KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 21 FARKLI MALZEMELERİN KAYNAĞININ DENEYSEL VE TEORİK İNCELENMESİ * Ayhan Çelik, ** Adnan Özel, ***Akgün Alsaran ÖZET Bu çalışmada AISI 304 paslanmaz çelik ile St37 ferritik çelik TIG kaynak yöntemi kullanılarak FOX A7A ostenitik elektrot ile birleştirilmiştir. Kaynaklı malzemelerin mekanik ve metalurjik özellikleri araştırılmıştır. Mekanik özelliklerin saptanması için deney malzemeleri çekme işlemine tabi tutulmuştur. Ayrıca sertlik taraması yapılarak farklı malzemelerdeki sertlik değişimi incelenmiştir. Farklı malzemelerin kaynağında meydana gelen gerilme dağılımları, sonlu elemanlar metodu kullanılarak araştırılmıştır. Bu işlem için Ansys bilgisayar paket programı kullanılmıştır. 1. GİRİŞ Düşük karbon içeren ferritik çelik ile ostenitik paslanmaz çeliği kaynak ile birleştirme işlemi, enerji dönüşüm sistemlerinin yüksek sıcaklığa maruz kalan bölgelerinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Merkezi güç istasyonlarında, maliyet unsuru göz önüne alınarak boilerin daha düşük sıcaklığa maruz kalan kısımları ferritik çelikten yapılırken, yüksek sıcaklığa maruz kalan kısımlar ise ostenitik çelikten yapılmaktadır. Ayrıca bu tür uygulamalar elektrik santrallerinde, buhar hatlarında, nükleer reaktörlerde, ve petrol rafinerilerinde kullanılmaktadır [1]. Bu tip tasarımlarda ostenik ve ferritik çelik arasında uygun bir geçişin sağlanması gerekmektedir. Farklı metallerin kaynağı sonucunda, bozulmanın beklenenden önce meydana gelmesi, araştırmaların bu yöne doğru yoğunlaşmasını sağlamıştır [2]. Kotecki ve arkadaşları, farklı iki metalin birleştirilmesi sonucu sıcaklık dağılımının metaller üzerinde farklı termal genleşmeler oluşturduğunu ve bununda termal gerilmelere neden olduğunu tespit etmişlerdir [3]. Oluşan termal gerilmelere, tane sınırlarında karbür çökelmeleri ve karbon göçünü içeren metalurjik değişimler sebep olmaktadır [4]. Ostenitikferritik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesi sonucu ortaya çıkan en önemli unsurlardan biri geçiş bölgesinin mikroyapısı, çeliklerin karbon içeriğine, soğutma hızına, alaşım elementlerinin segregasyonuna bağlıdır [5], Yapılan çalışmalar daha çok birleştirmelerin mikroyapı ve mekanik özellikler üzerinde yoğunlaşmış ve aralarında ilişki kurulmaya çalışılmıştır [6, 7, 8]. Yapılan bu tür birleştirmeler sonucunda ostenitik kısımda sık sık sıcak çatlaklarının meydana geldiği görülmüş ve bunun giderilmesi için ostenitik tarafın yüksek hızla soğutulması gerektiği önerilmiştir [9]. Tekelioğlu ve arkadaşları, yapıştırıcı bindirme bağlantılarında gerilme dağılımı araştırmış ve özellikle bindirme köşe kaynağı yapılan birleştirmeleri incelemişlerdir [10]. Sunderson ve Murti, alüminyum ve paslanmaz çeliği sürtünme kaynağı ile birleştirmişlerdir. Kullanılan iki malzemenin mekanik * Atatürk Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 25240 Erzurum. ** Atatürk Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 25240 Erzurum. *** Atatürk Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 25240 Erzurum.