AYNI KALINLIĞA SAHİP LEVHALARIN ALIN KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRME DURUMLARININ GERİLME YIĞILMASINA ETKİSİ

Transkript

1 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı 2, TEKNOLOJİ AYNI KALINLIĞA SAHİP LEVHALARIN ALIN KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRME DURUMLARININ GERİLME YIĞILMASINA ETKİSİ Arif GÖK* Kadir GÖK** H.Güran ÜNAL* Mehmet Ali ALKAN*** * Kastamonu Üniversitesi, Kastamonu Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, 37100, Kastamonu, Türkiye ** Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, 43100, Kütahya, Türkiye ***Muğla Üniversitesi, Ula Meslek Yüksekokulu, Makine Programı, 48100, Muğla, Türkiye Özet Günümüz teknolojisinde birleştirme yöntemlerinden biri olan kaynak, yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaynak sonrası, kaynaklı yapının mukavemeti, çalışma koşulları altındaki verimi ve malzeme davranışlarının tahmini oldukça önemlidir. Aynı kalınlıktaki levhaların alın kaynağı ile birleştirilmesinde bazı sorunlarla karşılaşılır. Bu sorunlardan en önemlisi levhalar arasındaki yük geçişlerinin düzensiz oluşudur. Bu nedenle, bu tip bağlantılar kaynak ömrü ve yük altındaki davranışı bakımından önemlidir. Bu doğrultuda kaynak bağlantısının tasarımı yük geçişlerini etkilemektedir. Bu çalışmada, aynı mekanik özelliklere sahip çelik malzemeler kullanılmıştır ve levhaların eksenel simetrisinde, üç farklı kaynak geçiş formunda statik analizleri gerçekleştirmiştir. Üç farklı kaynak geçişi için gerilme değerleri karşılaştırması yapılmıştır. Statik analizler Franc2d/L sonlu elemanlar yazılımı ile yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alın kaynağı, Gerilme analizi, Sonlu elemanlar metodu THE EFFECT OF BUTT WELDING COMBINATION S FORMS AT THE SAME THICKNESS PLANES ON STRESS ACCUMULATION Abstract In today s technology, welding which is one of the joining methods is used widely. The welded construction s resistance, efficiency under working conditions and prediction of material behaviors after welding is quite important. Some problems are occurred in joining the same thickness planes with butt weld. The most important problem is the irregular load transition between planes. For this reason, these types of joints are important in terms of weld life and behaviors under load. In this state, designing of welding joints affects load transitions. In this study, steel materials which have same mechanical properties were used and the static analyses were realized in three different weld transition forms on axial symmetries of planes. The stress values comparisons were done on three different weld transitions. Static analyses were realized with Franc2d/L finite elements software. Key Words: Butt weld, Stress analysis, Finite element method 1.Giriş Kaynak işlemi, günümüzde en yaygın olarak kullanılan birleştirme yöntemlerinden birisidir. Bu nedenle, kaynak edilmiş parçaların emniyetinin sağlanması, birleştirmelerin kullanıldığı tüm yapının güvenilirliği açısından büyük önem taşımaktadır. Kaynak, sıvı veya plastik durumdaki malzemelerin, ilave katkı maddesi

