KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 107 DİRENÇ NOKTA KAYNAĞINDA ELEKTROT ÖMRÜNÜN DENEYSEL ANALİZİ * Prof. Selahaddin ANIK, ** Doç Dr. Murat YURAL, *** Y.Müh.Selim YENER ÖZET Bu çalışma, otomotiv sanayinde yaygın olarak kullanılan direnç nokta kaynağında kullanılan elektrotların ömrünün deneysel analizi için elektrot ucundaki deformasyonun kaynak dikiş kalitesini ne şekilde etkilediğinin tesbiti amacıyla yapılmıştır. Bunun için, yaygın kullanılan bir elektrot malzemesi ve fabrika ortamında deneyler yapılmış; elektrot uç formunun değişimi gözlenmiş ve bu değişimin nokta kaynağının karakteristiklerine etkileri değerlendirilerek grafikler halinde sunulmuştur. Anahtar sözcükler: Elektrik direnç nokta kaynağı, elektrot ömrü, mantarlaşma, çökme, çekmemakaslama dayanımı. 1. GİRİŞ Otomotiv sanayi, gelişen teknolojiyi yakından takip eden ve her türlü gelişmeyi bünyesine adapte edebilme kolaylığına sahip bir endüstridir. Bir otomobilin üretilmesinde binlerce parça kullanılmakta ve yüzlerce farklı tipte işlem gerçekleşmektedir. Bu işlemlerden belki de en önemlisi, aracın gövdesinin ortaya çıkarıldığı kaynak işlemidir. Bir otomobil fabrikasının kaynak atelyesinde gövdenin imali için kullanılan belli başlı kaynak yöntemleri, direnç nokta kaynağı, direnç dikiş kaynağı, MAG kaynağı, saplama kaynağı ve yumuşak lehimlemedir. Bu kaynak yöntemleri içinde aracın ortaya çıkmasında ağırlıklı rol, direnç nokta kaynağına aittir. İmalatta genellikle direnç nokta kaynağı elektrotları gözle muayene edilmekte ve tecrübeye dayalı olarak belirlenen aralıklarla traşlanmaktadır. Ancak şimdiye kadar elektrotların deformasyonunun kaynak kalitesine etkisinin sistematik bir şekilde incelenmemiş olması, bu çalışmanın yapılma amacını oluşturmuştur. Elektrotlardaki deformasyonun kaynak kalitesine etkisinin analiz edilebilmesi amacıyla gerçekleştirilen deneylerin imalat şartlarını yansıtabilmesi için, kullanılan malzemeler Ford Otomotiv Sanayi A.Ş.'de imalatta kullanılan malzemelerden seçilmiş ve deneyler de imalatın yoğun olduğu bir kaynak makinasında gerçekleştirilmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Kullanılan Malzemeler Deneylerde, seçilen bir elektrot başlığı ile 10000 nokta kaynağı yapılarak, nokta sayısına bağlı olarak elektrotda oluşan boyutsal değişikliklerin kaynak dikiş kalitesine etkileri analiz edilmiştir. Deney- * Gedik Eğitim Vakfı, Ankara Cad. No:28 Şeyhli, Pendik İSTANBUL ** İ.T.Ü. Makina Fakültesi, İnönü Cad. No:85 Gümüşsüyü 80191 İstanbul TÜRKİYE *** Ford Otosan A.Ş., İstanbul
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 108 lerde Nippert Dawson (ingiltere) firması tarafından üretilen MN 16 Z 63 kod no'lu Z-Trode tip bakır zirkonyum alaşımı elektrot kullanılmıştır. RWMA Class 2'ye dahil bu elektrot, özellikle seri imalatta kullanılmak üzere geliştirilmiş ve otomotiv sanayinde yaygın şekilde kullanılmaktadır. Kimyasal bileşimi % 98,5 Cu + % 1,5 Zr şeklindedir. Elektrodun şekli ve görüntüsü Şekil 1 ve 2'de verilmiştir. Şekil 2. Deneylerde kullanılan üst ve alt elektrot başlıkları ve adaptörleri. Deneylerde kullanılan esas metal, % 0,08C, % 0,03 P, % 0,03 S ve % 0,4 Mn bileşiminde ve soğuk haddelenmiş durumdadır. Akma dayanımı 160 Mpa, çekme dayanımı 308 Mpa ve % uzaması 42,4 değerlerindedir. Esas metalin kalınlığı 0,6 mm dir. 2.2. Kaynak Parametreleri Deneylerde 250 dan elektrot kuvveti, 9,5 ka'lik kaynak akımı, 12 periyod'luk kaynak süresi, 10'ar periyod'luk sıkıştırma ve tutma süreleri uygulanmıştır. Deneyler 150 kva'hk sabit kaynak makinasında yapılmıştır. Elektrot kuvveti, bir kuvvet analizörü yardımıyla, makinanın basınç valfleri kullanılarak ayarlanmış; ölçümde Tecna marka TE1460 model kuvvet analizörü kullanılmıştır. Kaynak akımının değeri ise, ölçümünde Tecna Marka 1430 model kaynak test cihazı kullanılmıştır. Akım şöntlenmesinin engellenmesi, uygun soğutmanın sağlanması ve imalat hızlarına yakın olması amacıyla deney-
