TIG KAYNAĞI İLE KAYNATILMIŞ OTOMOTİV SACLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ. Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ

Transkript

1 TIG KAYNAĞI İLE KAYNATILMIŞ OTOMOTİV SACLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2013 ANKARA

2 TIG KAYNAĞI İLE KAYNATILMIŞ OTOMOTİV SACLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ METAL EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEMMUZ 2013 ANKARA

3 Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU tarafından hazırlanan TIG KAYNAĞI İLE KAYNATILMIŞ OTOMOTİV SACLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç.Dr.Behçet GÜLENÇ Tez Danışmanı, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği... Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Metal Eğitimi Anabilim Dalı Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç.Dr.Ahmet DURGUTLU Metalürji ve Malzeme Mühendisliği, G.Ü.... Doç.Dr.Behçet GÜLENÇ Metalürji ve Malzeme Mühendisliği, G.Ü.... Yrd.Doç.Dr.Yakup TURGUT İmalat Mühendisliği, G.Ü.... Tez Savunma Tarihi :.././2013 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof.Dr.Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü...

4 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU

5 iv TIG KAYNAĞI İLE KAYNATILMIŞ OTOMOTİV SACLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Temmuz 2013 ÖZET Bu çalışmada otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılan sacların deformasyon davranışları, TIG ve oksi-gaz yöntemleri ile yapılan bağlantıların mekanik özellikleri incelenmiştir. TIG kaynağında koruyucu gaz olarak saf argon gazı kullanılmıştır. Kaynaklı birleştirmeler sonrası elde edilen numunelere çekme testi uygulanmış ayrıca mikroyapı ve mikro sertlik incelemeleri yapılmıştır. Derin çekilmiş numunelerin yapılan inceleme sonuçlarında herhangi bir makro veya mikro çatlaklara rastlanmamıştır. Yapılan sertlik testleri sonucunda, en yüksek sertlik değerleri kaynak metalinden ölçülürken onu sırasıyla ITAB ve ana malzeme takip etmektedir. Çekme testleri sonucunda her iki tür birleştirmelerde de en yüksek çekme dayanımı, TIG kaynağında elde edilmiştir. Kaynaklı numunelerin yapılan mikroyapı incelemeleri sonucunda kaynak bölgesi klasik yapı çeliklerinden farklı bir durum ortaya çıkarmıştır. İncelemeler sonucunda ITAB ın geçiş bölgeleri net bir şekilde ayırt edilememiştir. Yapılan testler sonucunda EN 10204/2004/3.1 S235JR+AR çeliğinin derin çekmeye müsait, kaynak kabiliyeti yüksek bir malzeme olduğu tespit edilmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : TIG kaynağı, otomotiv sacları, karışım gaz, çekme testi, mikroyapı ve mekanik özellikler Sayfa Adedi : 110 Tez Yöneticisi : Doç.Dr.Behçet GÜLENÇ

6 v INVESTIGATION OF THE MECHANICAL PROPERTIES OF AUTOMOTIVE SHEET METALS WELDED WITH TIG WELDING METHOD (M.Sc.Thesis) Mehmet Necmettin SEYİTOĞLU GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOLL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES July 2013 ABSTRACT In this study deformation behavior of sheet metal widely used in the automotive industry, the mechanical properties of connections made with TIG and oxy-gas methods are examined. Pure argon gas was used in TIG welding as shielding gas. The tensile test was applied to the samples obtained after welded joints and microstructure and micro-hardness tests were performed also. The results of the examination of samples of deep-drawn any macro or micro-cracks were found. As a result of the hardness tests, the highest hardness values measured in weld metal, respectively, it is followed by ITAB and the main material. As a result of tensile tests, the highest tensile strength of both types of joints is obtained in TIG welding. As a result of the micro structure analysis of the welded samples the welding zone has revealed a different situation than the classical structural steels. As a result of examinations, the transition zones of ITAB could not be distinguished clearly. As a result of the tests available it has been found that EN 10204/2004/3.1 S235JR+AR steel is suitable for a deep draw and has a high welding ability. Science Code : Key Words : TIG welding, stainless stel, gas mixture, microstructure and mecchanical properties Page Number : 110 Adviser : Assoc.Prof.Dr.Behçet GÜLENÇ

7 vi TEŞEKKÜR TIG Kaynak ile Kaynatılmış Otomotiv Saclarının Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi adlı güncel bir çalışmayı öneren, kıymetli fikir ve önerileriyle bana yol gösteren, tez çalışmamın planlama ve uygulaması süresinde en kısıtlı zamanlarda bile yardımlarını esirgemeyen değerli hocam Doç. Dr. Behçet GÜLENÇ e teşekkürü bir borç bilirim. Bilgiye ve kaynaklara ulaşmamda teşvik eden, çalışmalarım sırasında sabrı ile bana büyük destek veren can dostum Yrd.Doç.Dr. Uğur ARABACI ya minnettarım, şükranlarımı sunarım. Deneylerde kullanılacak otomotiv saclarının Bursa Renault tan temin edilmesinde ve teknik olarak tüm olanaklarını kullanmamı sağlayan Bursa LT Endüstriyel Ltd.Şti. Fabrika Müdürü Sayın Ömer SEYİTOĞLU nezdinde tüm teknik ve idari personellerine teşekkürlerimi sunarım. Hayatımın her anında yanımda olan ve beni yüreklendiren annem Fahriye SEYİTOĞLU ve babam Mehmet Necip SEYİTOĞLU na, tezimin gerçekleştirilmesi sırasında her türlü desteğini esirgemeyen değerli eşim Hilal SEYİTOĞLU na teşekkürlerimi sunarım. Tezimin sonuçlarının ülkeme yararlı olmasını temenni ederim.

8 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiii SİMGELER VE KISALTMALAR... xv 1. GİRİŞ OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN ÇELİKLER Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Çelikler ve Saclar Düşük mukavemetli saclar DMS Yumuşak saclar (Mild Steels) Arayer atomsuz saclar (IF Steels) Yüksek mukavemetli saclar (Konvaniyonel) Fırında sertleşebilen saclar (BH Steels) Yüksek mukavemetli arayer atomsuz saclar (IF-HS Steels) Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı saclar (HSLA Steels) Geliştirilmiş yüksek mukavemetli saclar (GYMÇ ~ GYMS) Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Sacların Avantajları Araç güvenliği Çevresel nedenler Araç maliyeti... 22

9 viii Sayfa 3. OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN SACLAR Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlı Saclar Alüminyumun elde edilmesi ve genel özellikleri Alüminyum alaşımlarının sınıflandırılması, standart gösterimleri ve uygulanan sertleştirme işlemlerine göre simgelendirilmesi Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının otomotiv endüstrisinde kullanımı Silisli Saclar Özellikleri Si elementinin çeliğe etkileri Kristolografik tekstürün etkisi Silisli sacların otomotiv endüstrisinde kullanımı OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN KAYNAK YÖNTEMLERİ Alüminyum Alaşımı Sacların Direnç Nokta Kaynağı (RSW) ve Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) Yöntemleri İle Birleştirilmesi Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynak kabiliyeti Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağını etkileyen faktörler Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarına Uygulanan Basınç Kaynak Yöntemleri Genel Elektrik direnç kaynağı TIG KAYNAĞI Metodun Tanımı TIG kaynak tekniğinin gelişimi... 50

10 ix Sayfa Metodun uygulama şekilleri TIG kaynak metodunun avantaj ve dezavantajları TIG kaynak metodunun çalışma prensipleri TIG Kaynağında Kullanılan Elemanlar Güç Kaynakları Doğru Akım Kademeli Akım Alternatif Akım Yüksek Frekans Akımı Kullanılan Kaynak Makineleri Jeneratör ve alternatör tipi kaynak makineleri Transformatör-redresör tipi kaynak makineleri Üç fazlı redresör tipi kaynak makineleri Transformatör tipi kaynak makineleri Kullanılan Torçlar (Üfleçler) Koruyucu Gaz Sistemi Argon Helyum Argon-Helyum karışımı Argon-Hidrojen karışımı Azot TIG Kaynağında Tel Besleme Cihazları Elektrodlar... 69

11 x Sayfa Elektrot uçlarının hazırlanması Kullanılan dolgu telleri TIG kaynak metodunda kaynak prosedürü DENEYSEL ÇALIŞMALAR Genel Deneylerde Kullanılan Malzeme Derin Çekme Koruyucu Gaz Sertlik Testi Çekme Testi Mikroyapı Çalışmaları DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA Derin Çekme Makroyapı sonuçları Mikroyapı sonuçları Sertlik Testi Çekme Deneyi Test Sonuçları Mikroyapı Çalışmaları SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ

12 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Farklı kalitelerde Y.M. sacların özellikleri... 5 Çizelge 2.2. Çift fazlı sacların kimyasal bileşimi Çizelge 2.3. Farklı çekme mukavemet değerlerine sahip sacların parça ağırlığına etkisi Çizelge 3.1. Alüminyumun genel özellikleri Çizelge 3.2. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının ürün biçimleri ve uygulama alanlarının malzeme türüne göre sınıflandırılması Çizelge 3.3. Alüminyum Birliği tarafından geliştirilen standardizasyona göre dövme alüminyum alaşımlarının simgelendirilmesi Çizelge 3.4. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının temel ısıl (temperleme) işlemlerinin gösterimi Çizelge 3.5. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının H (sertleştirme) işlemlerinin alt bölümlerinin gösterimi Çizelge 3.6. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının T (ısıl işlem) işlemlerinin alt bölümlerinin gösterimi Çizelge 5.1. Çeşitli malzemelerin kaynağı için tavsiye edilen tungsten elektrod ve koruyucu gaz cinsleri Çizelge 5.2. Bazı sınai gazların özellikleri Çizelge 5.3. AWS ye göre elementlerin sınıflandırılması cinsleri Çizelge 5.4. Çeşitli malzemelerin kaynağı için tavsiye edilen tungsten elektrot ve gaz cinsleri Çizelge 5.5. Tungsten elektrotların çaplarına ve tiplerine göre kullanılan akım oranları Çizelge 5.6. TIG kaynağında kullanılan dolgu tellerinin AWS ye göre sınıflandırılması Çizelge 5.7. Alüminyum ve bakır kaynağında kullanılan dolgu tellerinin kimyasal kompozisyonlarına göre sınıflandırılması... 74

13 xii Çizelge Sayfa Çizelge 5.8. Alüminyum + Alüminyum alaşımları için verilen değerler Çizelge 5.9. Bakır + Bakır alaşımları için verilen parametre değerleri Çizelge Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı çelikler için verilen parametre değerleri Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen parametre değerleri Çizelge Alüminyum+ Alüminyum alaşımları için verilen değerler Çizelge Bakır+Bakır alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Çizelge Alüminyum+Alüminyum alaşımları için verilen değerler Çizelge Bakır+Bakır alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Çizelge Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı karbonlar için verilen değerler Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Çizelge 6.1. Deneylerde kullanılan sacın kimyasal kompozisyonu Çizelge 6.2. Derin çekme parametreleri Çizelge 7.1. Sertlik ölçüm sonuçları Çizelge 7.2. TIG ile kaynatılmış 3 numuneye ait çekme sonuçları Çizelge 7.3. Oksi-gaz ile kaynatılmış numunelerde çekme testi sonuçları... 99

14 xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Mekanik özelliklerinin artışına göre çeliğin gelişimi... 5 Şekil 2.2. Çift fazlı sacın mikroyapısı Şekil 2.3. Farklı malzemelerin gerilim - gerinim grafikleri Şekil 2.4. GYMÇ ve YMÇ lerin fırında sertleşebilirlikleri Şekil 2.5. Otomobili oluşturan çeliklerin kullanım yerleri ve çeşitleri Şekil 2.6.TRIP sacların mikroyapısı Şekil 2.7. TRIP ve HSLA saclarında delik uzamasının karşılaştırılması Şekil 2.8. Farklı malzeme türlerinin gerilim- gerinim grafikleri Şekil 2.9. Martenzit yapılı malzemenin karbon miktarının çekme mukavemeti ile ilişkisi Şekil Farklı malzemelerin enerji emme miktarlarının karşılaştırılması Şekil 4.1. Alüminyumun hidrojen çözünebilirliği Şekil mm kalınlığında TIG kaynaklı parçada, çok ince dağılmış gözenekler Şekil 4.3. Köşe kaynağında alüminyum oksit filmi Şekil 4.4. Başlıca direnç kaynağı usullerinin şematik olarak gösterilmesi Şekil 5.1. TIG kaynağı çalışma prensibi Şekil 5.2. Kaynak yönteminin şematik gösterimi Şekil 5.3. Sabit akım tipi kaynak makinelerinde tipik volt-amper eğrileri Şekil 5.4. TIG kaynağı donanımı Şekil 5.5. Su soğutmalı bir TIG kaynak ekipmanının temel elemanları Şekil 5.6. Kademeli (darbeli) akım Şekil 5.7. TIG kaynak torcu ve elemanları... 65

15 xiv Şekil Sayfa Şekil 5.8. Kaynak ağzı (küt alın) ve birleştirme şekilleri Şekil 5.9. Kaynak ağzı (V kaynak ağzı) ve birleştirme şekilleri Şekil Kaynak ağzı (köşe ve bindirme) ve birleştirme şekilleri Şekil 6.1. Form verilmiş yuvarlak bir kabın duvarlarındaki gerilme etkileri Şekil 6.2. Deneylerde kullanılan kalıp geometrileri Şekil 6.3. Deneysel çalışmaların yapıldığı pres tezgâhı ve kalıp seti Şekil 6.4. Sertlik ölçüm cihazı Şekil 6.5. Vickers sertlik testi Şekil 6.6. Sertlik ölçüm numunesi ve ölçüm noktaları Şekil 6.7. TS 138 EN e göre çekme numunesi standardı Şekil 6.8. Çekme ve eğme deneylerinin yapıldığı test cihazı Şekil 6.9. Mikroyapı çalışmalarında kullanılan parlatma cihazının görüntüsü Şekil Mikroyapı çalışmalarının yapıldığı optik mikroskop Şekil 7.1. Makro yapı görüntüleri Şekil o açı ve 7350 N kuvvetle çekilmiş parçaların mikroyapı görüntüsü Şekil o açı ve 4900 N kuvvetle çekilmiş parçaların mikroyapı görüntüsü Şekil o açı ve 4900 N kuvvetle derin çekilmiş parçaların mikroyapıları Şekil 7.5. TIG kaynağında ana malzeme ve alın alına birleştirilmiş numunelerin çekme grafikleri Şekil 7.6. Oksi-gaz kaynağında ana malzeme ve alın alına birleştirilmiş numunelerin çekme grafiği Şekil 7.7. Deneysel çalışmalarda kullanılan numunelere ait mikroyapı fotoğrafı Şekil 7.8. Saf argon koruyucu gazı altında birleştirilen numunenin mikroyapı görüntüsü Şekil 7.9. Oksi gaz altında birleştirilen numunenin mikroyapı görüntüsü

16 xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Ar C Creş Cu H2 He I Mo Ni Nieş Pt V W Açıklama Argon Malzeme Sabiti Krom Eşdeğerliği Bakır Hidrojen Helyum Akım Molibden Nikel Nikel Eşdeğerliği Platin Vanadyum Watt Kısaltmalar AC AISI DC DIN EN HSLA IF MAG MIG TIG Açıklama Alternatif Akım American Iron and Stell Institue Doğru Akım Deuchland International Norms European Norms Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı Çelikler International Free (Arayer Atomsu Çelik) Metal Active Gas Metal Inert Gas Tungsten Inert Gas

17 1 1. GİRİŞ Metallerin birleştirilmelerinde kullanılan en yaygın yöntem kaynaklı birleştirme yöntemleridir. Bütün kaynak yöntemlerinde kaynak bölgesi ve kaynak metalinin havanın olumsuz etkilerinden korunması gerekmektedir. TIG kaynak yönteminde inert gazlar bu görevi üstlenmektedir. TIG kaynak yönteminde ergimeyen tungsten elektrod ile kaynak edilen parça arasında elektrik arkı oluşur. Kaynak banyosu genellikle argon olan bir soy gaz ortamı tarafından korunur. Kaynak işlemi kaynak edilen parçaların sadece kendi aralarında ergitilmesi ya da ana metal ile benzer yapıya sahip çubuk şeklindeki bir ilave katkı metalinin kullanılması ile gerçekleştirilebilir. Çubuk şeklindeki kaynak teli, oluşturulan elektrik arkında ergitilir. Ark kıvılcımı tungsten elektrodun iş parçasına değdirildikten sonra birkaç milimetre yukarıya kaldırılması (Lift-TIG) ya da parça ile tungsten elektrod arasında oluşturulan yüksek frekanslı yüksek voltaj boşalması ile sağlanır (HF-TIG). Aynı şekilde oksi-gaz kaynağında da alev sıcaklığı ile parçalar ve ilave tel ergitilerek birleştirme yapılır. Oksi-gaz kaynağı da otomotiv saclarının özellikle tamir bakım işlemlerinde yaygın olarak kullanıldığı bilinen bir gerçektir. Otomotiv sanayinde kullanılan sacların kaynak kabiliyeti kadar şekillendirilebilme özellikleri de büyük önem arz etmektedir. Bu sebeple kaynatılacak olan parçaların derin çekme testleri ile şekillendirilebilirlik özellikleri incelenmiştir. Otomotiv sanayinde öncelikli beklenti yüksek kalitedir. Birçok sanayi koluyla beraber çalışan otomotiv sanayinde, yüksek teknolojinin kullanıldığı üretim sistemleri, daha kaliteli daha az maliyetli araçlar üretmek için büyük yatırımlarla kurulmaktadır. Aracın tasarım, prototip, önseri ve seri üretim çalışmalarında yüzlerce mühendis daha yüksek kalite için çalışmaktadır.

18 2 Bu çalışmada otomotiv sacları TIG ve oksi-gaz kaynak yöntemleri ile kaynatılmış; kaynak yöntemlerinin kaynak kabiliyeti test edilmiştir. Numuneler üzerinde mikroyapı, mikro sertlik ve çekme deneyleri uygulanmış olup kaynak yöntemlerinin aralarındaki farklar, işlemin istenilen şartlarda uygulanıp uygulanmadığı, beklenen sonuçların gerçekleşip gerçekleşmediği belirlenmiştir. Araştırmanın ilk bölümünde otomotiv sacları ile ilgili genel bilgilere yer verilmiş ve otomotiv saclarının özellikleri ile kaynak kabiliyetleri irdelenmiştir. Otomotiv endüstrisinde kullanılan kaynak yöntemleriyle devam edilerek TIG kaynak yönteminin özellikleri karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Deneysel çalışmaların açıklandığı bölümün ilk basamağında numunelerin hazırlanması, kullanılan yöntemler, makine ve ekipmanlar ile standartları belirtilerek TIG ve oksi-gaz kaynaklarının uygulanması, elde edilen sonuçların değerlendirilmesi ile tamamlanmıştır.

19 3 2.OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN ÇELİKLER Otomotiv endüstrisinin başlangıcından günümüze kadar çelikler bu endüstride alternatifsiz olarak kullanılmaktadır. Birçok endüstri alanı için itici güç olmayı sürdüren otomotiv endüstrisine bakıldığında bugün sadece Amerika da yılda 18 milyon otomobil üretildiği görülmektedir. Kuzey Amerika da sadece otomobiller için 16 milyon ton çelik kullanılmaktadır [AISI, 2003]. Çelik sac malzemelerle, çeşitli makine ve çelik konstrüksiyonların gövde panelleri, kasa iskeletleri, vites parçaları, elektrik motorları, güvenlik parçalarında kullanılacak olan malzemeler, ürün kalitesini etkilemekte ve kullanım amaçlarını karşılamada önemini artırmaktadır. Enerji verimliliğinin öncelik kazanması, elektrik motorlarındaki güç kayıplarının azaltılmasının ve çelik kalitesinin referans alınması, niteliğe olan talebin yükselmesi çelik saç malzemeler üzerinde farklı yaklaşımların yapılması zorunluluğunu beraberinde getirmiştir. Malzeme seçiminde en önemli parametreler hammadde ve yöntem maliyeti, kalite ve sağlamlık, sürekli malzeme temin edilebilirlik, mukavemet ve korozyon gibi fonksiyonel özellikler, üretim yöntemleri, oluşan atıklar ve geri dönüşebilirliktir. Çelik bu koşulların hemen hepsine olumlu yanıt vermektedir [AISI, 2003]. Enerji kaynaklarının korunması için bir otomobilin geliştirilmesinde temel alınan üç temel öğe vardır. Bunların başında yakıt tüketiminin azaltılması ve motor emisyonlarının başında gelen CO hacim oranının ve yakıt tüketiminin azaltılması gelmektedir. Bunun için yapılabilecekler ise; - Motor ve sürüş sisteminin verimliliğinin arttırılması, - Yorulma dayanımının azaltılması (Aerodinamik dizayn, vb.), - Otomobillerin hafifletilmesi, - Otomobil boyutlarının küçültülmesi, - Gövde yapısının değiştirilmesi, - Gövdede daha hafif malzemelerin kullanılması şeklinde tarif edilebilir.