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 22 ve fiziksel özellikleri farklı olduğu için oluşabilecek problemler için optimum şartlan belirlemişlerdir [11]. Çelik ve arkadaşları, gri dökme demir ve St 37 çeliğini birleştirerek, teorik ve deneysel çalışmaları karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonuçlarda büyük farklılık görülmemiş, ortaya çıkan değişime sebep olarak iç gerilmeler gösterilmiştir [12]. Bu çalışmada, farklı metal olarak ferritik çelik (St 37.2) ile ostenitik paslanmaz çelik (AISI 304) ve ostenitik dolgu teli (FOX A7A) ile birleştirilmiştir. Çalışma deneysel ve teorik olarak iki kısma ayrılmış; deneysel kısım metalografik inceleme, sertlik dağılımı ve çekme deneyi sonuçlarını içermektedir. Teorik kısım ise sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak farklı metallerin kaynağında uyumsuzluktan doğan gerilme dağılımlarını içermektedir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMA Kaynak testleri Tablo l.'de kimyasal bileşimi verilen ostenitik ve ferritik levha parçalar (250x20x4) boyutlarında kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yapılan birleştirme işlemleri şematik olarak Şekil l.'de gösterilmiştir. Aym ve farklı malzemeler ostenitik dolgu teli ile TIG kaynak yöntemi kullanılarak alın kaynağı ile birleştirilmiştir. Kaynak işlemi ön ısıtma yapmaksızın 100 mm/dak hızla, 100110 A akım ile yapılmıştır. Kaynak esnasında karbür oluşumunu azaltmak için ostenitik kısım ıslak ustupu ile sürekli soğutulmuştur. Kaynak sonrası, numunelerin yapısında kaynak kusurlarının tespit için penetrasyon ve ultrasonik tahribatsız malzeme muayenesi ile kontrol yapılmıştır. TABLO 1. Malzemelerin ve dolgu elektrodunun kimyasal analizi (%) Şekil 1. Kaynaklı birleştirmelerin şematik gösterimi a) ferritik ferritik b) ostenitikostenitik c) ferritikostenitik 250 Kaynak yapılan parçalar belirtilen ölçülere getirmek için kesildi, işlendi ve yüzeyleri taşlandı. Mekanik deneylerde kullanılan numuneler ferritikferritik, ostenitikostenitik ve ferritikostenitik olarak üç gruba ayrılarak incelemeler yapılmıştır. Metalografik incelemelerde kaynak bölgesi ve ısı etkisi altında kalan bölgenin (ITAB) incelenmesi için 3 birim gliserin, 2 birim HC1 ve 1 birim HNO 3 'den oluşan dağlama sıvısı kullanılmıştır. Sertlik dağılımı için 100 gr yükte 15 sn yükleme süresinde Buhler 1600498ST mikrosertlik cihazi kullanılarak yapılmıştır.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 23 2.1. Mikrosertlik Dağılımı ve Çekme Deneyi Sonuçları Aynı ve farklı metallerden birleştirilmiş numunelerin çekme özellikleri Tablo 2.'de verilmiştir. Ferritikostenitik birleştirmelerin çekme dayammlan fenitikferritik ve ostenitikostenitik birleştirmelerin dayanımlarının arasında olup 402 MPa'dır. En yüksek çekme dayanımı ostenitik paslanmaz çelikte 602 MPa, kaynaklı olarak ostenitikostenitik birleştirmelerde 558 MPa olarak tespit edilmiştir. Yapılan çekme deneyleri sonucunda genellikle ferritikostenitik farklı birleştirmelerde kınlma, ferritik kısım ile dolgu metali arasında kalan bölgede meydana geldiği görülmüştür. Mikrosertlik sonuçları, ITAB ve kaynak bölgesini içeren bir hat boyunca yapılmıştır. En yüksek sertlik değeri ferritikostenitik farklı birleştirmelerin ITAB bölgesinde görülmüştür. Ostenitikostenitik, ferritikferritik birleştirmelerde sertlik dağılımı sırasıyla 195230 HV ve 135213 HV arasında değiştiği tespit edilmiştir. Ostenitikostenitik birleştirmelerde sıcaklıkla birlikte iç yapıda bir değişiklik meydana gelmediğinden sertlik miktarında değişiklik görülmemiştir (Şekil 2.). TABLO 2. Çekme deneyi ve mikrosertlik sonuçları Çekme Deneyi Sonuçları Mikrosertlik Sonuçlan (HV) Numune <Tç MPa CT A K MPa % uzama Esas metal ITAB Kaynak Bölgesi İTAB Esas Metal St 372 320 260 54 AIS1304 630 530 40 AISI304304 558 468 42 190192 195230 240220 230195 192190 St 37304 402 335 60 130135 135160 275220 235195 192190 St37St37 336 280 40 130135 135213 230220 215135 135130
