DÖKÜM PARÇALARIN KAYNAKLA TAMİRİ Doç. Dr. Adnan DİKİCİOĞLU Yrd. Doç. Dr. Murat VURAL İTÜ MAKİNA FAKÜLTESİ 12 KASIM 1993
DÖKME DEKtR VE DÖKME ÇELİKLERİN KAYNAĞI l.gîrîş Dökme demir ve dökme çelik, yüzyıllardır bilinen ancak modern mühendislikte yine de son derece gerekli olan malzemelerdir. Dökme malzemelerin kendisi kadar es ki olan bir problem de, bu malzemelerin birleştirilmeleridir. Kaynak yöntemleri ilk önceleri daha çok kırılmış dökme malzemelerin onarımı amacıyla kullanılmaktaydı. Daha sonraları ise, dökme malzemelerden konstrüksiyonların oluşturulmasında kullanılmaya başlanmıştır. Kaynak yöntemleri ve ilave malzemeleri, dökme parçaların hem kendi aralarında hem de dövme ve hadde ürünü çeliklerle birleştirilmelerine olanak sağlayacak ölçüde gelişmiştir. Kay ak işlemi halen onarım alanında da, dökme demir malzemeler için gittikçe daha yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. 2. DÖKME DEMİRLERİN KAYNACI Dökme demirler, matris içinde gömülü grafit formunda, % 2.5-4 arasında karbon, ayrıca % 1-2.5 Si ve bir miktar Mn, S ve P içeren demir alaşımlarıdır. Karbon miktarının yüksekliği nedeniyle, ötektik bileşime yakın alaşımlardır; düşük ergime sıcaklıklarına sahiptir ve bu nedenle karışık şekiller halinde kolayca dökülebilirler. İçlerindeki grafit kalıntıları işlenebilmelerini kolaylaştırır. Yakın zamana kadar, düşük yüklenebilme kabiliyetleri nedeniyle yüksek dayanım gerektiren yerlerde kullanılamamalarma karşın, son yıllarda geliştirilmeleri ve ucuz olmaları sayesinde, dövme ve hadde ürünü çeliklere rakip haline gelmişlerdir. Bu gelişmenin üç temel nedeni bulunmaktadır. Birincisi, dökme demirlerin bünyesine katılan alaşım elementleri, ikincisi, üretim koşullarının modernleşmesi ve üçüncüsü de, döküm işlemlerinin ilerlemesi sonucu, daha dar -toleranslarla üretilebilmeleri ve yüzey kalitelerinin daha yüksek hale gelmesidir. j Genel olarak dökme demirler, bünyelerindeki karbonun çökelme tipine göre sınıflandırılırlar: a) grafitin lameller halinde bulunduğu kır dökme demir b) grafitin küresel formda yeraldığı küresel dökme demir c) tavlama sonucu, grafitin taneli halde bulunduğu dövülebilir dökme demir d) yüksek miktarda alaşım elementi içeren özel dökme demirler 2.1. Kır Dökme Demirlerin Kaynağı Makina konstrüksiyonlarmda en çok kullanılan dökme demir tipi olan kır dökme demirin kaynağında iki önemli nokta sözkonusudur; bunlar, malzemenin rijitliği ve karbon içeriğidir. Kır dökme demir malzeme, kaynak edilme amacıyla kaynak sıcaklığına kadar ısıtıldığında, diğer bütün demir alaşımlarında olduğu gibi, o kısım yerel olarak genleşir. Parçanın genel şekli bu genleşmeye uygun ise, bir sorun yoktur. Ancak parça rijit bir konstrüksiyon ise, kaynak bölgesi dışındaki soğuk kısımlarda oldukça şiddetli ısıl gerilmeler ortaya çıkar. Kaynak esnasındaki bu yerel ısınma ve soğumanın oluşturduğu şekil değişimi, çok gevrek bir yapıya sahip olan dökme demir parçanın en kritik yerinden çatlamasına neden olur. Kır dökme demirin kaynağında, kaynak banyosu ve kaynak banyosuna bitişik olan bölge, kaynaktan sonra kendi kendine soğumaya terkedilirse, tüm kaynak 201
