Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı ve Kaynak Metalurjisi - İLKER ÖZKAN

T.CKOCAELİ ÜNİVERSİTESİ*MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

BİTİRME PROJESİ

AISI304 ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLERİN ÇEŞİTLİ KAYNAK UYGULAMALARI

İlker ÖZKAN040218015

Bölümü: Makine Mühendisliği

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Taner YILMAZ

KOCAELİ, 2011

ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR

Günümüzde çelik ihtiva eden mühendislik uygulamalarının bir çoğunda korozyona

dayanıklılık büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle,korozif ortamlarda çalışacak

bazı makinaların ya da kurulacak konstrüktif yapıların uzun ömür ve kararlı

metalurjik yapı istenen bileşenlerinde paslanmaz çeliklerin kullanılması

kaçınılmazdır. Paslanmaz çeliklerin metalurjik yapısı içinde bulundurduğu krom ve

nikel elementlerinden dolayı diğer çeliklere göre farklılık göstermektedir.Bu farklılık

ise paslanmaz çeliklerin imalat yöntemlerini diğer çeliklerden ayırmaktadır.

Bu çalışmamda, paslanmaz çeliklerin bir türü olan östenitik paslanmaz çeliklerin

çeşitli mühendislik uygulamalarındaki kaynak tekniklerini,kaynak kabiliyetini ve

kaynak metalurjisini incelemeyi amaçladım.Yapılan çalışmaların bu alana emek

verenlere ve bu alanda çalışacak araştırmacılara yararlı olmasını dilerim.

Bu konuda çalışma yapmama olanak sağlayan, çalışmanın her aşamasında ilgi ve

desteğini eksik etmeyen değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Taner Yılmaz başta olmak

üzere, bu süreçte sürekli birlikte çalıştığımız sevgili arkadaşım Bilginer ÇAKIL’a, bu

çalışmanın bilgisayar ortamına aktarılmasında benimle birlikte emek harcayan

sevgili arkadaşım,kardeşim Murat İFLAH’a ve uzaktan da olsa yardımlarını

esirgemeyen Cansu KANLILAR’a çok teşekkür ederim.

Ocak 2011, KOCAELİ İlker ÖZKAN

İÇİNDEKİLER

ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR..............................................................................................i

İÇİNDEKİLER...........................................................................................................ii

ŞEKİLLER DİZİNİ......................................................................................................v

AISI304 ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLERİN ÇEŞİTLİ KAYNAK UYGULAMALARI v i

ETHERNET APPLICATION WITH FPGA....................................................................ix

1. GİRİŞ................................................................................................................1

2. GENEL BİLGİLER................................................................................................4

2.1 Paslanmaz Çelikler.....................................................................................................4

2.1.1 Östenitik Paslanmaz Çelikler..........................................................................................5

2.2 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynak Kabiliyeti........................................................9

2.2.1 Krom Karbür Oluşumu.................................................................................................10

2.2.2 Sıcak Çatlak Oluşumu...................................................................................................11

2.2.3 Sigma Fazı Oluşumu.....................................................................................................13

2.3 Östenitik Paslamaz Çeliklerde Kullanılan Kaynak Prosesleri......................................18

2.2.4 Manuel (Elle) Metal Ark Kaynağı Yöntemi....................................................................21

2.2.4.1 Parça Kalınlığına Göre Elektrod Çapının Seçilmesi..............................................21

2.2.4.2 Dikişin Şekil ve Pozisyonuna Göre Elektrod Çapının Seçimi................................23

2.2.4.3 Kaynağın Yapılışı..................................................................................................28

2.2.4.3.1 Kaynakçının Pozisyonu.................................................................................28

2.2.4.3.2 Parçanın Pozisyona Getirilmesi...................................................................29

2.2.4.3.3 Elektrodun Tutuş Meyili.................................................................................30

2.2.4.3.4 Cürufun temizlenmesi...................................................................................32

2.2.4.3.5 Elektrod hareketleri......................................................................................32

2.2.4.4 Paso Şeklinin Seçimi...........................................................................................34

2.2.5 Sürtünme Kaynağı.......................................................................................................35

2.2.5.1 Sürtünme Kaynağı Uygulama Prensipleri............................................................36

2.2.5.2 Sürtünme Kaynak Çeşitleri..................................................................................38

2.2.5.2.1 Sürekli Tahrikli Sürtünme Kaynağı..................................................................38

2.2.5.2.2 Volan Tahrikli Sürtünme Kaynağı...................................................................38

2.2.5.2.3 Kombine Kaynak Yöntemi..............................................................................38

2.2.5.3 Sürtünme Kaynak Makinaları ve Malzeme Temizliği...........................................40

2.2.5.4 Kaynak Parametreleri.........................................................................................40

2.2.5.5 Bağlanma Mekanizması......................................................................................41

2.2.5.6 Kullanma Alanları ve Uygulanan Malzemeler.....................................................41

2.2.6 Gaz Tungsten Ark Kaynağı (GTAW) – TIG Kaynağı.......................................................44

3. ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLERİN ÇEŞİTLİ KAYNAK UYGULAMALARI VE

KAYNAK BÖLGESİNDE MEYDANA GELEN MEKANİK,ISIL VE MİKROYAPISAL

DEĞİŞİKLİKLER.....................................................................................................46

3.1 AISI304 Östenitik Paslanmaz Çeliğin ve 7Mn4 (P295GH) Kazan Çeliğinin

Kaynağındaki Uyumsuzluğun İncelenmesi............................................................48

3.1.1 Deneysel Çalışma.........................................................................................................48

3.1.2 Sonuç...........................................................................................................................55

3.2 AISI304 Paslanmaz Çeliklerde Sürtünme Kaynağı Esnasında Meydana Gelen

Mikroyapısal Değişiklikler...............................................................................................56


3.2.2 Sonuç ve Muhakeme...................................................................................................58

3.2.2.1 Sürtünme Kaynağı Esnasında Sigma Fazı Oluşumu.............................................60

3.3 Farklı Dolgu Malzemeleri Kullanılarak, Gaz Volfram Ark Kaynağı Metodu ile Üretilmiş,

AISI 304 Paslanmaz Çelik VE AISI 1020 Karbon Çelik Arasındaki Farklı Kaynakların

Mikroyapısı, Mekanik Özellikleri ve Korozyon Davranışı................................................62

3.3.1 Malzemeler ve Kaynak Prosesi.....................................................................................63

3.3.1.1 Metalografik inceleme........................................................................................64

3.3.1.2 Mekanik deney...................................................................................................64

3.3.1.3 Potansiyodinamik test........................................................................................64

3.3.1.4 Sonuçlar ve Muhakeme......................................................................................65

3.3.1.4.1 Mekanik Davranış..........................................................................................69

3.3.1.4.2 Korozyon Davranışı........................................................................................70

3.4 AISI 304 Paslanmaz Çeliği ve Düşük Karbonlu Çeliklerin Çoklu Paso Kaynağı ile

Kaynağında Kaynak Dikişindeki Sıcaklık Dağılımı ve Kalıntı Gerilmeler.............................74

3.4.1 X-Işınım Kırınım Yöntemiyle Kalıntı Gerilmelerin Ölçülmesi.........................................76


3.4.3 Sonuçlar ve Muhakaeme..............................................................................................80

3.4.3.1 Plakalardaki Isıl Dönüşümler...............................................................................80

3.4.3.1.1 AISI304 Paslanmaz Çeliğinde ve Düşük Karbonlu Çelikte Çıkılan Maksimum

Sıcaklıklar Arasındaki Farklar...........................................................................................82

3.4.3.2 Plakalardaki Kalıntı Gerilme Dağılımları..............................................................83

3.4.3.2.1 Deneysel Verilerin Tekrarlanabilirliği.............................................................84

3.4.3.2.2 Maksimum Gerilmenin Paso Sayısıyla Birlikte Değişimi.................................85

3.4.3.2.3 Kaynak Edilen Plakalardaki Kalıntı Gerilme Örnekleri.....................................87

3.4.3.2.4 Plaka Kalınlıklarının Kalıntı Gerilmelere Etkisi................................................89

ŞEKİLLER DİZİNİ

AISI304 ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLERİN ÇEŞİTLİ KAYNAK

UYGULAMALARI

İlker ÖZKAN

Anahtar Kelimeler: Paslanmaz Çelik, Östenitik Paslanmaz Çelik, AISI304,Gaz

Tungsten Ark Kaynağı, GTAW, TIG, AISI1020, 17Mn4 Kazan Çeliği, P295GH,

Manuel Metal Ark Kaynağı, MMAW, Çoklu-paso kaynğı

Özet: Östenitik paslanmaz çelikler kullanım açısından en yaygın paslanmaz çelikler

olup bu alaşımlar mükemmel seviyede şekillendirilebilirlik,korozyon direnci ve

kaynak kabiliyetine sahiptir. Bu çalışmada,östenitik bir paslanmaz çelik türü olan ve

çok yaygın bir kullanım alanına sahip olan “AISI 304” kalite çelik kullanılarak

yapılan imalatta seçilen kaynak yöntemleri ve kaynak parametreleri irdelenerek

değişik kaynak uygulamalarındaki kaynak metalurjisi, kaynak sonrası korozyon

davranışı,farklı türde çeliklerle kaynağı sonrası özellikleri ve kaynak sonrası

mikroyapıları incelenmiştir.

Çeşitli kaynak uygulamalarının incelendiği çalışmada,bir östenitik paslanmaz çelik

türü olan AISI 304 çeliğinin paslanmaz çelik kategorisine girmeyen AISI 1020

karbon çeliği ile kaynağı incelenmiş ve kaynak sonucundaki mikroyapısı ve

korozyon davranışı ortaya çıkarılmıştır.Bu deneysel çalışma esnasında kaynak

yöntemi olarak gaz tungsten ark kaynağı (GTAW) seçilmiş ve farklı kalitede kaynak

elektrodları kullanılmıştır.Bu farklı kalitede kaynak elektrodlarının herbiri için

kaynak bölgesinde ayrı bir mikroyapı elde edilmiştir.

Yine,AISI304 paslanmaz çeliğinin,farklı türde bir yapıya ve bileşime sahip olan

17Mn4 (P295GH) kazan çeliği ile kaynağı ayrıca incelenmiş,bu iki farkı türdeki

çeliğin kaynağındaki uyumsuzluk ve kaynak sonrası özellikleri ortaya

koyulmuştur.Bu deneysel çalışmada ise kaynak yöntemi olarak TIG yöntemi seçilmiş

olup kaynak teli olarak ER309L kalite östenitik kaynak elektodu kullanılmıştır.

Çalışmada irdelenen diğer bir durum ise AISI304 östenitik paslanmaz çeliğinin

sürtünme kaynağı (FSW) esnasında değişkenlik gösteren mikroyapısıdır. Farklı

kalınlıklardaki 2 adet AISI304 paslanmaz plakanın sürtünme kaynağıyla ayrı ayrı

kaynak edilmesi sonucu kaynak bölgesinde her iki kalınlık için de ayrı faz ve şekil

özelliklerine sahip mikroyapılar elde edilmiştir.

Son olarak, değişik kalınlıklardaki AISI304 paslanmaz çelik plakalar ile düşük

karbonlu çelik plakaların kendi aralarında çok pasolu kaynak metodu kullanılarak

kaynak edilmesi sonucunda, kaynak metalinin yığılmasına bağlı olarak ortaya çıkan

kalıntı gerilmeler, sıcaklık dağılımı,çıkılan maksimum sıcaklıklar ve bu maksimum

sıcaklıkların kalıntı gerilmelere etkisi karşılaştırılmış, farklılıkların sebepleri ortaya

konmştur.Bu deneysel çalışma esnasında ise manuel metal ark kaynağı (MMAW)

yöntemi kullanılmıştır.

DIFFERENT WELD APPLICATIONS OF AISI304 AUSTENHITIC

STAINLESS STEEL

İlker ÖZKAN

Keywords: Stainless Steel, Austenhitic Stainless Steel, AISI304, Gas TungstenArc

Welding, GTAW, TIG, AISI1020 Steel, 17Mn4 Steel , P295GH , Manuel Metal Arc

Welding , MMAW, Multi-pass welding

Abstract: Austenhitic stainless steels are widely used in many types of industry

because of its excellent formability,corrosion resistance and weldability.In this study

AISI304 stainless steel used and its weldment properties investigated suc as weld

metalurgy, corossion behaivour, microstructure and properties after weld process

with different steels.

Different weld applications are applied in this study.Firstly AISI304 stainless steel is

welded with AISI1020 steel which is not a stainless steel,then microstructure and

corossion behaviour of weld region is observed. In this part of study ; gas tungsten

arc metal weld (GTAW) method is chosen and different types of comsumables are

used during welding process.Different microstructure properties are obtained in weld

region after this experimental study.

Secondy,same type of studies applied between AISI304 stainless steel and 17Mn4

(P295GH) steel this time. These different types of steel showed an incompatibility in

weld process.This incompatibility is observed and discussed after experimental

work.In these experimental work , TIG weld is used and ER309L austenhitic steel

also used as consumable.

Other experimental work is applied for only AISI304 stainless steel.This time,

two AISI304 plates are welded by using friction stir welding (FSW) method and

properties of microstructure of weld region is observed.

As final study,AISI304 stainless steel and low carbon steel plates with a different

thickness are welded by using multi-pass method. In this study,residual stresses,

temperature distribution and attained peak temperatures which are observed in weld

region compared for both AISI304 and low carbon steel.

1. GİRİŞ

Bu çalışmada,östenitik bir paslanmaz çelik türü olan ve çok yaygın bir kullanım alanına

sahip olan “AISI 304” kalite çelik kullanılarak yapılan imalatta seçilen kaynak

yöntemleri ve kaynak parametreleri irdelenerek değişik kaynak uygulamalarındaki

kaynak metalurjisi, kaynak sonrası korozyon davranışı,farklı türde çeliklerle kaynağı

sonrası özellikleri ve kaynak sonrası mikroyapıları incelenmiştir.

Bilindiği üzere AISI304 paslanmaz çelikler,mükemmel bir şekillendirilebilirlik,

korozyon dayanımı ve kaynak kabiliyetine sahip alaşımlar olup endüstride çok yaygın

kullanılan bir malzemedir. AISI304 paslanmaz çeliği endüstrideki kaynak

uygulamalarında genel olarak,özellik ve kimyasal bileşim bakımından kendine daha

yakın olan diğer paslanmaz çelik serileri ya da kendisiyle aynı seri içinde olan diğer

paslanmaz çeliklerle sağlıklı olarak kaynak edilebilmektedirler.Ancak bu

çalışmada,AISI304 paslanmaz çeliğinin sadece kendi serisine ait ya da farklı serilerdeki

diğer paslanmaz çeliklerle kaynağı incelenmemiş,aynı zamanda bir kazan çeliği olan

17Mn4 (P295GH) çeliği ve AISI1020 karbon çeliği gibi kendisinden daha farklı

kimyasal bileşimlere ve özelliklere sahip çeliklerle kaynağı da incelenmiştir.Buradaki

amaç AISI304’ün kendisinden farklı özelliklerdeki çeliklerle kaynak edilmesi sonucu

nasıl bir mikroyapıya,korozyon dayanımına ve mekanik özelliğe sahip olacağını

görmektir.

