Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Form Punta Bağlantılarının Mekanik Özelliklerinin Araştırılması

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 4, 2010 (25-38) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 7, No: 4, 2010 (25-38) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Form Punta Bağlantılarının Mekanik Özelliklerinin Araştırılması Ahmet Çetkin Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, ANS Kampüsü, Afyonkarahisar/TÜRKĐYE Özet Bu çalışma, form punta yöntemiyle ile oluşturulan bağlantıların mekanik özelliklerinin incelenmesi amacıyla yapılmıştır. Form punta bağlantıları için özellikle otomotiv endüstrisinde kullanılan galvanizli(st1314) çelik ve alüminyum(al5754) plakalar seçilmiştir. Numunelere, sırasıyla TS EN ISO ve TS EN ISO standardına uygun olarak kesme deneyi ve mekanize soyma deneyleri uygulanmıştır. Keza farklı yerleşim sırası ve farklı plaka kalınlıklarının etkilerini incelemek için mikroskobik analizler de uygulanmıştır. Üstte galvanizli çelik altta alüminyum levhadan oluşan kombinasyonun dayanımı tam tersi kombinasyondan yaklaşık iki kat daha büyüktür. Büyük değerdeki plaka kalınlığı oranlarının, kırılma ve ayrılmalara neden olduğu gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Galvanizli Çelik Sac, Al 5754, Mekanik Bağlantı, Form Punta. The Investigation Of The Mechanical Properties Of Galvanized Steel- Aluminum Sheets Joints Used In Automotive Industry Formed By Mechanical Clinching Abstract In this study, mechanical properties of the joints which made with the mechanic clinching were investigated. Galvanized steel (St1314) which is used especially in automotive industry and aluminum (Al5754) sheets were selected in clinching joints. Shear and mechanized peel tests were carried out according to TS EN ISO and TS EN ISO respectively. Microscopic analyses were also examined to investigate the effect of sheet thickness and sheet place order. The strength for the combination of the upper steel sheet of and the lower aluminum sheet of is approximately two times larger than that of the reverse place order. The fracture and separation were observed in bigger values of sheet thickness ratio. Keyword: Galvanized Steel Sheet, Al 5754, Mechanical Joining, Clinching. 1. GĐRĐŞ Günümüzde otomotiv sektöründe kullanılacak malzemelerin kolay şekillendirilebilir olması, dayanımı, dış şartlara gösterdiği direnci, estetiği ve son yıllarda daha çok aranan hafiflik gibi özellikleri zamanla daha fazla önem taşımaktadır. Bu özelliklere ulaşılabilmesi, ancak farklı malzemelerin bir arada kullanımı ile mümkün olmaktadır. Özellikleri ve yapıları farklı olan bu malzemelerin yalnız başlarına kullanılmaları neredeyse imkânsızdır. Farklı özelliklere sahip malzemelerden oluşan yapıların mekanik bağlantılarının yapılması, yeni zorlukları da beraberinde getirmiştir. Otomotiv sektör için vazgeçilmez birleştirme tekniklerinden biri ve ayrılmaz bir parçası olan kaynak, bu tip bağlantılarda yeterli çözüm Bu makaleye atıf yapmak için Çetkin A., Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Form Punta Bağlantılarının Mekanik Özelliklerinin Araştırılması Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (7) How to cite this article Çetkin A., The Investigation Of The Mechanical Properties Of Galvanized Steel-Aluminum Sheets Joints Used In Automotive Industry Formed By Mechanical Clinching Electronic Journal of Machine Technologies, 2010, (7) 25-38

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac üretememektedir. Kaporta, gövde ve diğer aksesuarların birleştirilmesinde kullanılan kaynak ve diğer birleştirme teknolojilerine alternatif olan form punta teknolojisi, aslında, ilk patenti 1897 yılında Almanya da alınan oldukça eski bir tekniktir. Sonrasında alüminyum levhaların oldukça sık kullanıldığı havalandırma kanallarının üretimi için yeniden ele alınmış, daha da geliştirilerek seksenli yıllarda inşaat ve otomotiv sektörlerinde sıklıkla görülmeye başlamıştır. Şekil 1. Form punta kesiti Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişmeler ve yenilikçi arayışlar, yeni üretim tekniklerinin ortaya çıkmasını sağlamış, üretim teknolojilerinde ve malzeme seçimindeki çeşitlik, mekanik