BAKIR BORULARIN SERT LEHİMLENMESİNDE HATALAR

Transkript

1 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 187 BAKIR BORULARIN SERT LEHİMLENMESİNDE HATALAR * M. Baki Karamış, *AIper Taşdemirci, *Fehmi Nair ÖZET Güneş kolektörlerinde akışkan taşıyan borular özel borular olup birbirlerine sert lehimleme ile birleştirilirler. Bu tür birleştirmelerde sızdırmazlığın temini, basınca dayanıklılık ve ısı transferinde mümkün olduğunca farklılık yaratmayan dolgu metali kullanılır. Bu çalışmada 22 mm. dış çap ve I mm. cidar kalınlığındaki bakır manifolda, eksene dik doğrultuda ve manifoldun yan yüzeyine açılmış deliğe, 8 mm. dış çapında ve 0.5 mm. cidar kalınlığındaki bakır borunun sert lehimlenmesinde oluşan bazı hatalar tespit edilmiştir. Lehimle'mede TS A1204, A1208 (AWS BCuP-2), A1301/5 (BCuP-3), A1301/15 (BCuP-5), A1305 (Bag-2a) ve A1306 dolgu metalleri kullanılmış, bu dolgu metalleri ile yapılan birleşme bölgelerinin mikro yapıları ve oluşan hatalar incelenmiştir. A1204 ve A1208 dolgu metalleri ile yapılan birleştirmenin mikro yapısı bakırca zengin matrix içinde gelişen Cu-P ötektiğinden ibarettir. A1301/5 metali kullanılarak elde edilen mikro yapı, bakırca zengin matrix içinde oluşan Ag-Cu-P dentritlerinden meydana gelmektedir. A1305 ve A1306 dolgu metalleri ise, bakırca zengin matrix içinde Ag-Cu-Zn-Cd ötektiğinden oluşan bir yapı göstermiştir. Deney şartlarında tüm dolgu metalleri ile bir birleşme sağlanabilirken nüfuziyet azlığı, gözenek oluşumu ve konstrüksiyon hatalarına rastlanmıştır. Dolgu metalleri cinsine göre farklı sertlikler elde edilmiş olup sızdırmazlık testleri sonucu herhangi bir çatlağa rastlanmamıştır. Anahtar Kelimeler: Bakır, Sert Lehimleme, Dolgu Metali, Lehimleme Hataları 1. GİRİŞ Bakırın yüksek termal iletkenliğe, atmosfer ve sıvı korozyonuna karşı yüksek dayanıma sahip olması, imalatı ve birleştirilmesinin kolay olması gibi niteliklerinden dolayı; bakır, her çeşit yer altı suyu, su dağıtım, ısıtma, soğutma, güneş enerjisi, havalandırma ve yangın söndürme sistemlerinde yaygın olarak kullanılır [1]. 1970'li yıllarda ortaya çıkan petrol krizi, güneş enerjisinin ısıtma alanında kullanılmasını gündeme getirmiştir [2]. Güneş enerjisini toplayan bir kolektörün mevcut ısıtma sistemine ilave edilmesinden ibaret olan güneş enerjisi sistemi, sıcak su elde etme ve ortam ısıtmalarında kullanılır. Bu sistem, mevcut ısıtma sistemine ve boru hatlarına, binanın çatısına yerleştirilen bir kolektörün eklenmesiyle oluşturulur. Güneş enerjisi sistemleri üretilirken bakır boruların sızdırmaz ve mukavemetli bir şekilde birleştirilmesinde en yaygın olarak kullanılan yöntem, sert lehimlemedir. Sert lehimleme birleştirme yöntemlerinin en ucuz, en güvenilir ve en verimlilerinden biri olmakla birlikte, prosesin te- * Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Kayseri, TÜRKİYE

