YÜKSEK HIZLI TREN (YHT) HATLARINDA KIRIK ALÜMĠNATERMĠT RAY KAYNAĞI ĠNCELEMESĠ

Transkript

1 2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempzyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye YÜKSEK HIZLI TREN (YHT) HATLARINDA KIRIK ALÜMĠNATERMĠT RAY KAYNAĞI ĠNCELEMESĠ Merve TUĞYANOĞLU a*, Umut BĠÇER. a, Atilla KESKĠN a, Çetin UTKU. a, ġenl ERDOĞAN. e a*, Demirylu AraĢtırma ve Teknlji Merkezi, Tahribatlı-Tahribatsız Muayene Müdürlüğü Behiçbey, Ankara-TURKEY, mervetugyanglu@tcdd.gv.tr a, Demirylu AraĢtırma ve Teknlji Merkezi, Teknik Bür Amirliği, Behiçbey, Ankara-TURKEY, umutbicer@htmail.cm a, Demirylu AraĢtırma ve Teknlji Merkezi, Tahribatlı-Tahribatsız Muayene Müdürlüğü, Behiçbey, Ankara-TURKEY, atilakeskin@tcdd.gv.tr a, Demirylu AraĢtırma ve Teknlji Merkezi, Tahribatlı-Tahribatsız Muayene Müdürlüğü, Behiçbey, Ankara-TURKEY, cetinutku@yah.cm a, Demirylu AraĢtırma ve Teknlji Merkezi, Tahribatlı-Tahribatsız Muayene Müdürlüğü, Behiçbey, Ankara-TURKEY, senlerdgan@tcdd.gv.tr Özet Bu çalıģmada TCDD YHT hatlarında alümintermitli ray kırığının luģma sebebi araģtırılmıģ ve görsel muayenede; kırık yüzeyde luģan gözenekler incelenmiģtir. Kırık ray malzemelerinden çıkarılan numune üzerinden spektrmetre ile alınan üç kimyasal analizin rtalama snuç değerleri elde edilmiģtir. Sertlik kntrlü ile, raylar üzerinde EN standardına göre kırılma yüzeyinden baģlayarak ısıdan etkilenen bölge (HAZ) dahil ana metali de kapsayacak Ģekilde ve kaynak enlemesine merkez hattı byunca EN standardına göre belirtilen 3 nktadan sertlik taramaları yapılmıģtır. Ray kırıklarına ait numuneler dağlamadan önce ve snra lmak üzere çeģitli büyütmelerde ptik mikrskp kullanarak incelenmiģtir. Elde edilen deneysel çalıģmalar ve bulgular neticesinde kırık rayın kaynak öncesi ve kaynak sırasındaki hatalardan dlayı luģtuğu gözlemlenmiģtir. Anahtar kelimeler: YHT, Alüminatermit Ray Kaynağı Abstract This paper includes investgatin f a brken aluminthermic rail welding which ccurs in high speed lines f TCDD. In the visual inspectin, sme pinhles have been examined n brken surface. In the chemical analyses, a sample which was prepared frm brken rails was investigated and three average values f chemical analyses were acquired by spectrmeter. Hardness scanning was applied t starting frm rail brken surface t all main research areas which als includes heat affected zne accrding t EN and three pints hardness scanning has been applied t center line f the rail welding in accrdance with EN In additin t this, implementatins f etching (befre and after) f brken rail samples were viewed by ptical micrscpe in several magnificatin. Accrding t practical investigatin and studies abut brken rail, sme failures are determined in pre-welding and welding time. Keywrds: HST, Aluminthermic Rail Welding 1. Giriş Demirylu iģletmeciliğinde ray kırılmaları ldukça sık rastlanan srunlardadır[1]. Ray ek yerleri demirylunun kuruluģundan beri srun lmaktadır. Srunun çözümü önceleri daha dayanıklı cebireler geliģtirilmekte aranmıģ, ancak yine de yararlı lmamıģtır. Dlayısıyla rayların kaynaklanması gündeme gelmiģtir[2]. Günümüzde farklı ray bağlantı yöntemleri mevcuttur. Demiryllarında; termit kaynağı, elektrik ark kaynağı, gaz kaynağı, tz püskürtme ile kaplama, ark sert lehimi ve elektrt ile tam dlgu kaynağı gibi çeģitli kaynak yöntemleri kullanılmaktadır. Dünya da yakma alın kaynağı yönteminden snra en çk kullanılan yöntem larak alüminatermit ray kaynağı yöntemi kullanılmaktadır. Kaynağın yapımı