Bu çalışmayla ilgili olarak ilk etapta AISI304 paslanmaz çeliği ile AISI1020 çeliği,Gaz

Volfram Ark Kaynağı (TIG) kaynak yöntemi ve 3 adet farklı kalitede kaynak elektrodu

(AISI 308L,AISI 309L ve AISI 316L) kullanılarak kaynak edilmiştir.Daha sonra bu

kaynak edilen iki farklı malzemelerin kaynak ara yüzeylerinin mikroyapıları, kaynaklı

bölgenin çekme dayanımıi değerleri ve korozyon davranışı ile ilgili deneysel veriler

elde edilmiştir.

Bir sonraki etapta,benzer bir amaçla AISI304 paslanmaz çeliği bu kez 17Mn4

(P295GH) kazan çeliği ile TIG kaynağıyla kaynak edilmiştir. Bu çalışmada ise yalnızca

ER319L kalite kaynak elektrodu kullanılmıştır. 7Mn4 (P295GH); EN 10028 Kısım 2'ye

uygun olarak üretilen karbon-manganez çeliğidir ve çalışma sıcaklığı yüksek olan buhar

kazanları, basınçlı kaplar,boru devreleri, vs. nin yapımında oldukça yaygın bir şekilde

kullanılmaktadır. ER309L, paslanmaz çeliklerle alaşımsız ve düsük alaşımlı çeliklerin

TIG kaynağında kullanılan östenitik paslanmaz çelik kaynak telidir ve 300˚C'ye kadar

isletme sıcaklıklarına maruz kaynaklarda kullanılabilir.

AISI304 (X5CrNi18-10) östenitik paslanmaz çelik malzemelerin alasımsız veya düşük

alasımlı çeliklerle kaynağı sık karşılaşılan bir durumdur. Kaynaklı birleştirme işlemi

sonrası kaynak bölgesinde farklı akma mukavemetine sahip bölgelerin bulunması

sonucu bir uyumsuzluk ortaya çıkar.Ayrıca ergimis kaynak metalinin etkisiyle esas

metalde ısıtesiri altında kalan bölgeler (ITAB) oluşur. Bu çalışmanın amacı farklı

bölgelerde oluşan uyumsuzlukların kırılma mekaniği açısından incelenmesidir.

Yukarıda bahsedilen çalışmalardan farklı olarak;kalın sacların kaynak edilmesinde sıkça

kullanılan bir yöntem olan sürtünme kaynağının (FSW) AISI304 paslanmaz çelik

saclara uygulanması sonucu kaynak bölgesinde elde edilen mikroyapılar da

incelenmiştir. Bilindiği üzere, AISI304 östenitik paslanmaz çelikler;ısı değiştirgeci ve

kimyasal reaktör gibi yüksek sıcaklık bileşenlerinin bulunduğu enerji

santrallerinde,yüksek sıcaklıkta mekanik özellikerini kaybetmemeleri ve mükemmel bir

korozyon dayanımına sahip olmaları nedeniyle çok yaygın kullanılırlar. AISI304

östenitik paslanmaz çeliklerin kaynağında bir şekilde, ısı etkili sensitizasyona bağlı

gerilmeli korozyon çatlakları ve kaynak bölgesinde bozulmalar meydana gelmektedir.

Sürtünme kaynağı bize, katılaşmaya ve yeniden kristalleşmeye bağlı olarak meydana

gelen kalıntı gerilmelerin,distorsiyonun,çatlakların ve makrosegragasyonların

minimuma indirildiği bir kaynak imkanı sunmaktadır. Bu kaynak yöntemi, erime

sıcaklıkları nispeten daha düşük olan alüminyum ve magnezyum alaşımlarında

uygulanmış ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Sürtüme kaynağının,erime sıcaklıkları

yüksek olan paslanmaz çelikler ve yumuşak çeliklerde de uygulanabilirliği son

zamanlarda derinlemesine incelenmiş ve bu yöntemi geliştirmeye yönelik araştırmalar

yapılıp raporlar sunulmuştur.Bu çalışma sonucunda ise sürtünme kaynağı ile

birleştirilen AISI304 paslanmaz çeliklerin mikroyapı karakteristiğini ortaya

çıkartılmıştır.

Çalışmada son olarak, çeşitli kalınlıklardaki AIS304 paslanmaz çelik ve düşük karbonlu

çeliklerin,çoklu paso metoduyla kendi aralarında kaynak edilmesi sonucunda ortaya

çıkan kalıntı gerilmeler irdelenmiştir.Bilindiği gibi,kaynaktaki yoğun ısı

kontsantrayonuna bağlı olarak,kaynak eksenine yakın bölgeler siddetli bir ısıl döngüye

maruz kalırlar, bu durum kaynak bölgesinde,homojen olmayan plastik deformasyonlar

ve kalıntı gerilmelerin olumasına neden olur.Endüstride farklı kalınlıklarda saclar

kullanılmaktadır ve bu saclar genel olarak çoklu paso kaynak metodu ile kaynak

edilmektedir. Çoklu paso kaynağı metodu uygulanırken,atılan her pasoyla birlikte

malzeme içinde kalıntı gerilmeler de artmaktadır. Bu deneysel çalışmada, atılan her

pasosuyla birlikte meydana pgelen ısıl döngü ve çapraz kalıntı gerilmeler ,deneyde

kullanılan 6mm,8mm ve 12mm’lik AISI304 paslanmaz ve düşük karbonlu çelik

plakaların kaynak dikişleri için tek tek ölçülmüştür. Kalıntı gerilmelerin ölçülmesi için

X-ray kırınım metodu kullanılmıştır.Kaynak yöntemi olarak ise Manuel Metal Ark

Kaynağı (MMAW) yöntemi kullanılmıştır.Bu çalışmada, paslanmaz çeliklerin ve

karbon çeliklerinin kaynak dikişlerinde çıkılan en yüksek sıcaklıklar

karşılaştırılmıştır.Kaynak dikişlerinin yığılmasıyla birlikte gelişen kalıntı

gerilmeler,değişen maksimum çekme gerilmesi değeri ve kaynak dikişlerinde çıkılan

maksimum sıcaklar ile meydana gelen kalıntı gerilmeler arasındaki ilişkinin

muhakemesi yapılmıştır.

2. GENEL BİLGİLER

2.1 Paslanmaz Çelikler

Paslanmaz çelikler; içerisinde en az %10,5 oranında (ağırlıkça) krom (Cr) içeren demir

esaslı alaşımlar olarak tanımlanırlar.Paslanmaz çeliğin yüzeyinde oluşan ince fakat

yoğun kromoksit tabakası korozyona karşı yüksek dayanım sağlar ve oksidasyonun

daha derine doğru ilerlemesini engeller.İçerdikleri diğer katkı elementlerine göre

değişen ve tamamen östenitik ile tamamen ferritik özellikler aralığında sıralanan beş

farklı çeşit paslanmaz çelik türü vardır.Bunlar sırası ile;

Östenitik Paslanmaz Çelikler

Ferritik Paslanmaz Çelikler

:Martenzitik Paslanmaz Çelikler

Çift Fazlı (dupleks) paslanmaz Çelikler

Çökelme Yoluyla Sertleşebilen Paslanmaz Çelikler

Östenitik paslanmaz çelikler 200 ve 300 serilerini içeririrler ve 304 bunların içinde en

yoğun olarak kullanılanıdır. Temel alaşım elementi krom ve nikeldir.

Ferritik paslanmaz çelikler sertleştirilemeyen Fe-Cr alaşımlarıdır. 405,409,430,422 ve

446 bu grupta yeralan en tipik ürünlerdir.

Martenzitik paslanmaz çelikler ferritik gruptaki paslanmaz çeliklerle benzer kimyasal

analize sahiptirler ancak daha yüksek oranda karbon ve daha düşük oranda krom

içerirler.Bu nedenle ısıl işlemle sertleştirilebilirler.403,410,416 ve 420 bu grupta yeralan

en tipik ürünlerdir.

Çift fazlı (Dupleks) paslanmaz çelikler hemen hemen eşit miktarda östenit ve ferrit

içeren bir mikroyapının oluşturulması ile elde edilirler. Bu çelikerin tam olarak %24

krom ve %5 nikel içerirler.Numaralama sistemi 200,300 veya 400 ile tanımlanan

grupların hiç birisine girmez.

Çökelme yoluyla sertleşebilen paslanmaz çelikler alüminyum gibi katı çözeltiye girme

ve yaşlandırma (çökeltme) ısıl işlemi ile çeliğe sertleşebilme olanağı sağlayan alaşım

elementleri içerirler. Bu çelikler ayrıca; martenzitik,yarı östenitik ve östenitik tip

çökelme yoluyla sertleşebilen paslanmaz çelikler olmak üzere alt gruplara ayrılırlar.

Bu çalışmada kullanılan AISI304 paslanmaz çeliğin bir östenitik paslanmaz çelik

olması dolayısıyla sadece östenitik paslanmaz çelikler detaylı olarak incelencektir.

2.1.1 Östenitik Paslanmaz Çelikler

Gerek kullanım, gerekse alaşım kalitelerinin çokluğu açısından en zengin grup ostenitik

çeliklerdir. Manyetik olmayan bu çelikler hem oda sıcaklığında hem de

yükseksıcaklıklarda yüzey merkezle kübik kafese sahip ostenitik içyapılarını

koruduklarından,normalleşltirme ve sertleşltirme ısıl işlemi yapılamaz. Tavlanmış halde

süneklikleri, toklukları ve şekillendirilebilme kabiliyetleri düşük sıcaklıklarda bile

mükemmeldir.Mukavemetleri ancak soğuk şekillendirme ile artırılabilir. Ostenitik

paslanmaz çelikler genellikle %16 ile %26 krom, %35’e kadar nikel ve %20’ye kadar

mangan içerirler.Nikel ve mangan temel ostenit oluşturucularıdır.

Tablo 2.1 Östenitik paslanmaz çelik kaliteleri ve kimyasal bileşimleri

2XX serisinde, en çok %7 nikel, %5 ile %20 arasında mangan bulunur ve azotun ostenit

içinde çözünürlüğü sayesinde dayanım artırılabilir. Katı çözeltide bulunan kristal

kusurların içine yerleşen azot, ostenit iç yapının mukavemetini artırır. 3XX serisi ise

daha fazla nikel ve en çok %2 mangan içerir. 301 ve 304 kaliteleri en az alaşımlı olan

türlerdir ve 3XX serisinin temel alaşımları olarak kabul edilirler.

Mükemmel şekillendirilebildiği, sünekliği ve yeterli korozyon dayanımı ile 304 kalite

ostenitik çelik en yaygın olarak kullanılan paslanmaz çeliktir. Tavlanmış 3XX serisi

çeliklerin akma dayanımı 200-275 Mpa arasında iken yüksek azotlu 2XX serisinde

akma dayanımı 500 MPa değerine kadar yükselir. Bu çeliklerde korozyonu önlemek

için gerekli olan kromun ferrit yapıcı etkisi, ostenit yapıcı alaşım elementleri katılarak

giderilir.

Şekil 2.1 Östenitik paslanmaz çeliğin mikroyapısı

304 kalite çeliklere molibden katılarak 316 ve 317 kaliteleri üretilir ve klorürlü ortamda

noktasal korozyona dayanım sağlanır. 309 ve 310 kaliteleri gibi yüksek kromlu

alaşımlar yüksek sıcaklıklarda ve oksitleyici ortamlarda kullanılır. Yüksek oranda

nikelli alaşımlar ise indirgeyici asidik ortamlarda tercih edilirler. Ancak bu amaçla,

kuvvetli bir ostenit yapıcı olmasına karşın karbon miktarı artırılamaz, çünkü bu element

karbür oluşturarak korozyon dayanımını zayışatır. Bunun yerine aynı zamanda

oksitleyici ve indirgeyici asitlere de dayanıklı olan nikelden yararlanılır. Yüksek oranda

nikel, yaklaşık %6 azot ve %20 azot içeren alaşımlara süperostenitikler de denir. 321 ve

347 kalitelerde karbonu stabilize etmek ve dolayısıyla yüksek sıcaklıkta tanelerarası

korozyonu önlemek amacıyla titanyum ve niyobyum eklenir. “L“ ve “S” uzantıl

alaşımlarda (304L, 309S gibi) tanelerarası korozyonu önlemek için karbon oranını

düşük tutma yoluna gidilmiştir. Ostenitik paslanmaz çeliklerde mukavemeti artırmak

için genellikle soğuk şekillendirmeden yararlanılır. Bu çeliklerde pekleşme,

ferritiklerden daha fazladır. Bu arada şekil değiştirme martenziti de oluşabilir ve

malzeme manyetiklik kazanır. Mukavemeti artırmak için bir diğer yol da alaşımlama

yapmaktır. Bu açıdan karbon ve azot en etkili elementlerdir. Kükürtsüz olan korozif

ortamlarda ostenitik çelikler, ferritiklerden daha iyi sonuç verirler. Molibden katılması

ile organik ve çeşitli mineral asitlere karşı dayanımları artar. Tam ostenitik çelikler ısıya

ve asitlere dayanıklı, yüksek sıcaklık özellikleri iyi olan malzemelerdir. Ancak sıcak

yırtılma eğilimi gösterirler. Ostenitik çelikler sünek ve toktur, ayrıca ısı etkisiyle

sertleşmedikleriden, kaynak bağlantıları için uygundur, ancak ısınan ve soğuyan

bölgede karbür çökelmesi oluşmaması için stabilize edilmiş türleri seçilmelidir.

