AISI 430/1010 AlaĢım Çiftinin PTA Yöntemiyle Kaynak Edilebilirliliği

6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey AISI 430/1010 AlaĢım Çiftinin PTA Yöntemiyle Kaynak Edilebilirliliği H. DikbaĢ, A. Orhan, A. K. Gür, U. Çalıgülü ve M. TaĢkın Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Metal Eğitimi Bölümü 23119 ELAZIĞ hdikbas@firat.edu.tr, ayorhan@firat.edu.tr, akgur@firat.edu.tr, ucaligulu@firat.edu.tr, mtaskin@firat.edu.tr The Joinability with Plasma Tungsten Ark (PTA) Weld Method of AISI 430/304 Steels Abstract In this study, the joinability with Plasma Tungsten Ark (PTA) weld method of AISI 430/304 steels was investigated. The experiments were carried out in argon-nitrogen atmosphere, different ampere and fixed welded speed. After welded, the microstructures of the joints were examined by macroscopy and microscopy. Microhardness measurements were made in Vickers scale under the 200 gr load and max microhardness was measured N4 samples. As a result of all observations, samples were joined without any problems were observed. Keywords AISI 430, AISI 1010, PTA, Argon-Nitrogen shielded atmosphere F I.GĠRĠġ erritik kromlu paslanmaz çelikler, bileģiminde alaģım elementi ilavesine bağlı olarak bünyelerinde % 16-30 Cr içeren paslanmaz çelik ailesinin önemli bir gurubunu teģkil etmektedir [1]. Bu çelik sınıfı, kolaylıkla Ģekillendirilebilmeleri ve atmosferik korozyona karģı iyi direnç göstermelerinden dolayı, mimaride, iç ve dıģdekorasyonda, mutfak teçhizatında, çamaģır ve kurutma kazanlarının yapımında, gıda endüstrisinde, otomotiv endüstrisinde, petrokimya ve kimya endüstrilerinde geniģ bir uygulama alanına sahiptirler [2]. Ferritik kromlu paslanmaz çeliklerin geleneksel ergitme kaynak yöntemleri ile birleģtirilmesinde, bir dizi olumsuz metalurjik etken rol oynamaktadır. Bunlar; tane sınırlarında taneler arası korozyona neden olacak krom karbür çökelmesi, taneler arası korozyonun oluģmasıdır [3]. Ayrıca, bu çeliklerin ergitme kaynağı ile birle tirilmesinde ortaya çıkan önemli bir sorun da, bu çeliklerin 1150 o C nin üzerindeki sıcaklıklarda tane irile mesine karģı aģırı eğilimidir [1,2]. Normal halde ferritik kromlu paslanmaz çelikler, çok ince taneli sünek bir yapıya sahiptirler [4-6]. Ancak ergitme kaynak yöntemleri ile birle tirilmeleri durumunda ITAB ın bir kısmı 1150 0 C nin üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısınır ve dolayısıyla bu bölgede aģırı bir tane irileģmesi meydana gelir. BirleĢme bölgesinde meydana gelen bu tane irile mesi kaynaklı bağlantını mekanik özelliklerini olumsuz etkilemektedir [6-10]. PTA kaynağında, torcla elektrodun etrafından gelen argon gazı tungsten elektrod ve nozul arasındaki pilot ark sayesinde iyonize olmaktadır. Böylece iletken hale gelen plazma gazı nozulun uç kısmından geçerek dar bir sütun halinde parçaya iletilmektedir. Koruyucu gaz ise nozulun dıģ çevresinden kaynak bölgesine iletilerek kaynak banyosunu korumaktadır. Soğutma sisteminden gelen soğutucu sıvı ise özel kanallardan geçerek torca gitmekte ve buradaki ısıyı alarak, tekrar soğutucuda, kapalı devre, soğutmaktadır [11]. Ark kararlılığı ve akım Ģiddeti yüksek olduğundan daha nufuziyetli kaynak dikiģleri oluģturulur ve kullanım sırasında ark rahat kontrol altında tutulabilir, aynı zamanda kaynak süresi de azaltılır [12]. ġekil 1 de bazı gazlara ait entalpi değerleri verilmektedir. Azotun entalpisi hemen hemen tüm sıcaklık aralıklarında argonun sahip olduğu değerden çok daha yüksektir. Bir koruyucu gazın entalpisi ark oluģumunu, ark Ģeklini ve arktaki ısı dağılımını etkilemektedir. ġekil 1: Sıcaklığa bağlı olarak gaz entalpilerinin değiģimi [13]. 31