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 24 2.2. Metalografik Muayene Sonuçları Farklı metallerin birleşmesi sonucu ortaya çıkan mikroyapı homojen değildir. Ferritik kısımda yapı ferrit ve perlitten oluşurken, ostenitik kısımda ostenitik bir yapı tespit edilmiştir. (Şekil 3.) Şekil 3.a'da yapı kaba taneli dönüşüme uğramamış perlittir. ITAB bölgesinde tane boyutunun sıcaklıkla değiştiği, kaynak bölgesine yakın bölgede aşırı sıcaklık nedeniyle tanelerin iyice büyüdüğü görülmektedir. Şekil 3.b kaynak bölgesi olup, primary ostenit gibi katılaşmış yapıdan oluşmaktadır. Kaynak bölgesinde yapı karbür ve ostenitten ibarettir. Şekil 3.c ostenitik esas metale yakın kısım olup, ostenit ve karbürden oluşan bir yapıdır. Ostenitik metalin mikroyapısında tane boyutunda herhangi bir değişiklik görülmemiştir. Geçiş bölgesinde siyah renk olarak görülen karbür çökeltileri oluşmuştur. Şekil 3. FerrikOstenitik birleştirmenin optik mikroskopta görünümü: aferritik bölge, bkaynak bölgesi, costenitik bölge. 3. SONLU ELEMAN YÖNTEMİYLE ELASTİKPLASTİK GERİLME ANALİZİ Bu çalışmada, sonlu eleman yöntemiyle elastikplastik gerilme analizinde ANS^S 5.5.1 paket programı kullanılmıştır. Çözümler ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesi için verilmiştir. Gerilme analizi için öncelikle çekme numunesi modellenmiştir. Modelde plane 82 eleman tipi kullanılmıştır. Model üzerinde 2001 düğüm ve 624 eleman vardır. Numune ve malzeme yeksenine göre simetrik olduğundan modelde çekme numunesinin yansı kullanılmıştır. Model ve sınır şartlan (Şekil 4) verilmiştir. Elastikplastik gerilme analizi için, öncelikle elastik gerilme analizi yapılır. Bu analiz sonucunda vonmises akma kriteri kullanılarak plastik bölgeye giren düğümler"saptanır. Daha sonra elastikplastik gerilme analizine geçilir. Bu çalışmada elastikplastik gerilme analizi için full NewtonRaphson yöntemi kullanılmıştır [13, 14, 15]. Malzemelerin akma mukavemeti ve plastik bölgedeki davranışı ile ilgili gerekli değerler çekme deneyi sonuçlarından alınmıştır (Tablo 2).
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 25 3.1 Gerilme Analizi Sonuçları Şekillerdeki gerilme dağılımı, elde edilen gerilmeler uygulanan gerilmeye bölünerek boyutsuz olarak verilmiştir. Uygulanan gerilme c= 300 MPa olarak alınmıştır. Şekil 5'te ferrikostenîtik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde, birleşme bölgesindeki gerilme dağılımı verilmiştir. Birleşme bölgesinde, ferrik çelik ve dolgu malzemesi üzerindeki* gerilme dağılımı ayrı olarak aynı şekil üzerinde gösterilmiştir. Gerilme dağılımları incelendiğinde sürekliliğin sağlanması bakımından 0 y 'lerin uyumlu olduğu gözlenmektedir. T xy 'lerin küçük değerli ve yaklaşık 5.5 mm'ye kadar aym olduğu görülmektedir. Fakat o x gerilme değerleri ferritik çelik kısmında çeki karakterliyken dolgu malzemesi kısmında bası karakterlidir. Bu değişim von Mises gerilmelerini etkilemektedir. Aynı bölge için von Mises gerilme (a v ) dağılımı Şekil 6'da verilmiştir. Ferritik çelikteki von Mises gerilmelerinin, dolgu malzemesindeki von Mises gerilmelerinde daha düşük değerli olduğu görülmektedir. Buna yukarıda bahsedilen CT X gerilmelerinin farklı karakterde olması neden olmaktadır. Bu durum farklı mukavemet değerlerine sahip malzemelerin birleştirilmesinde avantaj sağlamaktadır. Çünkü von Mises gerilmelerindeki azalma düşük mukavemetli kısımda olmaktadır. Yaklaşık 5 mm'ye kadar von Mises gerilmeleri uygulanan gerilmeden daha düşük değerler almaktadır.