Tablo 2.2 Östenitik paslanmaz çelikler

Öte yandan ısı iletimleri düşük, genleşmeleri yüksek olduğundan kaynakta çarpılmayı

önlemek için ısı girdisi düşük tutulmalıdır.Ostenit fazı içeren çeliklerde en büyük sorun,

krom karbür çökelmesidir. Kritik sıcaklıklar olarak nitelenen 400 ile 850°C arasında

yüksek enerjili tane sınırları boyunca ayrışarak yan yana dizilen kromca zengin

karbürler, malzemenin korozif ortamlarda bulunması halinde tanelerarası korozyona ve

tane ayrılmasına yol açarlar. Bunun nedeni karbür bünyesine geçen krom nedeniyle, katı

çözeltideki krom miktarının korozyona dayanıklılık sınırının (<%12)altına

düşmesidir.Bunu engellemek için;

• Çeliğe stabilizatörler katılarak, içyapı kararlı hale getirilir. Bunlar, karbona ilgileri

kromunkinden fazla olan titanyum, tantal ve niyobyum gibi elementlerdir. Bu sayede

karbon, yüksek sıcaklıklarda dahi kromkarbüroluşturmayacak şekilde bağlanır.

• ELC (extra low carbon - çok düşük karbonlu) çelikler kullanılabilir. Ostenitik

çeliklerde 650°C sıcaklıkta çözünebilen karbon miktarı yaklalık %0.05’tir. Karbon

miktarı bu değerden az olursa çözünen karbon, karbür oluşlturamaz.

• Çözme tavı uygulanabilir. 1050-1150°C arasında tavlayarak çökelmiş karbürler

çözündürülür. Hızlı soğutularak yeniden çökelme önlenir.

2.2 Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynak Kabiliyeti

Östenitik paslanmaz çelikler % 16-26 Cr, % 10-24 Ni+Mn, % 0.40'a kadar

C ve düşük miktarda Mo, Ti, Nb ve Ta gibi diğer alaşım elementlerini içerir.

Cr ve Ni+Mn oranları arasındaki denge, % 90-100 östenitten oluşan bir mikro

yapının elde edilebileceği şekilde oluşturulmuştur. Bu alaşımlar, geniş bir

sıcaklık aralığında sahip oldukları yüksek tokluk ve yüksek dayanım değerleri

ile ön plana çıkarlar ve 540°C'a kadarki sıcaklıklarda oksidasyona karşı

dayanım gösterirler. Bu grupta yeralan malzemelerin başında 302, 304,

310, 316, 321 ve 347 gelmektedir. Tablo 2.3'de, yukarıda belirtilen ve

bunların dışında kalan diğer östenitik paslanmaz çeliklerin nominal kimyasal

analiz değerleri yeralmaktadır. Bu çelikler için geliştirilen dolgu malzemeleri

genellikle ana metal ile benzer yapıdadır. Ancak birçok alaşım için, sıcak

çatlak oluşumunu engellemek amacıyla, düşük miktarda ferrit içeren bir

mikro yapının oluşmasına olanak sağlayan dolgu malzemeleri kullanılır (Bu

konu daha detaylı olarak ilerideki bölümlerde ele alına- caktır). Bu şartı

gerçekleştirebilmek için 308 türü dolgu malzemeleri 302 türü çeliklerin, 304 ve

347 türü dolgu malzemeleri ise 321 türü çeliklerin kaynağında kullanılır. Diğer

çelik türleri ise kendilerine benzer yapıdaki dolgu malzemeleri ile kaynak

edilebilirler.347 türü çelikler 308H türü dolgu malzemeleri ile de kaynak

edilebilir. Bu türdeki dolgu malzemeleri örtülü elektrod, dolu tel ve özlü tel

olarak üretilir. 321 türü dolgu malzemeleri ise sınırlı olarak, sadece dolu tel ve

özlü tel olarak üretilmektedir.

Östenitik paslanmaz çeliklerin kaynağında başlıca üç kaynak problemi ile

karşılaşılır. Bunlar sırası ile; (1) ısının etkisi altında kalan bölgede "Krom

Karbür" oluşması sonucu meydana gelen hassas yapı, (2) kaynak

dikişinde görülen "Sıcak Çatlak" oluşumu ve (3) yüksek çalışma

sıcaklıklarında karşılaşılan "Sigma Fazı" oluşumu riskleridir.

Tablo 2.3 Östenitik paslanmaz çeliklerin normal kimyasal analiz değerleri

2.2.1 Krom Karbür Oluşumu

Isının etkisi altında kalan bölgenin 427-871°C sıcak- lığa kadar ısınan bölümünde

yeralan tane sınırlarında çökelen ve taneler arası korozyonu hızlandıran krom

karbürler burada "Hassas Yapı" oluşmasına neden olurlar (Şekil 2.2 ve 2.3). Bu

oluşum sırasında bir miktar krom çözeltiden tane sınırlarına doğru yer değiştirir ve

bunun sonucunda bu bölgesel alanlarda krom miktarında azalma olacağı için

korozyon dayanımı düşer.

Şekil 2.2 Kromun yer değiştirerek krom karbür oluşturması

Şekil 2.3 18 Cr / 8 Ni (0.10 C)'lu Paslanmaz Çeliğin Tane Sınırlarında OluşanKarbür Çökelmesi (x 1200)

2.2.2 Sıcak Çatlak Oluşumu

Sıcak çatlamanın temel nedeni; kükürt (S) ve fosfor (P) gibi elementlerin oluşturduğu

ve tane sınırlarında toplanma eğilimi yüksek olan düşük erime sıcaklığına sahip

metalik bileşimlerdir. Bu bileşimler, eğer kaynak dikişinde veya ısının etkisi altında

kalan bölgede bulunuyorsa, tane sınırlarına doğru yayılırlar ve kaynak dikişi

soğurken ve çekme gerilmeleri oluş- tuğunda çatlamaya neden olurlar.

Sıcak çatlak oluşumu, dolgu metalinin ve ana metalin kimyasal analizinin östenitik

matriksde düşük miktarda ferrit içeren bir mikro yapı elde edilecek şekilde

ayarlanmasıyla önlenebilir. Ferrit, kükürt ve fosfor bileşimlerini kontrol altında

tutabilen ve ferritik- östenitik yapıya sahip olan tane sınırları oluşturarak sıcak çatlak

oluşumunu engeller. Bu sorun "S" ve "P" miktarlarının çok düşük seviyelerde

tutulması ile de giderilebilir, ancak bu durumda, çeliklerin üretim maliyetleri belirgin

bir şekilde artacaktır.

Sıcak çatlama riskine karşı dayanım elde edebilmek için yapıdaki ferrit miktarının en

az % 4 olması öneril- mektedir. Ferritin varlığı AWS A4.2'ye göre kalibre edilen

manyetik ölçüm aletleriyle sağlıklı bir şekilde belirlenebilir. Bunun dışında; dolgu

malzemesinin ve ana metalin kimyasal analizi biliniyorsa, çeşitli diyagramlar

kullanılarak da bir tahminde bulunmak mümkündür. Bu diyagramlardan en bilineni

ve en eski olanı 1948 yılında SCHAEFFLER tarafından geliştirilen "Schaeffler

Diyagramı"dır. Bu diyagramda Cr eşdeğeri yatay eksende, Ni eşdeğeri ise dikey

eksende yeralmaktadır.

(Cr) eş = % Cr + % Mo + 1.5 % Si + 0.5 % Nb

(Ni) eş = % Ni + 30 % C + 0.5 % Mn

Schaeffler Diyagramı çok uzun yıllar kullanılmasına karşın, azotun (N) etkisini

hesaba katmaması ve diyagramdan elde edilen verilerin, konusunda bilgili birkaç

ölçüm uzmanı tarafından belirlenen ferrit yüzdeleri ile farklılıklar göstermesi

nedeniyle günümüzde etkinliğini kaybetmiştir.

Şekil 2.4 Katılaşma Faz Sınırlarını da İçeren WRC-1992 Diyagramı

(Ni) eş = % Ni + 30 % C + 30 % N + 0.5 % Mn

Ferrit numaraları, özellikle düşük seviyelerde, ferrit yüzdeleri ile yakın değerlere

sahiptir. Günümüzde en sık kullanılan ve en sağlıklı sonucu veren diyagram Şekil-

6'da belirtilen WCR-1992 Diyagramı'dır. ASME şartnamelerinin 1994-1995 kış

döneminde yayınlanan eklerinde WCR-1992 Diyagramı WCR-DeLong

Diyagramı'nın yerini almıştır. Kabul edilen bu en son diyagramda krom ve nikel

eşdeğerleri aşağıdaki for- müllerle hesaplanmaktadır.

(Cr) eş = % Cr + % Mo + 0.7 % Nb

(Ni) eş = % Ni + 35 % C + 20 % N + 0.25 % Cu

Görüldüğü gibi nikel ve krom eşdeğerleri Schaeffler ve WCR-DeLong

Diyagram'larındakinden daha farklı olarak hesaplanmaktadır.

Ferrit numarası diyagramın nikel eşdeğerini gösteren ekseninden sağa doğru yatay,

krom eşdegerini gösteren ekseninden yukarıya doğru dikey çizgiler çizerek bulunur.

Yatay ve dikey doğruların kesiştiği noktadan geçen çapraz çizgiler ferrit numarasını

vermektedir.

WCR-1992 ve WCR-DeLong Diyagramları 308 gibi sık kullanılan paslanmaz

çelikler için benzer değerler verir. Ancak WCR-1992 Diyagramı, özellikle yüksek

alaşımlı malzemelerde, yüksek manganlı östenitik tipteki ya da östenitik-ferritik

yapıdaki çift fazlı paslanmaz çelikler gibi daha seyrek kullanılan alaşımlarda daha

kesin ve doğru sonuçlar vermektedir.

Ferrit numarası, ferritin manyetik olma özelliğinden yararlanılarak kaynak metali

üzerinden ölçülebilir. Bunun için ticari olarak satışa sunulan ve AWS A4.2'ye göre

kalibre edilmiş olan ve ferrit numarasının direkt olarak okunabildiği manyetik ölçüm

cihazlarından, ferritscoplardan ve benzeri cihazlardan yararlanılabilir.

Ferrit miktarının sıcak çatlak oluşumundan korunmak için gereken orandan daha

yüksek olmamasında ve belirli güvenlik sınırları içerisinde tutulmasında yarar vardır.

Çünkü ferrit, bazı korozif ortamlarda, malzemelerin korozyon dayanımını düşürür

ve yapıdaki aşırı ferrit miktarı süneklik ve tokluğu azaltır.

2.2.3 Sigma Fazı Oluşumu

"Sigma Fazı", çok sert (700-800 Vickers), manyetik olmayan ve gevrek yapıya sahip

metallerarası bir bileşiktir. Röntgen ışını ile yapılan analizde bileşiminin yaklaşık

olarak % 52 krom ve % 48 demirden oluştuğu ancak bunun yanında molibden gibi

diğer alaşım elementlerini de içerebildiği görülmüştür. Sigma fazı, kromlu veya

krom-nikel esaslı paslanmaz ve ısıya dayanıklı çeliklerin kaynak bölgesinde oluşur.

Saf östenitik bir yapıdaki sigma fazı oluşum hızı, östenitik kütle içerisinde ferrit

içeren yapıdakine oranla daha düşüktür.

Sigma fazı ile krom karbür çökelmesi birbirinden tamamen farklı iki oluşumdur.

Sigma fazı kırılganlığı

650-850°C sıcaklıklar arasında görülür ve bu sıcaklık aralığında kalma süresi ile

oluşan yapının yoğunluğu arasında yakın bir ilişki vardır. Faz dönüşüm hızının en

yoğun olduğu sıcaklık 720°C civarındadır. Yapıda bulunan ferrit miktarının % 3-4 ile

sınırlı tutulması durumunda, östenit tanelerinin etrafı ferrit ile çevrilemeyecek ve

kırılganlık riski önlenecektir . Buna karşın ferrit miktarının % 12'yi geçmesi ile

birlikte esneklik kabiliyeti hızla azalacaktır (Şekil 2.5).

Şekil 2.5 20 Cr / 10 Ni'li ve % 3 Ferrit İçeren Paslanmaz Çelik (x 1700)

Ferritin sigma fazına dönüşmesi sonucu kaynak dikişinde oluşan çatlama eğilimini

ölçmeye yönelik olarak gerçekleştirilen deneye ait veriler Şekil 2.6'daki grafikte

belirtilmiştir.

Şekil 2.6 Farklı Sıcaklıklarda Isıl İşlem Uygulanan ve 780°C'da 300 Saat Süresince Tutulan, 20 Cr/10 Ni ve1 Nb'lu Ostenitik Bir Yapıda Bulunan Ferrit

Miktarının Gösterdiği Etki

Ferrit içerikleri % 3 ile % 12 arasında değişen ve 20 Cr, 10 Ni ve 1 Nb'lu bir

elektrodun kullanıldığı beş farklı deney parçası hazırlanmıştır.

Daha sonra bu deney parçaları 980-1100°C arasındaki farklı sıcaklıklarda

östenitleştirilmiş, 730°C'da 300 saat boyunca tutulmuş ve sigma fazı oluşturularak

kırılgan hale getirilmiştir.

Buradan da görülmektedir ki; ferrit miktarındaki artışa bağlı olarak esneklik (darbe

dayanımı) azalmakta ve ferrit yüzdesi ne olursa olsun östenitleştirme sıcaklığın- daki

artış dikiş üzerinde olumlu bir etki yaratmaktadır.

Şekil 2.7 ve Şekil 2.8’de; 25 Cr / 20 Ni'li, ısıya dayanıklı bir elektrodla

gerçekleştirilen ve farklı zaman dilimleri süresince dönüşüm sıcaklığında tutulan

bağlantılara ait içyapı fotografları yeralmaktadır. Görüldüğü gibi, parçanın 780°C'da

100 saat süre ile tulması durumunda sigma fazı çizgileri oluşmaya başlamıştır (Şekil

2.7) ve yine aynı sıcaklıkta gerçekleştirilen 500 saatlık bir tutma işlemi

sonucunda ise çökelen sigma fazı izlerinin çok daha yoğun olduğu görülmektedir

(Şekil-2.8).

Şekil 2.7 25 Cr / 20 Ni (0.10 C)'lu Elektrod Kullanılmıştır. 780°C'da 100 Saat Isıl İşlem Uygulanmış ve Sigma Fazı Çizgileri Oluşmaya Başlamıştır (x 1600).

Buradan da anlaşıldığı gibi, kaynak işlemi sırasında banyonun çok hızlı soğuması ve

katılaşması nedeni ile sigma fazı kolay oluşamaz. Bu sorun esas olarak ferrit içeriği

çok yüksek olan bir kaynaklı bağlantının kaynak işleminden sonra uzun süre

yüksek sıcaklık değer- lerinde kalacak bir çalışma ortamlarda kullanılması

durumunda karşımıza çıkar.

Şekil 2.8 25 Cr / 20 Ni (0.10 C)'lu Elektrod Kullanılmıştır. 780°C'da 500 Saat Isıl İşlem Uygulanmış ve Sigma Fazı Çizgileri Artarak İyice Belirgin Hale

Gelmiştir (x1600).