bölgesinde sert ve kırılgan bir yapı oluşur ve bu yapı genellikle, ısınmadan sonraki soğuma nedeniyle oluşan gerilmelere dahi dayanamayarak çatlar. Kır dökme demiri kaynak edebilmek için iki çözüm vardır: 2.1.1. Aynı Tipte Dolgu Metali ile Kaynak Dökme demirin kaynağında f esas metal ile aynı tipte dolgu malzemelerinin kullanımı, en iyi iç yapı ve mekanik özelliklerin kazanılmasını sağlar. Bu husus» özellikle dökme demir parçanın kullanıldığı ortamda, ani sıcaklık değişimleri olduğunda önem taşır. Bu tip uygulamalarda sıcak kaynak sözkonusudur. Sıcak kaynak parçaya öntav uygulanması ile yapılan kaynaktır ve bu durumda parçanın ve kaynak yerinin sıcaklıkları arasındaki fark azalır. Kaynak bölgesine uygulanan ısı hızla çevre metale yayılamayacağından, soğuma yavaşlar ve dolayısıyle sert bölgenin oluşumu önlenir. Tüm parçaya öntav uygulanması halinde, parça uniform bir biçimde genleşir ve kaynak bölgesi, kaynak sıcaklığına kadar ısıtıldığı zaman, kaynak bölgesinin genleşmesi daha az olur ve sonuçta kırılma olayları görülmez. Bu yöntemde parçaları kendi özellikleri de gözönüne alınarak, yaklaşık 600 C ye kadar, çok yavaş ve uniform bir şekilde ısıtılırlar. Bu olay özellikle kalın kesitli ve karışık şekilli parçalarda daha da önemlidir. Kır dökme demirlerin sıcak kaynağında ön tavlama süresi 6-8 saat, bazı durumlarda birkaç gün sürebilir. Dökme demirin ergime sıcaklığı, FeO'nun ergime sıcaklığından daha düşüktür. Bu nedenle sıvı dökme demirin yüzeyinde, kalınlığı ince yada kalın olabilen bir FeO tabakası bulunur. Kaynak sırasında bu tabakanın ortadan kaldırılması gerekir. Bazı elektrotlar bu tabakayı parçalayabilir ancak tamamen ortadan kaldıramaz. Bu durumda yüzeye bir dekapan uygulanması, daha yaygın bir usuldür. Bu dekapanın bileşiminde genellikle boraks bulunur. Ancak özel uygulamalarda sodyum bikarbonat gibi bazı kimyasal elemanlarda katılır. Ancak ince cidarlı dökümde, genellikle gaz ergitme kaynağı (oksiasetilen kaynağı) tercih edilir. Kaynak edilecek yer, uygulanacak kaynak yönteminin seçiminde belirleyici bir etkendir. Kaynak banyosu genellikle büyüktür ve bu nedenle sadece yatay pozisyonda kaynak yapılabilir. Dikey veya tavan kaynakları uygulanamaz. Kaynak banyosunun çok geniş olduğu durumlarda, kaynak ağzını grafit tabakaları ile bölümlere ayırma, kaynak işlemini kolaylaştırır (Şekil.1). Şekil. 1- Geniş bir kaynak bölgesinin kısımlara ayrılması -202
2.1.2. Farklı Tipte Dolgu Metali ile Kaynak Farklı tipte dolgu metali ile kaynak yapılacağı zaman t soğuk kaynak yönteminin uygulanması gerekir. Soğuk kaynak yönteminde, kaynağa bitişik bölgede sementit ve martenzit oluşmasını önlemek ve parçada ısıtma esnasında kırılmaya yolaçacak şiddette bir ısıl gerilmeye yolaçmamak için, kaynak bölgesine olabildiğince az ısı verilmeye çalışılır. Soğuk kaynak yönteminde, karbür yani sementit oluşturmayan dolgu metali kullanılır. Bu uygulamada, kaynak dikişleri olabildiğince kısa çekilir ve dikişlerden sonra parça soğumaya terkedilir. Çelik elektrotlar kullanılarak yapılan bir el