TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona Etkisi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 9, No: 2, 2012 (53-60) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 9, No: 2, 2012 (53-60) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona Etkisi Fatih SERDAROĞLU *, Mehmet TÜRKER **, Yasin K. KUTUCU ***, Erdal KARADENİZ *** * Ege Kimya A.Ş., Aşağı Kirazca Mah. Okul Sk. Arifiye Sakarya/TÜRKİYE ** Kocaeli Üniversitesi, Müh. Fak., Makine Müh. Böl., Kocaeli/TÜRKİYE *** Sakarya Üniversitesi, Müh. Fak., Makine Müh. Böl., Sakarya/TÜRKİYE erdalk@sakarya.edu.tr Özet Kaynak yöntemiyle imal edilmiş paslanmaz çelik flanşlı borular özellikle korozyon direncinin önem arz ettiği nükleer, kimyasal, petrol ve gıda sektörlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaynaklı imalatta bölgesel ısı oluşumu nedeniyle özellikle paslanmaz çeliklerin kaynağı sonrası önemli miktarda distorsiyonlar oluşmaktadır. Bu durum, montaj işlemlerinde problem ve düzeltme maliyetlerine neden olmaktadır. Bundan dolayı, bu çalışmada, kaynaklı flanşlı boruların imalatında distorsiyon çeşitlerinden en etkilisi olan açısal distorsiyon değerleri araştırılmıştır. Araştırmada, östenitik paslanmaz çelikten dolgu telli manüel TIG metot kaynak yöntemiyle imal edilmiş flanşlı borular kullanılmıştır. Birleştirme bölgesindeki ısı artışını etkileyen en önemli parametre kaynak akımı olduğu için deneysel çalışmalar 70 A, 80 A, 90 A, 100 A ve 110 A kaynak akımı değerleriyle gerçekleştirilmiştir. Anahtar kelimeler: Açısal distorsiyon, TIG, Boru-Flanş kaynağı, Östenitik paslanmaz çelik. The Effect on Angular Distortion of Welding Current on Welded Pipe -Flange with Manual TIG Method Welding Abstract Stainless steel flanged pipes produced by welding are used commonly in nuclear, chemical, petroleum and food industries in where the corrosion resistance is main concern. The distortions are occurred due to excess heat input in welding method, and this situation is crucial especially in stainless steels. Fitting becomes more difficult in distorted regions and repair costs are high. As a result of this, in this study, angular distortion which is the most effective one was investigated observed in welded flanged pipes. Austenitic stainless steel flanged pipes were produced by gas tungsten arc welding (TIG) method with additional wire. Welding current (70, 80, 90, 100 and 110 A) were selected as welding parameters which is the most important parameter affecting heat input and strength of weldment. Keywords: Angular distortion, TIG, Pipe-Flange welding, Austenitic stainless steel.keywords : Plastic Welding, Plastic Joint, Reliability of Transferring Pipelines, Electrofusion Weld Bu makaleye atıf yapmak için Serdaroğlu F.,Türker M., KutucuY. K.,Karadeniz E.,. " TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona Etkisi" Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012(9)53-60 How to cite this article Serdaroğlu F.,Türker M., KutucuY. K.,Karadeniz E.,. " The Effect on Angular Distortion of Welding Current on Welded Pipe -Flange with Manual TIG Method Welding" Electronic Journal of Machine Technologies, 2012(9)53-60

