SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI İLE BİRLEŞTİRİLMİŞ ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İSTATİSTİKSEL OLARAK İNCELENMESİ Kaan Özel 1, Cem S. Çetinarslan 2 1, 2 Trakya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, 22180, EDİRNE Telefon: (0 284) 226 12 17, Faks: (0 284) 226 12 25 e-posta: 1 kaanozel@trakya.edu.tr, 2 cemc@trakya.edu.tr ÖZET Bu çalışmada; 5083 alüminyum alaşımları, Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK) yöntemi ile birleştirilmiştir. Kaynak işleminde farklı parametreler kullanılmış olup kaynaklı bağlantılar için çeşitli mekanik ve metalürjik deneyler uygulanmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda, kaynaklı bağlantıların çekme, yorulma ve sertlik deneyleri sonuçları elde edilmiş ve deneyler için istatistiksel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, literatürden elde edilen çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Alüminyum Alaşımı, Mekanik Özellikler, Sertlik, İstatistiksel Analiz ABSTRACT In this study, 5083 aluminum alloys were joined by Friction Stir Welding (FSW) method. In the welding process, various parameters were used and then, mechanical and metallurgical investigations were carried out for joined parts. As a result of experimental studies, tensile, fatigue and hardness test results of welded joints were obtained and statistical analysis were carried out. Obtained results were interpreted by comparing literature Key Words: Friction Stir Welding, Aluminum Alloy, Mechanical Properties, Hardness, Statistical Analysis 1
1. GİRİŞ Sürtünme Karıştırma Kaynağı (SKK), ilk olarak Aralık 1991 de Uluslararası Kaynak Enstitüsü (TWI) ndeki araştırmacıların deneysel çalışmaları sonucunda ortaya çıkmıştır. TWI, bu yöntem üzerine birçok patente sahiptir [1]. Daha eski olan Sürtünme Kaynağı (SK), bu yöntemin temelini oluşturmaktadır. Bu birleştirme yöntemi, özellikle geleneksel yöntemlerle birleştirilmesi zor ve pahalı olan demir-dışı metaller için geliştirilmiş ve malzeme ve enerji tasarrufunu beraberinde getirmiştir. Ülkemizde endüstriyel anlamda kullanımı az ve kısıtlı olan SKK, havacılık, otomotiv ve gemi inşa endüstrisinde kısmen kullanım alanı bulmaktadır. Diğer geleneksel olmayan kaynak yöntemlerine göre, aynı ve farklı malzemelerin birleştirilmesinde kaynak sonrası düşük çarpılma miktarları sebebiyle avantaj sağlamaktadır [2]. SKK, sürtünme ısısı ortaya çıkarmak ve bağlantıda mekanik deformasyon oluşturmak amacıyla dönel çeşitli vida formlarına sahip takım kullanmaktadır. Sabit hızlı silindirik omuzlu takım sabit ilerleme hızında hareket etmekte ve sabitlenmiş olan malzemeleri çeşitli pozisyonlarda birleştirebilmektedir. Yöntem, diğer birleştirme teknolojilerine göre birçok avantaja sahip olup alüminyum, bronz, bakır, titanyum, çelik, magnezyum ve pirinç gibi çok sayıda malzemeyi kaynatmak için kullanılabilmektedir [3]. Sürtünme ısısı, ısı dirençli kaynak bileşenleri ve iş parçaları arasında oluşur. Mekanik karıştırma işlemi sonucu oluşturulan bu ısı ve malzemelerde ortaya çıkan adyabatik ısı, karıştırılan malzemelerin ergitme olmaksızın yumuşamasını sağlar. 