MAKINA-IMALAT TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU BİLDİRİLER KİTABI Editör: Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU MMO Yayın No: 228 4-5 EKİM 999 KONYA
tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak. No: 36/-A Demirtepe, 06440 - ANKARA Tel : (0.32)23 3 59-23 3 64-23 80 23-23 80 98 Fax : (0.32)23 3 65 e-posta: mmo@mmo.org.tr http://www.rnmo.org.tr MMO Yayın No :228 ISBN :975-395-33-3 Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO 'nıın izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI : Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI KONYA ŞUBESİ BASKI : HÜNER-İŞ MATBAACILIK - KONYA Tel: (332) 353 45 7
Makı'na-lmalat Teknolojileri Sempozyumu, 4-5 Ekim 999, KONYA 0.8 mm ET KALINLIĞINDAKİ KROMATLI MİKRO ALAŞIMLI ÇELİK SAÇLAR ile.0 mm ET KALINLIĞINDAKİ GALVANİZ KAPLANMIŞ KROMATLI MİKRO ALAŞIMLI ÇELİK SAÇLARIN ELEKTRİK DİRENÇ NOKTA KAYNAĞINDA KAYNAK AKIM ŞİDDETLERİNİN BAĞLANTILARIN MİKRO YAPILARINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ Dr. Müh. S. ASLANLAR A. ÇELİK 2 V. KARABAŞ 3 Dr. E. İLHAN 4 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar-SAKARYA 2 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar-SAKARYA 3 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar-SAKARYA 4 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar - SAKARYA Özet Anahtar kelimeler: Kaynak, Nokta kaynağı, Galvanizli saclar, Mikro alaşımlı saclar, Otomotiv Endüstrinin çeşitli alanlarında elektrik direnç nokta kaynağının kullanımı yaygın şekilde artmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe elektrik direnç nokta kaynağı kullanımı üst safhalara ulaşmıştır. Araçların karoserileri, takviye sacları ve şase bağlantılarında elektrik direnç nokta kaynağı kullanılmaktadır. Bu kısımlarda kullanılan saclar korozyona karşı dayanıklı ve kaynaklanabilirle kabiliyeti iyi olan galvanizlenmiş krornatlı mikro alaşımlı çelik saclarıdır. 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kronıatlı mikro alaşımlı çelik sacların elektrik direnç nokta kaynağında, kaynak akım şiddetinin kaynak bağlantısının mikro yapılarına etkileri araştırılmıştır. Kaynaklı bağlantıların birleştirilebilmesi için 20 kva gücünde elektrik akım ve zaman kontrollü, tek kollu pnömatik basma tertibatlı, elektrik direnç nokta kaynak makinasi kullanılmıştır. Kaynak akım zamanlan 5, 0, 5, 20, 25 periyot olarak seçilmiş; kaynak akım şiddetleri 3,5 ka'den başlayarak 0 ka 'e kadar l'er ka arttırılarak ayarlanmıştır. Elektrot basıncı 6 kn 'de sabit tutulmuştur. Elde edilen bağlantılar zımparalama ve parlatma işlemine tabi tutulduktan sonra dağlama işlemi yapılarak optik mikroskop altında esas metal, kaynak bölgesi ve ısının tesiri altındaki bölgenin mikro yapı fotoğrafları elde edilip, mikro yapı değişimleri incelenmiştir. Giriş Otomobil üreten şirketlerin dünya piyasalarında kendilerine iyi bir yer bulabilmeleri için otomobil kullanıcılarının isteklerine cevap vermeleri gerekir. Bu istekler araç karoserisinin korozyona karşı dayanıklı olması, kullanılan sacın darbelere karşı dayanıklı olması ve herhangi bir zorlamada bağlantı yerlerinin hasar görmemesi ve maliyetin düşük olmasıdır. Yukarıda sayılan bu istekleri otpmotiv üreticileri yerine getirebilmek için uzun süren araştırmalar yapmışlar ve bazı yenilikler getirmişlerdir. Bu yenilikler, korozyona dayanıklı sacların kullanımı ve kaynak kabiliyeti iyi, dayanımı yüksek, şekillendirilmesi kolay galvaniz kaplı mikro alaşımlı çelik saclardır. - 75-