2 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 188 mel prensipleri anlaşılmaz ve doğru olarak uygulanmazsa, çeşitli hatalarla karşılaşılır. Bu hataların en yaygın olarak görülenleri, dolgu metalinde meydana gelen çatlamalar, gözenekler ve yetersiz nüfuziyettir. Sert lehimlemede karşılaşılan hataların sebepleri, birleştirme yönteminden bağımsız olmakla beraber, metal ve metal kombinasyonlarına göre benzerlikler gösterirler. Ancak meydana gelen hataların dereceleri, metallere göre değişir. Bu değişimin sebebi, metallerin sert lehimleme kabiliyetleri arasındaki farklılıklardır. Mesela düşük karbonlu çelik ile bakır ve bakır alaşımları (yüksek kurşunlu pirinçler hariç) kolaylıkla sert lehimlenebilen metaller sınıfına girerlerken, paslanmaz çelik ve ısıya dayanıklı alaşımlar zorlukla sert lehimlenebilirler [3]. Sert lehimleme hataları sadece metallerin yapısından değil; metal yüzeylerinin tam ve usulüne uygun olarak temizlenmemesi, ana metal ve dekapan inklüzyonları, dolgu metali içerisinde farklı ergime sıcaklığına sahip bileşenlerin bulunması, hızlı veya ani soğutmalar, ana metal ve dolgu metali arasında aşırı alaşımlama, uygun olmayan dizayn ve toleranslardan da kaynaklanmaktadır. Metalin sert lehimlenebilme kabiliyeti düştükçe (azaldıkça), hataların meydana gelme riski artar. Bu araştırmaya konu olan manifold ve borular; güneş kolektöründe ısı transfer eden akışkanı taşıyan borular olup, Kayseri'de kurulu Ezinç Metal A.Ş. ürünlerinde kullanılmaktadır. Bu borular; fosforla dezokside edilmiş yüksek miktarda kalıntı fosfor ihtiva eden bakırdan (Cu-DHP veya C122) imal edilmiştir [4,5]. Bu çalışmanın gayesi, yukarıda belirtilen boru ve manifoldların farklı dolgu metalleri kullanılarak sert lehimlenmesinde meydana gelebilecek çeşitli hataları belirlemek ve dolgu metalinin yapısını incelemektir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Malzeme ve Metod Bu çalışmada, ISO Cu - DHP (Phosphorus Deoxidised Non - Arsenical Copper, High Phosphorus) bakır alaşımından soğuk ekstrüde edilmiş 22 mm. dış çap ve 1 mm. cidar kalınlığındaki manifold ile 8 mm. dış çapındaki ve 0.5 mm. cidar kalınlığına sahip boru kullanılmıştır. Malzemelerin kimyasal bileşimleri tablo l'de verilmiştir. Tablo 1. Lehimlenen boru ve manifoldların kimyasal bileşimleri ^ Malzeme Boru Manifold P 0,0315 0,0872 Kimyasal Bileş Pb 0, ,00200 Mn 0,0115 0,0804 im(%) Al 0, ,00888 Cu Yukarıda belirtilen boyutlardaki boru ve manifoldlar oksi - asetilen alevi yardımıyla Oerlikon firması tarafından üretilen TS A1204 ve A1208 (AWS BCuP-2), A1301/5 (BCuP-3), A1301/15 (BCuP- 5), A1305 (BAg-2a), A1306 standart numaralı dolgu metalleri kullanılarak sert lehimlenmişlerdir. Lehimleme işlemi manifoldun yanal yüzeyine açılan bir deliğe borunun dik vaziyette yerleştirilmesinden sonra gerçekleştirilmiştir. Lehimleme pozisyonları şekil l'de, dolgu metallerinin kimyasal bileşimleri ve özellikleri ise tablo 2'de, verilmiştir.

3 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 189 Şekil 1. Manifold ve boruların lehimleme pozisyonları Tablo 2. Dolgu metallerinin kimyasal bileşimleri ve özellikleri [5] Dolgu Metali A 1204 A 1208 A 1301/ 5 A 1301/ 15 A 1305 A 1306 Kimyasal Bileşim P:7 Cu: P:8 Cu: Ag:5 P:6 Cu: Ag:15 P:6 Cu: Ag:30 Zn:21 Cd: 21 Si: 0,3 Cu: Ag:40 Zn:20 Cd: 20 Si: 0,1 Cu: Çekme Dayanımı (N/mm 2 ) Çalışma Sıcaklığı Ergime Aralığı Uzama A5 (Lo=5do) 5 '5 >8.» 30 25