2 82 Aynı Kalınlığa Sahip Levhaların Alın Kaynağı İle Birleştirme Durumları kullanılarak veya kullanılmadan, ısı ve/veya kuvvet tesiri altında birleştirilmesi veya birbirinin üzerine tespit edilmesidir. Kaynaklı birleştirmeler, parçalarda katılığı ve sızdırmazlığı sağladığından şekil ve kuvvet açısından kapalı tarzda sökülemez birleştirmelerdir. Metallerin birleştirilmesinde metal ark kaynağı, koruyucu gaz kaynağı, toz altı kaynağı, nokta kaynağı, lazer ışını kaynağı, elektron ışın kaynağı gibi değişik kaynak yöntemleri kullanılmaktadır [1]. Kaynak işlemi, özellikle de ark kaynağı; plazma-metal etkileşimleri, metal-gaz / toz reaksiyonları, kaynak banyosu akışkan akışı, elektromanyetik hareket, faz dönüşümü, ısı transferi, kaynak metali kimyası, ısının tesiri altında kalan bölgenin mikro yapısı, artık gerilmeler, mekanik özellikler gibi anlaşılması zor fiziksel, kimyasal ve mekanik olguların etkileşimini içeren kompleks bir işlemdir. Önceleri, bu konuyla ilgilenen araştırmacılar ve bilim adamları çalışmalarının büyük bir kısmını kaynak fiziksel metalürjisi, kaynak metali ve mikro yapılarının karakterizasyonu ve kaynak işleminin optimizasyonu konularına ayırırken; son zamanlarda nümerik simülasyon, kaynak işleminin analizi ve optimizasyonuna yardımcı bir araç olarak artarak kullanılmakta ve özellikle kaynaktaki artık gerilme ve uzamaların belirlenmesinde uygulanmaktadır. Kaynaklı birleştirmelerde yükleme durumuna bağlı olarak genellikle yorulma, makro ve benzeri çatlaklar gibi çeşitli hasarlar meydana gelebilmektedir. Bu hasarlar birleştirme bölgesinde meydana gelen yüksek gerilmelerden dolayı kopma veya kırılma şeklinde gerçekleşmektedir. Bununla birlikte, kaynak, korozyon, aşınma, artık gerilmeler, malzeme özellikleri ve çalışma koşulları gibi birçok etkene bağlıdır [2]. Bu özellikler dikkate alınarak kaynaklı bağlantılar farklı boyutlarda analiz edilebilir [3]. Kaynaklı bağlantılarda meydana gelen ısıdan dolayı özellikle iç gerilmeler meydana gelmekte ve bu durum hem mikro yapıyı hem de yorulma ömrünü etkilemektedir. Kaynaklı bağlantılarda parametreler gibi özellikle kaynak geometrisi önemlidir. Farklı kaynak geometrisi ve parametresine sahip alın kaynak bağlantıları incelenmiş ve gerilmeler tespit edilmeye çalışılmıştır. Bununla birlikte kaynak hızı, voltajı ve akımı dikkate alınmıştır. Çalışmamızda, eksenel simetri olarak incelenen levhalarımızı farklı alın kaynağı formları ile birleştirerek gerilme analizleri incelenmiştir. İncelemeler esnasında kaynak dikişi sonucunda oluşan iç gerilmeler hesaba katılmıştır. Analizlerimizde gerilme dağılımları bulunmuş ve farklı alın kaynağı formları için gerilmeler araştırılmıştır. Çalışmamıza ait geometrik özellikler Şekil 1 de gösterilmiştir. 2. Literatür Araştırması Kaynak işleminin imalattan önce simülasyonu, kaynak işlemi üzerine yapılan araştırmaların en önemli konularından birisidir. Bu konuyla ilgili olarak çok çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi, nümerik analiz ve matematiksel modeller kullanılarak bilgisayarların da yardımıyla kaynak işleminde karşılaşılan kompleks durumlar açıklanmaya çalışılmıştır. Kaynaklı bir yapıdaki kaynak metali, esas metal ve özellikle de kaynak emniyeti açısından büyük önem taşıyan ısının tesiri altında kalan bölgenin gerilme durumları, yapısal ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Bu özelliklerin belirlenmesinde çeşitli yöntemler kullanılmış olup, bunlar kullanılan kaynak yöntemi malzeme ve benzeri birçok faktöre göre de farklılıklar göstermektedir [4]. Wu ve arkadaşlarının yapmış oldukları çalışmada, iki çelik plakanın alın kaynaklı birleştirilmesi işlemi simule edilmiştir. Sonlu elemanlar analizi iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, kaynak işlemi süresince oluşturulan sıcaklık dağılımını elde etmek için lineer olmayan geçici bir termal analiz yapılmıştır. Gerilme analizi, termal analizden elde edilen sıcaklıklar ile geliştirilmiştir. Termal ve gerilme analizlerinde genel amaçlı ANSYS programı kullanılmıştır. Kaynak metali, esas metal ve ısıdan etkilenen bölgenin malzeme özellikleri sıcaklığa bağımlıdır. Ancak, kaynak metali ve ısıdan etkilenen bölgenin malzeme özelliklerine ilişkin bilgilerin eksikliğinden her iki bölgenin mekanik özelliklerinin, bu analizdeki esas metalin özellikleriyle aynı olduğu varsayılmıştır. Yayımlanmış deneylerden ve nümerik simülasyonlardan elde edilmiş artık gerilme ve distorsiyonların sonuçlarıyla bu çalışmadakiler karsılaştırılarak modelin geçerliliği kanıtlanmıştır. Artık gerilmeler üzerine çeşitli faktörlerin etkileri incelenmiştir [5]. Tso-Liang Teng ve arkadaşlarının yapmış oldukları çalışmada, alın kaynağında artık gerilmelerin direkt olarak kaynak durumlarına etkilerini araştırmıştır. Artık gerilmelerin oluşumunda ergitilerek yapılan kaynağın hemen soğuma özelliği önemlidir. Alın kaynağı yapıldıktan sonra kaynağın karakteristiği artık gerilmelere bağlıdır. Bu yüzden de artık gerilmelerin yayıldığı sonucunu ortaya çıkarmıştır. Alın kaynağının simüle edilmesinde ANSYS sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır [6].

