BORULARIN PLAKALARA DIŞTAN BİR TAKIMLA SÜRTÜNME KAYNAK EDİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 BORULARIN PLAKALARA DIŞTAN BİR TAKIMLA SÜRTÜNME KAYNAK EDİLEBİLİRLİĞİNİN İNCELENMESİ Prof.Dr. Cemal MERAN 1, Arş.Gör. Emre KORKMAZ 2, Doç.Dr. Tevfik KÜÇÜKÖMEROĞLU 3 Mehmet Arda AKSOY 4, Murat KESTEL 4, İlter AKDER 4 1 Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 20160, Denizli, E-posta: cmeran@pau.edu.tr 2 Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 20160, Denizli, E-posta: ekorkmaz@pau.edu.tr 3 Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, Trabzon, E-posta: tkomer@ktu.edu.tr 4 Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, 20160, Denizli, ÖZET Bu çalışmada AlMgSi0,5 (EN AW 6060)alüminyum alaşımı malzemeden üretilmiş boruların yine aynı malzemeden plakalara dışarıdan bir takım yardımı ile sürtünme kaynak yapılabilirliği incelenmiştir. Çalışma esnasında 4x50x70 mm boyutlarında plakaya 2 mm at kalınlığında ve 20 mm çapındaki 40, 41ve 42 mm uzunluğunda 3 farklı boru 900, 1180ve 1500 min-1 olmak üzere 3 farklı devir sayısında kaynak yapılmıştır. Deneyler esnasında baskı yükü sabit tutulmuştur. ABSTRACT In this study, the friction weldability of Al-tube to Al-plate using an external tool is investigated. 2 mm thickness and 20 mm diameter tube with three length as 40, 41, and 42 mm, changed three tool rotational speed was friction welded using with an external tool to 4x50x70 mm plate. The tool vertical force was keep constant during welding experiments. 471

2 1. GİRİŞ Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK) günümüzden yaklaşık 15 yıl önce İngiliz Kaynak Enstitüsü nde (TWI) geliştirilen ve halen üzerinde oldukça fazla araştırma yapılan bir katı hal kaynak yöntemidir. Geleneksel ergitmeli kaynak yöntemleriyle kaynağı güç olan özellikle yaşlanma sertleştirmesine tabi tutulmuş alüminyum alaşımlarının kaynağında başarı ile kullanılmaktadır [1]. Bu yöntem kısa kaynak süresi, minimum yüzey hazırlama ve otomasyon kolaylığı gibi kendine özgü avantajlarından dolayı uygun bir alternatif kaynak olarak günümüzde kullanılmaktadır [2]. Bu yöntemden bazı alüminyum alaşımlarının yanı sıra bakır alaşımlarının, titan alaşımlarının ve bazı tür çeliklerin birleştirilmesinde kullanılmaktadır [3]. Sürtünme karıştırma kaynağının uygulanışı şematik olarak Şekil 1 de gösterilmektedir. Birleştirilecek parçalar alın alına arada boşluk kalmayacak şekilde sabitlendikten sonra parça hareketi ile veya takımın dönme ve ilerleme hareketi ile kaynak yapılabilmektedir [4]. Şekil 1. Sürtünme karıştırma kaynağını şematik gösterimi Sürtünme karıştırma kaynağında kullanılan omuz ve karıştırıcı uçtan (pim) oluşan tükenmeyen takım, iş parçalarının birleştirme bölgesinden daldırılır ve birleşme çizgisi boyunca dönerek ilerletilir. Takımın iki ana görevi vardır: (a) iş parçasının ısıtılması, (b) kaynaklı birleştirmenin oluşması için malzeme akışı [5].Pim, malzemelere temas ettiğinde sürtünme kaynağında ki duruma benzer bir durum oluşarak temas noktasında ısı sürtünmesinde etkisi ile artarak malzemenin plastik şekil değişimine sebep olur. Bu malzemelerin akışına olanak sağlar. Karıştırıcı uçtan omuza kadar olan bölgedeki sürtünme ısısı, karıştırıcı çevresi ile malzeme üst yüzeyi ve omuzun temas yüzeyi arasında yumuşamış (hamurlaşma) bir metal oluşturur ve bu 472