Sigma fazı konusunda yapılan araştırmalardan elde edilen sonuçlar aşağıda

belirtilmiştir.

a- Sigma fazının oluşumu 750°C'da, 650°C'dakinden daha çabuk meydana gelir.

750°C'da 30 saat gibi bir zamana gereksinim varken bu süre 650°C'da 1 haftaya

çıkar.

b- Sigma fazı oluşumu soğuk şekil değiştirme ile hızlanır.

c- Sigma fazı oluşumuna kuvvetli olarak etki eden elementler ; molibden (Mo),

krom (Cr), niobyum (Nb) ve silisyum (Si)'dur.

d- Sigma oluşumunu kuvvetlendiren elementlerin miktarı yüksek ise, belirli

şartlar altında, kaynağa bağlı olmadan ve ısıl işlem uygulamadan da sigma fazı

meydana gelebilir.

e- Sigma fazı, 950-1100°C sıcaklıklar arasında belirli bir süre tavlandıktan sonra,

suda hızlı olarak soğutularak giderilebilir.

f- Sigma fazının giderilmesi için uygulanan ısıl işlemden sonra oluşan yapıdaki

ferrit miktarı, ısıl işlem uygulanmamış yapıdakine oranla daha azdır.

g- Ferrit miktarı, parçaya 1150°C'da homojenleştirme tavlaması uygulanarak daha da

düşürülebilir. Bu durumda ferrit mikro toplanmalar şeklinde oluşur.

h- Isıl işlem uygulanmamış 19 Cr / 9 Ni /1.5 Mo tipi çeliğe ait kaynak bölgesinin

yapısında bulunan

% 15 ferrit sigma fazına dönüşünce, kaynak dikişinin mukavemet özelliklerinde

aşağıda belirtilen değişmeler meydana gelir :

- Çekme dayanımı yükselir, akma sınırı düşer.

- Uzama, büzülme ve çentik dayanımları önemli derecede azalır.

- 24 saat 750°C'da tavlanmış olan kaynak bölge- sinin 0°C'daki çentik dayanımı,

650°C'da bir hafta tavlanan kaynak yerinin çentik dayanımı ile hemen hemen

aynıdır. Buna karşın, yapısında

% 12 ferrit bulunan kaynak bölgesinin çentik dayanımının 1/10'u kadardır. Aradaki

bu fark, yüksek sıcaklıklarda daha da azalmaktadır.

i- 300-400°C'ın üzerinde oldukça iyi çentik değerleri elde edildiği için, yüksek

işletme sıcaklığında çalışan konstrüksiyonlarda, sigma fazının neden olduğu

gevrekleşmeden korkulmamalıdır.

k- Sigma fazının neden olduğu kırılganlık, kaynak bölgesinin tavlama yapılmadan

önceki durumunda içerdiği ferrit miktarına bağlıdır. Eğer kaynak bölgesi

başlangıçta % 6.5 ferrit içerirse, sigma dönüşmesi çentik darbe dayanımının

azalmasına neden olmaz. Burada ferrit miktarı az olduğu için, ferrit östenitik yapı

içerisinde ağ şeklinde değil, izole edilmiş odacıklar halinde meydana gelir. Bu yolla

elde edilen sigma, yapıya bir süneklik kazan- dırmaktadır.[1]

2.3 Östenitik Paslamaz Çeliklerde Kullanılan Kaynak Prosesleri

Paslanmaz çelikler ve ısıya dayanıklı çelikler bazı sınırlamalar hariç, alaşımsız ve

düşük alaşımlı çeliklerde kullanılan ergitme ve basınç kaynak yöntemleri ile kaynak

yapılabilir. Paslanmaz ve ısıya dayanıklı çeliklerin kaynak işlemi kaynak yapılacak

ana metalden beklenen özelliklere, örneğin; korozyon ve ısı dayanımına, göre

değişiklik gösterebilir. Kullanılacak kaynak malzemesi ana metalle aynı

kompozisyonda veya bazı uygulamalar için daha yüksek alaşımlı olmalıdır.

Östenitik paslanmaz çelikler için en çok uygulanan kaynak yöntemleri şunlardır;

Manuel metal ark kaynağı (MMAW)

Gaz tungsten ark kaynağı (GTAW)

Plazma ark kaynağı (PAW)

Laser ışın kaynağı (LBW)

Elektron ışın kaynağı (EBW)

Gaz metal ark kaynağı (GMAW)

Yakma alın kaynağı (FW)

Sürtünme kaynağı (FSW)

Özlü tel elektrotla ark kaynağı (FCW)

Örtülü metal ark kaynağı (SMAW)

Toz-altı ark kaynağı (SAW)

Direnç nokta kaynağı (RSW)

Kabartılı nokta kaynağı (PW)

Direnç dikiş kaynağı (RSEW)

Elektro cüruf kaynağı (ESW)

Saplama Kaynağı (SW)

Östenitik paslanmaz çelikler de kendi aralarında; standart östenitik paslanmaz

çelikler,tam östenitik paslanmaz çelikler, ferritik-östenitik (dupleks) paslanmaz

çelikler olmak üzere 3 gruba ayrılmaktadır ve her bir türün kaynağı için dikkat

edilmesi gereken bazı hususlar vardır.

Bu hususlardan bazıları şunlardır;

A1 – Standart Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı;

Kaynak metali % 4 ile % 12 (5 -15 FN) delta ferrit içerir, bu nedenle sıcak

çatlağa karşı dirençlidir

Kaynaklı birleştirmelerden, manyetik olmaması, yüksek korozyon direncine

sahip olması veya düşük sıcaklıklarda tokluk gibi özelliklerin istenmesi

durumunda tamamen östenitik kaynak metalleri seçilmelidir.

Ana metalle yapılan karışım %40’ın altında tutulmalıdır ve delta-ferrit oranını

çok fazla düşürmemek için, mümkünse kaynak esnasında azot emilimi düşük

tutulmalıdır.

Ön ısıtma yapılmamalıdır, pasolar arası sıcaklık en fazla 150°C olmalıdır.

Ark başlangıçları kaynak ağzı içinde yapılmalıdır.

Delta-ferrit manyetiktir bir fazdır.

Cr-Ni’li östenitik paslanmaz çelikler Cr-Ni-Mo’li östenitik paslanmaz

çeliklerle birleştirilebilir fakat korozyon direnci dikkate alındığında aynı

bileşimdeki kaynak malzemesi tercih edilmelidir.

A2 – Tam Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı ;

Tam östenitik kaynak metallerinde, sıcak çatlak eğiliminin yüksek olduğu bu

tür çelikleri kaynak yaparken unutulmamalıdır. Bunların yanında şu noktalara

dikkat edilmelidir.

Kaynak bölgesinin kesinlikle çok temiz olması gerekir, sıcak-çatlağa neden

olan kükürt v.b. maddelerin kaynak bölgesine girmesine izin verilmemelidir.

Kraterleri doldurulmalı, gerekirse taşlanarak çıkartılmalıdır,

Uzunlamasına oluşabilecek çatlakları önlemek için kök paso yeterli kalınlıkta

yapılmalıdır.

Tasarım esnasında lokal gerilimler oluşturmaktan ve kalın kesitli malzeme

kullanımından kaçınılmalıdır.

Tane boyunu küçük tutabilmek ve kaynaklı birleştirmedeki kaynak sonrası

gerilimleri düşük tutabilmek için büyük kaynak banyosundan ve yüksek ısı

girdisinden kaçınılmalıdır.

Bu durum,

- Sınırlı bir ısı girdisi (en fazla 10 -15 kJ/cm) demektir.

- Düz kaynak dikişi yapmak veya çok sınırlı bir salınım yapmaktır,

- Ön ısıtma yapılmamak, pasolar arası sıcaklık en fazla 130 (150)°C'de olmasıdır.

F - A - Ferritik-Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı;

Delta-ferrit ve östenit olmak üzere iki fazlı olan bu tür çeliklere dubleks

paslanmaz çelikler denir. Bu çelikler ergitme kaynakları ile birleştirilebilir.

Kaynaklı birleştirmeler en fazla 250°C’ye kadar çalışabilir. 475°C’de kırılgan

fazların oluşması nedeniyle 250°C ile 900°C arasındaki sıcaklıklarda tokluğu

düşer.

Kaynak metalindeki delta ferrit oranını sınırlandırmak için, ana metalle aynı

oranda azot (N)-alaşımına sahip kaynak malzemelerinde, nikel miktarı ana

metalinkinden biraz daha yüksektir. Nikel oranı düşük paslanmaz çeliklerle

yapılan birleştirmelerde karışım % 40’ın altında tutulmalıdır. İlave metal

kullanılmadan kaynak yapmak, yalnız çözündürme tavı ve arkasından su

verme işlemi yapılırsa mümkündür.

Ön tav yapılmadan kaynak yapılmalı, pasolar arası sıcaklık 250°C’yi

(yaklaşık % 23 Cr içeren çeliklerde) veya 150°C’yi (yaklaşık % 25 Cr içeren

çeliklerde) aşmamalıdır.

Östenitik paslanmaz çeliklere göre biraz daha yüksek ısı girdisi seçilebilir.

Kullanılan kaynak yöntemine ve malzeme kalınlığına göre; %23 Cr içeren

çeliklerde, 5 - 25 kJ/cm ısı girdisi ile, %25 Cr içeren çeliklerde 2 – 15 kJ/cm

ısı girdisi ile kaynak yapılabilir.

Yüksek miktarda delta-ferrit içeren çelikler, hidrojen çatlağına meyillidir. Bu

nedenle kaynak esnasında hidrojen emilimi mümkün olduğunca düşük

tutulmalıdır (elektrodlar kullanılmadan önce kurutulmalı ve hidrojen içeren

gazlar kullanılmamalıdır).

Bu çalışmada,AISI304 östenitik paslanmaz çeliğin kullanıldığı çeşitli kaynak

uygulamalarında,yukarıda sıralanan yöntemler arasından; Manuel metal ark kaynağı

(MMAW) , gaz tungsten (volfram) ark kaynağı (GTAW) ve sürtünme kaynağı

(FSW) yöntemleri kullanılmıştır. Bu nedenle, sadece bu üç kaynak yöntemi detaylı

olarak anlatılacaktır.

2.2.4 Manuel (Elle) Metal Ark Kaynağı Yöntemi

Bu yöntemde, kaynakla birleşecek parçalar resimlerine göre hazırlanır, kaynak

ağızları açılır, parçalar aşağıda göreceğimiz pozisyon aparatları veya herhangi

bir montaj şekli ile tespit edilir ve böylece aralarında bırakılan mesafe en elverişli

olarak kabul edilen ölçüde tutulmuş olur.

Kullanılacak kaynak makinesine en uygun cins ve çapta bir veya birkaç tip elektro d

daha evvel seçilmişt ir. Bu seçim için ana kriterle rin tayini çok önemlidir.

2.2.4.1 Parça Kalınlığına Göre Elektrod Çapının Seçilmesi

Şalümo ile kaynağın aksine olarak, belirli bir zamanda ark kaynağı ile temin edilecek

ısı miktarının parçanın kütlesine bağlı olmadığı inancı çok yaygındır. Bu inanç

ancak bazı sınırlar içinde doğrudur.

Zira pratikte öyle bir kalınlık vardır ki onu belirli çapta bir elektrodla kaynak

etmek imkânsızdır şöyle ki delinme ve yanma çentiklerinden kaçınmak için bu çapın

gerektirdiği akım şiddetinin altına inmek veya elle kaynakta mümkün olmayan

hızla İlerlemek gerekir.

Bunun aksine küçük çaplı elektrodlarla kalın parçaların kaynağı ve hatta dolgusu hiç

tavsiye edilmez, zira azami amperajları ile bile bu elektrodlar iyi bir nüfuziyet elde

etmek imkânını vermezler. Ana metale intikal eden bütün ısı burada çabuk dağılır;

bunun dışında, ergime banyosu ve kenarlarının çok çabuk soğuması su alma

hadiselerini meydana getirebilir; parçalar rijit olarak bağlı ise bunlar, bilhassa

muayyen bazı elektrod klasları ile, çatlaklara kolaylıkla götürebilir.

Şekil 2.9

Şekil 2.9'daki grafik, standart elektrod çapları ile rasyonel şekilde kaynak

edilebilecek çelik kalınlıklarının azami ve asgari sınırlarını gösterir. Bunlar aynı

düzlemdeki sacların birbirleriyle kaynağı içindir. Aşağıdaki tablo, soğuk parça

üzerinde yatay kaynakta, sac kalınlığına göre elektrod çapı ile ortalama

amperajları verir.

Şekil 2.10 Parçaların e kalınlığına göre kaynak akım şiddeti

2.2.4.2 Dikişin Şekil ve Pozisyonuna Göre Elektrod Çapının Seçimi

- Köşe kaynaklarında elektrod çapını, sacların kalınlığından çok dikiş kalınlığı tayin

eder. Özellikle kök pasosu 4 mm'den büyük çapta elektrodla kaynak

edilmemelidir zira aksi halde kök kenarlarına nüfuziyet bakımından erişmek güç

olur. Keza ısı dağılma oranları da burada rol oynar şöyle ki aynı sac kalınlıkları ile

iç köşe dikişinde, V dikişine nazaran daha kalın, dış köşe dikişinde ise daha ince

elektrod kullanılır.

- Küçük damlalar halinde meydana getirilmiş bir dikiş (küçük çaplı elektrod,

düşük akım şiddeti veya büyük ilerleme hızı), iri damlalar halinde yığılmış bir

dikişten (kalın çaplı elektrod, kuvvetli akım şiddeti veya yavaş ilerleme hızı) daima

daha bombelidir.

Bu kaide şu mülâhaza ile de desteklenir: küçük damlalar, büyüklerden

daha hızlı katılaştıklarından, yayılmaya vakit bulamazlar.

Dik bir yüzey veya tavanda ergimiş bir metal damlası buralarda ancak küçük olması,

yani şariyet kuvvetlerinin ağırlığa galip gelmesi şartıyla tutunabilir. Bu itibarla

dik yüzey veya tavanda kaynakta küçük kesitli dikişler çekip çabuk katılaşmalarını

temin etmek gerekir: küçük çaplı elektrod kullanmak, yatay kaynağa nazaran daha

düşük amperajla veya daha büyük ilerleme hızı ile çalışmak uygundur.

