KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ bildiriler kitabı Ekim 2003 / Kocaeli Yayın No E/2003/339

2 tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. 36/1-A Demirtepe / ANKARA Tel: (312) Faks: (312) e-posta: [email protected] Yayın No: E/2003/339 ISBN: Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. i Ekim 2003 / Ankara Baskı: Özkan Matbaacılık (0312)

3 tnunob makina mühendisleri odası KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ EKİM KOCAELİ II. OTURUM Oturum Başkanı Özgür AKÇAM (Kongre Düzenleme-Yürütme Kurulu Üyesi)

4 SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞINDAKİ GELİŞMELER Prof.Dr. Gürel ÇAM Mustafa Kemal Üniversitesi, Müh.-Mi m. Fak., Makina Müh. Böl., 31034Antakya (HATAY) Tel: (1434), Fax: , E-Posta: FRICTION STIR VVELDING AND ITS APPLICATION AREAS ABSTRACT in fiısion welding of Al-alloys, there are some difficulties, such as cracking in füsion zone and/or heat affected zone, and intolerable amount of porosity formation in füsion zone. The reason for cracking is the high heat input in arc vvelding coupled with the large solidification temperature range and high thermal expansion of these alloys. The reason for porosity formation is the much higher hydrogen solubility in Al in liquid phase than in solid phase. Another problem encountered in füsion vvelding of Al-alloys, particularly in high strength precipitation hardened ones, is the loss of strength in füsion zone due to the dissolution of strengthening precipitates and in HAZ owing to overaging. Furthermore, arc vvelding is not applicable to some high strength Al-alloys, such as AA7075. Diffiısion bonding, vvhich is commercially applied to Ti-alloys successfully, is not applicable to Al-alloys due to their stable oxide layers. However, better results are achieved in butt and overlap vvelding of Alplates by friction stir vvelding, vvhich is a recently developed solid state vvelding process. This nevv technique is a novel version of conventional friction vvelding process, and involves the use of. heat generated by plunging a rotating pin into the plates to be vvelded in order to produce a plasticised tubular shaft of metal around the pin, and stirring the material from both plates to join two plates. in this paper, this novel joining process developed for Al-alloys will be introduced and developments in its applications will be pointed out. Moreover, its advantages över more conventional füsion vvelding processes vvill be discussed. Keywords: Welding, Joining, Al-alloys, Friction stir vvelding, Novel vvelding techniques ÖZET Al-alaşımlannm klasik ergitme kaynağı yöntemleri ile kaynağında, kaynak bölgesinde (kaynak dikişi veya ITAB'de) çatlak oluşumu ve kaynak dikişinde tolere edilemeyecek düzeyde gaz boşluğu (porozite) oluşumu gibi sorunlarla karşılaşılmaktadır. Çatlak oluşumunun nedeni, bu alaşımların katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olması ile birlikte ark kaynağında ısı girdisinin yüksek olmasıdır. Porozite oluşumunun nedeni ise, alüminyumda hidrojen çözünürlüğünün sıvı halde katı halden 47

5 yüksek olmasıdır. Al-alaşımlanmn özellikle yüksek mukavemetli yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş türlerinin ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir sorun, kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ve tane sının segregasyonu sonucu ve ısı tesiri altındaki bölgede (ITAB) aşırı yaşlanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Hatta, AA7075 gibi bazı yüksek mukavemetli Alalaşımlanna ark kaynağı yapılamamaktadır. Ticari olarak Ti-alaşımlanna basan ile uygulanan basınç (katı hal) kaynaklanndan difüzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlarına ekonomik olarak uygulanamamaktadır. Fakat, son yıllarda geliştirilen bir basınç kaynağı yöntemi olan sürtünme-kanştırma kaynağı (frictiön stir vvelding) ile Al-alaşımlannın kaynağında iyi sonuçlar alınmıştır. Bu yöntem, klasik sürtünme kaynağının yeni ve değişik bir versiyonu olup, yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin alın alına sabitlenmiş kaynak edilecek levhalara daldınlıp sürtünmeden açığa çıkan ısı enerjisi ile malzemenin çamur kıvamına getirilip kanştınldığı bir birleştirme yöntemidir. Bu bildiride, Al-alaşımları için son yıllarda geliştirilen bu yeni basınç kaynağı yöntemi tanıtılacak ve bu yöntemin uygulama alanlanndaki gelişmeler ve klasik kaynak yöntemlerine üstünlükleri tartışılacaktır. Anahtar sözcükler: Kaynak, Alüminyum alaşımlan, Sürtünme kanştırma kaynağı, Yeni kaynak teknolojileri 1. GİRİŞ Ergitme kaynak yöntemleri ile Al-alaşımlannın (özellikle yaşlandırma sertleştirilmesi yapılmış olan Alalaşımlannın) kaynağında çatlak ve aşın derecede porozite oluşumu gibi problemler mevcuttur. Ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve katılaşma sıcaklık aralıklannm geniş olması sonucu, özellikle çatlamaya daha duyarlı yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlannda kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olur. Aynca, ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB' de tane sınırlannda düşük ergime dereceli fazlamı oluşumuna ve dolayısıyla bu bölgede tane sınırlannda katılaşma esnasında çatlamaya yol açabilir. Porozite oluşumunun nedeni ise; alüminyumun sıvı halde hidrojen çözünürlüğünün katı haldekinden çok daha yüksek olmasıdır. Kaynak esnasında atmosferden veya rutubetli elektrot kullanımından dolayı kaynak dikişine hidrojen girmesi kaynak dikişinde tolere edilemeyecek düzeyde porozite oluşumuna neden olur. Bu da mukavemet gibi kaynak performansını belirleyen mekanik özellikleri kabul edilemeyecek düzeylere düşürür [1-3]. Vakum ortamında yapılan elektron huzmesi kaynağı yöntemi porozite açısından en avantajlı ergitme (sıvı hal) kaynak yöntemidir. Fakat, yüksek sıcaklıklann sözkonusu olduğu elektron kaynağında, vakum ortamında yapıldığı için düşük buharlaşma sıcaklığına sahip alaşım elementleri içeren Al-alaşımlannda kaynak dikişinde alaşım elementi kaybı veya katı eriyik sertleşmesi sağlayan alaşım elementlerinin tane sınırlanna segregasyonu sonucu kaynak dikişinde mukevemet düşüşü sözkonusu olabilmektedir. Al-alaşımlannın ark kaynağı ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir güçlük ise, bu alaşımlann ısı iletkenlik katsayılannın yüksek olması nedeniyle ısının kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde uygulanması zorunluluğudur. Al-alaşımlannın lazer ışınını yansıtması da, ergitme kaynağı yöntemlerinden lazer kaynağında dikkate alınması gereken bir husustur. Alalaşımlannın özellikle yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş türlerinin ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmelerinde karşılaşılan bir başka sorun, kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ve alaşım elementlerinin tane sınırlanna segregasyonu sonucu ve ITAB' de aşın yaşlanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Bu durum kaynak edilen baz malzeme ile kaynak bölgesi arasında mekanik uyumsuzluğa (strength 48

6 mismatch) neden olmakta ve bu durum, kaynak bölgesinde mukavemet düşüşü (strength undermatching) olarak bilinmektedir [ 1-3]. Ticari olarak Ti-alaşımlarma başarı ile uygulanan katı hal kaynaklarından difüzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlanna ekonomik olarak uygulanamamıştır [4-7]. Katı hal kaynak yöntemlerinden klasik sürtünme kaynağı gibi yöntemler Al-alaşımlanmn kaynağında kullanılabilmektedir. Ancak, bu yöntemlerin uygulamasındaki geometrik sınırlamalar nedeniyle yalnızca bindirme kaynağı uygulaması yapılabilmektedir. Bu yöntemler ile Al-alaşımı levhaları alın kaynağı yapmak mümkün değildir. Son yıllarda geliştirilen sürtünme kaynağının değişik bir versiyonu olan bir katı hal kaynak yöntemi ile Alalaşımı levhaların alın kaynağında sıvı hal kaynak metotlarından çok daha iyi sonuçlar alınmıştır. Bu yöntemin adı, sürtünme-kanştırma kaynağıdır (friction stir welding). Bu yöntemde, maliyet artırıcı bir faktör olan elektrot ve koruyucu gaz kullanımı sözkonusu değildir. İş kazalarına yol açabilecek ark oluşumu, radyasyon, toksik gaz çıkışı veya insan gözüne zararlı lazer ışını gibi olumsuz hususlar bu yöntemde mevcut olmadığı için temiz ve çevreci bir prosestir. Ayrıca, toplam ısı girdisinin düşük olduğu bir katı hal kaynak yöntemi olduğundan ergitme kaynaklarında karşılaşılan çatlak ve porozite oluşumu sözkonusu değildir. Al-alaşımlannın tüm kaynak yöntemlerinde karşılaşılan kaynak bölgesindeki mukavemet kaybı bu yöntemde düşük ısı girdisinden dolayı daha düşük seviyelerdedir [4-7]. 2. SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI (FRİCTİON STIR WELDING) Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) yöntemi, alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin (batıcı uç) daldırılması ve kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir (Şekil 1) [8]. Yöntem, 1970'li yıllarda İngiltere'de The Welding Institute adlı kurumda geliştirilip 1990'h yıllarda patentlenmiştir [9]. Bu katı hal kaynak yönteminde birleştirme, sürtünme ile açığa çıkan ısının çamur kıvamına getirdiği malzemenin plastik akışı sayesinde gerçekleşmektedir. Kaynak bölgesinde oluşan iç yapı Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. Kaynak bölgesi, farklı mikroyapılann oluştuğu üç belirgin bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler, dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB), termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve sıvı hal kaynak yöntemlerinde olduğu gibi ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) olarak adlandırılmaktadır [4-7]. Şekil 3'de verilen sürtünme karıştırma kaynağı yapılmış Al-alaşımının kaynak bölgesinin kesit görünüşü, bu bölgede oluşan tipik iç yapıyı göstermektedir [4-7,10]. Belirli bir pim yüzey geometrisi kullanılarak yapılan sürtünme karıştırma kaynağında elde edilen birleştirme karakteristiklerini belirleyen üç faktör vardır. Bunlar sırasıyla pimin devir hızı, pimin ilerleme hızı ve pimin batma derinliğidir. Bunlardan ilk ikisi rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Fakat, pimin batma derinliği kritik bir faktör olup, kontrol edilmesi güçtür. Batma derinliğinin kaynak işlemi süresince sabit kalması gerekmektedir. Fakat, özellikle uzun levhaların birleştirme işlemlerinde yüzeylerin çok düzgün olmaması durumunda bunu sağlamak mümkün olmayabilir. Bu yüzden kaynak öncesi yüzey hazırlama oldukça kritik olup, bu hususta özen gösterilmesi gerekmektedir [6,7]. 49

7 Pimin batma derinliğini sabit tutacak kuvvet Omuz Birleştirme Çizgisi Pim (Levhaya batan uç) Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağının (Friction Stir JVelding) Şematik Gösterimi [4-7]. Şekil 2. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde Oluşan İç Yapının Şematik Görünümü. A: ısının tesiri altındaki bölge (ITAB), B: termodinamik olarakyeniden kristalleşen bölge (TEB), C: dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB) [4-7,10]. Şekil 3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yapılmış Bir Al-Alaşımımn Kaynak Bölgesinin Kesiti [4-7]. 50

8 3. KARŞILAŞILABİLECEK KAYNAK HATALARI Sürtünme karıştırma kaynağında genellikle üç tip kaynak kusuru karşımıza çıkmaktadır. Bunlardan ilki, kaynak yüzey kalitesinin düşük olmasıdır (Şekil 4). Bu kusur, batıcı ucun kaynak yapılacak levhaya uygun bir şekilde daldınlmaması ve pim omuzunun yüzeye temasının düzgün yapılamamasından dolayı kaynak hattı boyunca pimin (batıcı ucun) hareketinin istikrarsız olmasından kaynaklanmaktadır [11,12]. Şekil 4. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Elde Edilen Kaynak Yüzey Kaliteleri, a) istikrarlı batıcı uç ilerlemesi ve b) istikrarsız batıcı uç ilerlemesi [7,12]. Sık karşılaşılan ikinci kusur, batıcı ucun batma derinliğinin yetersizliğinden dolayı tabana yakın kısımda karıştırılmamış bölge (yetersiz nüfuziyet, kissing bond) kalmasıdır, Şekil 4 [7,13]. Sürtünme karıştırma kaynağında karşılaşılan sonuncu fakat en önemli kaynak kusuru kaynak dikişinde tünel şeklinde porozite oluşmasıdır (Şekil 5) [7,13]. Bu hatanın nedeni, pim yüzeyinin düzgün olması, yani batıcı pim yüzeyine helisel diş açılmamasıdır. Yüzeyinde diş açılmamış pim kullanıldığında, sürtünmeden açığa çıkan ısı ile akıcı çamur kıvamına gelen malzeme yukan doğru hareket etmekte ve bunun sonucu batıcı pim ucuna yakın kısımda malzeme eksilmekte ve porozite oluşmaktadır. Batıcı uç yüzeyine diş açıldığında ise, akıcı çamur kıvamına gelen malzeme aşağı doğru bastırılmakta, dolayısıyla bu sorun sözkonusu olmamaktadır. Dikkat edilecek olursa, kaynak kusurlarının nedeni batıcı uç dizaynı ve proses parametrelerinin uygun seçilmeyişidir. İyi bir batıcı uç dizaynı, pimin kaynak yapılacak levhaya daldırılma işleminin iyi kontrol edilmesi ve batma derinliğinin kaynak boyunca iyi ayarlanıp sabit tutulması ile bu kaynak kusurları elimine edilerek kusursuz bir kaynak elde edilebilir (Şekil 3 ve 6). 4. PİM (BATICI UÇ) DİZAYNI Bu kaynak yöntemi geliştirildiğinde ilk kullanılan bancı uçlar yüzeyine helisel diş açılmış uzunluğu kaynak edilecek lavha kalınlığından biraz kısa silindirik pimlerdi. Fakat, son yıllarda sürtünmeden açığa çıkan ısı ile akıcı kıvama gelen malzemenin kaynak bölgesinde kalmasını geliştirmek için çok değişik pim dizaynları geliştirilmiştir. 51

9 Silindirik uç yerine üzerine spiral diş açılmış konik bir uç kullanılabileceği düşünülerek Whorl, Triflute ve Skew-Stir serisi özel profilli sürtünme karıştırma kaynağı takımlan dizayn edilmiş ve geliştirilmiştir. Bu takımlar, mm kalınlığındaki AA6082 T6 levhaların tek pasoda, mm kalınlığındaki levhaların da çift taraftan kaynağını yapabilmektedir. Şekil 6'da tek pasoda sürtünme karıştırma alın kaynağı yapılmış 25 mm kalınlığındaki Al-levhanın kesiti gösterilmektedir. Aşağıda bu yeni geliştirilen pimler hakkında bilgi verilecektir. Şekil 5. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Düz Yüzeyli Batıcı Uç Kullanımından Dolayı Oluşan Tünel Şeklinde Porozite ve Batma Derinliğinin İyi Ayarlanmamasından Kaynaklanan Karıştırılmamış Bölge. a) kaynak dikişinin kesit görünüşü ve b) hataların detaylı görünüşü [7,13]. Şekil 6. SKK ile Alın Kaynağı Yapılmış 25mm Kalınlığındaki Alüminyum Alaşımı [14] 4.1. Whorl Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Denemeler sonunda, Whorl konfıgürasyonları belirlenmiştir (Şekil 7). Kesik koni şeklindeki Whorl pim (probe), plastik akışa uğrayan metali aşağıya doğru yönlendirmek için helisel sırtlı profiller ihtiva etmektedir [15]. 52