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona 1. GİRİŞ Endüstride, özellikle korozyon direncinin önemli olduğu nükleer, kimyasal, petrol ve gıda sektörlerinde kaynakla birleştirmiş, östenitik paslanmaz çelik flanşlı boru ürünleri yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Östenitik paslanmaz çeliklerle kaynaklı birleştirme işlemlerinde en sık kullanılan kaynak yöntemi grubu ark kaynağıdır [2]. Çünkü ark kaynağı boşluksuz ve birleşme verimi yüksek bir bağlantı sağlamaktadır. Paslanmaz çeliklerin kaynağı diğer metallere göre daha zor olduğundan özellikle kalınlığı 3 mm den ince olan uygulamalar için TIG kaynak yöntemi tercih edilmektedir [2-5]. Çoğu kaynaklı birleştirmeler bölgesel ısınma ile gerçekleşmektedir. Bu nedenle kaynaklı parçada sıcaklık dağılımı homojen değildir [6-8]. Bu durum, kaynaklı parçanın malzeme karakteristiklerini, kalıntı gerilmelerini, boyutlarını ve şekillerini etkilemektedir. Bunun sonucunda kaynaklı ürünlerde kısmi veya kütlesel plastik deformasyonlar meydana gelmektedir. Kaynaklı birleştirme flanşlı boru fabrikasyon uygulamalarında, bölgesel ısınma sonrası soğuma sonucu oluşan kalıntı gerilmelerin neden olduğu açısal distorsiyon kusurunu düzeltmedeki işçilik ve zaman maliyeti önemli bir problem arz etmektedir [9,10]. Östenitik paslanmaz çeliklerin ısıl genleşme katsayıları diğer alaşımsız veya az alaşımlı çeliklere göre %50 daha fazladır [11]. Bu durum östenitik paslanmaz çeliklerden kaynakla birleştirme flanşlı boru ürünlerinde açısal distorsiyonların incelenmesinin önemini arttırmıştır. Açısal distorsiyonlar; ısıl gerilmeler, 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, östenitik paslanmaz çeliklerden flanşlı boru ürünlerin kaynaklı birleştirmesinde en uygun kaynak akımı değerinin tayini, minimum açısal distorsiyonu ve bunun sonucu minimum fabrikasyon maliyeti için incelenmesi gereken önemli bir değişken olmaktadır. Manüel TIG kaynak yöntemiyle kaynaklı birleştirme uygulamalarında kaynak işçisi çoğu zaman yüksek akımında kaynak yapmayı tercih etmektedir. Bunun nedeni arkın yüksek akımda çok kolay tutuşması ve kaynak hızının kaynak akımıyla doğru orantılı bir şekilde artmasıdır. Kaynağı hızlı yapıp işi daha çabuk bitirme düşüncesi ile çoğu zaman iş parçasına gereğinden fazla ısı girdisi uygulanmaktadır. Bununla birlikte, boru-flanş kaynağında boru dış çapı ile flanş iç çapı arasındaki aralık değeri, dolgu telsiz TIG metod kaynağı uygulamalarında kusurlar oluşturacak miktardan büyük olduğu durumlarda dolgu telli TIG kaynağı tercih edilir. Böyle durumlarda parçaya gereğinden fazla ısı girdisi uygulanarak, Distorsiyonlar artmakta ve ortaya çıkan problemleri gidermek için maliyetler de artmaktadır. Buna altarnatif olarak sürekli kaynak yerine metod kaynağı ile distorsiyonlar azaltılabilir [12]. Bu nedenle, bu çalışmada, östenitik paslanmaz çeliklerden flanşlı boru ürünlerinin dolgu telli manüel TIG kaynağı ile birleştirmelerinde oluşan açısal distorsiyonlara, bölgesel ısı girdisi üzerinde etkin olan kaynak akımının etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda distorsiyonları azaltmak için sürekli TIG kaynak yöntemi yerine dolgu telli TIG metot kaynağı yöntemi seçilmiştir. Deneysel çalışmalar, 70 A, 80 A, 90 A, 100 A ve 110 A kaynak akımı değerleriyle gerçekleştirilmiştir. 2. MALZEME ve METOT Deneysel çalışmalarda kaynak malzemesi olarak; AISI 304 Östenitik paslanmaz çelik seçilmiş ve kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilmiştir. 54