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 109 1er 20 adet/dakika'hk hızla gerçekleştirilmiştir. 10000 adet nokta kaynağının düzgün biçimde yapılabilmesi için kaynaklar 18x18 mm'lik kare şeklinde çizilmiş saç plakalar üzerine uygulanmıştır (Şekil 3). Şekil 3. Nokta kaynaklarının oluşturulması Şekil 4. Eloktrot başlığında ölçülen boyutlar 5000 nokta sayısına kadar her 250 noktada bir elektrot ucunun fotoğrafı çekilmiş ve her 245 ila 250'nci noktalar çekme deneyi numunelerine uygulanmıştır. Elde edilen numunelere uygulanan çekme deneyi sonuçları da grafik halinde verilmiştir. Elektrotların deformasyonunun tesbiti için Şekil 4'te verilen boyutlar temel alınmıştır. Elde edilen nokta kaynaklı numunelerde elektrot dalma derinlikleri ve kaynak çekirdeğinin çapları da ölçülerek grafik halinde gösterilmiştir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ no 3. DENEY SONUÇLARI Şekil 5'te elektrot başlıklarının başlangıç durumu, ilk numune kaynağı ve çekirdeği, Şekil 6'da ise elektrot başlıklarının 10000'inci kaynaktan sonraki durumu, son numune kaynağı ve çekirdeği gösterilmiştir. Şekil 7'de elektrot başlığının ilk ve 10000 noktadan sonraki durundan ve 50 kat büyültülmüş kesit görünüşleri verilmiştir. Şekil 8'de üst ve alt elektrot başlıklarının boylarının nokta sayısıyla değişimi, Şekil 9'da ise elektrot başlıklarındaki mantarlaşmanın nokta sayısı ile değişimi verilmiştir. Üst ve alt elektrot başlığı uç çaplarının nokta sayısıyla değişimi Şekil 10'da gösterilmiştir. Numunelerdeki toplam çökme miktarı Şekil ll'de, ortalama düğme çapının nokta sayısıyla değişimi ise Şekil 12'de görülmektedir. Şekil 13'te ise, numunelerin ortalama çekme-makaslama dayanımlarının nokta sayısıyla değişimi verilmiştir. Şekil 13. Numunelerin çekme-makaslama dayanımlarının nokta sayısı ile değişimi.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 111 (a) Üst elektrod başlığının yandan görünüşü (b) Alt elektrod başlığının yandan görünüşü (c) Üst elektrod başlığının üsten görünüşü (d) Alt elektrod başlığının üsten görünüşü (e) Numune kaynağının görünüşü (f) Numune düğmesinin görünüşü Şekil 5. Eloktrot başlıklarının başlangıç durumu, ilk numune kaynağı ve düğmesi
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 112 (a) Üst elektrod başlığının yandan görünüşü (b) Alt elektrod başlığının yandan görünüşü (c) Üst elektrod başlığının üsten görünüşü (d) Ait elektrod başlığının üsten görünüşü (e) Numune kaynağının görünüşü (f) Numune düğmesinin görünüşü Seki! 6. 10000 kaynak sonunda elektrot başlıkları, numune kaynağı ve düğmesi
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 113 (b) 10000'inci noktakaynağı yapılmış elektrot başlığının kesiti Şekil 7. Elektrot başlığının 1. ve 10000'inci noktadan sonraki durumu ve kesit görünüşleri Şekil 8. Üst ve alt elektrot başlık boylarının nokta sayısı ile değişimi
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 114 Şekil 9. Üst ve alt elektrot başhklanndaki mantarlaşmanın nokta sayısı ile değişimi
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 115 Şekil 11. Numunelerdeki toplam çökme miktarının nokta sayısıyla değişimi Şekil 12. Numunelerdeki ortalama düğme(çekirdek) çapının nokta sayısıyla değişimi Şekil 13. Numunelerin çekme-makaslama dayammlannın nokta sayısıyla değişimi 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Deneyler boyunca üst ve alt elektrot başlıklarının boy ve çapındaki değişim, kaynak yapılan saçlann yüzeyindeki çökme miktarı, düğme çapı ve çekme-makaslama dayanımları ölçülerek grafiksel olarak bu değerlerin artan nokta sayısıyla değişimleri sunulmuştur. Üst ve alt elektrot başlıklarının boyları, yaklaşık olarak 5000 nokta kaynağına kadar hızlı, bu değerden sonra ise yavaş bir şekilde azalma göstermiştir. Elektrot başlıklarının mantarlaşma miktarları