Bu andan itibaren kaynakçının çalışması başlar. Bu çalışma en iktisadî şartlar altında

mümkün olan en iyi birleşmeyi elde etmekten ibarettir. İşlem el ile yapıldığından

bazen telâfisi çok pahalı ve hatta imkânsız kusurlar olabilir. Bu itibarla kaynakçı

yüksek ölçüde meslekî sorumluluk hissine sahip bir kişi olmalı ve çalışması

esnasında farkına vardığı kusurlara bizzat işaret etmelidir.

Kaynak işlemi aşağıdaki sırayı takip eder:

1) Akım şiddetinin ayarı. Her elektrod çapı için, imalâtçı, kutu etiketi

üzerinde elektrodun kullanılmasına elverişli asgari ve azami akım

şiddetlerini vermiştir. Böyle bir yazının bulunmaması halinde aşağıdaki

tecrübî formülün kullanılması ile mesele kabaca halledilir:

A=50 (D-1)

Burada A, amper cinsinden akım şiddeti; D de elektrodun mm cinsinden

çekirdek çapıdır. Bir başka yakın formül de çekirdek çapı milimetresi basına 35-

40A hesap etmektir.

Örtünün kalınlık ve cinsi ile kaynak pozisyonuna göre akım şiddetinde böylece

hesap edilmiş şiddete nazaran ± %30 kadar değişmeler gerekebilir.

Yazılı asgari akım şiddetinin altında çalışıldığında dış bükey ve çirkin, zayıf

nüfuziyetli ve biçimsiz nihayî kraterli bir dikiş elde edilir. Dikişte gözenek

bulunması ve cüruf girmesi tehlikesi vardır.

Azami akım şiddetinin üstünde, ergime püskürmeli, dikiş intizamsız ve

nüfuziyet tehlikeli şekilde derin olur, dikişte boşluk ve çatlaklar bulunur,

kenarlarında da yanma çentikleri görülür. Nihai krater şekilsiz olup dikişin

kendisi gibi boşluk ve çatlakları haiz olur. Mekanik karakteristikler zayıflar

ve şekil değiştirmeler fazla olur.

Akım şiddeti bilhassa sacların kalınlıklarına bağlıdır şöyle ki aynı elektrod

çapında şiddet, ince parçalarda daha az, kalın parçalarda daha yüksek olur. Keza

akım şiddeti kaynak pozisyonuna bağlı olarak da değişir. Bu pozisyon, ergimiş

metalin cazibe (yerçekimi) ile akmasına yardımcı olduğundan A akım şiddetini

düşürerek metalin katılaşmasının hızlandırılması tavsiye edilir:

-Yatay pozisyonda A yazılı ortama akım şiddetine göre %10’a kadar;

-Aşağıdan yukarı dik kaynakta %10’- %20’ kadar

-Dkey düzlemde yatay ve tavan kaynaklarında %5-15 kadar azaltılmalıdır.

Buna karşılık bazı hallerde ya arkın nüfuziyetinin veya cürufu itmek için

dinamizminin arttırılması istenir. Nitekim yukarıdan aşağı dik kaynakta A, %20

kadar arttırılır.

Bilhassa kök pasolarının kaynağında (V,X dikişlerinde) amperaj, bir taraftan iyi bir

nüfuziyet elde edecek şekilde, öbür taraftan da yapışma olmadan elektrod

metalinin akmasını temin edip altta damla teşekkülünü önleyici şekilde

olacaktır. Kök pasoda amperaj, müteakip pasolarınkinden düşük olacaktır. Alın

ve dış köşe kaynaklarında, iç köşe kaynağına nazaran amperaj yine düşük olur.

Alın dikişlerinin aksine olarak iç köşe dikişlerinin ilk pasosunda, İyi bir

nüfuziyet elde etmek için, müteakip pasolarınkinden daha yüksek amperaj

kullanılır. Burada bir hususa bilhassa dikkati çekmek yerinde olur: kaynakçı,

makinesindeki ampermetrenin gösterdiği değerlerden daima şüphe etmelidir.

Bunlar bir kaç sebepten doğru olmayabilir: şebeke gerilimi normal

gerilimden düşük olur ki bu hal memleketimizde sık görülür; makine eskimiş

olabilir; kaynak devresinde temaslar iyi olmaz; ark gerilimi normalin

üstünde olur (demir tozlu elektrodlar). Şüpheye düşüldüğünde ampermetre

prensesi ile kontrol edilmelidir. İleride, her pozisyonda kaynak uygulamasının

ayrıntılarında daha fazla bilgi verilecektir.

2) Ark gerilimi (veya çalışma gerilimi). Kaynak esnasında E ark gerilimi arkın

uzunluğu, elektrodun çapı ve cinsi ve kaynak akım şiddetine göre değişir.

Yazılı ortalama akım şiddetlerinde yumuşak veya hafif alaşımlı çelik

elektrodlarında

E (volt) = 2 (D -I- 9) ampirik formülü ark geriliminin büyüklük

mertebesini verir.

ISO normu, kaynak makinelerinin ayar aksamı için A'ya bağlı olarak

aşağıdaki formülü tavsiye eder (formül 600'A'ya kadar tatbik edilmek üzere) :

E(volt)=20+0.04A(amp)

3) Arkın tutuşturulması ve devamlılığının sağlanması. Bu konuda evvelce kâfi

temel bilgi verildi. Buna ek olarak aşağıdaki hususları kaydedelim :

-Arkın tutuşturulması «emin» olmalı, yani her istendiğinde tekrarlanabilmeli.

Kaynakçı bunu, elektrod ucunu parça üzerine ya vurarak ya da sürterek temin

eder. İkinci şekil, bilhassa bazik elektrod kullanıldığında daima tercih edilmeli;

bazik elektrodla çalışıl- dığında elektrodun birleşme yerinin dışında

tutuşturulması kat'î olarak tavsiye edilir. Bu elektrodlarla tutuşturma kibrit

çakar gibi olacaktır (Şekil 2.11).

Keza bazik elektrodlarla yarıda kesilmiş bir kaynağa devam edildiğinde,

devama başlamadan evvel, elektrod ucunda hasıl olmuş kraterin yok edilmesi,

yani çekirdek teli ile örtünün aynı düzleme getirilmesi gereklidir.

Kaynak dikişinin sonunda krateri mümkün olduğukadar kısa ark boyu ile ve küçük

dairesel, yavaş elektrod hareketleri ile (Şekil 3.3) doldurmalı ve elektrodu dikiş

yönünde çabuk yukarı çekmelidir.

Şekil 2.11

Aksi halde kaynak banyosu kenardan akabilir. Elektrod normal uzunlukta arkla

parçaya dik olarak çekildiğinde daima derin bir krater, yani dikişte delik hasıl

olur ki bundan mutlaka kaçınmak gerekir. Yatay kaynak dışındaki pozisyonlarda

kaynakta da aynı şekilde hareket edilmelidir. Tavan kaynağında tutuşturmada

güçlük çekildiğinde ark evvelâ bir yatay parça üzerinde tutuşturulur, elektrodun

ucu kızardığında tavana dönülür.

- Ark uzunluğu en fazla elektrodun çekirdek çapına eşit olmalıdır; arkın

kısa tutulması, bilhassa bazik elektrod kullanıldığında, daima tavsiye edilir.

Bazik elektrodlarda ark çekirdek çapının yansı uzunluğunda olacaktır. Çok

uzun bir ark ergimiş metali havanın oksijen ve azotundan korumaz. Ayrıca

metal iri damlalar halinde düşer, bunlar da ana metale kaynak olmadan patlar

ve dolayısıyla kaybolur. Kaynak metali oksitli ve gözenekli olur. Mamafih bazı

hallerde ark, nispeten az metal yığarak parça mevziî olarak ısıtılmak

İstendiğinde bilerek uzatılır. Örneğin:

a) Başlangıçta, soğuk bir parça üzerinde kaynağa başlandığında yapışmadan

kaçınmak için;

b) Yarıda bırakılmış bir dikişe devamda (Şekil 2.12), yeniden başlama noktasında

fazla kalınlıktan kaçınmak için: Şekil 3.4 bu eylemi doğru uygulamanın yolunu

gösterir.

Şekil 2.12

-Bazen, örtünün iyi merkezlenmemiş olmasından bunun ergimesi fısıltılı olur.

Bu takdirde elektrodu pense içinde yarım devir çevirmek, mahzuru önlemek için

kâfidir.

-Pasonun sonunda ark hiç bir zaman elektrod hızla çekilerek

söndürülmemelidir. Zira aksi halde metal yokluğundan krater çok büyük olur.

Gerektiğinde, birkaç milimetre geri gelerek çukurluğu «beslemek» uygun olur.

Yüksek emniyetin arandığı birleşmelerde «göz» veya çatlak başlangıçlarını,

kaynağa devam etmeden önce taşlayarak yok etmek dahi gerekebilir.

Puntalama

Kaynağın doğru ve muntazam şeklide uygulanabilmesi için dikiş ilerledikçe

kenarların birbirlerine nazaran durumu değişmemeli, aralarındaki açıklık hep

aynı kalmalıdır. Bunu temin etmek için (maalesef çoğu zaman ihmal edilen)

puntalama işlemine başvurulur. Böylece kaynak edilecek kenarlar en müsait

pozisyonda tespit edilmiş olur.

Parçaların uzunlukları kalınlıklarının 30 mislinden az ise veya başka özel

bir tespit şekli kullanılırsa puntalama gerekmez.

Tespiti güç veya ağır parçalarda puntalamadan evvel bunların uygun aralığa

getirilebilmesi için meselâ işkenceler kullanılır. Bazı hallerde de bu

işkencelerin takılabilmesi için parçalara, sonradan kaldırılan köşebent parçaları

ve mümasili büteler kaynak edilir.

Puntalama, muntazam aralıklarla yapılan oldukça ince ve kısa dikişlerden ibarettir.

Punta aralıkları, bilhassa soğuma çekmesi ile ilgili olarak, parça kalınlıklarına

bağlıdır. Genel olarak aşağıdaki değerler uygulanır :

Kalınlık 5 mm'den az ise aralık, kalınlığın 30 misli, kalınlık 5 mm'den fazla

ise aralık, kalınlığın 20 misli.

Puntaların kalınlığı, kaynak esnasında çatlayıp kopmaları önleyecek

mertebede olmalıdır; uzun puntalar (mesela 20 mm) kalın puntalara tercih

edilir. Zira ince uzun puntalar yapıldığında esas birleştirme dikişinin

kaynağı sırasında bunlar ergir. Aksi halde bunları atlamak gerekir.

Atlanmazsa yer yer, çirkin görünüşlü fazla yükseklikler hasıl olur.

Büyük emniyetin arandığı konstrüksiyonlarda, birinci paso ilerledikçe

puntaların tamamen taşlanması önemle tavsiye edilir: böylece her türlü

boşluk, cüruf kaçması, nüfuziyet kusuru vesaire önlenmiş olur.

V kaynak ağzı açılmış sacların arka tarafına erişilebildiğinde puntalamanın

arkadan yapılması uygun olup böylece sacların aynı seviyede tutulması da

sağlanmış olur.

Puntaların yapılış sırası bunların, parça kenarlarını yaklaştırmaya çalışan

çekmeleri göz önüne alınarak tayin edilir. Düz bir hat boyunca giden

kaynaklarda bu sıra Şekil 2.13'deki gibi, dairesel birleştirmede de Şekil

2.14'daki gibi olmalıdır.

Şekil 2.13 Şekil 2.14

Puntalama daima, kaynakta kullanılacak elektrodla aynı örtü tipinde

elektrodla yapılmalıdır. Bu tedbir bilhassa bazik elektrodlar kullanıldığında

önemlidir.

Puntalamanın esas kaynakla farkı, uygulaması sırasında kenarların soğuk

oluşurdadır. Bu itibarla oldukça yüksek bir amperajla çalışmak gerekir:

puntalar daha iyi nüfuz eder ve ince saclarda bunlar mümkün olduğu

kadar yassı olur. Parçaların nispeten kalın olması halinde dikiş

pasolarında kullanılan elektroddan daha küçük çaplı elektrod

kullanmakla kaynak ağzının dibinde nüfuziyetten emin olunur. Rijit

konstrüksiyonda, E 6013 elektrodu kullanılsa bile, punta için E 6018 tavsiye

edilir.

2.2.4.3 Kaynağın Yapılışı

2.2.4.3.1 Kaynakçının Pozisyonu

Her işte olduğu gibi burada da kaynakçı, hareketlerine tam hâkim

olabileceği en rahat pozisyonda çalışmalıdır. Parçayı münasip yüksekliğe

getirmek veya büyük parçalarda kaynakçıyı dikiş yerinin yanına ulaştırmak

için kaybedilecek dakikalar esas kaynak işlemi sırasında fazlasıyla telâfi edilir

zira bu takdirde kaynakçı daha çabuk ve daha iyi çalışacaktır. Eğer bir baş

maskesi kullanmıyorsa kaynakçı mümkün olduğu kadar sol dirseğini masa

veya parçaya dayayabilmeli, el maskesi, arkın gücüne göre, kaynaktan

20 ile 40 cm mesafede bulunmalıdır; daha uzak tutulursa ergime banyosunu

iyi kontrol edemez; daha yakı nda ise cam çabuk kirlenir ve bir kaç saat

çalışmadan sonra kullanılmaz hale gelir. Pense kablosu, ağırlığı ile kaynakçıyı

yormamalıdır. Onu omzunun üstünden geçirmeli veya daha iyisi, münasip bir

yere aşmalıdır. Ve nihayet, iyi cüruf temizlemesi (çekiçleme, fırçalama)

için kaynak yerinin iyi aydınlatılması gerekir.

2.2.4.3.2 Parçanın Pozisyona Getirilmesi

Bundan maksat, kaynağa hazır bir birleşmeyi, kaynakçı için en rahat

ve en uygun pozisyona getirmek yani ona en çabuk ve en emniyetli

neticeyi almak imkânını veren çalışma pozisyonuna getirmektir. Genel

olarak yatay kaynak her bakımdan en müsait pozisyon olduğuna göre

birleşmeyi, dikiş ilerledikçe hep yatay pozisyonda tutan tertiplere mümkün

olduğu kadar başvurulur.

Şekil 2.15


Bunun için motorla veya elle dönen ve çevrildikten sonra tespit edilebilen

tertipler kullanılır (Şekil 2.15, 2.16, 2.17). Şekil 2.18'deki döner kaynak tablası

bunun klasik örneklerinden biri olup bu tabla, kendi aksı etrafında döndüğü gibi

istenilen açıya da ayarlanabilir. Dönüş hızı da maksata göre değiştirilebilir.

