KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 97 DİRENÇ PUNTO KAYNAKLARININ ULTRASONİK MUAYENESİ *SONAT Mehmet, **DOYUM A. Bülent ÖZET Bu çalışma başta otomotiv, askeri ve beyaz eşya endüstrisi olmak üzere sanayinin hemen her alanında yaygın olarak kullanılan direnç punto kaynaklarının çoklu darbe yankı tekniği ile ultrasonik tahribatsız muayenesini içermektedir. Direnç punto kaynaklarının bu yaygın kullanımına rağmen birçoğu sadece bazı nitel sonuçlar verebilen çok az güvenilir tahribatsız muayene yöntemi vardır. 1W - 4A6 Bu araştırmada herhangi bir yeni teknik ya da ekipman önermeden yalnızca ticari olarak temin edilebilen ekipmanlar kullanılarak ultrasonik çoklu darbe yankı tekniğinin endüstride doğru ve etkin olarak kullanılabilmesi için bir kılavuz oluşturulmuştur. Literatürde bu konuda yer alan araştırmalardan farklı olarak direnç punto kaynaklan ultrasonik testleri takiben tahribatlı olarak da test edilmiş ve bu sonuçlarla tahribatsız muayene sonuçları arasında bir korelasyon kurulmuştur. Bu korelasyon punto kaynaklarının herhangi bir tahribatlı muayene tekniğine gerek kalmaksızın sadece ultrasonik ses zayıflaması karakteristikleri kullanılarak kesme dayanımlarının tahmin edilmesini mümkün kılmaktadır. Anahtar kelimeler: punto kaynağı, tahribatsız test 1. TEMEL PRENSİPLER Punto kaynaklarının kalitesi hakkında bir tahminde bulunabilmek için bilinmesi gereken en önemli şey kaynak çekirdeğinin üç boyutlu ölçüleridir. Kaynak çekirdeğinin bu ölçüleri kaynak çekirdeği içerisinde ana metale dik ilerleyen ultrasonik dalgalara ait yankıların ses mesafesi ve zayıflama 0 özellikleri ölçülerek belirlenebilir 7. Ultrasonik muayenede ses demetinin punto kaynağı üzerindeki izdüşüm alanın çapı punto kaynağı çekirdeği çapının izin verilen en küçük değerine eşit olmalıdır, j Ultrasonik yankılarla ölçülen ses mesafesi kaynak çekirdeğinin çapının belirlenmesinde kullanılır. Bir ultrasonik ses dalgası iki ortam arasındaki bir arayüzeye çarptığında ultrasonik dalgaların büyük bir bölümü yansır. Fakat iki ortamın akustik empedansları aynı ya da birbirlerine çok yakınsa ultrasonik dalgaların büyük bir bölümü orijinal yayılma yönünde devam eder. Eğer çekirdek çapı o ses demeti çapından daha büyük bir punto kaynağı düşünülürse ultrasonik cihaz ekranında sadece çift plaka kalınlığına ait yankılar görülür. Her ne kadar kaynak çekirdeği ve ana metal bir arayüzey oluştursa ve kaynak çekirdeğinin metalurjik özellikleri ana metalinkinden farklı olsa da bu iki ortamın akustik empedansları birbirlerine çok yakın olduğu için arayüzeyden gelen herhangi bir yankı görülmeyecektir. Bununla birlikte, eğer kaynak çekirdeğinin çapı ses demeti çapından daha küçükse, ultrasonik cihaz ekranında bir grup ikincil yankı görülür. Bir önceki durumda olduğu gibi ultrasonik dalgaların bir * ODTÜ Kaynak Teknolojisi ve Tahribatsız Muayene Araştırma/Uygulama Merkezi ** ODTÜ Kaynak Teknolojisi ve Tahribatsız Muayene Araştırma/Uygulama Merkezi
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 98 kısmı kaynak çekirdeği içinde ilerler ve alt plakanın dış yüzeyinden geriye yansır. Ayrıca bir önceki durumdan farklı olarak kaynak çekirdeğinin çapı ses demeti çapından daha küçük olduğu için ultrasonik dalgaların bir kısmı da üst plakadan alt plakaya geçemez ve alt plaka ile üst plaka arasındaki akustik empedans farkının çok fazla olduğu ara yüzeyden geriye yansır. Bu arayüzeyden gelen ikincil yankılar kaynak çekirdeği çapının ses demeti çapından daha küçük olduğunu gösterir. Yukarıdaki açıklamadan da anlaşılacağı gibi ultrasonik