4 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 190 Lehimleme sırasında saf su ile sulandırılmış toz şeklindeki DİN F-SHİ (AWS tip 3) dekapan kullanılmıştır. Ayrıca lehimlenen boru ve manifoldların ağızları kapatılarak bar basınç altında sızdırmazlık testleri gerçekleştirilmiştir. Lehimleme sonrası lehimleme bölgesinden metalografik incelemeler için numuneler kesilerek çıkarılmıştır. Çıkarılan numuneler epoksi reçinesine soğuk olarak gömülmüş ve parlatma işleminden sonra 10 gr. amonyum persülfat mi. sudan oluşan bir kimyasalla dağlanmıştır. Dağlanan numuneler optik mikroskopla mikro yapı incelemesine tabi tutulmuş ve sertlikleri belirlenmiştir. 3. SONUÇLAR ve TARTIŞMA A1208 dolgu metali ile sert lehimlenmiş manifold ve boruya ait mikro yapılar şekil 2'de gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi çok iyi bir birleşme gösteren manifold daha iri taneli, boru ise ince tanelidir. İthal olan bu iki malzemenin tane iriliği arasındaki fark, muhtemelen ısıl işlem farkından kaynaklanmaktadır. Aslında her iki yapı da fosforla dezokside edildiğinden yapıda herhangi bir okside rastlanmamaktadır. Manifold mikro yapısında tavlama sonucu oluşan ikizlenmeler açıkça görülmektedir. Şekil 2. Manifold ve boruya ait mikro yapılar Dolgu bölgesinin mikro yapısı ise detaylı olarak şekil 3'de görülmektedir. Şekil 3(a)'dan da görüldüğü gibi A1301/5 dolgu metali ile lehimlemede bakırca zengin matrix (beyaz bölge) içerisinde Ag- Cu-P dentritleri (siyah bölge) büyümüştür. Dentritler soğuma etkisinin yüksek olduğu bakır cidardan gelişmekte ve bölgenin atmosfere açık yüzeyine doğru büyümektedir.

5 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 191 Şekil 3. Dolgu bölgelerinin mikro yapıları a)a1301/5 b)a1306 c)a1204

6 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 192 A1306 dolgu metali ile yapılan birleştirmede ise bakırca zengin matrix içinde dağılmış Ag-Cu-Zn- Cd ötektiği gelişmiştir (Şekil 3(b)). Benzer yapı A1305 ile yapılan birleştirmede de görülmektedir. A1204 ve A1208 dolgu metalleri ile yapılan birleştirmede ise mikro yapı; bakırca zengin matrix içinde oluşmuş Cu-P ötektiğinden ibarettir (Şekil 3(c)). Tüm fotoğraflardan görülebileceği gibi dentrit ve ötektikler mikro yapıda düzgün dağılım göstermektedir. Bu ise lehimlemenin dengeli bir sıcaklıkta ve itinalı yapıldığına delil teşkil eder. Deney şartlarında yapılan tüm birleştirmelerde bazı hatalara rastlanmıştır. Bu hatalar genellikle nüfuziyet azhğı ve gözenek oluşumudur. Bu hataların yanında konstrüksiyon hatalarına da rastlanmaktadır. Şekil 4 a, b, c 1 de dolgu metalinin tam olarak nüfuz etmiş olduğu birleşme bölgeleri görülmektedir. A1208 dolgu metali ile yapılmış lehimlemede, dolgu malzemesinin ergime sıcaklık aralığı dar olduğundan ( C) akıcılığı oldukça yüksektir ve aralık hatasız bir şekilde dolmuştur (Şekil 4 a). Şekil 4 a. Dolgu metalinin tam olarak nüfuz etmiş olduğu birleşme bölgesi (A 1208) Çünkü bu dolgu metali mm. gibi dar toleranslarda rahatlıkla kullanılabilir. Öte yandan bu dolgu metali % 8 fosfor ihtiva etmektedir ve bu oran dolgu metalinin kendi kendine dekapan özelliği sağlamasına yardımcı olmaktadır. Böylece iyi ıslatma özelliği ve sürekli bağ oluşumu sağlanır [7]. Ayrıca bu tip dolgu metalleri düşük fiyat ve yüksek korozyon direncine sahiptirler. Şekil 4 b 1 de A1208 dolgu metali ile yapılmış bir lehimlemenin boru ve manifold ara yüzeyi görülmektedir. Şekil 4 b. A1208 dolgu metali ile yapılmış bir lehimlemenin boru ve manifold ara yüzeyi