Şekil 2.18

2.2.4.3.3 Elektrodun Tutuş Meyili

-Esas itibariyle elektrod, kaynak düzlemine dikey bir düzlemde (Şekil

2.19), köşe kaynaklarında da açının orta düzleminde (Şekil 2.20) hareket

edecektir. Aksi halde Şekil 2.21'de görüldüğü gibi bir tarafta çentik etkisi

yapan yanmalar hasıl olur.

Şekil 2.19 Şekil 2.20 Şekil 2.21

Birbirinden farklı kalınlıkta iki parçanın kaynağında kalınlık farkı en

kalın sacın dörtte birinden fazla değilse, belirli bir güçlük çıkmaz.

Kalınlık farkı bundan daha fazla ise elektrod çapı, kalın sacta hala

nüfuziyet temin ederken ince sacı yakmayacak (fazla ergitmeyecek)

şekilde seçilecektir. Aynı şey akım şiddeti için de söylenir. Elektroda

münasip bir meyil vererek kalın sacın diğerinden daha fazla ısınması

temin edilecektir (Şekil 2.22) (daha emin yoldan iyi netice almak için kalın

parçanın bir oksi-asetilen şalümosu ile 200-300oC'a ısıtılması tavsiye edilir).


Şekil 2.24

Dar pasolar halinde dolgu yapıldığında veya çok pasolu köşe kaynaklarında da

yine esas kaideye uyulur şöyle ki elektrod burada da bir evvelki paso sırası ile

parçanın açı ortasında tutulur (Şekil 2.23 ve 2.24).

-Elektrodun, kaynağın ilerleme yönü ile yapacağı açı çoğu zaman 60 ile

70o arasında

(Şekil 2.25) olmakla beraber elektrod tipi ve birleşme şekline göre 45 ile

90oC arasında da değişebilir. Her özel duruma uyacak bir genel kaide vaz

etmek güçtür. Ancak, burada da uyulması gereken esas prensip, yukarıdan

aşağı dik kaynaklar dışında, bu açının, cürufun arkın önüne akmasını

önleyecek şekilde olmasıdır (Şekil 2.26).


Elektrod çok yatık tutulacak olursa ergimiş metal damlaları gereken yere

düşmez ve dikiş intizamsız olur.

2.2.4.3.4 Cürufun temizlenmesi.

İster çok pasolu kaynak, ister ters yönde dikiş, isterse de yarıda kesilmiş bir kaynağın

devamı olsun,'hiçbir zaman cüruf üzerine metal damlatılmayacaktır. Cüruf, sivri

kaynakçı çekici ve tel fırça ile, bunlar yetmiyorsa çekiç ve keski ile, itinalı şekilde

temizlenecektir. Ancak, bundan evvel tamamen katılaşması beklenecektir. Cüruf ne

kadar soğuk olursa o kadar kolay kalkar; evvelce gördüğümüz gibi de

görevlerinden biri dikiş metalinin soğumasını yavaşlatmaktır. Bu itibarla

temizlik eylemine zamanında evvel girişilmemelidir.

2.2.4.3.5 Elektrod hareketleri

Elektrod, dikiş daima, cürufla örtülü kalacak şekilde hareket ettirilecektir.

Kaynak işleminin devamınca bu cüruf hiçbir zaman kaldıramayacaktır.

Sadece krater ve onun biraz gerisi temizlenecektir. Ark yeniden

tutuşturulduğunda cüruf tekrar sıvılaşır ve ergime banyosunu korur. Çok yüksek bir

ilerleme hızı cürufun sonradan temizlenmesini güçleştirir. Dikişler ne kadar düz

veya içbükey, tırtıllar ne kadar düzgün ve iki yan kenarları çukursuz olursa cüruf

o kadar kolay temizlenir. Her pozisyonda uygulama özelliklerine geçmeden önce

genel olarak tatbik edilen elektrod hareketlerini görelim:

2.2.4.3.5.1 Uzunlamasına Çekme, Dar, Tırtıllı paso

Elektrod bir düz hat üzerinde, yanlara sallandırılmadan, dikiş kesintisiz

olacak şekilde seçilmiş bir hız ve akım şiddeti ile çekilir. Elde edilen dikişin

genişliği, yaygınlığına göre, kullanılan elektrodun çekirdek çapı ile onun iki

misli kadardır. Bu yolla en az elektrod boyunun 8/10'u ile iki misli arasında

uzunlukta bir dikiş elde edilir.

-İnce sacların kaynağında, kaynak ağzı içinde kök pasosunda ve bilhassa ağız

aralığı fazla tutulduğunda, kökün iki kenarının iyice ergidiğinden emin olmak

için bir ileri geri hareket, bir yanlara sallanma hareketi ile beraberce tatbik

edilir. İnce örtülü elektrodlarla köşe kaynaklarında da ayni şekilde hareket edilir.

-Bir de elle otomatik adı verilen ve elektrodu parça ile temas ettirerek kalemle

çizgi çizer gibi çekilen bir dikiş vardır ki daha çok, açının bir gayd teşkil

ettiği tek pasolu köşe kaynaklarında ve ancak bazı örtülü elektrodlarla

uygulanabilir.

2.2.4.3.5.2 Geniş, Yanlamasına Sallantılı Paso

Şekil 2.29 bunu açıklıkla izah eder. Dikişin genişliği, çekirdek çapının üç ilâ dört

misli olup bir elektrodla, boyunun üçte biri ile yarısı arasında uzunlukta değişen

dikiş elde edilir. Sallantı hareketi, cürufu itecek şekilde, geriye doğru bükümlü

olacak ve büküm, örtünün kalınlığı, dolayısıyla cürufun yoğunluğu ve neticede

temizlenme güçlüğü oranında fazla olur.

Sallantı hareketinin iki ucunda biraz durulması kaynak ağzı kenarlarının daha

emin şekilde ergimesini sağlar. Bu takdirde daha düz bir tırtıl elde edilir. Aynı

akım şiddetinde geniş paso, dar pasoya nazaran, parçayı daha çok ısıtır ve

dolayısıyla nüfuziyet bir ölçüde daha derin olur.


Dikey düzlemde yatay kaynaklarda buna yakın elektrod hareketi tatbik edilir(Şekil 2.30).

2.2.4.3.5.3 Üçgen veya Kademeli Paso (Şekil 2.31)

Aşağıdan yukarı dik kaynaklarda, orta kalınlıkta ve kalın saclarda uygulanır.

Kaynak ağzı içinde elektrodla ağız çevresi takip edilerek birbiri üstüne

tabakalar teşkil edilir.

Tavan kaynaklarında uygulanan spiral paso da (Şekil 2.33) bu nevidendir.


Şekil 2.32

2.2.4.4 Paso Şeklinin Seçimi

Bu konu, ilerde göreceğimiz şekil değişimleri ve gerilmeler konularına bağlıdır.

Ancak şimdiden aşağıdaki kaideyi tekrarlayalım:

- Uzun kaynaklarda uzunluk yönünde şekil değişmeleri veya

gerilmelerden

korkulduğunda dar pasolar tercih edilecektir.

- Genişlik yönünde şekil değişmelerinin ve gerilmelerin daha önemli olduğu

kısa kaynaklarda (bilhassa çubuk ve yassı profil demirlerinin uç

kaynaklarında) geniş veya kademeli pasolar tercih edilecektir.Ancak burada,

yassı çubuk ve profillerin dik kaynaklarında, bir çelişki göze çarpıyor şöyle

ki bu çubuk ve profillerin geniş paso gerektirmelerine karşılık dik

kaynaklarda, gördüğümüz gibi dar pasolara yer verilecektir.

Şekil 2.34

Çelişkinin üstünden gelmek için şöyle hareket edilir (Şekil 2.34): evvela bir

dar aşağıdan yukarı kök pasosu, sonradan, damlaların tutunmasına mani

olacak mevzii fazla ısınmaları önlemek üzere Şekil 2.34'teki sırada yine

aşağıdan yukarı geniş pasolar çekilir.

2.2.5 Sürtünme Kaynağı

Sürtünme kaynağı uzun yıllardan beri bilinmesine rağmen teknolojisi ve

uygulamaları son zamanlara dayanmaktadır. Sürtünme kaynağı uçak ve uzay

sanayii parçalan, kesme takımları, ziraat makineleri, otomotiv parçaları, petrol

yatağı malzemeleri, çöp bidonları, askeri ekipmanlar, miller, bimetalik malzemeler

ve diğer özel uygulamalarda kullanılmaktadır. Yöntem, farklı ve aynı özellikte- ki

malzemelerin kaynağında tam ergime oluşmadan birleşmeyi sağlayarak bir avantaj

oluşturmaktadır.

Endüstriyel uygulamaları 1950'Ii yıllara kadar giden sürtünme kaynağı ile

ilgili ilk patentler 1900'lere kadar dayanmaktadır, tik olarak Leningrat'ta çeşitli

işletmelerde ve makine bakım ve onarım tesislerinde uygulanmaya başlanmıştır.

İkinci dünya savaşı yıllarında da Almanya ve A.B.D. da plastik malzemelerin

kaynağında kullanılmıştır. Rusya'da konuyla ilgili araştırmalar yürütülmüş,

A.B.D. da ise 1962 yılında sürtünme kaynağı düzenlenerek atalet kaynağı

geliştirilmiştir. Sürtünme kaynağı uygulamalarının büyük bir kısmını dairesel

kesitli miller ve borular oluşturmuştur. Sürtünme kaynağı; elektrik enerjisi veya

diğer kaynaklardan ısı enerjisi uygulanmadan iş parçasının yüzeyleri arasındaki

mekanik dönme hareketinin ısı enerjisine dönüşmesiyle kaynak için gerekli ısının

elde edilerek yapıldığı bir katı hal kaynak tekniğidir. Sürtünme kaynakları,

ara yüzey kaynak sıcaklığına ulaşana kadar sabit bir iş parçasıyla dönen bir iş

parçasının sabit veya belirli olarak artan basınç altında yapılır ve sonunda dönme

durdurularak kaynak tamamlanır. Sürtünme ısısı iş parçasının ara yüzey sıcaklığını

hızla artırarak ergime derecesinin altında bir değere getirir ve plastik sıcaklık

oranında ısınan bölgeye uygulanan basıncın etkisi altında birleştirme meydana gelir.

2.2.5.1 Sürtünme Kaynağı Uygulama Prensipleri

Katı-hal birleştirme tekniklerinden olan sürtünme kaynağında birleştirme ergimeye

bağlı olmadan birleştirilecek parçaların ara yüzeylerinde meydana gelir. Sürtüne

kaynağı üç aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada malzeme ara yüzeyleri düşük

yük altında temas haline getirilir ve deformasyon işlemi sürtünme aşınması ile

yönlendirilir. İkinci aşamada uygulanan yükler yavaşça artırılır, kaynaklanacak

parçaların ara yüzeyleri boyunca önemli ölçüde sürtünme ısısı oluşur ve

gerilme sertleşmesi ve yumuşaması işlemlerinin bir değerine ulaşılır. Üçüncü

aşamada ise sürtünme ısısı üretimi sona erer, kaynaklanacak parçaların ara

yüzeylerinin her iki tarafında ısınan malzemeye uygulanan gerilme yavaşça

artırılır ve çapaklar alınır.

Yöntemin başlangıcından bitimine kadar ara yüzey basınç altındadır. Kaynak

esnasında uygulanan basınç sabit parça, hareketli parça veya dönen her iki parça

tarafında sağlanır.

Sürtünme kaynağı işleminde genelde sıcaklık arttığında kesme ve akma

mukavemetleri düşer. Sürtünme kaynağında yüzey tabakaları kırılıp atıldığında

önemli bir plastik akma olur. Sonuçtaki sıcaklık bölgesel ergimenin başladığı

sıcaklığa ulaşır. Bu olayların hepsi saniyeler içerisinde meydana gelir. Bütün

ergitme kaynakları kalıntı gerilmelerin üretilmesine sebep olmaktadır. Bu

gerilmeler malzemenin ergime sıcaklığından daha düşük sıcaklıklardaki ısıl

çevrimlerden kaynaklanmaktadır.

Şekil 2.35

2.2.5.2 Sürtünme Kaynak Çeşitleri

2.2.5.2.1 Sürekli Tahrikli Sürtünme Kaynağı

Sürekli tahrikli sürtünme kaynağı, direk sürtünme kaynağı olarak da bilinmektedir.

Gerekli olan enerji sürekli bir tahrik grubu tarafında sağlanır. Parçalardan biri

motor ünitesine bağlanır ve sabit bir hızda döner, diğer parça eksenel bir basınçla

temas ettirilir. Yeterli derecede ısı girdisi sağlandığında dönme frenleme etkisi ile

mümkün oldukça kısa sürede durdurulur. Kaynak kuvveti yığma maksadıyla artırılır

ve numune soğumaya bırakılır. Bu yöntem genelde Avrupa'da kullanılmaktadır.

2.2.5.2.2 Volan Tahrikli Sürtünme Kaynağı

Volan tahrikli sürtünme kaynağı, atalet kaynağı olarak da bilinmektedir.

Parçalardan biri volana bağlanır. Volan belirlenen hızda ivmelendirilir. Böylece

dönme enerjisi bu volan üzerinde toplanmış olur ve sürtünme kaynağının kendi

kendine frenlemesiyle parçaya iletilir. Kaynak kuvveti eksenel olarak

uygulandığında dönmesi serbest bırakılan parça diğer parça ile döner ve volan

enerjisi parça ara yüzeyinde sürtünmeye harcanır. Volan hızı azalırken, kaynak

bölgesi ısınır ve ısı yayılır. Volan tamamen durdurulduktan sonra basınç etki

ettirilir. Bu yöntem özellikle A.B.D. de uçak ve uzay sanayiinde kullanılmaktadır.

Tablo 2.5’ de atalet kaynağı kaynak parametreleri görülmektedir.

2.2.5.2.3 Kombine Kaynak Yöntemi

Kombine kaynak yöntemi atalet kaynağıyla direk sürtünme kaynağının ortaklaşa

kullanıldığı bir metoddur. Büyük kapasiteli parçaların birleştirilmesinde kullanılır

Volan sürtünme kaynağında direk sürtünme kaynağına göre avantajları aşağıda

verilmiştir. Bunlar:

• Daha dar bir ITAB oluşur

• Daha seri üretim yapılır

• Daha düşük güç gerekir

• Daha basit ekipman gerekir.


Tablo 2.5 Atalet kaynağında kaynak parametreleri (6,11)

2.2.5.3 Sürtünme Kaynak Makinaları ve Malzeme Temizliği

Sürtünme kaynak makinaları yatay ve düşey olabilen sabit; torna ve matkap gibi

dönen kısımları bulunan temel talaşlı üretim makinalarına benzemektedir.