dalgaların ses mesafelerinin tespiti kaynak çekirdeği çaplarının tahmini için bir araç olarak kullanılmaktadır. Çekirdeğin iki boyutunun tahmininden sonra üçüncü boyut, kaynak çekirdeğinin kalınlığı, ses dalgalarının zayıflama karakteristikleri yardımıyla tahmin edilir. Toplam ses zayıflaması hem kaynak çekirdeğinin döküme benzeyen yapısı hem de ergimemiş ana metalden kaynaklandığı için ultrasonik ses dalgalarının zayıflama karakteristikleri yine sadece bazı dolaylı sonuçlar verir. Kaynak çekirdeğinden kaynaklanan ses zayıflaması tek başına belirlenemediği için kaynak çekirdeği kalınlığının doğrudan ölçümü imkansızdır. Her nekadar bu yöntem bazı dolaylı sonuçlar verse de parametreleri çok dikkatlice seçilmiş bazı referans parçalarla karşılaştırmak suretiyle çok güvenilir sonuçlar elde edilebilir. Kaynak çekirdeğinin kalınlığı tanecik yapısının ultrasonik dalgaların zayıflamasının üzerine etkisi kullanılarak tahmin edilir. Eğer kaynak çekirdeği çapı ses demeti çapından büyük olan bir punto kaynağı düşünülürse ultrasonik dalgaların yansıyabileceği tek ara yüzey kaynak plakalarının dış yüzeyleri olacaktır ve ses dalgalan bu iki yüzey arasında gidip gelirken genlikleri azalır. Yukarıda da açıklandığı gibi, tanecik saçılmasından dolayı alt plakanın dış yüzeyinden gelen yankıların ekran yükseklikleri düşer ve yankı yüksekliğinin düşme hızı kaynak çekirdeğinin kalınlığına bağlıdır. Örneğin kaynak çekirdeği çapı kabul edilebilen sınırlar içinde olduğu halde çekirdek kalınlığının (nüfuziyet) yetersiz olduğu bir punto kaynağı düşünülse, bu durumun standart test metotlarıyla tespiti kolay değildir. Bununla birlikte ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği kaynak çekirdeği çapını olduğu kadar nüfuziyet belirlenmesinde de etkin olduğu için bu tip hatalı punto kaynaklarının diğerlerinin arasından ayrılması çok kolay olacaktır. Bu durumda da yankı pozisyonları herhangi bir kabul edilebilir punto kaynağıyla aynı olacaktır. Aradaki tek fark nüfuziyetin etkisidir. Bu etki ultrasonik cihaz ekranındaki yankı yüksekliklerinde düşük tanecik saçılmasından kaynaklanan çok küçük bir düşme oranı olarak görülecektir. 2. CİHAZ VE DONANIM " Tipik bir ultrasonik punto kaynağı test sistemi iki ana elemandan oluşur; bir normal prop ve bir ultrasonik test cihazı. Bununla birlikte hem prop hem de ultrasonik test cihazı standart ultrasonik testler için gerekli olmayan bazı ek özelliklere sahip olmalıdır. Örneğin kullanılan prop test edilecek malzeme kalınlığına uygun frekans ve kristal çapma, ultrasonik test cihazı ise yüksek çözününürlüklü bir ekrana sahip olmalıdır. Kaynak çekirdeğinin boyutlarını belirlemek için ses demeti çapı ve buna bağlı olarak prop çapı seçilen malzeme kalınlığı için gerekli olan çekirdek çapına uygun olmalıdır. Bu çalışmada Krautkramer tarafından üretilen ve 3 mm malzeme kalınlığı için tasarlanmış olan 8 mm kristal çapına sahip G1SMN 8.0 serisi yüksek çözününürlüklü bir prop kullanılmıştır. Bir önceki kısımda açıklandığı gibi, ultrasonik punto kaynağı testi temel olarak ses zayıflaması ölçümüne dayanır ve ses zayıflaması -tane saçılması- frekansın dördüncü kuvvetiyle doğru orantılı olduğundan prop frekansı 15 MHz (ultrasonik punto kaynağı testinde kullanılan frekans aralığı 15-20 MHz dir) olarak seçilmiştir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 99 8 mm çapındaki probun yanısıra, yine aynı tip ve frekansta fakat daha küçük çaplı (3.6 mm) bir prop daha kullanılmıştır. Bu ikinci probun kullanılmasının nedeni tek plaka kalınlığından gelen yankılarla iç süresizliklerden gelen