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUS AL KONGRESİ 116 da büyük bir yaklaşıklıkla aynı sonucu vermiştir. Bunun nedeni, elektrot yüzeyinde ortaya çıkan ısının malzemeyi daha kolay plastik şekil değiştirebilir hale getirmesidir. Elektrot başlıklarının uç çaplarındaki değişim esas alındığında, yine 5000 nokta sayısı civarında eğrilerin eğiminin değiştiği, d 2 ile gösterilen çap değerinin üst elektrot için yaklaşık 8,85 mm alt elektrot için ise yaklaşık 8,5 mm civarında kısmen sabit kaldığı görülmüştür. Nokta kaynaklan boyunca, işlem gereği elektrodun parçaya hızlı yaklaşması ve basmç uygulaması, hemen ardından akımın geçmesi nedeniyle, hem elektrot hem de parça yüzeyinin ısınmasının ve deformasyonunun kolaylaşmasının yanı sıra, elektrot yüzeyinin kenarlarında deformasyon miktarının ve ortasında soğutma suyunun etkisinin daha fazla olmasından dolayı, elektrot ucunda ikinci bir yüzey oluşmaktadır. d 3 ile ifade edilen bu ikinci yüzeyin çapı, bu yüzeyin ortalama çapı olup her iki elektrot başlığında önce azalmış, daha sonra yaklaşık 2500 noktadan sonra çok düzgün olmayan bir şekilde artmaya başlamıştır. İlk kaynakta % 30 olarak ölçülen numunedeki toplam çökme miktarı, 9750 nokta kaynağı sonunda % 6'ya kadar düşmüştür. 7750 kaynak sonunda, 3.sınıf yüzey kalitesine sahip kaynaklar için alt sınır olan % 15'lik çökme değerinin (0,30 unun) altına inildiği görülmüştür. Nokta kaynaklarına ait düğme çapının, elektrotlardaki mantarlaşma sonucunda arttığı ve 10000 nokta sonunda, elektrot çapının ilk değerinde elde edilen düğme çapına göre % 15 büyüdüğü görülmüştür, Çekme makaslama dayanımlarının nokta kaynağı sayısıyla değişimleri incelendiğinde, numunelerin dayanımlarının 10000 kaynak sonunda ilk değerden daha düşük olmadığı görülmüştür. Bu sonuç, düğme çapındaki artışla birlikte değerlendirildiğinde elektrot yüzeyi büyürken düğme çapının da büyüdüğü ancak çekme makaslama dayanımında aynı oranda bir artış olmadığı görülmektedir. Ulaşılan sonuç, elde edilen kaynakların yüksek mukavemetli ve güvenilir olduğu anlamına gelmemektedir. Bunun nedeni, elde edilen diğer değerlerin ve numune kaynakların görüntülerinin, bu değerlerin kritik olabileceğini, dolayısıyla 10000 noktadan sonraki herhangi bir kaynağın özelikle yüzey kalitesi bakımından tatmin edici olmayacağını göstermektedir. Çekme makaslama deneyi sonucunda kopma olayı, nokta kaynağı civarındaki saçta yırtılma şeklinde meydana gelmiştir. Bunun nedeni, saç yüzeyindeki elektrot çökme bölgesinde, saçtaki incelme sonucu çekme dayanımının düşmesi ve bu bölgeye oranla nokta kaynağı dayanımının daha yüksek olmasıdır. Yukarıdaki açıklamalar ışığında, yaklaşık olarak 4500-5000 noktadan sonra elektrotların traşlanması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. ' REFERANSLAR 1. S. Anık, E.S. Anık ve M. Vural, "1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı", Birsen Yayınevi, İstanbul, 1993, s. 186-209 2. M.Vural, "Elektrik Direnç Kaynağı Seminer Notları", İTÜ Makina Fakültesi, İstanbul, 1998 3. N.N. "Taschenbuch, DVS-Merkblaetter Widerstand- schweisstechnik", Fachbuchrer'he Schweisstechnik, Band 68-111, DVS-Verlag, Düsseldorf 1993 4. N.N. "Resistance Spot Welding", Nippert Dawson Ltd., İngiltere, 1997 5. J. Defourney, V. Leroy, "Compared Possibilities and Limitations of Resistance Spot Welding Joints in Coated Steel Sheets", DVS Berichte Band 124, 1989, s.26-31 6. HJ. Krause, G. Simon, "Standmengen von Punkt-Schweisselektroden abhaengig von variierten Einflussgrössen", DVS Berichte Band 70, 1981, s. 85-100 7. N.N., "Spot Welding Data", Martin Electric Ltd., İngiltere, 1990. 8. N.N., "STQKS 013 01 IF", Ford Otosah Kaynak Test Raporu, İstanbul, 1998