PE LEVHALARIN SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMESİNDE DALMA VE BEKLEME SÜRESİNİN ETKİSİ

Transkript

1 PE LEVHALARIN SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMESİNDE DALMA VE BEKLEME SÜRESİNİN ETKİSİ Özet İdris Karagöz a ve Mustafa Öksüz b a Yalova Üniversitesi Yalova Meslek Yüksekokulu Lastik Plastik Teknolojisi Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE, idris_karagoz@hotmail.com b Marmara Üniversitesi Teknoloji Mühendisliği Fakültesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İstanbul/TÜRKİYE, moksuz@marmara.edu.tr Plastiklerin kaynakla birleştirilmesinde sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) oldukça yeni bir kaynak tekniğidir. Metal ve alaşımlarına oranla plastikler için endüstriyel kullanımı henüz yaygınlaşmamıştır. Bu çalışmada dalma ve bekleme süresinin kaynaklı bağlantının mekanik özellikleri ve kaynak için gerekli olan ısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla PE levhalar farklı dalma ve bekleme sürelerinde SKK ile birleştirilmiştir. Birleştirme esnasında dalma ve bekleme süresi sonunda ve kaynak hattı üzerinde belirli aralıklarla lazer sıcaklık ölçüm cihazı ile oluşan sıcaklıklar ölçülmüştür. Kaynak sonrası kaynaklı bağlantıdan alınan numunelere mekanik deneyler uygulanarak dalma ve bekleme süresinin kaynaklı bağlantı üzerindeki etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. Anahtar kelimeler: Sürtünme karıştırma kaynağı, polietilen, plastiklerin kaynağı, termoplastik, dalma ve bekleme süresi EFFECT OF INSERTION AND HOLDING PERIOD IN CONNECTION OF PE PLATES BY FRICTION STIR WELDING Abstract Friction stir welding (FSW) is a very new technique used in connecting plastics by welding. Its industrial usage for plastics has not become prevalent yet in contrary to metals and alloys. In this study the effects of insertion and holding period on mechanical properties of welded connection and the heat necessary for welding was examined. For this purpose PE plates were connected by FSW in different insertion and holding periods. During connection at the end of various insertion and holding periods and on welding line, the occurring temperatures were measured by laser temperature measurement device. Mechanical experiments were applied to samples taken from welded connection after welding in order to detect the effect of insertion and holding periods on welded connection. Keywords: friction stir welding, polyethylene, plastic welding, thermoplastic, insertion and holding period 13

