YÜKSEK MUKAVAMETLİ OTOMOBİL BİLEŞENLERİNE UYGULANAN KESME YÖNTEMLERİNİN YORULMA DAVRANIŞLARINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 OTEKON Otomotiv Teknolojileri Kongresi Mayıs 2016, BURSA YÜKSEK MUKAVAMETLİ OTOMOBİL BİLEŞENLERİNE UYGULANAN KESME YÖNTEMLERİNİN YORULMA DAVRANIŞLARINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ İmren Öztürk Yılmaz *, Onur Saray ** *Beyçeli k Gestamp Kalip Ve Oto Yan Sanayii A.Ş Ar-Ge Merkezi, BURSA **Bursa Teknik Üniversitesi Mühendislik-Mimarlik Fakültesi, Makine Müh. Böl., BURSA ÖZET Araçlarin ultra yüksek mukavemetli çelik saclardan üretilen parçalari hem statik hem de dinamik yükler altinda çalişmaktadir. Tekrarli gerilmeler altinda çalişan bileşenlerin tasariminda yorulma davranişinin dikkate alinmasi gerekmektedir. Bu davraniş, parçalarin üretilmesinde kullanilan şekillendirme, kesme ve/veya birleştirme adimlari kapsamindaki termo-mekanik etkilerden önemli derecede etkilenmektedir. Bu durum, söz konusu parçalarin performanslarinin değerlendirilmesinde geometrik özellikler yaninda, üretim süreçlerini de göz önünde bulundurulmasini zorunlu kilmaktadir. Bu çalişmada, Al-Si kaplamali 22MnB5 çelik saclarin sicak şekillendirme sonrasinda uygulanan kesme işlemlerinin statik ve dinamik deformasyon davranişi ile iç-yapisal özellikler üzerindeki etkileri incelendi. Sicak şekillendirilen saclardan lazer ve tel erozyon yöntemleri ile kesilen numunelerin yorulma davranişi kisa çevrimli yorulma testleri ile incelendi. Bu deneylerden elde edilen gerilme-ömür (S-N) eğrilerinde ortaya çikan değişimler yapisal ve mekanik özellikler ile ilişkilendirilerek değerlendirildi. Tel erezyon yöntemi ile kesilen numunelerde sicak şekillendirme sonrasinda oluşan martenzitik yapida önemli bir etkide bulunmadiği anlaşilmiştir. Kesme işlemlerinin lazer kesme ile gerçekleştirilmesi durumunda ortaya çikan bölgesel ergime-yeniden katilaşmanin yapida bozulmalara neden olduğu görülmüştür. Bu durum, lazer kesim uygulanan çeliğin yorulma davranişini da olumsuz yönde etkilemektedir. Anahtar kelimeler: Sicak şekillendirme, yorulma, otomotiv malzemeleri ABSTRACT Vehicle body parts made of the ultra-high strength steel works under both static and dynamic loading conditions. Fatigue behavior must be considered for the design procedure of the components working under cyclic stresses. This behavior is strongly affected from thermo-mechanical processes arose within forming cutting and/or joining steps. This requires considering of the manufacturing processes evoluation of the performance of these parts. In this study, effect of cutting processes on the microstructure, static and dynamic deformation behavior of an Al Si coated 22MnB5 steel was investigated. Fatigue behavior of the samples cut from hot stamped sheets via laser and EDM cutting were investigated with low cycle fatigue tests. Variations in Stress- (S-N) curves obtained from these tests were discussed by considering the structural and mechanical variations that arise with various cutting strategies. Wire-EDM cutting did not considerably affect in martensitic microstructure. However, melting re-solidification stages of laser cutting method formed structural defects in the microstructure. This led detrimental effect on the fatigue performance of the laser cut samples. Keywords: Hot Forming, fatigue,automotive materials

