KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ

tmmob makina mühendisleri odası KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ bildiriler kitabı 24-25 Ekim 2003 / Kocaeli Yayın No E/2003/339

tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sok. 36/1-A 06440 Demirtepe / ANKARA Tel: (312) 231 31 59 Faks: (312) 231 31 65 e-posta: mmo@mmo.org.tr http://www.mmo.org.tr Yayın No: E/2003/339 ISBN: 975-395-653-3 Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. i Ekim 2003 / Ankara Baskı: Özkan Matbaacılık (0312)229 59 74

tnunob makina mühendisleri odası KAYNAK TEKNOLOJİSİ IV. ULUSAL KONGRESİ 24-25 EKİM 2003 - KOCAELİ II. OTURUM Oturum Başkanı Özgür AKÇAM (Kongre Düzenleme-Yürütme Kurulu Üyesi)

SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞINDAKİ GELİŞMELER Prof.Dr. Gürel ÇAM Mustafa Kemal Üniversitesi, Müh.-Mi m. Fak., Makina Müh. Böl., 31034Antakya (HATAY) Tel: 0326-2455688(1434), Fax: 0326-2455499, E-Posta: gcam@scientist.com FRICTION STIR VVELDING AND ITS APPLICATION AREAS ABSTRACT in fiısion welding of Al-alloys, there are some difficulties, such as cracking in füsion zone and/or heat affected zone, and intolerable amount of porosity formation in füsion zone. The reason for cracking is the high heat input in arc vvelding coupled with the large solidification temperature range and high thermal expansion of these alloys. The reason for porosity formation is the much higher hydrogen solubility in Al in liquid phase than in solid phase. Another problem encountered in füsion vvelding of Al-alloys, particularly in high strength precipitation hardened ones, is the loss of strength in füsion zone due to the dissolution of strengthening precipitates and in HAZ owing to overaging. Furthermore, arc vvelding is not applicable to some high strength Al-alloys, such as AA7075. Diffiısion bonding, vvhich is commercially applied to Ti-alloys successfully, is not applicable to Al-alloys due to their stable oxide layers. However, better results are achieved in butt and overlap vvelding of Alplates by friction stir vvelding, vvhich is a recently developed solid state vvelding process. This nevv technique is a novel version of conventional friction vvelding process, and involves the use of. heat generated by plunging a rotating pin into the plates to be vvelded in order to produce a plasticised tubular shaft of metal around the pin, and stirring the material from both plates to join two plates. in this paper, this novel joining process developed for Al-alloys will be introduced and developments in its applications will be pointed out. Moreover, its advantages över more conventional füsion vvelding processes vvill be discussed. Keywords: Welding, Joining, Al-alloys, Friction stir vvelding, Novel vvelding techniques ÖZET Al-alaşımlannm klasik ergitme kaynağı yöntemleri ile kaynağında, kaynak bölgesinde (kaynak dikişi veya ITAB'de) çatlak oluşumu ve kaynak dikişinde tolere edilemeyecek düzeyde gaz boşluğu (porozite) oluşumu gibi sorunlarla karşılaşılmaktadır. Çatlak oluşumunun nedeni, bu alaşımların katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olması ile birlikte ark kaynağında ısı girdisinin yüksek olmasıdır. Porozite oluşumunun nedeni ise, alüminyumda hidrojen çözünürlüğünün sıvı halde katı halden 47

yüksek olmasıdır. Al-alaşımlanmn özellikle yüksek mukavemetli yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş türlerinin ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir sorun, kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ve tane sının segregasyonu sonucu ve ısı tesiri altındaki bölgede (ITAB) aşırı yaşlanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Hatta, AA7075 gibi bazı yüksek mukavemetli Alalaşımlanna ark kaynağı yapılamamaktadır. Ticari olarak Ti-alaşımlanna basan ile uygulanan basınç (katı hal) kaynaklanndan difüzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlarına ekonomik olarak uygulanamamaktadır. Fakat, son yıllarda geliştirilen bir basınç kaynağı yöntemi olan sürtünme-kanştırma kaynağı (frictiön stir vvelding) ile Al-alaşımlannın kaynağında iyi sonuçlar alınmıştır. Bu yöntem, klasik sürtünme kaynağının yeni ve değişik bir versiyonu olup, yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin alın alına sabitlenmiş kaynak edilecek levhalara daldınlıp sürtünmeden açığa çıkan ısı enerjisi ile malzemenin çamur kıvamına getirilip kanştınldığı bir birleştirme yöntemidir. Bu bildiride, Al-alaşımları için son yıllarda geliştirilen bu yeni basınç kaynağı yöntemi tanıtılacak ve bu yöntemin uygulama alanlanndaki gelişmeler ve klasik kaynak yöntemlerine üstünlükleri tartışılacaktır. Anahtar sözcükler: Kaynak, Alüminyum alaşımlan, Sürtünme kanştırma kaynağı, Yeni kaynak teknolojileri 1. GİRİŞ Ergitme kaynak yöntemleri ile Al-alaşımlannın (özellikle yaşlandırma sertleştirilmesi yapılmış olan Alalaşımlannın) kaynağında çatlak ve aşın derecede porozite oluşumu gibi problemler mevcuttur. Ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve katılaşma sıcaklık aralıklannm geniş olması sonucu, özellikle çatlamaya daha duyarlı yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlannda kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olur. Aynca, ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB' de tane sınırlannda düşük ergime dereceli fazlamı oluşumuna ve dolayısıyla bu bölgede tane sınırlannda katılaşma esnasında çatlamaya yol açabilir. Porozite oluşumunun nedeni ise; alüminyumun sıvı halde hidrojen çözünürlüğünün katı haldekinden çok daha yüksek olmasıdır. Kaynak esnasında atmosferden veya rutubetli elektrot kullanımından dolayı kaynak dikişine hidrojen girmesi kaynak dikişinde tolere edilemeyecek düzeyde porozite oluşumuna neden olur. Bu da mukavemet gibi kaynak performansını belirleyen mekanik özellikleri kabul edilemeyecek düzeylere düşürür [1-3]. Vakum ortamında yapılan elektron huzmesi kaynağı yöntemi porozite açısından en avantajlı ergitme (sıvı hal) kaynak yöntemidir. Fakat, yüksek sıcaklıklann sözkonusu olduğu elektron kaynağında, vakum ortamında yapıldığı için düşük buharlaşma sıcaklığına sahip alaşım elementleri içeren Al-alaşımlannda kaynak dikişinde alaşım elementi kaybı veya katı eriyik sertleşmesi sağlayan alaşım elementlerinin tane sınırlanna segregasyonu sonucu kaynak dikişinde mukevemet düşüşü sözkonusu olabilmektedir. Al-alaşımlannın ark kaynağı ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir güçlük ise, bu alaşımlann ısı iletkenlik katsayılannın yüksek olması nedeniyle ısının kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde uygulanması zorunluluğudur. Al-alaşımlannın lazer ışınını yansıtması da, ergitme kaynağı yöntemlerinden lazer kaynağında dikkate alınması gereken bir husustur. Alalaşımlannın özellikle yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş türlerinin ergitme kaynağı yöntemleri ile birleştirilmelerinde karşılaşılan bir başka sorun, kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ve alaşım elementlerinin tane sınırlanna segregasyonu sonucu ve ITAB' de aşın yaşlanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Bu durum kaynak edilen baz malzeme ile kaynak bölgesi arasında mekanik uyumsuzluğa (strength 48

