2. Ulusal Tasarım İmalat ve Analiz Kongresi 11-12 Kasım 2010- Balıkesir SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAK (SKK) YÖNTEMİ İÇİN TAKIM TASARIMI VE KAYNAK UYGULAMASI Alaaddin TOKTAŞ, Gülcan TOKTAŞ atoktas@balikesir.edu.tr Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 10145-Balıkesir gzeytin@balikesir.edu.tr Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 10145-Balıkesir ÖZET Sürtünme karıştırma kaynak yöntemi ergitme olmaksızın birleştirme esasına dayanan bir katı hal kaynak tekniğidir. Yöntem, 1990 lı yılların başında keşfedilmiş ve günümüze kadar birçok endüstriyel uygulamalarda kullanılmıştır. Sürtünme karıştırma kaynaklı birleştirmelerin metalurjik ve mekanik özellikleri büyük ölçüde kaynak sırasında sürtünme ve karıştırma işini yapan takım tarafından belirlenmektedir. Bu çalışmada; sürtünme karıştırma kaynağında kullanılmak üzere, karıştırıcı uç yüksekliği ayarlanabilen bir takım tasarımı ve imalatı gerçekleştirilmiştir. İmal edilen takım 6063 Alüminyum alaşımı levhaların birleştirilmesinde kullanılmıştır. Daha sonra kaynaklı levhaların iç yapı incelemesi ve mekanik testleri yapılarak takımın işlevi kontrol edilmiştir. Yapılan kaynak işlemleri sonrasında takımda herhangi bir deformasyon veya aşınma gözlenmemiştir. Mekanik deneyler sonucunda kaynaklı levhalarda takım tasarımına ve kaynak parametrelerine bağlı olarak herhangi bir kusur görülmemiştir. Anahtar Sözcükler: Sürtünme karıştırma kaynağı, kaynak takımı, mekanik özellikler. ABSTRACT Friction stir welding is a solid state welding technique that is based on joining without fusion. This method was invented at the beginning of nineties and had been used in many industrial applications up-to-date. The metallurgical and the mechanical properties of the friction stir welded joints are determined largely by the tool that makes the stirring and the friction during welding. In this study, a tool with an adjustable pin was designed and manufactured in order to use in friction stir welding. The manufactured tool was used in the joinning of 6063 Al alloy plates. After that, the function of the tool was controlled by the microstructural and the mechanical investigations. No deformation or wear were observed on the tool after the welding processes. In addition, no weld defects that is related to the tool design and the weld parameters were seen on the welded plates by the result of mechanical tests. Keywords: Friction stir welding, welding tool, mechanical properties. 192
1. GİRİŞ Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) 1991 yılında TWI (The Welding Institute) tarafından keşfedilen nispeten yeni sayılan bir katı hal kaynak tekniğidir. Bu teknik; ergitme kaynağı ile birleştirilmeleri zor olan çökelme sertleşmeli Al alaşımları da dahil pek çok Al alaşımlarına, magnezyum, kurşun, titanyum, çinko alaşımlarına, plastiklere ve yumuşak çeliklere başarıyla uygulanabilmektedir. Kaynak işlemi özel olarak imal edilmiş sürtünme karıştırma kaynağı tezgahlarında veya robotlarla yapılabildiği gibi mevcut freze tezgahlarında da yapılabilir. Sürtünme karıştırma kaynağında aşınmaya (sürtünmeye) dirençli