bağlantıların yapılmasında alışılmadık sorunlara neden olmaya başlamıştır. Bu sorunları çözmek ve imalatı daha da kolaylaştırmak için yeni birleştirme teknikleri üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu birleştirme tekniklerinden biri olan form punta tekniği, aslında perçin, vida ve diğer bağlantı elemanları olmadan saç levhaları birleştirme yöntemidir. Fakat değişen ihtiyaçlar, temel özelliklerinden bazılarını değiştirmek durumunda bırakmış, genişleyen uygulama alanları, özel perçin kullanma gibi yeni uygulamalara neden olmuştur. Kaynak tekniğine en önemli alternatif olarak görülen bu yönteminin gerek yeni yerlere olan uygulamaları gerekse değişen uygulama yapıları araştırmacıların dikkatini çekmiş, uygulamaların geçerliliği ve üstünlükleri değişik araştırmalarda ele alınmıştır. G. Di Lorenzo ve R. Landolfo yaptıkları çalışmada soğuk şekillendirme yapılarının birleştirme tekniklerinden dördüne yer vermişler ve seçilen bu dört tekniğin mekanik özelliklerini karşılaştırmışlardır. Tek etkili perçinleme, çift etkili perçinleme, dairesel yapılı form punta ve perçinli form punta tekniğini değerlendirdikleri çalışmalarında, çok yüksek kayma dayanımı nedeni ile dairesel kalıp kullanılan form punta tekniğini önermişlerdir[1]. Benzer biçimde, bilinen on bir değişik form punta türünü ele alan Varis[2], yüksek dayanımlı çelik plakalarda yöntemin uygulamalarını yapmıştır. Çalışma sonunda G. Di Lorenzo ve R. Landolfo nun çalışmalarında olduğu gibi, özellikle dairesel yapıdaki zımba kullanan form punta türlerinin yüksek dayanımlı çelik plakaların bağlantılarında daha uygun bir tercih olacağını göstermiştir. Malzeme, dayanım ve özellikle kalınlığa bağlı olarak bağlantılardan farklı sonuçlar almak doğaldır. Burada çeşitli parametreleri kullanarak istenilen özellikteki bağlantılara ulaşmak mümkündür. Özellikle pratikte kullanılan kalıp setlerini bu parametrelere göre seçmek gerekir. Nasıl bir geometrinin kullanılmasının daha uygun olacağını belirleyebilmek için A.A. de Paula ve arkadaşları yaptıkları çalışmalarda zımba ve birleştirme alt kalıbı için sonlu elemanlar yöntemi analizi kullanarak değişik geometriler modellemiş ve bu modeller üzerinde çalışmışlardır. DEFORM 2D programı ile metalik malzemeden imal edilmiş levhaların form punta tekniği ile birleştirilmesinin simülasyonunu yapmışlar, kalıp eğimleri, boşluklar ve derinlik değişimleri gibi farklı zımba/kalıp geometrileri ve ölçülerinde, alt kesme ve boyun verme özelliklerini değerlendirmişlerdir. Şekil 1. de verilen temel geometriyi baz alarak, zımba/kalıp geometrilerin birleştirmenin formunu nasıl etkilediğini ve karşılaşılabileceğimiz problemleri göstermişlerdir. Özellikle kullanılan takımın geometrisindeki değişikliklerin, boyun kalınlığını etkilediğini ve daha büyük alt kesme değerinin sacların ayrılma yükünü arttırdığını gözlemlemişlerdir. 26

3 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Zımba ve alt kalıp geometrileri üzerinde denemeleri ile uygun yapıdaki takım setlerini seçimlerini kolaylaştırmışlardır[3]. Yüksek dayanımlı çelik plakaların bağlantılarında kalıp derinliği, kalıp kenar radiüsleri, kalıp çapının etkilerini C.-J. Lee ve arkadaşları sonlu elemanlar analizi ile, Oudjene ve arkadaşları da optimum geometrileri, Taguchi ve MLS metodlarını kullanarak belirlemeye çalışmıştır[4,5,6]. Nokta kaynağının bir alternatifi olan form punta yöntemi sadece durağan yüklere maruz kalmamaktadır. Değişken yüklerin yorduğu bağlantıların özelliklerini araştıran M. Carboni ve arkadaşları yaptıkları bir çalışmalarında statik ve dinamik olarak kayma ve çekme kuvvetlerine maruz kalan form punta birleştirmelerinin yorulma davranışlarını incelemişlerdir[7]. Kırılma yapısını incelediklerinde, yüklenen kuvvetin en büyük değeri ve ortalama gerilme değerine bağlı olarak üç farklı hasar biçimi ile karşılaşmışlar, sonlu elemanlar analizi modeli ile yaptıkları ile deneysel çalışmalarının uyumluluklarını da göstermişlerdir. Bağlantının değişik konfigürasyonundan daha çok ortalama gerilme değerinin hasar tipinde etkili olduğunu ve yorulma sınırının akma geriliminin %50 si civarında olduğunu ve bu değerin nokta kaynağı değerinin üzerinde çıktığını göstermişlerdir. Farklı kalınlıkta, farklı malzeme