2 1. GİRİŞ Yakit tüketimi azaltilmiş, hafif ve çevre dostu araçlar üretebilmek otomotiv sektörünün ana amaçlari arasindadir. Araç ağirlik azaltma taleplerinin artmasi, yüksek güvenlikli, iyi çarpişma özellikleri gösteren yüksek mukavemetli sac malzemelerden otomobil gövde bileşenleri oluşturulmasina yönelik çalişmalar hizla devam etmektedir. Bu kapsamda; 1977 yilinda patenti alinmiş ve günümüzde karmaşik geometrili parçalarin yüksek mukavemetli çeliklerden tek operasyonda şekillendirilmesinde yoğun olarak kullanilan sicak şekillendirme teknolojisi önemli bir yer tutmaktadir. Modern binek araçlarin A,B direkleri, kapi barlari gibi güvenlik fonksiyonuna sahip parçalar baskin olarak sicak şekillendirme yöntemi ile üretilmektedir [1, 2]. Sicak şekillendirme yönteminde yaygin olarak, Al-Si kaplamali 22MnB5 (Usibor 1500) saclar kullanilmaktadir. Sac malzeme 20 metrelik firin içerisinde C den yüksek sicakliklarda 5-7 dk süresince östenitlenir (Şekil 1). şekillendirme işlemi sürecinde, malzemenin çekme mukavemeti 1500 Mpa nin üzerine çikmaktadir.[7-9]. Şekil 2.Yillara göre sicak şekillendirilmiş parçalarin araçlarda kullanim yüzdesi Şekil 1. Sicak şekillendirme prosesi ve çalişmanin görsel özeti Sonrasinda ise robot vasitasiyla 30 0 C/s den yüksek soğutma hizina sahip olan kaliba transfer edilerek şekillendirme ve su verme işlemleri tamamlanir [3-5]. Sicak şekillendirme işleminde amaç şekillendirilen parçanin iç yapisinda tamamen martenzitik yapinin oluşturulmasidir. Bu bağlamda, martenzitik dönüşüm için gerekli kritik soğutma hizinin üzerinde soğumanin sağlanmasi gerekmektedir. Aksi halde, tam martenzit yapi yerine beynit, ferrit gibi fazlar ortaya çikacağindan mukavemet kayiplari ile karşilaşilmaktadir [6]. Sicak şekillendirme işlemi ostenit dönüşüm sicakliğinda gerçekleştirildiğinden geri yaylanma etkisi eser seviyelerde ortaya çikmaktadir. Bu durum parçalarin boyutsal özelliklerinin daha hassas biçimde çikarilmasina önemli bir katkida bulunmaktadir. Sicak Sicak şekillendirilmiş parçalarin araçlarda kullanimi her geçen gün artmaktadir. Sicak şekillendirme ile üretilen otomobil parçalarinin mukavemetleri 1500 MPa değerlerine ulaşir. Yorulma, sabit veya değişken yük altinda çalişan mekanik parçalarin mekanik performansinin belirlenmesinde göz önünde bulundurulmasi gereken çok önemli bir parametredir. Her mekanik eleman gibi otomobil parçasinin da yorulma davranişi, parçanin yapisal, mekanik ve çevresel özelliklerinden etkilenmektedir. Yorulma bütün mühendislik

3 hasarlarinda %80-90 oraninda öncelikli sebeptir. Yorulma ömrü tamamen malzemenin kendine özgü özelliklerinden değil, malzemeye uygulanilan işlemlerden de etkilenmektedir. Parçalarin araç üzerindeki yerlerini almalari yani nihai hallerine ulaştirilmasi için uygulanan işlemler esnasinda oluşan mikro boşluklar, kalinti gerilmeler, yüzey kusurlarinin ve soğuk veya sicak deformasyon ile tane yapisinda meydana gelen değişiklikler parçalarin yorulma davranişi üzerinde etkili olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, sicak