omuz ve uçtan (karıştırıcıdan) oluşan bir takım kullanılır. Omuz : Kaynak sırasında sürtünme sonucu ısı meydana getirir, malzemenin etrafa saçılmasını önler ve takımın etrafındaki malzeme hareketine yardımcı olur. Uç : Öncelikli görevi takımın etrafındaki malzemeyi deforme etmektir. Bunun yanında kaynak işlemi için ısı sağlar [1,2]. Belirli devirde dönen takım ucu alın alına birleştirilmiş levhaların birleşim çizgisinden uygun olan bir basınç kuvvetiyle daldırılır. Kaynak esnasında karıştırıcı uç, malzeme içinde dönme hareketi ile ilerlerken; omuz, kaynaklanan levhaların üst yüzeyi ile temas halinde kaynak yönünde hareket eder. Bu kaynak yönteminde geleneksel ergitme kaynağına göre daha az çarpılma ve artık gerilmeler oluşurken, esas metal mekanik özelliklerine daha fazla yaklaşılır. Ayrıca daha az kaynak hatası görülür ve kalın kesitler tek pasoda kaynaklanabilir [1,3]. Kaynak kalitesini belirleyen başlıca parametreler takım dönme hızı (takım devri), takım ilerleme hızı ve takım geometrisidir. Takım dönme hızı ve ilerleme hızı ile ilgili literatürde yeterince çalışma bulunmaktadır [4-11]. Bununla birlikte son zamanlarda takım geometrisi üzerine çalışmalar hızla devam etmektedir. Tozaki ve arkadaşları [12] uç uzunluğunun ve omuz çapının kaynağın yapısına ve statik dayanımına etkisini inceleyerek en yüksek çekme-kayma dayanımlarının 3.7 mm uç uzunluğunda ve 10 mm omuz çapında elde edildiğini bildirmişlerdir. Lin ve arkadaşları [13,14] düz takım ile yapılan kaynaklarda iç yapının ve kırılma modunun konkav takım ile olandan daha farklı olduğunu vurgulamışlardır. Badarinarayan ve arkadaşları [15], uç geometrisi ve uç uzunluğunun statik dayanım üzerine etkisini inceleyerek, en yüksek statik dayanıma 1.4 mm uç uzunluğunda ve kalın uçta ulaşıldığını bildirmişlerdir. Yapılan daha önceki çalışmalarda takıma dair uç geometrisi, uç uzunluğu ve omuz çapı gibi parametreler yeterince incelenmiştir. Bu çalışmada belirli bir geometride, dalma yüksekliği ayarlanabilen karıştırıcı uca sahip bir takım tasarımı ve imalatı amaçlanmıştır. Yüksekliği ayarlanabilen uç ile farklı malzeme cinslerinin ve farklı kalınlıktaki malzemelerin kaynağının aynı takım ile yapılabilmesi ve karıştırıcı ucun aşınması halinde yenisiyle değiştirilebilmesi de çalışmanın amaçları arasındadır. Ayrıca tasarlanıp imal edilen takımın belirli kalınlıktaki 6063 Al levhaların birleştirilmesinde kullanılması, kaynaklı levhaların iç yapı ve mekanik özellikleri incelenerek takımın işlevinin kontrol edilmesi de amaçlanmıştır. 193
2. TAKIM TASARIMI VE İMALATI Sürtünme karıştırma kaynak işlemini gerçekleştirmek üzere tasarlanan takıma ait omuz ve karıştırıcı uç resimleri Şekil 1 de verilmiştir. Yapılan literatür araştırmasında [16] kaynak sonrası en iyi mekanik ve iç yapı özelliklerinin, omuz/uç çapı arasındaki oranın 3 olduğunda sağlandığı görüldüğünden, çalışmamızda bu oran 3 (18/6) olarak belirlenmiştir. Karıştırıcı uç; yandan ve üstten olmak üzere iki adet vida (gömme aylan) ile omuza sabitlenmiş, böylelikle ucun yüksekliğinin kaynaklanacak levhaların kalınlığına bağlı olarak kolaylıkla ayarlanabilmesi ve uç aşındığında yenisiyle değiştirilebilmesi öngörülmüştür. Omuzun üstünde bulunan alyan başlı civata ile uç yüksekliğinin ayarlanabilmesi, takımın yan kısmındaki alyan başlı civatayla da ucun hedeflenen yükseklikte sabitlenebilmesi hedeflenmiştir. 