ile elektrik ark kaynağında» 100 C'nin üzerinde bir ön tavlama uygulanması gerekir. Çünkü bu kaynak yönteminde, esas metalden kaynak metaline geçiş bölgesinde, sert ve gevrek bir malzeme bölgesi ortaya çıkar (Şekil.2) Şekil.2- ön tavlama uygulanmaması durumunda, kır dökme demirdeki kaynak bağlantısı Şekil.2'deki I-III alanları, geçiş bölgesi, IV ise esas metali göstermektedir. I bölgesinin genişliği, uygulanan kaynak akım şiddetinin büyüklüğüne bağlıdır. Bu alan, hemen hemen saf elektrot malzemesinden oluşur. II bölgesi, dökme demirden karbon absorbe ederek hafifçe sertleşen ancak yine de işlenebilme özelliğine sahip bir bölgedir. III bölgesi ise, daha yüksek karbon içeriğinden dolayı ortaya çıkan sertliğin,' çatlama eğilimine sahip olduğu bölgedir. IV bölgesi, hızlı soğuma sonucu, beyaz dökme demir haline gelir. V bölgesi, ısının etkisiyle dönüşüme uğramış dökme demirden oluşur. IV bölgesi ise, etkilenmemiş esas metali göstermektedir. Kaynak bölgesinin enine kesitinde, pasoların durumu Şekil.3'de görülmektedir. taıpon pasolar Şekil.3- Kaynak bölgesinin enine kesitinde pasoların durumu Soğuk kaynak yönteminde, geçiş bölgesinde çatlama riski olmayan, yüksek bir emniyet elde etmek için nikel, nikel-demir ve nikel-bakır elektrotlar kullanılır. 2.1.3. Takviyeli Kaynak Kaynak edilecek iş parçası kalınlığının 40 mm'yi aşması ve bağlantıya gelen yüklerin yüksek düzeyde olması halinde, takviyeli kaynak adı verilen bir -203 -
teknik uygulanır. Bu teknikte» kaynak ağzının yan yüzeylerine açılmış ve diş çekilmiş deliklere saplamalar vidalanır. Saplamaların eksenleri kaynak ağzı yüzeylerine diktir ve düşük mukavemetli düzlemlerin meydana gelmemesi için saplamalar birbirinden farklı derinliklere vidalanır. Derinliklerin derinliği, saplama çapının 2-4 katı. saplamanın dışarıda kalan kısmı ise birkaç milimetredir. Kaynak ağzı, nüfuziyet ve dolgunun tam olabilmesi için yumuşak çelik elektrotlarla, kapak pasosu ise işlemeyi kolaylaştırmak için nikel çekirdekli elektrotlarla çekilir (Şekil 4 ve 5). Şekil.5- Takviyeli kaynak halinde dikişin detayı Bu yöntemin değişik bir türü de, uygulamada sık sık kullanılan, döküm gövdeli preslerin kırılmış kısımlarının tamiridir. Bu özel uygulamada, kaynak dikişinin sağlamlığı kadar, parçanın sentesinde olması da önemlidir (Şekil.6). 204
Şekil. 6- Kırılmış kır dökme demir gövdeli presin kaynakla tamiri 2.2. Küresel Graf itli Dökme Demirlerin Kaynağı Normal kimyasal bileşime sahip küresel dökme demir, ön tavlama olmadan veya yeterli bir seviyeye kadar bir ön tavlamaya tabi tutulmadan, lokal olarak ergitilirse ve ergimiş metal, normal kaynak şartlarında soğumaya terkedilirse, yarı kararlı bir sistem halinde katılaşır, ilk olarak ostenit ve sementitin bir ötektiği oluşur. Soğuma sürdükçe, ostenit ikincil sementite ve ince lameili perlite dönüşür. Yeteri kadar sünek bir kaynak elde etmek için, ledeburitin, bir son tavlama ile çözündürülmesi gerekir. Ancak bu işlem, kaynak metalinde veya kaynak metaline komşu ısıdan etkilenen bölgede herhangi bir çatlak olmaması durumunda oluşabilir. Esas yapıya bağlı olarak, son tavlama işlemi çeşitli şekillerde yapılabilir. a) ferritik tavlama b) perlitik tavlama Tane irileşmesine yolaçmamak için, bu ısıl işlemlerin hiçbirinde, 920 C'lik sıcaklığın üzerine çıkılmamalıdır. Kır dökme demirin aksine, bu tip dökme demirlerde, ısıdan etkilenen bölgelerde çatlamaya yüksek hassasiyet yoktur. Bu nedenle tamir kaynakları ve ^205-