yapısındaki sacların değişik şekillerdeki bindirme pozisyonlarını Nonberg ele almış, farklı yöntemde yapılan birleştirmeler için bağlantıların yorulma davranışını incelemiştir. Kaynaklı, lazer kaynaklı, nokta kaynaklı, form punta yöntemleriyle hem kendi yaptığı deneyleri hem de farklı çalışmalardan aldığı test edilmiş parçalar ile ilgili özellikleri bir arada toplamış ve buradan bazı ortak sonuçlar çıkarmıştır. Kalınlıkla ilgili belirli limitlere kadar dairesel form punta işleminde artan statik dayanımın, yorulma dayanımını da arttırdığını gözlemlemiştir. Özellikle 1 mm. kalınlığındaki sac birleştirme deneylerinde, dairesel form punta bağlantılarının dikdörtgensel form punta bağlantılarına göre, yaklaşık iki kat daha fazla yorulma dayanımına sahip olduğunu belirlemiştir[8]. 1.1 BĐR MEKANĐK BĐRLEŞTĐRME YÖNTEMĐ; FORM PUNTA Form punta, temelde perçin, vida ve diğer bağlantı elemanları olmadan saç levhaları birleştirmek için kullanılan bir yöntemidir. Yardımcı eleman ve herhangi bir ek malzemeye ihtiyaç duymadan, birleştirilecek malzemelerin birbirlerini, kalıp takımları vasıtası ile şekillendirerek birleştirme sağlanmaktadır. Uygulamanın yapıldığı levhaların plastik deformasyona uğraması nedeni ile birbiri içerisinde hareket ederek, birbirlerine sıkıca kenetlenebilecek bir form oluşturur. Kaplanmış saclar veya galvanizli malzemelerin yanı sıra alüminyum, magnezyum gibi diğer materyallerin birleştirilmelerinde mükemmel sonuç vermektedir. Bunlarla ilgili değişik çalışmalarda, kaplamaların kalınlığı ve plastik anizotropik özelliklerinin deformasyon yapısına etkilerini Sabari ve arkadaşları, magnezyum plakaların form punta bağlantılarının özelliklerini de R. Neugebauer ve arkadaşları araştırmıştır[9,10]. Geçmişteki basit yapılı el ile olan uygulamalar halen kullanılmasına rağmen, robot kollarına bağlanarak otomasyona da uygun hale getirilmişlerdir(şekil 2). Bunun yanı sıra değişik uygulamalar için tasarlanmış form punta tekniği uygulamaları (özel sac kalıpları, özel montaj masası, form punta presi v.b.) de vardır. Şekil 2. Echold un form punta pensi(a) Boellhoff un form punta robotu(b)[11,12] 27

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Birleştirmeler için kullanılan takımlarda dikdörtgensel ve dairesel olmak üzere iki tip birleştirme formu kullanılmaktadır. Dairesel formlu birleştirmeler için kullanılan takımlar en çok kullanılan kalıp setleridir(şekil 3). G. Di Lorenzo, R. Landolfo[8] ve Varis[6] gibi araştırmacılar da keza bu tip kalıp setlerinin oluşturduğu bağlantıların daha iyi mekanik özellikler verdiğini belirlemişlerdir. Şekil 3. Dairesel formlu için kullanılan takımlar Dikdörtgen formlu birleştirme biçimi, sert çelikler ve paslanmaz malzemelerde kullanılmaktadır. Şekil 4. te örnek bir dikdörtgensel formlu kalıp seti ve uygulanmış bağlantının görünüşü verilmiştir. Uygulama yönüne bağlı olarak değişen mekanik özelliklerinin yanı sıra estetik özellikleri ve yan kesme birleştirmeleri gibi özel uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Şekil 4. Dikdörtgen formlu birleştirmeler Ekonomiklik, kullanılacak malzemelerin özellikleri, dış görünüm, uygulama hızı, daha fazla dayanım isteği gibi koşullar, form punta tekniğinin farklı uygulamalarını da beraberinde getirmiş ve farklı kullanım alanları bulmuştur. Çok çeşitli tiplerde gruplandırmanın yapılabilmesi mümkündür. Basitçe, bu teknik dört temel gurupta toplanabilir. 1. Standart Form Punta Tekniği (Clinching-Rivetness Clinching) 2. Kalıpsız Form Punta Tekniği (Dieless Clinching-Flat Joint Clinching) 3. Kapama Form Punta Tekniği 4. Perçinli Form Punta Tekniği (Rivet Clinching-Self Piercing Riveting(SPR)) Standart form punta tekniğinde, uygun seçilmiş olan bir zımba, birleşecek olan sacları bağlantı bölgesinde kalıp boşluğuna doğru iter(şekil 5). Zımbanın artan basma kuvveti ile beraber, üst sac, bağlantı noktasında zımbaya doğru sıvanıp zımba formunu alırken, alt sac da alt kalıba sıvanarak alt kalıbın formuna sahip olur. Birleşme yerinin gerek şekilsel gerekse dayanım bakımından istenen özelliklere olabilmesi, hem işlemin yapıldığı sacın hem de zımba/matrisin sahip olduğu bir takım özelliklere bağlıdır. 28