10 Whorl konsepti dairesel olmayan probe kesitleri sağlar. Bu nedenle, malzemenin daha kolay akmasına imkan vermek için pimin yer değiştirme miktarı, dönme miktarından daha az olması gerekmektedir. Şekil 8'de 75 mm kalınlığındaki AA 6082-T6 alaşımının içine geçmiş Whorl serisi pim görülmektedir ve buradan da TEB ile takım profilinin ilişkisi açıkça görülmektedir. Pim etrafındaki malzemenin daha etkili akması için her bir helisel sırt arasındaki uzaklığın sırt kalınlığından daha büyük olması gerekir. Pimin ucunun helisel sırtlarla paralel olması kritik bir husus değildir [14]. Progressive cftange in «e arıgıle Two srrtrant Tttree sided probe Changing profile Şekil 7. Çeşitli Whorl Konflgürasyonları [15]. Şekil 8. 75mm Kalınlığındaki AA6082T6 Alaşımının Kaynağında fvhorl Takımını Kullanılması, Kaynağın Bitmiş Hali ve Kaynak Dikişinin Görüntüsü [15,16] MX Triflute ve Flared-Triflute Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Multi-Helix takımların (MX Triflute ) yivlerinin çevresinde helisel sırtların bulunması takımın hacmini düşürmekle beraber malzeme akışına yardım eder ve yüzeydeki oksitleri dağıtır (Şekil 9 ve 10). Alın kaynağında kullanılan, Whorl ve Triflute uçları kesik piramit şeklindedir ve yüzeylerinde aşağıya doğru delme etkisini kolaylaştırmak maksadıyla kaba işlenmiş helisel sırtlar ve oluklar bulanmaktadır. Bu girintili köşe şekilleri ucun hacmini azaltır ve statik hacim oranı için uygun olan karıştırma hacmini sağlar. Daha iyi bir hacim oranı ile malzemenin akış yolu daha iyi olur ve böylece uç daha etkili çalışır. Aynca özellikle ucun etrafındaki kaba işlenmiş helisel sırtlarda bulunan girintili köşe özellikleri kaynak bölgesindeki yüzey oksitlerinin parçalanmasına ve dağıtılmasına yardımcı olur. 53

11 Şekil 9. MX Triflute' Pimin Esin Kaynağı Deniz Kabuklarıdır. MX Triflute Serisi Pimin Resim ve Şematik Çalışma Şekli [15,16]. P"2^^PJ Triflute Şevli Uç CFIared) Şekil 10. MX Triflute ve Flared-Triflute Dizaynları [17]. Bindirme kaynağında ise uç, daha geniş kaynak bölgesi sağlamak ve kaynak yapılan ara yüzeylerde daha büyük levha kalınlıklarından dolayı oluşabilecek problemleri önlemek maksadıyla daha farklı dizayn edilmiştir (Şekil 11). Bindirme kaynağında pim yüzeyi kaynak ara yüzeyine zorunlu olarak diktir ve alttaki levhaya yeteri kadar nüfuz edebilmesi ana amaçtır. Kaynak ara yüzeyinin üst yüzeyden mesafesi ve ucun girintilerinin kaynağın kenarıyla kesiştiği açı çok önemlidir. Bu özellik, yorulma ile doğrudan bağlantılıdır. Ucun karakteristiği, süpürme hacmi ile statik hacim arasındaki farkın artırmasıyla ucun etrafındaki ve aşağısındaki akış yolunun büyümesidir. Kaynak Bölgesi Kaynak Arayüzü s Şekil 11. Flared Triflute Probe ile Yapılmış Olan Bindirme Kaynağında Kaynak Arayüzeyinin Görünümü [17] Skew-Stir ve A-Skew Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Sürtünme karıştırma kaynağı uygulaması için geliştirilen Skew-StirTM serisi pim, pim ekseninin iş mili eksenine göre biraz eğim verilmesi ile diğer pimlerden ayrılır. Skew-StirTM serisi pimler, dinamik süpürme hacmi ile 54

12 statik hacim arasındaki oranı pimin eğik hareketi ile artırabilmektedirler. Bu oran, boşluk oluşumunu gidermede veya azaltmada ve işlem verimliliğini yükseltmede önemli bir faktördür. Şekil 12'de görüleceği üzere, omuz yüzeyi, eğik takım ekseniyle belirli bir eğim oluşturmaktadır. Omuz yüzeyi ise, plakanın üst kısmına bağlı olarak sabit durmaktadır. Omuz, iş parçası üzerinde iken dairesel hareket yapar. Takımın odak noktası, iş parçası yüzeyine veya iş parçasının herhangi bir noktası üzerine geldiğinde, omuzun temas yüzeyi esken dışı bir yörüngede hareket eder. Ayrıca, omuzun bu yörünge hareketi, omuzun eğrilik açısına ve odak noktası ile levhanın üst yüzeyi arasındaki mesafeye bağlıdır. Eğrilik açısı ve aradaki mesafe arttıkça, omuzun hareket sahası da artacaktır. Skew angla Şekil 12. Skew-Stir Metodunun Çalışma Prensibi vea-skew Ucunun Resmi [18]. Yeni jenerasyon Whorl ve MX Triflute takımlarının omuzları (shoulder) da özel profillere sahiptir. Omuz profilleri, omuz ile iş parçası arasında daha iyi bir temas yüzeyi sağlamak maksadıyla kullanılır. Sürtünme teması ile akan malzemenin kaynak bölgesinden ayrılması önlenmektedir (Şekil 13). OMUZ DİZAYNLARI Şekil 13. WhorF M ve MX Triflute Takımlarının Omuz Profilleri [15]. 5. UYGULAMA ALANLARI Sürtünme kanştırma kaynak yönteminin Al-alaşımlannda uygulanalabilirliği üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır [4,19]. Bu araştırma sonuçlan göstermektedir ki, bu yöntem gerek yaşlandırma sertleştirmesi yapılan gerekse yaşlandırma sertleştirmesi yapılamayan (lxxx ve 5xxx serileri gibi ısıl işleme duyarlı olmayan) Al-alaşımlannda basan ile kullanılabilmektedir. Bu yöntem ile elde edilen birleştirmelerin yüzey kalitesi ark 55

13 kaynağı ile elde edilen birleştirmelerden çok daha yüksektir, Şekil 14. Şekil 15 ark ve sürtünme karıştırma kaynağı yapılmış Al-alaşımı levhaların kaynak bölgelerinin kesitini göstermektedir. Bu yöntem ile elde edilen birleştirmelerin kaynak performansı, klasik kaynak yöntemleri ile yapılan kaynaklara nazaran daha iyidir [4-7,19,20]. Ayrıca, sürtünme karıştırma kaynağında pimin ilerleme hızını artırarak bu mukavemet düşüşünün daha da azaltılması ve pimin çapının küçük seçilmesi ile mekanik özelliklerin etkilendiği bölgenin eninin küçültülmesi mümkündür. Buna ilaveten, bu yöntem ile kaynak edilen 5454 alaşımının korozyon performansının da oldukça iyi olduğu tespit edilmiştir. Hatta, geleneksel kaynak yöntemleri ile kaynağı çok güç olan 7075 alaşımı bile bu yöntem ile başarılı bir şekilde birleştirilmiş ve elde edilen birleştirmeler oldukça iyi mekanik özellikler göstermiştir. Şekil 14. Kaynak Yüzey Görünümleri: a) Ark Kaynağı ve b) Sürtünme Karıştırma Kaynağı. Şekil 15. Kaynak Bölgesi Kesitleri: a) Ark Kaynağı ve b) Sürtünme Karıştırma Kaynağı. Bu kaynak yöntemi ile farklı kahnlıklardaki levhaların birleştirme işlemi pimin eğik konumda levhalara daldırılması ile yapılabilmektedir [4-7]. Bu kaynak yöntemi ile tek pasoda 50 mm kalınlığa kadar Al-alaşımı levhaların alın kaynağı yapılabilmektedir. Ayrıca çift taraftan kaynak yaparak kalın parçaların da birleştirilmeleri mümkündür. Bu şekilde, 75 mm kalınlığındaki 6082 Al-alaşımı levhalar çift taraftan kaynak edilerek basan ile birleştirilmiştir, Şekil 8. Çekme deneyinde bu yöntem ile elde edilen kaynak numunesi klasik sıvı hal kaynağından daha iyi performans göstermiş, ayrıca 180 bükme deneyinde herhangi bir çatlama tespit edilmemiştir, Şekil 16. Bu kaynak metodu ile, düz ve çeşitli profillerdeki sac ve levhaların alm ve bindirme kaynağı yapılabilmektedir. Şekil 17 sürtünme karıştırma bindirme kaynağının yapılışını şematik olarak göstermektedir. Al-alaşımı veya mukavemeti düşük diğer malzemelerden T ve L profillerin üretiminde üretiminde ve boru bağlantı kaynaklarında da bu yöntem ile kullanılabilmektedir, Şekil 18 ve 19. Al-alaşımlan dışında, ergitme kaynak yöntemleri ile kaynağı mümkün olmayan veya güç olan Al-Li gibi bazı alaşımlar ve 0.8 mm kalınlığındaki çinko sacların kaynağında bu yöntem başarı ile uygulanmıştır. Ayrıca, düşük karbonlu yumuşak çeliklerin, Mg-alaşımlannın, Ti-alaşımlannın, saf Cu ve pirinç gibi Cu-alaşımlannın, 56

14 düşük sertlikteki östenitik paslanmaz çeliklerin ve ergime derecesi birbirine yakın farklı iki malzemenin kaynağında da bu yöntem basan ile uygulanabilir. Özel amaçlı sürtünme kanştırma kaynağı makinelerinde 50 mm kalınlığındaki saf bakır levha loomm/dak kaynak hızında mükemmel kalitede kaynak edilmiştir. Şekil 16. Çift Taraftan Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yapılarak Birleştirilmiş 75 Mm Kalınlığındaki 6082 Al-Alaşımı Levhalardan Çıkarılmış Numunelerin Çekme ve 180 Bükme Deneyi Sonuçlan. Not: Bükme Numunesinde Çatlama Olmamıştır [4-7]. advancing side Şekil 17. Sürtünme Karıştırma Bindirme Kaynağının Şematik Gösterimi [14]. Şekil 18. T ve L Profillerinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulaması [14]. 57

15 Şekil 19. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yönteminin Boru Kaynaklarında Uygulaması [17]. Sürtünme karıştırma kaynağı, en az çinko ve kurşun levhalarda olduğu kadar magnezyum alaşımlarında da basan ile uygulanabilmektedir. İngiliz Kaynak Enstitüsünde (TWI) 9.5mm kalınlığındaki magnezyum AZ61A alaşımında yapılan ilk deneyler basan ile sonuçlanmıştır. Japonya'da yapılan bir çalışmada da, 6 mm kalınlığındaki AZ31 magnezyum alaşımı üzerinde yapılan ileri laboratuar deneylerinde, kaynak esnasında ince yeniden kriştaleşmiş tane yapısının oluşmasından dolayı, numunelerin mukavemeti ile baz malzemenin mukavemet değerlerinin birbirlerine çok yakın olduğu tespit edilmiştir. Uzay ve havacılık endüstrisinde kullanılan titanyum alaşımlarında sürtünme karıştırma kaynağı denemeleri ilk olarak Tİ-6A1-4V alaşımında başarı ile gerçekleştirilmiş ve diğer alaşımlar üzerinde çalışmalar başlatılmıştır. Yüksek korozyon dayanımından dolayı petrol boru hattı şebekeleri ve su üstü platformlannda rakipsiz olan bu alaşımın sürtünme karıştırma kaynağının bu uygulamalarda kullanabilirliği konusunda araştırmalar sürdürülmektedir Gemi Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Sürtünme karıştırma kaynağı ile ilgili ilk ticari uygulama, balıkçı gemilerinin derin donduruculannın oluklu alüminyum panellerinde kullanılmıştır. Bu kaynak yöntemindeki minimum distorsiyon ve yüksek verimlilik, teknik ve ekonomik yönden sert panel üretiminde bu prosesi cazip kılmaktadır. Bu yöntem ile, Japonya'da alüminyum petek paneller ve deniz suyunun korozyon etkisine dayanıklı panellerin üretimleri yapılmaktadır. Yüksek hız feribotlarında kullanılan standart boydaki alüminyum ekstrüzyon panelleri sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmektedir. Ergitme kaynaklanna kıyasla ısı girdisinin düşük olması panellerdeki distorsiyon ve kalıntı gerilmelerini minimum düzeyde olmasını sağlamaktadır. Norveç' te bulunan Hydro Marine Aluminum firmasında son üç yılda 70 kilometre uzunluğunda alüminyum ekstrüzyon paneli sürtünme kanştırma kaynağı ile birleştirilmiştir, Şekil 20 [14] Uçak ve Uzay Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları 1993 yılında NASA, Lockheed Martin Laboratuarlanndan, Space Shuttle External Tank projesinde (uzay mekiklerinin yakıt tanklannda) AA2219 alüminyum alaşımı yerine kullanılmak üzere daha yüksek mukavemetli, düşük yoğunluk ve hafiflikte bir malzeme geliştirilmesi için talepte bulunmuştur. Bunun üzerine Al-Li

16 olarak bilinen çok daha hafif yeni bir alüminyum alaşımı geliştirilmiştir. Geliştirilen bu alaşım sayesinde External Tank projesinin (yakıt tankı) ağırlığı yaklaşık 3500 kg azaltılmıştır. Yeni düşük ağırlıklı Al-Li 2195 alaşımının ergitme kaynağı çok zor olmakta ve kaynak bölgesinin mukavemeti göz ardı edilemeyecek kadar düşmektedir. Dolayısıyla, bu uygulama için mukavemet düşüşünün daha düşük seviyede olduğu bir katı hal kaynak yöntemi olan sürtünme karıştırma kaynağı ideal bir birleştirme yöntemidir. Günümüzde, Al-Li 2195 alaşımından üretilen uzay mekiklerinin yakıt tanklarının son kubbe kısımlarının kaynağında bu yöntem başarılı bir şekilde uygulanmaktadır, Şekil 21 [14,21,22]. Şekil20. Alüminyum Ekstrüzyon Panellerinin Sürtünme Karıştırma Kaynağı İle Birleştirilmesi [14]. Şekil 21. Space Shuttle External Tank Projesi ve Marshall Space Flight Center Laboratuarlanndaki Sürtünme Karıştırma Kaynak Sistemlerinden Görüntüler [18]. Sürtünme karıştırma kaynağı yolcu uçakları gibi hafif alüminyum iskeletli yapılarda büyük potansiyel arz etmektedir. Boeing Şirketi, ince alın, bindirme ve T birleştirmeleri ile çeşitli havacılık ve uzay uygulamalarında kullanılacak kalın alın kaynaklarında bu yöntemi kullanma çalışmalarına son zamanlarda büyük hız vermiştir. Şu ana kadar, uçakların iniş takımlarının kapaklarında ve bazı savaş uçaklarının kaportasında ince T birleştirmelerinde (sandviç montaj) sürtünme karıştırma kaynağı uygulanmış ve test uçuşları başarı ile sonuçlanmıştır. 59