Çelik sacların korozyona dayanıklı hale getirilmesinde birçok yöntem uygulanmaktadır. Bunlar çeliğin bileşimini değiştirmeden, malzemenin yüzeyine korozyona dayanıklı bir tabaka ile kaplamak (galvanizleme, kromatlama vb.) veya çeliğin bileşimine korozyona karşı dayanımını arttıran alaşım elementlerinin katılmasıdır (Paslanmaz çelikler). [.2] Konstruksiyonların imalinde kullanılan en yaygın imal yöntemi kaynaktır. Kaynak yöntemleri işlemin cinsine göre ergitme kaynağı ve basınç kaynağı olmak üzere ikiye aynhr. Basınç kaynağı yöntemi arasında elektrik direnç nokta kaynağı otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan başlıca kaynak yöntemidir. [3] 2 Elektrik Direnç Nokta Kaynağı Elektrik direnç nokta kaynağının prensibi, elektrotlar arasında basınç altında bir arada tutulan iş parçalarından geçen elektrik akımına karşı, iş parçalarının gösterdiği direnç nedeniyle meydana gelen ısı ile yapılan kaynak yöntemidir (Şekil ). Kaynak için gerekli akım, yüksek gerilim ve düşük akım şiddetindeki şebeke elektrik akımını, düşük gerilim ve yüksek akım şiddetinde kaynak akımına çeviren kaynak makinasından sağlanır. Gerekli basınç veya elektrod kuvveti, pnömatik veya mekanik donanımlar ile gerçekleştirilir. [4,5,6 ] Şekil. Elektrik direnç nokta kaynağının prensibi [7]. akımı, R ohmik direncinden t süresince geçtiğinde, Joule kanununa bağlı olarak J birim ısı açığa çıkar. Q = I 2 R t ( ) Burada, R = RI + R 2 +R3+R4+R5+RĞ+R.7 ' (2) dır, yani sekonder devredeki toplam dirençtir. Bu direnç!er(şekil ) Malzeme dirençleri R«, R 7 : Elektrotların direnci R 2, R» : İş parçalarının dirençleri - Temas dirençleri Rı, R 5 : Elektrod - malzeme temas direnci R 3 : Malzeme - malzeme temas direnci - 76-
Malzeme direnci, malzemenin fiziksel özelliklerinden kaynaklanır ve değişken değildir. Temas dirençleri ise, malzemenin ve elektrotların uç durumlarına bağlı olarak değişir. Kaynak sırasında R 3, en büyük ısının gerçekleşeceği direnç olarak seçilir. Diğer dirençlerdeki ısınmaların mümkün olduğunca küçük olması gerekir. Bu ise, l k kaynak akımının, t k kaynak süresinin ve F elektrot kuvvetinin seçimiyle sağlanır. R,, R 3, R 5 temas dirençleri bağlantının kalitesine etki ederler. [8 ] R 3 kaynak bölgesindeki sıcaklık, malzemenin t e erime sıcaklığının üzerine çıkar. Burada sıvılaşan malzeme, kaynak sonrasında kaynak çekirdeğini oluşturur. Rı ve R 5 temas bölgelerindeki ısınma, mümkün olduğunca düşük tutulur. Bu ise, iyi ısı ileten elektrod ve malzeme yüzeyleriyle sağlanır. Yüzeylerdeki pas, yağ ve boya gibi iyi ısı iletmeyen tabakaların olmaması gerekir. Temas dirençleri, farklı büyüklükte ısı miktarlarına ve bağlantı dayanım özelliklerinin farklılaşmasına yol açar. [9] 3 Deneysel çalışmnlar Bu çalışmada deney malzemeleri olarak seçilen 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromatlı mikro alaşımlı çelik sac çiftleri, elektrot formu, elektrot malzemesi, soğutma suyu giriş hızı ve elektrot kuvveti sabit kalarak, kaynak akım şiddeti ve kaynak akım süresi değiştirilerek ve her şartlarda kaynaklı bağlantı numune serileri elde edilmek üzere, elektrik direnç nokta kaynağı île birleştirilmiştir. 