20 Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Çelikler ve Saclar Bu bölümde sac veya sac malzeme şeklinde geçen tüm tanımlar çelik malzeme olarak algılanmalıdır. Örnek olarak, İngilizcede Dual Phase Steels olarak geçen tanımın tam olarak Türkçe karşılığı Çift Fazlı Çelikler olsa da bu dokümanda Çift Fazlı Saclar olarak geçmektedir. Sac malzemelerin sınıflandırılmasında tüm dünyada kabul gören ve kullanılan bir sistem bulunmamaktadır, günümüzde yaygın olarak kullanılan metod, sac malzemelerin metalürjik özelliklerine göre yapılan sınıflandırma metodudur [AHSS Application Guidelines, 2005]. IF : Intersititial Free Steels MILD : Mild Steels BH : Bake Hardenable Steels IS : Isotropic Steels IF-HS : High Strength Intersititial Free Steels CMn : Carbon Manganese Steels HSLA : High Strength Low Alloy Steels TRIP : Tranformation Induced Plasticity Steels DP : Dual Phase Steels CP : Complex Phase Steels MART : Martensitic Steels LSS : Low Strength Steels HSS : High Strength Steels Arayer Atomsuz Saclar Yumuşak Saclar Fırında Sertleşebilen Saclar İzotropik Çelikler Yük. Mukavemetli Arayer Atomsuz Saclar Karbon Manganezli Saclar Yüksek Muk. Düşük Alaşımlı Saclar Dönüşümle Oluşturulan Plastisite Sacları Çift Fazlı Saclar Kompleks Fazlı Saclar Martenzitik saclar ikinci sınıflandırma metodu sacların mukavemet değerlerine göre yapılır. Düşük Mukavemetli Saclar (DMS) Çekme Mukavemet değer aralığı yaklaşık MPa dır. Yüksek Mukavemetli Saclar (Konvaniyonel) (YMS) Çekme Mukavemet değer aralığı yaklaşık

21 5 AHSS : Advanced High Strength Steels MPa dır. BH, IS, IF-HS, CMn Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Çelikler (GYMÇ) Çekme Mukavemet değeri MPa dür. TRIP, DP, CP, MART Otomotiv endüstrisinde kullanılan çelikler literatürde birçok farklı şekilde tanımlanmaktadır. Metalürjik açıdan ele alırsak yapılan genel sınıflandırma; düşük mukavemetli çelikler (IF ve Yumuşak Çelikler), konvansiyonel yüksek mukavemetli çelikler (C- Mn, fırınlama serleştirilmesi yapılmış, yüksek mukavemetli IF ve yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler) ve ileri teknoloji ürünü yüksek mukavemetli çelikler şeklindedir. Kullanılan ikinci bir sınıflandırma ise mekanik özelliklere, özellikle de mukavemet değerlerine dayanmaktadır. Yüksek mukavemetli çelikler (HSS) MPa çekme mukavemetine sahiptirler. Ultra yüksek mukavemetli çelikler (UHSS) ise 700 MPa dan daha yüksek çekme mukavemetli çeliklerdir [Takahashi, 2006]. Şekil Mekanik özelliklerinin artışına göre çeliğin gelişimi [Takahashi, 2006]

22 6 Şekil 2.1 de farklı kalitelerde yüksek mukavemetli sacların özellikleri verilmiştir. Mavi renkte gösterilenler Konvansiyonel Yüksek Mukavemetli saclar, yeşil renkli olanlar ise Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli saclardır [Anonim, 2005]. Her sac üreticisinin patentli malzemeleri bulunmaktadır, bu malzemeler de belirtilen sınıflar içerisine dahil edilebilir. Örnek olarak Avrupa nın en önemli sac üreticilerinden Arcelor Firmasının GYMÇ sınıfına giren Usibor ve Ferrit Beynit kaliteleri olarak adlandırılan ürünleri vardır. Sac malzemelerin çekme mukavemet değerlerine göre gruplandırılması Şekil 2.1 de gösterilmiştir. Sac çekme mukavemet değeri arttıkça önemli bir form verilebilirlik kriteri olan uzama değer hızla düşmektedir. En yüksek uzama değerleri düşük mukavemetli saclarda elde edilebilmektedir. Konvansiyonel yüksek mukavemetli sacların (HSLA) maksimum 800 MPa çekme mukavemet değerlerinde kullanılmaları (daha yüksek mukavemet değerlerinde form verilebilirlikleri çok düşüktür) dikkat çekicidir, aynı çekme mukavemet değerine sahip HSLA, DP ve TRIP sacları incelendiğinde DP ve TRIP sacları için uzama değerlerinin daha yüksek olduğu görülmektedir. Çizelge 2.1. Farklı kalitelerde Y.M. sacların özellikleri [Anonim, 2005]

23 7 Üçüncü sınıflandırma ise sadece yüzde uzama değerlerini dikkate alan bir sınıflandırmadır. Burada önemli olan nokta, ileri teknoloji ürünü (AHSS) çelik grubunun, HSS ve UHSS çelik ailelerine göre aynı mukavemet değerlerine sahip olmakla birlikte çok daha yüksek uzama göstermesidir. Mukavemet artışına bağlı olarak; Yüksek Mukavemetli Konvansiyonel Çelikler (HSS), İleri Teknoloji Ürünü Yüksek Mukavemetli Çelikler (AHSS) ve Yüksek Mangan İçerikli Çelikler (HMS) şeklinde sıralanır. AHSS çeliklerinin mikroyapısı çoklu faz içeriğine sahiptir ve eşsiz mekanik özellikler sağlayan bu yapı martenzit, beynit ve kalıntı östenit fazlarını içermektedir [Takahashi, 2006] Düşük mukavemetli saclar DMS Çekme mukavemet değer aralığı yaklaşık MPa dır. Sac Kaliteleri IF, MILD malzeme kısa tanımlarında belirtilen değerler minimum akma mukavemet değerleridir. Örnek olarak IF300 arayer atomsuz sacının minimum akma mukavemeti 300 MPa dır Yumuşak saclar (Mild Steels) Yumuşak saclar ferritik yapıdadırlar. Yüksek normal anizotropi değerine (rm) sahip olduklarından dolayı derin çekmeye uygundurlar. Akma mukavemetleri 100 MPa seviyelerinde olan yumuşak sac kaliteleri mevcuttur, bunlar özellikle çekilmesi çok zor olan parçalarda kullanılırlar. Çekme mukavemetleri ise 400 MPa seviyelerine ulaşmaktadır. Örnek: Sac malzeme kaliteleri XES, DC04, St Arayer atomsuz saclar (IF Steels) Çok az arayer atomu içeren saclar, düşük akma mukavemetleri, yüksek uzama ve iyi derin çekilebilirlik özellikleri nedeniyle çok iyi şekil verilebilirlik özellikleri gösterirler. Bu tür saclar vakum gaz giderme ekipmanları yardımıyla üretilirler. Karbonitür oluşturucu elementler ilavesi ile derin çekilebilirlik ve yaşlanmama özellikleri daha da geliştirilebilir. Bu amaçla katılan niobyumun (Nb) etkisi,

24 8 düzlemsel anizotropiyi geliştirme ve kulaklanma olayını azaltma yönündedir. Bunun nedeni soğuk haddeleme işleminden daha önce sıcak haddelenmiş yapının küçük tane boyutlu olmasıdır. Niobyumun etkisini artırmak amacıyla malzemeye titanyum (Ti) ilavesi de yapılabilir. Arayer atomsuz sacların akma mukavemetlerini artırmak için fosfor (P) kullanılabilir, fosfor genel olarak bilenen en etkili katı eriyik sertleşmesine (solid solution hardening) yol açan elementtir. Bu malzemeler fosforlu IF sacları olarak adlandırılırlar. IF sacları fosfor elementinin de eklemesi ile 260 MPa lık bir akma mukavemetine ulaşabilir. Örnek Sac Malzeme Kaliteleri: IF 180, IF 220, IF Yüksek mukavemetli saclar (Konvaniyonel) Çekme Mukavemet değer aralığı yaklaşık MPa dır. Sac Kaliteleri: BH, IS, IF-HS, CMn, HSLA Malzeme kısa tanımlarında belirtilen değerler minimum akma mukavemet değerleridir. Örnek olarak Arcelor 300BH fırında sertleşebilen sacın minimum akma mukavemeti 300 MPa dır, HSLA 400 yüksek mukavemetli düşük alaşımlı sacın minimum akma mukavemeti 400 MPa dır. Alternatif olarak kısa malzeme tanımında minimum akma ve çekme mukavemet değerleri beraber de verilebilir, örnek olarak, HSLA 350/450 sacı için minimum akma mukavemet değeri 350 MPa, minimum çekme mukavemet değeri ise 450 MPa dır Fırında sertleşebilen saclar (BH Steels) Fırında sertleşebilen saclar, otomotiv imalatçılarının preslerinde kolayca şekil verilebilen ve düşük mukavemetli çeliklerdir. Vakumla gazı giderilmiş sac malzemeler özel yaşlanma (bir çeşit akma mukavemetinde artış) karakteristikleri olan ürünler verir. Bu otomotiv sac ürünleri fırında sertleşebilir sac olarak bilinirler. Sac malzemeler preslerde form verilerek otomotiv gövdesi parçaları haline getirilmeden önce normal depolama sırasında yaşlanmaya dirençli olarak dizayn edilirler. Bununla beraber şekil vermede yaşlanmaya başlarlar ve boya pişirme fırınlarında ısıtıldıktan sonra malzeme tamamen yaşlanır. Orijinal sac özelliklerine

25 9 göre yaklaşık MPa lık bir akma mukavemeti artışı nihai parçada elde edilir. Bu tür sac malzemeler form verilebilirlikten ödün verilmeden ezilmeye dirençli (dent resistance) parçaların üretilebilmesini sağlarlar. Örnek Sac Malzeme Kaliteleri: Arcelor 160BH, Arcelor 300BH 4.6. İzotropik Saclar (IS) İzotropik saclar ferritik mikroyapıdadırlar. Düzlemsel anizotropi değeri 0 olduğu için çekme operasyonu sırasında kulaklanma riski çok küçüktür. Gererek ve çekilerek form verilebilirlik değerleri yüksektir. Düzlemsel anizotropi, Wr, çekme prosesinde oluşabilecek kulaklanma (earing) ile ilintilidir. Yüksek Wr değeri kulaklanma riski artışı anlamına gelir. Wr > 0 kulaklanma 00 ve 900 yönünde Wr < 0 kulaklanma 450 yönünde Wr = 0 kulaklanma oluşmaz: izotropik yapı Örnek Sac Malzeme Kaliteleri: Isotropic E220i, Isotropic E260i Yüksek mukavemetli arayer atomsuz saclar (IF-HS Steels) IF saclarının akma mukavemetleri genellikle düşüktür, akma mukavemetleri 150 MPa, çekme mukavemetleri ise 300 MPa civarındadır. IF saclarına fosfor, silikon ve mangan eklenerek mukavemetleri artırılmıştır. Çekme ve akma mukavemet değerleri IF saclarından yüksek olduğu için şekil verilebilirlikleri IF ye göre daha düşük, fakat diğer yüksek mukavemetli saclara göre oldukça yüksektir Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı saclar (HSLA Steels) MPa arası yüksek akma mukavemet değerlerine Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı (YMDA) saclar ile ulaşabilmek mümkündür. Bu sac grubu küçük taneli ferrit yapıya sahiptir, sacın sertleşme mekanizması genel olarak, kimyasal yapılarında içerdikleri mikroalaşım elementlerinin (Ti, V, Nb,...), karbon (C) ve/veya azot (N) ile oluşturduğu çökeltilerdir. Yüksek mukavemet değerlerine ulaşılabilmesini sağlayan alaşım elementleri olduğu için, bu saclara mikro alaşımlı saclar da denir. Kimyasal yapı içerisine mangan (Mn), fosfor (P) veya silikon (Si) eklemek mukavemet değerini daha da artırır fakat yüksek mukavemet değerlerinin

26 10 düşük form verilebilirlik anlamına da geldiği unutulmamalıdır. Örnek Sac Malzeme Kaliteleri: HSLA 240, HSLA 400, HSLA 500, HSLA Geliştirilmiş yüksek mukavemetli saclar (GYMÇ ~ GYMS) Çekme Mukavemet değer aralığı yaklaşık MPa dır. Sac Kaliteleri: DP, TRIP, CP, Mart Malzeme kısa tanımlarında belirtilen değerler minimum çekme mukavemet değerleridir. Örnek olarak DP 600 çift fazlı sacın minimum çekme mukavemeti 600 MPa dır, TRIP 800 dönüşümle oluşturulan plastisite sacının minimum çekme mukavemeti 800 MPa dır. Alternatif olarak kısa malzeme tanımında minimum akma ve çekme mukavemet değerleri beraber de verilebilir, örnek olarak, DP 350/600 sacı için minimum akma mukavemet değeri 350 MPa, minimum çekme mukavemet değeri ise 600 MPa dır. Çift Fazlı Saclar (DP Steels) Çift Fazlı malzemeler (Dual Phase) 2000 li yılların başından itibaren kullanıma başlanmıştır. Bu malzemelerin ana yapısı tamamen özel tavlama ile sacın ferritik özelliklerinin arttırılması ve böylece malzemeye kolay şekil verilebilmenin sağlanması, ikinci faz olarak da martenzitik fazın oluşturulması ki bu faz iğneli sert yapısı ile mukavemet özelliğini arttırmaktadır. Bu çelikler, ferrit matrisi içinde sert bir ikinci fazın dispersiyonundan oluşan bir mikroyapı ile karakterize edilirler. İkinci faz genellikle yaklaşık %20 lik bir seviyede olan martenzittir, ancak diğer düşük sıcaklık dönüşüm ürünleri ve kalıntı östenit de bulunabilir. Sürekli akma davranışı, düşük bir akma/çekme mukavemeti oranı, yüksek bir deformasyon sertleşmesi hızı ve yüksek seviyede üniform ve toplam uzama gösterirler. Çift fazlı çelik mikroyapısı östenitten martenzite dönüşüm için yeterince yüksek bir hızda A1 ile A3 arasındaki iki fazlı kritik bölgeden çeliği soğutma ile üretilirler. Bu çeliklerin kimyasal bileşimi bu yüzden ısıl referans sıcaklıkların ve aynı zamanda martenzite dönüşüm için kritik soğuma hızının (sertleşebilirlik) saptanmasında büyük öneme sahiptir [AISI, 2003].

27 11 Genel olarak bu çelikler % 0,1 den daha az karbon içerirler ve bu sayede nokta kaynak edilebilme kabiliyetine sahip olurlar. Tavlamayı takip eden hızlı soğutma sonucunda mikroyapıdaki martenzitin % 20 si oluşur. %1 ile 1,5 arasındaki mangan, hızlı soğutmada martenzitin oluşmasını sağlar. % 0,6 nın altındaki miktarlarda krom ve molibden de çeliğe ilave edilebilir. Silisyum, katı eriyik sertleşmesi amacıyla ilave edilir. Vanadyum, niyobyum, titanyum gibi mikro alaşım elementleri, çökelme sertleşmesi ve/veya tane boyutu kontrolü için ilave edilebilir. Fazın yapısında tavlama uzun tutularak iğne yapılı gevrek özelliğin arttırılması ile mukavemet en üst seviyeye çıkartılmaktadır. DP çelikleri yüksek mukavemet ve şekillendirilme kabiliyetleri nedeniyle tamamen otomobil gövde, panel ve kaporta parçaları için üretilmektedir. Geliştirilen bu çelik kalitesi yerine geleneksel yüksek mukavemetli ya da yumuşak çeliklerin herhangi bir kalitesi kullanıldığında ortaya çıkan en büyük problem mukavemet ve şekillendirilebilirlik özelliklerinin uyuşmamasıdır. Aslında aşırı mukavim ya da aşırı sünek malzemeler, parça optimizasyonu sırasında üretimde önemli sorunlar yaratırlar. Bu amaçla geliştirilen DP çelikleri daha ince kesitli malzeme kullanarak azalan ağırlığa karşın, artan mekanik özellikleri ile son derece önemli bir malzeme konumuna gelmiştir [AISI, 2003]. Otomobil gövde elemanlarının üretiminde, çeliklerin mekanik özellikleri başta olmak üzere çeşitli özelliklerinden yararlanılarak kullanılacak çeliğin türü belirlenmektedir. Şasi ve panellerde daha yüksek mukavemetli (Çift Fazlı-Dual Phase Steel) çelikler kullanılmakla birlikte destek braketlerinde ve destek parçalarında plastik şekil değiştirebilme özelliği ön plana çıkabilmektedir [AISI, 2003].

28 12 Şekil 2.2. Çift fazlı sacın mikroyapısı [AHSS Application Guidelines, 2005] Yapı içerisinde ferrit ve martensit ile birlikte düşük oranlarda kalıntı östenit ve malzemenin kenarlarına yakın bölgelerinde malzemenin yırtılmadan uzayabilme w(gerilebilme) direncini artıran beynit fazları da bulunabilir, özellikle delik kenarlamalarda ve kesilen kenarların iç bükey bükmelerinde kenar uzama yeteneği çok önemlidir. Çift fazlı sacın yapısı Şekil 2.2 de gösterilmiştir. Yumuşak ferritik yapı yüksek mukavemet değerlerine rağmen mükemmel sayılabilecek bir form verilebilirliği sağlarken, martenzitik yapı ise hem malzemenin yüksek mukavemet özelliğinin hem de yüksek deformasyon sertleşebilirliğinin ana kaynağıdır. Yüksek deformasyon sertleşmesi ve yüksek deforme edilebilirlik (uzama yeteneği) özelliklerinin birleşimi konvansiyonel yüksek mukavemetli saclara oranla daha yüksek akma değerlerine ulaşılabilmesini olası kılar. Şekil 2.3. Farklı malzemelerin gerilim - gerinim grafikleri [AHSS Application Guidelines, 2005]

29 13 Şekil 2.3 te aynı akma mukavemet değerlerine sahip çift fazlı bir sac ile (DP), konvansiyonel bir sert kalite olan yüksek mukavemet düşük alaşımlı bir sacın (HSLA) gerilim gerinim grafikleri verilmiştir. Her iki sacın da akma mukavemet değeri aynı olmasına rağmen çift fazlı sacın çekme mukavemet değeri daha fazladır. Bir sac malzeme için akma/çekme mukavemet oranı ne kadar düşükse form verilebilirlik de o kadar yüksektir, bu oranın çift fazlı sac için daha küçük olduğu görülmektedir. DP ve HSLA saclarının, kalıpta form verme sırasında gösterdikleri deformasyon sertleşmesi karakteristikleri farklıdır. HSLA sacı için, kalıpta form verme başladığı andan itibaren sacın form verilebilirlik özelliği düşmeye başlar. DP sacının içerdiği yumuşak ferrit yapısı sayesinde, saca form verme esnasında uzun süre form verilebilirlik karakterinde bir değişme olmaz ve yüzeyde daha iyi bir gerinim dağılımı gözlenir. Çift fazlı ve diğer geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların konvansiyonel sert saclara karşı bir üstünlükleri de fırında sertleşebilme özelliklerinin olmalarıdır. Bu özellik zaten yüksek olan deformasyon sonrası akma mukavemet değerini daha da artırır, akma mukavemet değerinin yüksek olması özellikle araç güvenlik parçaları için çok önemlidir [Shaw, 2001]. Şekil 2.4. GYMÇ ve YMÇ lerin fırında sertleşebilirlikleri [AHSS Application Guidelines, 2005] Çift fazlı sacların günümüzde kullanılan tipik kimyasal bileşimleri Çizelge 2.2 de verilmiştir. Genel olarak bu saclar %0,1 den daha az karbon içerirler ve bu sayede punta kaynak edilebilme kabiliyetlerine sahip olurlar. Sacın üretimi sırasında, tavlamayı takip eden hızlı soğutma sonucunda mikroyapıdaki martenzitin %20 si oluşur. % 1 ile % 1,4 arasındaki manganez, hızlı soğutmada martenzitin oluşmasını sağlar. Konvansiyonel sert saclarınkine benzer bir uygulama ile silisyum, katı eriyik

30 14 sertleşmesi amacı ile ilave edilirken; vanadyum, niobyum, titanyum gibi alaşım elementleri çökelme sertleşmesi ve/veya tane boyutu kontrolü için ilave edilebilir. Çizelge 2.2. Çift fazlı sacların kimyasal bileşimi [AHSS Application Guidelines, 2005] Kimyasal bileşimi değiştirerek ve kritik sıcaklıktan soğutma hızını kontrol ederek çift fazlı saclarda çok sayıda farklı mukavemet değerlerinde malzeme elde edilebilir [Anonim 2005]. Aynı akma mukavemet değeri için, Çift Fazlı DP sacının çekme mukavemet değeri Yüksek Mukavemetli Düşük Alaşımlı HSLA sacının mukavemet değerinden daha büyüktür, bunun anlamı Çift Fazlı DP sacının enerji emme kapasitesinin diğer bir ifade ile DP kalitesi kullanılan aracın çarpışma performansının daha yüksek olacağıdır. Aynı araç çarpışma performansı için HSLA yerine DP kullanımı sac kalınlığında yaklaşık %10 azalma anlamına gelir [Fekete, 2001]. Otomotivde kullanım alanlarına örnek olarak tampon takviyeleri, kriko destekleri, alternatör fanları, iç ve dış kapı panelleri verilebilir. Biçimlendirilen otomobil parçalarından beklenen özelliklerden biri de, bunların darbelere karşı direnç göstermesidir. Darbe direnci, sac kalınlığı ve akma mukavemetine bağlıdır. Sac kalınlığının arttırılması taşıtın ağırlığının artmasına sebep olduğundan darbe direncinin arttırılmasında tek yol akma mukavemetini arttırmaktır. Dual fazlı çeliklerin akma mukavemeti, soğuk biçimlendirme sırasında oluşan deformasyon sertleşmesine ilaveten biçimlendirilen parçaların boyanmasından sonra yapılan boya kurutma işlemi sırasında oluşan fırınlama sertleşmesi (bakehardening) nedeniyle de

31 15 artar. Otomotiv endüstrisinde, biçimlendirilen parçalar boyandıktan sonra, 170 o C sıcaklığındaki fırınlarda ½ saat kurutma işlemine tabi tutulurlar. Bu işlem sonucu akma mukavemetinin artması gerçekte bir deformasyon yaşlanması olup, fırınlama sertleşmesi olarak adlandırılır [Anonim, 1982]. Özellikle temperlenmiş dual fazlı çeliklerde görülen fırınlama sertleşmesi, dual fazlı çeliklerin önemli mekanik özelliklerinden birisi olup deformasyon yaşlanması sonucu ortaya çıkmaktadır. Deformasyon yaşlanması; metallerin soğuk şekil değişimi sonrasında, genellikle düşük sıcaklıklarda tavlanması veya oda sıcaklığında uzun süre bekletilmesi sonucunda akma ve çekme dayanımının artması, sünekliğin ise düşmesidir. Düşük karbonlu çeliklerden üretilen dual fazlı çelikler, boya kurutma işlemi sırasında gerçekleşen bu olaydan belirgin olarak etkilenirler [Anonim, 1977]. Ticari olarak ABD, Japonya ve bazı Avrupa ülkelerinde (Almanya, Fransa, İngiltere, İtalya, Lüksemburg) çekme mukavemeti 40 kg/mm 2 den 100 kg/mm 2 ye kadar değişen çeşitli dual fazlı çelik üretimi yapılmaktadır. Üretim yöntemi olarak genellikle sürekli tavlama ve haddeleme metotları kullanılmaktadır. Diğer bir üretim metodu da kutu tavı metodudur [Coldren, 1980]. Tekerlek jantı, koltuk çerçevesi, tampon kapı panelleri gibi presle biçimlendirilen çeşitli otomobil parçaları yapımında dual fazlı çeliklerin kullanılması ile sağlanan ağırlık tasarrufu taşıt ağırlığının %10 una ulaştığında, yakıt tüketimi önemli miktarda azalmakta ve taşıt daha ekonomik hale gelmektedir [Speich, 1981]. Sözgelimi dual fazlı çeliklerden imal edilmiş tamponun ağırlığı, mukavemet ve darbe direncinde herhangi bir kayıp olmaksızın % oranında azaltılabilmektedir. Jantlarda ise, ağırlık tasarrufu jantın boyutuna ve şekline bağlı olarak yaklaşık %12 mertebesindedir [Lloyd 1980].

32 16 YEŞİL : HSLA 250 MAVİ : HSLA 350 SARI : HSLA 550 KIRMIZI : DP 600 Şekil 2.5. Otomobili oluşturan çeliklerin kullanım yerleri ve çeşitleri [AISI, 2003] Dönüşümle oluşturulan plastisite saclar (TRIP Steels) Bileşim, % Üretim Yöntemi C Mn Si Cr Mo V N Sürekli tavlama, soğuk haddelenmiş Sürekli tavlama, sıcak haddelenmiş Kuru tavlama Haddelenmiş halde Dönüşümle oluşturulan plastisite sacları, ferrit bir yapının içerisinde minimum % 5 kalıntı östenit ile sert yapılara sahip martenzit ve beynitin oluşturduğu saclardır. TRIP sacının şematik gösterimi Şekil 2.6 da verilmiştir.

