ALUMİNYUM ÇELİK FARKLI METAL KAYNAKLI BAĞLANTILARIN MİKROYAPISAL KARAKTERİZASYONU

Transkript

1 ALUMİNYUM ÇELİK FARKLI METAL KAYNAKLI BAĞLANTILARIN MİKROYAPISAL KARAKTERİZASYONU Dr. Emel Taban 1,2,*, Dr. Jerry E. Gould 3, Prof. Dr. John C. LIppold 1 1 Ohio State Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kaynak Mühendisliği, Columbus OH 43221, ABD, *Sorumlu yazar: Tel: , taban.1@osu.edu, emel.taban@yahoo.com 2 Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 41200, Kocaeli. 3 Edison Kaynak Enstitüsü, Edison Birleştirme ve Teknoloji Merkezi, Columbus OH 43221, ABD. ÖZET Mukavemet, yoğunluk ve bulunabilirlik bakımından otomotiv uygulamalarında aluminyumun belirli üstünlükleri olmasına karşın çeliğe göre maliyetinin yüksek olması nedeniyle kullanımı sınırlanmaktadır. Ancak, aluminyum çelik ile hibrid yapılar oluşturarak kullanılması durumunda daha ekonomik olmaktadır. Aluminyum alaşımı parçaların çelik otomotiv gövdelerinde kullanılmaları, güvenli verimli ve ekonomik kaynak teknolojilerinin kullanımını gerektirmektedir. Bu farklı metallerin kaynaklı bağlantılarında fiziksel ve metalurjik özelliklerdeki önemli farklar nedeniyle zorluklarla karşılaşılmaktadır. Özellikle ergitme esaslı kaynak yöntemlerinde artan ısıl çevrim ve yüksek sıcaklık/uzun süreler nedeniyle mekanik özelliklerin düşmesine yol açan kalın intermetalik tabaka oluşumuyla sonuçlanmaktadır. Bu çalışmada, aluminyumun çeliğe sürtünme kaynağı ile birleştirilmesi sonrasında bağlantı ara yüzeylerinin mikroyapısal karakterizasyonu incelenmektedir. Anahtar kelimeler: Farklı metal kaynağı, aluminyum, çelik, intermetalik tabaka, otomotiv endustrisi, sürtünme kaynağı. ABSTRACT Although aluminum has been seen to offer specific advantages for automotive applications in terms of strength, density and availability, its cost compared to steel has restricted its use. However, aluminum can be used more economically when it is incorporated into hybrid structures with steel. The introduction of aluminum alloy parts into a steel car body requires welding technologies that are reliable, efficient and economical. The welded joints between these dissimilar metals are challenged due to significant differences in both physical and metallurgical properties. The extended thermal cycles- higher temperatures/longer times associated with fusion welding processes generally result in the formation of thick intermetallic compound (IMC) layers at the joint interface which degrade the mechanical properties. In this study, microstructural characterization of the interfaces of aluminum steel friction welds has been provided. Keywords: Dissimilar metal welding, aluminum, steel, intermetallic compound layer, automotive industry, friction welding. 97