mismatch) neden olmakta ve bu durum, kaynak bölgesinde mukavemet düşüşü (strength undermatching) olarak bilinmektedir [ 1-3]. Ticari olarak Ti-alaşımlarma başarı ile uygulanan katı hal kaynaklarından difüzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlanna ekonomik olarak uygulanamamıştır [4-7]. Katı hal kaynak yöntemlerinden klasik sürtünme kaynağı gibi yöntemler Al-alaşımlanmn kaynağında kullanılabilmektedir. Ancak, bu yöntemlerin uygulamasındaki geometrik sınırlamalar nedeniyle yalnızca bindirme kaynağı uygulaması yapılabilmektedir. Bu yöntemler ile Al-alaşımı levhaları alın kaynağı yapmak mümkün değildir. Son yıllarda geliştirilen sürtünme kaynağının değişik bir versiyonu olan bir katı hal kaynak yöntemi ile Alalaşımı levhaların alın kaynağında sıvı hal kaynak metotlarından çok daha iyi sonuçlar alınmıştır. Bu yöntemin adı, sürtünme-kanştırma kaynağıdır (friction stir welding). Bu yöntemde, maliyet artırıcı bir faktör olan elektrot ve koruyucu gaz kullanımı sözkonusu değildir. İş kazalarına yol açabilecek ark oluşumu, radyasyon, toksik gaz çıkışı veya insan gözüne zararlı lazer ışını gibi olumsuz hususlar bu yöntemde mevcut olmadığı için temiz ve çevreci bir prosestir. Ayrıca, toplam ısı girdisinin düşük olduğu bir katı hal kaynak yöntemi olduğundan ergitme kaynaklarında karşılaşılan çatlak ve porozite oluşumu sözkonusu değildir. Al-alaşımlannın tüm kaynak yöntemlerinde karşılaşılan kaynak bölgesindeki mukavemet kaybı bu yöntemde düşük ısı girdisinden dolayı daha düşük seviyelerdedir [4-7]. 2. SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAĞI (FRİCTİON STIR WELDING) Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) yöntemi, alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin (batıcı uç) daldırılması ve kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir (Şekil 1) [8]. Yöntem, 1970'li yıllarda İngiltere'de The Welding Institute adlı kurumda geliştirilip 1990'h yıllarda patentlenmiştir [9]. Bu katı hal kaynak yönteminde birleştirme, sürtünme ile açığa çıkan ısının çamur kıvamına getirdiği malzemenin plastik akışı sayesinde gerçekleşmektedir. Kaynak bölgesinde oluşan iç yapı Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. Kaynak bölgesi, farklı mikroyapılann oluştuğu üç belirgin bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler, dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB), termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve sıvı hal kaynak yöntemlerinde olduğu gibi ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) olarak adlandırılmaktadır [4-7]. Şekil 3'de verilen sürtünme karıştırma kaynağı yapılmış Al-alaşımının kaynak bölgesinin kesit görünüşü, bu bölgede oluşan tipik iç yapıyı göstermektedir [4-7,10]. Belirli bir pim yüzey geometrisi kullanılarak yapılan sürtünme karıştırma kaynağında elde edilen birleştirme karakteristiklerini belirleyen üç faktör vardır. Bunlar sırasıyla pimin devir hızı, pimin ilerleme hızı ve pimin batma derinliğidir. Bunlardan ilk ikisi rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Fakat, pimin batma derinliği kritik bir faktör olup, kontrol edilmesi güçtür. Batma derinliğinin kaynak işlemi süresince sabit kalması gerekmektedir. Fakat, özellikle uzun levhaların birleştirme işlemlerinde yüzeylerin çok düzgün olmaması durumunda bunu sağlamak mümkün olmayabilir. Bu yüzden kaynak öncesi yüzey hazırlama oldukça kritik olup, bu hususta özen gösterilmesi gerekmektedir [6,7]. 49

Pimin batma derinliğini sabit tutacak kuvvet Omuz Birleştirme Çizgisi Pim (Levhaya batan uç) Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağının (Friction Stir JVelding) Şematik Gösterimi [4-7]. Şekil 2. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde Oluşan İç Yapının Şematik Görünümü. A: ısının tesiri altındaki bölge (ITAB), B: termodinamik olarakyeniden kristalleşen bölge (TEB), C: dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB) [4-7,10]. Şekil 3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yapılmış Bir Al-Alaşımımn Kaynak Bölgesinin Kesiti [4-7]. 50

3. KARŞILAŞILABİLECEK KAYNAK HATALARI Sürtünme karıştırma kaynağında genellikle üç tip kaynak kusuru karşımıza çıkmaktadır. Bunlardan ilki, kaynak yüzey kalitesinin düşük olmasıdır (Şekil 4). Bu kusur, batıcı ucun kaynak yapılacak levhaya uygun bir şekilde daldınlmaması ve pim omuzunun yüzeye temasının düzgün yapılamamasından dolayı kaynak hattı boyunca pimin (batıcı ucun) hareketinin istikrarsız olmasından kaynaklanmaktadır [11,12]. Şekil 4. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Elde Edilen Kaynak Yüzey Kaliteleri, a) istikrarlı batıcı uç ilerlemesi ve b) istikrarsız batıcı uç ilerlemesi [7,12]. Sık karşılaşılan ikinci kusur, batıcı ucun batma derinliğinin yetersizliğinden dolayı tabana yakın kısımda karıştırılmamış bölge (yetersiz nüfuziyet, kissing bond) kalmasıdır, Şekil 4 [7,13]. Sürtünme karıştırma kaynağında karşılaşılan sonuncu fakat en önemli kaynak kusuru kaynak dikişinde tünel şeklinde porozite oluşmasıdır (Şekil 5) [7,13]. Bu hatanın nedeni, pim yüzeyinin düzgün olması, yani batıcı pim yüzeyine helisel diş açılmamasıdır. Yüzeyinde diş açılmamış pim kullanıldığında, sürtünmeden açığa çıkan ısı ile akıcı çamur kıvamına gelen malzeme yukan doğru hareket etmekte ve bunun sonucu batıcı pim ucuna yakın kısımda malzeme eksilmekte ve porozite oluşmaktadır. Batıcı uç yüzeyine diş açıldığında ise, akıcı çamur kıvamına gelen malzeme aşağı doğru bastırılmakta, dolayısıyla bu sorun sözkonusu olmamaktadır. Dikkat edilecek olursa, kaynak kusurlarının nedeni batıcı uç dizaynı ve proses parametrelerinin uygun seçilmeyişidir. İyi bir batıcı uç dizaynı, pimin kaynak yapılacak levhaya daldırılma işleminin iyi kontrol edilmesi ve batma derinliğinin kaynak boyunca iyi ayarlanıp sabit tutulması ile bu kaynak kusurları elimine edilerek kusursuz bir kaynak elde edilebilir (Şekil 3 ve 6). 4. PİM (BATICI UÇ) DİZAYNI Bu kaynak yöntemi geliştirildiğinde ilk kullanılan bancı uçlar yüzeyine helisel diş açılmış uzunluğu kaynak edilecek lavha kalınlığından biraz kısa silindirik pimlerdi. Fakat, son yıllarda sürtünmeden açığa çıkan ısı ile akıcı kıvama gelen malzemenin kaynak bölgesinde kalmasını geliştirmek için çok değişik pim dizaynları geliştirilmiştir. 51

Silindirik uç yerine üzerine spiral diş açılmış konik bir uç kullanılabileceği düşünülerek Whorl, Triflute ve Skew-Stir serisi özel profilli sürtünme karıştırma kaynağı takımlan dizayn edilmiş ve geliştirilmiştir. Bu takımlar, 25-40 mm kalınlığındaki AA6082 T6 levhaların tek pasoda, 40-75 mm kalınlığındaki levhaların da çift taraftan kaynağını yapabilmektedir. Şekil 6'da tek pasoda sürtünme karıştırma alın kaynağı yapılmış 25 mm kalınlığındaki Al-levhanın kesiti gösterilmektedir. Aşağıda bu yeni geliştirilen pimler hakkında bilgi verilecektir. Şekil 5. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Düz Yüzeyli Batıcı Uç Kullanımından Dolayı Oluşan Tünel Şeklinde Porozite ve Batma Derinliğinin İyi Ayarlanmamasından Kaynaklanan Karıştırılmamış Bölge. a) kaynak dikişinin kesit görünüşü ve b) hataların detaylı görünüşü [7,13]. Şekil 6. SKK ile Alın Kaynağı Yapılmış 25mm Kalınlığındaki Alüminyum Alaşımı [14] 4.1. Whorl Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Denemeler sonunda, Whorl konfıgürasyonları belirlenmiştir (Şekil 7). Kesik koni şeklindeki Whorl pim (probe), plastik akışa uğrayan metali aşağıya doğru yönlendirmek için helisel sırtlı profiller ihtiva etmektedir [15]. 52