şekillendirme ile üretilen otomobil gövde bileşeninin yorulma davranişlarinin belirlenmesi ve çalişma koşullari altindaki performanslari açisindan büyük önem arz etmektedir. Bu çalişmada sicak şekillendirilmiş parçalarin kesme/delme işlemlerinde uygulanilan proseslerin yorulma davranişina olan etkisi araştirilmiştir. Otomobil parçalarinin oluşturan malzemelerin farkli çalişma şartlarindan kaynaklanan yorulma özelliklerinin tam doğru değerlendirilebilmesi için gerilme-ömür (S-N) bilgilerini içeren geniş veri tabani oluşturulmuştur. Bu kapsamda, yüksek mukavemetli çeliklerden sicak şekillendirilmiş parçalarin kesilmesi/delinmesinde yaygin olarak kullanilan lazer kesim ve tel erezyonda kesim proseslerinin yorulma davranişlari üzerine etkisi sistematik bir biçimde ortaya konulmuştur. 2. MATERYAL METOT Çalişmada kimyasal içeriği Tablo 1 de verilen 2,2 mm kalinliğinda Al-Si kaplamali 22MnB5 sac malzeme kullanilmiştir. Öncelikli olarak U görüntü geometrisine sahip parçanin (Şekil 1) sicak şekillendirme işlemleri için prototip bir sicak şekillendirme kalibi tasarim, imalat çalişmalari gerçekleştirilmiştir. Ardindan üretilen sicak şekillendirme kalibinda 150X200X2mm ölçülere sahip sac malzeme 6 dk firin içerisinde östenitleştirme işlemlerinin ardindan 30 o C/sn hizla soğutma kapasiteli kalip içerisinde şekillendirme işlemleri tamamlanmiştir. etkilerinin anlaşilmasi için metalografik incelemeler de gerçekleştirilmiştir. Sicak şekillendirme işlemleri tamamlanan sac malzemelerin yorulma numuneleri lazer ve tel erezyon kullanilarak elde edilmiştir. Lazer kesme işlemleri için şekillendirilmiş deney parçasi için lazer fikstür tasarimi ve imalat çalişmalari gerçekleştirilmiştir. 4 kw güce sahip Trumpf 3040L lazer işleme makinesi kullanilarak kesme/delme işlemlerini gerçekleştirilmiştir. Tel erozyon yöntemi ile yapilan kesme çalişmalari için ise Sodick marka tel erozyon makinesini kullanilmiştir. Her iki proses için de kesme yüzeylerinde aşinma, çapak olup olmadiği gözle kontrol edilmiştir. Çalişmada şekillendirme işlemleri tamamlanan prototip parça, otomobil güvenlik parçalarindan olan kapi bari geometrisine benzetilmiş U form bir geometri de çalişmalar gerçekleştirildiğinden yorulma numunesi standart dişi ancak standart numunelerin mekanik koşullarini sağlayacak şekilde seçilmiştir. Sicak şekillendirme kalip parametreleri prosese özel değişkenlik gösterdiğinden hem parçanin şekillendirilebilirlik analizleri hemde kalip tasarimi ve üretimi ile ilgili çalişmalar genel soğuk şekillendirme süreçlerinden komplekstir. Bu nedenle, kesme etkilerini lazer ve erezyon kesimler için değeriendirebilmek açisindan küçük bir geometrinin kontrol edilebilirliği daha olasidir. Özellikle numune üzerindeki deliklerin farkli prosesler ile kesilmiş olmasinin yorulma davranişi üzerine etkisi incelendiğinden ANSYS de yorulma numunelerinin geometrisi üzerinde analizler gerçekleştirilmiştir. Yorulma numunesi olarak tasarlanan geometriye malzeme özellikleri dikkate alinarak uygulanabilecek maksimum gerilme olan 1.8 GPa gerilme uygulanmiştir. Uygulanilan gerilim neticesinde delik çevresinde saçilim incelendiğinde uygulanilan gerilimin yari mertebesinde (989 Mpa) normalize olduğu bölge kirmizi ile gözlemlenmektedir. Tablo 1. 22MnB5 sac malzemesinin kimyasal bileşimi Sicak şekillendirme işlemi tamamlanan parçalardan kesilen numunelerin statik mekanik davranişlari ve mukavemet süneklik özelliklerinin belirlenmesinde oda sicakliğinda çekme deneyleri uygulanmiştir. Kesme operasyonlarinin yapisal özellikler üzerindeki Şekil 3: Yorulma numunesi gerilme dağilimi