5 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Malzemenin soğuk şekillendirme direnci, takım ve malzeme yüzey durumu, kalıp ve zımba köşe kavisleri vb. faktörler, takıma sıvanan malzemenin, kalıbın sahip olduğu biçime kavuşmasına engel olur. Mekanik koşulların ve malzemenin doğal özellikleri nedeniyle meydana gelen geri esneme, burada da bir problem olarak karşımıza çıkar. Özellikle ince sacların birleşiminde, zımba, sacları kalıp içerisine doğru iterken, bağlantı dışında kalan bölge, alt kalıbın yüzeyinden ayrılmaya çalışır. Artan yüzey gerilmeleri sac parçada buruşma etkisi meydana getirir. Gerek bu buruşma/kabarma etkisini engellemek, gerekse işlemin sonunda bağlantıdan zımbayı daha kolay ayırmak için sıyırıcı işlemi gören bir kauçuk parça kullanılır. Bu kauçuk parçanın, operasyonlar sırasında nasıl görev yaptığı ve önemi Şekil 5. de görülebilir. Şekil 5. Form punta sisteminde işlemin akış şeması[13]. Form punta yöntemi farklı kalınlıkta ve farklı özellikteki malzemelerin bağlantılarında, kullanılan birçok birleştirme teknolojisine göre üstün özelliklere sahiptir. Kaynak teknolojisine bir alternatif olduğu bilinen form punta tekniği, kaynaklı birleştirmelerde olduğu gibi yüksek enerjilere ihtiyaç duymamaktadır. Çalışma sırasında kaynakta olduğu gibi boyalı veya kaplanmış levhalarda ısı nedeni ile oluşan, sağlığı etkileyecek ve dikkatini dağıtacak koku, duman, gaz, ışık ve gürültü gibi olumsuz faktörleri içermemektedir. Kullanımı kolay bir teknoloji olduğundan çalışanın ekstra bir eğitim almasına gerek yoktur, makineler hakkında temel bilgisi olan herkes bu teknolojiyi rahatlıkla kullanabilmektedir. Birleştirme işlemini gerçekleştirirken vida, pim ve perçin gibi maliyeti arttıran ek malzemelere ihtiyaç yoktur. Aynı zamanda birleştirme sırasında delik delme ve birleştirmede kullanılacak malzemeleri yerleştirme gibi benzer zaman alıcı ön hazırlama işlemlerine de gerek duyulmamaktadır. Bu yüzden diğer vidalama ve perçinleme yöntemlerinden de oldukça hızlıdır. Kullanımı sırasında malzeme yüzeyinde çapak oluşturmaz. Çevre dostu olan bu teknoloji birleştirilen malzemeler üzerinde oldukça estetik bir görünüm sağladığından işlem tamamlandıktan sonra uygulanan yüzeyin temizlenmesi gerekmemektedir. 2. MATERYAL VE METOD Deneylerde, araç karoseri ve diğer aksesuarlarında yaygın olarak kullanılan galvanizli sac(erdemir 1314) malzemeler ile genelde araçların dorse ve kapalı kabinlerinde ihtiyaç duyulan alüminyum(al 5754) levhalar kullanılmıştır. Erdemir 1314 ve AL 5754 için yaklaşık kimyasal bileşimleri aşağıdaki tablolarda verilmiştir[tablo 1,2]. DIN EN standardındaki Erdemir ürünü saclar, soğuk şekillendirmeye uygun düşük karbonlu, çinko kaplanmış galvanize çelikler olarak bilinirler. DIN EN AW-5754 alüminyum alaşımları ise gemi ve bot yapımında, kimya ve gıda sanayinde, mimari uygulamalarda, basınç ve kaynatma kaplarında, araç gövdeleri, tanker ve kasalarında tercih edilen bir üründür. Korozyon dayanımı yüksek, kaynak kabiliyeti oldukça iyi, özellikle endüstriyel atmosfere karşı dayanımı yüksektir. Bu malzemelerden TSE EN ISO standardına uygun olacak şekilde numuneler kesilmiş, bu numuneler yine aynı standartta belirlenen ölçülerde işlenerek deneye hazır hale getirilmiştir[14,15]. 29

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Tablo 1. Erdemir-1314, maksimum sınırlar için kimyasal bileşim(%) Tanım Standart C Si Mn P S Ti Fe Erdemir 1314 DIN EN Kalan Tablo 2. Al 5754, maksimum sınırlar için kimyasal bileşim(%) Tanım Standart Fe Si Cu Mn Mg Zn Cr Ti Diğer Al AlMg3 EN AW ,5 0,4 0,1 0,7 4,5 0,25 0,25 0,15 0,15 Kalan TS EN ISO standardına göre yapılan deneyler için sanayide büyük genişlikler halinde satılan levhalar, giyotin makas tezgâhı ile Şekil 6. da verilen ölçülerde standarttın belirlediği toleranslara dikkat edilerek kesildi. Yukarıda anılan standarttın dikkati çektiği üzere, levhanın haddeden geçişine göre olan mekanik özelliklerindeki değişimi, teste tabi tutulacak levhaların seçiminde göz önünde bulunduruldu. Çekme deneyine tabi tutulan numunelere kuvvet uygulandığında oluşan boyun vermenin belirlenen iki aralıkta olması gerekmektedir. Aksi halde testten geçerli veriyi alamayacağımız belirtilmiştir. Buradaki fotoğrafta da test harici tutulması gereken numuneler açıkça gözükmektedir (Şekil 7). Şekil 6. TSE EN ISO standardına göre belirlenen numunelerin ölçüleri(ölçüler mm.) Şekil 7. Çekme deneyi uygulanmış numuneler Çekme deneyinin sonucunda galvanizli sac (Erdemir 1314) ile alüminyum (Al 5754) levhaların bazı mekanik özellikleri tespit edilmiştir. Burada elde edilen değerler malzemeyi üreten firmaların broşürlerinde yer alan tablolarındaki değerler ile uyuşmaktadır. TS EN ISO standardına uygun olarak yapılan çekme deneyi sonucunda elde edilen veriler ile oluşturulan eğriler Şekil 8. de verilmiştir. Değişik kalınlıktaki levhaların bu eğrilerden elde edilen mekanik özellikleri ise Tablo 3. te verilmiştir. Tabloda yer alan poison oranı ve elastiste modülü için değerler farklı kaynaklardan alınmıştır. Bu değerleri elde etmek için çekme deneyinden farklı tipteki testlerin uygulanması gerekmektedir. 30

7 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Şekil 8. Çekme deneyi sonucunda elde edilen gerilme-gerinme eğrileri Tablo 3. Kullanılan malzemelerin bazı mekanik özellikleri [16] a -[17] b Erdemir 1314 (DIN EN10327) Al 5754 (EN AW 5754)(AlMg3) Kalınlık(t)(mm) Elastiste Modülü(E)(Gpa) 210 a 210 a 210 a 70 b 70 b 70 b 70 b 70 b Poison oranı(v)(-) 0.3 a 0.3 a 0.3 a 0.33 b 0.33 b 0.33 b 0.33 b 0.33 b Akma Gerilimi(σ m )(Mpa) Maksimum Gerilme(σ e )(Mpa) Teğetsel Modül(G)(Mpa) Mekanik olarak birleştirilmiş levhalar için standartlaştırılırmış statik ve dinamik özellikler içeren birçok deney bulunmaktadır. Birbiri ile bağlanan iki levhadan doğal olarak en çok beklenen şey, bağlantının sağlam bir yapıya sahip olmasıdır. Gerek farklı yönlerden uygulanan kuvvetler karşısında, gerekse bu kuvvetlerin statik ve dinamik olarak etkilenmesi sonucunda bağlantının ayrılmaya veya bozulmaya belirlenen sınırlarda direnç göstermesi gerekir. Punta kaynağı ile yapılan bağlantıların kontrol edilmesi için düzenlenen iki deney form punta ile birleştirilen levhalara uygulandı. Bu deneylerden birisi birleştirilmiş iki levhayı yatay yönde ayırmaya çalışan çekme deneyi diğeri ise dikey yönde ayırmaya çalışan kabuk soyma deneyidir. TSE EN ISO deneyi çekme deneyi olarak bilinmektedir. Şekil 9. da standartta uygun olarak düzenlenen numune ölçüleri verilmiştir. Deneyi yapılan malzemelerin kalınlıklarına göre belirlenen uzunluklar, en küçük kalınlık baz alınarak standartta uygun ölçülerde hazırlandı. Değişen bu uzunluklar, şekilde parantez içinde verilmiştir. Birleştirilmiş levhalar üzerinde deney uygulanırken, bindirme yöntemi ile birleştirildikleri için çekme sırasında moment etkisini oluşur. Bu etkiyi azaltmak için makine bağlantı çenelerine aynı kalınlıkta saç malzemeler konularak uygulama yapılmıştır. Kabuk soyma deneyi için kullanacağımız malzemeler, TSE EN ISO standartlarına uygun ölçülerde kesilmiş ve belirlenen ölçülerde 90º açıyla bükülmüştür. Standartta uygun olarak Şekil 10. da gösterilen ölçülerde hazırlanan malzemeler kendi aralarında gruplandırılarak form punta 31

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac yöntemiyle birleştirilmiş ve numuneler deneye hazır hale getirilmiştir. Deneyler için birleştirilerek hazırlanmış numuneler Şekil 11. de görülmektedir. Şekil 9. TSE EN ISO standardına göre hazırlanan numune ölçüleri(ölçüler mm.) Şekil 10. TSE EN ISO standartlarına göre hazırlanan numunelerin ölçüleri(ölçüler mm.) Birleştirme işlemi için Tox firmasına ait el tipi birleştirme makinesi kullanılmıştır. Ortalama 45 KN güç kapasitesi olan bu makine yarı pnömatik-yarı hidrolik olarak çalışmakta ve yaklaşık 6 Bar basıncında havaya ihtiyacı olmaktadır. Numunelerin daha sağlıklı birleştirilmesi, olası tehlikelerden uzak durmak ve daha kolay bir biçimde standartın belirlediği yerden birleştirilmesi için bir yardımcı aparat kullanıldı. Kullanılan aparat ve form punta makinası Şekil 12. de görülmektedir. Deneyler için AKÜ Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi deney laboratuvarında bulunan Instron 8801 model çekme makinesi kullanılmıştır. 100 KN kapasitesi olan bu servo hidrolik test sistemi, dinamik ve statik testlerin yanı sıra yardımcı bileşenleri takılarak yüksek ve düşük frekanslı yorulma testleri de yapabilmektedir. 32