3 malzeme pimin ucundan arkaya doğru karıştırılır. Karıştırılan malzeme, hidrostatik basınç yardımı ile soğuyarak katılaşır ve birleşme sağlanır [3]. Sürtünme kaynağında ise birleştirme ergimeye bağlı olmadan birleştirilecek parçaların ara yüzeylerinde meydana gelir. Sürtünme kaynağı esnasında malzeme ara yüzeyleri düşük yük altında temas haline getirilir ve deformasyon işlemi sağlanır. Daha sonra uygulanan yükler artırılarak kaynaklanacak parçaların ara yüzeyleri boyunca sürtünme ısısı oluşumu sağlanır. Bu aşamadan sonra sürtünme ısısı üretimi sona erer ve kaynaklanacak parçaların ara yüzeylerinin her iki tarafında ısınan malzemeye uygulanan gerilme yavaşça artırılır ve kaynaklı birleşme sağlanır. İşlem sonrası birleşme bölgesinde oluşan metal yığılması torna ile alınarak düzensizlik giderilir [6]. Dıştan bir takım yardımıyla sürtünme kaynağı(dtysk) ise yukarıda açıklanan sürtünme ve sürtünme karıştırma kaynaklarının bir nevi karışımından oluşmaktadır. Bu yöntemde ise sürtünme karıştırma kaynağına benzer şekilde omuz ve uçtan oluşan bir takım boru yüzeyine farklı baskı yükleri ve devirde sürtünerek boruda sürtünme sebepli yumuşama sağlamaktadır. Sürtünme karıştırma kaynağından farklı olarak ise takım ucun yani pin karıştırma işlemi yapmamakta boru içinde boşta dönmekte ve takıma yada iş parçasına ilerleme hareketi verilmemektedir. Şekil 2. Şekil 2. DTYSK Mekanizması [7,8] İşlem öncesi plaka üzerine boru çapından örneğin 1 mm daha büyük delik açılır. Devamında boru plaka yüzeyinden hafif çıkıntı yapacak şekilde elle montajı yapılır. Devamında boru iç çapından daha küçük çapa sahip uca sahip (sadece yataklama amaçlı) takım boru içine 473

4 daldırılır ve omuzlardan boru yüzeyine sürtünerek çıkıntı boru kısmını sürtünme ısısı yardımıyla hamurlaştırır. Hamurlaşan metal takım omzunun aşağı yönlü baskı yüküyle boru ile plaka çapları arasındaki boşluklu kısımdan aşağı doğru akmaya başlar ve kaynak işlemi gerçekleştirilir. 2. MATERYAL VE METOD Deneyler için kullanılan boru ve plaka malzemesi EN AW 6060 (AlMgSi0,5) alüminyum alaşımıdır. Plaka boruya dıştan bir takım yardımıyla sürtünme kaynağı (DTYSK) yöntemiyle kaynak edilmiştir. DTYSK deneylerinde dik başlı freze, sıcaklık ölçme sistemi, yük ölçer, sürtünme için takım ve deney numunesi bağlama aparatları kullanılmıştır. DTYSK deneylerinde Şekil 3 de görülen dik başlı freze tezgahı kullanılmıştır. Kaynak edilecek plakalar4x50x70 mm boyutlarında kesilmiş, plaka üzerine 21 mm çapında delik açılmış ve 20 mm çapında 2 mm et kalınlığında 3 farklı boyda (40, 41 ve 42 mm) boru bu delik içerisine arada 0,5 mm boşluk kalacak şekilde yerleştirilerek kaynak edilmeye çalışılmıştır, Şekil 4. Şekil 3. Deney düzeneği; freze (a), alt tabla (b), numuneleri bağlama tertibatı (c) 474

5 Şekil 4. Kaynakları yapılan plaka (a)ve boru (b) boyutları Kaynak esnasında Şekil 5 de görülen soğuk iş takım çeliklerinden X210Cr12 (1.2080) yapılmış tek bir takım kullanılmıştır. Talaşlı imalat sonrası takıma ısıl işlem yapılmıştır. Şekil 5. DTYSK esnasında kullanılan takım 475