17 Eclipse Aviation Corporation da, üreteceği özel jetlerde perçinleme ve yapıştırma yerine; maliyet ve montaj zamanından tasarruf amacıyla sürtünme karıştırma kaynağını kullanmaya karar verdiğini açıklamıştır. Bu, belki de sürtünme karıştırma kaynağının ilk büyük havacılık denemesi olacaktır. Bu günlerde deneme uçuşlarının yapılması beklenmekte ve sonuçlarına göre imalatta kullanmaya elverişli olup olmadığına karar / verilecektir Otomotiv Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Ulaşım sektöründe alüminyum ekstrüzyonlannın birleştirilmesinde vidalama, perçinleme, yapıştırma, bağlama ve kaynak gibi bir çok birleştirme metodu kullanılmaktadır. Bunlardan kaynak metodu ürünün yüksek mukavemetli olması istendiği durumlarda kullanılır. Sürtünme karıştırma kaynağının otomotiv endüstrisine getireceği bazı faydalar şunlardır: j Kaynak bölgesinde nispeten yüksek mukavemet ; Minimum distorsiyon ve kalıntı gerilmeler Kaynak dumanını olmayışı, dolayısıyla çevreci bir kaynak tekniği olması İlave tel ve koruyucu gaza ihtiyaç duyulmaması Hassas kaynak ağzı hazırlığına gerek olmaması Otomasyona çok uygun oluşu Çeşitli metaller ve aluminyumlann (Al-ekstrüzyon ve Al-döküm) birçok pozisyonda birleştirilebilmesi f Bunun yanında bu yönteminin bazı sınırlamalan da vardır. Bunlar: Sağlam bir destekleyici gerektirir. Etkili sabitleyici aparatlar gerektirir. Kaynak hızı malzeme cinsi ve levha kalınlığına bağlı olarak mm/dk arasındadır. Bu değerler, perçinleme gibi mukavemetsiz birleştirme yöntemlerine göre oldukça düşük, benzer mukavemetli ark kaynağı ile eşdeğerdir. Pim dizaynındaki hızlı gelişmeler ile kaynak hızının daha da artırılması beklenmektedir. j Kaynak edilen yerin sonunda pimin çıktığı yerde bir delik oluşur. Sürtünme kanştırma kaynağının otomotiv sektöründe ilk uygulamalanndan biri Hydro Marine Aluminium (Norveç) firması tarafından prototip otomobil jantlarının iki parçasının birleştirilmesidir, Şekil 22 [23]. Bu sektörde ilk uygulamalardan bir diğeri de, kaynaklannın bazılan sürtünme karıştırma kaynağı ile yapılmış olan prototip bir motor Tezgahıdır (beşiğidir). j 60

18 Şekil 22. Sürtünme Karıştırma Kaynağı İle Birleştirilen Al-Alaşımı Prototip OtomobilJantı [23]. Halen, otomotiv endüstrisindeki yüksek üretim oranları, rekabetçi üretim ortamları ve düşük maliyet gereksinmeleri geleneksel olan diğer birleştirme tekniklerinin uygulanmasına neden olmaktadır. Sürtünme karıştırma kaynağı otomotiv parçalarında, alüminyum birleştirmelerde kayda değer bir potansiyel artışı sağlamakla beraber otomotiv sektöründe kullanılabilirliği sınırlıdır. Otomotiv endüstrisindeki yoğun üretim nedeniyle, bu yeni teknolojiyi uygulamaya geçirmek için bir hayli zamana ihtiyaç duyulması beklenmektedir. Kaynak teknolojisindeki gelişme hızlandığında artırılmış üretim için büyük potansiyel, özel parçaların büyük oranda üretiminin sağlanması sonucunda açığa çıkacaktır. Yüksek kalite ve yükseltilmiş kaynak mukavemeti, ağırlık azaltanını mümkün hale getirecektir. Özellikle, Mg-alaşımlannın otomotiv sektöründe bu yeni kaynak teknolojisi sayesinde kullanımı ile ağırlıktan tasarruf daha da artırılabilir [4-7] Hızlı Tren Üretiminde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Modern yolcu treni vagonlarının imalatında, alüminyum estrüzyonlardan üretilen petek paneller daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu panellerde, uzun Al-ekstrüzyonlar aralarına sıkılık artırıcı destekler yerleştirilerek birleştirilmektedir. Bu sayede, hem çarpışmalarda emniyet hem de bükme kuvvetlerine dayanım artırılmaktadır. Klasik ergitme kaynağı, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB bölgesinde aşın mukavemet kaybına sebep olduğu için, son yıllarda Almanya ve İngiltere'de meydana gelen hızlı tren kazalarında daha dayanıklı kaynaklara ihtiyaç duyulduğu gerçeği ortaya çıktı. Sürtünme karıştırma kaynağı, kaynak bölgesinde daha düşük seviyelerde mukavemet kaybına neden olduğundan cazip bir alternatif oluşturduğu için son yıllarda Avrupa ve Japonya 'da hızlı tren vagonlarının üretiminde bu kaynak teknolojisi ile imal edilen Al-alaşımı petek paneller kullanılmaya başlanmıştır, Şekil 23 [24]. Şekil23. Japonya 'da Sürtünme Karıştırma Kaynağının Kullanıldığı Hızlı Tren ve Bu Yöntem ile Kaynağı Yapılan Al-Paneller [24]. 61

19 6. TARTIŞMA ve SONUÇ Bu makalede tanıtılan sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi bir katı hal (basınç) kaynak yöntemi olup, Alalaşımlan gibi ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmeleri güç malzemelerin kaynağında basan ile uygulanabilir. > Sürtünme karıştırma kaynağı, düz ve çeşitli profıllerdeki sac ve levhaların alm ve bindirme kaynağında kullanılma potansiyeline sahiptir. Halihazırda uygulamaları oldukça yaygınlaşan bu yöntemin klasik ergitme kaynak yöntemlerine çeşitli avantajları vardır. Bu avantajlarından en önemlileri, temiz ve çevreci olması, çatlak ve porozite gibi hataların olmadığı birleştirmelerin elde edilmesi, daha iyi kaynak performansı ve ilave tele ihtiyaç olmamasıdır. Ayrıca, bu kaynak yöntemi otomasyona oldukça uygun bir tekniktir. Robotik sürtünme karıştırma kaynağı sistemleri konusunda araştırmalar devam etmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı, gemi, uçak ve uzay aracı, tren ve kara taşıtlarının imalatı gibi çok geniş bir, i potansiyel uygulama alanı yelpazesine sahiptir. Bu uygulamalarda, bu yeni kaynak teknolojisi sınırlı da olsa t. ticari olarak kullanılmaya başlanmıştır. Robotik sürtünme karıştırma kaynağı ile Al- ve Mg-alaşımlannın kaynağında katedilecek aşamalar daha hafif taşımacılık sistemlerinin seri üretimini mümkün kılacak ve bu şekilde araçlarının yakıt tüketiminde de önemli tasarruflar sağlanacaktır. Bu yeni kaynak yönteminin özellikle gemi inşaatında, uçak ve uzay endüstrisinde, otomotiv sektöründe ve diğer imalat sektörlerinde kullanımı her geçen gün artacaktır. KAYNAKÇA 1. G. Çam ve M. Koçak: Progress in Joining of Advanced Materials, International Materials Reviews, 43 (1), 1998, S G. Çam ve ark. Journal of Science and Technology of Welding and Joining, 1999, 4 (5), S G. Çam ve ark. Practical Metallography, 2000, 37 (2), S G. Çam ve M. Koçak, "Joining of Advanced Materials", UNESCO-EOLSS (Encyclopedia of Life Support Systems), Area 6: Materials Science and Engineering, Topic : Materials Processing and Manufacturing Technologies, in print 5. H. Yavuz ve G. Çam: Yeni Bir Kaynak Teknolojisi: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Endüstri ve Otomasyon, Sayı 51, Haziran 2001, S G. Çam: Al-Alaşımları İçin Geliştirilen Yeni Kaynak Yöntemleri, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi III. Ulusal Kongresi Bildirler Kitabı, Ekim 2001, İstanbul, S G. Çam: Sürtünme Karıştırma Kaynağı ve Uygulamaları, 9. Malzeme Sempozyumu Bildiriler Kitabı, 8-10 May 2002, Pamukkale University, Denizli, 2002, S D. Nicholas, TWI Bulletin 6, Nov./Dec. 1991, Vol. 32, pp

20 Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi 9. W.M. Thomas ve ark., "Friction Stir Butt Welding", International Patent Appl. No. PCT/GB92/0220 and GB Patent Appl. No , Dec. 1991, US Patent No. 5,460, P. Dong ve ark., Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 1999, Thousand Oaks, CA, USA 11. S. Brinckmann ve ark., Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 2000, Gothenburg, Sweden 12. A.von Strombeck ve ark., Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 2000, Gothenburg, Sweden 13. H. Ataoğlu, Sürtünme Karıştırma Kaynaklı Alüminyum Alaşımlarının İç Yapı ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, S.W. Kallee ve ark., Proc. of 8th International Conference on Joints in Aluminium, Munich, Germany, 2001, S S.D. Smith ve ark., Proc. of Aluminium Joining Symposium, USA, W.M. Thomas, Proc. of 7th International Conference on Joints in Aluminium, USA, W.M. Thomas ve R.E. Dolby, Proc. of 6th International Conference on Trends in Welding Research, April 2002, Callaway Gardens, Pine Mountain, Georgia, USA 18. S.W. Kallee ve ark., Seminar at Schvveisstechnische Lehr- und Vursuchsanstallt (SLV), Berlin- Brandenburg, Germany, 20 March Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 1999, Thousand Oaks, CA, USA ve Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 2000, Gothenburg, Sweden 20. S.W. Kallee ve A. Mistry, Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 1999, Thousand Oaks, CA, USA 21. E.D. Nicholas ve S.W. Kallee, IIW Asian Pasifıc Int. Congress, 29 Oct.-2 Nov. 2000, Sydney, Australia 22. T. Fukuda, Welding Int., Vol. 15, No 8, 2001, S R. Johnson ve S.W. Kallee, Materials World, Vol. 7, No 12, Dec. 1999, S S.W. Kallee ve ark., Welding Journal, Vol. 81, No 10, Oct. 2002, S

21 ÖZGEÇMİŞ Gürel CAM 1984'te İTÜ'den Metalürji Mühendisi olarak mezun oldu. Mayıs 1990'da İmperial College Malzeme, Milli Eğitim Bakanlığı bursu ile doktorasını tamamladı. 1994'e kadar Yard. Doç. Dr. Olarak görev yaptı. Ekim 1994'te Malzeme Bilimi dalında doçent oldu tarihleri arasında Almanya'nın Hamburg kenti yakınlarında GKSS Araştırma Merkezinde uzman araştırmacı olarak çalıştı. Ocak 2000'de Mustafa Kemal Üniversitesine Profesör olarak atandı. Halen aynı üniversitede görev yapmakta olup, 50'nin üzerinde bilimsel yayını vardır. 64

22 SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAKLI BİR Al- ALAŞIMININ İÇYAPI ve MEKANİK KARAKTERİZASYONU Öğr. Gör. H. ATAOĞLU 1, Yrd.Doç.Dr. S. MISTIKOĞLU 2 ve Prof. Dr. G. ÇAM 2 'M.K.Ü., İskenderun Meslek Yüksekokulu, İskenderun (HATAY) 2 Mustafa Kemal Üniversitesi, Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Tayfur Sökmen Kampusu, Antakya (HATAY) MICROSTRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERIZATION OF AN AI-ALLOY JOINED WITH FRICTION STIR VVELDING ABSTRACT Very promising results were achieved with a recently developed solid state welding process, namely friction stir welding, in joining Al-alloys, particularly diffıcult-to-weld or impossible-to-weld alloys, such as 7075 or Al-Li alloys. Better joint performance than those of arc welded joints can also be obtained in more conventional Al-alloys by this new technique, owing to low heat input involved. This new technique is a novel version of conventional friction welding process, and involves the use of heat generated by plunging a rotating pin into the plates to be welded in order to produce a plasticised tubular shaft of metal around the pin, and stirring the material from both plates to join two plates. in this study, 2 mm thick EN AVV-5754 [AlMg3] alloy plates were butt welded by this novel joining process using two different pin surface geometries. in both cases, the microstructural evolution and formation of any weld defects in weld zone and their effect on the mechanical behaviour of the joints were determined. Moreover, the effect of pin surface geometry on the quality of the joints were investigated. in this paper, the experimental results of this study will be discussed. Keywords: Welding, Joining, Al-alloys, Friction stir welding, Novel welding techniques, Joint performance, Hardness profile, Microstructural and mechanical characterization ÖZET Son yıllarda geliştirilen bir basınç kaynağı yöntemi olan sürtünme-kanştırma kaynağı (friction stir vvelding) ile klasik ergitme kaynakları sorunlu olan veya mümkün olmayan Al-Li veya 7075 alaşımı gibi Al-alaşımlannın kaynağında iyi sonuçlar alınmıştır. Diğer Al-alaşımlannda da daha düşük ısı girdisinin söz konusu olduğu bu yeni kaynak tekniği ile daha iyi kaynak performansları elde edilebilmektedir. Bu yöntem, klasik sürtünme kaynağının yeni ve değişik bir versiyonu olup, yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin, alın alına sabitlenmiş 65

23 kaynak edilecek levhalara daldırılıp sürtünmeden açığa çıkan ısı enerjisi ile malzemenin çamur kıvamına getirilip karıştırıldığı bir birleştirme yöntemidir. I Bu çalışmada, bu yeni kaynak yöntemi ile 2 mm kalınlığındaki EN AW-5754 [AlMg3] alaşımı yüzeyi düz ve diş açılmış pim (batıcı uç) kullanılarak kaynak yapılmıştır. Her iki durumda da, kaynak bölgesinde herhangi bir kaynak hatası oluşup oluşmadığı ve bunun bu bölgede oluşan içyapı ile birlikte mekanik özellikleri nasıl etkilediği araştırılmıştır. Ayrıca, batıcı uç yüzey geometrisinin kaynak kalitesine etkisi de incelenmiştir. Bu bildiride, bu deneysel çalışmanın sonuçları tartışılacaktır. Anahtar sözcükler: Kaynak, Alüminyum alaşımları, Sürtünme karıştırma kaynağı, Yeni kaynak teknolojileri, Kaynak performansı, Sertlik profili, İçyapı ve mekanik karakterizasyon f j 1. GİRİŞ Al-alaşımları, Mg-alaşımlanndan sonra en hafif yapı malzemeleridir. Mg-alaşımlarmın düşük sıcaklıklarda şekillendirme kabiliyetleri, hekzagonal kristal yapılarından dolayı düşüktür. Bu nedenle, yapı malzemesi olarak kullanımları oldukça sınırlıdır. Diğer taraftan, kübik kristal yapılarından ötürü düşük sıcaklıklarda oldukça yüksek şekillendirme kabiliyetine sahip Al-alaşımları taşımacılık sistemlerinde (uçak, tren, gemi ve diğer taşıtların imalinde) yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Ergitme kaynak yöntemleri ile Al-alaşımlarının (özellikle yaşlandırma sertleştirilmesi yapılmış olan Alalaşımlannın) kaynağında aşın derecede çatlak ve porozite oluşumu gibi problemler mevcuttur. Bu problemlerden çatlak oluşumunun nedeni, Al-alaşımlarının katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olmasıdır. Ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması sonucu, özellikle çatlamaya daha duyarlı yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlannda kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olur. Aynca, ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB' de tane sınırlannda düşük ergime dereceli fazlann oluşumuna ve dolayısıyla bu bölgede tane sınırlannda katılaşma esnasında çatlamaya yol açabilir [ 1-4]. Al-alaşımlannın ark kaynağı ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir güçlük ise, bu alaşımlara ısı iletkenlik katsayılannın yüksek olması nedeniyle ısının kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde uygulanması zorunluluğudur. Diğer bir sorun olan kaynak dikişinde porozite oluşumunun nedeni ise; alüminyumun sıvı halde hidrojen çözünürlüğünün katı haldekinden çok daha yüksek olmasıdır [1-4]. Vakum ortamında yapılan elektron huzmesi kaynağı yöntemi porozite açısından en avantajlı ergitme (sıvı hal) kaynak yöntemidir. Fakat yüksek sıcaklıklann sözkonusu olduğu elektron kaynağında, vakum ortamında yapıldığı için düşük buharlaşma sıcaklığına sahip alaşım elementleri içeren Al-alaşımlannda kaynak dikişinde alaşım elementi kaybı, dolayısıyla mukavemet düşüşü sözkonusu olabilmektedir. Aynca, Al-alaşımlannın lazer ışınını yansıtması, bu yöntemin uygulamasını güçleştirmektedir [5-7]. Ergitme kaynağındaki bu problemlere ilaveten, ticari olarak Ti-alaşımlarına başarı ile uygulanan katı hal kaynaklanndan difuzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlanna ekonomik olarak uygulanamamıştır [ 1-7]. Ayrıca, katı hal kaynak yöntemlerinden klasik sürtünme kaynağı gibi yöntemler, Al-alaşımlannın kaynağında kullanılabilmektedir. Ancak, bu yöntemlerin uygulamasındaki geometrik sınırlamalar nedeniyle yalnızca bindirme kaynağı uygulaması yapılabilmektedir. Bu yöntemler ile Al-alaşımı levhalan alın kaynağı yapmak mümkün değildir. 66