33 17 Şekil 2.6.TRIP sacların mikroyapısı [AHSS Application Guidelines, 2005] Plastik deformasyon esnasında (parçaya form verilmesi), çift fazlı saclarda olduğu gibi, yumuşak yapı içerisindeki ikincil sert fazlar yüksek miktarlarda deformasyon sertleşmesine neden olurlar. Fakat çift fazlı saclarda görülmeyen özellik, malzemedeki deformasyon ile beraber kalıntı östenit yapının martenzite dönüşümü ile elde edilen deformasyon sertleşmesidir [Anonim, 2005]. DP sacı için belirtilen, beynit yapının kesilen kenarlardaki uzama kapasitesini artırıcı etkisi TRIP sacları için çok daha fazladır. Yapıdaki beynit oranı artırılarak kesme kenar uzama kapasitesi artırılır (Şekil 2.6). Yüksek ferrit beynit içeren TRIP sacları kullanılarak form verilen parçalar, döküm ve dövme ile üretilen parçalara alternatif olmuşlardır [Schaeffler, 2005]. Şekil 2.7. TRIP ve HSLA saclarında delik uzamasının karşılaştırılması [AHSS Application Guidelines, 2005]

34 18 Aynı akma mukavemet değerlerine sahip 3 farklı sacın gerilim gerinim grafikleri Şekil 2.8 de gösterilmiştir. Görüleceği üzere en küçük deformasyon sertleşmesi HSLA da gözlenmiştir. TRIP sacının başlangıç deformasyon sertleşme değeri DP den küçüktür, fakat deformasyonun ileriki safhalarında özellikle kalıntı östenitin martenzite dönüşümü ile TRIP daha yüksek deformasyon sertleşebilirliği gösterirken DP de düşüş gözlenmektedir. Şekil 2.8. Farklı malzeme türlerinin gerilim- gerinim grafikleri Kısaca özetlemek gerekirse, TRIP saclarının deformasyon sertleşebilirliğinin, benzer akma mukavemet değerlerine sahip, konvansiyonel yüksek mukavemetli saclara oranla oldukça yüksek olması malzemenin gererek şekil verilebilme ve form verilebilirlik özelliklerinin yüksek olmasını sağlar. TRIP sacları, martenzit oluşum sıcaklığını oda sıcaklığının altına çekerek östenit fazı oluşturabilmek için bileşimlerinde DP saclarına oranla daha fazla karbon içerirler. Silikon ve alüminyum kullanımı ise beynit bölgelerinde çökelti karbürlerin oluşumunu önler. Kalıntı östenit yapının martenzite dönüşümünün deformasyonun (uzamanın) hangi safhasında başlayacağı bileşimdeki karbon oranı ile belirlenir. Düşük karbon oranlarında bu dönüşüm deformasyonun ilk safhalarında başlar ve deformasyon sürdükçe malzemede deformasyon sertleşmesine neden olur. Yüksek karbon oranlarında, kalıntı östenit çok daha stabil yapıdadır, deformasyonun daha ileriki aşamalarında martenzite dönüşmeye başlar, form verilmiş parçada dahi martenzite dönüşmemiş

35 19 kalıntı östenit oranları yüksek olabilir. Bunun amacı kaza anında deforme olan parçanın deformasyon sertleşebilirliğini yükselterek çok yüksek miktarlarda enerji absorbe edebilmesidir. Yüksek karbon seviyesinin en önemli dezavantajı ise kaynak edilebilme yeteneğinin ciddi miktarda düşmesidir fakat kaynak parametreleri üzerinde çalışılarak bu sorun giderilebilir. Kompleks fazlı saclar (CP Steels) CP sacları genel olarak TRIP ve DP sacları ile çok daha yüksek mukavemet değerlerine sahip MART sacları arasında bir geçiş pozisyonundadır. CP saclarının yapıları DP ve TRIP saclarına benzerdir, ikincil sert faz oranı daha yüksek ve az oranlarda niyobyum, titanyum ve/veya vanadyum içerirler, bu elementler mukavemet artışını sağlayan düzenli çökeltiler oluşumunu sağlarlar. Aynı çekme mukavemetine sahip DP ve TRIP saclarına göre akma mukavemetleri biraz daha yüksektir, bunun sonucu olarak deforme edilebilirlikleri daha az fakat deformasyon sertleşebilirlikleri daha fazladır. Ana kullanım alanları, enerji emme kapasitelerinin çok yüksek olması ve form verilebilirlik değerlerinin sınırlı olması nedeniyle, basit formlu, güvenlik parçalarıdır. Martenzitik saclar (MART Steels) MART saclar, sıcak haddeleme veya tavlama sırasında mevcut olan östenit yapının hızlı soğutulması ile çok büyük oranda martenzite dönüşmesi ile oluşurlar. Bu yapı genelde çok sert olduğu için ek bir meneviş operasyonundan geçirilerek form verilebilirliği artırılır. MART saclarının çekme mukavemet değerleri 2000 MPa a kadar çıkabilmektedir. Mukavemet seviyeleri bu denli yüksek olmasına rağmen yine de orta seviyede de olsa form verilebilir malzemelerdir, örnek olarak 1500 MPa çekme mukavemet değerine sahip bir MART sacı yaklaşık % 4 6 uzama değer seviyelerine ulaşabilir. Şekil 2.9 da menevişlenmemiş martenzit yapılı malzemenin karbon miktarının çekme mukavemeti ile ilişkisi verilmiştir. Farklı oranlarda ve varyasyonlarda

36 20 bileşime eklenen mangan, silikon, krom, molibden, boron, vanadyum ve nikel özellikle malzemenin sertleşebilirliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Şekil 2.9. Martenzit yapılı malzemenin karbon miktarının çekme mukavemeti ile ilişkisi [AHSS Application Guidelines, 2005] Ana kullanım alanları kompleks fazlı (CP) saclar ile benzerdir, enerji emme kapasitelerinin çok yüksek olması ve form verilebilirlik değerlerinin sınırlı olması nedeniyle, basit formlu, güvenlik parçaları uygulama alanlarındandır. 2.2.Geliştirilmiş Yüksek Mukavemetli Sacların Avantajları Araç güvenliği Araç güvenlik parçalarının daha fazla enerji emme kapasitesine sahip olmaları, kaza anında yolcu güvenliğinin artması anlamına gelir. Bir malzemenin enerji emme kapasitesini belirleyen en önemli kriterler, o malzemenin form verilmiş durumdaki çekme mukavemeti ve deformasyon ile sertleşebilme yeteneğidir. Geliştirilmiş yüksek mukavemetli sacların gerek deformasyon sertleşebilirlikleri gerekse form verilmiş durumda sahip oldukları çekme mukavemet değerleri çok yüksektir. Şekil 2.10 da düşük mukavemetli çelik sac malzeme ile geliştirilmiş yüksek mukavemetli sac malzemelerin enerji emme kapasiteleri verilmiştir. Açıkça

37 21 görüleceği üzere sac malzeme mukavemeti arttıkça absorbe edilebilen enerji miktarı da artmaktadır. Şekil Farklı malzemelerin enerji emme miktarlarının karşılaştırılması [AHSS Application Guidelines, 2005] Çevresel nedenler Kyoto protokolüne uyum çerçevesinde yılları arasında gelişmiş ülkelerin egzost gaz emisyonu değerlerinde % 5,2 iken Avrupa Birliği için % 8 lik azalma olması gerekmektedir. Her araç üreticisi ülke bu oranları sağlamak zorundadır. Egzost gaz emisyonlarının azaltılması ve yakıt sarfiyatının düşürülmesinin bir yolu araç ağırlıklarının azaltılmasıdır. Araç ağırlığının azalması ile beraber aracın belirli tasarım isteklerini ve güvenlik şartlarını sağlaması gerekir. Çelik hammadde imalatçıları araç üreticilerinden gelen istekler sonucu daha dayanıklı çelikler üretmektedirler. Bu nedenle yüksek mukavemetli çeliklerin yeni araç modellerinde kullanım oranının gittikçe arttığı görülmektedir [Federici, 2005]. Yukarda belirtilen hedef için üzerinde çalışılan çözümlerin başında, araç motorlarının sürekli geliştirilerek yakıtın daha verimli kullanılabilmesi ve araç üretiminde yeni, teknolojik malzemeler kullanılarak araç ağırlıklarının azaltılması, bunun sonucunda da daha az yakıt kullanımı sağlanmasıdır. Araç gövde parçalarının

38 22 yüksek mukavemetli malzemelerden üretilmesi, kullanılan sac malzemenin kalınlık değerini, bunun sonucunda ise araç ağırlıklarının azaltılmasını sağlayacaktır. Kullanılan sac malzeme çekme mukavemetinin parça ağırlığına etkisi Çizelge 2.3 de verilmiştir. Çizelge 2.3. Farklı çekme mukavemet değerlerine sahip sacların parça ağırlığına etkisi Araç maliyeti Her ne kadar geliştirilmiş yüksek mukavemetli sac malzeme maliyetleri düşük mukavemetli saclara göre yüksek olsa da, form verilmiş parçanın olması gereken kalınlığının düşmesi sonucu kullanılan sac malzeme miktarının azalması, farklı parçaların tek bir parça olarak üretilebilmesi potansiyeli ve yeni teknolojilerin kullanımı ile araç toplam maliyetlerinde azalmalar elde edilmiştir.

39 23 3. OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN SACLAR 3.1. Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlı Saclar Alüminyumun elde edilmesi ve genel özellikleri Alüminyum ve alüminyum alaşımları, günümüzde çelikten sonra en çok tercih edilen endüstriyel malzemeler konumuna gelmişlerdir. Alüminyum, yer kürede, oksijen ve silisyumdan sonra en çok bulunan üçüncü element olmakla birlikte kullanım alanlarının yaygınlaşmasında savunma, otomotiv ve havacılık endüstrilerinin büyük bir katkısı olmuştur [Kaluç ve Taban, 2007a]. Alüminyum, her ne kadar yer kabuğunda en fazla bulunan metalsel element ise de, sürekli olarak bileşik durumunda bulunur ve elde edilmesi güç bir metaldir. Bunun nedeni alüminyum içeren minerallerin genellikle karmaşık ve kararlı yapıda olmasıdır. Bu minerallerden alüminyum metalinin indirgenmesi için çok yüksek enerji ve yüksek sıcaklık gereklidir. 18. yy. ın sonları ile 19. yy. ın başlarında Berzelius, Dalton, Davy, Lavoisier ve Oersted gibi ünlü bilim adamları alüminyum bileşikleri üzerine çalışmalar yapmışlardır yılında Sir Humprey Davy bu bileşiklerin içerisinde bir metal bağlı olduğunu ileri sürmüş ve buna alüminyum adını vermiştir de Fransa, Les Baux ta alüminyum üretiminin temel hammaddesi olan cevher bulunmuş ve yörenin adına dayanarak buna boksit adı verilmiştir. Daha sonra, 1825 de Hans Cristian Oersted, metal alüminyum üretimi için önemli bir bileşik olan alüminyum klorid bileşiğini hazırlamayı başarmıştır. Bundan iki yıl sonra, 1827 de Friedrich Wöhler bu bileşiğin potasyum ile reaksiyonu sonucu ilk metal alüminyumu kimyasal yollarla elde etmeyi başarmıştır. Alüminyumun endüstriyel çapta elde edilmesi ancak 1886 da ABD de Charles Martin Hail ve Fransa da Paul L.T. Heroult tarafından birbirlerinden habersiz ve hemen hemen aynı zamanlarda patenti alınarak özel elektroliz yöntemi ile olanaklı olmuştur [Taban, 2004].

40 24 Doğada birçok tür alüminyum cevheri bulunmasına karşın, alüminyum elde edilmesinde günümüzde % Al2O3 içeren ve boksit adı verilen bir cevher kullanılmaktadır. Bu cevher önce yabancı madde olarak içerdiği Fe2O3 ve SiO2 den arındırılır. Bunun için, cevher kızgın NaOH buharıyla tepkimeye sokulur ve alüminyum oksit suda çözünebilen NaAlO2 a dönüşür ve bir filtrasyon veya flotasyon işlemi ile demir ve silisyum bileşikleri cevherden temizlenir. Elde edilen çözelti içinde alüminyum, alüminyum hidroksit durumunda kristalize edilir ve sonra suyu uçurularak saf alümina (Al2O3) elde edilir [Taban, 2004]. Alüminyumun, oksijene olan ilgisi, karbonunkinden daha büyük olduğundan burada demir cevherleri durumunda olduğu gibi karbonla redükleme yapılamaz. Bunun için elektroliz uygulanır. Elektrolizi gerçekleştirebilmek için bu oksitin ergitilmesi veya çözelti konumuna getirilmesi gereklidir. Alümina 2050 C de ergir, bu nedenle ergitme yöntemi kullanılamaz. Alümina bir başka alüminyum cevheri olan kriyolit içinde çözünebilmektedir ve kriyolit de 950 C civarında sıvı duruma geçmekte ve alüminayı çözebilmektedir. Karbon astarlı özel elektroliz fırını içinde kriyolit ergitilir ve sonra alümina eklenerek çözelti elde edilir ve karbon anodlar kullanılarak elektroliz gerçekleştirilir. 5 V luk bir gerilim uygulandığında Al2O3 parçalanırken, kriyolit değişime uğramaz ve alüminyum katod olarak kullanılan banyonun dibinde birikir ve buradan dışarı alınır ve banyoya sürekli alümina eklenir. Bu yöntemde enerji sarfiyatı 1 kg alüminyum için 17 KWh gibi oldukça yüksektir. Bu durum alüminyumun fiyatını etkilemektedir [Taban, 2004]. Bilim adamları alüminyumun elde edilmesiyle yeni bir metal türünün ortaya çıkmasının birçok problemi çözebileceğini düşünmüşlerdir. Başlangıçta az miktarda ve fazla enerji tüketilerek oldukça pahalıya üretilen alüminyum, altından daha değerli bir metal konumuna gelmiştir. İlk olarak Danimarkalı General VII. Frederik in miğferinde kullanılan alüminyum, Fransa da III. Napoleon un ve diğer imparatorların saray mutfaklarında kullanılan lüks bir eşya olmuş ve yıllarca imparatorların hatırlı misafirlere ziyafet sofralarında tencere, tabak ve kadehlerin yapımında kullanılmıştır [Taban, 2004].

41 25 Alüminyumun en önemli özellikleri olarak; özgül ağırlığının düşük olması, elektriği ve ısıyı çok iyi bir şekilde iletmesi, çok yumuşak ve sünek olması ile bazı alaşımlarının çökelme yolu ile sertleştirilebilmesi sayılabilir. Alüminyum genel özellikleri Çizelge 3.1 de özetlenmiştir. Alüminyum, atmosfer ile teması sonucunda üzerinde oluşan ince fakat yoğun ve refrakter karakterli oksit tabakasından (Al2O3) ötürü havanın ve çeşitli kimyasal maddelerin korozif etkilerine karşı dirençlidir. Bu tabaka su ile yıkanarak çıkarılamaz. Alüminyum ne kadar safsa o derece yüksek elektriksel iletkenlik ve korozyon mukavemetine sahip olmaktadır [Kaluç ve Taban, 2007a]. Çizelge 3.1. Alüminyumun genel özellikleri [Taban, 2004] Atom ağırlığı Kristal kafes yapısı KYM Yoğunluğu (20 ) 2.70 Ergime sıcaklığı C Özgül ısısı cal/g C Ergime ısısı 93 cal/g Isıl genleşme katsayısı / C Elektrik direnci (20 C) aq.cm Isıl iletkenliği (20 C) 0.52 cal.cm/cm 2.s. C Çekme mukavemeti 400 Akma mukavemeti 100 Sertlik (HB25) 120 Elastiklik modülü N/mm 2 Kopma uzaması % Katılaşmada kendini çekme % Sıvılaşmada hacimsel büyüme % 6.5 Alüminyum saflık derecesine göre sınıflandırılır. Mekanik özellikleri Si, Fe, Ti, Cu ve Zn gibi elementlerin etkisi ile yükselmesine karşın kimyasal maddelere karşı olan direnci azalır. Mekanik özellikler alüminyuma uygulanan şekil verme işlemine bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Gıda ve elektrik endüstrisinde kullanılan alüminyum % 99,99 safiyet derecesindedir; alüminyum borular ve saclar % 99,5 ile 99,8 ve bazı durumlarda da % seviyesinde saftır. Bu tür alüminyumda geri kalan kısım genellikle katışık olarak bulunan silisyum ve demirden oluşmaktadır.

42 26 Alüminyumun bileşiminde katışık olarak bulunan demir, özelliklerini belirgin bir şekilde etkilemez, buna karşın alüminyum C de tavlanır ise, katı çözelti durumunda bulunan silisyum ayrışır ve bu sıcaklığın üstünde tekrar katı çözelti durumuna geçer. Silisyumun ayrışması ile alüminyumun mukavemeti oldukça azalır, bu bakımdan bu sıcaklık derecelerinin üzerinde bir sıcaklığa kadar tavlanmış olan silisyum içeren alüminyum alaşımları, soğuma sırasında bu aralığı hızlı geçmelidir, örneğin kaynaktan sonra parça suya sokularak hızla soğutulmalıdır. Alüminyum % 99,0-99,5-99,8-99,99 safiyet derecelerinde üretilir; % 99,99 saflıktaki alüminyum yüksek nitelikte saf alüminyum olarak tanımlanır ve burada fiziksel ve mekanik özellikler belirli bir şekilde kendini gösterir. Bu alüminyum yumuşaktır ve kolay işlenebilir, ısı ve elektriği iyi iletir, ışığı iyi yansıtır ve korozyona karşı çok dirençlidir [Taban, 2004]. Günümüzde, alüminyum mutfak eşyaları, bina kaplamaları, elektrik iletkenleri üretiminde, kimya ve gıda endüstrisinde saf alüminyum, makine imalat, havacılık ve taşıt endüstrisinde de alüminyum alaşımları yaygın bir kullanma alanına sahiptir. Alüminyum ve alaşımlarının başlıca endüstriyel kullanım alanları Çizelge 3.2 de özetlenmiştir.

43 27 Çizelge 3.2. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının ürün biçimleri ve uygulama alanlarının malzeme türüne göre sınıflandırılması [Mathers, 2002] Alüminyum alaşımlarının sınıflandırılması, standart gösterimleri ve uygulanan sertleştirme işlemlerine göre simgelendirilmesi Alüminyum alaşımları, alaşım elementlerinin çok farklı etkileri dolayısı ile birbirinden çok farklı özelliklere sahiptirler ve Bunlar dövme ve döküm alüminyum alaşımları olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar [Kaluç ve Taban, 2007a].

44 28 Dövme alüminyum alaşımları Bu türe giren alaşımlar Cu, Mg, Mn, Si ve Ni gibi elementler içerirler; çoğu kez önce sürekli döküm yöntemi ile blok biçiminde elde edildikten sonra, homojenleştirme tavı uygulanır, haddeleme veya ekstrüzyon ile biçimlendirilirler. Döküm yapısındayken tane sınırlarında oluşan sürekli gevrek fazlar, şekillendirme sırasında parçalanır ve ana kütleye dağılır ve böylece alaşım soğuk şekillendirmeye uygun duruma geçer. Dövme alüminyum alaşımlarının simgelendirilmesi ve standardizasyonu ilk olarak sistematik biçimde 1954 yılında Alüminyum Birliği tarafından gerçekleştirilmiştir. Burada dört numaralı bir tanımlama sistemi kullanılır (Çizelge 3.3). Bu sistem günümüzde hala geçerli olan bir sistemdir ve gerek Amerikan gerekse de Avrupa standartlarının temelini oluşturur [Kaluç ve Taban 2007a]. Çizelge 3.3. Alüminyum Birliği tarafından geliştirilen standardizasyona göre dövme alüminyum alaşımlarının simgelendirilmesi [Taban, 2004] Isıl işleme tabi tutulabilir alaşımlar, en yüksek mekanik özelliklerini en genel olarak çözeltiye alma ısıl işlemi veya yapay yaşlandırma ısıl işlemleri ile kazanırlar. Çözeltiye alma ısıl işleminde alaşım, çözelti (solution) içine alaşım elementleri veya bileşik katmak için yaklaşık 532 C ye kadar ısıtılır, arkasından hızlı soğutma gelir, bu işlem; oda sıcaklığında aşırı doymuş çözelti sağlamak için genelde su içinde yapılır. Genellikle bunu, yaşlandırma ısıl işlemi takip eder.

45 29 Yaşlandırma; istenen akma özellikleri için, aşırı doymuş çözeltiden bir miktar element veya bileşiğin çökeltilmesidir. İki yaşlandırma yöntemi vardır; ilki; oda sıcaklığında yapılan doğal yaşlandırma olarak adlandırılan yöntem, diğeri ise; yüksek sıcaklıklarda yapılan yapay yaşlandırmadır. Yapay yaşlandırma sıcaklıkları genel olarak yaklaşık 160 C dir. Çözeltiye alma ısıl işlemi ve yapay yaşlandırma koşulları içinde, bir çok ısıl işleme tabi tutulabilir alüminyum alaşımları kaynaklı üretim için kullanılır. Isıl işleme tabi tutulamayan alaşımlar en yüksek mekanik özelliklerini, soğuk şekillendirme yoluyla mukavemeti artırma yöntemi olan şekil değiştirme sertleştirmesi ile kazanırlar T6, 6063-T4, 5052-H32 alaşımlarının gösteriminde olduğu gibi alaşım numaralama sistemini ısıl işlemle bir tire ile birleştiren, serilerin harflerini alaşım gösterim numarasının takip ettiği sistemdir ve bu gösterim tüm standartlarda aynıdır [Kaluç ve Taban 2007a]. Çizelge 3.4. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının temel ısıl (temperleme) işlemlerinin gösterimi [Kaluç ve Taban 2007a].