Makinanın büyüklüğü kullanılan yığma basıncı miktarına göre değişmektedir.

Makina ana gövde, tahrik ünitesi, numune bağlama ünitesi, dönme ve yığma

mekanizması, frenleme sistemi, kontrol ve kumanda elemanlarında oluşmaktadır.

Sürtünme kaynağında diğer kaynak yöntemlerinde olduğu gibi temizlik açısından

özel bir uygulama gerekmez. Genelde alevle kesilmiş yüzeyler, gres, boya ve

diğer bulaşıklar kaynağın yapılmasını engellemez. Yüzeyde bulunan pas ve

kaplama kaynak işleminde problem oluşturmaz. Ancak kalın oksit tabakalardan,

yüzeyde bulunan derin çizik ve deliklerden kaçınılmalıdır. Özellikle oksit

tabakalarının sorun olduğu (Al-Çelik) gibi farklı metallerin kaynağında yüzey

temizliği önemlidir.

2.2.5.4 Kaynak Parametreleri

Bütün kaynak yöntemlerinde olduğu gibi bu kaynak yönteminde de kaynak

parametrelerinin kon- trolünün optimum düzeyde olması kaynağın kalitesini

artıracaktır. Kaynak parametreleri; dönme hızı, sürtünme basıncı, yığma basıncı,

sürtünme süresi, frenleme süresi ve yığma süresidir. Kaynak parametreleri

malzeme cinsine göre değişmektedir. Dönme hızı ITAB 'in genişliğine etki eder.

Çelikler için çevresel hız 1.2-1.8 m/s arasında önerilmektedir. 1.2 m/s'nin

altındaki hızlarda düzensiz bir yığılma olur. Yüksek hızlarda ise kaynak

bölgesi aşırı ısınır ve metalurjik dönüşümler meydana gelebilir. Sürtünme ve

yığma basıncı malzemenin geometrisine ve malzemenin özelliklerine bağlıdır.

Sürtünme basıncı ara yüzeydeki oksit filmlerini elimine edecek, yüzeylerin

atmosfer ile ilişkilerini kesebilecek ve yüzeylerde düzenli bir ısıtmayı

sağlayacak biçimde seçilmelidir. Yığma basıncı malzemelerin akma sınırına

bağlıdır. Yüksek tutulduğunda aşırı sıcak şekillenmeye, düşük tutulduğunda

ise yetersiz kaynaklanmaya neden olur. Farklı malzemelerde yığma basıncı daha

düşük mukavemetli olana göre seçilir. Genelde yumuşak çelikler için sürtünme

basıncı 30-60 MPa yığma basıncı 75-140 MPa yığma basıncı 100-420 MPa

arasında seçilebilir. Sürtünme ve yığma süresi; malzemeye göre değişir. Bu süre

sürtünen yüzeylerdeki kalıntı ve pislikleri uzaklaştırabilecek aynı zamanda kaynak

bölgesini gerekli kaynak sıcaklığına en kısa zamanda ulaşmasını sağlayacak

biçimde ayarlan- malıdır. Zamanın az veya çok olması malzemenin ısınmasını

etkileyeceğinden dolayısıyla kaynağın kalitesini de etkileyecektir.

2.2.5.5 Bağlanma Mekanizması

Bağlanma mekanizması iki aşamada gerçekleşir. Dönme aşaması (sürtünme) ve

yığma ve baskı aşamasıdır. Dönen yüzeyler arasında bir temas sağlandığında farklı

temas noktalarında yapışma meydana gelir. Süreç içerisinde oksit filmleri

kırılır ve çıplak temas yüzeyleri artarak bunlar arasında kuvvetli atomsal

bağlanma oluşur. Sürekli dönme ile gerilmeler oluşur ve moment artar. Sonuçta

karşılıklı yüzeylere metal transferi olur. Ara yüzeyde güçlü bir metal

plastisitesi meydana gelir. Farklı metallerde ise durum biraz daha farklıdır.

Burada malzemelerin fiziksel, mekanik, yüzey enerjisi, kristal yapısı, karşılıklı

çözünebilirlik ve metaller arası bileşik oluşması, bağlanma mekanizmasında

önemli faktörlerdir. Difüzyon ve mekanik karışma sonucu ara yüzeyde bazı

alaşımlar oluşabilir. Kilitlenme bağlanmada etkili olabilmektedir.

2.2.5.6 Kullanma Alanları ve Uygulanan Malzemeler

Sürtünme kaynağı genellikle farklı malzemelerin kaynağında kullanılmaktadır.

Bir çok demir ve demir dışı malzemeler sürtünme kaynağı ile birleştirilebilir.

Ayrıca sürtünme kaynağı farklı termik ve mekanik özelliklere sahip metallerin

kaynağında kullanılabilir ki bu malzemelerin diğer kaynak yön- temleri ile

kaynaklanmaları zordur. Sürtünme kaynağında, dövülebilen ve kuru sürtünme

özellikleri iyi olmayan bütün malzemeler kolaylıkla kaynaklanabilir. Kuru

yağlama sağlayan alaşım elementleri bağlantı bölgesi kaynak sıcaklığına

erişmesini engeller. Demir bazlı malzemeler, düşük karbonlu çelik- ten yüksek

alaşımlı çeliklere kadar kaynaklanabilmektedir. Paslanmaz çelikler, sinterlenmiş

çelikler verilen uygun kaynak parametrelerinde rahatlıkla kaynaklanabilirler. Isıl

işlem görmüş paslanmaz çelikler diğer yüksek alaşımlı çelikler gibi

kaynatılmaları zordur.

Aşağıdaki bazı sınırlamalardan dolayı metal ve alaşımlar bu yöntem ile

kaynaklanamazlar.

• Bütün dökme demirlerdeki serbest grafit sürtünme sıcaklığını azaltır.

• İçerisinde % 0,3'ün üzerinde Pb bulunan bronz ve pirinçlerde sürtünme sıcaklığını

sınırlar.

• %0,3'ün üzerinde S ve Pb bulunan otomat çelikleri sürtünme sıcaklığını sınırlar.

• Yüksek derecede anizotropik malzemeler geçiş bölgesinde kırılganlığa yol açar.

• Yapısında hazır olarak grafit, MnS, serbest Pb gibi zayıflatıcı faz bulunan

malzemeler.

1991 yılında Manufacturing Tech. Inc. tarafından uçak motoru alaşımları ve

parçaları için 200 ton- luk büyük sürtünme makînası tasarlanmıştır. Bunun yanı sıra

uzay endüstrisi için değişik sürtünme kaynak makinalan tasarlanmıştır. Uzay

sanayii kaynakları süper alaşımlar, bimetalikler, paslanmaz çelik- ler ve alüminyum

malzemelerden yapılmıştır. Bu malzemelerin bazılarının alışılmış yöntemler ile kay-

natılmaları zor veya çoğu zaman imkansız olabilmektedir. Ancak sürtünme

kaynağı metodu ile kay- natılmaları mümkün olmaktadır.

A.B.D. de otomotiv endüstrisi sürtünme kaynağı uygulamalarındaki artışta 9O'lı

yıllarda ve endüstri tarihinde önemli rol oynar. Otomotiv sanayiinde sürtünme

kaynak uygulamaları dengeleyici yaylar, motor valfleri, tork konventer kaplan, fren

kalibretörleri, su pompaları, kumanda parçaları, dingiller, eksantrik milleri,

havalandırma akümülatörleri, U- birleştirmeler ve bezeri çalışmaları içerir.

Sürtünme kaynağı makinası üretiminde birincil sebep olarak otomotiv endüstrisi

için hava yastığı parçaları gösterilmektedir. Bu alanda başarılı malzeme

kombinazyonları alüminyum, düşük karbonlu çelik ve paslanmaz çelik

alaşımlarıdır. Sürtünme kaynağı hava yastığı patlayıcılarının üretiminde anahtar

kaynak metodu olmuştur. Kısmi nüfuziyet ve iyi bir ITAB elde edilmiştir.

Sürtünme kaynağı güvenilir ve tekrar edilebilir bir yöntemdir. Ayrıca teknolojisi

ve kullanımında da büyük artış olmak- tadır. Otomotiv endüstrisi ve hava yastığı

üretiminde iyi sonuç veren bir işlemdir. Bu yöntem geleceğin hava yastığı

patlayıcılarında etkin rol oynayacaktır. Tablo 2.6’da malzemelerin ve malzeme

kombinasyonlarının sürtünme kaynağına uygunluğu görülmektedir.

Tablo 2.6 Malzemelerin sürtünme kaynağına uygunluğu

2.2.6 Gaz Tungsten Ark Kaynağı (GTAW) – TIG Kaynağı

Şekil 2.38 Gaz tungsten ark kaynağının prensibi

TIG (Tungsten İnert Gaz) veya WIG (Volfram İnert Gaz) prosesi olarak da

bilinen GTAW prosesi, yukar daki şekilde gösterilmektedir. Metali eritmek için

gereken enerji, bir elektrik ark huzmesi tarafından sağlanmaktadır. Ark, tungsten

veya tungsten alaşım bir elektrot ile iş parçası arasında, asal veya hafif indirgeyici

bir atmosfer altında yanar. Paslanmaz çelikler her zaman DCEN (doğru akım elektrot

negatif) veya DCSP (doğru akım düz kutuplama) modunda kaynaklanırlar. Bu

tarz kutuplamada, elektronlar iş parçasına çarparak nüfuziyetin artmasına sebep

olurlarken, genellikle toryum katkılı tungstenden (% 2 ThO2) yapılan elektrot,

çok az aşınmaya maruz kalmaktadır. Bir dolgu metali kullanılması gerektiğinde, bu

ya çıplak tel çubuk veya otomatik kaynak için makaraya sarılı tel biçimindedir. Ark

bölgesini çevredeki havadan koruyan asal gaz akış , çok kararlı bir arkın

muhafaza edilmesini sağlamaktadır. Koruyucu gazlar, ana malzemenin cinsine bağlı

olarak, genelde argon (Ar), helyum (He) ve hidrojen (H2)

karışımlarından meydana gelmektedir.

Paslanmaz çelikler için kullanıldığında, bu prosesin başlıca avantajlar aşağıdaki

gibi özetlenebilir:

• Dar bir erime bölgesine sebep olan, konsantre bir s kaynağı ;

• Çok kararlı bir ark ve küçük boyutlu durgun bir kaynak banyosu. Sıçrantı yok ve

yardımcı toz (flux) gerekmediğinden oksidasyon kalıntılar da mevcut değil. Bu

sayede son temizlik işlemleri fazlasıyla basit;

• Metalurjik kalite mükemmel, nüfuziyet ve kaynak deseni her pozisyonda hassas

biçimde kontrol edilebilir;

• Hatasız ve gözeneksiz kaynaklar;

• Elektrot aşınması çok az

• Öğrenmesi kolay

Genelde iş parçası kalınlık aralığı , 0.5 mm ila 3.5 / 4.0 mm’dir. [2]

3. ÖSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİKLERİN ÇEŞİTLİ KAYNAK

UYGULAMALARI VE KAYNAK BÖLGESİNDE MEYDANA GELEN

MEKANİK,ISIL VE MİKROYAPISAL DEĞİŞİKLİKLER

Bilindiği üzere AISI304 paslanmaz çelikler,mükemmel bir şekillendirilebilirlik,

korozyon dayanımı ve kaynak kabiliyetine sahip alaşımlar olup endüstride çok

yaygın kullanılan bir malzemedir. AISI304 paslanmaz çeliği endüstrideki kaynak

uygulamalarında genel olarak,özellik ve kimyasal bileşim bakımından kendine daha

yakın olan diğer paslanmaz çelik serileri ya da kendisiyle aynı seri içinde olan diğer

paslanmaz çeliklerle sağlıklı olarak kaynak edilebilmektedirler.Ancak bu

çalışmada,AISI304 paslanmaz çeliğinin sadece kendi serisine ait ya da farklı

serilerdeki diğer paslanmaz çeliklerle kaynağı incelenmemiş,aynı zamanda bir kazan

çeliği olan 17Mn4 (P295GH) çeliği ve AISI1020 karbon çeliği gibi kendisinden daha

farklı kimyasal bileşimlere ve özelliklere sahip çeliklerle kaynağı da

incelenmiştir.Buradaki amaç AISI304’ün kendisinden farklı özelliklerdeki çeliklerle

kaynak edilmesi sonucu nasıl bir mikroyapıya,korozyon dayanımına ve mekanik

özelliğe sahip olacağını görmektir.

Bu çalışmayla ilgili olarak ilk etapta AISI304 paslanmaz çeliği ile AISI1020

çeliği,Gaz Volfram Ark Kaynağı (TIG) kaynak yöntemi ve 3 adet farklı kalitede

kaynak elektrodu (AISI 308L,AISI 309L ve AISI 316L) kullanılarak kaynak

edilmiştir.Daha sonra bu kaynak edilen iki farklı malzemelerin kaynak ara

yüzeylerinin mikroyapıları, kaynaklı bölgenin çekme dayanımıi değerleri ve

korozyon davranışı ile ilgili deneysel veriler elde edilmiştir.

Bir sonraki etapta,benzer bir amaçla AISI304 paslanmaz çeliği bu kez 17Mn4

(P295GH) kazan çeliği ile TIG kaynağıyla kaynak edilmiştir. Bu çalışmada ise

yalnızca ER319L kalite kaynak elektrodu kullanılmıştır. 7Mn4 (P295GH); EN 10028

Kısım 2'ye uygun olarak üretilen karbon-manganez çeliğidir ve çalışma sıcaklığı

yüksek olan buhar kazanları, basınçlı kaplar,boru devreleri, vs. nin yapımında

oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. ER309L, paslanmaz çeliklerle alaşımsız

ve düsük alaşımlı çeliklerin TIG kaynağında kullanılan östenitik paslanmaz çelik

kaynak telidir ve 300˚C'ye kadar isletme sıcaklıklarına maruz kaynaklarda

kullanılabilir.

AISI304 (X5CrNi18-10) östenitik paslanmaz çelik malzemelerin alasımsız veya

düşük alasımlı çeliklerle kaynağı sık karşılaşılan bir durumdur. Kaynaklı birleştirme

işlemi sonrası kaynak bölgesinde farklı akma mukavemetine sahip bölgelerin

bulunması sonucu bir uyumsuzluk ortaya çıkar.Ayrıca ergimis kaynak metalinin

etkisiyle esas metalde ısıtesiri altında kalan bölgeler (ITAB) oluşur. Bu çalışmanın

amacı farklı bölgelerde oluşan uyumsuzlukların kırılma mekaniği açısından

incelenmesidir.