9 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Şekil 11. Testler için hazırlanmış numuneler 3. TARTIŞMA Şekil 12. Kullanılan form punta makinesi ve birleştirme aparatı Kullanacağımız malzemelerin genel özelliklerini belirlemek için önce çekme numuneleri hazırlanmış ve teste tabi tutulmuş, standartlarına uygun olarak birleştirilen levha bağlantılarının dayanımlarını ölçmek için hazırladığımız numuneler, mekanize kesme deneyi ve kabuk soyma deneylerine tabi tutulmuştur. Numuneler hazırlanırken alüminyum malzemeler ile galvaniz saç malzemeler kalınlıklarına göre gruplandırılmış, galvanizli çelik saç ve alüminyum levhalar üste veya altta olacak şekilde iki ayrı gurup olarak birleştirilmiştir. Böylece bağlantıların dayanımının hem kalınlığa göre hem de malzemelerin duruş pozisyonuna göre değişimi gözlemlenmiştir. Çalışmamızda değişik yerlerde belirtilen St x Al yazımı, pozisyon olarak Şekil 1. de verildiği gibi galvanizli çelik sacın üste, alüminyum sacın ise altta olduğu durumu belirtmektedir. Al x St ise tam tersi alüminyum sacın, galvanizli çelik sacın üstüne bindirildiği durumu ifade etmek için kullanılmıştır. Gerek alüminyum sac gerekse galvanizli çelik saclar bütün kalınlık skalasında satılmamaktadır. Otomotiv sanayiinde kullanıldığı ve büyük ölçekli siparişler için özel hazırlandığından, kullanacağımız temel kalınlıklarda bulunması zordur. Alüminyum sac için (mm.), galvanizli sac için (mm.) kalınlıklar tercih edilmiştir. Kullanılması gereken birleştirme takımının belirli ölçü aralığında verimli olduğu ve belirli ölçü değerlerinin üzerinde kullanılmaması gerektiğinden, toplam birleştirme kalınlığı 4mm. den büyük olan verilere tabloda yer verilmemiştir(tablo 4). 33

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Tablo 4. Birleştirilmiş numunelerin yük dayanımları TSE EN ISO (Kabuk Soyma Deneyi) TSE EN ISO (Çekme Deneyi) Al x St St x Al Al x St St x Al 0.5x0.5 x a x a x a x a 0.5x x a x a 0.5x x a x a 0.5x x a x a 0.5x2.5 x a x a x a x a 1.0x0.5 x a x a x x x x2.5 x a x c x a x c 1.5x0.5 x a x a x x x x2.5 x a x a x0.5 x a x a x x x x2.5 x b x b x b x b 2.5x0.5 x a x a x a x a 2.5x x a x a 2.5x x a x a 2.5x2.0 x b x a x b x a 2.5x2.5 x b x a x b x a Tablo 4. te gösterilen bazı değerler için özel harfler kullanılmıştır. Tabloda yer almayan bu değerler; x a, gerçekte olmayan sac kalınlıklarını yani karşılaştırma için konulmuş fakat bulunmayan karşılık ölçülerini, x b, 4mm. den daha büyük toplam sac kalınlığına ulaştığı için birleştirilmeyen sac birleştirme gurubunu, x c, uygulama sonucunda temas yerinde oluşan problemleri nedeni ile birleştirilemeyen veya kusurlu sac gurubunu göstermek için kullanılmıştır. Tablo ve şekiller genel hatları ile incelendiğinde galvanizli sac plakanın bindirmenin üstünde veya başka bir deyişle koça yakın pozisyonda olduğu durumlarda, tersi pozisyon durumuna göre hemen hemen iki kata yakın daha fazla dayanım gösterdiği anlaşılmaktadır(tablo 4, Şekil l4-15). Abe ve arkadaşlarının yüksek dayanıma sahip ve yumuşak saclar için yaptığı iki çalışmalarda ise daha farklı bulgular verilmektedir. Toplam sac kalınlığına oranla üst sacın ince seçilmesi kırılmaya, toplam sac kalınlığına oranla alt sacın ince seçilmesi boyun vermeye-incelmeye, genel olarak ince sacın altta kullanılması da birleşmenin çok zayıf olmasına neden olduğunu, düşük sünekliğe sahip yüksek dayanımlı çeliğin üstte olduğunda kırılmaların oluştuğunu belirlemişlerdir. Alt sacın üst saca nazaran daha dayanımlı bir malzemeden seçildiği hallerde birleşme sırasında üst sacta kırılmaya yatkınlık gözlemlemişler, birleştirilebilirlik açısından değerlendirildiğinde, çelik sacın altta olduğu durumun üstte kullanıldığı durumlara göre daha iyi sonuçlar verdiğini görmüşler ve bu şekilde kullanılmasını önermişlerdir[18-19]. Birleştirmenin başarılı olmasında en temel faktör uygun koşullarının sağlanmasıdır. Malzeme özellikleri 34