2 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. sırasında yakma alın kaynağına göre kaynağı etkileyen daha çk parametre içerdiğinden uygulaması daha kntrllü larak yapılmalıdır. Ayrıca yakma alın kaynağı yöntemine göre bu yöntemde kaynakçı persnellerin daha etken lmasından dlayı eğitimli ve tecrübeli lması daha fazla önem taģımaktadır. Bu kaynak yöntemi çk kullanımlı ptalarda lduğu gibi tek kullanımlı ptalarda da uygulanabilmektedir. Raya yapılan alüminatermit ray kaynağı iģlemi Ģu aģamalardan luģur[2]. Rayların kaynağa hazırlanması: Rayların byutsal muayenesi, Gerektiğinde dğrultma (ölçü bzukluğunda), Kaynak yüzeylerinin temizlenmesi, Tahribatsız muayene. Raylarda alüminatermit kaynağının yapılması: Cntaların hazırlanması, Kaynak aralığının ayarlanması, Mastarlama, Kalıpların bağlanması, Sızdırmazlık yapılması, Ptanın hazırlanması, Ön ısıtma, Döküm, Kalıbın alınması, Kaynak fazlalığının sıyrılması, Ön taģlama, Ġnce taģlama, Perlitleme, Temizleme. Ray kaynakların muayenesi: Kaynak snrası byutsal muayene, Tahribatsız muayene. Alüminatermit ray kaynağında diğer kaynak yöntemlerinde lduğu gibi yapılması esnasında hatalar luģabilmekte bu rayların beklenen ömürlerinde daha kısa sürede kırılmasına neden labilmektedir. BaĢlıca rastlanan kusurlar aģağıda verilmiģtir. Rayları kaynağa hazırlama sırasında luģan cnta ayar hataları, Kaynağa hazırlama sırasında luģan kalıp bağlama hataları, ptanın ve rayların ön ısıtmaları sırasında luşan hatalar, Kaynak iģlemi sırasında luģan döküm hataları, Kaynak iģlemi snrasında rayları sıyırma hataları, taşlama hataları, Sıcaklıktaki ani değiģiklikler nedeniyle kaynak bölgesinde çekme gerilmesinin luşması, Rayı çeken ve tutan ekipmanların kaynak sğumadan alınması, Kaynak sğumadan üzerinden tren geçirilmesi sayılmaktadır. 2. Deneysel Çalışma Alüminatermit ray kırığına ait lay yeri bilgileri aģağıdaki Çizelge 1 de verilmiģtir.

3 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. Çizelge 1 Olay yeri verileri 1 n.lu ray kırığı Ray kırılma tarihi Ray kırığı yeri Platlı-Knya Ray kırığı km km Ray kırığı bölgesi hat gemetrisi Kurp-dıĢ ray Travers tipi Betn Bağlantı şekli HM tipi Rayın cinsi 60 E1 Rayın menşei Lucchini (Ġtalya) Pz Tarihi Platlı[3] Knya[4] Hava sıcaklığı ( C) (kaynak yapılıģ tarihi ) (Kırılma tarihi) (kaynak yapılıģ tarihi ) (Kırılma tarihi) En az En fazla Ortalama Alüminatermit ray kırığına ait numuneler üzerinde ADF (Ankara Demirylu Fabrikası) labratuarlarından yararlanılarak gözle muayene, sertlik ve içyapı muayeneleri ile kimyasal analiz incelemeleri yapılmıģtır Gözle Muayene Kaynaklı rayın kırıldığı yerde yapılan yerinde incelemelerde ve daha snra labratuar rtamında yapılan gözle muayenelerde elde edilen resimler aģağıda verilmektedir. Yapılan gözle muayenede ray kırığının besleyicilerin lduğu yerden baģladığı gözlemlenmiģtir (Resim 1 ve Resim 2). Resim 1, Resim 2 - Kırık ray kesiti lay yeri resmi Kırık raya uygulanan gözle muayenede; her iki kırılma yüzeyi de incelendiğinde bģluklar lduğu gözlemlenmiģtir. Ray kırığının mantar kısmında en büyüğü 6,4 mm çapında lan, gövde kısmında 45 mm byunca sıralanmıģ ve taban kısmında en büyüğü 10 mm çapında lan birçk bģluk gözlemlenmiģtir (Resim 3-4-5). Kırılma yüzeyi incelendiğinde rayda gevrek kırılmanın lduğu anlaģılmıģtır.