2.1 Malzeme Seçimi Sürtünme karıştırma kaynağı sırasında yüksek oranda sürtünme nedeniyle ısı meydana geleceğinden omuzun yüksek sıcaklıklara dayanıklı bir malzeme olan DIN 1.2714 kalite sıcak iş takım çeliğinden imal edilmesi uygun görülmüştür. Omuzun sürtünmeye/aşınmaya dirençli olabilmesi için belirli bir sertlikte olması gerektiğinden; sıcak iş takım çeliğinden imal edilen omuza, 880 C de 1 saat ostenitleme yapılarak yağda su verilmiş ve ardından omuz 300 C de 1 saat menevişlenmiştir. Bu ıslah işlemi sonunda omuzun sertliği 45 HRc olarak sürtünme işi için uygun sertlikte ölçülmüştür. Karıştırıcı uç malzemesi için ise CNC tezgahlarında kullanılan HSS-E hava çeliğinden imal edilen ve 62 HRc sertliğine sahip M6 kılavuzları uygun görülmüş, atıl durumdaki bu kılavuzların arka tarafları elmas uç ile 0.75 mm hatve ölçüsünde ve sağ diş yönünde işlenmiştir. 2.2 Takımın Kaynak İşleminde Kullanılması İmal edilen takımın tasarım ve malzeme açısından işlevinin kontrol edilmesi için aşağıda detayları verilen kaynak şartlarında bir seri sürtünme karıştırma kaynağı yapılmıştır. 2.2.1 Kaynak Malzemesi ve Kaynak Parametreleri Kaynak işleminde 3.70 mm kalınlığında, 75 mm genişliğinde ekstrüzyon işlemiyle üretilmiş, kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen AA 6063 Alüminyum alaşımından levhalar kullanılmıştır. Tablo 1. AA 6063 alüminyum alaşımının kimyasal bileşimi (% ağırlık olarak). Fe Mg Si Cu Mn Zn Ti Cr Al 0.195 0.479 0.439 0.004 0.029 0.007 0.013 0.003 geri kalan Sürtünme karıştırma kaynak işlemleri, 10 kw gücündeki Stankoimport marka dik işlem freze tezgahı ile 6. Bakım Merkezi Komutanlığında (Balıkesir) yapılmıştır. Çalışmada kullanılan kaynak parametreleri Tablo 2 de verilmiştir. 194
a) b) c) Şekil 1. Kaynak işlemi için tasarlanan a) omuz, b) karıştırıcı uç ve c) takım. 195
Tablo 2. Kaynak parametreleri. Malzeme AA 6063 AlMgSi alaşımı Malzeme kalınlığı 3.70 mm Uç dalma derinliği 3.55 mm Omuz 18 mm çapında 45 HRc sertliğinde DIN 1.2714 Karıştırıcı uç M6 0.75 10 ölçüsünde 62 HRc sertliğinde HSS-E çeliği Takım açısı 2 Takım dönme yönü Saat yönü Kaynak yönü Ekstrüzyon yönüne paralel Takım devri (dev/dak.) 800, 1120 ve 1600 İlerleme hızı (mm/dak.) 200 ve 315 2.2.2 İç Yapı ve Mekanik Özellik İncelemesi Levhaların kaynaklı bölgelerinin iç yapılarını incelemek için levhalara standart metalografik numune hazırlama işlemleri uygulanmış ve parlatılmış yüzeyler Keller ayıracı ile dağlanmıştır. Kaynakların sertlik dağılımlarını incelemek maksadıyla levhaların kaynak doğrultusuna dik olan kesitinin orta bölgesinden, Otto Wolpert-Werke marka sertlik ölçme cihazıyla 1 kgf yükün 15 saniye süreyle uygulanmasıyla Vickers sertlik (HV 1 ) ölçümleri yapılmıştır. Kaynaklı levhaların çekme özelliklerini belirlemek için TS 287 EN 895 [17] standardına uygun çekme deneyleri yapılmıştır. Çekme numuneleri kaynak yönüne dik yönde ve standarda uygun olarak hazırlanmışlardır. Çekme deneyleri 25 ton kapasiteli Shimadzu marka çekme cihazında 1 mm/dak lık çekme hızında gerçekleştirilmiştir. Kaynaklı levhalardan çıkarılan eğme numunelerine TS 6067 [18] standardına uygun olarak 180 eğme (katlama) deneyleri yapılmıştır. Eğme işlemi 5 ton kapasiteli çekme cihazında yaklaşık 1mm/dak lık eğme hızında yapılmıştır. 