11 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) ve kalıp çapı-kalıplama yüksekliği gibi geometriler birleştirmelerin sahip olduğu özellikleri oldukça değiştirmektedir. Kullanılan malzemeler ve karşılıklı oranları, plakanın kalınlığı, üzerinde eğer varsa kaplamanın durumu, sertliği, yüzey koşulları vb. durumlar ve doğal olarak kullanılan takımla ilgili tüm değerler, elde edilen bağlantının kalitesini değiştirmektedir. Kullanım sırasında en mantıklı davranış, yukarıda anılan bütün faktörleri göz önüne alan, optimize edilmiş uygun geometrilerin belirlenmesi olacaktır. Kullandığımız galvanizli sac plakanın üstte olduğu durumlarda birleşimin dayanımının artmasına neden olan en büyük sebep Şekil 13. te de görülen S tipindeki boyunun istenilen formda oluşabilmesidir. Boyunun büyüklüğü(alt kesme miktarı) arttıkça, sac levhaların birbirleri ile olan kenetlenmesi de buna bağlı olarak artmaktadır. Bağlantının taşıyacağı yükün büyüklüğünün belirleyen en önemli ölçüt zira bu boyunun oluşmasıdır. Zhou ve arkadaşları otomobil karoseri ile ilgili yaptıkları bir çalışmada sac plakaların farklı pozisyonlardaki dayanımlarını incelemişler, alt kesme değerinin alüminyum plakanın üstte olduğunda iki buçuk kat büyüdüğünü ve boyun kalınlığının azaldığını belirlemişler, bu duruma neden olan faktörün ise çelik sacın alt kalıbı tam dolduramamasını göstermişlerdir[20]. Genel olarak takım ve donanım üreticileri de nispeten yumuşak ve ince kalınlıkta olan plakanın üstte olmasını tavsiye etmektedirler. St-1.5 x Al-1.5 Al-0.5 xst-2.0 St-1.5 x Al-1.0 (a) S Kenetlenme Boyunu (b) Yırtılma Şekil 13. Form punta bağlantılarından örnek kesitler Plakaların birleştirilmesi sırasında uygulamaların hatalı olması dışında oluşan kusurlar farklılıklar gösterir. Ayrılma(kenetlenmenin oluşmaması), alt ve üst plakada yırtılmalar ve kopma en çok görülen hatalar olarak söylenebilir. Hatanın meydana getiren sebepleri, oldukça farklı nedenlere bağlamak mümkündür. Alt ve üst plakaların malzeme özellikleri, kalınlıkları, toplam kalınlıktaki oranları, üst kalıp veya matrisin temel geometrik özellikleri ve radiüsleri, uygulama hızları ve uygulama sıcaklıkları vb. seçimler, hataların oluşmasında ana ve/veya yardımcı rol oynarlar. Yapılan çalışmada oluşan hataların ana nedenleri belirlenmeye çalışılmış, kusur olarak daha çok kopma(yırtılma) ve plakaların birleşmemesi durumları ile karşılaşılmıştır. Örneklerin farklı derecelerde oluşan kusuru dayanım değerlerini oldukça etkilemekte ya da hiç birleşme olmamaktadır. St(1.0,1.5,2.0) x Al(1.0) plaka uygulamalarında form punta bölgesinde birleşme problemli bir biçimde olmaktadır. Bu problemin oluşumundaki ana neden, genel bir form punta uygulaması problemi olan ince alt plaka kullanımıdır. Daha ince kalınlıkta(0.5 mm.) olanların birleştirilmesi işlemi sırasında alt alüminyum plaka kopmaya çok yatkın olmakta veya zaten kopmaktadır. Kopmayan buradaki birleştirme yapısı ise kenetlenme için gerekli S biçimindeki boyun yapısını da oluşturamamaktadır. Kusur oluşmasına yatkın olan Al(0.5) x St(1.0,1.5,2.0) form punta bağlantısı da ince kalınlıktaki üst plaka seçeneğinin bir göstergesidir. St(1.0,1.5) x Al(2.0,2.5) kombinasyonunda meydana gelen problemler, dayanımı büyük olan galvanizli çelik sacın üstte tercih edilmesi nedeni ile oluşmakta, içeride akan malzeme hareketinin alüminyum alt plakayı istediğimiz geometride şekillendirememesi nedeni ile incelen boyun kalınlığı bağlantının dayanımı düşürmektedir. (c) Birleşme yok 35

12 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac Şekil 14. Birleştirilmiş numunelerin mekanize soyma deneyi için yük dayanımları(tse EN ISO 14270) Şekil 15. Birleştirilmiş numunelerin kesme deneyi için yük dayanımları (TSE EN ISO 14273) Kullanılan sac kalınlıklarının artması ile doğru orantılı olarak dayanımın da artması gerektiği gibi bir beklenti olabilir. Ancak, form punta uygulamalarında kalınlıkların yanında daha birçok etmen bağlantının kalitesine etki eder. Seçilecek malzeme ve plaka kalınlıklarına en uygun geometri diğer faktörlerle beraber belirlenmeli en optimal koşullar sağlanmalıdır. Burada kullandığımız sabit bir geometriye sahip takım için en uygun yapının galvanizli sac plakanın bindirmenin üstünde veya başka bir deyişle koça yakın pozisyonda olduğu durum için olduğu ve neredeyse iki kata yakın dayanım gösterdiği belirlenmiştir. Yine bağlantılarda kullanılan plakaların kalınlık oranının bire yakın olduğu seçeneklerde en büyük yük dayanımları elde edilmiştir. 36