24 Bir malzemenin ekonomik olarak kaynak edilebilirliği, o malzemenin daha yaygın olarak kullanılmasını sağlayan ve o malzemeden parça dizaynını ve üretim yönteminin tayin edilmesini belirleyen bir özelliğidir. Lazer teknolojisindeki yeni ilerlemeler bir çok malzemenin kaynak edilebilmesine olanak sağlamış ve değişik uygulamalarda bu malzemelerin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Fakat, bu kaynak yöntemi Al-alaşımlannın kaynağında ekonomik olarak kullanılamamaktadır. Diğer taraftan, 1990' lann başında geliştirilen ve bir katı hal kaynak yöntemi olan sürtünme karıştırma kaynağı (friction stir welding), geleneksel ergitme kaynak işlemleriyle kaynağı güç olan veya mümkün olmayan özellikle yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş Al-alaşımlannın kaynağında başarıyla kullanılabilmektedir [1-4]. Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) yöntemi, alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin (batıcı uç) daldırılması ve kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir (Şekil 1) [1-4,8]. Yöntem, ilk defa 1970'li yıllarda İngiliz Kaynak Enstitüsünde denenmiş ve 199O'lı yıllarda geliştirilip patentlenmiştir [9]. Bu katı hal kaynak yönteminde birleştirme, sürtünme ile açığa çıkan ısının çamur kıvamına getirdiği malzemenin plastik akışı sayesinde gerçekleşmektedir. Kaynak bölgesinde oluşan içyapı, Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. Kaynak bölgesi, farklı mikroyapılann oluştuğu üç belirgin bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler, dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB), termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve sıvı hal kaynak yöntemlerinde olduğu gibi ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) olarak adlandınlmaktadır [1-4,10]. Pimin batma derinliğini sabit tutacak kuvvet Birleştirme / Çizgisi Pim (Levhaya batan uç) Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağının (friction stir welding) Şematik Gösterimi [1-4]. Şekil 2. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde Oluşan İç Yapının Şematik Görünümü. A: ısının tesiri altındaki bölge (ITAB), B: termodinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (TEB), C: dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB) [1-4, 10]. 67

25 Bu çalışmada, farklı iki yüzey geometrisine sahip batıcı uç kullanılarak 2 mm kalınlığındaki EN AW-5754 [AlMg3] alaşımı levhalar, sürtünme karıştırma kaynağı yapılmışlardır. Elde edilen birleştirmelerde, kaynak kalitesini belirlemek amacıyla içyapı incelemesi, mikrosertlik ölçümleri, çekme ve bükme deneyleri yapılmıştır. Aynı zamanda, batıcı uç yüzey geometrisinin kaynak kalitesine etkisi belirlenmiştir. 2. MATERYAL ve METOT Bu çalışmada, T.C. Seydişehir Alüminyum Fabrikalarından temin edilen 2 mm kalınlığındaki E53-H18 veya TSE Alüminyum EN AW-5754 [AlMg3] Al-alaşımı levhalar kullanılmıştır [11]. Sürtünme karıştırma kaynağını yapmak için gerekli kaynak uçları (batıcı uçlar), otomobil amortisörlerinin orta göbek millerinden yapılmıştır. Yüzeyi düz ve M4 vida dişi açılmış olmak üzere iki farklı uç yüzey geometrisi kullanılmıştır (Şekil 3). Kaynak işlemi, 2500 dev/dak dönme hızına, minimum 25 mm/dak ilerleme hızına ve maksimum 210 mm kurs boyuna sahip bir torna tezgahında gerçekleştirilmiştir, Şekil 4. Tornada, sürtünme karıştırma kaynağı yapılacak Al-alaşımı levhalann torna siperine bağlanarak kaynak yapılabilmesi için, platinadan (et kalınlığı 20 mm' den fazla olan çelik sac) torna siperine uygun ve levhalann sabitleneceği özel bir kalıp hazırlanmıştır. Levhalann tutturulduğu kalıp sipere bağlandığından kaynaklanabilme kurs boyu 110 mm'ye düşmektedir. Şekil 3. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Batıcı Uçlar. Şekil 4. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Torna Tezgahı. 68

26 Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi Torna tezgahının kurs boyunun kısa olması ve dolayısıyla kaynak boyunca kaliteli birleştirme yapabilmek için levhalar, kaynak ucu ve kalıp, sürtünme karıştırma kaynağına başlamadan önce bir $aloma vasıtasıyla (LPG kullanılarak) 50 ± 5 C de ön ısıtmaya tabi tutulmuştur. Daha yüksek devir hızına sahip tezgahlarda sürtünme karıştırma kaynağı işlemi için ön ısıtmaya gerek yoktur. Dijital termometre ile direkt kaynaklanacak levhalar, kalıp ve ucun yüzeyinden sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Kaynak bölgesinde oluşan içyapıyı incelemek amacıyla kaynaklı levhalardan metalografi numuneleri kesilmiştir. Daha sonra kesilen bu parçalar kaynak kesiti yüzeyde olacak şekilde oda sıcaklığında katılaşan polimer esaslı kalıp malzemesi kullanılarak kalıplanmıştır. Bu kalıplar, tabanlarının düzgün olması için parmak frezede düzeltilmiştir. Daha sonra sırasıyla 240,400, 800,1200 ve 2400 grit zımpara kağıtlarında zımparalanmış ve 1 /um tane boyutunda SiO 2 solüsyonu kullanılarak parlatma disklerinde parlatılmıştır. Hazırlanan bu numuneler üzerinde kaynak bölgesinde oluşan mikroyapı ve herhangi bir kaynak hatasının olup olmadığının belirlenmesi için optik mikroskop incelemeleri yapılmıştır. Bu metalografi numuneleri, ayrıca kaynak kalitesini belirlemek amacıyla mikrosertlik ölçümleri yapmak için de kullanılmıştır. Mikrosertlik ölçümleri Vickers mikrosertlik cihazı kullanılarak kaynak bölgesi ortada olacak şekilde yaklaşık 34 mm'lik bir uzunluk boyunca 0.25 mm aralıklarla 100 gram yük kullanılarak mirosertlik ölçümleri yapılarak (Şekil 5) sertlik profilleri belirlenmiştir. Kaynak kalitesinin tespit edilmesi için baz malzemeden ve kaynaklı levhalardan TS EN standardına göre numuneler de (her durum için minimum 3 numune) hazırlanmış ve çekme deneyine tabi tutulmuştur. Ayrıca, endüstriyel 180 bükme deneyi de yapılmıştır. Bükme deneylerinde kullanılmak üzere malzeme yetersizliğinden dolayı standart dışı ince dikdörtgen şeklinde (kaynak bölgesi ortada olacak şekilde) numuneler hazırlanmıştır. Düz ve vida dişli batıcı uç kullanılarak elde edilen kaynaklardan çıkarılan bu standart dışı numuneler kaynak tabanı içe ve dışa gelecek şekilde 180 bükülmüştür. Şekil 5. Mikrosertlik Ölçümlerinin Yapılışının Şematik Gösterimi. 3. ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA TSE EN AW 5754 [AlMg3] Al-alaşımının sürtünme karıştırma kaynağı başarılı bir şekilde yapılmıştır. Düz yüzeyli uç ile yapılan kaynak işleminde kaynak dikişi boyunca tünel şeklinde bir porozite oluşmuştur, Şekil 6a. Bunun sebebi, düz uçla yapılan kaynak işleminde çamur kıvamına gelen malzemenin dikey yönde batıcı uç omzuna doğru hareket etmesi ve omuz altında levhaların yüzeyine sürülmesi sonucu kaynak dikişi bölgesindeki malzeme hacmindeki azalmadır. Düz batıcı uç ile elde edilen birleştirmede karşılaşılan diğer bir 69

27 kaynak hatası da kaynak dikişinin taban kısmında düşük devir hızı dolayısıyla yeterli hidrostatik basınç elde edilemediğinden karıştırılmamış bölgenin bulunmasıdır, Şekil 7a. Diğer bir deyişle bu bölgede kaynak dikişi boyunca soğuk birleşme olmuştur. Sürtünme karıştırma kaynak yönteminde batıcı uç kaynak yapılacak levhaların tabanına kadar batınlmamaktadır. Karıştırılan malzeme hidrostatik basınç ile taban bölgede sıkıştırılarak bu bölgede birleştirme elde edilmektedir. Kaynak parametrelerinin uygun olmaması durumunda sürtünme karıştırma kaynaklı birleştirmelerde bu tür kaynak hatalanna rastlanmaktadır [1]. Diğer taraftan, vida dişli uç ile yapılan birleştirmede kaynak dikişinin içerisinde düz uç ile yapılan birleştirmedeki gibi poroziteye rastlanmamıştır, Şekil 6b. Yüzeyinde diş açılmış uç kullanıldığında çamur kıvamına getirilen malzeme vida dişleri sayesinde yüzeyden aşağıya doğru hareket ettirilmektedir. Bunun sonucu kaynak bölgesinde düz uç ile yapılan birleştirmenin aksine malzeme hacminde bir azalma meydana gelmemektedir. Ancak, kaynak dikişinin taban kısmında düz uç ile yapılan birleştirmede olduğu gibi düşük devir hızı dolayısıyla yeterli hidrostatik basınç elde edilememesinden dolayı soğuk birleşme oluşmuştur, Şekil 7b. Bu çalışmada, kullanılan torna tezgahının devir hızı maksimum 2500 dev/dak olmasından dolayı daha yüksek devir hızlarında kaynak işlemi gerçekleştirilememiştir. Ancak devir hızı kapasitesi daha yüksek kaynak sistemleri kullanılarak bu hatanın da ortadan kaldırılması mümkün olacaktır. Şekil 6. Kaynak Bölgelerinin Görünümü, a) Düz Uç ile ve b) Vida Dişli Uç İle Yapılan Kaynak. 70 Şekil 7. Kaynak Bölgelerinin Detay Görüntüsü, a) Düz Uç ile ve b) Vida Dişli Uç ile Yapılan Kaynak.

28 Metalografi numuneleri üzerinde mikrosertlik ölçümleri yapılarak elde edilen kaynakların sertlik profilleri çıkarılmıştır, Şekil 8. Her iki durumda da (düz ve vida dişli uç) kaynak dikişi bölgesinde yaklaşık HV lik bir sertlik düşüşü gözlenmiştir. Bu durum, Al-alaşımlannın kaynaklarında sıkça rastlanan bir durumdur [5-7]. Kullanılan Al-levha soğuk haddelenmiş, dolayısıyla yüksek sertliğe sahiptir. Kaynak işlemi esnasında ise malzeme hamurumsu hale gelene kadar ısındığından kaynak bölgesinde soğuk şekil verme sertleşmesine uğramış yapı tavlanmakta, bu durum da sertlik kaybına neden olmaktadır. Farklı uç geometrisine sahip kaynak numunelerinde elde edilen sertlik profilleri arasında belirgin bir fark gözlenmemiştir (Şekil 8) Kaynak Merkezine Olan Mesafe, mm Şekil 8. İki Farklı Uç ile Elde Edilen Kaynakların Sertlik Profilleri. Elde edilen kaynakların çekme deneyindeki performanslarını belirlemek amacıyla, baz malzemeden 4, düz uç ile kaynak yapılmış levhalardan 3 ve vidalı uç ile kaynak yapılmış levhalardan 5 standart çekme numunesi çıkanlmış ve oda sıcaklığında çekme deneyine tabi tutulmuştur. Baz malzemeden çıkarılan numunelerde kınlma numunenin bağlama çenelerine yakın yerlerinde gerçekleşirken, düz uç kaynaklı numunelerde kaynak dikişinde ve vida uç kaynaklı numunelerde ısının tesiri altında kalan bölgede (ITAB) gerçekleşmiştir (Şekil 9). Birleşme vii/cvi Şekil 9. Çekme Deneyi Sonuçları: a) Baz Malzeme, b) Düz Uç ve c) Vida Dişli Uç ile Kaynak Edilmiş Numune. 71

29 Sertlik profillerinden görüleceği üzere (Şekil 8) kaynaklı numunelerde, kaynak bölgesinde sertlik (mukavemet) kaybı söz konusudur. Bu durum, mukavemet açısından kaynak bölgesinin çekme deneyinde en zayıf bölge olmasına neden olduğu için kırılmanın bu bölgede olması doğaldır. Düz uç kaynaklı numunelerde kırılmanın kaynak dikişinde olmasının nedeni ise bu bölgede tünel şeklinde poroziteden kaynaklanmaktadır (Şekil 9b). Bu durum vida dişli uç kullanılarak elde edilen numunelerde söz konusu değildir. Diğer bir deyişle, bu numunelerde kırılma kaynak dikişi içerisinde değil ITAB' da gerçekleşmiştir (Şekil 9c). Çekme deneyi: Baz malzemeden çıkarılan numunelerin çekme deneyi sonuçları Çizelge l'de ve kaynaklı numunelerin çekme deneyi sonuçları ve kaynak performansları Çizelge 2' de verilmiştir. Çizelge 2 'de görüleceği üzere, vida dişli uç ile kaynak edilen numunelerde daha yüksek mukavemet değerleri elde edilmiştir (ortalama değer=23.5 kg/mm 2 ). Benzer şekilde, % uzama değerleri de düz uç ile yapılan kaynaklarda (% 1.5), vida dişli uc ile elde edilenlere (~ % 5.8) oranla belirgin bir şekilde düşüktür. Düz uç ile elde edilen numunelerde kaynak dikişi içerisinde tünel şeklinde porozite bulunması bu düşük çekme mukavemeti ve % uzama değerlerinin nedenidir. Deney sonuçları incelendiğinde, vida dişli uç ile kaynak edilen numunelerde kaynak performansı (hem mukavemet açısından hem de şekil değiştirme kabiliyeti açısından) düz uç ile elde edilen birleştirmeden oldukça yüksektir. Düz uç kullanılması durumunda kaynağın mukavemet performansı ~ % 36.7, vida dişli uç kullanıldığında ise ~ % 76.6' dır. Daha yüksek devirli kaynak sistemleri ve daha yüksek ilerleme hızları kullanarak, hem soğuk birleşme sorunu ortadan kaldırılabilir hem de kaynak bölgesinde daha ince taneli bir içyapı elde ederek kaynak performansı daha da artırılabilir. Elde edilen kaynâklann % uzama performanslarına bakıldığında, düz uç kullanılması durumunda çok düşük değerler elde edilmektedir (~ % 18). Vida dişli uç kullanıldığında ise oldukça yüksek değerlere ulaşılabilmektedir (~ % 70). Al-alaşımlannda genellikle kaynak bölgesinde mukavemet kaybı olduğundan, Al-alaşımı kaynâklann gerek mukavemet performansı gerekse şekil değiştirme performansı düşük olmaktadır [1-7]. Özellikle yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlannda bu durum daha da belirgindir, bilhassa şekil değiştirme performansı oldukça düşüktür. Bunun nedeni çok daha düşük mukavemete sahip kaynak bölgesi özellikle lazer veya elektron huzmesi kaynaklarında çekme testine tabi tutulan numune boyunun çok küçük miktarını oluşturmaktadır. Diğer bir deyişle, çekme deneyi esnasında şekil değişikliği çok dar bir bölgede gerçekleşmektedir. Bu çalışmada kullanılan soğuk haddelenmiş ısıl işleme duyarsız Al-alaşımı levhada kaynak bölgesindeki sertlik (mukavemet) düşüşü oldukça düşük oranlarda olduğu için yüksek kaynak performanslan elde etmek mümkündür. Çizelge 1. Baz Malzeme Numunelerinin Çekme Deneyi Sonuçları Numune No Ortalama Çekme Dayanımı (kg/mm 2 ) % Uzama