5083 alüminyum alaşımları için birçok çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Zhou ve ark. 5083 alüminyum alaşımlarında SKK ve Metal Inert Gas (MIG) yöntemlerini kullanarak yorulma özelliklerini incelemişlerdir [4]. Hirata ve ark. 5083 alüminyum alaşımlarının SKK da karıştırma bölgesinde tane boyutunun incelenmesi üzerine araştırma yapmışlardır [5]. Grujicic ve ark. 5083 alüminyum alaşımlarının alın SKK da malzeme mikro yapı değişimi üzerine bir model geliştirmişlerdir [6]. Rao ve ark. 5083 alüminyum alaşımlarının asimetrik mekanik özellikleri ve çekme özellikleri tahmini üzerine inceleme yapmışlardır [7]. Taban ve ark. 5083 alüminyum alaşımlarının SKK, MIG ve Tungsten Inert Gas (TIG) yöntemi ile birleştirilmesi üzerine araştırma yapmışlardır [8]. Özel ve ark. SKK ile birleştirilmiş 5083 alüminyum alaşımlarının mekanik özellikleri üzerine çalışma gerçekleştirmişlerdir [9]. Bu literatüre istinaden, endüstride yaygın şekilde kullanılan 5083 alüminyum alaşımlarının SKK ile birleştirilmesi sonrası mekanik özelliklerindeki değişim istatistiksel olarak incelenmiştir. 2. DENEYSEL METOT Bu çalışmada, 5083 alüminyum alaşımları Şekil 1 de verildiği gibi kaynak edilebilirliğine göre seçilmiştir [3]. 2
Şekil 1. Alüminyum Alaşımlarının Kaynak Edilebilirlik Özellikleri 5083 alüminyum alaşımlarının birleştirilmesi, optimum parametrelerin elde edilmesi, birleştirilmiş parçaların mekanik ve metalürjik özelliklerinin belirlenmesi Isı Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) nin sertlik dağılımı deneysel olarak incelenmiştir. SKK deneylerinde kullanılan 5083 alüminyum alaşımlarına ait kimyasal bileşim, Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. 5083 Alüminyum Alaşımı Kimyasal Bileşimi Material Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti 5083 94.5 0.1 0.3 0.03 0.6 4.31 0.06 0.01 0.05 Tablo 2 de verilen kaynak parametreleri, literatür çalışmaları, SKK hazırlık deneyleri ve deneysel düzen kapasitesine göre seçilmiştir. Tablo 2. SKK Deneyleri İçin Kaynak Parametreleri No Birleştirilen Parça Sayısı Dönme Hızı İlerleme Hızı (dev/dak) (mm / dak) 1 3 40 2 3 550 80 3 3 40 4 3 700 80 5 3 40 6 3 800 80 7 3 40 8 3 1400 80 3
Birleştirilen parçalardan bir örnek Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2. SKK ile Birleştirilen Numune, 800 dev/dak 40 mm/dak Sürtünme Karıştırma Kaynağı ile birleştirme sonrası numuneler, çekme, yorulma ve sertlik deneyleri numunesi şeklinde hazırlanmışlardır. Bazı hazırlık aşamaları aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Ölçüm Bölgesi Şekil 3. Sertlik Deneyi Numunesi Şekil 4. Yorulma Deneyi Numunesi 4
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 3.1. Yorulma Deneyi Sonuçları Sabit dönme hızları (550 dev/dak, 700 dev/dak, 800 dev/dak, 1400 dev/dak) ile elde edilen yorulma deneyi sonuçları toplu halde Şekil 5 de verilmiştir. Şekil 5. Yorulma Deneyleri Sonuçları Deney sonuçlarından görülmektedir ki, düşük dönme ve ilerleme hızları ile birleştirilmiş olan numuneler diğer numunelere göre daha erken deforme olmuşlardır. Numuneler için bu düşük dönme ve ilerleme hızları bağ oluşumu için yeteri kadar karıştırma işlemi gerçekleştirmemişlerdir. 3.2. Sertlik Deneyi Sonuçları 5083 alüminyum alaşımları için mikro sertlik (HV 0,5) deneylerine ait kaynak merkezinden uzaklık - sertlik değeri diyagramları Şekil 6 da toplu halde verilmiştir. Şekil 6. Sertlik Deneyleri Sonuçları 5