3 Serdaroğlu F.,Türker M., KutucuY. K.,Karadeniz E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012(9)53-60 Tablo 1. AISI 304 kalite paslanmaz çeliğin kimyasal bileşimi Malzem e AISI 304 C M n S i C r 1 8 N i 1 0 P 0,04 5 S 0,0 3 Kaynak dolgu teli olarak Ø 2 mm ER 308L teli kullanılmıştır. Kaynak dolgu telinin kimyasal bileşimi Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. ER 308 L dolgu telinin kimyasal bileşimi Malzeme C Mn Si Cr Ni P S Diğerleri ER 308L Mo 0.75 Cu Deneysel çalışmalar için 400 x 438,66 x 2 mm boyutlarında AISI 304 saclardan TIG kaynak yöntemi ile Ø dış 139,7 x 400 x 2 mm boyutlarında dikişli boru imal edilmiştir. Flanşlar ise aynı sacdan lazer kesme yöntemiyle 240 mm dış çap, 141 mm iç çap ölçülerinde ve üzerinde 8 adet 18 mm çaplı delikli imal edilmiştir. Birleştirme sonucu oluşan boru flanş bağlantısının montaj resmi Şekil 1 de gösterilmiştir. Tüm kaynaklı birleştirmeler ESAB marka Origo Arc 150i model kaynak makinası ile yapılmıştır. Şekil 1: Dolgu telli manüel TIG metot yöntemiyle Boru-Flanş kaynaklı birleştirmesi Boru ile flanşın dolgu telli TIG yöntemiyle kaynaklı birleştirmesinde, 2/3 oranında metot kaynağı tercih edilmiştir. Kaynak planının şeması Şekil 2 de sunulmuştur. Buna göre flanş boruya 4 noktadan karşılıklı puntalanmıştır. Daha sonra sırasıyla 1, 2, 3, 4, 5, 6 bölgelerine kaynaklı birleştirme uygulanmıştır. Isının dengeli yayılması için kaynaklar karşılıklı oluşturulmuş, sonraki adımda önce ısınan yerden kaynağa devam edilmiştir. Kaynak planı oluşturulduktan sonra bir şablon oluşturulmuş ve tüm deney parçaları üzerine kaynaklanacak bölgeler markalanmıştır. Deneysel çalışmalarda koruyucu gaz olarak % 99,995 saflıkta saf argon seçilmiştir. Gazın debisi 7 lt./dak. olarak ayarlanmıştır. 55

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona Şekil 2. Metot kaynağı planı. Kaynak akımının açısal distorsiyona etkisini araştırmada, kaynak akımı değerleri çeliklerde parça kalınlığı için en uygun akım şiddeti literatürde [3] 45 A / mm olup, 2 mm saclar için 90 Amperdir. Bu nedenle, kaynak akımı değişkenleri seçiminde 90 Amperin azaltılması ve arttırılması esas alınmıştır. Bu bağlamda, deneysel çalışmalar 70 A, 80 A, 90 A, 100 A ve 110 A kaynak akımı değerleriyle gerçekleştirilmiştir. Her bir kaynak akımı değeri için 3 adet uygulama yapılmış ve toplam 15 adet kaynaklı birleştirilmiş flanjlı boru parça ile çalışılmıştır. Kaynaklı birleştirmelerde yaklaşık 7 mm nüfuziyet genişliği referans değer seçilmiş ve kaynak ustası kaynak hızını değiştirerek nüfuziyet değerlerini sabitlemiştir. Kaynak akımının açısal distorsiyona etkisini değerlendirmek için deney numuneleri flanş tarafından torna tezgâhının aynasına içten dengeli bir biçimde bağlanmıştır. Numunenin diğer ucuna konik şekilde faturalı; ortası puntanın basacağı bir flanş oturtularak punta deliğe girip sabitleyecek bir şekilde deney numunesi tezgâha bağlanmıştır. Kumpas yardımı ile flanşın dışından içine doğru 5 mm lik bir eksen çizilmiştir. Altıncı ve birinci kaynak bölgesinin ortasına gelecek bir şekilde komparatör çizilen eksene basacak şekilde sabitlenmiştir. Komparatör parçaya 5 mm ön basmalı olarak sabitlenmiştir. Torna aynası el ile çevrilerek her bölgedeki şekil değiştirmeler komparatörden okunmuştur. Ölçüm uygulama resimi Şekil 3 de, ölçüm detayı ise Şekil 4 te gösterilmiştir. Açısal distorsiyonun derece cinsinden hesaplanması için komparatördeki sapma değeri ve tanjant teoremi kullanılmıştır. 56