3 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı 2 83 Şekil 1. Geometrik Özellikler Jang ve arkadaşlarının yapmış oldukları çalışmada, çok pasolu kaynakların mekanik özellikleri incelenmiş ve sonlu elemanlar analizi kullanılarak kaynak deformasyonu simüle edilmiştir [7]. 3. Materyal ve Yöntem Analizimizde aynı kalınlığa sahip üç farklı kaynak geçiş bölgesi incelenmiştir. Kaynak metali geçiş bölgelerimiz 20 birim uzunluğunda alınmıştır. Levhalarımızın çözümünde eksenel simetri özelliklerinden yararlanılmıştır. Uygulanan yük değeri üç levhamız için eşit tutulmuştur. Levhalarımıza ait yük durumları ve sınır şartları Şekil 2 de gösterilmiştir. 3.1 Sonlu elemanlar metodu Kaynak işleminin nümerik simülasyonu, yıllardır kaynak araştırmalarında en önemli konulardan birisi olmuştur. Simülasyon sonuçları, kaynak işlemlerindeki bazı karmaşık olguların fiziksel esaslarını açıklamakta kullanılabileceği gibi ayni zamanda kaynak parametrelerinin optimizasyonu için temel olarak da kullanılabilir. Kaynak işleminin simülasyonunun en önemli yönlerinden birinin metalürjik transformasyonların modele girilmesi olduğu birçok araştırmacı tarafından kabul edilmiştir [8].

4 84 Aynı Kalınlığa Sahip Levhaların Alın Kaynağı İle Birleştirme Durumları Şekil 2. Yük Durumları ve Sınır Şartları Levhalarımızın gerilme analizleri için Franc2d/L sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır. Analizlerimiz iki boyutlu ele alınmıştır. Farklı kaynak geçişlerine sahip levhalarımıza ait mesh(ağ) yapıları Şekil 3 de gösterilmiştir. Geçiş bölgelerinde meydana gelen gerilmelerin daha hassas incelenebilmesi için ağ yapısı, kaynak bölgelerinde arttırılmıştır. Levhalarımızın mesh(ağ) yapılarında, kaynak bölgelerimizde altı düğümlü üçgen elemanlar ve levhalarımız için sekiz düğümlü dörtgen elemanlar kullanılmıştır. Şekil 3. Geçiş bölgelerinin ağ yapısı

5 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı Malzemenin mekanik özellikleri Çalışmada, birleştirme yapılan levhalarımız için aynı malzeme seçilmiştir. Levhalarımızın birleştirilmesinde ise S355 kalitesindeki alaşımsız yapı çeliği kullanılmıştır. S355 kalitesindeki yapı çeliğinin EN standartlarına göre kimyasal bileşimi ve mekanik özellikleri Çizelge 1 ve Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 1. Kullanılan yapı çeliğinin kimyasal bileşimi Eriyik Analizi (%) C Si Mn P S N 0,20 0,55 1,60 0,040 0,040 - Çizelge 2. Kullanılan çeliğinin mekanik özellikleri. Çekme Dayanımı R m (N/mm 2 ) Akma Dayanımı ReH(N/mm 2 ) Min 345 Uzama % 20 Çentik-Darbe Dayanımı ISO-V(j) -20 C de min 27 Poisson Oranı (v) 0,3 Elastisite Modülü (E) (GPa) 200 Yoğunluk (ρ) (kg/m 3 ) Mekanik ve termal denklemler Kaynaklı birleştirmemizde kaynak metali oda sıcaklığına ulaşmıştır ve gerilmelerimiz kaynaklama işlemi sonrası olarak incelenmiştir. Kaynaklama işlemleri yüksek sıcaklık derecelerine bağlıdır, sıcaklık derecesi iki zaman aralığında geçici olarak bir extrapolasyon metodu ile hesaplanabilir. τ T ( τ ) = T ( t t) + [ T ( t t) T ( t 2 t) ] (1) t Sıcaklık derecesine bağlı malzeme katsayısı g ile belirtilmektedir, T(τ) nin fonksiyonudur. Malzeme katsayısında t zaman olarak belirtilmektedir. 1 g = g t ) t t t [ T ( τ ] dτ (2) Mekanik denklemler; Mekanik modelin anlatımında iki temel denklem belirlenmiştir, bunlar; denge denklemleri ve yapı denklemleridir. İşlemlerimiz bu denklemler hesaba katılarak takip edilmiştir. a-) Denge denklemleri σ ij, j + ρbi = 0 ve σ ij = σ ji (3) σ ij çekme gerilmeleri ve b i levhamızı etkileyen kuvvettir. b-) Elasto-plastik malzeme için yapı denklemleri Elasto-plastik malzeme modeli temelinde Von Mises akma kriteri ve izotropik şekil değiştirme sertleşmesi kuralı hesaba katılmıştır. Gerilme-gerinme ilişkileri şöyle yazılabilir;