6 3. DENEYLER VE SONUÇLAR Dıştan bir takım yardımıyla boruların plakalara sürtünme kaynağı üzerine ülkemizde yapılmış herhangi bir çalışmaya şu ana kadar rastlanmamıştır. Uluslararası alanda ise bu çalışmaları ilk defa yapan S. Muthukumaran a ait iki adet çalışmaya rastlanmıştır [7,8]. Deneylerde bir boru plakaya DTYSK yöntemiyle birleştirilmiştir. Bu çalışmada çalışılan deney parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. Toplam 9 farklı parametrede 27 deneyin yapıldığı çalışmada boru uzunlukları sırasıyla 40, 41 ve 42 mm olarak değiştirilirken (plaka yüzeyinden sırasıyla 1, 2 ve 3 mm taşma), takım devir sayıları da 950, 1180 ve 1500 min -1 olarak değiştirilmiştir. Deneyler esnasında takım omzu tarafından boruya uygulanan dikey yük ortalama 1,2-1,5 kn arasında ve oluşan sıcaklık ise 300 C civarında yaklaşık olarak sabit tutulmuştur. Tablo 1. Deney parametreleri Deney No Takım Dönme Devri (rpm) Boru uzunluğu(mm) Plaka Yüzeyinden taşma miktarı (mm) mm uzunluğundaki alüminyum boru ile yapılan kaynakların görüntüleri Şekil 6 da verilmiştir. Esas itibariyle çıplak gözle yapılan incelemelerde boruların levhalara kabul edilebilir ölçüde kaynak yapıldığı görülmüştür. 476

7 Şekil mm uzunluğundaki alüminyum boruların DTYSK görüntüleri Numunelerin birleşme bölgelerinin makro yapıları genel olarak Şekil 7 de verilmiştir. Şekil 7. Farklı parametrelerde yapılan DTYSK birleştirmelerin kesit görüntüleri 477

8 Şekil 7 deki görünümler dikkatlice incelendiğinde boru boyunun 40 mm olduğu (borunun plakadan 1 mm çıktığı) birleştirmelerde boruların birleşme bölgelerinde 1180 min -1 takım devir sayısında kısmi çatlaklara ve yetersiz birleşme belirtilerine rastlanırken, 950min -1 takım devir sayısında birleştirmelerde birleşme bölgesinin mekanik olarak daha iyi bağ oluşturmuş olduğu ve çatlaklara rastlanılmadığı Şekil 8 de daha ayrıntılı görülmektedir. Şekil min -1 ve 1180 min -1 takım devrinde, 40 mm uzunluğundaki boru ile yapılan kaynak kesiti Gerçekleştirilen birleştirmelerden elde edilen numunelere uygulanan çekme deneyinde elde edilen mukavemet değerleri Tablo 2 de verilmiştir. Den ey No Takım Dönme Devri (min -1 ) Tablo 2. Çekme deneyi sonuçları Boru uzunluğu (mm) Plaka Yüzeyinden taşma miktarı (mm) Çekme Dayanımı, R m (MPa) Akma Sınırı, R p0,2 (MPa) Esas malzeme EN AW AlMgSi0, EN standardına göre esas malzeme olarak kullanılan AA 6060 (EN AW AlMgSi0,5)alaşımın T6 ısıl işlem koşullarında çekme dayanımı ortalama 190 MPa, akma sınırı ise 150 MPa olarak verilmektedir[9]. Kaynaklı birleştirmelerin dayanımını hesaplamak 478

9 açısından numuneyi çekme cihazına bağlarken kaynaklı bağlantıdan kopacak şekilde bir tutturma tertibatı kullanılmıştır. Bu sebeple ortaya çıkan değerler boru ile plaka arasındaki bağlantının kesme dayanımını içermektedir. 1,4 ve 7 nolu sıralarda verilen sonuçlardan görüleceği üzere 950 min -1 takım devrinde yapılan kaynak işlemleri sonucunda 40 mm boyuna sahip boruyla yapılan kaynakta daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir.2,5 ve 8 no.lu sıralarda verilen sonuçlardan görüleceği üzere 1180 min -1 takım devrinde yapılan kaynak işlemleri sonucunda 41 mm boyuna sahip boruyla yapılan kaynakta daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir min -1 takım devrinde yapılan kaynakta 40 mm uzunluğundaki borunun kaynağında çok düşük dayanım değerleri elde edilmiştir. Bu sonucun kaynak bölgesinin yetersiz birleşmesinden, kaynak dikişinde çatlak olmasından kaynaklanmış olabileceği düşünülmektedir, Şekil 8. 3,6 ve 9 no.lu sıralarda verilen sonuçlardan görüleceği üzere 1500 min -1 takım devrinde yapılan kaynak işlemleri sonucunda ise yine 40 mm boyuna sahip boruyla yapılan kaynakta daha başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Tüm deneylerde doğal olarak kopmalar boru plaka birleşim yerlerinden gerçekleşmiştir, Şekil 9. Elde edilen dayanım sonuçları esas malzemenin çekme dayanımı ve akma sınırları göz önünde bulundurulduğunda kabul edilebilir değerlerdedir. Şekil 9: Kopan kaynaklı numunelerin çekme deneylerinden sonraki görünümü 4. TARTIŞMALAR Boruların plakalara dışarıdan bir takım yardımıyla sürtünme kaynağı üzerine yapılan bu çalışma yöntem olarak ülkemizde uygulanan ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır. Çalışmalarda bazı geliştirilmesi gereken noktaların bulunduğu görülmüştür. Özellikle çalışmalar esnasında uygulanan dikey yükü sabit tutan bir sistemin gerçekleştirilecek birleştirmelerin daha istikrarlı ve tekrar edilebilir olmasını sağlayacaktır. Ayrıca birleştirme esnasında erişilen sıcaklık mertebesinin farklı noktalardan daha hassas olarak ölçülmesi malzemelerde ortaya çıkacak olan yaşlanma etkisinin yorumlanmasını kolaylaştıracaktır. 479