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 26 Şekil 5. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde, birleşme bölgesindeki (y=10 mm) gerilme dağılımı. Aynı bölge için von Mises gerilme (a v ) dağılımı Şekil 6'da verilmiştir. Ferritik çelikteki von Mises gerilmelerinin, dolgu malzemesindeki von Mises gerilmelerinde daha düşük değerli olduğu görülmektedir. Buna yukarıda bahsedilen a x gerilmelerinin farklı karakterde olması neden olmaktadır. Bu durum farklı mukavemet değerlerine sahip malzemelerin birleştirilmesinde avantaj sağlamaktadır. Çünkü von Mises gerilmelerindeki azalma düşük mukavemetli kısımda olmaktadır. Yaklaşık 5 mm'ye kadar von Mises gerilmeleri uygulanan gerilmeden daha düşük değerler almaktadır. Şekil 6. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde, birleşme bölgesinde (y=10 mm) von Mises gerilme dağılımı.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 27 Şekil 7'de x=6 mm'de yekseni boyunca von Mises gerilme dağılımı verilmiştir. Bu bölge için genel olarak ferritik çelik kısmında oluşan gerilmelerin, dolgu malzemesi ve ostenik çelik kısmına göre daha düşük değerler aldığı görülmektedir. Gerilme yığılmasının birleştirme bölgesinde meydana geldiği gözlenmektedir. En büyük gerilme yığılması ferritik çelikten dolgu malzemesine geçiş yerinde olmaktadır. Bu gerilme yığılmasının nedeni ferritik çeliğin dolgu malzemesi ve ostenitik çeliğe göre plastik bölgede yanal olarak daha fazla daraimasıdır. Geçiş bölgesinde gerilmenin süreksiz gözükmesinin sebebi yine a x gerilmelerinin ferritik ve dolgu malzemesi ile ostenitik çelikte farklı değerler almasıdır. Bu dağılımın sonucunda çekme numunesinde kopmanın ferritik çelik dolgu malzemesi geçiş yerinden olacağı söylenebilir. Deney sonuçlan da bunu göstermektedir. Şekil 7. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde, x=6 mm'de yekseni boyunca von Mises gerilme dağılımı. Çekme numunesi üzerindeki von Mises gerilme dağılımı Şekil 8'de verilmiştir. Bu şekilde de gerilme yığılmasının ferritik çelik dolgu malzemesi geçiş yerinde olduğu görülmektedir. Ayrıca ferritik çelik bölgesinde oluşan gerilmelerin dolgu malzemesi ve ostenitik çelik bölgesinde oluşan gerilmelerden daha düşük değerli olduğu ve ferrik çelik bölgesindeki yanal daralmanın daha fazla olduğu gözlenmektedir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUS AL KONGRESİ 28 Şekil 8. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde çekme numunesi üzerinde vonmises erilme dağılımı (a) tam şekil üzerinde (b) Kritik bölge büyütülmüş halde.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 29 4. SONUÇLAR Bu çalışmadan aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir; 1. Ferritikostenitik farklı malzemelerin kaynağında çekme deneyi sonucuna göre elde edilen çekme mukavemeti, ferritik ve ostenitik çeliğin çekme mukavemetleri ile karşılaştırıldığında, iki çeliğin arasında bir gerilme değerinde kırıldığı görülmüştür. 