4 Şekil 4: Yorulma numunesi ayrintili gerilme dağilimi Şekil 3 ve Şekil 4 de verilen analizler neticesinde delik merkezinden en uygun uzaklik belirlenmiş ve numune geometrisi olarak alinmiştir. Uygulanilan gerilimin delik çevresinde normalize olduğu kisim ve yorulma cihazinin özellikleri dikkate alinarak optimize edilen numune boyutlari aşağidaki belirtildiği şekildedir. Şekil 6: 22MnB5 Martenzitik içyapi görüntüsü Her bir gerilme değeri için en az 3 numune kullanilarak gerçekleştirilen yorulma testleri neticesinde Şekil 7 ve Şekil 8 de sirasi ile tel erozyon ile kesilen ve lazer kullanilarak kesilen numunelere uygulanilan gerilme değerlerine karşilik gelen çevrim sayilarina göre üstel fonksiyon şeklinde ifade edilen logs-logn diyagramlari verilmiştir. Lazer ve tel erezyon ayni gerilme değerleri için karşilik gelen çevrim değerleri birlikte Şekil 9 da S-N diyagraminda verilmiştir. Şekil 5:Yorulma testi numune boyutlari İki farkli proses ile üretilen numunelerin yorulma gerilme kontrollü R=0,1 ve 15 Hz frekans araliğinda 300MPa ile 1000MPa gerilme araliğinda düşük çevrimli yorulma testleri gerçekleştirilmiştir. 3. SONUÇLAR Sicak şekillendirme işlemleri tamamlanan 22MnB5 sac malzemesinin 3 er numunenin çekme testleri gerçekleştirilip ortalamalari alinmiştir, 1550 MPa çekme mukavemeti,1400mpa akma mukavemet değerleri elde edilmiştir. 50 HRC sertlik değerindeki sac malzemelere metalografik incelemeler gerçekleştirilmiştir. 22MnB5 sac malzemenin içyapisinda istenen tam martenzitik dönüşümün sağlandiği görülmüştür. Şekil 7: Tel erezyon kullanilarak kesilen numunelerin logs-logn diyagrami Şekil 8: Lazer ile kesilen numunelerin logs-logn diyagrami

5 Malzemelerin yorulma ömürlerinin belirlenmesinde bir takim ampirik formüller kullanilir. Bunlarin en yaygin olanlarindan biri Basquin kanunu, Gerilme araliğinin malzemenin akma dayanimindan düşük olmasi durumunda geçerlidir [13]. S-N eğrisi logaritmik skalada elde edildiğinde, yorulma deneyi parçasi üzerine etkiyen gerilme genliği ile bu genlikte hasarin meydana geleceği çevrim sayisi arasindaki ilişki lineer bir doğruyla gösterilebilir. Doğrunun eğimi b, Basquin üsteli, aşağidaki formülle hesaplanir. logs-logss/ logn-logns= b S: Uygulanilan gerilme değeri S0: Yorulma sinir gerilme değeri N :Uygulanan gerilme değerine karşilik gelen çevrim sayisi N0:Yorulma sinir gerilme değerine karşilik gelen çevrim sayisi b:malzeme yorulma deneyleri sonunda elde edilen Basquin eğimidir. N 0 ve S 0 değerleri malzemeye ait karakteristik değerler olan yorulma siniri değerleri olarak seçilirse, makine parçasi üzerine gelen herhangi bir gerilme genliği değerine karşilik parçanin ne zaman kirilacaği belirtilen Basquin formülü ile hesaplanabilir. Bu bağlamda elde edilen yorulma testleri neticesinde lazer ve tel erezyonda kesilen