TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2007 (4) 1-7 TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR Makale AA 5251 Alaşımının Sürtünme Karıştırma Kaynağı Đle Birleştirilebilirliğine Uç Geometrisinin Etkisi Ahmet HASÇALIK, * Ulaş ÇAYDAŞ, Engin ÜNAL, Faruk KARACA Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü Elazığ Özet Bu çalışmada, ticari temin edilmiş AA 5251 alüminyum alaşımı, farklı geometrilere sahip karıştırıcı uçlar kullanılarak sürtünme karıştırma kaynağı yöntemiyle birleştirilmiştir. Deneylerde uç devri 1000 d/dak ve ilerleme miktarı 200mm/dak olarak sabit tutulmuştur. Kaynak işlemleri neticesinde numunelerin kaynak bölgeleri mikroyapıları optik mikroskopla incelenmiş, çekme deneyleri ve mikrosertlik incelemeleri yapılmıştır. Sonuç olarak, en mukavemetli birleşmenin kare piramit kesitli uçta, en mukavemetsiz birleşmenin ise koni kesitli uçta gerçekleştiği ve bütün geometrilerde numunelerin çekme dayanımı esas malzemenin altında olduğu saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: Sürtünme karıştırma kaynağı, AA 5251, Uç geometrisi. 1. Giriş Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), ilk olarak 1991 yılında Đngiltere (Cambridge) de tanıtılmış [1] ve özellikle 1990 lı yıllarda gelişerek, gelişim sürecinde olan bir kaynak yöntemidir [2, 3]. 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 açılmaya gerek duyulmamaktadır. Sürtünme karıştırma kaynağı ile yapılan kaynaklı birleştirmelerden elde edilen kaynak kalitesi, malzeme cinsine göre farklılık göstermemektedir [4]. Diğer yöntemlerde kaynak sonrasında oluşan boşluk, çatlak ve düzensizlikler SKK yönteminde önemli derecede azalmaktadır. Yöntemin birçok malzeme için uygun olmasına karşın, en önemli uygulama alanı alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynaklı birleştirilmesidir. Alüminyum alaşımları, bu yöntemde oldukça iyi mekanik özelliklerde birleştirilebilmektedir [5]. SKK yöntemi tüm pozisyonlarda rahatlıkla uygulanabilmektedir [6,7]. Alüminyum malzemeler için yapılan çalışmalarda, plaka kalınlığının 1 75 mm arasında uygun birleştirme yapılabildiği görüşüne varılmıştır [8]. Yöntemde genellikle 300 d/d dan daha yüksek devirlerde dönen ve yüksekliği kaynak edilecek plaka yüksekliği kadar olan çelik uç kullanılmaktadır [9,10]. Đki taraflı yapılan alın birleştirmelerde uç yüksekliği malzeme kalınlığının yarısı kadardır [11]. Şekil 1 de yöntemin şematik görüntüsü verilmektedir [5]. Yöntemde, kaynak edilecek parçalar öncelikle sabit bir yüzey üzerine yerleştirilir. Karıştırıcı uç dikey olarak parçaların birleşim çizgisi üzerinden yavaş bir ilerlemeyle hareket ettirilir. Uç yüksekliği tamamen parçalar içerisinde kaldığı ve faturalı yüzeyin bir miktarının içeriye girdiği anda kaynak yönünde ilerleme başlatılır. Temas noktasında ısı, sürtünmenin de etkisiyle hızla artar ve malzemelerin plastik değişimine neden olur. Bu değişim malzemelerin akışını ve birleşme olayını gerçekleştirir [4]. Yöntemde karıştırma işlemini yapan uç profilinin geometrisi kaynak mukavemetini etkilemektedir.