3.. Deneylerde kullanılan malzemenin özellikleri, boyutları ve hazırlanması. Deneylerde kullanılan saclar 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromatlı mikro alaşımlı çelik saclardır. Galvaniz tabakasının kalınlığı 23 um dir. Bu galvanizli kromatlı mikro alaşımlı çelik sacın kimyasal bileşimi Tablo l'de ve Tablo 2 'de, deney sırasındaki boyutları Şekil 2'de verilmiştir. Tablo 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çeliklerin spektral analız sonuçlan c P S Mu Si Al KİMYASAL BİLEŞİM Cr Mo Ni Bo Cu Nb Co V Fc 0.002 0.05 0.005 0.4 0.00 0.036 0.09 0.002 0.02 0.0005 0.004 0.020 0.005 0.005 99.73 Tablo 2.0 mm et kalınlığında galvanizli kromatlı mikro alaşımlı çeliklerin spektral analız sonuçlan c P S Mn Si Al KİMYASAL BİLEŞİM Cr Mo Ni Bo Cu Nb Co V le 0.002 0.02 0.004 0,3 0.00 0.044 0.03 0.003 0.03 0.0005 0.024 0.08 0.005 0.00 99.72 00 - - t _._ _-. -30-70 Şekil 2 Deney parçalarının boyutları [0] - 77-
3.2. Kaynak makinası ve kullanılan elektrotlar Deneylerde, tek kollu 20 KVA gücünde, elektronik akım ve zaman kontrollü, pnomatik basma tertibatlı elektrik direnç nokta kaynağı makinası(') kullanılmıştır.elektrot kuvveti sürekli ölçülmüş ve kontrol edilmiştir. Kaynak akım şiddeti değerleri, kaynak makinasınm üst koluna yerleştirilen bir manyetik alan ölçümlü akım trafosu ( 2 ) ve geniş alanlı bir ampermetre ( 3 ) ile devamlı olarak ölçülmüştür.kaynak zamanı, sıkıştırma ve tutma zamanlan makinanın kendi elektronik donanımları aracılığı ile ayarlanmıştır.[] Deneylerde küresel uçlu, küre çapı 6 mm olan elektrotlar ( 4 ) kullanılmıştır Tablo 3'de elektrotların kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri, Şekil 3'de elektrotların boyutları verilmiştir. Tablo 3 Deneylere kullanılan elektrotların kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri [2] Elektrodu ntipi CRM6 X CuCrZr(U el) Kimyasal Bileşimi g.k. Cu %0.40 Cr %0.03 Zr Isıl iletkenlik (J/ctnsK) 320 Elektrik İletkenliği (ra/fimm 2 ) 48 Çekme Dayanımı (N/mm 2 ) 540 Şekil 3. Deneylerde kullanılan elektrotların boyutları 3.3. Deneylerin Yapılışı Deney parçaları, Şekil 3'te gösterilen boyutlarda hazırlanıp temizlendikten sonra, deney parçaları 30 mm üst üste bindirilerek, bindirme kısmının orta noktasından kaynak edilmiştir. Elektrot kuvveti tüm deney boyunca 6 kn değerinde sabit tutulmuş ve sürekli olarak kontrol edilmiştir. Kaynak süresi 5, 0, 5, 20, 25 periyotlar olarak değiştirilmiştir. Sıkıştırma ve tutma süreleri, bütün serilerde 25 periyot olarak sabit tutulmuştur. Kaynak akım şiddeti 3.5 ka'den başlayarak ka'lik artışlarla 0 ka'e kadar arttırılmıştır. Deneylerde uygulanan kaynak periyodu Şekil 4'te gösterilmiştir 2 3 4 Mistaş A.Ş. Hikar Marka Akım Trafosu Metex Digital Multimeter Arslan kaynak Metal 78-