4 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. Resim 3, Resim 4, Resim 5 - Rayın mantar ve taban kısmında bulunan bģluklar 2.2 Kimyasal Analiz Kntrlü Kırık rayın ana metalinden ve kaynak bölgesinden (EN e göre) çıkarılan numuneler üzerinden spektrmetre ile alınan üç kimyasal analizin rtalama snucu Çizelge 2 de verildiği gibidir. Hem ana metal hem de kaynak bölgesi için sertlik değerleri EN e göre belirtilen sertlik aralığının içerisindedir. Çizelge 1 Kırık ray numunesinden alınan kimyasal analizlerin rtalama değerleri Malzeme Kimyasal Analiz Elementleri C Si Mn S P Cr M Ni Al C u Ti Sn Nb V Ana Metal 0,7 56 Kaynak 0,5 68 0,3 12 0,5 71 1,0 8 1, , , , , , , , Sertlik Kntrlü Raylar üzerinde kırılma yüzeyinden baģlayarak ısıdan etkilenen bölge (HAZ) dahil ana metali de kapsayacak Ģekilde sertlik taramaları yapılmıģtır. Kırık raydan EN Ek E ye göre alınan sertlik değerleri Hata! Başvuru kaynağı bulunamadı. de Ģematik larak gösterilmiģ ve Çizelge 3 te belirtilen nktalardan alınan sertlik değerleri verilmiģtir. Görüldüğü üzere ray kesitinden alınan sertlik değerlerinin, B ve C nktalarında sınırın (260 HB) altında kaldığı tespit edilmiģtir. (Deney ölçümleri Rckwell sertliği ile yapılmıģ ve ASTM E 140 kullanılarak HB larak çevrilmiģtir.) Nktalar A B C 1 N.lu Ray 264 HB 258 HB 247 HB

5 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. ġekil 1- Ray kesitinden alınan sertlik değerleri EN e gre ray mantarı prfil kesitinden alınan sertlik değerleri ise Hata! Başvuru kaynağı bulunamadı. de Ģematik larak gösterilmiģ ve belirtilen nktalardan alınan sertlik değerleri verilmiģtir. Ray numunesinde belirtilen her nktada üç sertlik deneyi yapılarak rtalamaları alınmıģtır. Ray prfil kesitinden alınan sertlik değerleri EN e göre incelenmiģ ve standartta belirtilen merkez çizgide (D,E,F nktaları) ölçülen değerlerin sınırın (260HB) altında kaldığı tespit edilmiģtir (256 HB). (Deney ölçümleri Rckwell sertliği ile yapılmıģ ve ASTM E 140 kullanılarak HB larak çevrilmiģtir.) Nktalar 1 N.lu Ray HB A 264 B 258 C 258 D 258 E 253 F 258 G 258 H 264 I 253 ġekil 1- Ray prfil kesitinden alınan sertlik değerlerinin Ģematik gösterimi Kırık raydan EN Ek J ye göre alınan sertlik değerleri ġekil 3 te Ģematik larak gösterilmiģ ve ġekil 4 te belirtilen nktalardan alınan sertlik dağılım grafiği verilmiģtir. Mantardan alınan sertlik değerli snucunda kaynak ve ana metal bölgelerinde tespit edilen değerler, standart değerlerin ( HB) altında lduğu tespit edilmiģtir. ġekil 2 - Ray mantarından alınan sertlik değerlerinin gösterimi

6 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. ġekil 3 - Ray mantarından alınan sertlik dağılım grafiği 2.4 Optik Mikrskp Kntrlü Rayın mantar, gövde ve taban kısmından kaynak, ısıdan etkilenen bölge ve ana metali kapsayacak Ģekilde numuneler alınmıģtır. Raya ait numunelerin, dağlanmadan TS 3868 ISO 4967 Mett A ya göre 100X büyütmede incelemeleri yapılmıģ ve ptik mikrskp resimleri çekilmiģtir. Mett A ya göre yapılan inceleme neticeleri Çizelge 3 dedir. Çizelge 3 - Ray numunelerine ait kalıntı miktarları Numune A Sülfür B Alümina C Silika D Diğer ksitler Mantar Gövde Taban Ġnce Kalın Ġnce Kalın Ġnce Kalın Ray numunelerinde, dağlanmadan önce 100X büyütmede yapılan incelemede sülfür, alümina, silika ve küresel ksit kalıntıları tespit edilmiģtir (Resim ). Ayrıca gözle muayenede tespit edilen kaynakta görülen bģluklar mikr yapı incelemesiyle dğrulanmıģtır (Resim 10-11). Resim 6 - NDÖ 100X Sülfür ve ksit kalıntıları Resim 7 - NDÖ 100x Sülfür ve alümina kalıntıları

7 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. Resim 8-1 NDÖ 100X Oksit kalıntıları kalıntıları Resim 9 - NDÖ 100x Sülfür ve silika Resim 10 - NDÖ 100X kaynak bölgesinde görülen bģluklar Resim 11 - NDÖ 100X kaynak bölgesinde görülen bģluklar Numuneler dağlandıktan snra yapılan (NDS) incelemede; numunelerin ana yapısının tamamen perlitik yapı lduğu, kaynak iģleminden dlayı luģan geçiģ bölgesindeki yapının daha kaba bir perlitik yapı lduğu anlaģılmıģtır. Isıdan etkilenen bölge ile kaynak bölgesi arasındaki geçiģ bölgesinin belirgin lmadığı anlaģılmıģtır. Resim 12 - NDS 100x Ana yapı perlitik, tane sınırlarında luģmuģ beyaz renkli ferritler ve bģluklar Resim 13 - NDS 100x kaynak iģleminde yeniden kristalleģen bölge ve perlitik içyapı