5 Serdaroğlu F.,Türker M., KutucuY. K.,Karadeniz E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012(9)53-60 Şekil 3. Açısal distorsiyon ölçümü. Şekil 4. Açısal distorsiyon ölçüm şeması. 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Dolgu telli TIG metot kaynağı ile yapılan 15 deneyin, kumpasla ölçülen nüfuziyet genişliği ve deney sonrası komparatör ile ölçülen yer değiştirme sonuçları komparartördeki sapma ve tanjant teoremi yardımıyla açısal distorsiyona çevrilerek Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3 deki 70 A kaynak akımı deney örnekleri açısal distorsiyon değerindeki sapmanın %6, 80 A de %7, 90 A de %4, 100 A de %7 ve 110 A de %25 olduğu görülmüştür. Bu durum özellikle 110 A ile kaynatılan iş parçalarının düzeltme işlemlerinin zorunlu olması gerektiğini göstermektedir. Tablo 3 de verilen açısal distorsiyon değerleri için, aynı kaynak akımı değerlerinden hesaplanan ortalama açısal distorsiyon değerleri Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 4 den yararlanılarak, kaynak akımına göre hesaplanan ortalama açısal distorsiyon ilişkisi Şekil 5 te grafik olarak sunulmuştur. Kaynak akımının artışı ile açısal distorsiyon değerlerinin arttığı görülmektedir. Fakat, 110 A kaynak akımı değeri için, açısal distorsiyon değerinde azalma görülmektedir. Bu durum kaynak akımının açısal distorsiyona etkisinin iki bölgeli incelenmesi gerektiğini göstermektedir. Birinci bölge 100 A kaynak akımı değerlerine kadarki bölge olup, uygulanan kaynaklı birleştirmelerdeki sinüzoidal değişim yüksek genlik alçak frekans şeklindedir. İkinci bölge ise 100 A den daha büyük kaynak akımı değerlerini içeren bölge olup, uygulanan kaynaklı birleştirmelerdeki sinüzoidal değişim alçak genlik yüksek frekans şeklindedir. 57

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona Tablo 3. Dolgu telli TIG metot kaynağı açısal distorsiyon ve nüfuziyet genişliği Deney No Kaynak Akımı [A] Açısal Distorsiyon [Derece] , , , ,51 6, , ,35 6, , ,71 6, ,68 6, , , , , , ,74 6,9 Nüfuziyet Genişliği [mm] Tablo 4. Dolgu telli TIG metot kaynağı kaynak akımı ve ortalama açısal distorsiyon değerleri Kaynak Akımı [A] Açısal Distorsiyon [Derece] 70 2, , , , ,77 Açısal distorsiyonların uygulamadaki olumsuzluklarının giderilmesi için düzeltme işlemlerinde alçak genlik yüksek frekanslı kaynaklı birleştirmeler daha fazla zorluk dereceli parçalardır. Bu nedenle, alçak genlik yüksek frekanslı koşullardan kaçınılmalıdır. Bu yüzden, dolgu telli TIG metod kaynaklı birleştirme incelemeleri için 70 A, 80 A, 90 A ve 100 A değerlerinin etkileri ayrı ayrı değerlendirilmelidir. Kaynak akımı değerleri artışı ile açısal distorsiyonun 70 A den 90 A değerine kadar doğrusal artığı ve artışın yaklaşık olarak % 10 oranında olduğu, 100 A % 65 artış ve 110 A değerlerinde ise 90 A koşullarından yaklaşık % 41 artış gösterdiği sonucu elde edilmiştir. 58