yankıların birbirlerinden ayırdedilebilmesini sağlamasıdır. Prop, içinde genellikle ses iletimi ve geciktirme sıvısı olarak su bulunan bir hazne ve bu haznenin içine gömülen kristalden oluşur. Su ya da diğer geciktirme sıvısı kristale sıkıca tutturulan bir haznenin içinde haznenin alt kısmına yerleştirilmiş değiştirilebilen kauçuk bir zar vasıtasıyla tutulur. Kauçuk zar elastikidir ve geciktirme sıvısını taşıyan haznenin probun uç kısmına bağlantısı sırasında oluşan sıvı basıncından dolayı temas yüzeyinden dışarıya doğru bombe yapar. Bu bombeli kauçuk zar probun düzgün olmayan punto kaynağı yüzeyine çok ince temas sıvısı vasıtasıyla çok iyi temasını sağlayan yumuşak bir uç oluşturur. 3. METODUN UYGULANABİLİRLİĞİ Bu bölümde, önceki bölümlerde temel olarak açıklanan ultrasonik çoklu darbe yankı tekniğinin punto kaynaklarının kalitesini etkileyen temel faktörlerin belirlenmesindeki uygulanabilirliği tartışılmaktadır. 3.1 Çekirdek Çapı Kaynak bölgesinin ölçüleri punto kaynağının kalite ve dayanımını belirleyen en önemli faktörlerden biridir. Endüstride kullanılan tahribatlı testlerin büyük çoğunluğu çekirdek çapının belirlenmesine yöneliktir. Her ne kadar çekirdek çapının doğrudan ölçülebilmesi çok zor olsa da, dikkatlice seçilmiş referans parçalar yardımıyla çekirdek çapı tek plaka kalınlığından gelen ikincil yankıların yüksekliklerinin karşılaştırılmasıyla tahmin edilebilir. Şekil 1 ve 2 sırasıyla kaynak çekirdekleri prop çapından küçük ve prop çapından büyük iki punto kaynağına ait yankı serilerini içeren ekran görüntüleri göstermektedir. Şekil 1. Çekirdek çapı 5.4 mm olan bir punto kaynağının ekran görüntüsü (G15MN 8.0)
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUS AL KONGRESİ 100 Şekil 2. Çekirdek çapı 8.4 mm olan bir punto kaynağının ekran görüntüsü (G15MN 8.0) 3.2 Nüfuziyet Punto kaynaklarının kalitesinin belirlenmesindeki ikinci önemli faktör nüfuziyet derecesidir. Nüfuziyet derecesinin tespitinde kullanılabilecek tek tahrıbatsız muayene yöntemi ultrasonik çoklu darbe yankı tekniğidir. Nüfuziyet derecesi ses zayıflama karakteristiklerinin referans parçaların ses zayıflama karakteristikleri ile karşılaştırılarak tahmin edilebilir. Çekirdek nüfuziyeti arttıkça ses zayıflaması da artacaktır. Ses zayıflaması farklılıkları çift plaka kalınlığından gelen yankıların yüksekliklerindeki düşüş hızlarının incelenmesi sonucu tespit edilebilir. Şekil 3 (a), (b), (c) çeşitli çekirdek nüfuziyetlerine sahip 3 punto kaynağına ait ekran görüntülerini göstermektedir. 3.3 İç Süreksizlikler Punto kaynaklarındaki iç süreksizliklerin tespitinde yaygın olarak kullanılan tahribatsız muayene metotlanndan biri de radyografık muayenedir 8-9. Ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği de çatlaklar dışındaki iç süreksizliklerin tespitinde tatmin edici sonuçlar vermektedir. İç süreksizliklerin belirlenmesi için ultrasonik çoklu darbe yankı tekniğinin kullanılmasında dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta vardır. Bu, herhangi bir iç süreksizlikten gelen yankılarla küçük çekirdek çapından kaynaklanan ve tek plaka kalınlığından gelen yankıların birbirlerinden ayırdedilebilmesidir. Herhangi bir iç süreksizliği küçük çekirdek çapından ayırdedebilmek için incelenmesi gereken üç özellik vardır.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 101 Şddl 3. Çeşitli çekirdek nüfiıziyetlerine sahip 3 değişik punto kaynağına ait ekran görüntüleri (GI SMN 8.0)