10 Bununla beraber yapılan çalışmalar göstermiştir ki dışarıdan bir takım yardımıyla boruların plakalara sürtünme kaynağı ile birleştirilebileceği görülmüştür. Elde edilen dayanım sonuçları da memnun edici sınırlar içindedir. Kaynak işleminin kolay uygulanabilir olması sebebiyle alüminyum ve alaşımları ile başlayan çalışmaların hızla çeliklere doğru yönlendirilmesi özellikle kazan, eşanjör vb. ürünler imal eden firmalar açısından önem teşkil edecektir. Yapılan deneysel çalışmalarda borunun flanştan taşma miktarı incelenmeye çalışılmış olmakla birlikte boru dış çapı ile plaka üzerine açılan delik çapları arasındaki fark değişiminin incelenmesi bir sonraki çalışılması gereken parametre olarak düşünülmektedir. Bununla birlikte farklı baskı kuvvetlerinde, takım omuz çapı ve profilinin etkileri de yine çalışılabilecek parametreler arasında düşünülmektedir. Elbette ki çalışılabilecek diğer bir parametre ise bu yöntemin diğer malzemelere uygulanabilirliğidir. Sonuç itibariyle yapılan çalışma göstermiştir ki boruların plakalara dışarıdan bir takımla birleştirilebilirliği üzerine kullanılan borunun plaka yüzeyinden taşma miktarı (yani boru boyu) kaynaklı bağlantı mukavemetini etkileyen önemli bir parametredir. 5. KAYNAKÇA 1. Çam, G.,Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları, 9. Malzeme Sempozyumu Bildiriler Kitabı, 8-10 Mayıs 2002, Pamukkale Üniversitesi, , 2002, Denizli. 2. Çam, G., Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Takımlardaki Geliştirmeler, TMMOB Makine Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi IV. Ulusal Kongre ve Sergisi, , Kocaeli. 3. Şık, A. ve Kayabaş, Ö., Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Yapılan Alüminyumun Kaynağında Kaynak Bölgesinin Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Gazi Üniv. Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fak. Der., 2003, 11, Mishra, R. S. and Ma, Z. Y., Friction Stir Welding and Processing, Materials Scienceand Engineering R 50, 2005, Kang C.Y., North T.H., Perovic D.D., Microstructual Features Of Friction Welded MA 956 Superalloy Material Metall. And Mater. Trans. A, V26A, 1996, Muthukumaran, S., Athul, P., Venukumar, S.,Friction Welding of Cu-Tube To Al-Tube Plate Using An External Tool By Threaded Tube Interference Method, Proceedings of the 1 st International Joint Symposium on Joining and Welding, 2013, Senthil Kumaran, S, Muthukumaran, S., Vino, S.,Optimization of Friction Welding Of Tube To Tube Plate Using An External Tool By Hybrid Approach, Journal of Alloys and Compounds, Volume 509, Issue 6, 10 February 2011, Pages Yüksel, M., Meran, C., Malzeme Bilgisine Giriş, Malzeme Bilimleri Serisi -Cilt 2, MMO yayını, yayın No: MMO/545/2, Temmuz 2013, Ankara, 568 Sayfa. 480