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 AA 5251 Alaşımının Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Birleştirilebilirliğine SKK yöntemiyle yapılan çalışmalarda genellikle Al alaşımları üzerinde durulmuştur. Yutaka ve diğ, 1050 Al alaşımı ve AZ31 Mg alaşımını sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirmişlerdir. Çalışmalarında karıştırıcı uç devrini 2450 d/d ve ilerleme hızını 1.5 mm/sn sabit tutmuşlar, karıştırma esnasında uç ile iş parçası arasında 3 lik bir açı kullanarak saat ibresi tersi yönünde karıştırma yapmışlardır. Sonuç olarak, kaynak bölgesinde oldukça yüksek miktarda Al 12 Mg 17 intermetalik bileşiğinin oluştuğunu ve kaynak merkez sertliğinin oldukça arttığını tespit etmişlerdir [12]. X.K. Zhu ve diğ, çalışmalarında 300 d/d ve 500 d/d olmak üzere iki farklı uç devri seçerek 304 paslanmaz çeliğin SKK yöntemiyle birleştirilmeleri anında oluşan sıcaklık ve artık gerilmeleri sonlu elemanlar yöntemiyle çözmüşlerdir [13]. Yutaka S. Sato ve diğ, 5052 Al alaşımını SKK yöntemiyle birleştirmişlerdir. Kaynak işlemi sonrasında, kaynak bölgesinde dağlama işlemi yaparak taramalı elektron mikroskobu ile yerel olarak bölgeyi incelemişler ve izlenen yolun lineer olmadığını (zikzak şeklinde olduğunu) tespit etmişler ve kaynak dikişi üzerinde Al 2 O 3 partiküllerinin oluştuğunu gözlemlemişlerdir [14]. B. Young ve diğ, kaynak hızı, uç devir sayısı, güç ve kaynak uzunluğuna düşen enerji miktarı gibi parametreleri değiştirerek AA2024 T351 ve AA2524 T351 alüminyum alaşımlarını SKK yöntemiyle birleştirmişler ve metalografik açıdan tane boyutu değişimini incelemişlerdir [15]. M.K. Külekçi ve A.Şık ise, ticari TS EN AW 2014 (AlCu 4 SiMg) alüminyum alaşımını SKK yöntemi ve MIG kaynaklı birleştirme yöntemleriyle birleştirmişlerdir. Çalışmalarında, 450 d/d sabit devir ve 150 mm/dak ilerleme kullanmışlar, işlem sonrasında numunelere çentik darbe ve eğme deneyleri uygulamışladır. Sonuç olarak SKK yöntemiyle yapılan birleştirmenin mekanik olarak MIG kaynağına göre 2 kat mukavemetli olduğunu tespit etmişlerdir [4]. Boz, M ve Kurt, A ise çalışmalarında 1000 d/d devir ve 200 mm/dak sabit ilerleme parametrelerinde karıştırıcı uç profilini değiştirerek Al 1080 alüminyum alaşımını SKK yöntemiyle birleştirmişlerdir. Çalışmalarında kare kesitli, 0.85 mm, 1.10 mm, 1.40 mm ve 2mm adımlı vidalı uçlar kullanmışlardır. Đşlem sonrasında kaynak bölgesinde rekristalizasyon bölgesi, yeniden katılaşmış bölge ve esas malzeme olmak üzere üç farklı bölgenin oluştuğunu tespit etmişler ve mekanik testler neticesinde en mukavemetli birleşmenin küçük adımlı vidalı uçta, en mukavemetsiz birleşmenin ise kare kesitli uçta gerçekleştiğini belirtmişlerdir [5]. Bu çalışmada, beş farklı karıştırıcı uç profili (kare kesitli, üçgen kesitli, kare piramit, üçgen piramit ve koni) kullanılarak Al alaşımı için SKK yönteminde birleştirme yapılmış ve uç profillerinin; kaynak sertliği, mikroyapısı ve birleşmenin mekanik özelliklerine olan etkileri araştırılmıştır. Kaynak ilerleme yönü Birleşme çizgisi Karıştırıcı ucun ilerleyen kısmı Uç başlığı Karıştırıcı ucun sürtünen kısmı Uç Kaynak arka bölgesi 2. Materyal Ve Metot Şekil 1 Sürtünme karıştırma kaynak yönteminin şematik görünümü [5]. Deneysel çalışmalarda, AA 5251 Al alaşımı kullanılmıştır. Bu alaşıma ait kimyasal bileşim Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Deneylerde kullanılan alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi. Al Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr

3 Hasçalık, A., Çaydaş, U., Ünal, E., Karaca, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 SKK uygulamaları, Jhonford O M serisi ve dik işlem merkezli bir CNC freze tezgahında gerçekleştirilmiştir. Kaynak edilecek iş parçaları 5mm 25mm 40mm boyutlarında hazırlanmıştır. Kaynaklı birleştirilen parçaların sertlik değerleri Vickers ölçeğinde (HV 20 ) kaynak yüzeyinde kaynak dikiş yönüne dik bir hat boyunca ölçülmüştür. Kaynak işlemi öncesi numunelere hiçbir işlem uygulanmamıştır. Numuneler işlem öncesi CNC freze tablasına bağlanmıştır. Karıştırıcı uç malzemesi olarak ticari temin edilmiş D5 yüksek karbonlu takım çeliği kullanılmıştır. Uç profilleri alet bileme tezgahında hassas bir şekilde kare kesitli, üçgen kesitli, üçgen piramit, kare piramit ve koni şeklinde özel olarak hazırlanmış ve uç yüksekliği kaynak edilecek malzeme yüksekliğine eşit (5mm) seçilmiştir. Karıştırıcı geometrileri Şekil 2 de şematik olarak verilmiştir Şekil 2 Karıştırıcı uç geometrileri. Sürtünme aparatına saat ibresi yönünde 1000 d/d dönme hareketi ve 200 mm/dak ilerleme hızı verilerek kaynak işlemleri yapılmıştır. Dönme hareketi ile karıştırıcı uç faturalı yüzeyi, iş parçasına temas edinceye kadar düşey yönde gerekli ilerleme sağlanmıştır. Kaynak işlemi sonrası numuneler, mesh lik su zımparalarına tutulmuş, 3µm elmas pasta ile parlatılmış ve 12sn süre ile Keller (2ml HF, 10ml HNO 3 ve 88ml saf su) ile dağlanmıştır. Kaynak bölgeleri Olimpus marka optik mikroskopta görüntülenmiştir. Şekil 3 de numunelerin bağlanma şekli şematik olarak verilmiştir. Sürtünme aparatı 16mm Freze tablası Karıştırıcı uç 5mm Đş parçası 5mm 3. Bulgular ve Tartışma Şekil 3 Sürtünme aparatı boyutları ve iş parçasının bağlanma şekli. Sürtünme karıştırma kaynağında kaynak bölgesinde oluşan içyapı, üç farklı bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB), termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve ısı tesiri altındaki bölge olarak adlandırılmaktadır (Şekil 4) [15]. 3

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 AA 5251 Alaşımının Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Birleştirilebilirliğine Şekil 4 SKK yönteminde kaynak bölgesinde oluşan iç yapının şematik görünüşü. A: ITAB, B: TEB, C: DKB [15]. Yöntemde belirlenen bölgelerin boyutu ve şekli, sürtünme elemanın uç geometrisine bağlıdır. Dolayısıyla karıştırıcı geometrisi mekanik davranışlar üzerinde önemli bir etkiye sahiptir [16]. Farklı geometrilerde yapılan birleşimlere ait optik mikroyapı fotoğrafları sırasıyla Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi kaynak merkezinde yoğun derecede intermetalik bileşikler oluşmuştur. Bu bileşikler, kaynak merkez sertliği üzerinde önemli bir artışa neden olmaktadır. Şekil 5 Koni ile yapılan birleştirmede kaynak bölgesi x400 Şekil 6 Üçgen piramit ile yapılan birleştirmede kaynak bölgesi x400 Termomekanik olarak etkilenen bölge ile dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge arasındaki mikroyapı fotoğrafları Şekil 7 ve 8 de görülmektedir. Şekil 7 Kare ile yapılan birleştirmede TEB ve DKB ara bölgesi. X400 Şekil 8 Kare piramit ile yapılan birleştirmede TEB ve DKB ara bölgesi. X400 4