30 Çizelge 2. Kaynaklı Numunelerin Çekme Deneyi Sonuçları ve Kaynak Performansları Numune Çekme dayanımı (kg/mm 2 ) Düz uç ile kaynak edilmiş numuneler Ortalama Vida uç ile kaynak edilmiş numuneler Ortalama % Uzama Mukavemet performansı (%)* Uzama Performansı (%)* * Performans değerleri baz malzemeden elde edilen ortalama değerlere bölünerek hesaplanmıştır. Bükme deneyi: Kaynak dikişinin üst kısmı içe gelecek şekilde yapılan bükmelerde, her iki uç ile yapılmış kaynaklı numunelerde kaynak dikişinin taban kısımlarında (Şekil 10) kaynak dikişi boyunca yaklaşık 0,1 mm genişliğinde açılma gözlenmiştir. Bu açılmanın sebebi ise Şekil 7 'de gösterilen kaynakların tabanına yakın bölgedeki soğuk birleşmedir. Daha yüksek devir hızı kullanılarak hidrostatik basınç artırılabilir, dolayısıyla bu sorun giderilebilir. r Şekil 10. Kaynak Dikişi Üstte Olacak Şekilde Yapılan Bükme Deneyi Sonuçları: Düz Uç ile Elde Edilen Kaynak Solda ve Vida Dişli Uç ile Elde Edilen Kaynak Sağda. Kaynak dikişinin üst kısmı dışa gelecek şekilde yapılan bükme deneyinde, iki farklı sonuç elde edilmiştir. Düz uç ile yapılan kaynak numunelerinde içte porozite oluştuğundan kaynak dikişi boyunca yırtılma meydana gelmiştir, Şekil 11. Diğer taraftan, vida uç ile yapılan kaynaklı numunelerin deneyinde ise kaynak bölgelerinde herhangi bir yırtılma veya açılma gözlenmemiştir, Şekil 11. Bu bükme şartlarında taban kısımdaki soğuk birleşme bölgesi hasardan korunmuştur. 73

31 Şekilli. Kaynak Dikişi Altta Olacak Şekilde Yapılan Bükme Deneyi Sonuçları: Sağdaki Küçük Resim Test Edilen Numunelerin Yandan Görünüşü. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Farklı yüzey geometrisine sahip iki uç ile Al-alaşımı levhalar sürtünme karıştırma kaynağı yapılmıştır. Her iki uç ile yapılan denemelerde birleştirme gerçekleştirilmiştir. Düz uç ile edilen kaynaklarda, kaynak dikişi içerisinde tabana yakın kısımda tünel şeklinde porozite gözlenmiştir. Bu duruma, vida dişli uç ile yapılan kaynaklarda rastlanmamıştır. Bunun sebebi batıcı uç yüzeyinin düz olması durumunda akıcı çamur kıvamına gelen malzemenin yukarıya doğru taşınması ve batıcı uç omzu tarafından levha yüzeylerine sürülmesi, vida diş açılmış batıcı uç durumunda ise dişler tarafından akıcı hale gelen malzemenin aşağıya doğru taşınması ve kaynak bölgesinde tutulmasıdır. Batıcı uç yüzey geometrisinin farklı olduğu her iki durumda da kaynak dikişinin kaynak tabanına yakın batıcı ucun nüfuz etmediği bölgede kullanılan devir hızının düşük (2500 dev/dak) olması nedeniyle yeterli hidrostatik basınca ulaşılamaması, bu bölgede soğuk birleşme oluşmasına yol açmıştır. Her iki uçla yapılan kaynaklar benzer sertlik profilleri göstermiştir. Her iki durumda da kaynak bölgesinde yaklaşık HV 1 lik bir sertlik düşüşü gözlenmiştir. Çekme deneylerinde düz uçla kaynak yapılan numuneler kaynak dikişi içerisinden kırılmıştır. Çekme mukavemeti oldukça düşük çıkmıştır. Bunun nedeni kaynak dikişi içerisinde tabana yakın kısımda tünel şeklinde porozite olmasıdır. Vida dişli uçla kaynak yapılan numuneler çekme deneyinde ITAB bölgesinden kırılmıştır. Bu numunelerin çekme dayanımı düz uç ile elde edilen numunelerden oldukça yüksektir. Vida dişli uç ile elde edilen numunelerde kaynak dikişinde porozite oluşmadığından kaynak performansı değerleri oldukça yüksektir (mukavemet performansı %76.6 ve şekil değiştirme performansı %70). Kaynak dikişinin taban kısmı dışa gelecek şekilde yapılan bükmelerde iki uç ile yapılan kaynak numunelerinin taban kısımlarında kaynak dikişi boyunca soğuk birleşme yüzeylerinde açılma olduğu gözlenmiştir. Kaynak dikişinin taban kısmı içte olacak şekilde yapılan bükmelerde düz uçla yapılan kaynak numunesinde 74

32 Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi porozite içeren kaynak dikişi boyunca yırtılma meydana gelmiştir. Vida uç ile kaynak yapılmış numunede ise gözle görülür bir hataya rastlanmamıştır. Hatta tabandaki soğuk birleşme bölgesi bu bükme şartlarında korunmuştur. Teşekkür: Bu çalışma, M.K.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonunca (Proje No: 01 M 0701) desteklenmiştir. Yazarlar, ayrıca deneysel çalışmalarda kullanılan Al-alaşımı levhaların temin edildiği T.C. Seydişehir Alüminyum Fabrikaları'na teşekkürlerim sunarlar. KAYNAKÇA 1. [ 1 ] G. Çam: Sürtünme Karıştırma Kaynağı ve Uygulamaları, 9. Malzeme Sempozyumu Bildiriler Kitabı, 8-10 May 2002, Pamukkale University, Denizli, 2002, S G. Çam ve M. Koçak, "Joining of Advanced Materials", UNESCO-EOLSS (Encyclopedia of Life Support Systems), in print 3. H. Yavuz ve G. Çam: Yeni Bir Kaynak Teknolojisi: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Endüstri ve Otomasyon, Sayı 51, Haziran 2001, S G. Çam: Al-Alaşımları İçin Geliştirilen Yeni Kaynak Yöntemleri, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi III. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, Ekim 2001, İstanbul, S G. Çam ve M. Koçak: Progress in Joining of Advanced Materials, International Materials Reviews, 43 (1), 1998, S G. Çam ve ark. Journal of Science and Technology of Welding and Joining, 1999, 4 (5), S G. Çam ve ark. Practical Metallography, 37 (2), 2000, S D. Nicholas, TWI Bulletin 6, Nov./Dec. 1991, Vol. 32, S W.M. Thomas ve ark., "Friction Stir Butt Welding", International Patent Appl. No. PCT/GB92/ P. Dong ve ark., Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, June 1999, Thousand Oaks,ÇA,USA 11. H. Ataoğlu, Yüksek Lisans Tezi, M.K.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay,

33 Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi 1 ÖZGEÇMİŞ Ars. Gör. Halit ATAOĞLU 1970 yılında İskenderun'da doğdu yılında İskenderun Endüstri Meslek Lisesi Döküm bölümünden mezun oldu yılında İskenderun Meslek Yüksekokulu Döküm programını bitirdi yılında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi ve Döküm bölümünü bitirdi yılında İskenderun Meslek Yüksekokuluna Öğretim Görevlisi olarak atandı yılında Mustafa Kemal Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesinde yüksek lisans eğitimini tamamladı. Evli ve iki çocuk babasıdır. f Yrd. Doç. Dr. Selçuk MISTIKOĞLU 1962 yılında Eskişehir'de doğdu. Lisans eğitimini Anadolu Üniversitesi Müh.Mim.FakültesİRde Makine Mühendisliği bölümünde 1983 yılında tamamladı. Yüksek lisans ve doktora eğitimini 1995 yılında Çukurova Üniversitesinde tamamlayarak Dr. Makine Yüksek Mühendisi unvanını aldı yılında İskenderun Meslek Yüksek Okuluna öğretim görevlisi kadrosuna atandı. Aynı okulda 1990 yılında müdür yardımcısı, 1992 yılında ise müdür oldu. Hala bu görevi sürdürmektedir yılında Mustafa Kemal Üniversitesi Mühendislik Mimarlık, Fakültesi mekanik ana bilim dalına öğretim üyesi olarak atandı, Aynı bölümde mekanik anabilim başkanlığı f yapmakta olup, CNC, CAD, CAM konularında 1986, 1989 yıllarında İngilterede eğitim aldı. 1992,1994,1995,1999,2002 yıllarında profesyonel yönetici çalışmalarına İngiltere, Danimarka, İskoçya, ABD, Güney Korede katıldı. MEB/YÖK Meslek Yüksekokulları Program Geliştirme Projesinde Yönetim Kurulu üyeliği ve 16. Milli Eğitim Şurası üyeliği yapan Dr. Mıstıkoğlu'nun 3 kitap, 4 makalesi, 13 bildirisi bulunmakta olup evli 2 çocuk babasıdır. Gürel ÇAM 1984'te İTÜ'den Metalürji Mühendisi olarak mezun oldu. Mayıs 1990'da İmperial College Malzeme, Milli Eğitim Bakanlığı bursu ile doktorasını tamamladı. 1994'e kadar Yard. Doç. Dr. Olarak görev yaptı. Ekim 1994'te Malzeme Bilimi dalında doçent oldu tarihleri arasında Almanya'nın Hamburg kenti yakınlarında GKSS Araştırma Merkezinde uzman araştırmacı olarak çalıştı. Ocak 2000'de Mustafa Kemal Üniversitesine Profesör olarak atandı. Halen aynı üniversitede görev yapmakta olup, 50'nin üzerinde bilimsel yayını vardır. ' ' 76

34 SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI ile ALÜMİNYUM ALAŞIMI LEVHALARININ BİRLEŞTİRİLMESİ ve ELDE EDİLEN KAYNAKLI BAĞLANTILARIN ÖZELLİKLERİ Mustafa Kemal KÜLEKCİ * Aydın ŞIK ** * Mersin Üniversitesi, Tarsus Teknik Eğitim Fakültesi, Makina Eğitimi Bölümü, Tarsus - MERSİN e-posta:mkkulekci@mersin. edu. tr ** Gazi Üniversitesi, Endüstriyel Sanat/ar Eğitim Fakültesi, Endüstriyel Teknoloji Eğitimi Bölümü, ANKARA e-posta:aydins@gazi. edu. tr ABSTRACT in this article TS-EN AW-2014 (AlCu 4 SiMg) Aluminium alloy plates welded using a newly developed solid state welding procedure, friction stir welding (FSW). FSW Joining of Aluminium plates done on a 1980 model semi-automatic milling machine. Standard specimens machined from welded plates for experimental studies. Brinell hardness profile and tensile tests of the joints experimentally assessed. FSW welds also compared with other alternative welding techniques for productivity. Results of experimental studies show that the FSW joints has better mechanical properties and advantages then alternative welding techniques. The results of tensile and Brinell hardness tests are used to evaluate the behaviour of welded joints. Low heat input and the absence of melting resulted in excellent mechanical properties, low distortion and better productivity for FSW joints. As it is a solid phase process, FSW permits joining of materials that can not be welded with conventional fusion welding processes. ÖZET Bu çalışmada, TS-EN AW-2014 (AlCu 4 SiMg) Alüminyum levhalar kullanılarak yeni geliştirilmiş bir katı hal birleştirme yöntemi olan sürtünme karıştırma (SKK) kaynak işlemi incelenmiştir. Sürtünme karıştırma kaynaklan 1980 model yan otomatik freze tezgahında gerçekleştirilmiştir. Kaynak edilen levhalardan test edilmek amacıyla deney numuneleri alınarak çekme ve sertlik ölçümleri yapılmıştır. Sürtünme kanştırma kaynağı ile elde edilen kaynaklann mekanik özellikleri diğer kaynak yöntemleriyle karşılaştınlmıştır. Yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde sürtünme kanştırma kaynağının diğer yöntemlere göre oldukça iyi sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. 1. GİRİŞ Günümüzde ülkeler malzeme bilimi ve malzeme işleme teknolojisi üzerinde oldukça büyük araştırmalar yapmakta ve bu alanda kullanılmak üzere kaynak yaratmaktadırlar (Çam, 2001). Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) bu 77

35 araştırmalar sonucunda geliştirilmiş, Amerika ve bazı Avrupa ülkelerinde henüz kullanılmaya başlanılmış olan ileri bir kaynaklı imalat yöntemidir (Külekci, 2003). Söz konusu yöntem, geleneksel ergitme kaynağına alternatif olarak geliştirilmiş oldukça ekonomik katı hal kaynak yöntemidir. Bu yöntemde koruyucu gaz, ilave kaynak metali ve kaynak edilecek parçalarda kaynak ağzı hazırlamaya gerek duyulmamaktadır. Sürtünme kanştırma kaynağı ile yapılan kaynaklarda elde edilen kaynak kalitesi tekrarlanabilmektedir (Külekci, 2003). Kaynağı yapan personeli olumsuz etkileyecek zararlı gazlar ve ışınlar söz konusu değildir. Yöntemin en önemli uygulama alanı Alüminyum ve Alüminyum alaşımlarının kaynaklı birleştirilmesi uygulamalarıdır (Tomas, 1999). Bilindiği üzere Alüminyum alaşımlarının oldukça hafif olmasına karşılık, mukavemet özeliklerinin oldukça yüksek olması nedeniyle günümüzde savunma sanayii, otomotiv, demiryolu vagonları imalatı, uçak sanayii ve makine imalat sanayisinde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu alaşımlarda karşılaşılan en önemli problem, alaşımların kaynaklı birleştirmelerinden karşılaşılan sorunlardır (Sohonida, 1995). Bu malzemelerin geleneksel kaynak yöntemleriyle kaynaklı birleştirilmeleri oldukça zor olmakla beraber elde edilen mekaniksel özelikler istenilen değerlerden uzaktır (Thomas, 1999; Andrews, 1990). Sıvı hal kaynak yöntemleri ile Al- alaşımlarının kaynağında yüksek miktarda çatlak ve gözenek (porozite) oluşumu söz konusudur. Al-alaşımlannda meydana gelen çatlak oluşumunun nedeni, bu alaşımların katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olmasıdır (Searle, 1971). Bir katı hal kaynağı olan sürtünme karıştırma kaynağında ise bu olumsuzluklar önemli ölçüde giderilebilmektedir. Şekil l'de yöntemin uygulanış şekli şematik olarak verilmiştir. Şekil 2'de ise sürtünme ve karıştırma kaynak işleminde kullanılmakta olan sürtünme aparatlarının değişik tasarımları verilmiştir. Sürtünme aparatlarının kaynak işlemi esnasında metal içerisinde kalan uç kısımları daha iyi bir kanştırma işlemi sağlayacak tarzda şekillendirilmektedirler. Aparatın kaynak esnasında metal içerisinde kalan uç kısmının 1 boyu (Şekil 2), tek taraflı alın birleştirme uygulamalannda yaklaşık olarak kaynak edilen levhalann kalınlıklan kadardır. İki taraflı yapılan alın birleştirmelerde ise malzeme kalınlığının yansı kadardır (Külekci, 2003). Sürtünme iş parçası a. Isıdan etkilenmeyen bölge b. Isı tesiri altındaki bölge c. Termo-mekanik etki altındaki bölge d. Kaynak merkezi Vidalı uç Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağı ve Kaynak Mikro Yapısı(Mahoney, 1997; Edward, 1999) 78