2 1. GİRİŞ Alüminyum ve alüminyum alaşımları, çelikten sonra günümüz endüstrisinde en fazla kullanılan metalsel malzeme olan ve endüstriyel malzemeler içinde son keşfedilen metallerden biridir. Bu alaşımların kullanım alanının yaygınlaşmasında savunma, otomotiv ve havacılık endüstrilerinin önemli katkıları olmuştur. Alüminyum ve alüminyum alaşımları, artırılabilen mukavemet özelikleri ve korozyon dirençleri, özgül ağırlığının düşük olması, elektriği ve ısıyı çok iyi bir şekilde iletmesi ve kolay biçimlendirilebilirlik gibi özeliklerinden dolayı son yıllarda artan bir kullanım alanına sahip metalsel malzemeler konumuna gelmişlerdir. Bu tür malzemelerin kullanım alanları, ev eşyalarından uzay teknolojisine kadar geniş bir alana yayılmıştır. Hafif malzemelerin kullanımının artmasıyla yapısal uygulamalarda yer almakta, ancak aluminyumun çeliğe göre pahalı olması nedeniyle, aluminyum ve çelik malzemelerin birlikte hibrid olarak kullanımı daha ekonomik olmaktadır. Farklı metallerin kaynağı, özellikle otomotiv ve gemi yapım endüstrilerinde farklı malzemelerin üstünlüklerinin kullanılarak verim ve kalitenin artırılmasi, servis koşullarında kaynaklı bağlantılardan istenen mekanik özelliklerin karşılanması amacıyla son yıllarda artan bir talep ve öneme sahiptir. Herhangi bir farklı metal birleştirilmesinde kaynak bağlantısından istenen özelikler, farklı malzeme seçimini etkileyen en önemli faktörlerdir. Aluminyum ve çeliğin birleştirilmesinde yapıştırma veya diğer bazı mekanik yöntemler kullanılabilmektedir, ancak bindirme yoluyla oluşturulan bu bağlantılarda istenen mekanik özellikler sağlansa da ağırlık artışı önemli bir sınırlama olarak karşımıza çıkmakta, bu nedenle aluminyum ve çeliğin kaynaklı birleştirmeleri önem kazanmaktadır. Aluminyum ve çeliğin kaynak yöntemleriyle birleştirilmesindeki zorluklar esasında bilinmektedir. Bu iki farklı malzemenin, ergitme esaslı kaynak yöntemleriyle birleştirilmesi durumunda özellikle bağlantı arayüzeyinde oluşan intermetalik bileşenler nedeniyle bağlantıların mekanik özelliklerinde ciddi azalmalarla karşılaşılmaktadır. Her ne kadar, bu tür metalurjik etkiler bağlantı kalitesini ve özelliklerini etkilemekte olsa da bu tür malzemelerin birleştirilmesine duyulan gereksinimi azaltmamaktadır. Dolayısıyla, yapılan çalısmalar, bu tür malzemelerin birleştirilmesinde birçok farklı kaynak yönteminin kullanılması üzerine yoğunlaşmaktadır. Bu kaynak yöntemleri, ergitme esaslı yöntemler ve basınç esaslı yöntemleri içermektedir. Bu yöntemler içinde de birçok yöntem bulunmakta ve araştırmalara konu olmaktadır [1-12]. Bu çalışmada, 6061-T6 aluminyum alaşımı ve AISI 1018 çelik silindirik parçalar sürtünme kaynağı ile birleştirilmiştir. Kaynaklı bağlantı ara yüzeylerinin mikroyapısal karakterizasyonu bağlantı sertlik haritalama, X-ışını elementsel haritalama, SEM analizleri ile yapılmıştır. 2. Malzeme ve Deneysel Çalışmalar Bu çalışmada, 12.5 mm çapında 6061-T6 aluminyum alaşımı ve AISI 1018 çelik silindirik malzemeler esas metal olarak kullanılmıştır. Farklı metal sürtünme kaynağı, daha önceki deneyimlerin yanısıra bazı iterativ deneme sonuçlarına bağlı olarak sürtünme basıncı (P1) 23 MPa; yığma basıncı (P2) 60MPa, sürtünme süresi 1s ve yığma süresi 5 s şeklinde belirlenen parametreler kullanılarak yapılmıştır. Kaynaklı bağlantılardan makro kesitler çıkarılmış, metalografik olarak hazırlanmıştır. Sertlik haritalarının oluşturulması için, makro kesitler üzerinde otomatik sertlik cihazı kullanılarak 50 gram yük altında yaklaşık olarak 2000 sertlik izi oluşturulmuştur. Aluminyum çelik ara yüzeylerinin incelenmesi amacıyla ultra yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu ile görüntü analizi ve çizgisel EDS analizleri ile x-ışını elementsel haritalama yapılmıştır. 98