5 Hasçalık, A., Çaydaş, U., Ünal, E., Karaca, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 Fotoğraflar incelendiğinde bu iki bölge arasında herhangi bir boşluk veya çatlağa rastlanmamaktadır. Ayrıca karıştırıcı uç geometrisine bağlı olarak da karışımın farklı olduğu görülmektedir. Sürtünme elemanının viskoz haldeki malzemeyi geriye doğru ekstrüze etmesi sonucu oluşan pekleşmenin etkisi ile tanelerin esas malzemeye doğru küçüldüğü görülmektedir. Tablo 2 de birleşimlere ait mekanik özellikler verilmiştir. Tablo incelendiğinde, en mukavemetli birleşmenin kare piramit kesitli uçta, en zayıf birleşmenin ise koni kesitli uçta gerçekleştiği görülmektedir. Deneyler neticesinde koni kesitli karıştırıcıda, ısının etkisiyle yumuşamış malzemenin uç etrafında ve karıştırıcı omuz kısmına doğru yoğun derecede sıvandığı saptanmıştır. Dolayısıyla bu geometride etkili bir kaynak yapılamamıştır. Tablo 2. Farklı uçlar ile birleştirilen parçaların kaynak bölgelerinden elde edilen mekanik özellikler. Uzama (%) Kesit alanı daralması (%) Çekme dayanımı (N/mm 2 ) Karıştırıcı Kare piramit Kare Üçgen Üçgen piramit Koni Esas malzeme Şekil 9 incelendiğinde kaynak bölgesi çıplak gözle bile görülebilmektedir. Çekme işlemleri neticesinde kare piramit ve kare kesitli uçlar hariç diğer bütün geometrilerde numunelerin kaynak merkezinden koptuğu görülmektedir. Kopma bölgelerinin dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge ve termomekanik olarak etkilenen bölge arasında bir yerde olduğu tahmin edilmektedir. Bu durum, bu geometrilerin etkili bir birleştirme sağlamadığını göstermektedir. Ayrıca bu geometriler kendi aralarında değerlendirildiğinde en etkin birleşmenin bile esas malzemenin çekme mukavemetinin sadece % 38.3 le üçgen kesitli geometride oluştuğu görülmektedir. Kare piramit ve kare kesitli uçlarla yapılan birleşmelerde ise numuneler, tamamen kaynak bölgesinin dışındaki bölgeden kopmuşlardır. Bu numunelerin mekanik özellikleri esas malzemeyle paraleldir Kaynak bölgesi Kaynak merkezi Şekil 9 Çekme numunelerinde kaynak ve kopma bölgeleri (1kare piramit, 2 kare, 3 üçgen, 4 üçgen piramit, 5 koni). Şekil 10 da kaynak bölgesinden enine hat boyunca alınmış mikrosertlik değerleri görülmektedir. Şekil incelendiğinde, bütün uçlarla yapılan birleştirmelerde kaynak merkez sertliğinin esas malzeme sertliğinden daha yüksek olduğu görülmektedir. Esas malzeme sertliği 40 HB dir. Sertlik değerleri TEB ve DKB bölgelerinde tedrici olarak azalmaktadır. En yumuşak nokta, kaynak merkezinden yaklaşım 15 mm uzaklıktadır. Özellikle koni geometride sertlik değerinin yüksek olması çekme dayanımını önemli ölçüde azaltmaktadır. 5

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 AA 5251 Alaşımının Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile Birleştirilebilirliğine Mikrosertlik (HB) Kare Üçgen piramit Koni Kare piramit Üçgen Kaynak mesafesinden uzaklık (mm) Şekil 10 Numunelere ait mikrosertlik değerleri. 4. Sonuçlar Bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. 1. AA 5251 alaşımı sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi ile başarılı bir şekilde birleştirilebilmektedir. 