6 86 Aynı Kalınlığa Sahip Levhaların Alın Kaynağı İle Birleştirme Durumları e p th e p e p [ dσ ] = [ D ][ dε ] [ C ]dt ve [ D ] [ D ] + [ D ] e p th Burada [ D ] elastik sertleşme matrisini, [ D ] plastik sertleşme matrisini, [ ] = (4) d σ gerilme artışını, d ε şekil değiştirme artışını, dt sıcaklık artışını göstermektedir. 4. Bulgular ve Tartışma C termal sertleşme matrisini, Kaynak geçiş bölgelerindeki meydana gelen gerilme dağılımları Şekil 4 de gösterilmiştir. Farklı geçiş formlarına sahip levhalarımızda maksimum gerilme, keskin köşe geçişlerine sahip levhada meydana gelmektedir. Kaynak geçiş bölgelerinde maksimum gerilmenin meydana geldiği bölgeler, kritik bölge olarak nitelendirilebilir. Problemlerimizde ele alınan gerilme değerleri X ve Y yönlerindeki gerilme değerleridir. Bu gerilme değerleri tek tek ele alınmıştır. Genel olarak kaynak geçiş bölgelerinin başlangıcında maksimum gerilmeler meydana gelmiştir. Kaynak boyunca bu gerilmelerde azalma olduğu görülmüştür. Şekil 4 de X yönünde meydana gelen gerilmeler ve Şekil 5 de ise Y yönünde meydana gelen gerilmeler gösterilmiştir. Şekil 4. X yönünde meydana gelen gerilmeler Kaynak yapılan parçaların kalınlıkları aynı olduğunda gerilme değerlerinde önemli azalma meydana gelmektedir. İlk kaynak noktasından başlayarak farklı geçiş formları ile gerilme değerleri düşmekte ve belirli bir kaynak uzunluğundan sonra gerilme değerleri aynı değerde kalmaktadır. Aynı zamanda kritik bölgeden uzaklaştıkça farklı geçiş formları ve uzunlukları için gerilme değerlerinde önemli değişmeler gözlenmemiştir. Literatür sonuçları göz önüne alındığında kullanılan yönteme bağımlı olarak alınan sonuçların benzeştiği görülmüştür. Wu ve arkadaşları[5], alın kaynağını sonlu elemanlar yöntemi ile incelemiş ve meydana gelen gerilmeleri simule etmiştir. Elde ettikleri sonuçlar ve izlenilen yöntem bakımından bulgularımızla benzer noktalar taşımaktadır. Levhalarımızın kaynak geçişlerine ait maksimum ve minimum gerilme değerleri Şekil 6 da gösterilmiştir.

7 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı Sonuç Şekil 5. Y yönünde meydana gelen gerilmeler Çalışmada, farklı geçiş bölgelerine sahip kaynaklı levhaların geçiş bölgelerinde meydana gelen X ve Y yönlerindeki gerilmeler arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Farklı kaynak geçiş formları için bulunan gerilme değerleri kıyaslanmıştır. Levhalarımızın eksenel simetri ve iki boyutlu olarak düzlem gerilme durumları göz önünde bulundurulmuştur. Çözümlerimizde sonlu elemanlar metodu ve yazılımı kullanılmıştır. Levhalarımızın kaynak bölgelerinin analizinde, maksimum gerilmelerin olduğu bölgelerde gerilme değişimleri oluşmakta ancak diğer kısımlarda önemli gerilme artışı olmamaktadır. Üç farklı kaynak geçiş formumuzun analiz sonuçlarına göre X yönünde meydana gelen maksimum gerilme değeri yani maksimum kritik bölge, dışbükey geçiş bölgesinde en yüksek olmuştur. X yönündeki max gerilme değeri MPa dır. Y yönünde meydana gelen maksimum gerilme değeri yani maksimum kritik bölge, düz geçiş bölgesinde en yüksek olmuştur. Y yönündeki max gerilme değeri MPa dır. En az kritik bölge değeri ise X yönünde içbükey geçiş bölgesinde meydana gelmiştir. Düz geçişli kaynak formu ile dışbükey geçişli kaynak geçiş formlarımızın gerilme değerleri birbirine yaklaşık çıkmıştır. Dışbükey kaynak geçiş formuna sahip levhalarımızda kritik bölgeden sonra kaynak boyunca gerilme değerleri hızla azalmıştır. Maksimum gerilmeler birinci levhamızdan ikinci levhamıza geçişin başladığı ilk noktalarda meydana gelmiştir. Minimum gerilmeler ise levhalarımızın uç bölgelerinde oluşmuştur.