2.2.3 Deney Sonuçları ve Tartışma İmal edilen takım ile 750 şer mm uzunluğunda 36 adet 6063 Al levhanın kaynağı yapılmıştır. Kaynak işlemleri sırasında pirometre yardımıyla kaynağa mümkün olan en yakın bölgeden (omuzun 10 mm gerisinden) kaynak sıcaklıkları ölçülmüş ve bu sıcaklıkların 388-526 C arasında değiştiği görülmüştür. Bu sıcaklıklarda yapılan bir seri kaynak işlemlerinden sonra imal edilen uçta ve omuzda herhangi bir aşınma veya deformasyon gözlenmemiştir. Buna göre seçilen omuz ve uç geometrileri ile malzemelerinin 6063 Al alaşımının kaynağı için uygun olduğu söylenebilir. Kaynaklı bölgelerden alınan iç yapıların literatürle uyum içinde olduğu görülmüştür. Kaynak çekirdeği, termomekanik etki ve ısı tesiri altındaki bölgeler belirgin bir şekilde gözlenmiştir. 1120 devir/dak. takım devri ve 200 mm/dak. ilerleme hızında yapılan kaynağa ait iç yapı resimleri Şekil 2 de verilmiştir. 196
a) b) c) d) Şekil 2. 1120 dev/dak da 200 mm/dak. İlerleme hızında yapılan kaynağa ait iç yapı resimleri. a) KÇ: Kaynak çekirdeği, b) TEAB: Termomekanik etki altındaki bölge, c) ITAB: Isı tesiri altındaki bölge ve d) EM: Esas metal. İç yapı incelemelerinde takım geometrisinden kaynaklanan herhangi bir kusur gözlenmemiştir. Kaynak çekirdeğindeki görülen koyu renkli zik zak çizgileri aslında takım eksenli bir kusur değil, literatür [19] ile ispatlanmış, levhaların alın yüzeylerinde bulunan oksitlerin sebep olduğu olgulardır (Şekil 2a). Literatürde [20] bu çizgiler lady S olarak isimlendirilmiş ve bunların mekanik özellikleri olumsuz yönde etkilemediği ifade edilmiştir. Farklı kaynak parametrelerinde kaynaklanan levhaların sertlik dağılımları Şekil 3 te verilmiştir. Şekilden görüldüğü gibi uygulanan kaynak parametrelerinde (takım devri, ilerleme hızı ve takım) homojen ve esas metal sertliğine yakın sertlikte kaynaklı bölgeler elde edilmiştir. Sato ve arkadaşları [21] 6063-T4 Al levhaların sürtünme karıştırma kaynağında homojen sertlik değerleri elde etmişlerdir. Buna göre; çalışmamızda elde edilen sertlik değerleri literatür ile uygunluk gösterdiğinden tasarlanıp imal edilen takımın sürtünme ve karıştırma işi için uygun olduğu söylenebilir. 197
100 90 800 dev/dak.-200 mm/dak. 800 dev/dak.-315 mm/dak. 1120 dev/dak.-200 mm/dak. 1120 dev/dak.-315 mm/dak. 1600 dev/dak.-200 mm/dak. 1600 dev/dak.-315 mm/dak. 80 Sertlik, (HV1).. 70 60 50 40 30 20-30 -25-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Kaynak merkezinden uzaklık, (mm) Şekil 3. Kaynak yönüne dik kesitteki yatay sertlik değişimleri. Kaynaklı birleştirmelerin statik dayanımlarını belirlemek için yapılan çekme deney sonuçları Şekil 4 te verilmiştir. Levhaların akma ve çekme dayanımları ile % uzama değerleri önemli ölçüde esas metalin bahsedilen mekanik özelliklerine yakın ölçülmüştür. Çekme deneyleri sonrasında meydana gelen kırılmaların hiçbirinin kaynak merkezinden olmadığı, kaynak merkezine ortalama 20 mm mesafede oluştuğu gözlenmiştir. 