2. En mukavemetli birleştirme, kare piramit geometrisine sahip karıştırıcıda olmuştur. Bu geometrideki mekanik dayanım esas malzeme ile çok paraleldir. En zayıf birleşme koni kesitli uçta gerçekleşmiştir. Bu durum, kare piramidin daha iyi eksrüzyon yeteneği ve koni geometride oluşan sıvanma ile ilişkilendirilmektedir. 3. Mikrosertlik değerleri uç geometrisine göre değişmektedir. Zayıf birleşmelerde kaynak merkez sertliği esas malzeme sertliğine yakın değerdedir. 4. Mukavemet açısından esas malzemeye yakın olması bakımından kare piramit şekilli uç önerilmektedir. 5. Kaynaklar [1] Mahoney, M.W., Rhodes, C.G., Properties of friction welded 7075 T 651 aluminum, Metallurgical Materials Transistation 29A, 1998, [2] David, P., Field, T.W., Heterogeneity of crystallographic texture in friction stir welds of aluminum, Metallurgical Materials Transistation A, 2001, [3] Seidel, T.U., Reynolds, A.P., Visualization of the material flow in AA 2195 friction stir welds using a marker insert technique, Metallurgical Materials Transistation 32A, 2001, [4] Külekçi, M.K., Şık, A., Sürtünme karıştırma kaynağı ile alüminyum alaşımı levhaların birleştirilmesi ve elde edilen kaynaklı bağlantıların mekanik özellikleri, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen bilimleri enstitüsü dergisi, 2003, [5] Boz, M., Kurt, A., The influence of stirrer geometry on bonding and mechanical properties in friction stir welding process, Materials and Design 25 (2004) [6] Kolligan, K., Material flow behavior during friction stir welding of aluminum, Weld Res. Supply, 1999, [7] Jata, K.W., Semiatin, S.L., Continious dynamic recristalization during friction stir welding of high strength aluminum alloys, Scripta Materials 2000; 43: [8] Thomas, W.M., Nicholas, E.D., Friction stir welding for the transportation industries, Materials and Design 18 (1997) [9] Murr, L.E., Dynamic recristalitation in friction stir welding of aluminum alloy 1100, Journal of Materials Sci Letter 1997, 16: [10] Davis, C.J., Thomas, W.M., Friction stir process welds aluminum alloys Weld J 1996, [11] Külekçi, M.K., Mechanical properties of friction stir welded joints of AlCu 4 SiMg aluminum alloy, Metallic Materials Kovove Materialy, 41/2, (2003) [12] Yutaka, S.S., Seung, H.C.P., Masato, M., Hiroyuki, K., Constitutional liquation during dissimilar friction stir welding of Al and Mg alloys, Scripta Materialia 50 (2004)

7 Hasçalık, A., Çaydaş, U., Ünal, E., Karaca, F. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2007 (4) 1-7 [13] Zhu, X.K., Chao, Y.J., Numerical simulation of transient temperature and residual stres in friction stir welding of 304 L stainless steel, Journal of Materials Processing Technology 146 (2004) [14] Yutaka, S.S., Fumie, Y., Yusuke, S., Seung, H.C.P., Hiroyuki, K., FIB assisted TEM study of an oxide array in the root of a friction stir welded aluminum alloy, Scripta Materialia 50 (2004) [15] Kurt, A., Boz, M., Özdemir, M., Sürtünme karıştırma kaynağında kaynak hızının birleşebilirliğe etkisi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt:19, No:2, , [16] N. Özdemir, M. Taşkın, Sürtünme karıştırma kaynak yöntemi ile birleştirilmiş AA 7075 alüminyum alaşımının mikroyapı ve mekanik özelliklerinin araştırılması, 10. Denizli Malzeme Sempozyumu, Pamukkale Üniversitesi, Denizli,