36 Ayrıca bakır-bakır alaşımları, kurşun, titanyum-titanyum alaşımları, magnezyum- magnezyum alaşımları, metal matrisli alüminyum kompozitlerde de bu yöntem uygulanmaktadır ( 2003; ). Şekil l'de görüldüğü gibi yöntem geleneksel bir freze tezgahında rahatlıkla uygulanabilmektedir. Yapılan bu çalışmada yukarıda detayları açıklanan tarzda, Alüminyum alaşımı levhalar kaynak edilerek mekanik özellikleri test edilmiştir. Sürtünme karıştırma kaynağı işlemi, Alüminyum alaşımlarının kaynağında kullanılan bir yöntem olan (MIG) kaynak yöntemi ile mekanik özellikler birim zamanda kaynak dikiş miktarı (verim), maliyet açısından karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Burada yapılan kıyaslamada amaç: imalat sanayiinde yaygın olarak kullanılan MIG kaynak yönteminin yerine SKK yönteminin kullanılmasını önermek değildir. Metal esaslı bir çok malzemeye uygulanabilen ancak çoğunlukla Alüminyum alaşımlarının kaynağında oldukça üstün mekaniksel özellikler sağlayan SKK nın sağlamış olduğu avantajları belirlemektir. Şekil 2. Kaynakta Oluşan Bölgeler (Dawes, 1999; Mitchell, 2003; Bu kaynak yönteminde kaynak bölgesi dört farklı bölgeden oluşmaktadır(kaluç, 1998; Smith, 20001); A:Kaynak işlemlerinden etkilenmeyen bölgedir. Esas metal olup hadde yapısındadır. B: Artık kaynak gerilmeleri ve ısı değişimleri gibi etkilerle özelliklerin değişebileceği bir bölgedir. Yaşlanmış veya mekanik yaşlandırılmış alaşımlarda bu bölge sert değildir. CrPlastik deformasyon gözlenir. Termomekanik olarak etkilenme söz konusudur. Bu etkileşimde yeniden kritalizasyona neden olmaktadır. D:Kaynak metalidir. Kaynak metalinin mikroyapısında da alaşım türü, ısıl işlem, tane boyutu ile beraber bir değişim olabilmektedir. Kaynak metalinin boyutları nüfuziyete etki eder. Adım ve açıda kademeli İki taraflı kanal Üç yönlü kanal Çapta değişim Şekil 3. Kaynak İşlemlerinde Kullanılan Sürtünme Karıştırma Aparatları (Külekci, 2003) 79

37 Kül alın birleştirme Birleştirilmiş ek ve bindirme birleştirme Bindirme birleştirme çoklu bindirme İki pasolu T-köşe birleştirme Tek pasolu T-köşe birleştirme iç köşe birleştirme Şekil 4. Sürtünme Karıştırma Kaynağı İle Yapılan Kaynak Pozisyonları (Kaluç, 1998; Dawes, 1999) Şekil 4'te SSK yöntemi ile birleştirme türleri; küt alın, bindirme, T-köşe, dış ve iç köşe, boyuna ve çevresel birleştirmelerdir. Aynca bu yöntem de yerçekiminin etkisi olmadığından tüm pozisyonlarda rahatlıkla uygulanabilir (Kaluç, 1998). dön ü$ yönü vidalı uç hareketi ile ısının oluşumu yan görünüş ön görünüş vidalı uç ilerleme yönü Şekil 5. Sürtünme Karıştırma Kaynak Yöntemi (Kaluç, 1998; Lee, 1999) Kaynak edilecek parçalar öncelikle sabit bir yüzey üzerine yerleştirilir (Şekil 5). Pim (vidalı uç), malzemelere temas ettiğinde sürtünme kaynağındaki duruma benzer bir durum oluşarak temas noktasında ısı, sürtünmenin de etkisiyle hızla artar ve malzemelerin plastik değişimine neden olur. Bu değişim malzemelerin akışını sağlar ve birleşme olayı gerçekleşir (Kaluç, 1998; Dawes, 1999). 80

38 2. KULLANIM ALANLARI 2.1 Otomotiv Endüstrisi Otomotiv sektöründe alüminyum kullanımının hızla artması yakıt ve ağırlık tasarrufunda daha etkili araçların üretilmesine yol açmıştır. Süspansiyon kollan gibi küçük çaptaki parçalar bu yöntem ile Japonya'da üretilmektedir. Bunun yanı sıra Norveç'te tekerlek jantlarının bu yöntem kullanılarak yapımı da gerçekleşmektedir (Johnson, 1999). 2.2 tnşaat Endüstrisi Alüminyum köprüler, alüminyum kurşun veya titanyumdan yapılmış ön cephe panelleri, cam çerçeveleri, alüminyum nakil borulan, güç fabrikalan kimya endüstrisi için alüminyum reaktörler, sıcaklık değişimleri ve hava şartlandıncılan, boru üretimi. 2.3 Elektrik Endüstrisi Elektrik motorları, motor dağıtma çubuklan, elektrik kondüktörleri. 2.4 Gemi İnşasında ve Deniz Endüstrisi Ticari ı Bu yöntem aşağıdaki uygulamalar için uygundur (Kaile, 1998). Güverte, kenar, bölme ve döşeme panelleri, alüminyum ekstrüksiyonlan, tekne elemanlan, helikopter platformu, iç kısımdaki yetecek yatacak yerler, deniz üssü yapılar, gemi direkleri, soğuk hava tesisleri. 2.5 Havacılık Endüstrisi Kanatlar, uçaklar gövdeleri, kuyruk takımı, taşıtlar için yakıt tanklannı soğutma ünitesi, uçuş yakıt tanklan, askeri uçaklar için dıştaki atım tankları, askeri ve araştırma roketleri, hatalı MIG kaynaklannm tamiri. 2.6 Demiryolu Endüstrisi Yüksek hızlı trenler, tren yolunun mevcut yokuşlu yerleri, pis altyapı, tramvaylar, demiryolu tankerleri ve vagonlar, konteyner gruplan. 2.7 Diğer Uygulama Alanları Buz dolabı panelleri, pişirme ekipmanlan ve mutfaklar, beyaz eşyalar, gaz tanklan ve gaz merdivenleri, motor ve şasi kızakları, hidroform olan tüplerin bağlanan parçalan, kamyon gövdesi, mobil vinçler, zırhlı taşıtlar, yakıt tanklan, karavanlar, otobüs ve hava taşımacılığı taşıtlan, motosiklet ve bisiklet yapıları, asansörler, alüminyum arabalann tamiri, magnezyum ve magnezyum/alüminyum eklemleri. 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Sürtünme kanştırma kaynaklan yan otomatik bir freze yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ticari TS-EN AW-2014 (AlCu 4 SiMg) alüminyum alaşımı malzemeler kullanılmıştır. Kaynaklan yapılacak olan iş parçalan 81

39 200xl25xl0mm boyutlarında hazırlanmıştır. Çalışmada gerçekleştirilen mekanik testlerde kullanılan deney numunelerinin boyutlandınlmasmda, EN standardında belirtilen boyutlar kullanılmıştır. Brinell sertlik değerleri kaynak yüzeyinde kaynak dikiş yönüne dik bir hat boyunca ölçülerek grafiklerde verilmiştir. Alüminyum alaşımı malzemeye kaynak işlemi öncesinde herhangi bir oksit giderme işlemi yapılmamıştır. Kaynak için hazırlanan levhalara kaynak ağzı açılmamıştır. Sürtünme kaynağına tabi tutulacak levhalar kaynaklanacak kenarları temas edecek tarzda freze tezgahı tablasına bağlama pabuçları yardımıyla bağlanmıştır. HSS malzemeden özel olarak torna edilmiş 20 mm anma çaplı sürtünme aparatı frezenin düşey miline monte edilerek, sürtünme karıştırma kaynağı Alüminyum alaşımı levhalara başarıyla uygulanmıştır. Kaynaklar X kaynak formunda birleştirilecek levhaların her iki tarafına uygulanmıştır. Sürtünme aparatına 50/450 dev/dak arasında dönme hareketi verilerek kaynak işlemleri farklı devir sayılarında yapılmıştır. Dönme hareketi ile birlikte sürtünme aparatının faturalı yüzeyi parça ile temas haline gelinceye kadar, düşey yönde gerekli ilerleme sağlanmıştır. Yapılan kaynaklar görüntü ve yüzey pürüzlülüğü yönünden değerlendirildiğinde geleneksel MIG kaynaklarına nazaran oldukça üstün oldukları görülmüştür. 4. BULGULAR ve TARTIŞMA Esas metal, sürtünme karıştırma kaynağı ve MIG geleneksel kaynak yöntemi ile kaynak edilen levhalardan çekme ve sertlik profili ölçümleri için deney numuneleri 2. Bölümde verilen standartlara uygun geometri ve ölçülerde işlenerek hazırlanmıştır. Yapılan deneyler esas metal, SKK ve MIG ile yapılan birleştirmelere " ayrı ayrı uygulanmıştır. Çekme deneyi esas metal, SKK ve MIG ile birleştirilen levhalardan alınan dörder adet deney numunesine uygulanmıştır. Yapılan çekme deneylerinde sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilen numunelerin dayanımları, Şekil 6'da görüldüğü gibi esas metalin çekme dayanımına yakın değerlerde çıkmıştır. MIG kaynağı ile birleştirilen numunelerin çekme dayanımları ise, şekilden de görüldüğü gibi esas metalin çekme değerinin yansı düzeyindedir. Çekme deneyine tabii tutulan deney numunelerinde ölçülen % uzama değerleri Şekil 7'de verilmiştir. % uzama değerleri esas metal SKK ve MIG numuneleri için sırasıyla %16, %14, %4 olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar değerlendirildiğinde: katı bir birleştirme yöntemi olması nedeniyle SKK'da kaynak bölgesindeki yapı esas metalin yapısına yakın özellikte olduğu anlaşılmaktadır. MIG kaynak yöntemi ile birleştirilen numunede ise kaynak bölge gözenekli bir yapı niteliğindedir. MIG kaynağı ile birleştirilen Alüminyum alaşımlarının kaynak bölgesindeki yapılarının gözenekli ve mekanik özelliklerinin düşük olması nedeniyle: kuvvet taşıyan veya darbeli yükleri taşımak durumunda olan birleştirmelerde kullanımı sınırlıdır (Külekci, 2003; Çam, 2001). Bu gibi durumlarda kaynaklı birleştirmeler yerine perçinli veya civatalı birleştirmeler tercih edilmekte idi (Thomas, 1999; Sohonida, 1995). Henüz geliştirilmesi amacıyla araştırmaların yapılmakta olduğu SKK ile yapılan uygulamalardan elde edilen sonuçlar, statik veya dinamik yük taşıyan Alüminyum alaşımı birleştirmelerde SKK'nın MIG'e göre oldukça iyi sonuçlar verdiğini göstermektedir (Thomas, 1999; Andrews, 1990). Çekme deneyinden alınan çekme dayanımı ve % uzama değerleri değerlendirildiğinde, SKK'nın MIG'e nazaran oldukça iyi mekanik özellikler sağladığı görülmektedir. Şekil 7'de her bir malzeme gurubu için verilen % uzama değerleri, çekme deneyinde kullanılan dörder adet deney numunesinden ölçülen ortalama % uzama değerleridir. Şekilden açıkça görüldüğü gibi, sürtünme karıştırma kaynağı ve esas metal % uzama değerleri birbirine yakın değerlerde çıkarken, MIG kaynağında ölçülen % uzama değeri esas metalin %25'i kadar olmuştur. J jf i v 82

40 Yapılan deney sayısı Şekil 6. Esas Metal, SKK ve MIG Kaynağı Çekme Deneyi Sonuçları BEsas metal gsürt. Kars. Kayn Şekil 7. Çekme Deneyinde Ölçülen % Uzama Değerleri Kaynak bölgesine ait sertlik profillerini değerlendirmek amacıyla sertlik ölçümü yapılmıştır. Sertlik ölçümleri Brinell sertlik değeri birimi olarak Şekil 8'de verilmiştir. Esas metalin Brinell sertlik değeri 50 HB olarak ölçülmüştür. SKK ve MIG kaynak bölgelerinin her ikisinde de minimum sertlik değeri 40 HB olarak ölçülmüştür. Şekil 8'de kaynak yüzeyinde, kaynak dikişlerine dik yönde ölçülen sertlik profilleri verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi sürtünme karıştırma kaynağındaki sertlik düşüşünün meydana geldiği bölge, MIG kaynak yönteminde ölçülen sertlik düşüş bölgesinden daha küçüktür. Bu durum SKK ile yapılan kaynak işleminde kaynak sıcaklığının MIG'e göre daha az olması ile açıklanabilir. SKK ile yapılan kaynak işleminde ısı tesiri altında kalan bölgenin 83

41 Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi (ITAB) MIG'e nazaran daha küçük olduğu Şekil 8'de görülmektedir. ITAB bölgesinin, kaynak ilerleme yönüne dik kesitteki boyutunun, SKK da kullanılmış olan sürtünme aparatı çapına bağlı olduğu görülmüştür. Şekil 8 incelendiğinde ITAB in kaynak dikişine dik yöndeki kesit boyutunun kaynak merkezinden itibaren ± 20 mm (toplam 40mm) olduğu görülmektedir. MIG kaynağı ile gerçekleştirilen birleştirmelerde ise söz konusu ITAB uzunluğu ± 80 mm (toplam 160mm) olarak ölçülmüştür. ITAB bölgesinin büyüklüğü kaynak bölgesindeki yapı dönüşümlerinin meydana geldiği bölgeyi belirlemektedir. Bu yapı dönüşümleri ise malzemenin mekanik özelliklerini çoğunlukla olumsuz yönde etkilemektedir (Thomas, 1999; Andrews, 1990). SKK da kullanılan sürtünme aparatının anma çapının küçültülmesi, bu yöntemde ITAB nin boyutunu düşürecektir. Bu nedenle sürtünme aparatı boyutunun iyi seçilmesi elde edilecek mekanik özellikleri daha da geliştirebilecektir. Literatürde bu alanda yapılan çalışmaların bir kısmı da sürtünme aparatının boyutları ve geometrisi üzerinedir. SKK kaynak yönteminin uygulanış tarzı anlatılırken belirtildiği gibi, bu yöntemle birleştirilecek levha kalınlığı değiştikçe, sürtünme aparatı boyutu da değişmektedir. Tek taraflı alın kaynaklannda aparatın malzeme içerisinde kalan uç kısmın uzunluğu (h), kaynak edilecek levhalann kalınlığına yakındır (h 01 ). Çift taraflı alın kaynaklannda ise uç kısmın uzunluğu (h), malzeme kalınlığının (t) yaklaşık yansı kadar alınmaktadır (Searle, 1971). Malzeme kalınlığına göre aparatın h değerinin değişmesi gerekmektedir. Sürtünme aparatı üzerinde yapılan çalışmalarda uç kısmının h değerinin aynı aparat üzerinde uç profilinin içeri ve dışan doğru hareketi ile sağlayan takımlar geliştirilmektedir (Mahoney, 1997). i ısıdan etaiertms bölge Sertlik ölçümleri m 30. X ölçümarakldan (mmi SSK MAO 30 Şekil 8. Sürtünme Karıştırma Kaynağı ve MIG Kaynağı Sertlik Profilleri (SKK: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, MAG: Metal Aktif Gaz Kaynağı). 5. SONUÇ Yapılan çalışma ve deneylerden elde edilen sonuçlar aşağıdaki gibi sıralanabilir. Geleneksel kaynak yöntemiyle Alüminyum ve Alüminyum alaşımlannın kaynağında elde edilen kaynak kalitesi ve mekanik özellikler oldukça düşük düzeydedir. Sürtünme kanştırma kaynağı ile Alüminyum ve Alüminyum alaşımlan başanyla kaynak edilebilmektedir. 84