46 30 Çizelge 3.5. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının H (sertleştirme) işlemlerinin alt bölümlerinin gösterimi [Kaluç ve Taban, 2007a] Çizelge 3.6. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının T (ısıl işlem) işlemlerinin alt bölümlerinin gösterimi [Kaluç ve Taban, 2007a]

47 Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının otomotiv endüstrisinde kullanımı Günümüzde, alüminyumun kaynak edilerek birleştirilmesinde en dinamik ilerleme, otomotiv endüstrisinde olmaktadır. Otomobilde görülen birçok bileşen alüminyumdan yapılmakta ve korozyon direnci, artırılmış yakıt verimi, yeniden dönüştürülebilmesi ve kullanımı gibi çevresel konulardan dolayı uygulamalar artmaktadır [Taban, 2004]. Motor blokları, ön ve arka süspansiyon elemanları, şaft ve tekerlek jantları gibi ana yapısal bileşenlerin tamamen alüminyumdan üretilmesi; ısı esanjörleri, radyatör ve klima birimleri gibi daha geleneksel, yapısal olmayan bileşenleri bütünlemektedir. Yakıt verimi sağlamasının dışında Alüminyumun kullanımıyla ilgili bir diğer etken de emniyettir. Alüminyumun temel fiziksel karakteristikleri, otomobil tasarımında; yalnızca çarpışmalarda daha iyi performans göstermekte kalmaz, kazaların tümünü önlemeye de yardım eder. Alüminyumun mukavemet-ağırlık oranı, daha üstün enerji absorbsiyonu için daha büyük araç parçaları tasarımına olanak sağlamaktadır. Çelikle aynı enerjiyi absorbe edebilmek için, ağırlığın sadece % 55 inde alüminyum yapılar tasarlanabilir. Bu ağırlık tasarrufu; bir çarpışmada daha az kinetik enerji absorbe gereksinimini getirir Silisli Saclar Özellikleri Sac, levha haline getirilmiş metal özellikle demir malzemedir. Kalın levhaların silindirler arasından geçirilmesiyle yani haddelemeyle elde edilirler. Sıcak olarak yapılan ilk haddelemeden sonra düzgün bir yüzey elde edebilmek için soğuk haddeleme yapılır. Değişik kalınlıkta olan bu saclar, belirli standart ölçüler dahilinde veya şeritler halinde kesilir. Çeşitli tekerlekli vasıtaların kapakları, gemi gövdeleri ve pek çok teknolojik uygulama sahası yanında sacların en önemli kullanılma alanlarından biri de elektrik araçlarıdır. Elektrik motorlarının rotor, stator sargılarının

48 32 ve transformatör sargılarının çekirdeğini silisyumlu sac demetleri teşkil eder. Silisli sacların en önemli özelliği, taşıdığı silisyum sayesinde manyetik kayıpları minimuma indirmesi ve neticede verimi arttırmasıdır. Ayrıca demire katılan bu silis, demirin manyetik özelliklerinde zamanla meydana gelebilecek değişiklikleri azaltarak, demiri daha kararlı hale getirir. Haddeleme sırasında sac kristallerinin belirli bir doğrultuda yönelmesi sacın manyetik özellikler bakımından kalitesinin artmasına ve belirli bir manyetik devre için daha az saca ihtiyaç göstermesine sebep olur Si elementinin çeliğe etkileri Yassı-düz haddelenmiş elektriksel çelikler özel kimyasal kompozisyonlardan çok manyetik özellik ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla üretilmişlerdir. Manyetik özellik en önemli parametredir ve kimyasal kompozisyona bağlı olduğu kadar üretim yöntemine de bağlıdır. Silisyum elektriksel çelikler için en önemli alaşım elementidir. İlave edilir çünkü çeliğin özdirencini arttırır ve bu yolla çekirdek (iron) kaybının bir bileşeni olan Eddy Akımı kaybını azaltır. Silisyum, çeliğin tane yapısını etkiler ve böylece yönlenmemiş elektriksel çeliklerde bir şekilde histerisiz bileşenini azaltarak çekirdek (iron) kaybını azaltır. Ürün tipine bağlı olarak elektriksel çeliğe ilave edilen diğer elementler alüminyum ve mangandır. Bunların her biri özdirenç gibi herhangi bir fiziksel etkiden çok metalürjik etkileri açısından eklenirler. Bu alaşım elementlerinden her biri çeliğin tane yapısını iyi bir şekilde etkiler, böylece çekirdek kaybının bir bileşeni olan histerisizi düşürmeye yardımcı olur. Diğer elementler elektriksel çeliklerde mevcuttur fakat bunlar sadece artık formda bulunan empüriteler şeklindedir. Karbon ergitmeden son ürüne kadar miktarı değişen tek elementtir. Haddeleme prosesi sırasında özel ısıl işlemler tam mamulün karbon içeriğini minimum değerlere düşürür. Karbon müşteri tarafından tavlama işlemi sırasında yarı-mamul seviyesinde yapıdan ayrılır(örneğin; motor üreticisi). Eğer taneleri yönlemiş bir çelik varsa üreticide, kükürt ve nitrojen gibi empüriteler son kristal oryantasyonu geliştirmeye yardımcı olmaları açısından başlangıç aşamasında istenirler fakat son tavlamada yapıdan kaldırılırlar. Yassı haddelenmiş silisli-demir saclar ve çubuklar düşük orandan kükürt

49 33 içerirler, genel olarak % 0,025 daha iyi kalitelerde % 0,01 dir. Mangan miktarı yaklaşık % 0,70 e kadar çıkabilir. Krom, molibden, nikel, bakır ve fosfor gibi artık elementler de kalabilir [Altun, 2007]. Geçirgenlikteki artış watt kaybındaki düşüş Si yüzdesi ile ayarlanır. Si içeriğindeki artışın direnci arttırması ve uygun bir şekilde watt kaybını düşürmesi istenir. Fakat; Si içeriği arttığında manyetik indüksiyon azalır ve geçirgenlikte bir düşüş oluşur. Düşük Si konsantrasyonları, metalürjik faktörler açısından incelendiğinde manyetik özellikleri kötü etkiler. Bu durum oksijen içeriği veya deoksidasyon ile ilgili bir şüphe yaratmıştır. Düşük Si konsantrasyonlarında çözünmüş oksijen konsantrasyonu tam olarak kontrol edilememektedir [Chaudhry, 2007]. Demire %3,5 silisyum katılması, uygun bir işleme uğrayabilen çok küçük histerisiz döngülü mükemmel bir manyetikleşmeye sahip bir alaşım üretebilir. Silisyum demir genellikle motor ve jeneratörlerde kullanılır. Silisyumun anizotropik manyetik davranışının avantajından şöyle faydalanılır. Genellikle küçük histerisiz döngüleri ve zorlayıcı alanlar, silisyumun kristal yapısı, en kolay manyetikleşme yönüyle hizaya geldiğinde elde edilir Kristolografik tekstürün etkisi Kristolografik tekstürün rolü, kristolografik yön ve manyeto kristal anizotropik enerjiye bağlıdır. Motorlar gibi dönen makine çekirdeklerinde alan ve laminasyon yönleri arasındaki açı elektriksel alanın doğasına uygun olarak değişmektedir. Kristolografik tekstürün en doğru şekildeki uygulaması (001) (111) tekstürleri ve kuşkusuz en uygun olan (001) düzlemi <111> doğrultusunu elimine eder. Zor yönlenme sağlanan durumlarda (111) manyetik özellikler için en kötü düzlemdir. Genel olarak düzlem faktöründeki artış, watt kaybının düşüşü ve geçirgenliğin artması anlamına gelir. Sonuç: Watt kaybı ve geçirgenlik silisyum içeriğindeki düşüşle azalır. Bunun yanında tane boyutundaki artış (ideal tane boyutuna kadar) ve tekstür faktörü

50 34 geçirgenliği arttırır ve watt kaybını düşürür. Nümerik olarak tane boyutu maksimum bir etkiye sahiptir. Bunu tekstür faktörü ve silisyum içeriği takip eder [Chaudhry, 2007]. Tane boyutunun etkisi; Histerezis ve Eddy akım kayıpları ele alınarak incelenmelidir. Tane boyutundaki düşüş Eddy akımı kayıplarına ters yönde bir etki yapar. Watt kaybı değeri ideal tane boyutu değerine kadar artar ve sonra düşer. Soğuk haddelenmiş ve yönlendirilmemiş elektriksel çelikler için ideal tane boyutu μm arasındadır. Tane boyutunun artışı ile manyetik indüksiyonun düşmesi ve geçirgenlikte ise artış beklenir [Chaudhry, 2007] Silisli sacların otomotiv endüstrisinde kullanımı Otomotiv sanayide kullanılan silisli saclar, otomobil ağırlığını düşürmeye yardımcı olan ve buna bağlı olarak yakıt tüketimi ve egzoz gaz emisyonunu düşüren çelik plakalar üretimine dayanmaktadır. Bu malzemeler hatasız olarak şekillendirilen yüksek mukavemetli çelik plakalardan oluşmaktadır. Malzeme bilimi ve üretim mühendisliğinin paralel olarak çalışması sonucunda, otomotiv malzemeleri için, elektrik motorları, kasa iskeleti, vites parçaları ve güvenlik parçalarında kullanılacak olan malzemelerin, üretim kalitesi arttırılmaktadır. Ayrıca silis sac kullanılarak yapılan ve otomotiv endüstrisinde kullanılan elektrik motorları şunlardır: 1. Silecek Motoru 2. Radyatör Soğutma (fan) Motoru 3. Kalorifer ve Klima Motoru 4. Marş Motoru 5. Alternatör 6. Cam Kaldırma Motoru 7. Servo Motorları(uzaktan kumandalı uçak, araba ) 8. Ayna Ayar Motoru Doğru akım motorları; endüktör, endüvi, ön ve arka kapaklar olmak üzere dört ana kısımdan oluşur. Bunlar;

51 35 1. Endüktör: Manyetik alan kutupları ve gövdeden meydana gelmiştir. Gövde, manyetik alan kutuplarının ve diğer parçaların bağlandığı parçadır. Manyetik alan, demir nüve üzerine sarılan bobin üzerinden elektrik akımı geçirilerek elde edilir. 2. Endüvi: Motor gövdesi içerisinde dönen parçadır. Sargılar ve kolektörlerden meydana gelmiştir. Kolektör dilimleri, gövde ile birlikte dönme hareketi yapan sargılar üzerinden elektrik akımının geçişini sağlar. 3. Ön kapak: Motorun önden kapatılmasına, endüvinin yataklandırılmasına ve fırçaların tutulmasına yarar. Fırçalar, kolektör dilimlerine elektrik enerjisinin geçişini sağlar. 4. Arka kapak: Üzerindeki yatak ile endüvinin diğer uçtan yataklandırılmasını ve motorun arkadan kapatılmasını sağlar.

52 36 4. OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE KULLANILAN KAYNAK YÖNTEMLERİ 4.1. Alüminyum Alaşımı Sacların Direnç Nokta Kaynağı (RSW) ve Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) Yöntemleri İle Birleştirilmesi Basınç kaynak yöntemlerinden elektrik direnç kaynak yöntemleri grubu otomotiv endüstrisinde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Zira bu yöntemlerde kaynak işlemi katı fazda gerçekleşir ve kaynak bölgesinde ısıdan etkilenmiş dar bir bölge oluşur, birleşme kısa sürede tamamlanır ve özellikle otomobil gövde üretiminde kullanılan direnç nokta kaynağı seri üretime uygun olduğundan dolayı robotlar ile gerçekleştirilir. Ayrıca, estetiğin otomobillerde ön plana çıkmasıyla da gövdeyi oluşturan bileşenlerde kullanılan direnç nokta kaynakları gövde büyüklüğüne bağlı olarak nokta ile ilk sırada yer almaktadır. Dünyanın en büyük endüstrisinin otomotiv endüstrisi olduğu düşünülürse elektrik direnç kaynak yöntemlerinin uygulanmalarının önemi daha açık şekilde ifade edilmiş olur. Elektrik direnç kaynak yöntemleri yüz yılı aşkın bir süredir kullanılan özellikle ikinci dünya savasından sonra kullanımı hızla artan bir üretim yöntemi olma özelliğini korumaktadır. Özellikle otomotiv endüstrisinde tercih edilmelerinin başlıca nedenleri şöyle sıralanabilir; - Seri üretime uygunluk, - Kaynak operatörünün az bir bilgiye sahip olarak yüksek kalitede imalat yapabilmesi, - Hızlı bir şekilde imalat yapılabilmesi, - Düşük işçilik giderleri, - Ek kaynak metali kullanılmadığından dolayı hafif bir birleştirme elde edilmesi, - Yüksek kaynak mukavemeti elde edilmesi, - Görünüm olarak diğer kaynak yöntemlerine göre daha düzgün kaynak bağlantıları elde edilmesi [Kaluç ve Taban, 2004] Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynak kabiliyeti Alüminyumun diğer metallerden özellikle çelikten farklı fiziksel ve kimyasal özellikleri kaynak kabiliyeti üzerinde oldukça etkilidir. Bunlar; 1- Alüminyumun yüzeyindeki oksit tabakası

53 37 2- Yüksek ısıl iletkenliği 3- Yüksek ısıl genleşme katsayısı 4- Düşük ergime sıcaklığı, 5- Ergime sıcaklığına yaklaştığında renk değişimi göstermemesi (kısaca tav rengi göstermemesi). Alüminyum aktif bir metaldir ve havadaki oksijenle reaksiyona girerek yüzeyinde alüminyum oksit oluşur. Alüminyum oksit, alüminyum malzemenin yüzeyini kaplayan dirençli ve hızlı oluşan bir oksittir ve alüminyuma çok iyi korozyon direnci kazandırır. Alüminyum ve alüminyum alaşımları, içerdikleri alaşım elementleri miktarlarına bağlı olarak farklı ergime sıcaklıkları gösterseler de genellikle saf metalin ergime sıcaklığı yaklaşık olarak 660 ºC dir. Buna karşın malzemenin yüzeyinde oluşan alüminyum oksitin ergime sıcaklığı ise 2050 ºC dir. Bu oksit tabakası, havadaki nemi emerek daha kalın duruma geçebilir ve kaynak sırasında da ergimiş banyonun üzerinde yüzer. Buna ek olarak, nem içinde hidrojen olduğundan, hidrojenin kaynak metaline geçerek gözenek oluşturma tehlikesi ile karşılaşılır [Kaluç ve Taban, 2007a]. Alüminyum, kaynak edildiği zaman tav rengi vermediğinden, esas metalin ergime sıcaklığına gelip gelmediği, bu oksit filminin varlığından dolayı anlaşılamaz ve kaynakçı ısıtmaya devam ederken, esas metalin kendisi ergiyerek akmaya başlar ve kaynak dikişinin oluşması güçleşir [Kaluç ve Taban 2007a]. Alüminyumun alaşım içeriğine bağlı olarak ısı iletmesi çelikten 3 ile 5 kat daha hızlıdır. Bu açıdan alüminyumu ergitmek için çok fazla enerji gereksinimi vardır. Isı iletkenliği çok yüksek olduğundan kalın kesitlerin kaynağı durumunda ön tavlamaya gereksinim duyulur. Eğer ön tav sıcaklığı çok yüksek ve uygulama süresi de çok uzun tutulursa, ısıl işlemle ya da soğuk şekil değiştirmeyle sertleştirilen her iki türde de kaynak bağlantısının mukavemetinde düşme ile karşılaşılır. Alüminyum ve alaşımlarında ön tav sıcaklığı özel durumlar dışında 200 ºC yi aşmamalıdır ve parçalar bu sıcaklıkta gerektiğinden daha uzun süre tutulmamalıdırlar. Yüksek ısıl

54 38 iletkenliğinden dolayı yüksek ısı girdisi kullanılan kaynak yöntemleri çok hızlı yapılacak şekilde bir kaynak prosedürü uygulanmalıdır [Kaluç ve Taban, 2007a]. Alüminyum yüksek ısıl iletkenliği, ısının kaynak bölgesinden hızlı transfer olmasıyla kaynak metalinin hızlı katılaşması gibi bir yararlı etkiyi de beraberinde getirir, bu sayede alüminyum parçaların her pozisyonda kaynak edilebilme olanağı doğar. Alüminyumun ısıl genleşmesi çeliğe göre iki kat daha fazladır. Buna ek olarak, ergimiş durumdan katılaşmayla alüminyum kaynak metalinin kendini çekmesi hacimce % 6 oranındadır. Bu da, boyutlardaki değişime ve bunun sonucunda da açısal çarpılmaya ve çatlamaya neden olur. Kaynak ağız biçimi ve kaynak metalinin oluşturulmasında kullanılan pasoların sayısı çarpılmanın oluşumunda oldukça önemli bir etkendir. I-alın kaynak ağzı açılmış bağlantılarda V- kaynak ağzı açılmış çok pasolu kaynaklara göre daha az açısal çarpılma ortaya çıkar. Kaynak hızı da açısal çarpılmanın kontrol altında tutulmasında etkili bir etmendir. Yavaş kaynak hızları ısı girdisini arttırmaktadır. Bu açıdan kaynak edilecek parçaların çok iyi sabitlenmeleri gerekmektedir; bu şekilde ağızlarda kayma olmadan kaynak yapılabilmesinin yanı sıra çarpılma da önlenmiş olacaktır. Eğer, parçalar bağlanamıyorsa, puntaların dikkatlice yapılması gerekir, zira bu sayede parçalar istenilen konumda tutulabilirler. Alüminyum çok iyi korozyon direncine sahiptir, kolay biçimlendirilir. Bu özelliklerden dolayı da gıda endüstrisinde kullanım alanı bulur. Manyetik olmadığından dolayı kaynak sırasında ark üflemesi problemi ile karşılaşılmaz. Alüminyumun tav rengi göstermemesi, alüminyum ve alaşımlarının üfleçle yumuşak ve sert lehimlenmesini etkiler. Bu açıdan, bu yöntemlerin uygulanmasında dekapan kullanılır. Dekapan alüminyum alaşımının ergime sıcaklığının yaklaşık 50ºC altında ergiyerek çalışma sıcaklığına yaklaşıldığını göstermesinin yanı sıra yüzeydeki oksiti çözerek birleştirmenin sağlıklı yapılmasını sağlar [Kaluç ve Taban, 2007a] Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağını etkileyen faktörler Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağında, birçok problemle karşılaşılır. Bu problemleri aşağıdaki, gibi sıralayabiliriz; 1- Gaz gözenekleri,

55 39 2- Oksit kalıntıları ve oksit tabakası, 3- Sıcak çatlak veya sıcak yırtılma, 4- Kaynak metali ve ITAB da mukavemet düşmesi, 5- Ergime eksikliği, 6- Korozyon direncinde azalma, 7- Elektrik direncinde azalma. Özellikle, bu problemlerden ilk dördü olan; gözenek, oksit filmi, sıcak çatlama ve mukavemet azalması ve bunların önlenme yolları aşağıda anlatılmaktadır [Mathers, 2002]. Gözenek, kaynak metalinde çözünen gaz nedeniyle oluşur ve katılaşma sırasında kaynak metalinde hapsolarak kalan gaz boşlukları şeklinde oldukça önemli bir problemdir; çünkü kesitin azalmasına, mekanik değerlerinin düşmesine ve zorlanmalar sırasında çentik etkisi oluşturarak kırılmasına neden olur. Gözenekler, mikro gözenek biçiminde oluşabildiği gibi 3-4 mm çapında balıkgözü olarak tabir edilen boyutlara da ulaşabilmektedir. Burada, ergimiş alüminyumda yüksek miktarda çözünebilirliğe ancak katı durumda çok düşük çözünebilirliğe sahip olan hidrojen etkilidir (Şekil 4.1). Çünkü katılaşma o kadar hızlı olmaktadır ki hidrojen, katı çözelti içinde; gaz halinde hapsolarak kalmaktadır. Bu açıdan alüminyumun kaynağında, gözeneksiz kaynak dikişleri oluşturmak çok zordur.

56 40 Şekil 4.1. Alüminyumun hidrojen çözünebilirliği [Mathers, 2002] Kaynak teli kullanılmayan kaynak yöntemlerinde gözenek oluşma eğilimi oldukça düşüktür; ancak, ek kaynak metali kullanıldığında telden gelen kirlilikler dolayısı ile gözenek oluşma eğilimi artar. TIG kaynak yönteminde, MIG kaynak yöntemine göre, telin hidrojen oluşturan kirliliğine bağlı olarak daha düşük gözeneklilik oluşur (Şekil 4.2). Şekil mm kalınlığında TIG kaynaklı parçada, çok ince dağılmış gözenekler [Mathers, 2002] Kaynak akımının artırılması veya ilerleme hızının azaltılması, ark geriliminin yükseltilmesi gibi kaynak parametreleri ile oynanarak hidrojen nedenli gözeneklilik değiştirilir. Alaşım elementi içeriği de gözenek oluşmamasında yararlı bir etki sağlayabilir. Özellikle magnezyumun bu problemi azaltıcı etkisi olduğu varsayılmaktadır. Örtülü elektrod ve tozaltı kaynak yöntemlerinde örtü ve tozdan gelebilecek nem, gözenek oluşumu üzerinde başlıca etkiye sahiptir. Bu açıdan,

57 41 kullanılmadan önce alüminyum ve alüminyum alaşımları için geliştirilmiş örtülü elektrod ve tozların kurutulmaları gerekir. Gazaltı kaynak yöntemlerinde kullanılan koruyucu gazın da oldukça saf olması ve gaz hortumlarının su emmez türde olması gözenekliliği önlemede etkilidir. Çünkü son araştırmalar göstermiştir ki özellikle su soğutmalı torçlar kullanılması durumunda su hortumlarından koruyucu gaz hortumlarına su geçişi olabileceğini, bu açıdan torç bağlantı paketi içinde kullanılan gaz hortumlarının malzemelerinin su emme özellikleri düşük olan plastiklerden yapılması gerekliliğini ortaya çıkarmıştır [Mathers, 2002]. Kaynaktan önce oksit filminin temizlenmesi gereksinimi, gözenek oluşum tehlikesini azaltmak içindir. Bu filmin, kaynak sırasında kırılarak dağıtılmasının bir gereksinimi de eksik ergime ve oksit film tutulmasından sakınmaktır. Şekil 4.3 de köşe kaynağında oksit tutulmasının bağlantının mukavemeti üzerindeki güçlü etkisi görülmektedir. Şekil 4.3. Köşe kaynağında alüminyum oksit filmi [Mathers, 2002] Aslında alüminyum oksit, alüminyum malzemenin yüzeyini kaplayan dirençli ve hızlı oluşan bir oksittir ve alüminyuma çok iyi korozyon direnci kazandırır. Alüminyum ve alüminyum alaşımları, içerdikleri alaşım elementleri miktarlarına bağlı olarak farklı ergime sıcaklıkları gösterseler de genellikle saf metalin ergime sıcaklığı 660 C dir. Buna karşın malzemenin yüzeyinde oluşan alüminyum oksitin