Whorl konsepti dairesel olmayan probe kesitleri sağlar. Bu nedenle, malzemenin daha kolay akmasına imkan vermek için pimin yer değiştirme miktarı, dönme miktarından daha az olması gerekmektedir. Şekil 8'de 75 mm kalınlığındaki AA 6082-T6 alaşımının içine geçmiş Whorl serisi pim görülmektedir ve buradan da TEB ile takım profilinin ilişkisi açıkça görülmektedir. Pim etrafındaki malzemenin daha etkili akması için her bir helisel sırt arasındaki uzaklığın sırt kalınlığından daha büyük olması gerekir. Pimin ucunun helisel sırtlarla paralel olması kritik bir husus değildir [14]. Progressive cftange in «e arıgıle Two srrtrant Tttree sided probe Changing profile Şekil 7. Çeşitli Whorl Konflgürasyonları [15]. Şekil 8. 75mm Kalınlığındaki AA6082T6 Alaşımının Kaynağında fvhorl Takımını Kullanılması, Kaynağın Bitmiş Hali ve Kaynak Dikişinin Görüntüsü [15,16]. 4.2. MX Triflute ve Flared-Triflute Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Multi-Helix takımların (MX Triflute ) yivlerinin çevresinde helisel sırtların bulunması takımın hacmini düşürmekle beraber malzeme akışına yardım eder ve yüzeydeki oksitleri dağıtır (Şekil 9 ve 10). Alın kaynağında kullanılan, Whorl ve Triflute uçları kesik piramit şeklindedir ve yüzeylerinde aşağıya doğru delme etkisini kolaylaştırmak maksadıyla kaba işlenmiş helisel sırtlar ve oluklar bulanmaktadır. Bu girintili köşe şekilleri ucun hacmini azaltır ve statik hacim oranı için uygun olan karıştırma hacmini sağlar. Daha iyi bir hacim oranı ile malzemenin akış yolu daha iyi olur ve böylece uç daha etkili çalışır. Aynca özellikle ucun etrafındaki kaba işlenmiş helisel sırtlarda bulunan girintili köşe özellikleri kaynak bölgesindeki yüzey oksitlerinin parçalanmasına ve dağıtılmasına yardımcı olur. 53

Şekil 9. MX Triflute' Pimin Esin Kaynağı Deniz Kabuklarıdır. MX Triflute Serisi Pimin Resim ve Şematik Çalışma Şekli [15,16]. P"2^^PJ Triflute Şevli Uç CFIared) Şekil 10. MX Triflute ve Flared-Triflute Dizaynları [17]. Bindirme kaynağında ise uç, daha geniş kaynak bölgesi sağlamak ve kaynak yapılan ara yüzeylerde daha büyük levha kalınlıklarından dolayı oluşabilecek problemleri önlemek maksadıyla daha farklı dizayn edilmiştir (Şekil 11). Bindirme kaynağında pim yüzeyi kaynak ara yüzeyine zorunlu olarak diktir ve alttaki levhaya yeteri kadar nüfuz edebilmesi ana amaçtır. Kaynak ara yüzeyinin üst yüzeyden mesafesi ve ucun girintilerinin kaynağın kenarıyla kesiştiği açı çok önemlidir. Bu özellik, yorulma ile doğrudan bağlantılıdır. Ucun karakteristiği, süpürme hacmi ile statik hacim arasındaki farkın artırmasıyla ucun etrafındaki ve aşağısındaki akış yolunun büyümesidir. Kaynak Bölgesi Kaynak Arayüzü s Şekil 11. Flared Triflute Probe ile Yapılmış Olan Bindirme Kaynağında Kaynak Arayüzeyinin Görünümü [17]. 4.3. Skew-Stir ve A-Skew Serisi Pimler (Batıcı Uçlar) Sürtünme karıştırma kaynağı uygulaması için geliştirilen Skew-StirTM serisi pim, pim ekseninin iş mili eksenine göre biraz eğim verilmesi ile diğer pimlerden ayrılır. Skew-StirTM serisi pimler, dinamik süpürme hacmi ile 54

statik hacim arasındaki oranı pimin eğik hareketi ile artırabilmektedirler. Bu oran, boşluk oluşumunu gidermede veya azaltmada ve işlem verimliliğini yükseltmede önemli bir faktördür. Şekil 12'de görüleceği üzere, omuz yüzeyi, eğik takım ekseniyle belirli bir eğim oluşturmaktadır. Omuz yüzeyi ise, plakanın üst kısmına bağlı olarak sabit durmaktadır. Omuz, iş parçası üzerinde iken dairesel hareket yapar. Takımın odak noktası, iş parçası yüzeyine veya iş parçasının herhangi bir noktası üzerine geldiğinde, omuzun temas yüzeyi esken dışı bir yörüngede hareket eder. Ayrıca, omuzun bu yörünge hareketi, omuzun eğrilik açısına ve odak noktası ile levhanın üst yüzeyi arasındaki mesafeye bağlıdır. Eğrilik açısı ve aradaki mesafe arttıkça, omuzun hareket sahası da artacaktır. Skew angla Şekil 12. Skew-Stir Metodunun Çalışma Prensibi vea-skew Ucunun Resmi [18]. Yeni jenerasyon Whorl ve MX Triflute takımlarının omuzları (shoulder) da özel profillere sahiptir. Omuz profilleri, omuz ile iş parçası arasında daha iyi bir temas yüzeyi sağlamak maksadıyla kullanılır. Sürtünme teması ile akan malzemenin kaynak bölgesinden ayrılması önlenmektedir (Şekil 13). OMUZ DİZAYNLARI Şekil 13. WhorF M ve MX Triflute Takımlarının Omuz Profilleri [15]. 5. UYGULAMA ALANLARI Sürtünme kanştırma kaynak yönteminin Al-alaşımlannda uygulanalabilirliği üzerine çok sayıda araştırma yapılmıştır [4,19]. Bu araştırma sonuçlan göstermektedir ki, bu yöntem gerek yaşlandırma sertleştirmesi yapılan gerekse yaşlandırma sertleştirmesi yapılamayan (lxxx ve 5xxx serileri gibi ısıl işleme duyarlı olmayan) Al-alaşımlannda basan ile kullanılabilmektedir. Bu yöntem ile elde edilen birleştirmelerin yüzey kalitesi ark 55