H. Dikbaş, A. Orhan, A. K. Gür, U. Çalıgülü, M. Taşkın Paslanmaz çeliklerin kayağı sırasında kaynak metalinin mikroyapısında ferrit ve östenitik fazları olup çeģitli miktarlarda δ-ferrit içermektedir. Koruyucu gaza ilave edilen az miktarda azot kuvvetli bir östenit yapı oluģturduğundan kaynak metali içerisindeki δ-ferrit miktarı düģmektedir [14]. Kaynak metali içerisinde ki farklı gazların miktarı ve dağılımı artık gerilmesi ve sertlik gibi özelliklere etki etmektedir [15]. Kotuyucu gaza ilave edilen azot miktarına baplı olarak, kaynak metali içerisinde ki azot içeriği lineer bir Ģekilde artmakata, koruyucu gaz içerisindeki azot içeriği kaynak voltajını ve kaynak metali içerisindeki ferrit miktarını etkilemektedir. Koruyucu gaz içerisindeki azot miktarına bağlı olarak ısı girdisi artmakta, ortaya çıkan ısı ise ark ile kaynatılan parçalara iletilmektedir. Çünkü azot argon gazından daha yüksek ısı iletimine sahiptir [16]. Bu çalıģmada, AISI 430 / AISI 1010 çelik çiftinin PTA kaynak yöntemiyle iki farklı amperde, farklı koruyucu gaz atmosferlerinde ve sabit kaynak ilerleme hızında birleģtirilebilirliği araģtırılmıģtır. II.DENEYSEL ÇALIġMALAR Bu çalıģmada 30x150x4 mm ölçülerinde AISI 430 ve AISI 1010 alaģımı kullanılmıģtır. PTA kaynak yöntemiyle kaynatılacak alaģım çiftlerinin kaynakla birleģtirilecek yüzeyleri birbirine dik ve paralel olacak Ģekilde kesilmiģtir. Yüzeyde kalıntı çapakların kalmaması için numunelerin yan yüzeyleri soğutma sıvılı taģlama tezgâhında taģlanarak temizlenmiģtir. ġekil 2 de PTA kaynak iģleminin Ģematik resmi, ġekil 3 de N 2 un kaynak dikiģine nüfuziyeti ve ġekil 4 de PTA kaynağı yapılmıģ numunelerin makro görüntüleri görülmektedir. Numuneler ve uygulanan kaynak parametreleri Tablo.1 de verilmiģtir. ġekil 3: Gazaltı kaynak yöntemlerinde azotun Ģematik gösterimi [17] Tablo 1: Numuneler ve Kaynak Parametreleri Parametreler N 1 N 2 N3 N4 Akım (A) U 100 110 120 130 Gerilim(V) A 14 15 16 17 Koruyucu Gaz ( m 3 /h) Ar + % 3 N 2 30 Plazma Gazı ( m 3 / h) Ar Elektrot Çapı (mm) Torç Malzeme Arsı Mesafe (mm) Ġlerleme Hızı (m/dak) V Torç Uç Çapı (mm) 0,5 4,7 3 4 0.15 3,25 *Enerji Girdisi (KJ) (Qw) 30, 36,3 42,2 48,6 8 Soğutma Ortamı Su (*Qw= η.u.a.60 / 1000.V = KJ [12]; η=0,55) Kaynak bölgesinin genel görünümünü göstermek için alınmıģ olan resimde malzeme boyunca birleģme bölgesi görülmektedir. Amper ayarı arttıkça nüfuziyette artmaktadır. BirleĢmede genel olarak dikiģin homojen ve düzgün bir geometriye sahip olduğu görülmektedir. (ġekil. 4). ġekil 4: PTA kaynak dikiģlerinin makro görüntüsü ġekil 2: Plazma Tungsten Ark (PTA) kaynak iģleminin Ģematik görüntüsü Ar + N 2 gaz ortamında yapılan iģlem sırasında ki N 2 (g) 2N (k) eģitliğini sağlayan iģlemin Ģematik görünüģü ġekil 3 de görülmektedir [17]. ġekil.5 Kaynak kesitinin karakterizasyonu 32