8 88 Aynı Kalınlığa Sahip Levhaların Alın Kaynağı İle Birleştirme Durumları Şekil 6. Kaynak geçişlerine ait maksimum ve minimum gerilme değerleri (MPa) Kaynaklar 1. Leng T.S., Fung C.P., Chang P.S., Effect of Weld Geometry and Residual Stresses on Fatigue in Butt- Welded Joints, Int.J.of Pressure Vessels and Piping, 79: , Doerk O., Fricke W., Weissenborn C., Comparison of Different Calculation Methods for Structural Stresses at Welded Joints, Int. Journal of Fatigue, 25: , Özsoy M., Kaluç E., Sürtünen eleman ile birleştirme kaynağının esasları, Mühendis ve Makine, 513, Yavuz N., Özcan R., Polat F.G., Tozaltı Kaynak Bağlantısının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Termal ve Mekanik Analizi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 10, Sayı 2, Wu A., Syngellakıs S., Mellor B.G., Finite Element Analysis of Residual Stresses in a Butt Weld, The Post Graduate Conference in Engineering Materials Proceedings, University of Southampton, Teng T.L, and Lın C.C., Effect of Welding Conditiond an Residual Stresses Due to Butt Welds, International Journal of Pressure Vessels and Piping, , 1998.

9 TEKNOLOJİ, Cilt 10, (2007), Sayı Jang G.B., Kım H.K., Kang S.S., The Effects of Root Opening on Mechanical Properties, Deformation and Residual Stres of Weldments, Welding Journal Research Supplement, 80 89, Chana W., Guob L., Lib Z.X., Finite Element Modelling for Fatigue Stress Analysis of Large Suspension Bridges, Journal of Sound and Vibration, 261: , Özgeçmişler Arif GÖK, 1981 yılında Zonguldak ta doğmuştur. Orta ve lise öğrenimini bu ilde bitirdi yılında Dumlupınar Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümde lisans eğitimini tamamladı. Lisans eğitimini tamamladığı yıl Afyon Kocatepe Üniversitesinde Yüksek lisans eğitimine başladı. Şu anda Kastamonu Üniversitesi Meslek Yüksekokulu nda öğretim görevlisi olarak çalışmaktadır. (arifgok8@hotmail.com) Kadir GÖK, 1980 yılında Zonguldak ın Kozlu ilçesinde doğmuş olup, ilk ve orta öğrenimini bu ilçede tamamladı yılında Zonguldak Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi Makine bölümünden mezun oldu. Aynı yıl Gazi Üniversitesi Makine Eğitimi bölümünü kazandı yılında bu bölümden mezun oldu yılında Dumlupınar Üniversitesi Kütahya Meslek Yüksekokulunda Öğretim Görevlisi olarak göreve başladı. Temmuz 2006 tarihinde Afyon Kocatepe Üniversitesi nde Yüksek Lisansını tamamlamıştır. (kadirgok67@hotmal.com) H. Güran ÜNAL, 1972 yılında Ankara da doğdu. Orta ve Lise öğrenimini Ankara Anadolu Lisesi Fransızca Bölümünde 1989 yılında tamamladı yılında Gazi Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları A.B.D da 1999 da Yüksek Lisansını, 2005 yılında Doktorasını tamamladı. Halen 1996 tarihinden beri görev yaptığı Kastamonu Üniversitesi Meslek Yüksekokulu Makine Programında Öğretim Görevlisi olarak çalışmaktadır. Evli ve iki çocuk babasıdır. İngilizce, Fransızca ve Rusça bilmektedir. (guran37@hotmail.com) Mehmet Ali ALKAN 1978 yılında Muğla da doğdu. Orta ve Lise öğrenimini Muğla Endüstri Meslek Lisesi tamamladı yılında Dumlupınar Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümde lisans eğitimini tamamladı. Şu anda Muğla Üniversitesi Ula Meslek Yüksekokulu nda öğretim elemanı olarak dışarıdan derslere katılmaktadır. (mehmetalkan48@hotmail.com)