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 102 Tek plaka kalınlığından gelen yankılar çok belirgin bir karaktere sahiptir, ilk yankıdan başlamak üzere yankı yükseklikleri önce artar ve maksimum yüksekliğe ulaştıktan sonra düşmeye başlar. Bununla birlikte iç süreksizliklerden alınan yankıların yükseklikleri ilk yankıdan itibaren düşer. Eğer ultrasonik test cihazının çözününülürlüğü yeterli ise iç süreksizliklerden gelen yankıların genişliğinin tek plaka et kalınlığından gelen yankıların genişliğinden daha büyük olduğu görülecektir. Bu iki tip yankıyı ayırdetmenin bir diğer yolu da ilk propla aynı teknik özelliklere sahip fakat daha küçük çaplı ikinci bir prop kullanmaktır. Punto kaynağı büyük çaplı proptan sonra küçük çaplı propla ikinci kez test edildiğinde iç süreksizlikten gelen yankı ultrasonik cihaz ekranında yine görülebilecektir. Oysa çekirdeğin küçük olması sebebiyle oluşan ikincil yankılar aynı punto kaynağı küçük propla incelendiğinde görülmeyecektir. Şekil 4 ve 5 de iç süreksizlik içeren ve küçük çekirdeğe sahip bir punto kaynağına ait iki ekran görüntüsü verilmiştir. Bu görüntüler 8 mm ve 3.6 mm lik iki ayrı prop kullanılarak elde edilmiştir. 3.4 Sıçrantı Sıçrantı ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği ile tespit edilebilen başka bir hata tipidir. Temel olarak test prosedürü iç süreksizliklerin tespitinde kullanılanla aynıdır. Fakat kaynak işlemi sırasında metal havuzundan büyük miktarda malzeme sıçradığı için çekirdek içindeki boşluk daha büyüktür ve boşluğun iç yüzeyi düzgün değildir. Bu boyut farkı ve iç yüzeydeki düzensizlik operatörün sıç-
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 103 rantı ile iç süreksizliği birbirinden ayırdedebilmesini sağlar. Her nekadar hem sıçrantı hem de iç süreksizlikler tek plaka kalınlığına yakın yankılar oluştursa da sıçrantı boşluğu ultrasonik dalgaları dağıtır ve ultrasonik cihaz ekranında yankı serilerinin görülmesini önler. Sonuç olarak sıçrantılı bir punto kaynağı üst ya da alt plaka kalınlığına ait sadece bir ya da iki yankı görülebilir. (Şekil 6,7) Şekil 6. Kaynak işlemi sırasında sıçrantı oluşmuş bir punto kaynağına ait ekran görüntüsü (G15MN 8.0) H 0.5 53.6(1 *-12.0dß I I I.. Şekil 7. Kaynak işlemi sırasında sıçrantı oluşmuş bir punto kaynağına ait ekran görüntüsü (G15MN 3.6) 4. DİRENÇ PUNTO KAYNAKLARININ KESME DAYANIMLARININ TAHMİNİ Bir önceki bölümde, direnç punto kaynaklanmn ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği ile muayenesi açıklanmıştır. Bu bölüm ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği test sonuçlarını kullanarak direnç punto kaynaklarının kesme dayanımlarının tahmin edilmesini anlatmaktadır. Bu metodun anafîkri ses zayıflaması katsayısı ile direnç punto kaynaklarının kesme dayanımları arasında bir korelasyon kurulmasıdır. Çalışmanın bu bölümünde iki ilişki incelenmiştir. Birincisi çekirdek çapı ve kesme dayanımı arasındaki ilişkidir ve Şekil 8 de görülebileceği gibi test parçaların çekirdek çaplanyla artmaktadır. 10 İkinci olarak ses zayıflama katsayısı ile kesme kuvveti arasındaki ilişki incelenmiş ve ses zayıflama katsayısı arttıkça kesme kuvvetinin de arttığı görülmüştür. Sonuç olarak Şekil 9 da verilen kesme kuvveti ses zayıflama katsayısı grafiğinde sonuçlar bir saçılma gösterse de ultrasonik darbe yankı tekniği kullanılarak punto kaynaklanmn kesme dayanımlarını tahmin etmek mümkündür. Her nekadar punto kaynaklarının kesme dayanımı ses zayıflama katsayısın-