imalat kaynakları daha kolay yapılır. Küresel grafitli dökme demirlerin kaynağında iki kalite standardı sözkonusudur: a) Klâs A- Kaynaklı bağlantı, kaynak edilmemiş malzeme ile aynı karakteristiklere sahip olmalıdır b) Klâs B- Kaynaklı bağlantı» kaynak edilmemiş malzeme ile aynı karakteristiklere sahip olmayabilir ancak bağlantı, kendisinden beklenen şartları yerine getirmelidir. 3. DÖKME rgr.tkt.rptw KAYNAÖI 3.1. Alaşıasız ve Düşük Alaşımlı Dökme Çeliklerin Kaynağı Alaşımsız ve düşük alaşımlı dökme çeliklerin kaynak kabiliyeti, kaynak sonrası hızlı soğuma sonucu sertleşme eğilimi ve tokluk değerinin azalması ile yakından ilgilidir. Ayrıca, tavlanmamış kaba taneli çelik dökümlerde, döküm bölgesinden başlayıp kaynak metali içinde de devam eden bir çatlama riski sözkonusudur, Bu tip dökme çeliklerde kimyasal bileşim, kaynak şartlarının belirlenmesinde birinci derecede rol oynar, örneğin öntavlama sıcaklığı, kimyasal bileşim tarafından belirlenir ve karbon eşdeğeri ifadesine bağlı olarak tesbit edilir. Karbon eşdeğeri, aşağıdaki denklem yardımıyla hesaplanabilir: ön tavlama sıcaklığı için, Şekil.7'den, malzeme kalınlığı da hesaba katılarak yaklaşık bir değer bulunabilir. Sac kalınlığı Şekil. 7- Düşük alaşımlı dökme çeliklerin elektrik ark kaynağında, ön tavlama sıcaklığı ile karbon eşdeğeri ve malzeme kalınlığı arasındaki ilişki Mekanik özellikler açısından, kaynak metalinin mümkün olduğu kadar esas metal ile aynı değerlere sahip olması ve geçiş bölgelerinin izin verilebilir sertlik değerlerini aşmaması istenir. Bu yüzden, kullanılan dolgu malzemeleri, genellikle esas metal ile aynı türdendir ve kaynaktan sonra, 550-680 C 206
sıcaklık aralığında bir gerilme giderme tavlaması yada normalizasyon tavlaması uygulanır. 3.2. Yüksek Alaşımlı Dökme Çeliklerin Kaynağı Kaynak ve döküm prosesleri arasındaki benzerlikten dolayı, malzeme bileşiminin ve dökme çelik ile kaynak metali arasındaki ilişkinin saptanması için, sırasıyla Schaeffler ve DeLong diyagramları kullanılır. Ferritik dökme çelikler için genellikle ostenitik dolgu metali kullanılır. Tanelerarası korozyonun önlenmesi için niyobyum veya titanyum ile alaşımlandırılarak stabilize edilmiş dökme çelikler kullanılabilir. Yüksek sıcaklıkta kullanılacak yüksek alaşımlı dökme çeliklerde, uygun bir ön ve sonradan tavlama işlemleriyle, aynı tip dolgu malzemeleri kullanılarak, sıcak kaynak yöntemiyle iyi kaynak bağlantıları elde edilebilir. Tam ostenitik krom-nikel çeliklerinin kaynağı, sıcak çatlamaya hassasiyetlerinden dolayı oldukça zordur. 