AISI 430/1010 Alaşım Çiftinin PTA Yöntemiyle Kaynak Edilebilirliliği Kaynak kesiti dört geometrik parametre kullanılarak karakterize edilir. Bunların birincisi ısı etkisi altında kalan bölgeyi de gösteren h 1, kaynak dikiģinin nüfuziyet derinliğini gösteren h 2, kot farkının altında oluģan kaynak çukurunu gösteren h 3, kaynak dikiģi havuzunu geniģliğini gösteren h 4 ve h 5 kaynak dikiģinin alt nüfuziyet geniģliğidir. Bu geometrik parametreler ġekil 5 de görülmektedir [1]. A. Metalografik İşlemler Numunelerin kaynak bölgesinden numune alınacak Ģekilde kesilip standart metalografik parlatma iģlemlerinden sonra AISI 430 tarafı 30 ml HCl + 10 ml HNO 3 + 3 H 2 O dağlayıcısı ile 12 V akımda 15-20 sn süreyle elektrolitik, AISI 1010 tarafı %2 Nital (2 ml HNO 3 + 98 ml Etil Alkol) dağlayıcısında 3 5 sn süreyle kimyasal olarak dağlanmıģtır. AISI 430 AISI 1010 B. Mikrosertlik İncelemeleri Mikrosertlik değerleri ġekil 6 da ki çizgi doğrultusunda 0,5 mm aralıklarla 10 sn bekleme süresinde ve 200 gr yük ile Future-Tech FM 700 marka mikrosertlik cihazıyla yapılmıģtır. A. Mikroyapı İncelemeleri III. DENEYSEL SONUÇLAR ġekil 6 da kaynak numunelerinden alınmıģ, optik mikroskop görüntüleri verilmiģtir. BirleĢtirme sonrasında kaynak yapılmıģ numunelerde ITAB belirgin bir Ģekilde görülmektedir. Özellikle erimiģ bölgeden iri taneli bölgeye geçiģin çok belirgin olduğu tespit edilmiģtir. ITAB da ince taneli bölge ve ısıdan etkilenmemiģ bölgelerde açık bir Ģekilde görülmektedir. ġekil 6 da numunelerden alınmıģ, optik mikroskop görüntüleri verilmiģtir. Bütün numunelerde oluģan mikroyapılar benzerlik gösterdiğinden her bir numuneden farklı bölgeden resim alınmıģtır. AISI 430 tarafında ve AISI 1010 tarafındaki ITAB lar çok belirgindir. ITAB da taneler irileģmiģ ve numuneler arası kuvvetli bir bağ oluģumu görülmektedir. BirleĢtirme sonrasında kaynak yapılmıģ numunelerde ITAB belirgin bir Ģekilde görülmektedir. ġekil 4 te de görüldüğü gibi nufüziyet artan akım oranına paralel olacak Ģekilde artmıģ ve N4 numunesinde max. noktaya ulaģmıģtır. ġekil 5 te bahsedilen h 5 indisi yalnız N4 numunesinde elde edilmiģtir. ġekil 6: Ar+N 2 atmosferinde kaynak edilmiģ numunelerden alınmıģ optik resimler B. Mikrosertlik Değerleri Elde edilen veriler ġekil 7 de grafik halinde verilmiģtir. ġekil 7 de ki mikrosertlik değerleri incelendiğinde mikrosertlik değerleri AISI 1010 tarafından baģlamıģ, kaynak metali ve AISI 430 tarafında bitmiģtir. AISI 1010 tarafında 125 Hv civarındayken sertlik değerleri ITAB dan itibaren artmıģ ve 33

H. Dikbaş, A. Orhan, A. K. Gür, U. Çalıgülü, M. Taşkın kaynak metalinin merkezinde max seviyelere 400 Hv ye çıkmıģtır. Aynı Ģekilde eğri AISI 430 tarafında ise 170 Hv seviyelerine inmiģtir. Artan kaynak akımı oranıyla paralel olacak Ģekilde sertlik değerleirnde artıģlar görülmüģtür. Bu artıģın koyruyucu gaza ilave edilen azotun ve hızlı soğumanın etkisinin olduğu düģünülmektedir. Ayrıca AISI 430 içinde ki alaģım elementerinden nitrür yapıcı olanlar ile AISI 1010 da ki Fe in N 2 ile birleģerek MN ler (metalnitrür) oluģturması kaynak dikiģinde ki sertlik artıģını açıklayabilir. Sertlik deneyi sonuçlarına bakıldığında sertlik değerlerinin birbirine yakın olduğu ġekil 7 de açıkça görülmektedir. Fakat kaynak arakesitinde sertlikteki artıģ göze çarpmaktadır. ġekil 7: Sertlik ölçümü yapilan bölgeler ve mikrosertlik değerleri IV.SONUÇLAR AISI 430/1010 alaģım çifti PTA kaynağıyla Ar + % 3 N 2 atmosferinde sıvı faz kaynağıyla birleģtirilmiģtir. Kaynak dikiģinde mikro yada makro çatlağa