numunelere ait lineer denklemler, basquin eğimleri grafikler üzerinde belirtilmiştir. Tel erezyon ile kesilen numunelerin yorulma deney sonuçlarindan Basquin eğimi:-0,2070 olarak elde edilmiştir (Bkz. Şek.7). Lazer ile kesilen numunelerin yorulma deney sonuçlarindan Basquin eğimi:-0,2764 olarak elde edilmiştir (Bkz. Şekil 8). Şekil 7 de verilen S-N diyagraminda lazer ile kesilen numunelerde 300 MPa gerilme değerlerine karşilik gelen çevrim değerleri; Lazer kesilen numuneler için 10 5 çevrim, tel erezyon kullanilarak kesilen numunelerde için 10 6 çevrim mertebelerinde yorulma sinir değerleri elde edilmiştir. Kesme işlemlerinin yorulma üzerine etkisinin araştirildiği makalelerde de benzer değerlerle paralellik söz konusudur [10-12]. S-N diyagrami incelendiğinde; yüksek gerilme değerleri uygulandiğinda Şekil 9 da lazer ve tel erezyonda kesilen numunelerin benzer yorulma davranişi sergilediği görülmektedir. Ayni gerilme değerlerine karşilik gelen çevrim sayilari arasindaki farkin en belirgin şekilde gözlemlendiği değer 300Mpa gerilme uygulanmasina karşilik gelen çevrim sayilarinda ortaya çikmiştir. Yorulma sinir değerinde yaklaşan değerlerde lazer ile kesilmiş numunelerin içyapilarinda isidan etkilenen bölgenin yorulma özelliklerini azalttiği yönünde yorum elde edebilmek amaci ile içyapi da lazer ile kesilen numunelerde isil etki gözlemlenmiştir (Bkz. Şekil 10). Şekil 9: Tel erezyon ve lazer ile kesilen numunelerin ortak S-N diyagrami Lazer ile kesilen numunelerde kesme başlangicinda hem kaplamayi hem de bir miktar çeliği ergitmesinden kaynaklanan havuz kismi belirgindir. Kesme kenari başlangicindan yukaridan aşağiya doğru Şekil 10 da belirtilen A-B-C yi takip eden normal içyapi renginden koyu bir şerit görülmektedir. Bu belirgin şerit lazer kesme de isidan etkilenen bölge olarak yorumlanabilir. Lazer pürüzsüz kesme hatti sağlamasina karşin yüksek isi sebebi ile metal içyapisinda ve dolayisi ile mekanik özelliklerde değişime sebebiyet vermektedir. Şekil 10: Lazer ile kesilen numunelerin kopma sonrasindaki içyapi görüntüsü Tel erezyon ile kesilen numunelerde küçük mikro çatlaklar yüksek büyütmelerde taramali elektron mikroskobunda gözlemlenmektedir (Şekil 12- d). Lazer kesme de de yer yer çatlaklar gözlemlenmiştir. Şekil 12. b)

6 mekanik özelliklerinin sinir değerlerde kullanildiği ve mukavemet değerlerinin dar toleranslar arasinda tutulduğu üretim ve kullanim alanlarinda, bu özellik önem teşkil etmektedir. Şekil 11: Tel erezyon ile kesilen numunelerin kopma sonrasindaki iç yapi görüntüsü 4. TARTIŞMA Bu çalişmada kesme yöntemlerinden erezyon ve lazerin sac malzemeler üzerinde oluşturduğu yapisal ve mekanik etkiler incelenmiştir. Erozyonla kesilen numunelerin yorulma dayanimlari 10 5 mertebelerinde lazerle kesilen numunelerin yorulma dayanimlari ise 10 3 mertebelerinde elde edilmiştir. Yüksek mukavemetli sac malzemelerin kesme işlemleri ile ilgili problemler ve çalişmalar önümüzdeki yillarda artarak devam edecektir. Yüksek hassasiyetlerle elde edilen şekillendirilmiş otomobil parçalarinin kesme yöntemlerine dikkat çekilmek istenmiştir. Otomotiv gövde güvenlik bileşenleri üretiminde kullanilan lazer prosesinin isil etkileri göz önünde bulundurulmalidir. Ultra yüksek mukavemetli sac malzemelerin kesme prosesleri üzerinde yeni çalişmalar gerçekleştirilebilir. 