3 3. Sonuçlar ve Tartışma Şekil 1 de kaynaklı bağlantılardan elde edilen makro kesit ve mikroyapı görüntüleri verilmektedir. Sürtünme kaynağı sonrasında deformasyonun aluminyum tarafından olduğu açıkça görülmektedir. Aluminyumun ergime sıcaklığı çeliğin ergime sıcaklığından yaklaşık 1000ºC daha düşük olması nedeniyle oluşan deformasyonun çelik yerine aluminyum tarafında görülmesi beklenen bir durumdur. a) b) Şekil 1. Sürtünme kaynaklı aluminyum çelik farklı metal bağlantı a) makro kesit, b) mikroyapı görüntüleri. Bağlantı ara yüzey sertlik haritası Şekil 2 de verilmektedir. Birleştirme yüzeyinde esas metallerin kendi arasında daha homojen bir dağılım gözlenirken, birleşme yüzeyiyle beraber aluminyumdan çeliğe geçiş bölgesinde keskin bir sertlik değişimi görülmektedir. Çelik tarafında sertlik değişiminin nispeten az olması, kaynak sırasında çelik tarafında erişilen sıcaklıkların 400ºC seviyelerinde kalmasıyla açıklanmaktadır. Şekil 2. Sürtünme kaynaklı aluminyum-çelik bağlantı ara yüzeyi sertlik haritası. 99

4 a) b) Şekil 3. Aluminyum çelik kaynaklı bağlantının a) ara yüzey ultra yüksek çözünürlüklü SEM görüntüsü (50.000x), b) x-ışını elementsel haritası. Şekil 3a da sürtünme kaynaklı aluminyum çelik bağlantının ara yüzeyi x büyütmede ultra yüksek çözünürlüklü SEM ile ikincil elektron modunda görüntülenmiştir. Arayüzeyde oluşan intermetalik tabaka, süreksiz ve 250 nm-350 nm seviyelerinde oldukça ince bir tabaka olarak gözlenmektedir. Şekil 3b ise x-ışını element haritası olarak verilmektedir. Burada, difüzyonun gözlendiği arayüzeydeki Fe-Al geçişi gözlenebilmektedir. Fe ve Al elementlerinin çelikten aluminyum esas metale dek değişimi ise yapılan çizgi EDS analizi ile ağ.% olarak belirlenmiştir, Şekil Sonuçlar Şekil 4. Farklı metal kaynaklı bağlantı ara yüzey çizgisel EDS analizi. Sürtünme kaynaklı 6061-T6 aluminyum alaşımı ve AISI 1018 çelik bağlantıların mikroyapısal karakterizasyonunun yapıldığı bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 100