Elektrot Kuvveti (6 kn) Kaynak Akım Şiddeti (3.5kA-0kA) Sıkma Kaynak Tutma (25 pcr.) (5,0,5,20,25 Per.) (25 Per.) Şekil 4 Deneylerde uygulanan kaynak periyodu 3.3. Metaiografik çalışmalar Elektrik direnç nokta kaynak makinasında kaynağı yapılmış serilerin her birinden alman numuneler, mekanik olarak çekirdek ortasından kesilmiş ve bakalit içerisine gömülmüştür. Zımparalama (320, 600, 800, 000, 200) işleminden ve parlatma işlemlerinden sonra numuneler %3 çözeltili nitrik asit ile dağlanmıştır.[3] 4. Deneysel sonuçların irdelenmesi Şekil 5., Şekil 6, Şekil 7, Şekil 8, Şekil 9 ve Şekil 0'deki mikro yapı fotoğraflarında görüldüğü gibi kaynak akım zamanının ve kaynak akım şiddetinin artmasından dolayı, kaynak bölgesine kaynak ısı girdisinin artmasıyla ısının tesiri altındaki bölgede tane irileşmesi meydana gelmektedir. Kaynak metalinin mikro yapı fotoğraflarında, kaynak metallerinin düzgün kolonsal yapıda olduğu tespit edilmiştir Galvanizli Gali kromatlı mikro ala Kromatlı mikro alaşımlı "S "S s en' W Ül i Şekil 5 Esas metalin mikro yapısı - 79-
t Kaynak akım zamanı Kaynak akım şiddeti Esas metal Isının tesiri altındaki bölge Kaynak metali PERİYOT 7kA Şekil 6 Bağlantının mikro yapısı - 80 -
Kaynak akım zamanı Kaynak akım şiddeti Esas metal Isının tesiri altındaki bölge Kaynak metali H O il 7 Bağla - 8 -
Kaynak akım zamanı Kaynak akım şiddeti Esas metal Isının tesiri altındaki bölge Kaynak metali H O Şekil 8 ÜHİl - 82-
Isının tesiri altındaki bölge ŞekiJ 9 Bağlantının mikro yapısı - 83
Isının tesiri altındaki bölge Şekil 0 Bağlantının mikro yapısı - 84
5. Sonuçlar ve Öneriler 0.8 mm et kalınlığında kromath mikro alaşımlı çelikler ile,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromath mikro alaşımlı çelik saclar ile. yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sonuç ve bu sonuçdan çıkan öneriler aşağıda sunulmuştur. Mikro yapı fotoğraflarından elde edilen sonuçlara göre kaynak akım zamanının ve kaynak akım şiddetinin artmasından dolayı,kaynak bölgesine kaynak ısı girdisinin artmasıyla ısının tesiri altındaki bölgede tane irileşmesi meydana geldiği tespit edilmiştir. Tane irileşmesinin istenmediği yerlerde düşük akım şiddetleri ve kısa kaynak zamanlan tercih edilmelidir. Aşırı tane irileşmesinin meydana geldiği kaynak parametrelerinde kaynak yapılacak ise bu oluşum göz önüne alınması ve uygun tedbirlerin alınması gerekir. Kaynaklar [I] ANIK, S., Kaynak Tekniği Cilt III, İ.T.Ü. Kütüphanesi no. :83, 98 [2] N.N, Galvanotechnik, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 988 [3] ANIK, S., Kaynak Teknolojisi El Kitabı, Ergör Matbaası, 983 [4] N.N., VViderstandschvveissen von stâhlen bis 3 mm einzeldicke Punktschweisseignung, Merkblatt DVS 2902,Teil 2, Mârz 990 [5] ANIK, S., Kaynak Tekniği El Kitabı, Yöntemler ve Donanımlar, Kansu Matbaacılık, 99 [6] N, N., VVelding Handbook, Vol. 4 Metals and Their Weldability, 7.Ed., AWS, 982 [7] N.N., Widerstandschweisstechnik, T.G.A. Resistance VVelding Technology [8] ERYÜREK, B., Elektrik direnç kaynağı mühendis ve makina, Sayı 279 983, s22/3 [9] FRİTZ, R, SCHULZE, G., Fertingungstechnik, VDI, verlag, 99 [0] N. N., DİN Taschenbuch 8, Schvveisstechnik Beuth verlag GmbH. Berlin Köln 980 [II] S. ASLANLAR, Galvanizli, kromath mikro alaşımlı çeliklerin elektrik direnç nokta kaynağında uygun hasar modunun tespiti.doktora tezi, SAÜ, Müh. Fakültesi, 999 [2] N.N., Arslan Kaynak Metal, İstanbul, 998-85-