7 Serdaroğlu F.,Türker M., KutucuY. K.,Karadeniz E. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012(9)53-60 Şekil 5. Dolgu telli TIG metot kaynağında akımı açısal distorsiyon ilişkisi Düşük kaynak akımı değerleri, kaynaklı birleştirme uygulamalarında maliyet yönünden istenilen bir durumdur. Aynı zamanda küçük distorsiyon değerleri de kaynaklı birleştirme uygulamalarında tercih edilir. Bu nedenlerle, Şekil 5 teki dolgu telli TIG metot kaynağı kaynak akımı açısal distorsiyon ilişkisi grafiği, en uygun koşulların 70 A kaynak akımı koşulları olduğu sonucunu göstermektedir. 4. SONUÇ Bir çok kaynaklı birleştirmede, meydana gelen açısal distorsiyonlar giderilmeden kullanılmamaktadır. Çünkü düzeltme işlemleri ek maliyet gerektirmektedir. Düzeltme işlemlerini azaltan koşullar işletmelere ekonomik kazanım sağlamaktadır. Açısal distorsiyonlar üzerine en etkili parametre kaynak akımıdır. Kaynak akımı değerleri azaltılarak açısal distorsiyon azaltılabilir. Fakat kaynak akımı değerlerinin azalması ile kaynak hızı değerlerinin artırılarak optimum nufuziyet sağlanması zorunludur. Kaynak akımındaki azalma, açısal distorsiyon düşürürken, enerji maliyeti yönüyle de avantaj sağlamaktadır. 2 mm kalınlığındaki AISI 304 paslanmaz çelik saclardan dolgu telli manüel TIG metot kaynağıyla imal edilmiş flanşlı boru numunelerden elde edilen sonuçlar: 90 Amper kaynak akımı değeri üzerindeki değerlerde açısal distorsiyonun azaltmak için alçak genlik-yüksek frekans şekli tercih edilmeli. En düşük distorsiyon 70 Amper de meydana gelmektedir. En fazla distorsiyon ise aynı kaynak hızında 100 ve 110 A meydana gelmektedir. Teşekkür Bu çalışmaya sınırsız desteği için Ant Group Teknoloji, Mühendislik, İmalat, Taahhüt Ltd. Şti ne teşekkürlerimizi sunarız. 59

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) TIG Kaynak Akımının Boru-Flanş Birleştirlerde Açısal Distorsiyona 5. KAYNAKLAR 1. ÇAKMAKKAYA, M., Tig Töntemiyle Birleştirilen Östenitik Paslanmaz Çelik vedüşük Karbonlu Malzeme Çiftlerinin İç Yapı Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi s , 2008 (1) 2. ARAN, A., Paslanmaz Çelik, Yassı Mamuller, Üretimi-Kullanımı-Standartları, Sarıtaş Teknik Yayın No: 1, İstanbul 2004 pp DURGUTLU, A., Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel, Materials and Design, 25 1 (2004) pp CARY, H. B., Modern Welding Technology, Practice-Hall, Eaglewood Cliffs, NJ HUANG, H. Y., SHYU, S.W., TSENG, K.H., CHOU C.P., Effects of the Process Parameters on Austenitic Stainless Steel by TIG-flux Welding, J. Mater. Sci. Technol., 22 3 (2006) pp TSENG, K. H., HSU, C. Y., Performance of activated TIG process in austenitic stainless steel welds, Journal of Materials Processing Technology, (2011) pp LONG, H., GERY, D., CARLIER, A., MAROPOULOS, P. G., Prediction of Welding Distortion in Butt Joint of Thin Plates, Materials and Design (2009) pp UYGUR, I., MENDİ, F., KÜLEKÇİ, M.K., Kaynaklı Konstrüksiyonlarda Tasarım, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 4(1-2) (2000) pp AKBARI MOUSAVI, S. A. A., MIRESMAELLI, R., Experimental and Numerical Analyses of Residual Stress Distributions in TIG Welding Process For 304L Stainless Steel, Journal of Materials Processing Technology (2008) pp ÖZÇATALBAŞ, Y., FINDIK, T., KURT, A., KARACİF, K., ÖZER, A., VURAL, H.İ., Kaynaklı Birleştirmeli Konstrüksiyonların Çarpılma Eğilimlerinin Belirlenmesi İçin Deneysel Bir Yaklaşım, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Dergisi Cilt 23, No 1, 2008 pp ODABAŞ, C., Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı, Askaynak Teknik Yayınları, İstanbul GOURD, L. M., Principles of Welding Technology, Second Edition, E. Arnold (London)