58 42 ergime sıcaklığı 2050 C dir. Bu oksit tabakası kaynak sırasında ergimiş banyonun üzerinde yüzer. Alüminyum, kaynak edildiği zaman tav rengi vermediğinden, esas metalin ergime sıcaklığına gelip gelmediği, bu oksit filminin varlığından dolayı anlaşılamaz ve kaynakçı ısıtmaya devam ederken, esas metalin kendisi ergiyerek akmaya başlar ve kaynak dikişinin oluşması güçleşir. Aynı zamanda ergimiş metal damlaların kaynak ağzına nüfuz etmeden yapışarak kalması problemi ile karşılaşılır. Bu açıdan, kaynak öncesinde, oksit filminin çok iyi temizlenmesi ve temizleme ürünlerinin kaynak ağız bölgesinden uzaklaştırılması gereklidir. Bu problem kaynak makinesi üreticileri tarafından bilindiğinden günümüzde, alüminyumun kaynağı için geliştirilmiş oksit kırma özellikli değişken kutuplamalı, alternatif akım ya da doğru akım kaynak makineleri da üretilmektedir [Mathers, 2002]. Sıcak çatlama problemi, saf metallerde görülmeyen ancak alaşımlarda görülen bir kaynak problemidir ve yalnızca alüminyum alaşımlarında değil aynı zamanda çelikler, nikel ve bakır alaşımlarında da ortaya çıkar. Kaynak metalinde katılaşma sırasında soğuk ağız cidarlarından başlayan ve metal orta eksenine doğru uzayan iğnemsi tanelerin, alaşım içindeki katılaşma sıcaklığı daha yüksek olan katışkıları ortaya doğru sürmesi ve bu bölgede katışıkça zengin segregasyon bölgeleri ortaya çıkmasına sebep olur. Bu bölgelerin soğuma sırasındaki çatlamaları kaynak ısı girdisi nedeniyle oluşan gerilmelerden dolayı çatlamaya hassas hale getirmesi sonucunda oluşur. Bu çatlaklara sıcak çatlak adı verilir. Alüminyum ve alüminyum alaşımları halinde özellikle ek kaynak metali bileşimi ile oynanarak ve de kaynak ağzı aralıkları değiştirilerek bu sorunun önüne geçilmeye çalışılır [Mathers, 2002]. Kaynağa bağlı mukavemet azalması, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynak metallerinde ve IEB lerinde ortaya çıkan bir durumdur. Bilindiği üzere ergitme kaynak yöntemlerinde, kaynak metali, esas metal ve ek kaynak metalinin karışımından oluşmuş bir döküm yapısındadır. Kaynak metalinin özellikleri, ek kaynak metalinin tane boyutu, kalitesi ve bileşimine bağlı olarak değişir. Hızlı soğuma, çok ince tane yapıları verirken yavaş soğuma, daha iyi mekanik özellikler kazandırır. Küçük boyutlu kaynak dikişleri, büyük boyutlu kaynak dikişlerinden daha iyi özelliklere ve daha yüksek sıcak çatlama direncine sahiptir. Alaşım elementlerinin

59 43 kaynak arkı içinde yanarak yani oksijen ile reaksiyona girerek azalması sonucunda da kaynak metallerinde mukavemet azalması bilinen bir gerçektir. Bu durum, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağında da geçerlidir. Örneğin; lityumun oksijen ile reaksiyona girerek yanması ya da magnezyumun düşük kaynama sıcaklığı, magnezyum kaybına veya bazı alaşımlarda lityum kaybına neden olmakta ve böylece kaynak metallerinde mukavemetin azalması durumuyla karşılaşılmaktadır ve uygulamada koruyucu gazın dikkatlice seçilerek bu problemleri minimuma indirilmesi olanağı vardır [Mathers, 2002] Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarına Uygulanan Basınç Kaynak Yöntemleri Genel Alüminyum ve alüminyum alaşımları; hafiflik, yüksek mukavemet, iyi korozyon direnci, kolay biçimlendirilebilirlik ve birçok kaynak yöntemiyle kaynak edilebilirlikleri açısından mühendislik malzemesi olarak yaygın kullanım alanına sahiptirler. Daha önceden belirtildiği gibi, alüminyumun özgül ağırlığı; çeliğin yaklaşık olarak 1/3 i kadardır. Ayrıca alüminyum ve alüminyum alaşımları havada, su içinde, yağlarla temasta ve birçok kimyasal maddeye karşı oldukça iyi korozyon direncine sahiptirler. Çünkü atmosfer ile teması sonucunda yüzeyde oluşan ince ancak yoğun refrakter karakterli oksit tabakası korozif etkilere karşı direnç sağlar. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağının çelikten farklı olmasını sağlayan bir dizi özellik vardır. Bunlar; yüzeyde bulunan alüminyum oksit tabakası, yüksek ısıl iletkenlik, yüksek ısıl genleşme katsayısı, ergime sıcaklığına yaklaştıkça renk değişimi göstermemesi olarak sıralanabilir. Bu özellikler; alüminyumun kaynağı açısından dikkat edilmesi gereken ve kaynak kalitesini etkileyen en önemli faktörlerdir. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının geliştirilmeye başlandığı yıllarda, bu alaşımların uçak endüstrisinde kullanılması ve kaynakla birleştirilmesi gereksinimi, günümüzde gazaltı kaynak yöntemleri olarak adlandırılan TIG ve MIG kaynak yöntemlerinin keşfini ve geliştirilmesini sağlamıştır. Alüminyum alaşımlarının kesilebilmesi için plazma arkı ile kesmenin geliştirilmesi gerekmiş,

60 44 uzaya giden roketlerin alüminyum parçalarının kaynağında, plazma ark kaynağının kullanımı gündeme gelmiş ve bu arayış diğer ileri kaynak yöntemlerinin de alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağında kullanımını teşvik etmiştir. Aslında alüminyum ve alüminyum alaşımları, ergitme kaynak yöntemlerinden olan gaz ergitme kaynağı (oksi-asetilen) ve örtülü elektrod ile ark kaynağı yöntemleri kullanıldığında sınırlı olarak kaynak edilebilirken, gazaltı kaynak yöntemlerinin ortaya çıkması daha kaliteli bağlantıların oluşturulmasına yol açmıştır. Gazaltı kaynak yöntemleri daha da geliştirilerek yüksek akımlı MIG, plazma MIG, ince tel MIG, darbeli MIG, doğru akım helyum TIG, çift gaz koruyuculu TIG, değişken kutuplamalı plazma ark kaynağı gibi yeni teknikler uygulamaya alınmıştır [Mathers, 2002]. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarına, basınç esaslı kaynak yöntemleri de (katı faz kaynak yöntemleri) uygulanmaya başlamıştır. Özellikle 1991 yılında, İngiliz Kaynak Enstitüsü nde bulunan sürtünen eleman ile birleştirme kaynak yöntemi (FSW) o yıllara kadar MIG, TIG ya da plazma ark kaynağı uygulanan alüminyum ve alüminyum alaşımı levhaların alın birleştirmelerinin oluşturulmasında yeni bir kavramın ortaya çıkmasına yol açmıştır. Bu açıdan yöntem, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kullanıldığı birçok endüstri kolunda hızla uygulamaya girmiş, yöntem üzerine gerek endüstriyel gerek akademik çalışmalar yaygınlaşmış ve yöntem günümüzde oldukça popüler bir konuma gelmiştir [Mathers, 2002] Elektrik direnç kaynağı Elektrik direnç kaynağı ilk olarak 1877 yılında ABD de bir rastlantı sonucu bulunan oldukça eski kaynak yöntemlerinden birisidir. Bu yöntem daha sonraları Birinci Dünya Savasına kadar endüstride çok az kullanılmış, ancak İkinci Dünya Savaşından günümüze kadar bu yöntemde ve özellikle elektrik devreleri ve zaman kontrol cihazlarında büyük gelişmeler olmuştur [Eryürek, 1982]. Günümüzde üretilmekte olan konstrüksiyonlarda güvenilirlik ve kalitenin yanı sıra isin verimini arttırmaya, boyutları küçültmeye ve ağırlığı azaltmaya çalışılmaktadır.

61 45 Bu uğraş içinde malzeme ve üretim giderleri de azaltılmaya çalışılır. Bunlara paralel olarak geliştirilen birleştirme teknikleri sürekli yeni problemlerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu arada kullanıma giren elektrik direnç kaynak yöntemleri seri üretime uygun ve oldukça yaygın kullanılan kaynak yöntemleri olarak konumlarını sağlamlaştırmışlardır. Kaynak işlemi, bir düğmeye veya ayak pedalına basarak makineyi çalıştırabilme bilgisine sahip operatörler tarafından büyük bir hızla gerçekleştirilir. Bu nedenle, özellikle ark kaynağı, gaz ergitme kaynağı, sert ve yumuşak lehimleme gibi diğer ısıl birleştirme yöntemleri ile karşılaştırıldığında, birim birleştirme boyuna düşen isçilik gideri bu yöntemde oldukça düşüktür. Öte yandan direnç kaynağı makineleri, diğer kaynak yöntemleri için gerekli cihazların maliyetleri ile karşılaştırıldığında daha pahalıdır. Direnç kaynağını uygulamada ekonomik konuma getirmek, yani düşük birim isçilik gideri ile birlikte uygun birim makine maliyeti elde etmek için çok sayıda aynı veya benzer birleştirme gerekmektedir. Bu kaynak yöntemi ek kaynak metali kullanılmadığı için sağladığı hafiflik, yüksek kaynak mukavemeti, estetik, özel beceri gerektirmemesi ve kaynak hızının yüksek oluşu gibi nedenlerden dolayı günümüzde çok büyük ölçüde kullanılmaktadır [Eryürek, 1982]. Elektrik direnç kaynağı usulleri Elektrik direnç kaynağı usullerini aşağıdaki şekilde gruplayabiliriz (Şekil 4.4). a) Nokta Kaynağı : a1-normal nokta kaynağı a2-kabartılı nokta kaynağı b) Dikiş Kaynağı : b1-sürekli dikiş kaynağı b2-aralıklı dikiş kaynağı c) Alın Kaynağı : c1-basınçlı alın kaynağı c2-yakma alın kaynağı Uygun akım şiddeti seçimi ve kaynak zamanı ayarlaması tüm direnç kaynağı yöntemlerinde geçerlidir. Direnç kaynağı yönteminde işlem sırası özet olarak şöyle sıralanabilir [Anık, 1991]: 1- Sınırlı bir metal hacminin ergimesi için gerekli ısı miktarını elde etmek, 2- Daha sonra bu metalin basınç altında yeniden katılaşması ile soğumasına olanak vermektir.

62 46 Şekil 4.4. Başlıca direnç kaynağı usullerinin şematik olarak gösterilmesi [Anık, 1991] Elektrik direnç nokta kaynağına etkiyen faktörler Hatasız nokta kaynağı bağlantılarını gerçekleştirmek için, belirli kaynak koşullarının dışına çıkılmamalıdır. Kaliteli kaynak noktalarının elde edilebilmesinde yalnızca kaynak makinesindeki ayarlanabilir büyüklükler (akım şiddeti, elektrod kuvveti, kaynak süresi) etkili olmayıp, aynı zamanda elektrodların türü, biçim ve yönleri ile kaynak edilen sac yüzeylerinin durumu da önemlidir [Eryürek, 1982].

63 47 Elektrik direnç nokta kaynağında kullanılan elektrodlar Ticari saf bakır, en iyi iletkendir. Saf bakır elektrodlar, üstün mekanik özelliklerinin yanı sıra yeterli elektrik iletkenliğine sahip malzemeler elde edilinceye kadar, direnç kaynak elektrodu olarak kullanılmıştır. Daha yüksek akım şiddeti, daha yüksek elektrod kuvveti ve daha yüksek kaynak hızı kullanılan yöntemlerin geliştirilmesi, saf bakırın elektrod malzemesi olarak kullanılmasını önlemiştir [Eryürek, 1982]. Elektrolitik bakır, yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahip olduğundan, hafif metallerin kaynağında tercih edilir. Gümüş-bakır, kadmiyum-bakır ve krom-bakır esaslı elektrodlar elektrik iletkenliklerinin yanında sertlikleri ile tanınırlar. Daha sert özelliğe sahip olan berilyum-bakır esaslı elektrodlar ise, yüksek elektrik direncine sahip sert malzemelerin kaynağı için önerilirler. Tungsten-bakır ve molibden-bakır esaslı elektrodlar genellikle gümüş, bakır ve farklı metal çiftlerinin birleştirilmesinde, seri işlemlerde ve özel bir tür olan kabartılı direnç kaynağı uygulamaları için kullanılırlar. Elektrodların biçim ve boyutları, kaynak edilecek iş parçalarının malzemesine, biçim ve boyutlarına göre saptanır [Eryürek,1982]. Bu çalışmada, otomotiv saclarının kaynağında kullanılan ve tezin konusunu oluşturan TIG kaynak yöntemleri detaylı olarak ele alınmış, diğer yöntemler üzerinde yüzeysel olarak durulmuştur.

64 48 5. TIG KAYNAĞI 5.1. Metodun Tanımı TIG kaynağı, esas olarak bir ark kaynağı şeklidir. Özellikle alüminyum, magnezyum, titanyum gibi hafif metallerin kaynağına uygundur. Koruyucu gaz olarak çoğunlukla (%80 civarında) Argon gazı kullanıldığından Argonark kaynağı diye de isimlendirilebilir. Ayrıca İngilizce Tungsten Inert Gas kelimelerinin baş harfleri alınarak kısaca TIG kaynağı olarak isimlendirilmektedir. Eğer tungsten yerine wolfram kelimesi kullanılırsa kaynak yönteminin ismi WIG olur. Bu metotta kaynak işlemi elde edilen arkın ısısından faydalanılarak yapılmaktadır. Ark, erimeyen bir tungsten elektrot ile iş parçası arasında yapılmaktadır [Anık ve ark., 1994]. Dolgu teli kaynak durumuna göre ya kullanılır ya da kullanılmaz. Koruyucu gaz olarak argon, helyum veya karışım gazları kullanılmaktadır. TIG kaynağı çok yönlü (uygulama alanı geniş olan) bir kaynak metodudur. Bazı çelik malzemelerin kaynağında kullanılabildiği gibi genellikle ve yaygın olarak demir dışı metallerin kaynağında çok daha başarılı olan bu metotla değişik kalınlıklardaki metallerin kaynağı da mümkündür. TIG kaynağında ark ve kaynak banyosu kaynakçı tarafından rahatça ve net bir şekilde görülebilir. Bu metotla cüruf tabakası meydana gelmez dolayısıyla cüruf temizleme ve kalıntısı sorunu yoktur. Dolgu teli kullanılmadan kaynak ağzı kenarları eritilerek kaynak yapılabildiği gibi dolgu teli kullanarak da kaynak yapma imkânı vardır. Dolgu teli kaynak banyosuna yandan verildiğinden de sıçrantı sorunu yoktur. Tabi iş parçasının temizliğine de çok dikkat gerekir. Bu metot ilk kullanılmaya başladığı yıllarda (ABD de) koruyucu gaz olarak tabii ve bol olarak elde edilen Helyum gazı kullanılıyordu. Yine o yıllarda (II. Dünya Savaşı sonlarına kadar) doğru akım üreten güç kaynakları kullanılmış ve tungsten elektrota pozitif kutba bağlanmıştır. Tabi bunun sonucu elektrod aşırı ısınmaya maruz kalmakta ve bu durumda da tungsten elektroddan küçük parçacıkların koparak kaynak dikişinde kalması problemi genellikle söz konusuydu. Bu problem sonraları elektrodun negatif kutba bağlanmasıyla çözülmüş (Elektrodun aşırı ısınması önlenmiş) ve paslanmaz çeliklerin kaynağında da kullanılmaya başlamıştır. II. Dünya Savaşı yıllarında

65 49 alternatif akım üreten makinalar imal edilmeye başlanmış ve yüksek frekans cihazları geliştirilerek Alüminyum ve magnezyum daha kaliteli bir şekilde kaynağı mümkün olmuştur. Şekil 5.1. TIG kaynağı çalışma prensibi Şekil 5.2. Kaynak yönteminin şematik gösterimi [Kurt, 2006]

66 TIG kaynak tekniğinin gelişimi 1800 yılında Humphry Davy tarafından elektrik arkının keşfinin ardından ark kaynağı yavaş bir gelişim gösterdi [Weman, 2003]. C. L. Coffin 1890 yılında soy gaz atmosferi içerisinde kaynak yapma fikrini ortaya koydu lerin başında bile, demir içermeyen, Alüminyum ve magnezyum gibi metal malzemelerin kaynağı bir engeldi. Çünkü bu hafif metallerin havayla hızlı tepkime göstermeleri, kaynak işleminin gözenekli ve çöküntülü olmasına ve kaynağın başarısız olmasına neden oluyordu [Cary, 2005]. Arkı korumalı elektrotların kullanımı da bu problemi çözmeye yeterli değildi. Bu sorunu gidermek için 1930 ların başında, şişelenmiş soy gaz kullanımı başladı. Birkaç yıl sonra da havacılık endüstrisinde, magnezyum malzemelerin kaynaklanması işlemi için, gaz korumalı doğru akım kaynağı kullanılmaya başlandı. TIG kaynak tekniği 1941 yılında son halini aldı ve Tungsten Inert Gas Welding yada diğer adıyla Heliarc adını aldı. Çünkü koruyucu gaz olarak helyum ve elektrot olarak tungsten kullanılmaya başlandı. TIG tekniğinin İlk dönemlerinde elektrotların, tungstenin yüksek erime noktasına rağmen hızlı bir şekilde ısınması, tungsten parçacıklarının kaynağa geçmesine neden oluyordu. Bu sorunu çözmek için elektrodun polaritesi pozitiften negatife doğru değiştirilir fakat bu da bir çok demir bileşiği içermeyen metallerin kaynağı için uygun değildir. Alternatif akım ünitelerinin geliştirilmesi arkın sabit tutularak yüksek kalitede Alüminyum ve Magnezyum kaynakların elde edilmesini sağladı [Lincoln Electric, 1994]. TIG tekniğindeki gelişmeler takip eden on yıl boyunca devam etti. Lınde Aır Products ın su soğutmalı torçu geliştirmesi elektrodun aşırı ısınmasını engelleyerek yüksek akımlarda kaynak yapma olanağını sağladı. Bunlara ek olarak, 1950 lerde, TIG tekniğine rağbet artarken, bazı kullanıcılar pahalı olan Argon ve Helyum gibi kaynak atmosferlerine alternatif olarak Karbondioksit kullanmaya başladı. Bu tercihin TIG tekniği için kabul edilebilir bir teknik olmadığı, alüminyum ve Magnezyum için kaynak kalitesini düşürdüğü kanıtlanarak doğrulandı. Sonuç olarak günümüzde TIG tekniğinde karbondioksit kullanımı çok seyrektir de TIG

67 51 tabanlı, Plasma Ark Kaynağı olarak adlandırılan yeni bir kaynak tekniği geliştirildi. Arkı bir meme ile odaklayarak çalışan bu yeni teknik, olağanüstü bir kaynak kalitesi sunuyordu. TIG tekniği elle uygulanabilen bir teknik iken, yeni Plasma Ark Kaynağı tekniğinin yüksek hassasiyet istemesi otomasyonlu sistemler tarafından kullanılmasını gerektiriyordu [Lincoln Electric, 1994]. TIG tekniğindeki gelişmeler sürekli devam etti. Günümüzde çeşitli sayıda TIG tabanlı kaynak teknikleri vardır Metodun uygulama şekilleri Gaz-Tungsten Ark Kaynağı Metodu; 1) El ile 2) Yarı otomatik olarak 3) Otomatik olarak 4) Mekanize edilerek uygulanabilir. Yukarıda uygulama şekillerinden günümüzde halen en çok kullanılanı el ile yapılanıdır. Yani torcun hareketi ve dolgu telinin (eğer kullanılıyorsa) kaynak banyosuna gönderilmesi el ile yapılır. Bu durumda tüm kaynak akımının kontrolü ayak pedalı vasıtasıyla yapılmaktadır. Yarı otomatik olarak yapılan kaynakta ise torcun hareketi yine el ile kontrol edilmekte fakat dolgu telinin kaynak alanına gönderilmesi ise bir tel besleme cihazı (motoru) tarafından sağlanmaktadır. Bu uygulama şekli çok az kullanılan bir yöntemdir [Anık ve ark., 1980]. Mekanize uygulamalarda iş parçasının kaynağı operatörün kontrolü, otomatik olarak yapılan uygulamalarda ise operatörün görevi pek yoktur. Yani operatörün kontrolü, gözetimi ve ayar yapması söz konusu değildir. Ancak, otomatik ve/veya mekanize kaynak uygulamasına gidilebilmesi için aynı tip (kaynaklı) imalattan çok sayıda yapılması, torcun kaynak dikişlerine kolayca yanaşabilmesi ve kalite kontrolü istenmesi gibi şartların olması gereklidir. Ayrıca bu tür kaynak makinaları pahalı olduğu için yeterli sermayenin de bulunması gerekir.

68 TIG kaynak metodunun avantaj ve dezavantajları Gaz-Tungsten ark kaynağının diğer birçok kaynak metoduna nazaran birçok avantajı vardır. Bunlardan bazıları; Avantajları; 1) Sanayide kullanılan, hemen hemen bütün metallerin ve alaşımlarının kaynağında kullanılabilir. 2) Cürufsuz bir kaynak dikişi elde edildiğinden kaynak sonunda temizleme işlemine gerek yoktur. 3) Sıçrantı problemi yoktur. 4) Dolgu teline her zaman ihtiyaç yoktur. 5) Her pozisyonda rahatça kaynak yapma imkânı vardır. 6) Pals (kesintili) akımının kullanılabilme imkânı olduğundan çok ince metallerin kaynağı (çarpılma olmadan) mümkündür. Dezavantajları; 1) Kaynak hızı diğer bazı kaynak yöntemlerine nazaran rölatif olarak yavaştır. 2) Tungsten elektrodun ucu dikkat edilmezse kolaylıkla bozulabilir (metal yapışması, uç kırılması, bombe oluşması vs.). 3) Kalın metallerin kaynağı için çok iyi bir metod değildir (erime oranlarının düşüklüğü nedeniyle). 4) Ark ın her türlü hava cereyanından korunması gerekir. Aksi halde örtücü gaz arkı gerektiği gibi koruyamaz TIG kaynak metodunun çalışma prensipleri Gaz-Tungsten Ark Kaynağı metodunda, kaynak işlemi için gerekli ısı, tungsten elektrot ile kaynak edilecek bölge arasında oluşturulan arktan sağlanır. Kullanılan elektrotlar, ya saf tungsten veya tungstenin alaşımlarından imal edilir. Tüketilmeyen tipte elektrotlardır. Ergiyik haldeki kaynak metali, ısınmış haldeki kaynak bölgesi ve tungsten elektrot, torç kanalıyla gönderilen koruyucu gaz tarafından atmosferin

69 53 zararlı etkilerine karşı korunur. Ark, iyonize haldeki gaz içinde meydana gelir. Bu metotta, koruyucu (asal) gaz atomları, elektron kaybeder ve pozitif olarak yüklenerek iyonize olur. Ark alanı içinde bu iyonlar pozitif kutuptan negatif kutba doğru akarlar. İş parçasının ve (Eğer kullanılıyorsa) dolgu telinin eritilmesi (birbirine kaynak edilmesi) ark ısısı ile gerçekleştirilmektedir Dolgu teli genellikle kalın parçacıkların kaynağında kullanılır [Anık ve ark. 1980]. Kaynak banyosunda direk olarak ve yandan verilir. TIG metodunda ark üç şekilde oluşturulabilir; a) Elektrot, iş parçasına (çok kısa süreli olmak üzere) dokundurularak geri çekilir ve belli bir mesafede (ark mesafesi) tutulur. b) Elektrottan iş parçasına doğru ark ın atlamasını sağlayacak özel cihaz kullanılarak. c) Yine özel cihaz kullanılarak küçük bir pilot ark başlatılır. Bu pilot ark iyonize bir banyo oluşturarak esas ark ın başlatılmasına yardımcı olur. Gaz-Tungsten ark kaynağı metodunda, elektrik ark kaynağı metodunda kullanıldığı gibi sabit akım tipi kaynak makineleri kullanılmaktadır. Bu makinelerden hem alternatif akım hem de doğru akım (kaynağın cinsine göre) elde edilebilir. Sabit akım tipi kaynak makineleri kaynak esasında da sabit akımı koruyucu nitelikte imal edilmişlerdir. Elektrik ark kaynağı ve TIG kaynağının aynı kaynak makinesi ile yapılması mümkündür. Ancak TIG kaynağı yapılırken yüksek frekans cihazına genellikle ihtiyaç vardır. Şayet ark, elektrodu iş parçasına sürterek elde ediliyorsa yüksek frekans cihazına gerek yoktur, sadece bir gaz ve soğutma donanımı devreye sokulur. Sabit akım, düşen volt-amper karakteristikli makinelerle elde edilebilir. Diğer bir deyimle bu, akım şiddetinin (amperaj) artması halinde voltajın düşmesi anlamına gelmektedir. Ark boyunda meydana gelebilecek değişiklikler ark voltajını da bir miktar artırır veya azaltır, bu da kaynak akımını değiştirir. Eğimi fazla olan bir voltamper ergisinde kaynak bölgesi içerisinde (kaynak sırasındaki volt-amper değerleri) ark voltajındaki değişmelere bağlı olarak akımdaki değişmeler oldukça küçüktür.