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 104 dan yola çıkarak tahmin edilsede ultrasonik cihaz ekranında ikincil yankı olarak görülen iç süreksizliklerin etkiside gözönüne alınmalıdır. Şekil 9 da da görülebileceği gibi ses zayıflama katsayılan aynı iki punto kaynağının kesme dayanımları farklı olabilir. Punto kaynaklarına ait ekran görüntüleri incelendiğinde ikincil yankıların ekran yükseklikleri daha fazla olan punto kaynaklarının kesme dayanımlarının daha küçük olduğu görülmüştür. Bu özellik ikincil yankıların doğru değerlendirilmesinin ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği ile punto kaynaklarının kesme dayanımının tahminindeki önemi göstermektedir. Şekil 9. Kesme kuvveti - Ses zayıflama katsayısı ilişkisi 5. SONUÇ Bu çalışmada ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği ile direnç punto kaynaklarının muayenesi ile ilgili endüstride kullanımına yönelik temel bilgiler verilmiş ve yine aynı metot kullanılarak punto kaynaklarının kesme dayanımlarının tahminine imkan sağlayan bir yöntem önerilmiştir. Bu metodun doğru olarak uygulanabilmesi için kullanılan malzeme cinsi ve et kalınlığı içingereken çekirdek boyutlanna uygun yüksek çözünürlüklü özel amaçlı bir prop ve yüksek ekran çözünürlüğüne sahip bir ultrasonik cihaz gerekmektedir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 105 Muayenin doğru yapılabilmesi için ekran görüntüleri çok iyi değerlendirilmeli ve özellikle ikincil yankıların sebepleri doğru olarak belirlenmelidir. Bu da doğrudan operatörün tecrübe ve teknik bilgisinin yeterliliğine bağlıdır. Ultrasonik çoklu darbe yankı tekniği ile direnç punto kaynaklarının ses zayıflama katsayılarından yola çıkarak kesme dayanımlarının tahmin edilmesi mümkündür. Ancak doğru sonuçlara ulaşabilmek için uygun ve yeterli sayıda referans parçanın testi sonucunda elde edilmiş bir kesme kuvveti-ses zayıflaması katsayı grafiği oluşturulmalıdır. Test edilen direnç punto kaynağına ait zayıflama katsayısının yanında ekran görüntüsündeki ikincil yankıların karakteristikleri ve yükseklikleri de o parçanın kesme dayanımının referans grafik yardımıyla elde edilen değerden daha düşük olup olmadığı konusunda bilgi verir.
KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 106 TEŞEKKÜR Bu çalışmaya deneyler sırasında gerekli olan ultrasonik propları sağlayarak destek veren NDT Elektronik Cihazlar Mümessillik Ltd. Şirketine teşekkür ederiz. REFERANSLAR 1. Krautkramer, J. Krautkramer, H, "Ultrasonic Testing of Materials", Springer-Verlag, New York, 1983. 2. Vahaviolos, S.J., Carlos, M.F., Slykhous, S.J., "Adaptive spot weld feedback control loop via acoustic emission" Materials Evaluation. Vol. 69, 1981, s. 1057-1060. 3. Rokhlin, S.J., Adler, L., "Ultrasonic method for shear strenght prediction of spot welds., "Journal of Applied Physics, Vol. 56 No. 3, 1984, s., 726-731. 4. Rokhlin, S.I., Maynan, R.J., Adler, 1., "On-line ultrasonic lamb wave monitoring of spot welds"., materials Evalation, Vol 43, No. 7, s. 879-883. 5. Bendec, F., Perec, M., Rokhlin, S.I., "The ultrasonic lamb waves method for sizing of spot welds" Ultrasonics, Vol. 22 No. 2, 1984, s. 78-84. 6. Livhits, A.G., "Universal guality assurance method for resistance spot welding based on dynamic resistance" Welding Journal, Vol. 76, No. 9, 1997, s, s383-s390. 7. Mansour, T.M., "Ultrasonic inspection of spot welds in thin gage steel.", Materials Evaluati on, Vol. 46, 1998, s650-658 8. ASM Metals Handbook, "Nondestructive Evaluation and Quality Control", Volume 17, 1989 s. 335. 9. Giroux, D., Deffenbaugh., J.f., "Resistance Welding Manual.", Resistance Welding Manufacturerers Association, Philadelphia, 1989. 10. Zhang, S.C., "Stress intensités at spot welds" International Journal of Fracture, Vol. 25, No. 5 1997,Sİ67-185