rastlanmamıģtır. Kaynak sırasında 100 A, 14 V değerlerinde enerji girdisi 30,8 KJ. 110 A, 15 V değerlerinde enerji girdisi 36,3 KJ. 120 A, 16 V değerlerinde enerji girdisi 42,2 KJ; 130 A, 17 V değerlerinde enerji girdisi 48,6 KJ çıkmıģtır. Mikrosertlik değerleri ITAB dan kaynak dikiģine doğru artmaktadır, sertlik enerji giriģine paralel bir Ģekilde artma göstermiģtir. Kaynak dikiģinin karekterizasyonu yapılmıģ ve yaklaģık olarak aģağıdaki değerler tespit edilmiģtir. N1 de; h 1 : 7 mm, h 2 : 2 mm, h 3 :+0.2 mm, h 4 :6 mm,, h 5 : 0 mm ; N2 de; h 1 : 9,5 mm, h 2 : 3 mm, h 3 : + 0,2 mm, h 4 : 8,5 mm,, h 5 : 0 mm ; N3 de; h 1 : 11 mm, h 2 : 3,2 mm, h 3 : +0,25 mm, h 4 : 9 mm,, h 5 : 0 mm ; N4 de; h 1 : 12 mm, h 2 : 4 mm, h 3 : +0,3 mm, h 4 : 9,5 mm,, h 5 : 1,5 mm ; çıkmıģtır. Bu sonuçlardan; artan kaynak akımı ve enerji girdisine bağlı olarak hem kaynak dikiģi havuzunu geniģliğinin hem de kaynak dikiģinin nüfuziyet derinliğinin arttığı tespit edilmiģtir. KAYNAKLAR [1] SavaĢkan, T., (2000), Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, Karadeniz Teknik Üniversitesi. Mak. Müh. Böl. Malz. Bil. Anabilim Dalı, Trabzon. [2] Erdoğan, M., (1999), Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Cilt I, Yayın no 62, Nobel Yayın Dağıtım. [3] Yılmaz, M., Çöl, M., Acet, M., (2003), Interface Properties of Aluminium/Steel Friction-Welded Components, Material Charaterizasyon, [4] Tylecote, R.Y., (1968), The Solid Phase Welding of Metals, Edward Arnold Ltd., London, pp 1-50. [5] Jenning, P., (1971), Some Properties of Dissimilar metal Joint Made By Friction Welding, The Welding Institue, Abinhton Hall, Cambridge, pp 14153. [6] Spindler, D. E., (1994), What Industry Needs to Know About Friction Welding, Welding J., pp 37-42. [7] Lucas, W., (1971), Process Parameters and Friction Welds, Met. Cons.and British,Welding J., pp 293-297. [8] TaĢkın, M., Çay, V.V., Özdemir, N., Sürtünme Kaynağı Ġle BirleĢtirilmiĢ AISI 430/Ç 1010 Çelik Çiftinin Arayüzey Mikroyapı Değerlendirmesi TEKNOLOJĠ, Cilt 8, (2005), Sayı 1, 65-70 [9] Kaluç, E., Taban, E. 2004, Plazma Arkı ile Kaynak ve Endüstriyel Uygulamaları MakinaTeknolojileri, Sayı 84. [10] Ġnternet: http://www.pro-fusiononline.com/ welding/ plasma.htm [11] Kaluç, E., Taban, E. 2004, Plazma Arkı ile Kaynak ve Endüstriyel Uygulamaları MakinaTeknolojileri, Sayı 84. [12] Mario Marcioni, www.plasmateam.com - Plazma Team SNC. Ġtalya [13] Tusek, J., Suban, M. 2000, Experimental Research of The Effect of Hydrogen in Argan as s Shielding Gas in Arc Welding of High-Alloy Stainless Steel, Ġnternational of Hydrogen Energy, 25 (4), 369-376 [14] Kerr, H. W., Leone, G. J. 1982. Ferrite to Austenite Transformation in Stainless Steels, Welding Journal, 61 (1), 13-17. [15] Lin, Y.C., Chen, P.Y. 2001, Effect of Nitrogen Content and Retained Ferrite on Residual Stress in Austenitic 34

AISI 430/1010 Alaşım Çiftinin PTA Yöntemiyle Kaynak Edilebilirliliği Stainless Steel Weldmets, Materials Sciende and Engineering A, 307, 195-191 [16] Cary, H. B. 1994, Modern Welding Technology, 3rd ed., Prentice-Hall Inc., 417, London. [17] Kuwana, T. Kokawa, H. And Saotome, M. Quantitive prediction of nitrogen absorbsion by stell during gas tungsten arc welding, 3 nd Ġnternational Seminar on the Numerical Analysis of Weldability, Graz-Seggau, Austria, 25-27 September 1995 35