2 1. Giriş Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK), 1991 yılında İngiltere Kaynak Enstitüsü (TWI) tarafından klasik sürtünme kaynağından geliştirilerek patenti alınan bir katı hal kaynak yöntemidir [1]. Günümüzde özellikle termoplastikler gibi bazı malzeme türleri için yöntemin endüstriyel olarak kullanılabilmesi amacıyla araştırmalara devam edilmektedir. SKK diğer birleştirme teknikleriyle kıyaslandığında, daha az enerji tüketimi ve koruyucu bir gaz kullanımına ihtiyaç duyulmaması, yöntemin basit ve uygulanabilir olması gibi özellikleriyle ön plana çıkmaktadır [2]. Havacılıktan, kara, deniz ve demiryolu taşımacılığına kadar pek çok endüstriyel alanda geniş bir uygulama alanına sahiptir. SKK ile çok farklı geometrilere sahip parçaların birleştirilebilmesi, kaynak için ön hazırlık gerektirmemesi, kaynak sonrası çok az deformasyonlu, çatlak veya boşluk meydana getirmeksizin güvenli bir kaynak yapmaya imkân sağlaması yöntemin en önemli avantajları olarak ön plana çıkmaktadır [3]. Bazı uygulamalar için kaynak hızının diğer kaynak yöntemlerine oranla düşük olması, kaynak yüzeylerinin iyi temizlenmediği ve sabitlemenin düzgün yapılmadığı durumlarda malzemelerde atık gerilmeler oluşturması SKK yönteminin dezavantajları olarak ön plana çıkmaktadır [4]. Bu çalışmada, endüstrideki kullanım oranı göz önüne alınarak seçilen polietilen (PE) malzemeden üretilmiş levhalar SKK ile birleştirilmiştir. Birleştirme işlemi sonrasında kaynaklı bağlantıdan alınan numunelere mekanik ve ısıl deneyler uygulanmıştır. Kaynak parametreleri açısından önemli bir yere sahip olan dalma ve bekleme süresinin kaynak performansı ve mekanik özellikler üzerindeki etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. 2. Deneysel Çalışmalar Deneysel çalışmalarda, Simona firmasına ait ticari adı PE-HWST, yoğunluğu 0,947 g/cm 3, çekme mukavemeti 22 MPa, akma uzaması %9, elastik çekme modülü 900 MPa, Çentik darbe dayanımı 21 kj/m 2, sertliği 0 Shore D ve çalışma sıcaklık aralığı -0/+80 o C olan PE levhalar kullanılmıştır. Üniversal freze tezgâhında dönme hızlarının sınırlı olması, yüksek devirlerde gerçekleştirilmesi planlanan birleştirme işlemi için yeterli olmamaktadır. Bu nedenle PE levhaların birleştirilmesi amacıyla 100x600 mm tabla ölçülerine sahip, mil HP (spendle) oranı 1/10, mil (spendle) hızı devir/dk. olan yüksek dönme ve ilerleme hızlarına çıkabilen Tayvanlı bir CNC tezgah üreticisi olan AWEA firmasının BM-80 modeli CNC dik işleme merkezi kullanılmıştır. PE levhalar M8 karıştırıcı uca sahip ve omuz çapı 2 mm olan klasik alüminyum stili kaynak takımı kullanılarak birleştirilmiştir. Birleştirme esnasında takım dönme devri 4000 devir/dk., takım ilerleme hızı 20 mm/dk. olarak sabit tutulmuş ve 30, 60 ve 90 saniye olarak üç farklı dalma ve bekleme süresi kullanılmıştır. Kaynaklı birleştirmede kullanılan kaynak parametreleri Tablo 1. de verilmiştir. PE levhaların SKK ile birleştirilmesine başlamadan önce makinanın ve hareketli kısımların ısınması amacıyla makine beş dakika kadar sabit devirde çalıştırılmıştır. Daha sonra makinanın programlama dili olan Fanuc 0i-MateMC programı yardımıyla bilgisayar kontrollü olarak SKK ile PE levhalar birleştirilmiştir. Birleştirme işlemi sonrasında birleştirilen levhalardan ASTM D412 Tip A (UL-62-A) ya göre su jeti ile kesilerek alınan numuneler (Şekil 1.) üzerinde mekanik (Çekme, eğme, sertlik) ve ısıl deneyler (Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), yumuşama sıcaklık deneyi (VICAT)) uygulanmıştır. 136

3 Deney No Dalma ve bekleme Süresi (Sn) Tablo 1 Kaynak parametreleri Takım Dönme Devri (devir/dak) Takım İlerleme Hızı (mm/dak) D D D R2 R1 4 R1 4 R Takım ilerleme yönünün tersi Takım ilerleme yönü Şekil 1. ASTM D412 Tip A (UL-62-A) ya göre SKK ile birleştirilmiş levhadan alınan test numuneleri Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) deneyi ile bir atmosfer ortamında sıcaklığın ve zamanın fonksiyonu olarak malzemedeki camsı geçiş sıcaklığı, erime ve kaynama noktası, kristalleşme zamanı, sıcaklığı vb. gibi geçişlerin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Bu geçişler sıcaklık ve ısı akışına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. DSC ile yaptığımız bu ölçümler dalma ve bekleme süresinin SKK kaynak performansı üzerindeki endotermik, ekzotermik ve ısı kapasitesindeki değişiklikleri içeren fiziksel ve kimyasal değişimler hakkında kantitatif ve kalitatif bilgileri vermektedir. DSC deneyinde; SKK sonrası kaynaklı levhalardan Şekil 2 de gösterilen şekilde kaynaklı bölgeden (2 nolu bölge) ve ana malzemeden (1 nolu bölge) alınan örneklerin Setaram DSC 11 cihazında 0 ml/dk., N 2 akımı altında, 20 o C/dk. Isıtma hızında erime termogramları kaydedilmiştir. DSC erime piklerinin analiziyle, farklı dalma ve bekleme sürelerinde SKK ile birleştirilmiş örneklerin erime davranışları incelenmiş, kristal lamel kalınlıkları ve kristalizasyon yüzdeleri hesaplanmıştır. Kristalizayon yüzdeleri (Xc), örneklerin DSC erime eğrileri altında kalan alanın hesaplanmasıyla elde edilen erime entalpilerinin ( Hm, 137