5.TEŞEKKÜR Bu çalişma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştirma Kurumu tarafindan desteklenmiştir. (TUBITAK-TEYDEB, Proje No: ). Şekil 12: a) Lazer ile kesilen numune b) Lazer kesme de gözlemlenen çatlaklar c) Tel ile kesilen numune d) Tel ile kesmede gözlemlenen çatlaklar Tel erezyon ile kesme sonucunda mekanik olan etkilerle meydana gelen bu çatlaklar mekanik özellikleri ciddi miktarda etkilemediği çekme ve yorulma deneylerinde saptanmiştir. Lazer kesme işlemlerinden çoğunlukla en iyi kesme yöntemi olduğu düşünülerek uygulama alani her geçen gün artmaktadir. Üretim esnasinda kesme işleminin çok küçük temaslarla gerçekleşmesine rağmen, lazerin ürettiği güce bağli olarak malzemelere isil bir etki söz konusu olabilmektedir. Ancak bu isil bölge kesimin yüzeyinde çok dar bir etki alaninda ortaya çikmaktadir. Malzemelerin mekanik özelliklerinin sinir değerlerine yakin kullanimlari söz konusu olduğunda, malzeme seçiminde ve üretiminde lazer prosesi kullanimi söz konusu olduğunda bu etkinin göz önünde bulundurulmasi önemli olacaktir. İşlemin proses parametreleri de çok önemlidir. Fakat kritik işlerde bu işlemin ürün üzerindeki etkisi ile ilgili bilgi sahibi olmak önemlidir. Bu sebeple malzemelerin KAYNAKLAR 1. Akerström, P., Modeling and simulation of hot stamping. Doctoral Theses, Luleå University of Technology, Sweden. 2. Patent GB , Manufacturing a hardened steel article, Norrbottens Jaernverk AB. 3. Karbasian, H. and Tekkaya, A.,2010, A Review on Hot Stamping, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, No. 15, pp Merklein, M., Lechler, J., Investigation of the thermo-mechanical properties of hot stamping steels. Journal of Materials Processing Technology 177, Naderi, M., Hot stamping of ultra high strength steels.doctoral Theses, RWTH Aachen. 6. Bergman, G., Modeling and Simultaneous forming and quenching. Doctoral Theses, Luleå University of Technology, Schweden.

7 7. George, R. Bardelcik, A. Worswick, M Localized die temperature control for tailored properties in hot forming of boron steels numerical study. IDDRG,Golden, CO, USA, Merklein, M., Lechler, J., Determination of material and process characteristics for hot stamping processes of quenchable ultra high strength steels with respect to a FE-based process design. SAE World Congress: Innovations in Steel and Applications of Advanced High Strength Steels for Automobile Structures, Paper No Hein,P.,2005 A global approach of the finite element simulation of hot stamping Advanced Metarial Research,Vol. 6-8,p A.Lara,I Picas, D. Casellas., 2013, Effect of the cutting process on the fatigue behaviour of press hardened and high strength dual phase steels, Journal of Materials Processing Technology Mäntyjärvi, K., Väisänen, A., Karjalainen, J.A., Cutting method influence of the fatigue resistance of ultra-high-strength steel. International Journal of Material Forming 2, Björkblad, A., Skrinjar, O., Influence of cut edges on fatigue properties for UHSS materials. Swerea KIMAB LättUHS Report 13. MSC. Fatigue User s Guide, Chapter 13, Fatigue Theory