kaynağı ile elde edilen birleştirmelerden çok daha yüksektir, Şekil 14. Şekil 15 ark ve sürtünme karıştırma kaynağı yapılmış Al-alaşımı levhaların kaynak bölgelerinin kesitini göstermektedir. Bu yöntem ile elde edilen birleştirmelerin kaynak performansı, klasik kaynak yöntemleri ile yapılan kaynaklara nazaran daha iyidir [4-7,19,20]. Ayrıca, sürtünme karıştırma kaynağında pimin ilerleme hızını artırarak bu mukavemet düşüşünün daha da azaltılması ve pimin çapının küçük seçilmesi ile mekanik özelliklerin etkilendiği bölgenin eninin küçültülmesi mümkündür. Buna ilaveten, bu yöntem ile kaynak edilen 5454 alaşımının korozyon performansının da oldukça iyi olduğu tespit edilmiştir. Hatta, geleneksel kaynak yöntemleri ile kaynağı çok güç olan 7075 alaşımı bile bu yöntem ile başarılı bir şekilde birleştirilmiş ve elde edilen birleştirmeler oldukça iyi mekanik özellikler göstermiştir. Şekil 14. Kaynak Yüzey Görünümleri: a) Ark Kaynağı ve b) Sürtünme Karıştırma Kaynağı. Şekil 15. Kaynak Bölgesi Kesitleri: a) Ark Kaynağı ve b) Sürtünme Karıştırma Kaynağı. Bu kaynak yöntemi ile farklı kahnlıklardaki levhaların birleştirme işlemi pimin eğik konumda levhalara daldırılması ile yapılabilmektedir [4-7]. Bu kaynak yöntemi ile tek pasoda 50 mm kalınlığa kadar Al-alaşımı levhaların alın kaynağı yapılabilmektedir. Ayrıca çift taraftan kaynak yaparak kalın parçaların da birleştirilmeleri mümkündür. Bu şekilde, 75 mm kalınlığındaki 6082 Al-alaşımı levhalar çift taraftan kaynak edilerek basan ile birleştirilmiştir, Şekil 8. Çekme deneyinde bu yöntem ile elde edilen kaynak numunesi klasik sıvı hal kaynağından daha iyi performans göstermiş, ayrıca 180 bükme deneyinde herhangi bir çatlama tespit edilmemiştir, Şekil 16. Bu kaynak metodu ile, düz ve çeşitli profillerdeki sac ve levhaların alm ve bindirme kaynağı yapılabilmektedir. Şekil 17 sürtünme karıştırma bindirme kaynağının yapılışını şematik olarak göstermektedir. Al-alaşımı veya mukavemeti düşük diğer malzemelerden T ve L profillerin üretiminde üretiminde ve boru bağlantı kaynaklarında da bu yöntem ile kullanılabilmektedir, Şekil 18 ve 19. Al-alaşımlan dışında, ergitme kaynak yöntemleri ile kaynağı mümkün olmayan veya güç olan Al-Li gibi bazı alaşımlar ve 0.8 mm kalınlığındaki çinko sacların kaynağında bu yöntem başarı ile uygulanmıştır. Ayrıca, düşük karbonlu yumuşak çeliklerin, Mg-alaşımlannın, Ti-alaşımlannın, saf Cu ve pirinç gibi Cu-alaşımlannın, 56

düşük sertlikteki östenitik paslanmaz çeliklerin ve ergime derecesi birbirine yakın farklı iki malzemenin kaynağında da bu yöntem basan ile uygulanabilir. Özel amaçlı sürtünme kanştırma kaynağı makinelerinde 50 mm kalınlığındaki saf bakır levha loomm/dak kaynak hızında mükemmel kalitede kaynak edilmiştir. Şekil 16. Çift Taraftan Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yapılarak Birleştirilmiş 75 Mm Kalınlığındaki 6082 Al-Alaşımı Levhalardan Çıkarılmış Numunelerin Çekme ve 180 Bükme Deneyi Sonuçlan. Not: Bükme Numunesinde Çatlama Olmamıştır [4-7]. advancing side Şekil 17. Sürtünme Karıştırma Bindirme Kaynağının Şematik Gösterimi [14]. Şekil 18. T ve L Profillerinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulaması [14]. 57

Şekil 19. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yönteminin Boru Kaynaklarında Uygulaması [17]. Sürtünme karıştırma kaynağı, en az çinko ve kurşun levhalarda olduğu kadar magnezyum alaşımlarında da basan ile uygulanabilmektedir. İngiliz Kaynak Enstitüsünde (TWI) 9.5mm kalınlığındaki magnezyum AZ61A alaşımında yapılan ilk deneyler basan ile sonuçlanmıştır. Japonya'da yapılan bir çalışmada da, 6 mm kalınlığındaki AZ31 magnezyum alaşımı üzerinde yapılan ileri laboratuar deneylerinde, kaynak esnasında ince yeniden kriştaleşmiş tane yapısının oluşmasından dolayı, numunelerin mukavemeti ile baz malzemenin mukavemet değerlerinin birbirlerine çok yakın olduğu tespit edilmiştir. Uzay ve havacılık endüstrisinde kullanılan titanyum alaşımlarında sürtünme karıştırma kaynağı denemeleri ilk olarak Tİ-6A1-4V alaşımında başarı ile gerçekleştirilmiş ve diğer alaşımlar üzerinde çalışmalar başlatılmıştır. Yüksek korozyon dayanımından dolayı petrol boru hattı şebekeleri ve su üstü platformlannda rakipsiz olan bu alaşımın sürtünme karıştırma kaynağının bu uygulamalarda kullanabilirliği konusunda araştırmalar sürdürülmektedir. 5.1. Gemi Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Sürtünme karıştırma kaynağı ile ilgili ilk ticari uygulama, balıkçı gemilerinin derin donduruculannın oluklu alüminyum panellerinde kullanılmıştır. Bu kaynak yöntemindeki minimum distorsiyon ve yüksek verimlilik, teknik ve ekonomik yönden sert panel üretiminde bu prosesi cazip kılmaktadır. Bu yöntem ile, Japonya'da alüminyum petek paneller ve deniz suyunun korozyon etkisine dayanıklı panellerin üretimleri yapılmaktadır. Yüksek hız feribotlarında kullanılan standart boydaki alüminyum ekstrüzyon panelleri sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmektedir. Ergitme kaynaklanna kıyasla ısı girdisinin düşük olması panellerdeki distorsiyon ve kalıntı gerilmelerini minimum düzeyde olmasını sağlamaktadır. Norveç' te bulunan Hydro Marine Aluminum firmasında son üç yılda 70 kilometre uzunluğunda alüminyum ekstrüzyon paneli sürtünme kanştırma kaynağı ile birleştirilmiştir, Şekil 20 [14]. 5.2. Uçak ve Uzay Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları 1993 yılında NASA, Lockheed Martin Laboratuarlanndan, Space Shuttle External Tank projesinde (uzay mekiklerinin yakıt tanklannda) AA2219 alüminyum alaşımı yerine kullanılmak üzere daha yüksek mukavemetli, düşük yoğunluk ve hafiflikte bir malzeme geliştirilmesi için talepte bulunmuştur. Bunun üzerine Al-Li 2195 58

olarak bilinen çok daha hafif yeni bir alüminyum alaşımı geliştirilmiştir. Geliştirilen bu alaşım sayesinde External Tank projesinin (yakıt tankı) ağırlığı yaklaşık 3500 kg azaltılmıştır. Yeni düşük ağırlıklı Al-Li 2195 alaşımının ergitme kaynağı çok zor olmakta ve kaynak bölgesinin mukavemeti göz ardı edilemeyecek kadar düşmektedir. Dolayısıyla, bu uygulama için mukavemet düşüşünün daha düşük seviyede olduğu bir katı hal kaynak yöntemi olan sürtünme karıştırma kaynağı ideal bir birleştirme yöntemidir. Günümüzde, Al-Li 2195 alaşımından üretilen uzay mekiklerinin yakıt tanklarının son kubbe kısımlarının kaynağında bu yöntem başarılı bir şekilde uygulanmaktadır, Şekil 21 [14,21,22]. Şekil20. Alüminyum Ekstrüzyon Panellerinin Sürtünme Karıştırma Kaynağı İle Birleştirilmesi [14]. Şekil 21. Space Shuttle External Tank Projesi ve Marshall Space Flight Center Laboratuarlanndaki Sürtünme Karıştırma Kaynak Sistemlerinden Görüntüler [18]. Sürtünme karıştırma kaynağı yolcu uçakları gibi hafif alüminyum iskeletli yapılarda büyük potansiyel arz etmektedir. Boeing Şirketi, ince alın, bindirme ve T birleştirmeleri ile çeşitli havacılık ve uzay uygulamalarında kullanılacak kalın alın kaynaklarında bu yöntemi kullanma çalışmalarına son zamanlarda büyük hız vermiştir. Şu ana kadar, uçakların iniş takımlarının kapaklarında ve bazı savaş uçaklarının kaportasında ince T birleştirmelerinde (sandviç montaj) sürtünme karıştırma kaynağı uygulanmış ve test uçuşları başarı ile sonuçlanmıştır. 59