7 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 193 Şekilden de görülebileceği gibi ıslatma kabiliyetinin yüksek olması nedeniyle dolgu metali ile metal yüzeyleri arasında çok iyi tutunma meydana gelmiştir. Ancak bu dolgu metallerinin kullanılması durumunda yavaş ısıtma uygulanması halinde birleşme aralığına ilk akmaya başlayan dolgu metali arkasında henüz tam ergimemiş bir bölge bırakacağından iyi bir bağ elde etmek mümkün olmaz. A1301/5 dolgu metali isedentritli bir katılaşma özelliği göstermektedir ve A 1208'e göre fazladan % 5 oranında gümüş ihtiva etmektedir. Şekil 4 c' de A1301/5 dolgu metali île yapılmış bir lehimlemenin boru ve manifold ara yüzeyi görülmektedir. Şekil 4 c. A1301/5 dolgu metali ile yapılmış bir lehimlemenin boru ve manifold ara yüzeyi Lehimleme sıcaklığı 710 C olan bu alaşımın ergime sıcaklık aralığı C'dir [6,8]. Böylece akıcılığının daha az olduğu anlaşılmaktadır. Ancak bu dolgu metalinin gümüş ihtiva etmesi bağ tabakasının sünekliliğinin artmasına sebep olmaktadır. Dolayısıyla daha geniş aralıklar mukavemet düşüşü olmaksızın doldurulabilmektedir. Lehimleme hatası olarak yetersiz nüfuziyetle sık sık karşılaşılır. Lehimleme aralığı yeterli olmadığı zaman veya kullanılan dolgu metalinin uygun olarak seçilmediği durumlarda karşılanılan bu hataya örnek şekil 5 a, b, c' de verilmektedir. Şekil 5 a' da, oldukça akıcı olarak bilinen A1208 dolgu metali ile yapılmış lehimlemede nüfuziyet azlığı ortaya çıkmıştır. Dolgu metalinin yüksek akıcılığına rağmen karşılaşılan bu durum aralık toleransının çok dar ve bölgenin yeterince ısıtılmamasından kaynaklanmaktadır. Yine benzer bir hata çok dar aralık toleransı olan konstrüksiyonda A1301/15 dolgu metali ile yapılan lehimlemede karşımıza çıkmaktadır (Şekil 5 b). Aralığın çok dar olmasının yanında akıcılığı çok düşük olan bu dolgu metalinin bu aralığı doldurması şekilden de görüldüğü gibi mümkün değildir. Bu tür konstrüksiyonlarda bu dolgu metaliyle başarı elde edilebilmesi için yeterince aralığın ( mm.) olması gerekir. Ergime sıcaklık aralığının geniş olması ( C) akıcılığın düşük olmasına sebep olmaktadır. Ancak elde edilen dolgunun sünekliği oldukça iyidir [8]. Şekil 5 c' de çok dar aralığa sahip konstrüksiyonun A1301/15 dolgu metali ile doldurulamadığı açıkça görülmektedir. Yukarıdaki yorumlar bu durum için de yapılabilir. Yani hem dar aralık söz konusu olması hem de akıcılığı daha düşük bir dolgu metalinin kullanılması bu hatanın oluşmasını davet etmiştir.

8 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 194 (c) Şekil 5. Çeşitli dolgu metalleri ile yapılmış lehimlemede yetersiz nufuziyet a) A1208, b) A1301/15, c) A1301/15 Gözenek oluşumu sert lehimlemede sık karşılaşılan bir başka hata türüdür. Bu hataya ergimiş dolgu metali içinde bulunan düşük ergime sıcaklıklı elementlerin buharlaşması veya daha genel olarak lehimlenecek bölgelerin iyi temizlenmemiş olmasından kaynaklanan yanıcı maddelerin oluşturduğu gazlar sebep olmaktadır. Akıcılığı az olan dolgu metallerinde dolgu metali eriyiğinden hapsolmuş gazların kaçma zorluğunun bulunması nedeniyle gözenek oluşturma eğilimi daha yüksek olmaktadır. Şekil 6 a, b, c' de dolgu metali içerisinde hapsolmuş gaz boşlukları görülmektedir.

9 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 195 Şekil 6. Dolgu metalinde meydana gelen gözenekler a) A1204, b) A1301/5, c) A1305 A1204 dolgu metali ile yapılmış birleştirmede bu dolgu metalinin ıslatma kabiliyetinin ve akıcılığının yüksek olması bakır malzemelerde iyi bir bağlantı sağlamasına rağmen gözenek oluşumu önlenememiştir (Şekil 6a). Bu tür gözenekler bu tür dolguda ancak yetersiz temizlik sonucunda meydana gelir. Çünkü bu dolgu metali düşük ergime sıcaklıklı bir alaşım elemanı ihtiva etmemektedir.