4 J/g), polietilenin %100 kristal haldeki erime entalpisine ( H o m, 293 J/g) oranlanmasıyla hesaplanmaktadır. Kristal hesaplamalarında kullanılan bağıntı (1) aşağıdaki gibidir []. Farklı dalma ve bekleme süresi kullanılarak birleştirilen PE levhaların DSC eğrilerinden elde edilen erime pik sıcaklıkları (Tm) ve erime entalpileri kullanılarak, aşağıda verilen Gibbs-Thomson eşitliğiyle (2) kristal lamel kalınlıkları hesaplanmıştır. Denklemde T o m denge erime sıcaklığını (PE: 146 o C), e kristallerin serbest yüzey enerjisini (PE:90 mj/m2), kristal lamel kalınlığını (nm), Hm erime entalpisini (J/g) ifade etmektedir []. (1) (2) DSC Numunesinin Alındığı 2 Nolu Kaynaklı Bölge Referans Numune Kaynaklı Bölge DSC Ana Malzeme Numunesinin Alındığı 1 Nolu Bölge Referans Numune Takım ilerleme yönü 2 1 Takım ilerleme yönünün tersi Kaynaklanmayan alt yüzey 3. Deneysel Sonuçlar Birleşme ara yüzeyi Şekil 2. DSC için numune alınan bölgeler Mekanik deneylere ait sonuçlar toplu olarak Tablo 2 de, ısıl deneylere ait sonuçlar ise Tablo 3 te verilmiştir. Çekme testlerine ait sonuçlar incelendiğinde, kaynak başlangıcında 30 saniye dalma ve bekleme süresine sahip D3 numaralı birleştirme işleminin en iyi çekme mukavemet değerine (21,27 MPa) sahip olduğu görülmektedir. Genel olarak mekanik deney performansları referans numune ile karşılaştırıldığında sonuçların başarılı olduğu gözlenmektedir. Eğilme performansı referans numuneden daha yüksek olarak gerçekleşmiştir. Dalma ve bekleme süresinin etkisi plastiklerin termal ve viskoelastik özelliklerine göre değişiklik göstermektedir Kaynak başlangıcında dalma ve bekleme sonrası elde edilen ısının kaynak hattı boyunca taşınmasında bu etki açıkça gözlemlenmektedir. Yüzeyden yapılan sertlik ölçümlerinde kaynaklı bağlantıların yüzey sertliği referans numuneden daha yüksek olarak ölçülmüştür. Bunun kaynak takımının omuz kısmının malzeme yüzeyinde yaptığı baskıdan kaynaklandığı düşünülmektedir. Karışım bölgesine yakın olan noktalarda bu baskının etkisi azaldığı için yüzeyin altındaki noktalarda sertliğin referans malzemenin sertliğinden daha düşük olarak gerçekleşeceği tahmin edilmektedir. 138