Şekilden de görülebileceği gibi en yüksek mikro sertlik değerleri, kaynak merkezinde düşük devir sayılarında elde edilmiştir. Kaynak merkezinden uzaklaştıkça sertlik değerleri düşmektedir. 3.3. İstatiksel Analiz Sonuçları Mekanik deneylerden elde edilen sonuçların, istatistiksel analiz kapsamında güvenirlik ve geçerlilik analizleri Statistical Package for Social Sciences (SPSS) paket programı ile incelenmiştir. SPSS te yer alan Regresyon Analizi Modülü ile çekme, sertlik ve yorulma deneyleri sonuçlarına göre bir takım istatistiksel analiz çalışmaları gerçekleştirilmiş olup yapılan çalışmalara ait ekran görüntüleri ve analiz sonuçları için örnekler, aşağıdaki şekillerde verilmiştir. Şekil 7. SPSS te Regresyon Analizi İçin Kullanılan Sertlik Deneyleri Veri Girişi Örneği Şekil 8. SPSS te Regresyon Analizi İçin Kullanılan Yorulma Deneyleri Veri Girişi Örneği 6
Şekil 9. SPSS te Sertlik Deneyleri İçin Gerçekleştirilen Regresyon Analizi Sonuçları Örneği Şekil 10. SPSS te Sertlik Deneyleri İçin Gerçekleştirilen Regresyon Analizi Sonuçları Örneği 7
4. SONUÇLAR Bu çalışmada; endüstride yaygın biçimde kullanılan 5083 alüminyum alaşımları için SKK alın alına başarılı bir biçimde birleştirilmiştir. Daha sonra birleştirilmiş parçaların mekanik özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Bu deneysel veriler ile 5083 alüminyum alaşımlarının SKK ile birleştirilmesinde en yüksek sertlik dayanımı değerleri düşük devir sayılarında ve kaynak merkezinde, en yüksek yorulma dayanımı değerleri ise başlangıçta belirlenen uygun değerlerden olan 800 dev/dak ve 1400 dev/dak dönme hızlarında elde edilmiştir. Ayrıca, deneylerde elde edilen veriler ile SPSS paket programında yer alan Regresyon Analizi Modülü ile istatistiksel analizler gerçekleştirilmiş olup yapılan tüm deneyler arasında güvenirlik ve geçerlilik durumları da incelenmiştir. 6. KAYNAKÇA [1] V. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needham, M. G. Murch, P. Temple Smith, C. J. Dawes, Friction-stir butt welding, GB Patent No. 9125978.8, International patent application No. PCT/GB92/02203, 1991. 2) K. Özel, An Investigation on Friction Stir Welding of Aluminum Alloys, IMEF 2012, 5th International Mechanical Engineering Forum, Prague, Czech Republic, June 20-22, 2012, p. 743-753. 3) K. Özel, C. S. Çetinarslan, S. Karaman Genç, Joining of Aluminum Alloys with Friction Stir Welding Method, COMAT 2014, 3rd International Conference on Recent Trends in Structural Materials, Pilsen, Czech Republic, November 19-21, 2014. 4) C. Zhou, X. Yang, G. Luan, Fatigue Properties of Friction Stir Welds in Al 5083 Alloy, Scripta Materialia, 53, 2005, p. 1187-1191. 5) T. Hirata, T. Oguri, H. Hagino, T. Tanaka, S. W. Chung, Y. Takigawa, K. Higashi, Influence of Friction Stir Welding Parameters on Grain Size and Formability in 5083 Aluminum Alloy, Materials Science and Engineering A, 456, 2007, p. 344-349. 6) M. Grujicic, G. Arakere, H. V. Yalavarthy, T. He, C.-F. Yen, B. A. Cheeseman, Modeling AA5083 Material-Microstructure Evolution during Butt Friction Stir Welding, Journal of Materials Engineering and Performance, 19, 2010, p. 672-684. 7) D. Rao, K. Huber, J. Heerens, J.F. Santos, N. Huber, Asymmetric Mechanical Properties and Tensile Behaviour Prediction of Aluminium Alloy 5083 Friction Stir Welding Joints, Materials Science & Engineering A, 565, 2013, p. 44-50. 8) E. Taban, E. Kaluç, Microstructural and Mechanical Properties of Double-side MIG, TIG and Friction Stir Welded 5083-H321 Aluminium Alloy, Kovove Materialy- Metallic Materials, 44, 2006, pp. 25-33. 9) K. Özel, C. S. Çetinarslan, M. Şahin, Mechanical Properties of Friction Stir Welded 5083 Aluminum Alloys, Materials Testing, 59 (1), 2017, pp. 64-68. 8