Eclipse Aviation Corporation da, üreteceği özel jetlerde perçinleme ve yapıştırma yerine; maliyet ve montaj zamanından tasarruf amacıyla sürtünme karıştırma kaynağını kullanmaya karar verdiğini açıklamıştır. Bu, belki de sürtünme karıştırma kaynağının ilk büyük havacılık denemesi olacaktır. Bu günlerde deneme uçuşlarının yapılması beklenmekte ve sonuçlarına göre imalatta kullanmaya elverişli olup olmadığına karar / verilecektir. 5.3. Otomotiv Endüstrisinde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Ulaşım sektöründe alüminyum ekstrüzyonlannın birleştirilmesinde vidalama, perçinleme, yapıştırma, bağlama ve kaynak gibi bir çok birleştirme metodu kullanılmaktadır. Bunlardan kaynak metodu ürünün yüksek mukavemetli olması istendiği durumlarda kullanılır. Sürtünme karıştırma kaynağının otomotiv endüstrisine getireceği bazı faydalar şunlardır: j Kaynak bölgesinde nispeten yüksek mukavemet ; Minimum distorsiyon ve kalıntı gerilmeler Kaynak dumanını olmayışı, dolayısıyla çevreci bir kaynak tekniği olması İlave tel ve koruyucu gaza ihtiyaç duyulmaması Hassas kaynak ağzı hazırlığına gerek olmaması Otomasyona çok uygun oluşu Çeşitli metaller ve aluminyumlann (Al-ekstrüzyon ve Al-döküm) birçok pozisyonda birleştirilebilmesi f Bunun yanında bu yönteminin bazı sınırlamalan da vardır. Bunlar: Sağlam bir destekleyici gerektirir. Etkili sabitleyici aparatlar gerektirir. Kaynak hızı malzeme cinsi ve levha kalınlığına bağlı olarak 50-1000 mm/dk arasındadır. Bu değerler, perçinleme gibi mukavemetsiz birleştirme yöntemlerine göre oldukça düşük, benzer mukavemetli ark kaynağı ile eşdeğerdir. Pim dizaynındaki hızlı gelişmeler ile kaynak hızının daha da artırılması beklenmektedir. j Kaynak edilen yerin sonunda pimin çıktığı yerde bir delik oluşur. Sürtünme kanştırma kaynağının otomotiv sektöründe ilk uygulamalanndan biri Hydro Marine Aluminium (Norveç) firması tarafından prototip otomobil jantlarının iki parçasının birleştirilmesidir, Şekil 22 [23]. Bu sektörde ilk uygulamalardan bir diğeri de, kaynaklannın bazılan sürtünme karıştırma kaynağı ile yapılmış olan prototip bir motor Tezgahıdır (beşiğidir). j 60

Şekil 22. Sürtünme Karıştırma Kaynağı İle Birleştirilen Al-Alaşımı Prototip OtomobilJantı [23]. Halen, otomotiv endüstrisindeki yüksek üretim oranları, rekabetçi üretim ortamları ve düşük maliyet gereksinmeleri geleneksel olan diğer birleştirme tekniklerinin uygulanmasına neden olmaktadır. Sürtünme karıştırma kaynağı otomotiv parçalarında, alüminyum birleştirmelerde kayda değer bir potansiyel artışı sağlamakla beraber otomotiv sektöründe kullanılabilirliği sınırlıdır. Otomotiv endüstrisindeki yoğun üretim nedeniyle, bu yeni teknolojiyi uygulamaya geçirmek için bir hayli zamana ihtiyaç duyulması beklenmektedir. Kaynak teknolojisindeki gelişme hızlandığında artırılmış üretim için büyük potansiyel, özel parçaların büyük oranda üretiminin sağlanması sonucunda açığa çıkacaktır. Yüksek kalite ve yükseltilmiş kaynak mukavemeti, ağırlık azaltanını mümkün hale getirecektir. Özellikle, Mg-alaşımlannın otomotiv sektöründe bu yeni kaynak teknolojisi sayesinde kullanımı ile ağırlıktan tasarruf daha da artırılabilir [4-7]. 5.4. Hızlı Tren Üretiminde Sürtünme Karıştırma Kaynağı Uygulamaları Modern yolcu treni vagonlarının imalatında, alüminyum estrüzyonlardan üretilen petek paneller daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu panellerde, uzun Al-ekstrüzyonlar aralarına sıkılık artırıcı destekler yerleştirilerek birleştirilmektedir. Bu sayede, hem çarpışmalarda emniyet hem de bükme kuvvetlerine dayanım artırılmaktadır. Klasik ergitme kaynağı, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB bölgesinde aşın mukavemet kaybına sebep olduğu için, son yıllarda Almanya ve İngiltere'de meydana gelen hızlı tren kazalarında daha dayanıklı kaynaklara ihtiyaç duyulduğu gerçeği ortaya çıktı. Sürtünme karıştırma kaynağı, kaynak bölgesinde daha düşük seviyelerde mukavemet kaybına neden olduğundan cazip bir alternatif oluşturduğu için son yıllarda Avrupa ve Japonya 'da hızlı tren vagonlarının üretiminde bu kaynak teknolojisi ile imal edilen Al-alaşımı petek paneller kullanılmaya başlanmıştır, Şekil 23 [24]. Şekil23. Japonya 'da Sürtünme Karıştırma Kaynağının Kullanıldığı Hızlı Tren ve Bu Yöntem ile Kaynağı Yapılan Al-Paneller [24]. 61

6. TARTIŞMA ve SONUÇ Bu makalede tanıtılan sürtünme karıştırma kaynağı yöntemi bir katı hal (basınç) kaynak yöntemi olup, Alalaşımlan gibi ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmeleri güç malzemelerin kaynağında basan ile uygulanabilir. > Sürtünme karıştırma kaynağı, düz ve çeşitli profıllerdeki sac ve levhaların alm ve bindirme kaynağında kullanılma potansiyeline sahiptir. Halihazırda uygulamaları oldukça yaygınlaşan bu yöntemin klasik ergitme kaynak yöntemlerine çeşitli avantajları vardır. Bu avantajlarından en önemlileri, temiz ve çevreci olması, çatlak ve porozite gibi hataların olmadığı birleştirmelerin elde edilmesi, daha iyi kaynak performansı ve ilave tele ihtiyaç olmamasıdır. Ayrıca, bu kaynak yöntemi otomasyona oldukça uygun bir tekniktir. Robotik sürtünme karıştırma kaynağı sistemleri konusunda araştırmalar devam etmektedir. Sürtünme karıştırma kaynağı, gemi, uçak ve uzay aracı, tren ve kara taşıtlarının imalatı gibi çok geniş bir, i potansiyel uygulama alanı yelpazesine sahiptir. Bu uygulamalarda, bu yeni kaynak teknolojisi sınırlı da olsa t. ticari olarak kullanılmaya başlanmıştır. Robotik sürtünme karıştırma kaynağı ile Al- ve Mg-alaşımlannın kaynağında katedilecek aşamalar daha hafif taşımacılık sistemlerinin seri üretimini mümkün kılacak ve bu şekilde araçlarının yakıt tüketiminde de önemli tasarruflar sağlanacaktır. Bu yeni kaynak yönteminin özellikle gemi inşaatında, uçak ve uzay endüstrisinde, otomotiv sektöründe ve diğer imalat sektörlerinde kullanımı her geçen gün artacaktır. KAYNAKÇA 1. G. Çam ve M. Koçak: Progress in Joining of Advanced Materials, International Materials Reviews, 43 (1), 1998, S. 1-44 2. G. Çam ve ark. Journal of Science and Technology of Welding and Joining, 1999, 4 (5), S. 317-323 3. G. Çam ve ark. Practical Metallography, 2000, 37 (2), S. 59-89 4. G. Çam ve M. Koçak, "Joining of Advanced Materials", UNESCO-EOLSS (Encyclopedia of Life Support Systems), Area 6: Materials Science and Engineering, Topic 6.36.4: Materials Processing and Manufacturing Technologies, in print 5. H. Yavuz ve G. Çam: Yeni Bir Kaynak Teknolojisi: Sürtünme Karıştırma Kaynağı, Endüstri ve Otomasyon, Sayı 51, Haziran 2001, S. 18-202 6. G. Çam: Al-Alaşımları İçin Geliştirilen Yeni Kaynak Yöntemleri, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Kaynak Teknolojisi III. Ulusal Kongresi Bildirler Kitabı, 19-20 Ekim 2001, İstanbul, S 267-277 7. G. Çam: Sürtünme Karıştırma Kaynağı ve Uygulamaları, 9. Malzeme Sempozyumu Bildiriler Kitabı, 8-10 May 2002, Pamukkale University, Denizli, 2002, S. 450-458 8. D. Nicholas, TWI Bulletin 6, Nov./Dec. 1991, Vol. 32, pp. 124-127 62

Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi 9. W.M. Thomas ve ark., "Friction Stir Butt Welding", International Patent Appl. No. PCT/GB92/0220 and GB Patent Appl. No. 9125978.8, Dec. 1991, US Patent No. 5,460,317 10. P. Dong ve ark., Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, 14-16 June 1999, Thousand Oaks, CA, USA 11. S. Brinckmann ve ark., Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, 26-28 June 2000, Gothenburg, Sweden 12. A.von Strombeck ve ark., Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, 26-28 June 2000, Gothenburg, Sweden 13. H. Ataoğlu, Sürtünme Karıştırma Kaynaklı Alüminyum Alaşımlarının İç Yapı ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002 14. S.W. Kallee ve ark., Proc. of 8th International Conference on Joints in Aluminium, Munich, Germany, 2001, S. 16 15. S.D. Smith ve ark., Proc. of Aluminium Joining Symposium, USA, 2001 16. W.M. Thomas, Proc. of 7th International Conference on Joints in Aluminium, USA, 1998 17. W.M. Thomas ve R.E. Dolby, Proc. of 6th International Conference on Trends in Welding Research, 15-19 April 2002, Callaway Gardens, Pine Mountain, Georgia, USA 18. S.W. Kallee ve ark., Seminar at Schvveisstechnische Lehr- und Vursuchsanstallt (SLV), Berlin- Brandenburg, Germany, 20 March 2002 19. Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, 14-16 June 1999, Thousand Oaks, CA, USA ve Proc. of the 2nd Int. Symp. on Friction Stir Welding, 26-28 June 2000, Gothenburg, Sweden 20. S.W. Kallee ve A. Mistry, Proc. of the İst Int. Symp. on Friction Stir Welding, 14-16 June 1999, Thousand Oaks, CA, USA 21. E.D. Nicholas ve S.W. Kallee, IIW Asian Pasifıc Int. Congress, 29 Oct.-2 Nov. 2000, Sydney, Australia 22. T. Fukuda, Welding Int., Vol. 15, No 8, 2001, S. 611-615 23. R. Johnson ve S.W. Kallee, Materials World, Vol. 7, No 12, Dec. 1999, S. 751-753 24. S.W. Kallee ve ark., Welding Journal, Vol. 81, No 10, Oct. 2002, S. 47-50 63

ÖZGEÇMİŞ Gürel CAM 1984'te İTÜ'den Metalürji Mühendisi olarak mezun oldu. Mayıs 1990'da İmperial College Malzeme, Milli Eğitim Bakanlığı bursu ile doktorasını tamamladı. 1994'e kadar Yard. Doç. Dr. Olarak görev yaptı. Ekim 1994'te Malzeme Bilimi dalında doçent oldu. 1994-1999 tarihleri arasında Almanya'nın Hamburg kenti yakınlarında GKSS Araştırma Merkezinde uzman araştırmacı olarak çalıştı. Ocak 2000'de Mustafa Kemal Üniversitesine Profesör olarak atandı. Halen aynı üniversitede görev yapmakta olup, 50'nin üzerinde bilimsel yayını vardır. 64

SÜRTÜNME KARIŞTIRMA KAYNAKLI BİR Al- ALAŞIMININ İÇYAPI ve MEKANİK KARAKTERİZASYONU Öğr. Gör. H. ATAOĞLU 1, Yrd.Doç.Dr. S. MISTIKOĞLU 2 ve Prof. Dr. G. ÇAM 2 'M.K.Ü., İskenderun Meslek Yüksekokulu, 31200 İskenderun (HATAY) 2 Mustafa Kemal Üniversitesi, Müh.-Mim. Fak., Makina Müh. Böl., Tayfur Sökmen Kampusu, 31034 Antakya (HATAY) MICROSTRUCTURAL AND MECHANICAL CHARACTERIZATION OF AN AI-ALLOY JOINED WITH FRICTION STIR VVELDING ABSTRACT Very promising results were achieved with a recently developed solid state welding process, namely friction stir welding, in joining Al-alloys, particularly diffıcult-to-weld or impossible-to-weld alloys, such as 7075 or Al-Li alloys. Better joint performance than those of arc welded joints can also be obtained in more conventional Al-alloys by this new technique, owing to low heat input involved. This new technique is a novel version of conventional friction welding process, and involves the use of heat generated by plunging a rotating pin into the plates to be welded in order to produce a plasticised tubular shaft of metal around the pin, and stirring the material from both plates to join two plates. in this study, 2 mm thick EN AVV-5754 [AlMg3] alloy plates were butt welded by this novel joining process using two different pin surface geometries. in both cases, the microstructural evolution and formation of any weld defects in weld zone and their effect on the mechanical behaviour of the joints were determined. Moreover, the effect of pin surface geometry on the quality of the joints were investigated. in this paper, the experimental results of this study will be discussed. Keywords: Welding, Joining, Al-alloys, Friction stir welding, Novel welding techniques, Joint performance, Hardness profile, Microstructural and mechanical characterization ÖZET Son yıllarda geliştirilen bir basınç kaynağı yöntemi olan sürtünme-kanştırma kaynağı (friction stir vvelding) ile klasik ergitme kaynakları sorunlu olan veya mümkün olmayan Al-Li veya 7075 alaşımı gibi Al-alaşımlannın kaynağında iyi sonuçlar alınmıştır. Diğer Al-alaşımlannda da daha düşük ısı girdisinin söz konusu olduğu bu yeni kaynak tekniği ile daha iyi kaynak performansları elde edilebilmektedir. Bu yöntem, klasik sürtünme kaynağının yeni ve değişik bir versiyonu olup, yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin, alın alına sabitlenmiş 65