5 Deney No Referans Numune Çekme Mukavemeti (MPa) Tablo 2 Mekanik deney sonuçları Çekme Eğme Kaynak Mukavemeti Performansı (MPa) (%) Eğme Kaynak Performansı (%) Sertlik (Shore D) D D D Yüksek sıcaklıklarda yapılan birleştirme işlemlerinde, birleştirme bölgesinin yavaş soğumasına ve buna bağlı olarak kristallenme oranının artması beklenmektedir. Ancak Tablo 3. te verilen sonuçlar incelendiğinde kristallenme oranlarında ve kristal lamel kalınlıklarında beklentilerin aksine bir sonuç elde edildiği görülmektedir. Bu durumun birleştirme esnasında kısa karıştırma sürelerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. Çünkü kısa karıştırma sürelerinde hızla artan sıcaklığın, ideal kaynak sıcaklığının altında ya da üstünde olması kaynak bölgesindeki nüfuziyeti ve buna bağlı olaraktan kaynak mukavemetini negatif olarak etkilemektedir. Kristallenme oranı termoplastiklerin mekanik özellikleri ve yumuşama sıcaklıkları üzerinde etkili olmaktadır. Bu nedenle SKK ile termoplastiklerin birleştirilmesinde kristallenme oranının önemi büyüktür. SKK ile birleştirilen PE levhalarda birleştirme sonrası yapılan testlerde VICAT yumuşama sıcaklığının küçük miktarlarda da olsa arttığı gözlemlenmiştir. Testler esnasında batma iğnesi sıcaklık ~90 C ye geldiğinde numune yüzeyine batmış ve 120 C ye gelinceye kadar batma hızı normal bir seyir izlemiş, sıcaklık 130 C yi geçtikten sonra batma hızı artmıştır. Deney No Referans Numune Hm (J/g) H m (J/g) Tablo 3 Isıl deney sonuçları e Tm T m (mj/m 2 ) ( C) ( C) Xc (%) (nm) VICAT ( C) , ,6 14, D , ,2 14,7 132,3 D , ,4 13,8 132,1 D , ,1 12, 132,1 4. Sonuçlar ve Tartışma Termoplastiklerin SKK ile birleştirilmesinde kaynak başlangıcında dalma ve bekleme süresi birleştirme işlemi için gerekli olan ısının elde edilmesi, taşınması ve kaynaklı birleştirmenin yüzey görüntüsü üzerinde etkili olmaktadır. Çok yüksek ya da çok düşük dalma ve bekleme sürelerinin SKK kaynak performansı ve mukavemeti üzerinde etkili olmaktadır. Kaynak başlangıcında dalma ve bekleme sürelerinin arttırılması, kaynaklı bölgenin kristal yüzdelerini ve kristal lamel kalınlıklarını düşürmektedir. Yüksek bekleme sürelerinde oluşan ısının etkisiyle kaynak bölgesindeki plastik malzeme daha akışkan bir hale gelmekte ve plastik malzemenin kontrolü zorlaşmaktadır. Düşük sürelerde ise birleştirme işlemi için gerekli olan ısının elde edilmesi ve taşınması zorlaşmaktadır. Buna bağlı olaraktan kaynak bölgesinde kaynak takım ucu tarafından ana 139

6 malzemeden koparılan parçanın ısı ve basınç etkisiyle plastik kıvamına getirilmesi ve kaynak bölgesini doldurması daha uzun bir çevrimde gerçekleşmektedir. Yetersiz nüfuziyet ve kaynak ısısı kaynak performansını olumsuz yönde etkilemekte ve kaynaklı bağlantının mukavemetini zayıflatmaktadır. İdeal dalma ve bekleme süresinin kullanılan takım omuz çapına, takım geometrisine, karıştırıcı uç çapına, plastik malzeme türüne ve kalınlığına göre değişiklik göstereceği unutulmamalıdır. Semboller Tm : Erime pik sıcaklıkları ( C) T m : Denge erime sıcaklığı ( C) Xc : Kristalizasyon yüzdesi (%) e : Kristallerin serbest yüzey enerjisi (mj/m 2 ) Hm : Erime entalpisi (J/g) H m : %100 Kristal haldeki erime entalpisi (J/g) : Kristal lamel kalınlığı (nm) Kaynaklar [1]Mishra, R.S., Ma, Z.Y., 200 Friction Stir Welding and Processing Materials, Science and Engineering Volume 0 (R0), p [2]Karagöz, İ., 2014 Termoplastiklerin Sürtünme Karıştırma Kaynak Özellikleri, Doktora Tezi, Marmara üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye. [3]Kaluç, E., Taban, E., 2007 Sürtünen Eleman İle Kaynak (FSW) Yöntemi, MMO/2007/460, Makina Mühendisleri Odası, Ankara, Türkiye. [4]Santiago, D., Urguiza, S., Lombera, G., Vedia, L., D Modelling of Material Flow and Temperature in Friction Stir Welding, Soldagem Insp. Sao Paulo, Vol 148, p []Karagöz, İ., Öksüz, M., 2014 Termoplastiklerin Sürtünme Karıştırma Kaynağında Takım Devir Hızının Ve Takım Omzu Dalma Derinliğinin Etkisi, 3.Uluslararası Kaynak Teknolojileri Konferansı ve Sergisi, Mayıs 2014, Manisa-Türkiye. 140