5 6061-T6 alaşımı AISI 1018 çeliği ile başarılı bir biçimde sürtünme kaynak yöntemi ile kaynak edilebilmektedir. Ortalama intermetalik tabaka kalınlığı, ultra yüksek çözünürlüklü SEM ile x büyütme altında 250 nm civarında, maksimum kalınlık ise 350 nm civarında ölçülmüştür ki bu değerler literatürde elde edilen μm seviyesindeki kalınlıklara göre oldukça düşük sayılmaktadır. X-ışını haritalama ve çizgisel EDS analizi sonrasında çelik tarafından aluminyum tarafına difüzyonun gerçekleştiği ve oluşan tabaka gözlenebilmekte ve elementlerin ağ.% olarak geçiş değerleri belirlenmiştir. Oluşan intermetalik faz türlerinin belirlenebilmesi için TEM-STEM analizlerinin yapılması önerilmektedir. Teşekkür Bu çalışma, Ohio Eyaleti, Thomas Edison Programı, Edison Kaynak Enstitüsü ve Ohio State Üniversitesi Kaynak Mühendisliği tarafından finansal olarak desteklenmiştir. Yazarlar, bu çalışmanın ortaya çıkmasında yardımlarını esirgemeyen Edison Kaynak Enstitüsü ve Ohio State Üniversitesi ndeki meslektaşlarına teşekkür eder. KaynakLAR [1]. Aizawa T, Kashani M, Okagawa K (2007) Application of magnetic pulse welding for Al alloys and SPCC steel sheet joints. Welding Journal May: 119s-124s. [2]. Fuji A (2004) Friction welding of AlMgSi alloy to NiCrMo low alloy steel. Science and Technology of Welding and Joining 9, 1: [3]. Fukumoto S, Inuki T, Tsubakino H, Okita K, Aritoshi M, Tomita T (1997) Evaluation of friction weld interface of aluminum to austenitic stainless steel joint. Materials Science and Technology 13: [4]. Laukant H, Wallmann C, Muller M, Korte M, Stirn B, Haldenwanger HG, Glatzel U (2005) Fluxless laser beam joining of aluminum with zinc coated steel. Science and Technology of Welding and Joining 10, 2: [5]. Lee W.B, Schmuecker M, Mercardo UA, Biallasb G, Jung S.B (2006) Interfacial reaction in steel aluminum joints made by friction stir welding. Scripta Materialia 55: [6]. Pasic O, Hajro I, Hodzic D (2007) Welding of dissimilar metals-status, requirements and trends of development. Welding in the World 51: [7]. Reddy GM, Rao AS, Mohandas T (2008) Role of electroplated interlayer in continuous drive friction welding of AA6061 to AISI 304 dissimilar metals. Science and Technology of Welding and Joining 13, 7: [8]. Sun X, Stephens EV, Khalel MA, Shao H, Kimchi M (2004) Resistance spot welding of Al alloy to steel with transition material-from process to performance: Part I: Experimental study. Welding Journal July: 197s- 202s. [9]. Tanaka K, Kumagai M, Yoshida H (2006) Dissimilar joining of Al alloy and steel sheets by friction stir spot welding. Journal of Japan Institute of Light Metals 56, 6: [10]. Thomy C, Wirth A, Kreimeyer M, Wagner F, Vollertsen F (2007) Joining of dissimilar materials-new perspectives for lightweight design in the transportation industries. Proc. of the IIW International Conference on Welding and Materials-Technical, Economic and Ecological Aspects July Dubrovnik&Cavtat Croatia, [11]. Uzun H, Donne CD, Argagnotto A, Ghidini T, Gambaro C (2005) Friction stir welding of dissimilar Al 6013-T4 To X5CrNi18-10 stainless steel. Materials and Design 26: [12]. Yilmaz M, Col M, Acet M (2003) Interface properties of aluminum/steel friction-welded components. Materials Characterization 49:

6 ÖZGEÇMİŞ Dr. Emel TABAN 1980 yılında Erzurum da doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini takiben 1998 yılında girdiği Atatük Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü nden 2002 yılında Makina Mühendisi olarak mezun olmuştur yılında, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalında yüksek lisans öğrenimini, 2007 yılında aynı bölümde doktora öğrenimini tamamlamıştır. Ağustos 2005 ve Ekim 2006 arasında Belçika Kaynak Teknolojisi Enstitüsü Araştırma Merkezi nde misafir araştırmacı ve Ghent Üniversitesi nde Prof. Dr. Alfred DHOOGE danışmanlığında değişim öğrencisi olarak bulunmuştur. Eylül 2008 ve Ağustos 2009 tarihleri arasında Prof. Dr. John C. LIPPOLD un davetlisi olarak Ohio State Üniversitesi Kaynak Mühendisliği Bölümünde postdoktora çalışmalarını yürütmüştür. Alman Kaynak Cemiyeti ve Amerikan Kaynak Cemiyeti üyesi olan Dr.-Müh. Emel TABAN, 2002 yılından beri, Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, Makina Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalında çalışmaktadır. Kaynak teknolojisi, kaynak metalurjisi ve malzeme bilimi konularında yaklaşık 75 adet uluslararası ve ulusal makale, bildiri, seminer, ve ders notları ile Prof.Dr. Erdinç Kaluç ile ortak hazırladıkları Sürtünen Eleman ile Kaynak (Sürtünme Karıştırma Kaynağı) ve Paslanmaz Çelikler, Geliştirilen Yeni Türleri ve Kaynak Edilebilirlikleri adlı iki kitabı bulunmaktadır. 102