42 Elde edilen kaynak kalitesi oldukça yüksektir. Kaynak dikişlerinin mekanik özellikleri esas metale yakın değerler düzeyindedir. Geleneksel yöntemde kaynak öncesinde kaynak ağzı açma ve yüzeylerdeki oksit tabakasının giderilmesi gerekmektedir. Ayrıca kaynaklanan malzeme özelliklerine uygun dolgu kaynak teli ile kaynak bölgesinin havanın olumsuz etkilerinden korumak için koruyucu gaz kullanımı gerekmektedir. Sürtünme ve kanştırma kaynağında ise dolgu metali ve koruyucu gaz kullanımına gerek duyulmamaktadır. Bu nedenle sürtünme ve kanştırma kaynağı hem daha ekonomik hem de kaynak işlemi esnasında kaynak personelinin sağlığını olumsuz etkileyecek zararlı gazlar ve ışın riski yoktur. Geleneksel yöntemde kaynağın kalifiye elemanlarca yapılması gerekirken, sürtünme karıştırma kaynağını uygulayacak elemanlara yöntemin uygulama esasları kısa sürede öğretilebilmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı takım tezgahı teknolojisine dayalıdır. Yöntem freze tezgahlannda başanyla yapılabilmektedir. Endüstriyel uygulamalar için işlem otomatik veya otomasyon için geliştirilebilir. Sürtünme kanştırma kaynak yöntemi, bir katı hal kaynak yöntemi olduğundan kaynak işlemi, kaynaklanacak malzemenin ergime sıcaklığının altında gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle ergitme kaynak tekniklerinde karşılaşılan alaşım segregasyonu, gözenek, çatlak, distorsiyon ve sıçrantı gibi problemler söz konusu değildir. Sürtünme kanştırma kaynağında ısı tesiri altındaki bölge (ITAB), geleneksel yönteme nazaran daha küçüktür. ITAB bölgesi sürtünme aparatının uygun geometrik boyutlandınlması ile küçültülebilmektedir. Sertlik ölçümleri kaynak merkezinde kaynak bölgesi sertliğinin esas metalden düşük düzeyde olduğunu göstermektedir. Sürtünme ve kanştırma kaynağında karşılaşılan sorunlar ise; kaynağın başladığı yer ile kaynağın bitirildiği kısımlarda (sürtünme aparatının kaynağa giriş ve çıkış kısımlan) boşluk olması. Bu boşluk sürtünme aparatının çapının küçük seçilerek azaltılsa da tamamen ortadan kaldınlamamaktadır. Farklı kalınlıklardaki malzemelerin kaynağında sürtünme aparatının uzunluğunun ayarlanması gerekmektedir. Ergime sıcaklığı yüksek olan malzemelerin bu yöntem ile kaynaklanabilmesi için, sürtünme aparatı için uygun tasanm ve malzeme seçimi gerekmektedir. Bu nedenle yöntem günümüzde ergime derecesi düşük olan metal ve alaşımlan için kullanılmaktadır. Sürtünme kanştırma kaynağında, kaynak edilecek parçalann tezgah tablasına rijid bir şekilde bağlanması gerekmektedir. KAYNAKÇA 1. Andrevvs, R.E.- Mitchel, J.S, Undenvater Repair by Friction Stir Welding, Metals and Materials, 27, , Çam, G., Al-Alaşımlan için Geliştirilen Yeni Kaynak Yöntemleri, Kaynak Teknolojileri İÜ. Ulusal Kongresi, İstanbul, ,

43 3. Dawes, C.J., 1999, Friction Stir Welding, The Welding Institute, Abington Hail, Cambridge Adapte For TALAT by Roy Woodward, Birmingham and Christian Leroy, EAA 4. Edvvard, A.M., 1999, Friction Stir Welding, FASM Naval Research Laboratory, Washington, D.C Johnson, R. And Kale, S., 1999, Friction Stir Welding, Materials World, Vol. 7 no. 12 pp Kaile, S., Nicholas, D., 1998, Causing A Stir in the füture, Welding&Joining, February, p Kaluç, E., Bozduman, B., 1998, Sürtünen Eleman İle Birleştirme Kaynak Yöntemi, Makina Magazin, Sayı: Külekci, M.K., Mechanical Properties of Friction Stir Welded Joints of AlCu4SiMg Aluminium Alloy", Metallic Materials - Kovove Materialy, 41/2,20-28, Lee, J.A., Carter, R.W. and DÎNG, J., 1999, Friction Stir Welding for Aluminum Metal Matrix Composites (MMC's) (MSFC Center Director's Discretionary Fund Final Report, Project No:98 NASA, ALABAMA 12. Mahoney, M.W, "Science Friction", Welding & Joining, January / February, pp.7-12, Mitchell, J.E., Cook, G.E. and Strauss, A.M., 2003, Experimantal Thermo-mechanics of Friction Stir Welding, Vanderbilt University 14. Searle, J, Friction Welding Non-circular Components Using Orbital Motion, Welding & Metal Fabrication, 39, , Smith, S., Nikiforakis, N., 2001, Computational Modelling of Friction Stir Welding, University of Cambridge, Engineering and Physical Sciences Research Council, 16. Sohonida, T.- Kondoh, Y, Friction Stir Welding of Aluminium Plate, Journal of the JFWA, 2, , t 17. Thomas, W.M.- Andrews, R.E, High Performance Tools For Friction Stir Welding, International Patent Application, WO 99/ Tomas, W.M.- Threadgil, P.L.- Nicholas, E.D, The Feasibility of Friction Stir Welding Steel, Science and Technology of Welding and Joining, 4, , i 86

44 ÖZGEÇMİŞ Yrd. Doç.Dr. Mustafa Kemal KÜLEKÇt 1968 yılında Kahramanmaraş'ın Elbistan ilçesinde doğdu yılında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümünü bitirdi yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans. eğitimini tamamladı yıllan arasında Milli Eğitim Bakanlığına bağlı Meslek Liselerinde yönetici ve öğretmen olarak çalıştı yıllan arasında Abant İzzet Baysal Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi bölümünde öğretim üyesi olarak görev yaptı. Mart Halen Mersin Üniversitesi, Tarsus Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi bölümünde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır. Uluslar arası hakemli dergilerde yayınlanmış 4, Ulusal hakemli dergilerde yayınlanan 12 makalesi bulunan Mustafa Kemal KÜLEKÇİ evli ve iki çocuk babasıdır. Dr. Avdın SIK 1966 yılında Erzincan'ın Refahiye ilçesinde doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini Ankara Sokullu Mehmet Paşa Lisesi Fen Bölümünde tamamladı yılında Mesleki Eğitim Fakültesi, Teknoloji Eğitimi Bölümünden mezun oldu yılında Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Teknoloji Eğitimi Anabilim Dalında yüksek lisansa başladı ve 1994 yılında mezun oldu. Kırıkkale Mustafa Necati İlköğretim Okulu, Ankara Mehmet Çekiç İlköğretim Okulu, Ankara Ahmet Haşim İlköğretim Okulu, M.E.B Eğitim Teknolojileri Genel Müdürlüğünde görev yaptı yılında G.Ü. Endüstriyel Sanatlar Enstitüsü Fakültesinde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Teknoloji Eğitimi Anabilim Dalında 2002 yılında doktorasını tamamladı. 87

45 ALÜMİNYUM MALZEMELERİN SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞINDA KAYNAK HIZININ BİRLEŞEBİLİRLİĞE ETKİSİ *Adem KURT, Mehmet ÖZDEMİR ve Mustafa BOZ * Doç. Dr. Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fak. ademkurt@gazi. edu. tr Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü 06500, Ankara ÖZET Bu çalışmada patenti 10 yıllık geçmişe sahip olmasına rağmen endüstriyel uygulamaları hızla yaygınlaşan sürtünme karıştırma kaynak yöntemi ile ticari Al malzemeler birbirleriyle kaynak edilmişlerdir. 5x50x 120 mm ebatlarında Al malzemeler freze mengenesinde alın alına getirilerek değişik kaynak hızlarında birleştirilmişlerdir.birleştirme işlemi 6,8,12 cm/dak kaynak hızlarında yapılmıştır. Kaynaklı birleştirmelerde metalografik ve mekanik testler yapılarak kaynak hızının birleşme bölgesinin metalurjik ve mekanik özelliklerinde meydana getirdiği değişiklikler değerlendirilmiştir. 1. GİRİŞ Sürtünme -Karıştırma kaynağı sürtünme kaynak yönteminin geliştirilmiş bir başka yöntemidir. Bilindiği gibi sürtünme kaynağı genellikle silindirik kesitli malzemelere uygulanan ergitmesiz kaynak yöntemidir. Sürtünme-karıştırma kaynağı, son on yılda keşfedilmiş ve geliştirilmiş en dikkat çekici ve potansiyel olarak yararlı yeni bir kaynak tekniğidir. Herhangi bir boşluk, çatlak veya deformasyon meydana gelmeksizin güvenli bir kaynak yapmanın çok zor olduğu bir çok malzemeyi kaynaklamayı basitleştirmiştir. Bir çok sanayi kuruluşu bu tekniği üretimlerinde kullanmak için pilot çalışmalar yürütmektedir. [ 1 ] Sürtünme-karıştırma kaynağı tekniği (İngiltere, Cambridge'de TWI tarafından keşfedilen, patenti alınan) klasik sürtünme kaynağının bir türevi olup, kaynak sonrası çok az deformasyonlu, uzunluğuna birleştirilen veya bindirme parçalarının imalatına uygulanacak katı- hal kaynağının avantajlarına imkan vermektedir. Özellikle kaynak yapılması çoğu zaman zor olan alüminyum alaşımların birleştirilmesinde, sürtünmekarıştırma kaynağı başarılı bir performans göstermiştir. Özet olarak, sürtünme karıştırma kaynağı düz ve bindirmeli alüminyum alaşım kaynakları için yeni ve başarılı bir kaynak tekniğidir. [2] 89

46 2. KAYNAK DÜZENEĞİ ve YAPILIŞI İ Kaynak Düzeneği Sürtünme -karıştırma kaynağı iyi kalitede birleşme ve bindirmeler veren bir katı hal birleştirme işlemidir. Bu işlemin temel ilkesi Şekil 2.1 de gösterilmiştir.[3] Birleşim hattı Kaynak ön» ıhffl^^m.. ' / I yüzü Omuz Dönen kalemin ön yüzü j Dönen kalemin ~~****^-^^r' ""*"* Kaynak arka arka yüzü yüzü Şekil 2.1. Sürtünme Karıştırma Tekniği[3] Kalem ucu İşlem, kaynaklanmakta olan parçadan daha sert bir maddenin dönen ucu arasında oluşan sürtünme ısısının daha yumuşak olan maddenin birleşme bölgesinde ısı meydana getirilmesi prensibine dayanır. Karıştırıcı uç, daha geniş çaplı bir metal gövdeye bağlı, daha küçük çaplı bir sonda olarak şekillenmiştir. Karıştırıcı uç birleşme bölgesi içine daldırıldığında geniş çaplı omuz diye tarif edilecek metal kısım birleştirilecek yüzeylere önce bir temas yapar. Karıştırıcı uçun girme derinliği kaynak nüfuziyeti olarak da söylenebilir. Omzun malzemeye teması kaynak bölgesine ilave bir ısı sağlamak yanında yumuşayan metalin kaynaklama işlemi sırasında etrafa saçılmasını da engeller. Omuz malzemeye temas ettikten sonra yumuşayan bölge, karıştırıcı uçun geometrisine uygun olarak kesik koni şeklindeki karıştırıcı ucu içine alır. Isıl olarak yumuşayan metal karıştırıcı uça doğru giderek daralan ancak üst yüzeyde omuz ile temas eden daha geniş bir görünüm arz eder. Karıştırıcı uçtan omuza kadar olan bölgedeki kombine sürtünme ısısı, gömülmüş olan karıştırıcının çevresi ile malzeme üst yüzeyi ile omuzun temas ettiği temas yüzeyinde yumuşamış bir metal oluşturur. Karıştırıcı uç çevresinde malzeme akışı karıştırıcı uç arkasında ise malzeme ile dönen uç arasında izafi bir dönüş meydana gelmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı, kendi kendine oluşan bir birleştirme tekniğidir. Birleşen malzeme doğal katı faz haldedir ve ergime kaynağı hataları içermez. Bu yöntemde tüketilen bir dolgu malzemesi, koruyucu gaz ve kenarların hazırlanması gerekmez.[3] 90

47 2.2. İşi emin İlkesi Bir sürtünme karıştırma kaynağı yapmak için kaynaklanacak olan parçalar düz bir metal plaka üzerine yerleştirilir (Şekil 2.2a) ve bir kuvvet uygulaması karşısında birbirinden ayrılmayacak şekilde birbirine sıkıca birleştirilir. Ucu özel olarak imal edilmiş silindirik omuzlu dönmekte olan bir kalem (Şekil 2.2b) yavaşça birleşme hattı üzerine bastırılır. Kalemin boyu istenilen kaynak derinliği ile aynıdır. Dönen kalemin ucu işlenen yüzeye temas ettiği zaman meydana gelen sürtünme kalemin temas ettiği noktayı aniden ısıtır ve böylece malzemenin mekanik direncini azaltır. Uygulanan kuvvet altında kalem ucu malzemeyi, kalem omuzu izlenen yüzeye temas edinceye kadar kalem ve onun hareket ettiği yönde zorlamakta ve yerinden oynatmaktadır.(şekil 2.2c) bu işlemde dönen kalem ucunun meydana getirdiği sürtünme ısısı, kalem ucu etrafında ve kalem ucu omuzu altında yumuşamış bir metal tabakası oluşturur. (Şekil 2.2d) kaynaklanacak parçaların veya kalemin ileriye veya geriye hareket etmesi halinde, yumuşamış olan metal kalem ucunun ön yüzü tarafından kaldırılır ve kalem ucunun mekaniksel dönüşü yönünde ve bastırma hareketi ile kalem ucu arkasından dönerek sürüklenir.(şekil 2.2e) [1] Sonuç olarak kalem ucu birleşme hattı içine girdikçe oluşan sürtünme birleşme yüzeylerini ısıtarak metali yumuşak hale çevirmekte, takiben birleşme hattını ezerek oksit filmini kırmakta, yumuşak metali karıştırarak birbirine birleştirmekte ve ileriye hareketi ile geride kalan birleşim soğuyarak katı- hal kaynağı oluşturmaktadır. Tüm bunlar alaşımın erime noktasının altında bir sıcaklıkta meydana gelir. [ 1 ] ŞekiL2.2. Sürtünme Karıştırma Kaynağı İşlemiflJ a) Kaynaklanacak parçalar düz bir metal plaka üzerinde birbirine tam olarak birleştirilir. b) Özel uçlu silindirik omuzlu bir kalem iki parçanın birleşme ekseni üzerine konumlandırılır. c) Kalem belirli bir devrede döndürülür ve birleşme ekseni üzerine bastırılır. 91