220 Akma dayanımı Çekme dayanımı % Kopma uzaması 100 200 90 Akma ve çekme dayanımı, (MPa).. 180 160 140 120 100 80 60 40 EM 800 dev/dak 200 mm/dak 800 dev/dak 315 mm/dak 1120 dev/dak 200 mm/dak 1120 dev/dak 315 mm/dak 1600 dev/dak 200 mm/dak 1600 dev/dak 315 mm/dak 80 70 60 50 40 30 20 Kopma uzaması, (%).. 20 10 0 0 Şekil 4. Çekme deneyi sonuçları. Kaynaklı levhaların alt yüzeyinden ve kaynak merkezinden eğme yükü uygulanarak elde edilen eğme deney sonuçlarına göre; kaynaklı levhalarda kaynak parametrelerine (takım devri, ilerleme hızı ve takım geometrisi) bağlı olarak 180 eğme işlemi sonrasında gözle görülen herhangi bir çatlak gözlenmemiştir. Eğme işlemi sonunda elde edilen kaynaklı levhalara ait örnek resimler Şekil 5 te verilmiştir. 198
Şekil 5. Kaynaklı levhaların eğme işlemi sonrasındaki görünümü. 3. SONUÇLAR Uç yüksekliği ayarlanabilen bir takımın tasarım ve imalatının yapıldığı ve bu takımın 6063 Al alaşımı levhaların farklı kaynak parametreleriyle (takım devri ve ilerleme hızı) birleştirilmesinde kullanıldığı bu çalışma neticesinde aşağıdaki genel sonuçlar çıkarılabilir: Yapılan bir seri sürtünme karıştırma kaynağı sonrasında tasarımı ve imalatı yapılan takımın omuz ve uç kısmında herhangi bir deformasyon/aşınma gözlenmemiştir. Üç farklı takım devri ve iki farklı ilerleme hızında birleştirilen levhaların kaynaklı bölgelerinde takım eksenli herhangi bir kusura rastlanmamıştır. Mekanik deneyler sonrasında kaynaklı levhaların çekme özellikleri ile sertlik değişimleri esas metalin aynı özelliklerine çok yakın elde edilmiş olup takımın bu özellikler üzerinde olumsuz etkisi gözlenmemiştir. Eğme deneyleri sonrasında da kaynak merkezinde gözle görülen herhangi bir çatlak oluşmamıştır. Aynı takımda farklı uç geometrileri tasarlanarak aynı takım devirlerinde ve ilerleme hızlarında 6063 Al malzemelerin birleştirilmesi sağlanarak kaynak kalitesi incelenebilir ve bu çalışmadaki sonuçlarla karşılaştırılabilir. 4. KAYNAKLAR [1] COLEGROVE P. A., SHERCLIFF H. R., 3-Dimensional CFD modelling of flow round a threaded friction stir welding tool profile, Journal of Materials Processing Technology 169, 2, 320-327, (2005). [2] BUFFA G., HUA J., SHIVPURI R. and FRATINI L., Design of the friction stir welding tool using the continuum based FEM model, Materials Science and Engineering A419, 1-2, 381-388, (2006). [3] TOZAKI, Y., UEMATSU, Y. and TOKAJI, K., A newly developed tool without probe for friction stir spot welding and its performance, Journal of Materials Processing Technology 210, 6-7, 844-851, (2010). [4] LIU, G., MURR, L.E., NIOU, C-S., MCCLURE, J.C. and VEGA, F.R., Microstructural aspects of the friction stir welding of 6061-T6 aluminum, Scripta Materialia, 37, 3, 355-361, (1997). 199