8 Tuğyanğlu M., Biçer U., Keskin A., Utku Ç., Erdğan Ş. 3. Snuç ve Değerlendirme Alüminatermit ray kaynağı demirylu yapımında ve bakımında yaygın larak kullanılan bir yöntemdir. Bu kaynak ile inģaa edilen demirylu, kullanım perfrmansı bakımından üzerine gelen servis yüklerini taģıyabilmeli, yrulma yüklerine dayanmalı ve darbe yükleri altında iyi bir perfrmans sağlamalıdır. Yüksek hızlı tren (YHT) iģletmeciliğinde de, yüksek hızın luģturduğu tren dinamiğine karģı bu kaynak bölgeleri, benzer bir perfrmans göstermelidir. Bu kaynakta, diğer kaynak yöntemlerinde lduğu gibi yapılması esnasında hatalar luģabilmekte ve bu hatalar rayların beklenen ömürlerinden daha kısa sürede kırılmasına neden labilmektedir. Yukarıda yapılan çalıģmalar ve araģtırmalar snucunda, bu incelemede; Yapılan sertlik deneylerinde ısıdan etkilenen bölgedeki sertlik değerleri, standart değeri karģılamakta lup kaynak ve ana metaldeki sertlik değerlerinden yüksek lduğu gözlemleniģtir. Kaynak ve ana metaldeki sertlik değerlerinin standart değerin (260HB) altında kaldığı tespit edilmiģtir. Yapılan çekme deneyi snucu uzama değerinin standart değerin (10) altında kaldığı tespit edilmiģtir. Kırık rayda kırılma yüzeyinin altında perlitik yapının yanı sıra tane sınırlarında ferrit lduğu saptanmıģtır(resim 12-13). Yapılan ptik mikrskbik incelemede sülfür, silika, alümina ve ksit kalıntılarına rastlanmıģtır (Resim ). Kırılma yüzeyinin altında karbnsuzlaģma meydana gelmiģtir (Resim 12). Yapılan araģtırma ve testler snucunda bu rayda gözeneklerin lduğu gözlemlemiģtir (Resim 3-4-5). Kaynak metalinin içerisinde bulunan gözenek, katılaģma sırasında bazı gazların (özellikle ksijen, azt ve hidrjen) kaynak metaline hapslması snucu rtaya çıkan bir kaynak hatasıdır. Bu gazların sıvı metaldeki çözünürlükleri katı metaldekinden çk fazladır ve katılaģma sırasında kaynak metalinden kaçma fırsatı bulamamaları halinde kaynak bölgesinde gözenek luģmaktadır. Gözeneğe neden lan sebepler temel larak, malzeme yüzeyindeki nem, yağ, bya, ksit ve havadaki azt ve ksijendir. Gözenek genellikle kaynak içerisinde bulunur ve kaynak dıģ yüzeyinden gözle görülemez, Özellikle çk miktarda gözenek bulunduğu zaman rayların dayanımı ciddi miktarda kayba uğrar Yapılan analizlere göre alümintermit ray kaynağı iģlemi sırasında luģan przite (gözenek) adı verilen döküm içerisindeki bģlukların luģum sebepleri Ģunlardır: Çk kullanımlı ptalarda ptanın yetersiz ön ısıtma veya ön ısıtmanın hiç yapılmaması, Islak macunlama malzemesi, Ray baģlarının yetersiz ön ısıtması, Ray ölçüsüne uygun lmayan alümina termit prsiyn seçimi, Islak veya bzulmuģ kalıplar, Yapılan kaynak iģlemi sırasında yağmur yağması gibi muhtemel sebeplerin gözenek luģumuna yl açtığı ve kırılmaya neden lduğu tespit edilmiģtir. [5] Kaynaklar [1] Sawley, K. and Reiff, R. (2000). 'An assessment f Railtrack s methds fr managing brken and defective rails' USA: Transprtatin Technlgy Center, Inc. [2] Ġlhan KAÇER 'Ray Kaynağı' Yl Orta Kademe Teknik Elemanları Hazırlama kursu [3] Ankara Meterlji Bölge Müdürlüğü ve tarihli hava sıcaklık ölçümleri [4] Knya Metrlji Bölge Müdürlüğü ve tarihli hava sıcaklık ölçümleri [5] Aluminthermic Weld Defects TGN-R-04, Welding Technlgy Institute f Australia, 2006