48 d) Sürtünme ile oluşan ısının yumuşattığı metal, kalem omuzu işleme yüzeyine temas edinceye kadar dairesel şekilde hareket ettirilir. e) Kalem eksen boyunca ileri veya tersine yönde ilerlemeye başladığı zaman yumuşamış olan metal kalem ilerledikçe önden itibaren kalemin arkasına doğru dönerek karışmakta ve ısı kaynağı uzaklaştıkça soğumaktadır Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde İç Yapı Kaynak bölgesinde oluşan iç yapı Şekil 2.4'de şematik olarak gösterilmiştir. Kaynak bölgesi üç farklı bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB) termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve sıvı hal kaynak yöntemlerinde olduğu gibi ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) olarak adlandırılmaktadır. [4] i. Şekil 2.4 Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde Oluşan İç Yapının Şematik Görünümü. A: Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB), B: Termodinamik Olarak Yeniden Kristalleşen Bölge (TEB), C: Dinamik Olarak Yeniden Kristalleşen Bölge (DKB)[4] 2.5. Alüminyum Sürtünme Karıştırma Kaynağı Sırasında Malzemenin Akma Davranışı Çelikten yapılmış kaynaklama kafası Şekil 2.5'te görüldüğü gibi Omuz ve kalemi içeren şafttan oluşmaktadır. Kaynaklama kafası, geleneksel bir dairesel frezede uzunluğuna eksen etrafında dönmekte kaynaklanan parça ise sabit bir şekilde tespit edilmiştir.kaynaklama kafası sürtünmenin meydana getirdiği ısının metali yumuşattığı metal yüzeyine doğru bastırılır. Kafa üzerindeki döner kalem düz kaynağın her iki tarafındaki parça malzemesinin içerisinde yoğun bir plastik akışa sebep olmaktadır. Şekil 2.5'den görülebileceği üzere, kaleme vida dişleri açılmıştır. Bu dişler, plastik olarak deforme olan iş parçasının oyuksuz bir kaynağın meydana geldiği kalem ucu etrafına dağılmasını sağlamaya yardım etmek için yapılmıştır. İki malzeme dibinin tam kapanmasını sağlamak üzere kalemin altında sınırlı miktarda bir plastik deformasyon meydana geldiğinden kalemin, parçanın altındaki 92

49 destek plakasına (sacına) çok yakın geçmesi gerekmektedir. Tipik bir düz kaynakta kaynaklama sırası aşağıdaki gibidir. Kare kenet kenarlı iş parçası düz bir tespit sacı üzerinde sabitlenir. Tespit kaynak sırasında parçaların kalkmasını ve oynamasını önlemekte ve malzemeyi kaynak kafası eksenine göre çok küçük bir açı ile tutmaktadır. Kaynaklama kafası ekseni etrafında belli bir devirle dönmekte, kaynaklama kafası omuzu malzemenin üst yüzeyine temas edip içeri doğru itildiğinde kalemin ucu malzeme altındaki destek plakasının üst yüzeyine kısa bir mesafe kalıncaya kadar malzeme içine doğru bastınlmaktadır. Bu noktada kaynaklama kafası düz kaynak dikişi boyunca kaynaklanacak uzunluğun sonuna gelinceye kadar bastırılarak hareket ettirilir. Daha sonra genellikle dönmeye devam ederken geri çekilir. Kafa tamamen geri çekildikten sonra dönüş durdurulur ve kaynaklanan parça tespit edildiği yerden sökülür, burada kafayı geri aldığınızda kafa ucundaki kalemin kaynak dikişini kaynaklanacak uzunluğun tam sonunda terk etmesi gerektiğine dikkat edilmelidir. [6] Şekil 2.5. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Kalemi Şeması. Kalem, Bir İşleme Tezgahının Döner Düzenine Takılı Çelikten Bir Gövde, Omuz ve Kalem Ucundan Oluşur [5] Alüminyum Alaşımlarda Kaynak Özellikleri Al-alaşımlan kaynak edilmesi güç malzemelerdir. Bu alaşımlar bazı istisnalar hariç (7075 alaşımı gibi) ticari olarak ark kaynağı ile birleştirilmektedirler. Fakat sıvı hal kaynak yöntemleri (ark, lazer, ve elektron kaynağı) ve difüzyon kaynağı gibi bilinen kaynak yöntemleri ile kaynaklarında çeşitli sorunlar bulunmaktadır[4]. Sıvı hal kaynak yöntemleri ile Al-alaşımlannın (özelikle yaşlandırma sertleştirilmesi yapılmış olanların) kaynağında yüksek miktarlarda çatlak ve porozite (gaz boşluğu) oluşumu gibi problemler mevcuttur. Al-alaşımlannın kaynağı esnasında çatlak oluşumunun nedeni, bu alaşımların katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olmasıdır. Ark kaynağında yüksek ısı girdisi, bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve ve katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması sonucu özellikle çatlamaya da ha duyarlı 93

50 , İ yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlarmda kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olur. Ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi ayrıca ITAB'de tane sınırlarında düşük ergime dereceli fazların oluşumuna ve bu bölgede de çatlamaya yol açabilir. Porozite oluşumun nedeni ile Alüminyumun sıvı halde hidrojen çözünürlüğünün katı haldekinden çok daha yüksek olmasıdır. Vakum ortamında yapılan elektron huzmesi kaynağı yöntemi porozite açısından en avantajlı sıvı hal kaynak yöntemidir. Fakat yüksek sıcakhklann söz konusu olduğu elektron kaynağı vakum ortamında yapıldığı için düşük buharlaşma sıcaklığına sahip alaşım elementleri içeren Al- alaşımlarında kaynak dikişinde alaşım elementi kaybı dolayısıyla mukavemet düşüşü problem olabilmektedir. [4] t Al-alaşımlannm ark kaynağında karşılaşılan diğer bir güçlük bu alaşımların ısı iletkenlik katsayılarının yüksek J olması nedeniyle ısının kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde uygulanması zorunluluğudur. Al-alaşımlannın lazer ısısını yansıtması sıvı hal kaynak yöntemlerinden lazer kaynağında dikkate alınması gereken diğer bir husustur. Al-alaşımlannın özellikle yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş türlerin sıvı hal kaynak yöntemleri ile birleştirilmelerinde karşılaşılan bir başka sorun kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ve tane sının segregasyonu sonucu ve ITAB'de aşın yaşlanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Bu durum kaynak yapılan baz malzeme ile kaynak bölgesinde mekanik uyumsuzluğu (Strength mismatch)neden olmakta ve kaynak bölgesinde mukavemet düşüşü (Strength under matcging)olarak bilinmektedir. [4] Sürtünme karıştırma kaynak yönteminin Al- alaşımlarında kullanılabilirliği üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır. t Bu araştırma sonuçları göstermektedir ki, bu yöntem gerek yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış gerekse jf yaşlandırma sertleştirmesi yapılamayan (1 xxx ve 5xxx serileri gibi ısıl işleme duyarlı olmayan) Al- alaşımlannda başanyla kullanılabilir. Hatta geleneksel kaynak yöntemleri ile kaynağı çok güç olan 7075 alaşımı bile bu yöntem ile başanlı bir şekilde birleştirilmiş ve elde edilen birleştirmeler oldukça iyi mekanik özellikler göstermiştir. [4] 4. UYGULAMA ALANLARI Sürtünme karıştırma kaynağının uygulama alanlan aşağıda verilmiştir. [ 1,3] Havacılıkta; uçak çatılar, yakıt tanklan ve özel alaşım kaplamalann eklenmesi. t Alüminyum üreticileri; büyük parçalar, dikişli borular, şaseler (otobüs,kamyon), kaporta çatılan,tekerlekler ve taşıyıcı tanklar. İnşaat alanında; köprüler, açık deniz donanımlan. İçecek alanında; bira fıçıları. Ulaştırma sanayiinde; demiryolu vagonları, otobüs ve nakliye tankerleri, vagon şaseleri, yüksek hız trenleri, vagon çatılan. Soğutma sistemleri alanı; soğutucu borular ve eşanjörler Gemi yapım sanayiinde; hafif, enerji etkin yüksek hız teknelerin gövdeleri, güverteleri ve iç yapılan, LPG nakil ve depolama teknelerinde gövdeler Basınçlı kaplar; sıvı gaz tanklan 94

51 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada kimyasal bileşimi Çizelge 5.1 de verilen 5x 50x 150 mm ebatlannda Al levha malzemeler freze tezgahının mengenesinde alın alına getirilerek sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi ile kaynak edilmişlerdir. Kaynak işlemi 800 dev/dak ve 6.25,10,16, ve 20 mm /dak kaynak hızlan kullanılarak yapılmıştır. Kanştıncı uç Ç 1050 çelik malzemeden imal edilmiştir. Birleştirilen numuneler metalografik olarak incelendikten sonra, çekme ve sertlik gibi mekanik testler uygulanmıştır. Çizelge 5.1 Al Malzemenin Kimyasal Bileşimi Element % Al Si Mn Ni Zn Fe Mg Cr Ti Cu DENEYSEL SONUÇ ve TARTIŞMA Sürtünme kanştırma kaynağı yöntemi ile birleştirilen bütün numuneler başlangıç ve bitiş noktalannda kanştıncı uç çapı kadar bir hata payı vererek birleştirilmişlerdir.birleştirme yüzeyleri uygulanan sürtünme basıncın sabit olmasına rağmen kaynak hızına göre farklılıklar göstermiştir mm/dak kaynak hızında yapılan birleştirmelerde sürtünme sırasında oluşan ısının etkisi daha fazla olduğundan kaynak dikiş yüzeyinde dönme yönüne doğru yumuşamış Al metal ondüle oluşturmuştur. Oluşan ondüleler Şekil 5.1 de görülmektedir. c d Şekil 5.1 Kaynak Hızına Bağlı Olarak Dikiş Profilleri; a) 6.25 mm/dak, b)10 mm/dak, c)16 mm/dak, d) 20mm/dak 95

52 Kaynak Teknolojisi IV. Ulusa/ Kongresi Şekil de görüldüğü gibi 6.25 mm /dak kaynak hızında ısı girdisi fazla olduğundan oluşan ondüleler daha fazladır. Kaynak hızı 10 mm/dak'da yine ondüle görülmekle birlikte 16 ve 20 mm/dak kaynak hızlannda azalan ısı girdisine bağlı olarak ondulesiz daha düzgün görünümlü dikişlerden oluşan bir birleşme olduğu görülmektedir. Sürtünme kaynağında kaynak hızı ısı girdisi miktarında çok önemli olduğundan kaynak hızına bağlı olarak hem mikro yapı hem de sertlik ve çekme gibi mekanik özelliklerde de etkili olmaktadır. Aratan kaynak hızı ile kaynak metalinin yönlenmesi artmakta ancak düşük kaynak hızında kaynak metali yönlenmesi fazla belirgin görülmemektedir. Kaynak hızı 20 mm/dak ya ulaştığında yönlenme daha homojen bir dağılım göstermektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı için uygun bir kaynak metali karışım ve yönlenmesi 20 mm/dak kaynak hızındaki numunelerde görülmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağında kaynak hızının artması ısı girdisini azaltacağından artan kaynak hızı ile kaynak metali sertliği de değişmektedir. Sertlik miktarındaki değişim çok fazla olmamakla birlikte karıştırıcı uçun i! t I Şekil 5.2 Kaynak Hızı ile SKK Kaynak Metali Mikroyapüan a) 6.25 mm/dak, b) 10 mm/dak, c) 16 mm/dak, d) 20 mm/dak 96

53 kanştırdığı karışım bölgesinde daha az ve bu merkezden esas metal tarafına doğru sertlik artmakta ve kanştıncı uçun omuz kısmından sonra esas metal sertliğinde ölçülmektedir. Şekil 5.5'de kaynak hızı ile kaynak metali sertlik değerleri görülmektedir. Ancak burada sertlik kaynak metali ve esas metale temas ederek kaynak ısısının oluşmasını sağlayan kanştıncı ucun omuz kısmından alınmıştır mm/dak 16 mm/dak 10 mm/dak -6,25 mm/dak 40 I 35 ÎS 30 t OT Kaynak merkezinden Uzaklık (mm) Şekil 5.3 Kaynak Merkezinden Uzaklaştıkça Kaynak Hızı ve Sertlik Değeri Arasındaki İlişki. A) Yeniden Kristalleşme Bölgesi B) Toparlanma Bölgesi C) Ana Malzeme 97

54 Şekil 5.4 Sürtünme Karıştırma Kaynaklı Birleştirmelerin Çekme Deney Numuneleri i Sürtünme karıştırma kaynaklı numuneler çekme testlerine tabi tutulmuşlar ve Şekil 5.4 de görüldüğü gibi birleştirilmiş bütün numuneler kaynak dikişinin dışından uzama göstererek kopmuşlardır.sürtünme basıncının ve karıştırmanın etkisi ile karıştırıcının omuz kısmının altında kalan kısım deformasyon sertleşmesi göstererek mukavemet artışı göstermiş ve yeniden kristalleşen bölgeden kopmuşlardır. Çekme değerleri kaynak hızı ile ters ilişki göstermektedir mm/dak kaynak hızında birleştirilen numuneler ortalama 102 N/mm 2 çekme dayanımı gösterirken sırasıyla 10 mm/dak. kaynak hızında 101 N/mm 2,16 mm/dak da 91 N/mm 2 ve 20 mm/ dak. kaynak hızında birleştirilen numuneler ise 88 N/mm 2 çekme dayanımı göstermişlerdir. SONUÇLAR 1. Aluminyum-aluminyum malzemelerin birleştirilmesi, sürtünme karıştırma kaynağı ile başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. 2. Sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmiş numunelerin çekme testlerinde numuneler kaynak dikişinin dışından kopmuştur. Kopmalar hep aynı bölgeden olmuştur. Bu bölgetoparlanma bölgesi ile ITAB arasındaki bir noktaya karşılık gelmektedir. 3. Kaynak hızının artmasına bağlı olarak malzemelerin kopma mukavemetinde az da olsa bir azalma görülmektedir. Ancak en düşük çekme mukavemeti bile ana malzemenin çekme mukavemetinden daha yüksektir. 4. Kaynak hızının artmasına bağlı olarak malzeme yüzeyinde meydana gelen ondülelerin azaldığı görülmektedir. 16 ve 20 mm/dak kaynak hızlarında azalan ısı girdisine bağlı olarak ondülesiz daha düzgün görünümlü dikişlerden oluşan bir birleşme meydana gelmiştir. 98

55 KAYNAKÇA 1. Dawes, C.J., Thomas, W.M., Welding Journal, March 1996, p Johnsen, M.R., Welding Journal, February 1999, p Thomas, W.M., Nıcholas, E.D., Materials & Design, June 1997, p Makina Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi III. Ulusal Kongresi Bildiriler Kitabı, Ekim 2001, İstanbul 5. Seidel, T.U. and Reynolds, A.P., Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, v. 32A, pp Colligan, K., Welding Journal, July 1999, p ÖZGEÇMİŞ Doc. Dr. Adem KURT 1958 Çorum-Alaca'da doğdu yılında Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümünden Lisans, 1992 yılında Yüksek Lisans, 1996 yılında doktora ve 1999 yılında da Doçentlik derecesini aldı yılında YÖK-Dünya Bankası projesi ile A.B.D'lerinde Purdue Üniversitesinde bulundu yılında da Florida State Üniversitesi National High Magnetic Field Laboratory'de araştırmalar yaptı.halen Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü Kaynak Eğitimi Anabilim Dalı Öğretim Üyesi ve Metal Eğitimi Bölüm Başkan Yardımcısı olarak görev yapmaktadır. Aynca 2001 yılında kurulan Kaynak Teknolojisi Derneğinin kurucu başkanlığını yapmış ve halen bu görevini de sürdürmektedir. Evli ve iki çocuk babasıdır. Arş. Gör. Mustafa BOZ 1971 Erzurum- ispir'de doğdu yılında Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümünden Lisans, 1999 yılında Yüksek Lisansını tamamladı. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsüne bağlı Metal eğitimi bölümünde doktorasını sürdürmektedir. Evli ve bir çocuk babasıdır. 99