2. Farklı malzemelerin çekme deneyinde kırılma, ferritik çelik ile dolgu malzemesi arasındaki bölgede meydana gelmiştir. 3. Kaynaklı malzemelerin sertlik değişimi incelendiğinde" en yüksek sertliğin kaynak bölgesinde meydana geldiği saptanmıştır. 4. Ostenitik çeliğin kaynağında meydana gelen karbür çökelmesi tam olarak önlenememiştir. 5. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirmesi için sonlu elemanlar yöntemiyle yapılan elastikplastik gerilme analizi sonucunda, gerilme konsantrasyonunun ferritik çelik ile dolgu malzemesi geçiş yerinde olduğu belirlenmiştir. Bu da kırılmanın bu bölgede olacağını göstermiştir ve deney sonuçları ile uyumludur. 6. Ferritikostenitik çeliklerin kaynaklı birleştirilmesinde, çekme deney, sonuçları incelendiğinde o AK ve Gç değerlerinin, yalnız ferritik çelik için yapılan çekme deneyi sonuçlarından elde edilen değerlerden daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun sebebi ferritik çeliğin plastik bölgede yanal daralmasının fazla olması nedeniyle, von Mises gerilmelerinin daha düşük değerler almasıdır.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 30 REFERANSLAR 1. S. Missori, C. Koerber "Laser beam welding of austeniticferritic transition joints" Welding Journal cilt 76, No. 3 1997, s. 125134. 2. C. D. Lundin, "Dissimilar Metal Welds literature Reviev" Welding Journal cilt 61, No. 2 1982, s. 585635. 3. D. J. Kotecki, V. B. Rajan "Submerged Arc Fillet Welds Between Mild Steel and Stainless Steel" Welding Journal Cilt 76, No. 2 1997, s. 5766. 4. R. L. Klueh, D. F. King "AusteniticFerritic Welds Joint Failures" Welding Journal cilt 61, No. 9 1982, s. 302311. 5. S. K. Albert, T. P. S. Gill, A. K. Tyagi, S. L. Mannan, S. D. Kulkardi, P. Rodriguez "Soft Zone Formation in Dissimilar Welds Between Two CrMo Steel" Welding Journal cilt 76, No. 3 1997, s. 134140. 6. C. Pan, E. Zhang "Morphologies of The Transition Region in Dissimilar AusteniticFerritic Welds" Mater. Char. Cilt 36, No. 1 1996, s. 510. 7. C. D. Lundin, K. K. Khan, D. Yang, Recent Trends in Welding Science and Tech., 1990 s, 291 296. 8. E. Zumelzu, C. Cabetas "Study of Welding Such Dissimilar Materials as AISI 304 Stainless Steel DHP Copper in a Sea Water Environment" J. Materials Processing Tech. Cilt 57, No. 3 1996, s. 246252. 9. R. H. Ryder, C. F. Dahms "Design Criteria For Dissimilar Metal Welds" Welding Research Council Bulletin cilt 350, 1990, s. 111. 10. M. Tekelioğlu, A. Kaya, D. Günay "Yapıştırıcı bağlı bindirme bağlantılarında Gerilme Dağılımının Araştırılması" Beşinci Ulusal Makine Tasarım İmalat Kongresi Bildiri kitapçığı ODTÜ Ankara 1992, s. 433. 11. S. Sundereson, K. K. G. Murti, "Friction Welding of Aluminium to Austenitic Stainless Steel" Indian Inst. Of Technology, Indian Int. J. Joint of Materials cilt 5, 1993, s. 6670. 12. A. Çelik, A. Özel, S. Karadeniz "Farklı Metallerin Kaynağında Gerilme Yığılmalarının İncelenmesi" Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi cilt 2, No. 4 1996, s. 5560. 13. K. J. Bathe "Finite Element Procedures in Engineering Procedures in Engineering Analysis" PrenticeHall Inc. USA, 1982. 14. J. N. Reddy "Finite Element Method" McGrawHill, International Edition, Singapure, 1993. 15. O. C. Zienkiewicz "The Finite Element Method" McGrawHill Book Company Limited, 1979.