10 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 196 Öte yandan şekil 6 b' de görülen gaz boşluklarının sebebi yine lehimleme öncesi yetersiz temizliktir. Ancak gaz boşluklarının sıklığı dikkati çekmektedir. Bu lehimleme A1301/15 dolgu metali kullanılarak yapılmıştır. Şekil 6 c' de görülen ve çok tipik olan boşluklar A1305 dolgu metali ile yapılan lehimlemede ortaya çıkmaktadır. Bu boşluklar temizliğin iyi yapılmayışından kaynaklanacağı gibi dolgu metalinde bulunan Zn ve Cd gibi düşük ergime sıcaklıklı (419 ve 321 C) elemanların bulunmasından da ortaya çıkabilir. Bu dolgu metalinin akıcılığının çok düşük olması ve boşluğun ara yüzey boyunca uzanması boşluk şekline etki etmektedir. Kuvvetli bir ihtimal bu boşluk ara yüzeyde sıkışan havadan kaynaklanmaktadır. Konstrüksiyon hataları dolgu metalinin ara yüzeye girmesine mani olan önemli bir hata kaynağı olabilir. Şekil 7 a, b, c 1 den de görülebileceği gibi manifold ile borunun birbirine dik olarak durması gerekirken dikliğin bozulması ara boşluk toleransını da bozmuştur. Bu yüzden birleştirilen ara yüzeylerin birbirine sıkıca temas ettiği bölgelerde, A1204 gibi yüksek akıcılığa sahip dolgu metali kullanılmasına rağmen nüfuziyet sağlanamamıştır. Bütün bunlara rağmen akıcılığın yüksek olması nedeniyle çok dar aralığa kadar dolgu eriyiği girmeyi başarmıştır. Ancak sıkı sıkıya temasın sağlandığı noktadan öteye geçiş sağlanamamıştır. Şekil 7. Konstrüksiyon hatasının sebep olduğu eksik birleşmeler

11 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 197 Konstrüksiyon hataları birleştirmenin mukavemetine önemli oranda etki eden bir faktördür. Çünkü bağlantının mukavemeti dolgu metalinin cinsinden ziyade, dolgu aralığının uygun ve. yeterli seçilmesiyle çok daha ilgilidir. Yukarıda zikredilen dolgu metalleri ile lehimlenen malzemeler ,7 MPA basınç aralığında sızdırmazlık testine tabi tutulmuş ve birleşme bölgesinde herhangi bir sızıntıya rastlanmamıştır. Mikro yapı incelemelerinde herhangi bir çatlağa rastlanmaması, basınç testlerinin sonuçlarım destekler mahiyettedir. Birleşme bölgesindeki dolgu metalinin sertliği metalin içeriğine göre değişmektedir. Buna göre gümüş oranı arttıkça dolgu bölgesinin sertliği düşmektedir. Yapıda fosforun bulunuşu sertliği bir miktar arttırmaktadır. Örneğin, yapılan mikro sertlik ölçümlerinde A1208 dolgu metali ile birleştirmede 99.3 HVo.06 A1301/5 için 91 HVoœ ve % 30 gümüş ihtivası ile A1305 için 25 HV0.06 olmaktadır. Genel olarak bilinmesine rağmen tekrarında fayda görülen bir başka husus, gözenek oluşumunda birleşme bölgesinin temizliğinin en etken faktör olduğudur. Ayrıca Zn ve Cd gibi ergime derecesi düşük elemanlar ihtiva eden dolgu metalleri ile yapılan lehim bölgesinde de gözenek eğilimi artar. Yetersiz nüfuziyeti önlemek için akıcı bir dolgu malzemesi kullanmak ve birleşme bölgesi aralığını uygun bir şekilde tutmak çok önemlidir. Bu aralığın arzu edilen şekilde olması için parça pozisyonlarına dikkat etmek önemli bir faktör olarak karşımıza çıkar.

12 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 198 REFERANSLAR 1. Copper Development Association, "Copper in Solar Heating", CDA Publication, New York, Copper Development Association, "The Copper Tube Handbook", CDA Publication, New York, ASM Committee, "Failures of Brazed Joints", Metals Handbook V.10, Ohio, Ezinç Metal A.Ş. Kayseri, Özel konuşma 5. A. Taşdemirci, "Bakır ve bakır alaşımlarının sert lehimlenmesi", Lisans tezi, Ere. Ünîv. Müh. Fak. Mak. Müh. Böl., Kayseri, R.J.C. Dawson, "Fusion Welding and Brazing of Copper and Copper Alloys", John Wiley and Sons Inc, New York, Oerlikon Kaynak Elektrotları ve San. A.Ş., "Oerlikon Ürün Katalogu; Sert Lehim Telleri", Oerlikon Kaynak Elektrotları ve San. A.Ş, İstanbul, Lou Brown, "Joining of Copper and Copper Alloys", CDA Publication No:98, New York, Handy&Harman of Canada Ltd., "The Brazing Book", Handy&Harman of Canada Publication, Ontario, 19