13 Çetkin A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) SONUÇ VE ÖNERĐLER Otomotiv endüstrisinde kolay şekillendirilebilme özelliği nedeni ile tercih edilen galvanizli(st1314) çelik ve alüminyum(al5754) sacların, çok kullanılan kalınlıklar göz önünde tutularak, form punta yöntemiyle birleştirilmesi ile oluşan bağlantıların mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla çalışmamız yapılmıştır. Yalnızca dairesel formlu ve bir adet kalıp takımı kullanılarak, sınırlı kalınlıklardaki malzemeler üzerinde uygulamalar oluşturulmuştur. Farklı çalışmalarda elde edilen verilerle benzer ve zıt bulgular elde edilmiştir. Burada elde edilen en temel bilgi; oldukça fazla faktöre bağlı olan birleştirme özelliklerinin yalnızca birkaç kritere bağlı olarak değerlendirilmemesi gerektiğidir. Kullanılacak malzemeler için, sistem bir optimizasyona ihtiyaç duymakta ve bu şartları sağlayan takım geometrilerinin kullanılması gerekmektedir. Sonuçların daha tatmin edici hale gelebilmesi için farklı geometrideki kalıp uçları ile yapılan birleştirmelerin özellikleri tespit edilmeli, farklı malzeme parametreleri ile bağlantının taşıdığı yük arasındaki ilişkiler araştırılmalı, dairesel şekiller dışında kalıp formların kullanılması durumunda bağlantıların değişen özellikleri belirlenmelidir. Seri üretime olan yatkınlığı, kolay kullanımı, ısı, duman ve gaz olmaması, farklı malzemelerin kullanılabilmesi, enerji verimliliği, sessiz çalışma gibi özellikleri göz önüne alındığında form punta sistemi hem geliştirilmeye açık bir teknolojiyi bize sunmakta hem de gelişen yapısı sayesinde artan bağlantı kalitesi, otomotiv endüstrisinde daha fazla yeri hak etmektedir. 5. KAYNAKLAR 1. G. Di Lorenzo, R. Landolfo, Shear experimental response of new connecting systems for coldformed structures, Journal of Constructional Steel Research, 60, , J.P. Varis, The suitability of clinching as a joining method for high-strength structural steel, Journal of Materials Processing Technology, 132, , Paula A.A., Agullar M.T.P., Pertence A.E.M., Cetlin P.R., Finite element simulations of the clinch joining of metallic sheets, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 182, pp , Lee C.-J., Kim J.-Y., Lee S.-K., Ko D.-C., Kim b.-m., Parametric study on mechanicial clinching process for joining aluminum alloy and high-strenght steel sheets, Journal of Mechanical Science and Technology, 24, , Oudjene M., Ben-Ayed L., On the parametrical study of clinch joining of metallic sheets using the Taguchi method, Engineering Structures, Vol. 30. pp , Oudjene M., Ben-Ayed L., Delameziere A.,Batoz J.-L., Shape optimization of clinch tools using responce surface methodology with Moving Least-Square approximation, Journal of Material Processing Technology, 209, , M. Carboni, S. Beretta, M. Monno, Fatigue behaviour of tensile-shear loaded clinched joints, Engineering Fracture Mechanics, 73, , Nordberg H., Fatigue properties of stainless steel lap joints: spot-welded, adhesive-bonded, weldbonded, laser-welded and clinched joints of stainless steel sheets-a review of their fatigue properties, SAE International, 114, ,

14 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Galvanizli Çelik-Alüminyum Sac 9. Saberi S., Enzinger N.,Vallant R., Cerjak H. Hinterdorfer J., Rauch R, Influence of plastic anisotropy on the mechanical behavior of clinched joint of deifferent coated thin steel sheets, International Journal of Material Forming, Supp 1., , Neugebauer R., Kraus C., Dietrich S., Advanced in mechanical joining on magnesium, Manufactoring Technology, 57, , e_industry_gb_0940.pdf pdf Jayasekara V., Kyung H.M., Noh J.H., Kim M.T., Seo J.M., Lee H.Y., Hwang B.B., Rigid-plastic and elastic-plastic finite element analysis on the clinching joint process of thin metal sheets, Met. Mater. Int., Vol. 16, No. 2, pp , Abe Y., Matsuda A., Kato T., Mori K. Plastic joining of aluminium alloy and high strenght steel sheets by mechanical clinching, Metal forming Conference, V.1., pp , Abe Y., Kato T., Mori K. Joining of Aluminium Alloy and Mild Steel Sheets Using Mechanical Clinching, Materials Science Forum, Vols , pp , Zhou Y., L. Fengchong, J. Chen, Influence of tooling geometric parameters on clinching joint properties for steel-aluminum hybrid car-body structures, Computer Science and Information Technology (ICCSIT), 3rd IEEE International Conference, V.5.,pp ,