[5] HUIJIE, L., FUJII, H., MAEDA, M. and NOGI, K., Tensile properties and fracture locations of friction-stir welded joints of 6061-T6 aluminum alloy, Journal of Materials Science Letters, 22, 15, 1061-1063, (2003). [6] LIU, H.J., FUJII, H., MAEDA, M. and NOGI, K., Tensile properties and fracture locations of friction-stir welded joints of 2017-T351 aluminum alloy, Journal of Materials Processing Technology, 142, 3, 692-696, (2003). [7] LIM, S., KIM, S., LEE, C-G. and KIM, S., Tensile behavior of friction-stir-welded Al 6061-T651, Metallurgical and Materials Transactions A, 35, 9, 2829-2835, (2004). [8] LEE, W.B., YEON, Y.M. and JUNG, S.B., The improvement of mechanical properties of friction-stir-welded A356 Al alloy, Materials Science and Engineering A, 355, 1-2, 154-159, (2003) [9] KRISHNAN, K.N., On the formation od onion rings in friction stir welds, Materials Science and Engineering A, 327, 2, 246-251, (2002). [10] LEE, W-B., YEON, Y-M. and JUNG, S-B., The joint properties of dissimilar formed Al alloys by friction stir welding according to the fixed locations of materials, Scripta Materialia, 49, 5, 423-428, (2003). [11] PEEL, M., STEUWER, A., PREUSS, M. and WITHERS, P.J., Microstructure, mechanical properties and residual stresses as a function of welding speed in aluminium AA5083 friction stir welds, Acta Materialia, 51, 16, 4791-4801, (2003). [12] TOZAKI, Y., UEMATSU Y. and TOKAJI K., Effect of tool geometry on microstructure and static strength in friction stir spot welded aluminium alloys, International Journal of Machine Tools and Manufacture 47, 15, 2230-2236, (2007). [13] LIN P., PAN J. and PAN T., Failure modes and fatigue life estimations of spot friction welds in lap-shear specimens of aluminum 6111-T4 sheets. Part1.Welds made by a concave tool, International Journal of Fatigue 30, 1, 74-89, (2008). [14] LIN P., PAN J. and PAN T., Failure modes and fatigue life estimations of spot friction welds in lap-shear specimens of aluminum 6111-T4 sheets. Part2.Welds made by a flat tool, International Journal of Fatigue 30, 1, 90-105, (2008). [15] BADARINARAYAN H., YANG Q. and HUNT F., Effect of pin geometry on static strength of friction stir spot welds, SAE International 2008-01-0147. [16] DEQING, W., SHUHUA, L. and ZHAOXIA, C., Study of friction stir welding of aluminum, Journal of Materials Science, 39, 5, 1689-1693, (2004). [16] TS 287 EN 895, Metalik Malzemeler-Kaynaklar Üzerinde Tahribatlı Deneyler-Enine Çekme Deneyi, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Nisan (1996). [17] TS 6067, Teknolojik Eğme Deneyi-Basınç Alın Kaynağı ile Birleştirilmiş ve Kaynakla Kaplanmış Metalik Malzemeler İçin, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Ekim (1998). 200
[18] CHEN, H-B., YAN, K., LIN, T., CHEN, S-B, JIANG, C-Y. and ZHAO, Y., The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy friction stir welds, Materials Science and Engineering A, 433, 1-2, 64-69, (2006). [19] SATO, Y.S., TAKAUCHI, H., PARK, S.H.C. and KOKAWA, H., Characteristics of the kissing-bond in friction stir welded Al alloy 1050, Materials Science and Engineering A, 405, 1-2, 333-338, (2005). [20] SATO, Y.S., URATA, M. and KOKAWA, H., Parameters controlling microstructure and hardness during friction-stir welding of precipitation-hardenable aluminum alloy 6063, Metallurgical and Materials Transactions A, 33, 3, 625-635, (2002). 201