70 54 Sabit akım tipi kaynak makinelerine ait tipik volt-amper eğrileri şekildeki görülmektedir [Anık ve ark. 1980]. Şekil 5.3. Sabit akım tipi kaynak makinelerinde tipik volt-amper eğrileri 5.2. TIG Kaynağında Kullanılan Elemanlar Bu elemanları; 1) Kaynak makinası 2) Kaynak pensi (torç) 3) Bağlantı kabloları 4) Koruyucu gaz sistemi 5) Elektrot olarak sıralayabiliriz. Ayrıca ihtiyaç olduğunda kullanılan bazı elemanları (ki bu elemanlara genellikle ihtiyaç duyulur) da burada belirtmekte fayda vardır. Bunlar; a) Su sirkülâsyonunu sağlayan sistem

71 55 b) Ayak pedalı, (kaynak akımının kontrolü yapılır) c) Reosta d) Hareket sağlayan (taşımalarda kullanılan) aygıtlar e) Salınım hareketi veren cihaz (mekanik ve elektromagnetik olarak çalışan tipleri vardır, torça salınım hareketi verir) f) Tel besleme cihazı (yarı otomatik, otomatik ve mekanize olarak yapılan uygulamalarda kullanılır) 5.3. Güç Kaynakları Güç kaynağı veya kaynak makinesi kullanımından maksat, uygun akım ve voltajda elektrik gücü sağlanarak kaynak ark ı oluşturulmasında da kullanılmasıdır. TIG kaynağı için özel birkaç tipte ve büyüklükte kaynak makinesi mevcuttur. Genellikle bu tür makinelerin giriş voltajı 230 Volt veya 460 Volttur. Talebe göre giriş voltajları değişik oranlarda olan makineler imal edilmektedir. Şekil 5.4. TIG kaynağı donanımı

72 56 Şekil 5.5. Su soğutmalı bir TIG kaynak ekipmanının temel elemanları [Yorulmazel, 2007] Kaynak makinelerinde rölatif devrede kalma süresi; ark zamanının (makinenin yük altında çalıştığı süre) toplam zamana (makinenin çalımsa süresi) oranı olarak tarif edilir ve çıkan değerin 100 ile çarpımı, yüzde olarak rölatif devrede kalma süresini verir. Günümüzdeki TIG kaynak makinelerinin çoğunluğu %60 lık bir rölatif devrede kalma süresine sahiptirler. %60 oranı, kullanılan 10 dakikalık bir zaman periyodu içerisinde ark zamanı (yük altında çalışma süresi) devamlı ve emniyetli olarak altı dakika ve boşta çalışma süresi olarak da dört dakikadır diye açıklanabilir (bu süreler makineden makineye değişebilir). Mekanize ve otomatik uygulamalarda şüphesiz %100 lük bir rölatif devrede kalma süresi en iyisidir. Ancak bugün bu tür makineler henüz yoktur. Kaynak makinelerinin spesifikasyonlarında verilen rölatif devrede kalma süresi (duty cycle) maksimum ampere göre hesaplanmıştır. Buna göre daha düşük amper değerlerinde yük altında çalışma süresi (ark zamanı) uzayabilir. Bu durum aşağıda görüldüğü gibi formüle edilmiştir [Anık ve ark., 1980].

73 57 Yüklenme süresi %100 Rölatif Devrede Kalma Süresi= x 100= %60 Çalışma süresi formüldeki yüklenme ve çalışma süreleri çeşitli standartlara göre değişebilir. Çalışma amperajına göre yeni (%RDKS) nin hesaplanması ise söyle yapılır: (Makinenin max. Amper kapasitesi) 2 Yeni % RDKS= x (makinenin %RDKS) (çalışma prensibi) 2 Genel olarak TIG kaynağında hem doğru hem alternatif akım kullanılır. Fakat pratikte her iki akım cinsi ile yapılan kaynak farklı neticeler vermektedir. Doğru akımda elektrodun pozitif veya negatif kutba bağlanması, kesintili akım (Pulsed current) ve yüksek frekans akımının kullanılması da yine kaynak neticesini etkiler. Ayrıca kaynak edilecek metalin cinsi ve/veya kalınlığı, kullanılan tungsten elektrodların ve koruyucu gazların cinsleri de kaynağı etkileyen önemli faktörlerdir. Bu faktörler aşağıdaki çizelge da daha açık bir şekilde görülmektedir. Çizelge 5.1. Çeşitli malzemelerin kaynağı için tavsiye edilen tungsten elektrod ve koruyucu gaz cinsleri

74 Doğru Akım Doğru akım kullanıldığında bağlantı iki şekilde yapılabilir. Ya elektrot negatif kutba (doğru ve düz kutuplama) ya da pozitif kutba (ters kutuplama) bağlanır. Her iki tür bağlantıda iyon ve elektron akış şekilleri ile elektrotların durumu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Hemen hemen bütün metallerin kaynağı, elektrot negatif kutupta iken yapılabilir. Ancak alüminyum, magnezyum ve bunların alaşımlarının kaynağında özel kaynak prosedürü uygulanması şarttır (Kısa ark boyu, içerisinde helyum gazı bulunan karışım koruyucu gazların kullanılması, yüzeylerin tel fırça ile iyice temizlenmesi vb.). Şüphesiz alüminyum ve magnezyum ile bunlarının alaşımlarının kaynağı alternatif akımla çok daha kolaydır. Bu metallerin yüzeylerinde oluşan ve erimeyi güçleştiren oksit tabakası alternatif akımla daha iyi parçalanır (oksit temizleme işlemine gerek yoktur). Doğru akımda elektrodun pozitif kutupta kullanılması halinde elektrodun akımı taşıma (iletme) kapasitesi oldukça düşmektedir. Bu nedenle elektrodun pozitif kutupta kullanılması çok nadirdir, yalnız ince saç metallerin kaynağında (düşük akımlarda) kullanılabilir [Anık ve ark., 1980] Kademeli Akım Gaz Tungsten Ark Kaynağında bazı hallerde (özellikle ince metallerin kaynağında) sabit akım yerine kademeli akım yüksek (max.) ve düşük (min.) değerleri olan akım kullanılmaktadır. Kademeli akımı daha iyi ifade eden bir diyagram aşağıda verilmiştir. Şekil 5.6. Kademeli (darbeli) akım

75 59 Bu tür akım kullanılarak yapılan kaynak aşağıda görüldüğü gibi birbiri üzerine binmiş nokta direnç kaynağına benzer. Ayrıca bu kaynağa ait kesit görüntü de verilmiştir. Daire şeklinde görülen bu kaynak alanları kaynak akımının en yüksek seviyede olduğu sırada elde edilir ki hemen aşağıdaki şekilde nüfuziyetleri görülmektedir. Demek ki bu tür akım kullanılarak kaynak yapılırken maksimum akım sırasında torç sabit tutulur, minimum akım esnasında da bir miktar ileri hareket ettirilir. Torç un hareket prensibi aşağıda şematik olarak gösterilmiştir. Ok işaretleri torçun düşük akım sırasındaki hareket yönünü B noktaları da torçun bekleme noktalarını göstermektedir. Kademeli akım, hem doğru akım hem de alternatif akımda kullanılabilir fakat genellikle doğru akımda kullanılmaktadır. Gaz Tungsten Ark kaynağında bu akım türünün ince metallerin kaynağında sabit akıma nazaran önemli birkaç avantajı vardır; çarpılma (distorsiyon) problemi olabilecek parçaların kaynağında başarıyla kullanılabilir ve istenilen kök nüfuziyeti elde edilir. Ayrıca kök aralığı olan bu kaynaklarda bu akım türü yine başarıyla kullanılabilir ve delinmelere mani olur. Şöyle ki; max. akım sırasında istenilen nüfuziyet sağlar ve min. akım sırasında da kaynak banyosunun soğumasına müşahede eder. Yani iş parçasına verilen ısı miktarı azaltılmış olur. İnce paslanmaz çelik saçlar da bu metotla rahatlıkla kaynatılabilir. Bir diğer avantaj hususu da dik ve tavan pozisyonlarında uygulanabilmesidir. Düşük akım sırasında kaynak dikişinin bir miktar soğumasına (en azından iş parçasına ısı verilmediğinden) müşahede edilmesiyle kaynak dikişinin gittikçe genişlemesi de söz konusu değildir [Anık ve ark., 1980].

76 Alternatif Akım Alternatif akım, doğru akım kullanılırken elektrotun pozitif kutba bağlanmasıyla elde edilen avantajları (akım sınırlaması yapmaksızın) ve yine doğru akımda elektrotun negatif kutupta kullanılmasıyla elde edilen avantajları (oksit temizleme problemi olmaksızın) sağlar. Bu sebepten TIG kaynak yönteminde alternatif akım, genellikle yüzeylerinde eritilmesi güç oksit tabakası oluşan magnezyum ve alüminyumun kaynağında kullanılır. Yüzeydeki oksit tabakası, ark akımının bir yönde (Tungsten elektrottan iş parçasına doğru) kolaylıkla akması sayesinde eritilir, parçalanır. Şöyle ki tungsten elektrot kaynak sırasında iş parçasına nazaran çok daha fazla ısındığından kolaylıkla elektron bırakır. Alternatif akım devresinde akım, genellikle dengesiz bir eğilim (özellik) gösterir. Bazı uygulamalarda (genellikle mekanize kaynaklarda) dengelenmiş akım arzu edilir ki bu da alternatif akım devresine kondansatör koymakla mümkün olur. Fakat çoğunlukla el ile yapılan uygulamalarda kondansatör kullanılmaz. Dengelenmiş akımın bazı avantaj ve dezavantajları aşağıda belirtilmiştir; Avantajları a) Daha iyi bir oksit temizleme etkisi vardır. b) Daha iyi ve daha düzgün bir kaynak işlemi sağlar. c) Eski (geleneksel) kaynak transformatörleri kullanılabilir. Dezavantajları a) Daha büyük çaplı elektrotlara ihtiyaç vardır. b) Dalga dengeleyici devreleri (sistemleri) oldukça pahalıdır Yüksek Frekans Akımı Yüksek frekans akımı ayrıca ilave edilebilen bir akım türüdür ki vazifesi de tungsten elektrotu iş parçasına dokundurmadan ark ı başlatmaktır. Şöyle ki; önce iş parçası ile tungsten arasında bir pilot ark başlatılır ve hemen arkasından esas ark oluşturulur. Pilot ark ile kaynak yapılmaz ancak o olmadan da esas kaynak arkı başlatılamaz. Yüksek frekans akımı, her iki akım türünde de yani hem alternatif hem de doğru

77 61 akım da kullanılabilir. Alternatif akımda, yüksek frekans akımının diğer bir faydası da kaynak arkını sabit tutmaktır. Bilindiği gibi alternatif akımın karakteristik eğrisi (+) dan (-) ye ve (-) den (+) ya periyodik olarak değişmekte ve her defasında da sıfırdan geçmektedir. Bu durumda da ark ın titreşmesi ve hatta sönmesi söz konusu olmaktadır. Yüksek frekans akımı burada, sıfır noktalarında kıvılcım (ark) dizisini devam ettirerek ark ın kararlılığını sağlar. Doğru akımda ise yüksek frekans akımının görevi sadece ark ın başlatılmasına yardımcı olmaktır. Hatta ark başlatıldıktan sonra yüksek frekans akımı kesilebilir. Yüksek frekans akımı kullanılarak ark başlatma, en iyi metottur. Çünkü bu sayede tungsten elektrotun iş parçasına teması söz konusu olmadığından elektrotun ucunun karbon buluşmasıyla bozulması, elektrotun kaynak banyosuna yapışması ve dolayısıyla yapıştığı yerden çıkarırken kaynak dikişinde tungsten parçacıklarının kalması problemi ortadan kalkmaktadır. Yüksek frekans akımı alternatif akımla kullanıldığı zaman alınması gereken bazı önlemler ve şartlar vardır. Güç kaynağı (kaynak makinesi) içine yerleştirilen ve yüksek titreşimi sağlayan osilatör cihazı, radyo ve televizyon yayınları ile telsizle yapılan haberleşmeleri parazit yaparak etkilemektedir. Bunu önlemek için makinelere özel bir topraklama yapılması ve makinelerin özel olarak örtülmesi (korunması) gereklidir. Bu tür bilgiler ve şartlar imalatçı firmalar tarafından hazırlanıp makine üzerinde görülecek şekilde belirtilmektedir. Amerika da ve Avrupa da birçok ülkede alternatif akımda yüksek frekansla yapılan ve yapılacak işlemler o ülkenin Ulusal Haberleşme Kurumlarınca ve/veya o konuda hazırlanmış yönetmeliklerle kontrol altına alınmıştır Kullanılan Kaynak Makineleri TIG kaynak metodunda sabit akım tipi kaynak makineleri kullanılır ki bu makinelerden hem alternatif akım hem de doğru akım elde edilebilir. Bunlar ya döner tip (jeneratör) ya da sabit tip (transformatör/redresör) kaynak makineleridir Jeneratör ve alternatör tipi kaynak makineleri Jeneratör tipi kaynak makineleri, ya bir elektrik motoru ile (fabrika veya atölyede kullanmak için) veya bir içten yanmalı (gazyağı, benzin veya mazotlu) bir motorla

78 62 (arazi de kullanmak için) tahrik edilirler. Jeneratör tipi kaynak makineleri genellikle elektrik ark kaynağı için kullanılır. Ancak koruyucu gaz ve/veya yüksek frekans aygıtları adapte edilerek TIG kaynağında da kullanılabilir. Jeneratör tipi kaynak makinelerinden çoğunlukla doğru akım elde edilir. Ancak bu makinelerden, yapılacak bazı dizayn değişiklikleriyle hem alternatif hem de doğru akım elde edilmesi mümkündür. Alternatör tipi kaynak makineleri da yine TIG kaynağına adapte edilebilirler. Bu makinelerden da genelde alternatif akım elde edilir Transformatör-redresör tipi kaynak makineleri TIG kayağı metodunda transformatör-redresör tipi kaynak makineleri motorjeneratör tipi kaynak makinelerine nazaran çok daha fazla ve yaygın olarak kullanılan makinelerdir. Bu makinelerden hem alternatif hem de doğru akım alınabilir. Alternatif akımı üreten tek fazlı transformatör, alternatif akımı doğru akıma çeviren bir redresörle bağlantılıdır. Dolayısıyla TIG kaynağında bu tip kaynak makineleriyle değişik cins metallerin kaynağı mümkün olmaktadır. Ayrıca bu makinelerin programlanabilir tipleri çok daha fazla ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Makine üzerindeki bir kol ile veya düğme ile ya redresör devreye sokularak doğru akım alınır ya da transformatör devreye sokularak alternatif akım alınır. Bu seçimi kaynakçının kendisi, yapılacak kaynağın cinsine göre yapar. Bunları statik tip (döner parçaları olmadığından) kaynak makineleri diye de isimlendirebiliriz [Anık ve ark., 1991]. Transformatör-redresör tipi kaynak makinelerinin çeşitli büyüklükte tipleri vardır. Bu makinelerin motor-jeneratör tipi kaynak makinelerine göre üstünlükleri şöyle sıralanabilir: 1) Sessiz çalışır, 2) Boşta çalışma sarfiyatı düşüktür, 3) İşlem (kaynak işlemi) maliyeti düşüktür, 4) Bakım masrafları azdır, 5) Döner parçaları yoktur.

79 Üç fazlı redresör tipi kaynak makineleri Bu tür kaynak makinelerinde tek fazlı transformatör redresör tipi kaynak makinelerinin devrelerinde az da olsa görülen dengesizlikler üç fazlı girişten dolayı giderilmiştir. Ancak bu kaynak makinelerinden genellikle doğru akım elde edilmektedir ve bir anahtar yardımıyla da hem ters kutuplama (elektrod pozitif) hem de doğru kutuplama (elektrod negatif) yapılabilmektedir. Üç fazlı redresör tipi kaynak makinelerinin programlanabilir tipleri de mevcuttur. En kararlı ve en düzgün ark bu makinelerle elde edilmektedir Transformatör tipi kaynak makineleri Bu tip kaynak makineleri TIG kaynağının çok az kullanıldığı bazı küçük veya orta büyüklükteki işyerlerinde genellikle ark kaynağı için kullanılır ancak gerektiğinde gaz sistemi ve mümkün olursa yüksek frekans cihazı da adapte edilerek TIG kaynağında da kullanılabilir. Ancak bu makinelerden sadece alternatif akım alınabildiğinden genellikle alüminyum ile magnezyum TIG kaynağı için uygun olabilir [Anık ve ark., 1991] Kullanılan Torçlar (Üfleçler) TIG kaynak metodunda kullanılan üfleçler değişik tipte ve ölçülerde olabilir. Torç bilindiği gibi ark ı oluşturmak için gerekli olan akımı ve kaynak alanına koruyucu gazı iletmek üzere kullanılır. Torç ile güç kaynağı, gaz tüpü ve soğutma sisteminin irtibatı değişik kablolar, hortumlar ve adaptörlerle sağlanmaktadır. Ayrıca üfleç üzerinde (el ile kullanılan tiplerde) kaynakçının tutabileceği bir kabza kısmı da mevcuttur. Başlıca iki tip üfleç mevcuttur. Bunlar; 1) Hava soğutmalı üfleçler 2) Su soğutmalı üfleçlerdir.

80 64 Hava soğutmalı üfleçlerde hava yerine koruyucu gaz da soğutmada kullanılmaktadır. Bu nedenle bunlara gaz soğutmalı üfleçler de denilebilir. Su soğutmalı tiplere nazaran daha hafif, küçük ve daha ucuzlardır. Bu üfleçler, maksimum 200 ampere kadar olan kaynaklarda diğer bir deyimle ince metallerin kaynağında kullanılır. Ayrıca soğutma suyu kullanılmadığından su soğutmalı üfleçlere nazaran daha çok yönlüdürler. Ancak daha yüksek amperlerde çalışamaz. Tungsten elektrotun aşırı ısınması sonucu kaynak dikişine tungsten transferi söz konusu olabilir. Su soğutmalı üfleçler ise daha ağır ve pahalıdırlar. Ancak 200 amperden 500 ampere kadar olan kaynaklarda kullanılabilir. Kullanılacak amper miktarına göre değişik tipte imalatları yapılabilmektedir. El ile kullanılan üfleçlerin ağırlıkları dizayn şekillerine göre de değişebilir (takriben 85 gramdan 450 grama kadar olabilir). Ayrıca bu üfleçlerin kafa açıları (elektrot ile tutulan kısım arasındaki açı) üfleçten üflece değişir ki en çok görüleni 1200 açılı olanlarıdır, 900 olanları da vardır. Bazı torçların kafa açıları isteğe göre ayarlanabilmektedir. TIG kaynağında kullanılan (üfleçlerde) nozullar dört tipte olabilir. Bunlar; 1) Seramik nozullar 2) Metal nozullar 3) Silisli nozullar 4) Çift korumalı nozullar Seramik tip nozullar en çok kullanılan ve ez ucuz tip nozullardır, ancak kırılgandırlar. Yüksek frekans akımı kullanıldığında da çapraz ateşlemelere mani olur. Metal tip nozullar ya geçmeli olarak veya su soğurmalı olarak imal edilirler. Silisli nozullar şeffaftırlar, dolayısıyla ark ın görülmesi daha kolaydır bu nedenle çoğu kaynakçı tarafından tercih edilir. Ancak bir süre sonra sıçrantılarla ve sıcaklık nedeniyle nozulun iç kısmı bozulabilir ve şeffaflığı kaybolabilir. Onun için temiz kullanılması gerekmektedir. Çift korumalı nozullar sanayide çok az kullanılırlar. Böyle bir nozul kullanıldığında, orta kısımdan kaynak alanına argon ve helyum gazı ve bunların etrafından karbondioksit ve azot gazı gönderilir. Burada CO2 veya azot gazı, argon veya helyumun hava ile temas etmemesini sağlar.