kaynak edilecek levhalara daldırılıp sürtünmeden açığa çıkan ısı enerjisi ile malzemenin çamur kıvamına getirilip karıştırıldığı bir birleştirme yöntemidir. I Bu çalışmada, bu yeni kaynak yöntemi ile 2 mm kalınlığındaki EN AW-5754 [AlMg3] alaşımı yüzeyi düz ve diş açılmış pim (batıcı uç) kullanılarak kaynak yapılmıştır. Her iki durumda da, kaynak bölgesinde herhangi bir kaynak hatası oluşup oluşmadığı ve bunun bu bölgede oluşan içyapı ile birlikte mekanik özellikleri nasıl etkilediği araştırılmıştır. Ayrıca, batıcı uç yüzey geometrisinin kaynak kalitesine etkisi de incelenmiştir. Bu bildiride, bu deneysel çalışmanın sonuçları tartışılacaktır. Anahtar sözcükler: Kaynak, Alüminyum alaşımları, Sürtünme karıştırma kaynağı, Yeni kaynak teknolojileri, Kaynak performansı, Sertlik profili, İçyapı ve mekanik karakterizasyon f j 1. GİRİŞ Al-alaşımları, Mg-alaşımlanndan sonra en hafif yapı malzemeleridir. Mg-alaşımlarmın düşük sıcaklıklarda şekillendirme kabiliyetleri, hekzagonal kristal yapılarından dolayı düşüktür. Bu nedenle, yapı malzemesi olarak kullanımları oldukça sınırlıdır. Diğer taraftan, kübik kristal yapılarından ötürü düşük sıcaklıklarda oldukça yüksek şekillendirme kabiliyetine sahip Al-alaşımları taşımacılık sistemlerinde (uçak, tren, gemi ve diğer taşıtların imalinde) yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Ergitme kaynak yöntemleri ile Al-alaşımlarının (özellikle yaşlandırma sertleştirilmesi yapılmış olan Alalaşımlannın) kaynağında aşın derecede çatlak ve porozite oluşumu gibi problemler mevcuttur. Bu problemlerden çatlak oluşumunun nedeni, Al-alaşımlarının katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması ve ısıl genleşme katsayılarının yüksek olmasıdır. Ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması sonucu, özellikle çatlamaya daha duyarlı yaşlandırma sertleştirmesi yapılmış Al-alaşımlannda kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olur. Aynca, ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, özellikle yüksek mukavemetli Al-alaşımlannda ITAB' de tane sınırlannda düşük ergime dereceli fazlann oluşumuna ve dolayısıyla bu bölgede tane sınırlannda katılaşma esnasında çatlamaya yol açabilir [ 1-4]. Al-alaşımlannın ark kaynağı ile birleştirilmelerinde karşılaşılan diğer bir güçlük ise, bu alaşımlara ısı iletkenlik katsayılannın yüksek olması nedeniyle ısının kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde uygulanması zorunluluğudur. Diğer bir sorun olan kaynak dikişinde porozite oluşumunun nedeni ise; alüminyumun sıvı halde hidrojen çözünürlüğünün katı haldekinden çok daha yüksek olmasıdır [1-4]. Vakum ortamında yapılan elektron huzmesi kaynağı yöntemi porozite açısından en avantajlı ergitme (sıvı hal) kaynak yöntemidir. Fakat yüksek sıcaklıklann sözkonusu olduğu elektron kaynağında, vakum ortamında yapıldığı için düşük buharlaşma sıcaklığına sahip alaşım elementleri içeren Al-alaşımlannda kaynak dikişinde alaşım elementi kaybı, dolayısıyla mukavemet düşüşü sözkonusu olabilmektedir. Aynca, Al-alaşımlannın lazer ışınını yansıtması, bu yöntemin uygulamasını güçleştirmektedir [5-7]. Ergitme kaynağındaki bu problemlere ilaveten, ticari olarak Ti-alaşımlarına başarı ile uygulanan katı hal kaynaklanndan difuzyon kaynağı yüzeylerindeki kararlı oksit tabakasından dolayı Al-alaşımlanna ekonomik olarak uygulanamamıştır [ 1-7]. Ayrıca, katı hal kaynak yöntemlerinden klasik sürtünme kaynağı gibi yöntemler, Al-alaşımlannın kaynağında kullanılabilmektedir. Ancak, bu yöntemlerin uygulamasındaki geometrik sınırlamalar nedeniyle yalnızca bindirme kaynağı uygulaması yapılabilmektedir. Bu yöntemler ile Al-alaşımı levhalan alın kaynağı yapmak mümkün değildir. 66

Bir malzemenin ekonomik olarak kaynak edilebilirliği, o malzemenin daha yaygın olarak kullanılmasını sağlayan ve o malzemeden parça dizaynını ve üretim yönteminin tayin edilmesini belirleyen bir özelliğidir. Lazer teknolojisindeki yeni ilerlemeler bir çok malzemenin kaynak edilebilmesine olanak sağlamış ve değişik uygulamalarda bu malzemelerin kullanılmasını mümkün kılmıştır. Fakat, bu kaynak yöntemi Al-alaşımlannın kaynağında ekonomik olarak kullanılamamaktadır. Diğer taraftan, 1990' lann başında geliştirilen ve bir katı hal kaynak yöntemi olan sürtünme karıştırma kaynağı (friction stir welding), geleneksel ergitme kaynak işlemleriyle kaynağı güç olan veya mümkün olmayan özellikle yaşlandırma sertleştirmesine tabi tutulmuş Al-alaşımlannın kaynağında başarıyla kullanılabilmektedir [1-4]. Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) yöntemi, alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin (batıcı uç) daldırılması ve kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir (Şekil 1) [1-4,8]. Yöntem, ilk defa 1970'li yıllarda İngiliz Kaynak Enstitüsünde denenmiş ve 199O'lı yıllarda geliştirilip patentlenmiştir [9]. Bu katı hal kaynak yönteminde birleştirme, sürtünme ile açığa çıkan ısının çamur kıvamına getirdiği malzemenin plastik akışı sayesinde gerçekleşmektedir. Kaynak bölgesinde oluşan içyapı, Şekil 2'de şematik olarak gösterilmektedir. Kaynak bölgesi, farklı mikroyapılann oluştuğu üç belirgin bölgeden oluşmaktadır. Bu bölgeler, dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB), termomekanik olarak etkilenen bölge (TEB) ve sıvı hal kaynak yöntemlerinde olduğu gibi ısının tesiri altındaki bölge (ITAB) olarak adlandınlmaktadır [1-4,10]. Pimin batma derinliğini sabit tutacak kuvvet Birleştirme / Çizgisi Pim (Levhaya batan uç) Şekil 1. Sürtünme Karıştırma Kaynağının (friction stir welding) Şematik Gösterimi [1-4]. Şekil 2. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kaynak Bölgesinde Oluşan İç Yapının Şematik Görünümü. A: ısının tesiri altındaki bölge (ITAB), B: termodinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (TEB), C: dinamik olarak yeniden kristalleşen bölge (DKB) [1-4, 10]. 67

Bu çalışmada, farklı iki yüzey geometrisine sahip batıcı uç kullanılarak 2 mm kalınlığındaki EN AW-5754 [AlMg3] alaşımı levhalar, sürtünme karıştırma kaynağı yapılmışlardır. Elde edilen birleştirmelerde, kaynak kalitesini belirlemek amacıyla içyapı incelemesi, mikrosertlik ölçümleri, çekme ve bükme deneyleri yapılmıştır. Aynı zamanda, batıcı uç yüzey geometrisinin kaynak kalitesine etkisi belirlenmiştir. 2. MATERYAL ve METOT Bu çalışmada, T.C. Seydişehir Alüminyum Fabrikalarından temin edilen 2 mm kalınlığındaki E53-H18 veya TSE Alüminyum EN AW-5754 [AlMg3] Al-alaşımı levhalar kullanılmıştır [11]. Sürtünme karıştırma kaynağını yapmak için gerekli kaynak uçları (batıcı uçlar), otomobil amortisörlerinin orta göbek millerinden yapılmıştır. Yüzeyi düz ve M4 vida dişi açılmış olmak üzere iki farklı uç yüzey geometrisi kullanılmıştır (Şekil 3). Kaynak işlemi, 2500 dev/dak dönme hızına, minimum 25 mm/dak ilerleme hızına ve maksimum 210 mm kurs boyuna sahip bir torna tezgahında gerçekleştirilmiştir, Şekil 4. Tornada, sürtünme karıştırma kaynağı yapılacak Al-alaşımı levhalann torna siperine bağlanarak kaynak yapılabilmesi için, platinadan (et kalınlığı 20 mm' den fazla olan çelik sac) torna siperine uygun ve levhalann sabitleneceği özel bir kalıp hazırlanmıştır. Levhalann tutturulduğu kalıp sipere bağlandığından kaynaklanabilme kurs boyu 110 mm'ye düşmektedir. Şekil 3. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Batıcı Uçlar. Şekil 4. Sürtünme Karıştırma Kaynağında Kullanılan Torna Tezgahı. 68