4. SONUÇ Kaynak ve döküm işlemleri, rakip imalat yöntemleri değil, birbirini bütünleyen işlemlerdir, örneğin kırılmış dökme demirlerin onarımında, çoğunlukla kaynak işlemi kullanılır. Dökme çelik ile dövme ve hadde ürünü çelikler, aynı konstrüksiyonda, kaynak yöntemleri ile birleştirilmek suretiyle kullanılır. Birçok durumda, bir dövme-döküm malzeme kombinasyonu, dövme-dövme malzeme kombinasyonundan daha üstün özelliklere sahiptir. KAYNAKLAR (1) ANIK, S., DORN, I*., "Metallphysikalische Vorgänge beim Schweißen der Eisengußwerkstoffe-Gußeisen mit Lamellen- und Kugelgraf it", Schweißen und Schneiden 35 (1983), Heft 3,. S. 120-125 (2) ANIK, S., DORN, L., "Metallphysikalische Vorgänge beim Schweißen der Eisengußwerkstoffe-Temperguß, austenitisches Gußeisen und Stahlguß, Schweißen und Schneiden 35 (1983), Heft 5, S.227-230 (3) ANIK, S., TÜLBENTÇİ. K., KALUÇ. E., "örtülü Elektrotlar ile Elektrik Ark Kaynağı", Gedik Holding Yayını 1990 (4) WEISSBACH» H., "Materialskunde und Materialsprüf ung", Çev. Selahattin ANIK ve Safari ANIK, Birsen yayınevi, 1977 (5) ANIK, Selahattin, "Kaynak Tekniği Cilt III-Çeliklerin Kaynak Kabiliyeti" i.t.ü.kütüphanesi Yayını, Sayı 1030, 1981. 207
sıcaklık aralığında bir gerilme giderme tavlaması yada normalizasyon tavlaması uygulanır. 3.2. Yüksek Alaşımlı Dökae Çeliklerin Kaynağı Kaynak ve döküm prosesleri arasındaki benzerlikten dolayı» malzeme bileşiminin ve dökme çelik ile kaynak metali arasındaki ilişkinin saptanması için» sırasıyla Schaeffler ve DeLong diyagramları kullanılır. Ferritik dökme çelikler için genellikle ostenitik dolgu metali kullanılır. Tanelerarası korozyonun önlenmesi için niyobyum veya titanyum ile alaşımlandırılarak stabilize edilmiş dökme çelikler kullanılabilir. Yüksek sıcaklıkta kullanılacak yüksek alaşımlı dökme çeliklerde» uygun bir ön ve sonradan tavlama işlemleriyle, aynı tip dolgu malzemeleri kullanılarak» sıcak kaynak yöntemiyle iyi kaynak bağlantıları elde edilebilir. Tam ostenitik krom-nikel çeliklerinin kaynağı, sıcak çatlamaya hassasiyetlerinden dolayı oldukça zordur. 4. SONUÇ Kaynak ve döküm işlemleri» rakip imalat yöntemleri değil, birbirini bütünleyen işlemlerdir, örneğin kırılmış dökme demirlerin onarımında» çoğunlukla kaynak işlemi kullanılır. Dökme çelik ile dövme ve hadde ürünü çelikler, aynı konstrüksiyonda, kaynak yöntemleri ile birleştirilmek suretiyle kullanılır. Birçok durumda, bir dövme-döküm malzeme kombinasyonu, dövme-dövme malzeme kombinasyonundan daha üstün özelliklere sahiptir. KAYMAKLAR (1) ANIK» S.» DORN, L., "Metallphysikalische Vorgänge beim Schweißen der Eisengußwerkstoffe-Gußeisen mit Lamellen- und Kugelgraf it", Schweißen und Schneiden 35 (1983), Heft 3.. S.120-125 (2) ANIK, S., DORN, L., "Metallphysikalische Vorgänge beim Schweißen* der Eisengußwerkstoffe-Temperguß, austenitisches Gußeisen und Stahlguß, Schweißen und Schneiden 35 (1983), Heft 5, S.227-230 (3) ANIK, S., TÜLBENTÇÎ, K., KALUÇ, E., "örtülü Elektrotlar ile Elektrik Ark Kaynağı", Gedik Holding Yayını 1990 (4) WEISSBACH, H., "Materialskunde und Materialsprüf ung", Çev. Selahattin ANIK ve Safari ANIK, Birsen yayınevi, 1977 (5) ANIK, Selahattin, "Kaynak Tekniği Cilt III-Çeliklerin Kaynak Kabiliyeti" î.t.ü.kütüphanesi Yayını, Sayı 1030, 1981. -208