81 65 Şekil 5.7. TIG kaynak torcu ve elemanları Koruyucu Gaz Sistemi Koruyucu gaz; ya silindir biçimindeki tüplerden veya sabit ve taşınabilir tanklardan borularla dağıtılarak kullanım alanına getirilebilir. Seri işlerin yapıldığı büyük firmalarda tank sistemi tercih edilmektedir. Gazın akış kontrolü bir regülerle sağlanır. Gazın birim zaman da akma miktarı ise debi ölçer cihazından ayarlanır ve okunur. Genellikle debi ölçer cihazı ile regülatör beraber kullanılır. Farklı gazlar için farklı cihazlar kullanılır: Şöyle ki bu cihazlar koruyucu gazın cinsine göre kalibre edilmişlerdir. Koruyucu gazı tüpten veya tanktan torça kadar iletken hortumların plastik olmasına dikkat etmek gerekir. Zira helyum ve argon gazının lastik hortumdan difüzyon yoluyla sızması söz konusu olmaktadır. Gaz hortumları ya direkt olarak torça yada kaynak makinesinden veya koruyucu gaz cihazından geçirilerek torça bağlanır. TIG kaynağında en çok kullanılan koruyucu gazlar, argon ve helyum ile bunların karışımları olan gazlardır. Her ikisi de soygaz olup kaynak bölgesinde herhangi bir kimyasal ve metalürjik etkileri yoktur (Bileşik teşkil etmezler). Koruyucu gazın görevi, tungsten elektrodu ve erimiş haldeki kaynak banyosunu havanın zararlı (oksitlenme, nem, vb.) etkilerine karşı korumaktır. Argonhidrojen karışımı ile azot gazı da koruyucu gaz olarak kullanılır. Kullanılan koruyucu gazın saflığı da kaynak kalitesini etkileyen en önemli faktörlerdendir. Ancak orta ve düşük karbonlu çeliklerin, paslanmaz çeliklerin, bakır ve alüminyumun kaynağında

82 66 gazın saflığında bir miktar (çok az) toleranslı davranabiliriz. Şüphesiz en iyi sonuçlar için safsızlık derecesinin %99,99 olması gerekmektedir [Anık ve ark., 1991] Argon Argon, havadan ağır bir gazdır ve havanın sıvılaştırılması metoduyla elde edilir (Özgül ağırlığı: 1,781 kg/m 3 ). Argon gazı, ya gaz olarak veya sıvılaştırılarak piyasaya sürülür, bu kullanılacak hacme bağlıdır. Argon gazı TIG kaynağında en çok (%80 oranında) kullanılan bir gazdır. Helyum gazına nazaran bazı avantajları vardır [Ganaha ve ark., 1980]; 1) Sessiz ve düzgün bir ark sağlar, 2) Ark voltajı daha düşüktür. Bu da ince metallerin kaynağı için avantajdır. 3) Oksit temizleme özelliği iyidir. Dolayısıyla alüminyum ve magnezyumun kaynağında tercih edilir. 4) Havadan ağır olması nedeniyle dikişi koruma (örtme) kabiliyeti daha fazladır, dolayısıyla da gaz akış oranı daha düşüktür (Sarfiyat azdır). 5) Arkı başlatma işi daha kolaydır. 6) Piyasada bol miktarda bulunur, maliyeti düşüktür. 7) Farklı metallerin kaynağında da kullanılabilir. 8) Tavan ve dik kaynak pozisyonlarında da kaynak banyosunun kontrolü iyidir Helyum Helyum havadan hafif bir gazdır (Özgül ağırlığı: 0,1784 kg/m 3 ). Tabii gazların ayrıştırılmasıyla elde edilir. Helyum piyasaya genellikle basınçlı olarak doldurulmuş tüpler içinde sürülür. Havadan hafif olması nedeniyle helyum gazı kaynak alanından çok hızlı bir şekilde ayrılır. Bu yüzden yüksek bir gaz akış hızı (oranı) gerekir. Helyumun diğer bir dezavantajı da daha az bulunması ve daha pahalı olmasıdır [Anık, S., 1991]. Bu dezavantajlarına rağmen helyum gazının argona nazaran avantajlarını söyle sıralayabiliriz; 1) Isı etki bölgesi daha küçüktür.

83 67 2) Ark voltajı daha yüksektir. Bu nedene daha kalın ve ısı iletkenliği fala olan malzemelerin kaynağı için uygundur. 3) Daha hızlı kaynak yapmaya elverişlidir. 4) Tavan ve dik kaynak pozisyonlarında daha iyi koruma sağlar. 5) Daha dar bir alana daha fazla ısı girişi olduğundan derin bir nüfuziyet sağlar. 6) Altlık olarak kullanıldığında kök pasosunu iyileştirici görevi yapar Argon-Helyum karışımı Bu karışım daha ziyade otomatik TIG kaynağı için kullanılır. Burada Argon, daha iyi dikiş kontrolü için, Helyum ise daha derin bir nüfuziyet sağlanmasıyla amacıyla kullanılmaktadır. Çok değişik karışım oranlarında kullanılabilirler. Ancak burada en çok kullanılan karışım oranları verilmiştir; %75 Helyum + %25 Argon veya %80 Helyum + %20 Argon Argon-Hidrojen karışımı Bu karışım ise genellikle; paslanmaz çeliklerin, nikel alaşımlarının ve gözeneğin problem olduğu kaynaklarda kullanılabilir. Bu karışımın diğer bir özelliği de kaynak ısısını arttırarak dikiş kontrolünü kolaylaştırmaktır (Muntazam bir dikiş elde etme). Argon-Hidrojen karışımı, adi karbonlu veya düşük alaşımlı çeliklerin kaynağında kesinlikle kullanılmamalıdır, ancak paslanmaz çeliklerin kaynağında kullanılabilir (burada H2 miktarı<%15 kadar olmalıdır) Azot Nadir olarak kullanılan bir koruyucu gazdır. Ark voltajını ve amperini yükseltici etkisi vardır. Kaynak bölgesindeki ısı transferi, helyumun ve argonunkine nazaran daha yüksektir. Bu etkisinden dolayı da azot gazı bakır ve alaşımlarının kaynağında kullanılabilmektedir. Ancak ark ın kararlılığı azalır ve elektrot kısa sürede kirlenir. Çünkü azot gazı asal gaz değildir. Toryumlu tungsten elektrotlarla bu problem

84 68 azaltılabilmektedir [Anık, S., 1991]. Çizelgede bazı sınai gazların özellikleri verilmiştir. Çizelge 5.2. Bazı sınai gazların özellikleri TIG Kaynağında Tel Besleme Cihazları Bilindiği gibi elle yapılan TIG kaynağında dolgu teli kaynak banyosuna el ile sürülür. Ancak yarı otomatik veya tam otomatik TIG kaynağında ise dolgu teli, doğru akım motoruyla tahrik edilen hareket makaralarıyla kaynak banyosuna sürülür. TIG kaynağının dolgu teli ya soğuk olarak yada bir ön ısıtmaya tabi tutularak kullanılır. Soğuk olarak kullanılan teller direkt hareket makaralarından geçirilerek kaynak alanına gönderilir. Ancak yüksek amperde çalışılıyor ise torç su soğutmalı olmalıdır. Ön ısıtmalı olarak kullanılan tellerin kaynak alanına gönderilmesi sistem olarak yukarıdakinin aynısıdır. Ancak tel kaynak banyosuna varmadan önce istenilen sıcaklığa kadar elektrikle ön ısıtmaya tabi tutulur. Sıcak telin oksidasyonu daha kolay olacağından koruyucu gazı atmosfere karşı koruması gereklidir. Sıcak tel metodundan birim zaman da erime miktarı daha fazladır. Bu metot çok fazla olmamakla beraber karbonlu ve hafif alaşımlı çeliklerin, paslanmaz çeliğin, bakır alaşımlarının ve nikel alaşımlarının kaynağında kullanılmaktadır.

85 Elektrodlar Gaz-Tungsten ark kaynağında kullanılan elektrotlar erimeyen tip elektrotlardır. Bunlar ya saf tungstenden veya tungsten alaşımlarından yapılmışlardır. Zira tungsten, bugün bildiğimiz diğer bütün metaller üzerinde bir ergime sıcaklığına sahiptir ki bu sıcaklık 3400 o C dir. TIG kaynağı için beş tip tungsten elektrot vardır. Bunlar, saf tungsten ve tungstenin toryumla ve zirkonyumla olan alaşımlarından yapılmıştır. Tungsten elektrotlar kimyasal analizlere göre sınıflandırılırlar ve ona göre üzerleri değişik renklere boyanarak işaretlenir. Çizelge 5.3. AWS ye göre elementlerin sınıflandırılması [Anık ve ark., 1980] Tungsten elektrotları genellikle aşağıdaki ölçüler arasındaki ölçüler arasında imal edilirler: Boy: mm Çap: 0,25-6,4 mm

86 70 Çizelge 5.4. Çeşitli malzemelerin kaynağı için tavsiye edilen tungsten elektrot ve gaz cinsleri Tabi ki elektrodun seçiminde bazı önemli faktörler vardır ki bunlar; kaynatılacak malzemenin cinsi, kalınlığı, kullanılan akım tipi ve kullanılan koruyucu gazdır. Bu faktörleri çizelgede özet olarak göstermekteyiz. Aşağıda görülen çizelgede de tungsten elektrotların çaplarına ve tiplerine göre kullanılan akım oranları göstermiştir.

87 71 Çizelge 5.5. Tungsten elektrotların çaplarına ve tiplerine göre kullanılan akım oranları Saf Tungsten Elektrotlar; diğerlerine göre daha ucuzdurlar. Bu elektrotlar alternatif akımda ve pek kritik olmayan işlerde kullanılır fakat düzgün (kararlı) ark sağlarlar. Saf tungsten elektrotlar diğerlerine göre (alaşımlı olanlarına göre) daha az akım taşıma kapasitesine sahiptirler ve oksitlenmeye karşı dirençleri daha düşüktür. Bu elektrotlar üzerlerindeki yeşil boya ile tanınırlar. %1-2 toryum ile alaşımlandırılmış tungsten elektrotlar saf tungsten elektrotlara nazaran bazı avantajları vardır. Bunlar; daha yüksek akım taşıma kapasitesine sahip olma, daha uzun ömürlü olma, daha fazla elektron verme özelliğinde olma, oksitlenmeye karşı (kirlenmeye) karşı daha dayanıklı olma ve daha kolay ve kararlı ark oluşturma özelliklerine sahiptirler. %1 toryumlu tungsten elektrotlar sarı boya ile ve %2 toryumlu tungsten elektrodlar ise kırmızı boya ile işaretlendirilmişlerdir. Çizgili Tungsten Elektrotlar, ise saf tungsten elektroda kanalcıklar içinde toryum takılmasıyla imal edilirler. Bu elektrotlar, saf tungsten elektrotun karakteristiği ile (kararlı ark) toryumlu alaşımlı elektrotların karakteristiğini (kolay ark başlatma, yüksek akım taşıma) gösterirler. Bunlar da mavi boya ile işaretlendirilmişlerdir. Alternatif akımda kullanılırlar.

88 72 Zirkonyumlu Tungsten Elektrotlar; alternatif akımda yapılan kaynaklarda yüksek verim sağlarlar. Şöyle ki; hem yüksek akım taşıma özelliğine hem de ark başlatma özelliğine sahiptirler. Tungsten içinde %0,15-0,40 oranlarında bulunurlar. Bu elektrotlar kahverengi boya ile işaretlendirilmişlerdir Elektrot uçlarının hazırlanması Tungsten elektrotların uç kısımları arkın düzgünlüğü açısından önemlidir. Elektrotların uç şekilleri imal edildiği tungstenin cinsine göre; 1) Sivriltilerek (konik şekilde) 2) Yarı küresel biçimde 3) Tam küresel biçimde hazırlanır. Sivri uçlu elektrotlar, sınırlı alanların (dar birleşme yerlerinin) kaynağında en iyi neticeleri verirler (yüksek akım yoğunluğu sağladığı için). Konik uç, genellikle toryum alaşımlı tungsten elektrotlarda kullanılır. Bu elektrotlar, doğru akımda ve negatif olarak kullanılırlar. Yarı ve tam küresel uç ise genellikle saf veya zirkonyum alaşımlı tungsten elektrotlarda kullanılırlar. Bu elektrotlar da genellikle alternatif akımda kullanılırlar. Konik uçlar taşlanarak, küresel uçlar ise bir parça bakır metali üzerinde ark oluşturarak hazırlanırlar Kullanılan dolgu telleri Daha önce de belirtildiği gibi TIG Kaynağı Yöntemi ile çok değişik metallerin kaynağı yapılabilmektedir, bu nedenle çok değişik türde dolgu teli kullanılmaktadır. Uygun dolgu telinin seçimi, öncelikle kaynak edilecek iş parçasının kimyasal analizi göz önüne alınarak yapılır. Zira dolgu teli ile iş parçasının uyum sağlaması gerekmektedir. Zaten bu tellerin imalatı, ana malzemelerinin kimyasal analizi, saflığı ve kalitesi göz önüne alınarak yapılır.

89 73 Bir dolgu telinin seçilmesinde dikkat edilmesi gereken önemli faktörleri söyle sıralayabiliriz; 1) Hangi tip operasyonun kullanılacağı 2) Maliyet durumu 3) Metalürjik uygunluğu 4) Gerilme direnci 5) Darbe dayanımı 6) Elektrik iletkenliği 7) Isı iletkenliği 8) Korozyona karşı direnci 9) Kaynak dikişi görünümü 10) İş parçasının kalınlığı ve şekli 11) İşletme şartları Dolgu telleri içindeki dezoksidan maddelerinin miktarına dikkat etmek gerekmektedir. Bu maddelerin azalması halinde kaynak dikişi istenilen özellikte (sağlamlık, doğruluk, geçerlik) elde edilemez. aşağıdaki çizelgede TIG kaynağında kullanılan (çeşitli metaller için) dolgu tellerinin AWS ye (Amerikan Kaynak Cemiyeti) göre sınıflandırılması görülmektedir.

90 74 Çizelge 5.6. TIG kaynağında kullanılan dolgu tellerinin AWS ye göre sınıflandırılması Aşağıdaki çizelgelerde ise alüminyum ve bakır kaynağında kullanılan dolgu tellerinin kimyasal kompozisyonlarına göre sınıflandırılması örnek olarak verilmiştir. Çizelge 5.7. Alüminyum ve bakır kaynağında kullanılan dolgu tellerinin kimyasal kompozisyonlarına göre sınıflandırılması

91 TIG kaynak metodunda kaynak prosedürü Bu bölümde, normal kaynak şartları altında iyi bir kaynak elde etmek için hazırlanmış bazı tipik kaynak prosedür çizelgelerinden bahsedilecektir. Daha önce de belirtildiği gibi TIG kaynak metodunun çok geniş bir uygulama alanı olduğu gibi çok değişik metallerin kaynağında kullanılabilmektedir. Dolayısıyla burada verilecek örnekler, kullanılmakta olan çeşitli kaynak prosedürleri hakkında az da olsa bir fikir verecektir. Bu örnekler daha ziyade, alüminyum ve alaşımları, bakır ve alaşımları, alaşımsız karbon ve düşük alaşımlı çelikler ile paslanmaz çeliklerin kaynağı hakkında verilmiştir (elle yapılan TIG kaynağı için). Çizelgelerde; kaynak tipleri, ana malzeme kalınlıkları, paso sayısı, tungsten elektrotların çapları ve tipleri, nozul çapları, dolgu teli çapları, gaz akış debisi, kaynak akımı ve kaynak hızı değerleri mevcuttur. Ark voltajı ise verilmemiştir. Zira ark boyunun değişmesi ark voltajını da etkilemektedir. Elle yapılan kaynakta kaynakçının ark boyunu devamlı sabit tutması mümkün değildir. Ancak otomatik TIG kaynağında ark boyu sabit tutulabildiğinden ark voltajı kolaylıkla ölçülebilir. Sonuç olarak; bu çizelgeler TIG kaynağında temel bir yaklaşım yapabilmek için birer kılavuz olabileceklerdir. Sanayide ise gerçek çalışma şartları altında olmak üzere, (esas parça kaynatılmadan evvel) çeşitli kaynak tecrübeleri ve testleri yapılmalıdır. Kaynak ağzı (küt alın) ve birleştirme şekilleri kullanılarak yapılacak TIG kaynağında kaynak prosedürü şöyledir: Şekil 5.8. Kaynak ağzı (küt alın) ve birleştirme şekilleri 1. Tungsten elektrot ile dolgu telinin çapı ve kaynak akımı kaynak hızına ve kaynakçının maharetine bağlı olarak değişebilir.

92 76 2. Tavan pozisyonunda gaz debisi arttırılmalıdır. Alüminyum + Alüminyum alaşımları için : Kullanılan akım: Alternatif akım Kullanılan Gaz: Argon gazı Kullanılan elektrot: Saf Tungsten elektrot Çizelge 5.8. Alüminyum + Alüminyum alaşımları için verilen değerler Bakır+Bakır alaşımları için (Silikon bronzu hariç) Kullanılan akım: Doğru akım (elektrot negatif) Kullanılan Gaz: Argon (~5mm kalınlığına kadar) daha kalın malzeme için Helyum Kullanılan elektrot: %2 Toryumlu Tungsten Elektrot Çizelge 5.9. Bakır + Bakır alaşımları için verilen parametre değerleri (Slikon bronzları hariç) Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı çelikler için Kullanılan akım: doğru akım (elektrot negatif) Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrot: %2 Toryumlu Tungsten elektrot

93 77 Çizelge Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı çelikler için verilen parametre değerleri Paslanmaz çelikler için Kullanılan akım: Doğru akım (elektrot negatif) Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrot: %2Toryumlu Tungsten elektrot Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen parametre değerleri

94 78 Aşağıdaki kaynak ağzı (V kaynak ağzı) ve birleştirme şekilleri kullanılarak yapılacak TIG kaynağında kaynak prosedürü: Şekil 5.9. Kaynak ağzı (V kaynak ağzı) ve birleştirme şekilleri 1) Elektrotun ve dolgu telinin çapı; kaynak akımı, kaynak hızı kaynakçının maharetine bağlıdır. 2) Tavan pozisyonunda gaz debisi arttırılmalıdır. Alüminyum + Alüminyum alaşımları için: Kullanılan akım: Alternatif Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrot: Saf Tungsten elektrot Çizelge Alüminyum+ Alüminyum alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre)

95 79 Bakır+Bakır alaşımları için (Silikon bronzları hariç) Kullanılan akım: Doğru akım(negatif elektrot) Kullanılan Gaz: Helyum Kullanılan elektrot: %2Toryumlu Tungsten elektrot Çizelge Bakır+Bakır alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre). Paslanmaz çelikler için: Kullanılan akım: doğru akım (negatif elektrot) Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan Elektrot: %2 Toryumlu elektrot Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Aşağıdaki kaynak ağzı (köşe ve bindirme) ve birleştirme şekilleri kullanılarak yapılacak TIG kaynağında kaynak prosedürü şöyledir:

96 80 Şekil Kaynak ağzı (köşe ve bindirme) ve birleştirme şekilleri 1) Tungsten elektrot ile dolgu telinin çapı ve kayak akımı, kaynak hızına ve kaynakçının maharetine bağlı olarak değişebilir. 2) Tavan pozisyonunda gaz debisi bir miktar arttırılmalıdır. Alüminyum+Alüminyum alaşımları için: Kullanılan akım: Alternatif Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrot: Saf Tungsten elektrot Çizelge Alüminyum+Alüminyum alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Bakır+Bakır alaşımları için (Silikon bronzları hariç) Kullanılan akım: Doğru akım (elektrot negatif)

97 81 Kullanılan Gaz: Argon (~5mm kalınlığına kadar) daha kalın malzemeler için Helyum Kullanılan elektrot: %2 Toryumlu tungsten elektrot Çizelge Bakır+Bakır alaşımları için verilen değerler (değişen parametrelere göre) Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı karbonlar için: Kullanılan akım: Doğru akım (elektrot negatif) Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrot: %2 Toryumlu Tungsten elektrot Çizelge Alaşımsız (Karbon) ve düşük alaşımlı karbonlar için verilen değerler (değişen parametrelere göre)

98 82 Paslanmaz çelikler için: Kullanılan akım: Doğru akım (negatif elektrod) Kullanılan Gaz: Argon Kullanılan elektrod: %2 Toryumlu Tungsten elektrod Çizelge Paslanmaz çelikler için verilen değerler (değişen parametrelere göre)

99 83 6. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 6.1. Genel Otomotiv saclarının kaynaklı birleştirme işlemlerinde en sık kullanılan kaynak yöntemi grubu ark kaynağıdır. Çünkü boşluksuz ve birleşme verimi yüksek bir bağlantı sağlamaktadır. Bir çok ince çeliklerin kaynağı diğer metallere göre daha zor olduğu için ve özellikle kalınlığı 3 mm den ince olan uygulamalar için TIG kaynak yöntemi tercih edilmektedir [Huang, 2009]. Ergitme kaynaklı birleştirmelerde bölgesel ısınma gerçekleşmektedir. Bu nedenle kaynaklı parçada sıcaklık dağılımı üniform değildir [Tseng, 2003]. Bu durum, kaynaklı parçanın malzeme karakteristikleri, kalıntı gerilmeleri, boyutları ve şekillerini etkilemektedir. Bunun sonucunda kaynaklı yapılarının ürün kalitesinde ve fabrikasyon toleransında hasarlar meydana gelmektedir [Long, 2009]. Açısal distorsiyonlar; ısıtma gerilmeleri, konstrüksiyonun rijitliği ve malzemenin metalürjik özellikleri olmak üzere üç ana değişkenden etkilenmektedir. Kaynak akımı değer artışı ise kaynaklı birleştirme işlemi bölgesel ısı girdisi değerlerini arttırmaktadır. Bu nedenle otomotiv saclarının kaynaklı birleştirmesinde en uygun kaynak akımı değerinin tayini minimum açısal distorsiyonu ve bunun sonucu minimum fabrikasyon maliyetinin tayini için incelenmesi gereken önemli bir değişken olmaktadır. Literatürde otomotiv saclarının TIG kaynağı ile birleştirmelerinde oluşan açısal distorsiyonlarla ilgili bir çalışmaya rastlanmamıştır. Sürekli kaynak yerine metod kaynağı (darbeli akım) ile distorsiyonlar azaltılabilir [Gourd, 1986]. Deneysel çalışmalarda kullandığımız EN 10204/2004/3.1 S235JR+AR kodlu otomotiv sacı, TIG kaynak yöntemi ile ve yine aynı sacdan elde edilen ilave tel yardımı ile DC 50 Amper akımda alın alına kaynatılmıştır. Bir başka gruba ise karşılaştırma yapmak amacı ile oksi-asetilen kaynağı uygulanmıştır. Elde edilen

100 84 numunelerin her iki grubuna da çekme testleri ile birlikte, mikroyapı ve sertlik deneyleri yapılmıştır. Özellikle otomotiv saclarının kaynağında yaygın olarak kullanılan bu iki kaynak türünün mekanik özellikleri, birbirleri ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bir başka çalışma grubunda ise aynı tür otomotiv sacının soğuk derin çekme karşısındaki fiziksel davranışı hakkında bilgiler toplanmaya çalışılmıştır. Parçalara farklı açı ve derinliklerde çökeltme sıvaması uygulanmıştır. Buradaki amaç şekillendirilen saclarda mikroyapı kusurlarının olup olmadığının incelenmesidir. Bu kriterlere göre derin çekilen sacların mikroyapı fotoğrafları çekilerek tane yapısındaki değişimler incelenmiştir Deneylerde Kullanılan Malzeme Deneylerde kullanılan saclar EN 10204/2004/3.1 S235JR+AR kodlu otomotiv sanayinde kullanılan sacdır. Sac ölçüleri 2x1000x2000 mm dir. Daha sonra bu saclar gerekli deney ölçülerine getirilmiştir. Elde edilen kaynaklı numunelerden 3 tanesi çekme testlerinde, 1 tanesi mikroyapı testlerinde, 1 tanesi de sertlik testlerinde kullanılmıştır. Bu malzemeye ait kimyasal kompozisyon ve mekanik özellikleri Çizelge 6.1 de verilmiştir. Çizelge 6.1. Deneylerde kullanılan sacın EN 10204/2004/3.1 S235JR+AR kimyasal kompozisyonu C Si Mn P S Al Ni Cr 0,062 0,210 0,590 0,008 0,017 0,046 0,0103 0, Derin Çekme Derin çekme işlemi pot baskısı tarafından sıkıştırılan levha sac malzemenin erkek tarafından dişinin içerisine sıvanması esasına dayanan bir işlemdir. İşlem sonucunda

101 85 elde edilen parçanın sac malzeme kalınlığı işlem başında giren sac malzeme kalınlığına oldukça yakındır. Oluşan parça sac malzemeye göre çok daha mukavemetlidir. Endüstride derin çekme işleminin yaygın bir kullanımı vardır. Hatta bu işlem vasıtasıyla derin olmayan sığ parçaları bile üretmek mümkündür. Genel olarak üretilen parçalar; içecek kutuları, derin kaplar, tencereler, tepsiler, koruyucu kaplar ve otomobil gövde parçalarıdır. Şekil 6.1. Form verilmiş yuvarlak bir kabın duvarlarındaki gerilme etkileri Büküm Kenarı: FT : Kesite dik doğrultuda yüksek bası gerilmesi (parça kalınlaşması) FN: Yüzeye normal yönde uygulanan pot kuvveti (Kırışmayı önler) FR: Radyal yönde uygulanan sürtünme kuvveti Yan duvar: FR : Yüksek çekme kuvveti sacı radyal yönde gerer. Derin çekme işlemi uyguladığımız malzemenin Matris/baskı plakası yüzeylerine α=0, α= 5, α= 10,α= 15 lik dört farklı açı değeri verilmiş olup, sac malzemenin kalıp içerisine akışının kontrolü 2450 N, 4900 N ve 7350 N (5, 10, 15 bar) luk baskı

102 86 plakası kuvvetleri uygulanarak sağlanmıştır. Verilen açı ve radyüslerin etkisini tespit etmek için bir dizi deneysel çalışmalar yapılmıştır. Matrisler 1,2080 ve zımbalar 1,2842 soğuk iş takım çeliği, baskı plakaları ise CK45 çeliği kullanılarak, Fanuc O T CNC torna tezgâhında; matris ve baskı plakalarının işleme yönleri kalıp merkezinden dışarı doğru olacak şekilde işlenerek imal edilmiştir. Küresel Zımba Baskı Plakası Sac α R z R m Matris s R23,9 Ø Şekil 6.2. Deneylerde kullanılan kalıp geometrileri Deneysel çalışmalarda zımbaya gelen kuvvetin belirlenmesi için CAS LS 20T marka 20 ton kapasiteli tek yönlü kuvvet ölçme özelliğine sahip bir yük hücresi kullanılmıştır. Kuvvetin hassas olarak ölçülebilmesi için yük hücresinin çekme eksenine dik ve çakışık yerleştirilmiş olması önemlidir. Çekme kalıpları üzerinde, farklı matris/baskı plakası açılarının ve baskı plakası kuvvetlerinin çekme işlemindeki kuvvetler üzerindeki etkileri yük hücresine gelen kuvvetin ölçülmesiyle tespit edilmiştir.

