilerek kullanılabilir. Ana malzemeye göre kaynak bölgesinde görülen sertlik kaynak şartlarında ısınma, soğuma ve buna bağlı olarak mikroyapı etkenlerinin (kaba sütunsal taneler, tane boyutu, çökelek morfolojisi vb) bir sonucudur. Bunlardan kaynak bölgesinde oluşan sütunsal tanelerin kabalaşmasının sertlik artışında oldukça etken olduğu kabul edilmektedir. Sertlik profilinin kaynak çekirdeğinde düşük çevrim değerlerinde pik yapması bu numune kaynak çekirdeğinde kaba sütunsal tanelerin oluştuğu fakat çevreye doğru tam bir kabalaşma olmadığı ile de yorumlanabilir. Kaynak çekirdek çapının artmasına bağlı olarak kaynak merkezinde önemli bir sertlik artışı olmadığı gözlenmektedir. Buda çalışılan malzeme ve şartlar için kaynak çekirdek çapının sertlik üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığını göstermektedir. açıklanmaktadır. Isı girdisine bağlı olarak ITAB da tane boyutunda artış kaynak bölgesinde gevreklik görülmektedir. Bu gevreklik tabidir ki sertleşebilirliği yüksek çeliklerle kıyaslanamaz bununla birlikte sertlik profilinde de görüldüğü gibi önemli bir sertlik artışı vardır. 4. GENEL SONUÇLAR Bu çalışmada, IF çeliklerinin Nokta direnç kaynaklı birleştirmelerinin incelenmesi ile elde edilen bilgilerden aşağıdaki genel sonuçlar çıkarılabilir: 1. Kaynak süresinin artması kaynak çekirdek boyutu birleşme ara yüzey kesit kalınlığı ve sertliği artırmaktadır. 2. Kaynak süresinin artması birleşmenin taşıyabileceği yük kapasitesini arttırmaktadır. 3. Seçilen kaynak sürelerinde kritik kaynak çapına ulaşılmadığı kabul edilmiştir. 4. Düşük kaynak süreli birleştirmelerde sertlik kaynak merkezinde pik yaparken ana metale doğru azalma göstermiştir. 5. Yüksek kaynak sürelerinde kaynak metali sertliği homojenlik göstermiştir. 6. Çekme makaslama yırtılması ITAB da gerçekleşmiştir. TEŞEKKÜR ERDEMİR Arge ve kalite kontrol müdürlüklerine malzeme teminindeki yardımlarından dolayı teşekkürü bir borç addederiz. 5. KAYNAKLAR c 7-15c 7-5c Mesafe (mm) Şekil 7. Kaynak düğme çapının kaynak süresiyle değişimi Yine Şekil 7 de görüldüğü gibi çevrim değerlerinin artması ile kaynak çekirdeği ve ITAB da sertlik değerlerinin arttığı görülmektedir. Bu sonuçta önceden belirtildiği gibi, kaynak süresinin artışına bağlı olarak artan ısı girdisi ile [1] ASM, Metals Handbook, Vol. 1, Properties and Selection: Irons, Steels and High-Performance Alloys, 10 th Edition [2] A. Bakaloğlu, IF Çeliklerinin Üretim Prosesi, Özellikleri ve Uygulamaları ; Makine ve Metal Teknolojisi, Temmuz 2001 s [3] S. Aslanlar, The Effect of Nucleus Size on Mechanical Properties in Electrical Resistance Spot Welding of Sheets Used in Automotive Industry, Materials & Design, 27 (2) (2006) [4] Corus Research, Development & Technology Automotive Applications JON/ [5] M. Onink, J.Zijp, A.Bodin, High-Strength Steels for Automotive Applications,41 st MWSP Conf. Proc., ISS, Vol.37, 1999, pp:

6 IV.Demir Çelik Kongresi [6] Hayat F, Demir B, Acarer M, Kaçar R., Çift-Fazlı Çeliklerin Nokta Direnç Kaynağında MHO ve Kaynak Süresinin Kaynak Kabiliyeti Üzerine Etkisi 7. Uluslararası Kırılma Konferansı, Ekim 2005, Kocaeli [7] M.M. Arıkan, G. Başman Otomotiv Endüstrisi için Yeni Çelik Ürünler ve Özellikleri, 1. D.Ç. Sempozyumu ve Sergisi Bildiriler Kitabı, Sy [8] ASM Metals Handbook Resistance Spot Welding (Vol: 6) Sayı:417 [9] A. Oğur, Anık, S. (2000) Direnç Nokta Kaynak Elektrodu Ömrünün Deneysel Analizi, İTÜ Makine Fakültesi, SAÜ Müh. Fakültesi Makine Müh Bölümü, Sy.1-6 [10] M.L. Sentella, S.S. Babu Influence of Microsutructure on the Properties of Resistance Spot Welds, Division Of Materials Sciences U.S. Departmant Of Energy, Pp.1-6 [11] P. Gupta, P.K. Ghosh, K. Nath, and S. Ray, Resistance Spot Weldability of Plain Carbon and Low Alloy Dual Phase Steels, Z Metallkd. 81(7) (1990) [12] S. Anık, ve M. Vural, 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı, İstanbul, 1993, s [13] J. Shriver, H. Peng, ve S.Jack Hu Control of Resistance Spot Welding Proceedings of the American Control Conference San Diego, California l June 1999 sayfa: [14] M. Vural, A Akkus, On the Resistance Spot Weldability of Galvanized Interstitial Freesteel Sheets with Austenitic Stainless Steel Sheets Journal of Materials Processing Technology (2004)