Kaynak Teknolojisi IV Ulusal Kongresi Torna tezgahının kurs boyunun kısa olması ve dolayısıyla kaynak boyunca kaliteli birleştirme yapabilmek için levhalar, kaynak ucu ve kalıp, sürtünme karıştırma kaynağına başlamadan önce bir $aloma vasıtasıyla (LPG kullanılarak) 50 ± 5 C de ön ısıtmaya tabi tutulmuştur. Daha yüksek devir hızına sahip tezgahlarda sürtünme karıştırma kaynağı işlemi için ön ısıtmaya gerek yoktur. Dijital termometre ile direkt kaynaklanacak levhalar, kalıp ve ucun yüzeyinden sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Kaynak bölgesinde oluşan içyapıyı incelemek amacıyla kaynaklı levhalardan metalografi numuneleri kesilmiştir. Daha sonra kesilen bu parçalar kaynak kesiti yüzeyde olacak şekilde oda sıcaklığında katılaşan polimer esaslı kalıp malzemesi kullanılarak kalıplanmıştır. Bu kalıplar, tabanlarının düzgün olması için parmak frezede düzeltilmiştir. Daha sonra sırasıyla 240,400, 800,1200 ve 2400 grit zımpara kağıtlarında zımparalanmış ve 1 /um tane boyutunda SiO 2 solüsyonu kullanılarak parlatma disklerinde parlatılmıştır. Hazırlanan bu numuneler üzerinde kaynak bölgesinde oluşan mikroyapı ve herhangi bir kaynak hatasının olup olmadığının belirlenmesi için optik mikroskop incelemeleri yapılmıştır. Bu metalografi numuneleri, ayrıca kaynak kalitesini belirlemek amacıyla mikrosertlik ölçümleri yapmak için de kullanılmıştır. Mikrosertlik ölçümleri Vickers mikrosertlik cihazı kullanılarak kaynak bölgesi ortada olacak şekilde yaklaşık 34 mm'lik bir uzunluk boyunca 0.25 mm aralıklarla 100 gram yük kullanılarak mirosertlik ölçümleri yapılarak (Şekil 5) sertlik profilleri belirlenmiştir. Kaynak kalitesinin tespit edilmesi için baz malzemeden ve kaynaklı levhalardan TS EN 485-1 standardına göre numuneler de (her durum için minimum 3 numune) hazırlanmış ve çekme deneyine tabi tutulmuştur. Ayrıca, endüstriyel 180 bükme deneyi de yapılmıştır. Bükme deneylerinde kullanılmak üzere malzeme yetersizliğinden dolayı standart dışı ince dikdörtgen şeklinde (kaynak bölgesi ortada olacak şekilde) numuneler hazırlanmıştır. Düz ve vida dişli batıcı uç kullanılarak elde edilen kaynaklardan çıkarılan bu standart dışı numuneler kaynak tabanı içe ve dışa gelecek şekilde 180 bükülmüştür. Şekil 5. Mikrosertlik Ölçümlerinin Yapılışının Şematik Gösterimi. 3. ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA TSE EN AW 5754 [AlMg3] Al-alaşımının sürtünme karıştırma kaynağı başarılı bir şekilde yapılmıştır. Düz yüzeyli uç ile yapılan kaynak işleminde kaynak dikişi boyunca tünel şeklinde bir porozite oluşmuştur, Şekil 6a. Bunun sebebi, düz uçla yapılan kaynak işleminde çamur kıvamına gelen malzemenin dikey yönde batıcı uç omzuna doğru hareket etmesi ve omuz altında levhaların yüzeyine sürülmesi sonucu kaynak dikişi bölgesindeki malzeme hacmindeki azalmadır. Düz batıcı uç ile elde edilen birleştirmede karşılaşılan diğer bir 69

kaynak hatası da kaynak dikişinin taban kısmında düşük devir hızı dolayısıyla yeterli hidrostatik basınç elde edilemediğinden karıştırılmamış bölgenin bulunmasıdır, Şekil 7a. Diğer bir deyişle bu bölgede kaynak dikişi boyunca soğuk birleşme olmuştur. Sürtünme karıştırma kaynak yönteminde batıcı uç kaynak yapılacak levhaların tabanına kadar batınlmamaktadır. Karıştırılan malzeme hidrostatik basınç ile taban bölgede sıkıştırılarak bu bölgede birleştirme elde edilmektedir. Kaynak parametrelerinin uygun olmaması durumunda sürtünme karıştırma kaynaklı birleştirmelerde bu tür kaynak hatalanna rastlanmaktadır [1]. Diğer taraftan, vida dişli uç ile yapılan birleştirmede kaynak dikişinin içerisinde düz uç ile yapılan birleştirmedeki gibi poroziteye rastlanmamıştır, Şekil 6b. Yüzeyinde diş açılmış uç kullanıldığında çamur kıvamına getirilen malzeme vida dişleri sayesinde yüzeyden aşağıya doğru hareket ettirilmektedir. Bunun sonucu kaynak bölgesinde düz uç ile yapılan birleştirmenin aksine malzeme hacminde bir azalma meydana gelmemektedir. Ancak, kaynak dikişinin taban kısmında düz uç ile yapılan birleştirmede olduğu gibi düşük devir hızı dolayısıyla yeterli hidrostatik basınç elde edilememesinden dolayı soğuk birleşme oluşmuştur, Şekil 7b. Bu çalışmada, kullanılan torna tezgahının devir hızı maksimum 2500 dev/dak olmasından dolayı daha yüksek devir hızlarında kaynak işlemi gerçekleştirilememiştir. Ancak devir hızı kapasitesi daha yüksek kaynak sistemleri kullanılarak bu hatanın da ortadan kaldırılması mümkün olacaktır. Şekil 6. Kaynak Bölgelerinin Görünümü, a) Düz Uç ile ve b) Vida Dişli Uç İle Yapılan Kaynak. 70 Şekil 7. Kaynak Bölgelerinin Detay Görüntüsü, a) Düz Uç ile ve b) Vida Dişli Uç ile Yapılan Kaynak.

Metalografi numuneleri üzerinde mikrosertlik ölçümleri yapılarak elde edilen kaynakların sertlik profilleri çıkarılmıştır, Şekil 8. Her iki durumda da (düz ve vida dişli uç) kaynak dikişi bölgesinde yaklaşık 25-30 HV lik bir sertlik düşüşü gözlenmiştir. Bu durum, Al-alaşımlannın kaynaklarında sıkça rastlanan bir durumdur [5-7]. Kullanılan Al-levha soğuk haddelenmiş, dolayısıyla yüksek sertliğe sahiptir. Kaynak işlemi esnasında ise malzeme hamurumsu hale gelene kadar ısındığından kaynak bölgesinde soğuk şekil verme sertleşmesine uğramış yapı tavlanmakta, bu durum da sertlik kaybına neden olmaktadır. Farklı uç geometrisine sahip kaynak numunelerinde elde edilen sertlik profilleri arasında belirgin bir fark gözlenmemiştir (Şekil 8). 140-15 -10-5 0 5 10 15 20 Kaynak Merkezine Olan Mesafe, mm Şekil 8. İki Farklı Uç ile Elde Edilen Kaynakların Sertlik Profilleri. Elde edilen kaynakların çekme deneyindeki performanslarını belirlemek amacıyla, baz malzemeden 4, düz uç ile kaynak yapılmış levhalardan 3 ve vidalı uç ile kaynak yapılmış levhalardan 5 standart çekme numunesi çıkanlmış ve oda sıcaklığında çekme deneyine tabi tutulmuştur. Baz malzemeden çıkarılan numunelerde kınlma numunenin bağlama çenelerine yakın yerlerinde gerçekleşirken, düz uç kaynaklı numunelerde kaynak dikişinde ve vida uç kaynaklı numunelerde ısının tesiri altında kalan bölgede (ITAB) gerçekleşmiştir (Şekil 9). Birleşme vii/cvi Şekil 9. Çekme Deneyi Sonuçları: a) Baz Malzeme, b) Düz Uç ve c) Vida Dişli Uç ile Kaynak Edilmiş Numune. 71