103 87 Çekme deneylerinde kullanılan çekme parametre değerleri Çizelge 6.2 de verilmiştir. Bu değerler kullanılarak tam faktöriyel deneysel tasarım yöntemi ile toplam 48 deney parametresi oluşturulmuştur. Çizelge 6.2. Derin çekme parametreleri Çekme parametreleri Matris/Baskı plakası açısı α ( ) Derin çekme deneyleri 600 kn basma kapasiteli C tipi Şahinler marka hidrolik pres tezgâhında gerçekleştirilmiştir. Kalıp pres tezgâhına bağlanmış, çekme hızı sabit 4 mm/s olacak şekilde hidrolik olarak ayarlanmış ve Mechaopto Dijital Takometre ile pres hızı ölçülmüştür. Şekil 6.3 de deney setinin fotoğrafı görülmektedir. Şekil 6.3. Deneysel çalışmaların yapıldığı pres tezgâhı ve kalıp seti Derin çekme işlemi sırasında sac malzeme, baskı plakası, matris ve zımba arasındaki sürtünmeyi azaltmak, sac malzemenin takım yüzeyinde daha kolay kaymasını

104 88 sağlamak ve kalıp elemanlarının aşınmalarını önlemek amacıyla, yoğunluğu 15 C de 883 kg/m 3 olan Shell Tellus 68 numara yağ yağlayıcı olarak kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar, pres hızı sabit tutularak her deney sonunda baskı plakası kuvveti değiştirilerek 4 farklı baskı plakası kuvveti uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Her bir kap için, belirlenen bu 4 farklı baskı kuvveti tekrar edilerek uygulanmış ve matris/baskı plakası ayrı ayrı değiştirilerek 7 farklı kalıp açısı üzerinde tekrar edilmiştir. Matris/baskı plakası açısı, küresel zımba ve baskı plakası kuvvetlerinin çekme işlemine etkileri tespit edilmeye çalışılmıştır Koruyucu Gaz Gaz altı kaynak yöntemlerinde kaynak parametrelerinden bir tanesi koruyucu gaz seçimidir. Bu amaçla deneysel çalışmalarda TIG kaynağında argon gazı kullanılmıştır. Koruyucu gazlar sadece kaynak banyosunu korumakla kalmayıp bunun yanında arkın kararlılığına, dikişin mekanik özelliklerine, dolgu biçimine, işlemin verimliliğine, duman oluşumuna ve bunun gibi birçok kaynak parametrelerine de etki etmektedirler. Deneysel çalışmalarımızda literatürde yer alan referanslar dikkate alınmıştır Kaynak Makinası Birleştirme işlemleri, Nuriş DC/AC 600 Invertör tip TIG kaynak makinesinde DC 50 Amper akımda çap 2 lik kırmızı elektrot ile gerçekleştirilmiştir. Kaynak işlemleri her bir parametrede alın alına gerçekleştirilmiş ve toplam 6 adet kaynak yapılmıştır. Öncelikle alın birleştirmeleri, aralarında 1 mm boşluk kalacak şekilde sıkı bir şekilde puntalanmış ve daha sonra kaynaklanmıştır. Kaynak işlemi biten numuneler açık havada soğumaya bırakılmıştır.

105 Sertlik Testi Bir malzemenin çizilmeye, kesilmeye, aşınmaya ve delinmeye karşı gösterdiği dirence sertlik denir. Bilimsel anlamda ise, bir malzemenin dislokasyon hareketine veya plastik deformasyona karşı gösterdiği direnç sertlik olarak ifade edilir. Sertlik deneyinde, bir malzemenin yüzeyine batırılan bir uca veya kesici takıma karşı gösterdiği direnç ölçülür. Batıcı uçlar bilye, piramit veya koni biçiminde olup, genellikle sertleştirilmiş çelik, sinterlenmiş tungsten karbür veya elmas gibi, sertliği deney malzemesinden çok daha yüksek olan malzemelerden yapılır. Sertlik ölçümünde dikkat edilmesi gereken bazı hususlar vardır. Örneğin sertlik örneklerinin ölçme ve oturma yüzeylerinin düzgün ve birbirine paralel olmaları gerekir. Günümüzde en çok Brinell, Vickers, Rockwell ve Knoop sertlik ölçme yöntemleri kullanılmakta olup deneysel çalışmalar Vickers sertliğine göre yapılmıştır. Şekil 6.4. Sertlik ölçüm cihazı Bu çalışmada, farklı kaynak yöntemleri ile birleştirilmiş alın kaynaklı numunelerin sertlik ölçümleri, Shimadzu marka cihaz ile HV cinsinden ölçülmüştür. Sertlik ölçümlerinde 2000 g yük kullanılmış ve her bir bölgede gerçekleştirilen 3 ölçüm

106 90 sonucunun ortalaması alınmıştır. Sertlik ölçümlerindeki kriterler ve sertlik ölçüm noktaları Şekil 6.5 ve Şekil 6.6 da verilmiştir. Şekil 6.5. Vickers sertlik testi Şekil 6.6. Sertlik ölçüm numunesinden alınan ölçüm noktaları 6.7. Çekme Testi TS 287 EN 895, herhangi bir ergitme kaynağı işlemi ile yapılmış bağlantılar ihtiva eden her biçimdeki metalik malzemelerin tahribatlı deneylerden çekme deneyini kapsamaktadır. Bu standart, bir alın kaynaklı birleştirmenin çekme dayanımını ve

107 91 kırılma yerini tespit etmek için yapılan çekme deneylerinde kullanılan deney numunelerinin ölçülerini ve deney prosedürünü içerir. Kaynaklı bir birleştirmeden alınan bir deney numunesine, ortam sıcaklığında (23±5 C) kopana kadar artan bir çekme yükünün sürekli uygulanmasıdır. Standarda göre fazla kaynak metali, (kaynak kökü ve kepi) giderilecek şekilde talaş kaldırma işlemine tabi tutulmalıdır. Ayrıca, deney numunesini çıkarmak için kullanılan mekanik veya ısıl işlemler deney numunesinin özelliklerini hiçbir şekilde değiştirmemelidir. Standartta verilen bilgiler doğrultusunda kesilen kaynaklı numunelerin kaynak kök ve kepleri taşlanarak, numune yüzeylerinde çentik etkisi yapacak izler giderilmiştir. Deneysel çalışmalarda kullanılan çekme test numunesinin ölçüleri Şekil 6.7 de verilmiştir. TS 138 EN standardına göre çekme numuneleri hazırlanmış olup çekme numunelerine ait bilgiler Şekil 6.7 de verilmiştir. Şekil 6.7. TS 138 EN e göre çekme numunesi standardı Çekme ve eğme deneylerinin yapıldığı test cihazının fotoğrafı Şekil 6.8 de verilmiştir.

108 92 Şekil 6.8. Çekme ve eğme deneylerinin yapıldığı test cihazı Her bir kaynak parametresinden ve ana malzemeden 3 adet olarak hazırlanan çekme numuneleri, oda sıcaklığında Instron Satec LX tipi cihaz ile 2 mm/dk ilerleme hızında teste tabi tutulmuş, transdüserleri otomatik olarak tanıdığından yine otomatik olarak kalibrasyonunu gerçekleştirir Mikroyapı Çalışmaları Bilindiği gibi numunelerin yüzeyinde, kesilen aletin kesme izleri bulunur. Ayrıca kesme esnasında numunenin yüzeyi bir miktar deforme olur. Numuneyi orijinal yapı temsil ettiğinden, toplam deformasyona uğramış tabakanın ortadan kaldırılması zımparalama ve parlatmanın amacıdır. Kaba zımparalamanın amacı, bir sonraki zımparalama ve parlatma kademeleri için gerekli düz yüzeyi elde etmektir. Bu işlemde numune önce sırayla 80, 120 ve 240

109 93 no lu zımpara ile zımparalanır. Kaba zımparalamada dikkat edilecek husus, numunenin ısınmasını önlemektir. Bu nedenle, zımparalama kademesi genellikle yaş (su altında) yapılır. Ayrıca, parlatma keçelerinin yırtılmasını önlemek için numunedeki (bakalitin) keskin köşe ve kenarlar da, kaba zımparalama kademesinde kaldırılmalıdır. İnce zımparalama kademesinde 400, 600, 800, 1000 ve 1200 no lu zımparalar kullanılır. Pratikte, bir zımparadan diğerine geçildiğinde, numune 90 çevrilerek bir evvelki zımparalama yönüne dik olarak zımparalanır. Zımparalama esnasında numune yüzeyinde oluşan çizikler ve deformasyon tabakası bir sonraki zımparalama ile ortadan kalkar. Bunun için her zımparalama kademesi sonunda numune gözle kontrol edilmelidir. Zımparalama işlemi bittikten sonra mikroskobik inceleme yapılabilmesi için parlatılmaları gerekir. Bununla beraber göz aldanmasına engel olmak amacıyla özellikle numunenin mikroyapı fotoğrafı çekilecekse parlatmanın yeterli olup olmadığı ancak, numunenin mikroskopta gerekli büyütmede incelenmesi ile anlaşılır. Eğer numune dağlanmadan önce mikroskopta incelenecekse, alkolle temizlenir ve kurutulur. Parlatmadan sonra ancak, metalik olmayan kalıntılar, porozite, çatlak, yüzeydeki diğer benzeri kusurlar kolaylıkla görülebilir. Bu nedenle parlatmadan sonra numunelerin mikroskopta incelenmesinde yarar vardır. Malzemelerde gerçek içyapı özelliklerini ortaya çıkarmak için metalografide çoğu kez, parlatılmış numune yüzeyine uygun bir reaktif tatbik edilir. Bu işleme kimyasal dağlama veya kısaca dağlama (etching) denir. Dağlama ile parlatma sonunda görülemeyen mikroyapı özellikleri açığa çıkar. Dağlama, ayrıca fazların cinsini tayin etmede ve yönlenme etütlerinde kullanılır. Çalışma sonucunda hazırlanan mikroyapı numuneleri, öncelikle bakalite alınmışlardır. Bakalite alınan numuneler yüzeylerinin çizilmemesi için su zımparası ile zımparalanmışlardır. Zımparalama işlemi sırasıyla olmak üzere 120, 240, 400,

110 94 600, 800 ve 1200 gritlik silisyum karbür su zımparası ile ve de her zımparalama arasında 90 o çevrilerek tamamlanmıştır. Zımparalama işlemi biten numuneler malzeme yüzeyini hazırlamada son basamak olan parlatma işlemine tabi tutulmuşlardır. Parlatma işleminde amaç düzgün yüzeyli, çizik olmayan ve ayna gibi bir görünüm sağlamaktır. Parlatma işlemi, dönen bir disk üzerine yerleştirilmiş önce 6 μm bir keçe ile gerçekleştirilmiş ve bu keçe üzerine de 6 μm lik elmas pasta emdirilmiş, aynı işlem 3 μm için de uygulanmıştır. Parlatma işlemleri esnasında 500 dev/dk hız kullanılmış olup, her bir numune 5 dakika süreyle disk üzerinde yük uygulanmaksızın tutulmuştur. Şekil 6.7 de deneysel çalışmaların mikroyapı incelemelerinde kullanılan zımparalama ve parlatma cihazının görüntüsü verilmiştir. Şekil 6.9. Mikroyapı çalışmalarında kullanılan parlatma cihazının görüntüsü Parlatma işlemi tamamlanan numuneler mikroyapılarının görülebilmesi için Nital dağlayıcı (% 3 HNO3, % 97 CH3OH) ile dağlama işlemine tabi tutulmuşlardır. Hazırlanan numunelerden Leica marka ve bilgisayara görüntü aktarabilen optik mikroskop ile gerekli görülen bölgelerden mikroyapı fotoğrafları alınmıştır.

111 95 Mikroyapı çalışmalarının gerçekleştirildiği optik mikroskobun fotoğrafı Şekil 6.8 de verilmiştir. Şekil Mikroyapı çalışmalarının yapıldığı optik mikroskop

112 96 7. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA 7.1. Derin Çekme Makroyapı sonuçları Derin çekme uygulanan otomotiv saclarının matris/baskı plakası yüzeylerine α= 0, α= 5, α= 10,α= 15 lik dört farklı açı değeri verilmiş olup, sac malzemenin kalıp içerisine akışının kontrolü 2450 N, 4900 N, 7350 N (5, 10, 15 bar) luk baskı plakası kuvvetleri uygulanarak sağlanmıştır. Şekil 7.1.Makro yapı görüntüleri Yapılan makro incelemelerde deformasyona bağlı kesit daralmalarının oluştuğu görülmüştür. Gözle muayene sonucunda çatlak, boşluk ve yüzey deformasyonu gibi hatalara rastlanmamıştır Mikroyapı sonuçları Derin çekme uygulanan otomotiv saclarının yüzeylerine α= 0, α= 5, α= 10,α= 15 lik dört farklı açı değeri ve 2450 N, 4900 N, 7350 N luk baskı plakası kuvvetleri ile oluşan numunelerin x50, x100 ve x200 büyütmelerde çekilen mikroyapı sonuçları Şekil 7.2, Şekil 7.3 ve Şekil 7.4 te verilmiştir.

113 97 (a) Şekil o açı ve 7350 N kuvvetle derin çekilmiş parçaların mikroyapı görüntüleri a) Deforme olmamış bölge b) Deformasyona uğramış bölge (b) (a) (b) Şekil o açı ve 4900 N kuvvetle derin çekilmiş parçaların mikroyapı görüntüleri a) Deforme olmamış bölge b) Deformasyona uğramış bölge (a) (b) Şekil o açı ve 4900 N kuvvetle derin çekilmiş parçaların mikroyapıları a) Deforme olmamış bölge b) Deformasyona uğramış bölge

114 98 Derin çekme numunelerinin yapılan mikroyapı incelemelerinde deformasyon miktarı arttıkça tane boylarındaki uzamalar artmıştır. Yapılan incelemelerde mikroyapı hatalarına rastlanmamıştır Sertlik Testi Sadece alın birleştirmelerden elde edilen sertlik testi sonuçları Çizelge 7.1 de verilmiştir. Yapılan sertlik testinin sonuçları genel olarak incelendiğinde; kaynak bölgesinden esas metale doğru sertlikte bir düşüş olduğu göze çarpmaktadır. Burada en yüksek sertlik değerleri kaynak metali ile geçiş bölgesinden ölçülmüştür. Elde edilen sertlik değerleri uluslararası kaynak enstitüsünün kabul edilebilir değerlerinin (350 vsd) çok altında olduğu için kaynak kabiliyeti açısından bir problem teşkil etmediği düşünülmektedir. Çizelge 7.1. Sertlik ölçüm sonuçları 1.ölçüm noktası 2.ölçüm noktası 3.ölçüm noktası 4.ölçüm noktası 5.ölçüm noktası 6.ölçüm noktası TIG (Vsd) Oksi-gaz (Vsd) Çekme Deneyi Test Sonuçları TIG ve oksi-gaz ile alın alına birleştirilmiş kaynaklı numunelerden elde edilen çekme grafikleri (üç çekme numunesinden elde edilen ortalama çekme grafikleri) Şekil 7.5. ve Şekil 7.6 da verilmiştir. Çizelge 7.2. TIG ile kaynatılmış 3 numuneye ait çekme sonuçları Numune Maksimum çekme (MPa) Maksimum Uzama (%) Gerilim (MPa) Kopma (MPa)

115 99 Çekme testleri sonucunda elde edilen grafik şöyledir: Gerilim % uzama Şekil 7.5. TIG kaynağında ana malzeme ve alın alına birleştirilmiş numunelerin çekme grafikleri Çizelge 7.3. Oksi-gaz ile kaynatılmış numunelerde çekme testi sonuçları Maksimum çekme (MPa) Maksimum Uzama (%) Numune Gerilim (MPa) Kopma (MPa) Çekme testleri sonucunda elde edilen grafik şöyledir:

116 100 Gerilim % uzama Şekil 7.6. Oksi-gaz kaynağında ana malzeme ve alın alına birleştirilmiş numunelerin çekme grafiği Çekme testi sonrası birleştirmelerin tümünde kopmanın kaynak bölgesi dışında ana malzemeye yakın bir bölgede meydana geldiği görülmüştür. Oksi-gaz kaynağı ile kaynatılmış numunelerde elde edilen verilere bakıldığında maksimum çekme ve gerilim değerlerinin TIG ile kaynatılmış numunelerde elde edilen verilere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Bunun nedeni olarak ta oksi-gaz kaynak yönteminde noktasal ısı girdisinin ve kaynak hızının oksi-gaz yöntemine göre daha yüksek olduğu, buna bağlı olarak ta TIG kaynak yönteminde elde edilen kaynak bölgesi ile ITAB ın daha dar olduğu düşünülmektedir. Böylelikle oksi-gaz kaynağında ısı daha geniş bölgede etkili olmakta, daha geniş bir alanda tane yapısı ısıdan etkilenerek daha sünek bir yapı elde edilmiştir. Uzama miktarı ve maksimum çekme değeri oksigaz ile kaynatılmış numuneye göre daha yüksek çıkmıştır. Bilindiği gibi kaynaklı bağlantılarda, kaynak dikişi mukavemetinin, her zaman esas metale nazaran daha sağlam olması istenmektedir. Aksi takdirde kaynak metalinde kopma oluşması halinde bunun anlamı; kaynak metalinde büyük hata oluştuğu ya da ilave metalin veya kaynak parametrelerinin uygun seçilmediğidir.

117 101 İlave metal seçiminde, üretici firma ve mühendisler, kaynak metali mukavemetinin her zaman esas metalden daha yüksek olması gerektiğini bilerek üretimi ve seçimi yaparlar. Otomobil saclarına değişik koruyucu gazlar kullanarak yaptığı çalışmada, uygun ilave tel seçildiğinde, kopmalar kaynak bölgesi dışında gerçekleşir [Şık, 2002] Mikroyapı Çalışmaları Bu çalışmada, derin çekme yapılan numuneler ile TIG kaynağı ve oksi-gaz kaynağı ile kaynatılmış numunelere ait mikroyapı incelemelerine yer verilmiştir. Elde edilen fotoğraflarda kaynak bölgesi, ITAB ve ana malzemeye ait görüntüler karşılaştırılmış ve kaynak yöntemlerinin mikroyapıya etkileri incelenmiştir. Şekil 7.7. Deneysel çalışmalarda kullanılan otomotiv sacına ait mikroyapı fotoğrafları

118 102 (a) (b) Şekil 7.8. Saf argon koruyucu gazı altında birleştirilen numunenin mikroyapı görüntüsü a) Kaynak metali b) Kaynak metali ve geçiş bölgesi, c) İri taneli bölge ile ince taneli bölge (c) Şekil 7.8 de TIG kaynak yöntemi ile birleştirilen numunenin mikroyapı görüntüleri incelendiğinde genel yapı şeklinde görülen klasik ITAB a benzer görüntüler elde edilememiştir. Kaynatılan sacın mikroyapısının (çift fazlı çelik) bunun sebebi olduğu düşünülmektedir. Yapılan incelemeler sonucunda geçiş bölgesi belirgin olmamakla birlikte iri taneli bölge ve ince taneli bölge açık bir şekilde görülmektedir. Ayrıca iri taneli bölge genişliğinin nispeten fazla olduğu tespit edilmiştir. Yine kullanılan malzemenin mikroyapısının (çift fazlı çelik) sebepler arasında en etkili faktör olduğu düşünülmektedir.

119 103 Kaynak metaline baktığımızda ısı merkezine doğru tane yönlenmeleri görülmemekle birlikte hızlı soğuyan kaynak dikişinin üst bölgesinde tane küçülmeleri açıkça gözlenmiştir. Bu durum soğuma hızına bağlı olarak beklenen bir sonuçtur. (a) (b) (c) (d) Şekil 7.9. Oksi-gazı altında birleştirilen numunenin mikroyapı görüntüsü a) kaynak metali geçiş bölgesi b) kaynak metali c) İri taneli bölge d) İri taneli bölge ile kaynak metali geçişi Şekil 7.9 daki oksi-gaz kaynak yöntemi ile birleştirilmiş malzemelerin mikroyapıları incelendiğinde TIG kaynağına göre geçiş bölgeleri daha bariz bir şekilde ayırt edilebilmektedir. Bunun sebebinin yüksek ısı girdisi olduğu düşünülmektedir. Aynı şekilde iri taneli bölgedeki tane boyutları da TIG kaynağına nazaran daha büyük olduğu açıkça görülmektedir. Yine bu durumun ısı girdisinin bir sonucu olduğu düşünülmektedir. Kaynak metalinden ısı merkezine doğru yönlenmeler daha açık bir şekilde görülmektedir. Yine bu durum da ısı girdisinin bir sonucudur. Isı girdisi