Yukarıda bahsedilen çalışmalardan farklı olarak;kalın sacların kaynak edilmesinde

sıkça kullanılan bir yöntem olan sürtünme kaynağının (FSW) AISI304 paslanmaz

çelik saclara uygulanması sonucu kaynak bölgesinde elde edilen mikroyapılar da

incelenmiştir. Bilindiği üzere, AISI304 östenitik paslanmaz çelikler;ısı değiştirgeci

ve kimyasal reaktör gibi yüksek sıcaklık bileşenlerinin bulunduğu enerji

santrallerinde,yüksek sıcaklıkta mekanik özellikerini kaybetmemeleri ve mükemmel

bir korozyon dayanımına sahip olmaları nedeniyle çok yaygın kullanılırlar. AISI304

östenitik paslanmaz çeliklerin kaynağında bir şekilde, ısı etkili sensitizasyona bağlı

gerilmeli korozyon çatlakları ve kaynak bölgesinde bozulmalar meydana

gelmektedir. Sürtünme kaynağı bize, katılaşmaya ve yeniden kristalleşmeye bağlı

olarak meydana gelen kalıntı gerilmelerin,distorsiyonun,çatlakların ve

makrosegragasyonların minimuma indirildiği bir kaynak imkanı sunmaktadır. Bu

kaynak yöntemi, erime sıcaklıkları nispeten daha düşük olan alüminyum ve

magnezyum alaşımlarında uygulanmış ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Sürtüme

kaynağının,erime sıcaklıkları yüksek olan paslanmaz çelikler ve yumuşak çeliklerde

de uygulanabilirliği son zamanlarda derinlemesine incelenmiş ve bu yöntemi

geliştirmeye yönelik araştırmalar yapılıp raporlar sunulmuştur.Bu çalışma sonucunda

ise sürtünme kaynağı ile birleştirilen AISI304 paslanmaz çeliklerin mikroyapı

karakteristiğini ortaya çıkartılmıştır.

Çalışmada son olarak, çeşitli kalınlıklardaki AIS304 paslanmaz çelik ve düşük

karbonlu çeliklerin,çoklu paso metoduyla kendi aralarında kaynak edilmesi

sonucunda ortaya çıkan kalıntı gerilmeler irdelenmiştir.Bilindiği gibi,kaynaktaki

yoğun ısı kontsantrayonuna bağlı olarak,kaynak eksenine yakın bölgeler siddetli bir

ısıl döngüye maruz kalırlar, bu durum kaynak bölgesinde,homojen olmayan plastik

deformasyonlar ve kalıntı gerilmelerin olumasına neden olur.Endüstride farklı

kalınlıklarda saclar kullanılmaktadır ve bu saclar genel olarak çoklu paso kaynak

metodu ile kaynak edilmektedir. Çoklu paso kaynağı metodu uygulanırken,atılan her

pasoyla birlikte malzeme içinde kalıntı gerilmeler de artmaktadır. Bu deneysel

çalışmada, atılan her pasosuyla birlikte meydana pgelen ısıl döngü ve çapraz kalıntı

gerilmeler ,deneyde kullanılan 6mm,8mm ve 12mm’lik AISI304 paslanmaz ve düşük

karbonlu çelik plakaların kaynak dikişleri için tek tek ölçülmüştür. Kalıntı

gerilmelerin ölçülmesi için X-ray kırınım metodu kullanılmıştır.Kaynak yöntemi

olarak ise Manuel Metal Ark Kaynağı (MMAW) yöntemi kullanılmıştır.Bu

çalışmada, paslanmaz çeliklerin ve karbon çeliklerinin kaynak dikişlerinde çıkılan en

yüksek sıcaklıklar karşılaştırılmıştır.Kaynak dikişlerinin yığılmasıyla birlikte gelişen

kalıntı gerilmeler,değişen maksimum çekme gerilmesi değeri ve kaynak dikişlerinde

çıkılan maksimum sıcaklar ile meydana gelen kalıntı gerilmeler arasındaki ilişkinin

muhakemesi yapılmıştır.

3.1 AISI304 Östenitik Paslanmaz Çeliğin ve 7Mn4 (P295GH) Kazan

Çeliğinin Kaynağındaki Uyumsuzluğun İncelenmesi

Çalışmamızda; 17Mn4 (P295GH) kazan çeliği ve AISI304 paslanmaz çelik,

ER309L ostenitik kaynak elektrodu kullanılarak kaynak edilmiştir. Kaynak

yöntemi olarak TIG kaynak yöntemi seçilmiştir. Kaynaklı levhalardan çıkarılan

numuneler üzerinde sertlik taraması ve çekme deneyi yapılmıştır. Kaynak

bölgesinde kırılma tokluğu davranışını incelemek için tek taraftan çentikli eğme

deney numuneleri ile J-integrali değerleri ASTM E 1737-96 ya göre hesaplanmıştır.

Kaynaklı numune üzerinde değişik bölgelere gerinim ölçer (genlik duygacı)

yapıştırılarak tek eksenli çekme yapılmış ve plastik deformasyonun

başlamasının engellendiği bölgeler saptanmıştır.

3.1.1 Deneysel Çalışma

150 mm x 300 mm ölçülerinde ve 8 mm kalınlığındaki çelik levhalar V kaynak ağzı

açılarak TIG (GTAW) yöntemi ile kaynaklanmıştır (Şekil 1).

Şekil 3.1 Üç Pasoda Gerçekleştirilen Kaynağın Şematik Gösterimi

Kaynak parametreleri olan voltaj, akım ve kaynak hızı her paso için ayrı olarak

Tablo 1'de verilmiştir.

Tablo 3.1 Kaynak Parametreleri

Kaynak bölgesinde karşılaşılan farklı akma mukavemeti değerleri bir uyumsuzluk

yaratır. Uyumsuzluk katsayısı M,

Kaynak .Metali / Esas.Metal

olarak hesaplanabilir. Bu hesaplama sonucu AISI304 için M=1,52, 17Mn4 için

M=1,14 uyumsuzluk değerleri bulunmuştur. AISI304 ile kaynak dolgu metali

arasındaki uyumsuzluk 17Mn4-kaynak metali arasındaki uyumsuzluktan daha

fazladır.

Kaynakla birleştirilmiş levhaların üst ve alt yüzeyleri freze ile düzeltildikten sonra tel

erozyon cihazı ile kesilerek çekme ve J kırılma tokluğu değerlerini tespit etmek için

ASTM E 1737-96 standardına göre deney numuneleri çıkarılmıştır [2]. Çekme

deneyi için kesilen parçalar tornalanarak silindirik çekme deneyi numunesi haline

getirildi (Şekil 3.2).

Çekme deneyleri ve kırılma tokluğu deneyleri SHIMADZU AG50kNG marka

üniversal test cihazı ile gerçekleştirildi. Çekme deneyi sonuçları ile üretici firma

verileri Tablo 3.2’de karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Şekil 3.2’de çekme deneyi

sonucu elde edilen mühendislik gerilme şekil değişimi eğrileri gösterilmiştir.

Kaynakla birleştirilmiş levhaların üst ve alt yüzeyleri freze ile düzeltildikten sonra tel

erozyon cihazı ile kesilerek çekme ve J kırılma tokluğu değerlerini tespit etmek için

ASTM E 1737-96 standardına göre deney numuneleri çıkarılmıştır [2]. Çekme

deneyi için kesilen parçalar tornalanarak silindirik çekme deneyi numunesi haline

getirildi (Şekil 3.1).

Çekme deneyleri ve kırılma tokluğu deneyleri SHIMADZU AG50kNG marka

üniversal test cihazı ile gerçekleştirildi. Çekme deneyi sonuçları ile üretici firma

verileri Tablo 3.1’de karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Şekil 3.2’de çekme deneyi

sonucu elde edilen mühendislik gerilme şekil değişimi eğrileri gösterilmiştir.

Şekil 3.2 Çekme Deneyi Sonuçlarına Göre Mühendislik Gerilim-Şekil Değişim

Eğrileri

Şekil 3.3 Kaynaklı Numune Üzerine Vickers Micro Sertlik Taraması

Şekil 3.4 17Mn4 Kaynak Metali Geçiş Bölgesi Eds Çizgisel Element Analizi

en yüksek sertliğe sahip olduğu görülmüştür. Bu sonuç çekme mukavemeti ile

benzerlik göstermektedir. Isı tesiri altında kalan bölgelerde yani esas metalin kaynak

dolgusuna yakın olan kısımlarında sertlik değerlerinin esas metalin sertlik

değerleriyle aynı olduğu bulunmuştur. ITAB sertliği esas metalden farklı değildir ve

kaynak metaline geçerken sertlik değerleri ani olarak değişmektedir. Demir, krom,

nikel ve mangan elementlerinin elektron mikroskobu altında EDS (Energy

Dispersive X-ray Spectroscopy) metodu ile çizgisel taraması yapılmıştır (Şekil 3.4).

Elektron mikroskobunda görüntü üzerinden enerji dağılımı yöntemi ile kaynak metali

ile esas metal arasında 4 mm genişliğinde bir bölgede element taraması gerçekleş-

tirildi. Geçiş bölgesinde taranan elementlerin ağırlıkça yüzdesi çok ani değiştiği için

difüzyonun çok dar bir bölgeyi kapsadığı, yani difüzyonun çok sınırlı olduğu

görülmektedir. Kaynaklı numunelerin yüzeyleri dağlandıktan sonra elektron

mikroskobunda (SEM) çekilen fotoğrafların esas metalin

Şekil 3.5 17Mn4 Kaynak Metali Geçiş Bölgesi

kaynak metalinden keskin hatlarla ayrıldığını göstermesi bu durumu doğrulamaktadır

(Şekil3.5). Kırılma tokluğu deneyi için seçilen numuneler üzerinde tel erozyon cihazı

kullanılarak V çentikler açıldı. Çentikler değişik numunelerde 5 ayrı bölgede 30˚

açıya sahip 1 mm genişliğinde 2 mm derinliğinde olacak şekilde açılmıştır (Şekil

3.6).

Kırılma tokluğu deneyi öncesinde çentiklerin ucunda üç nokta eğme yüklemeli

yorulma deneyi ile toplam başlangıç çatlak boyu (a0) 4 mm olacak şekilde yorulma

çatlakları oluşturuldu. Kırılma tokluğu deneyi, yükleme-boşaltma metodu ile

yapılmıştır. Komplians metodu olarak da bilinen bu metotta numune üç nokta eğme

deneyindeki gibi yüklenir ve yükleme sırasında çatlak ağzı açılma miktarları

ekstansometre ile ölçülür. Önceden belirlenen aralıklarla yük bir miktar

boşaltılıp tekrar arttırılır. ASTM E 1737-96 standardında tavsiye edildiği şekliyle

Yük çatlak açılma miktarı eğrileri kullanılarak J kırılma tokluğu çatlak ilerlemesi

(Da) eğrileri elde edilmiştir.

Kaynaklı birleştirmelerde mukavemet uyumsuzluğu nedeniyle ITAB civarında

plastik deformasyonun engellenmesini ölçmeye yönelik beş değişik bölgeye

yerleştirilmiş gerinim ölçer ile çekme deneyi yapılmıştır. Nominal gerilmeye bağlı

olarak değişen gerinim ölçerden elde edilen şekil değişimi değerleri grafik olarak

gösterilmiştir (Şekil 3.6). Nominal gerilme; deney yükünün numune kesit alanına

bölünmesiyle bulunan gerilme değeridir. Gerinim ölçer (Strain-gage) çok küçük bir

elektrik direncidir ve yapıştırıldığı noktadaki elastik şekil değişimi miktarını ölçmede

kullanılır. Plastik deformasyonun başlaması ile bu direnç kopar ya da yapıştığı

yerden kurtulur. Plastik deformasyonun başlangıcını belirlemek için beş adet gerinim

ölçer aynı numune üzerine yapıştırılarak çekme deneyi gerçekleştirildi. Tek eksenli

çekme deneyi sırasında gerinim ölçerlerden alınan şekil değişimi değerleri sabit

zaman aralıkları ile çekme cihazı durdurulmadan kaydedilmiştir.

Şekil 3.6 Esas Metal Kaynak Metali ve Geçiş Bçlgeleri Üzerinde Açılan

Çentikler ve Yorukma Çatlağıyla Birlikte Toplam Başlangıç Çatlağının

Gösterimi

Şekil 3.7 Beş Değişik Bölgeye Ait J-İntegrali Kırılma Tokluğu Değerleirnin

Değişimi

Şekil 3.8 Nominal Gerilmeye Bağlı Değişik Bölgelerdeki Şekil Değişimi

3.1.2 Sonuç

Kaynaklı birleştirme sonucu yapılan sertlik taraması, esas metalde ısı tesiri altında

kalan bölgelerde sertlik değişiminin belirgin olmayacak kadar az olduğunu

göstermektedir. Üç değişik biçimdeki metal farklı sertlik değerlerine sahiptir ve

birleşim yerlerinde sertlik değerlerindeki azalma ya da artma çok dar bir alanda

olmaktadır. Seçilen kaynak parametreleri özellikle 17Mn4 tarafında muhtemel

yüksek sertliğe sahip bir bölgenin oluşmasını engellemiştir.

Gerinim ölçerek yapılan çekme deneyi sonuçlarına göre, Şekil 9’da farklı akma

mukavemetlerinin yaratmış olduğu uyumsuzluk etkisiyle plastik deformasyon ilk

önce 17Mn4 ve kaynak metalinde daha sonra bu iki bölge arasındaki ITAB da

başlamaktadır. AISI304 ile kaynak metali arasındaki ısı tesiri altında kalan bölgede

de plastik deformasyonun başlamasının gecikmesi gözlenmektedir. Plastik

deformasyonun engellenmesi malzemenin gevrek davranış göstermesine sebep olur.

Bu sonuç, esas metalle kaynak metali arasında kalan bölgede malzeme içerisinde var

olan veya oluşabilecek bir çatlak malzemenin yüksek yüklerde tehlikeli bir gevrek

hasara uğramasına sebep olacaktır.

J-integrali kırılma tokluğu deneylerine göre çatlak ilerlemesine karşı en düşük

direnci kaynak metali göstermektedir. Kaynak metali - esas metal geçiş bölgeleri ise

kaynak metalinden daha iyi, esas metallerden daha kötü bir çatlak ilerlemesine karşı

direnç göstermektedir. Bu sonuç, kaynak bölgesinde malzeme içerisinde var olan

veya sonradan oluşan bir çatlağın daha düşük yüklerde kolaylıkla ilerleyip

malzemeyi hasara uğratacağını gösterir.

Deneyler sonucunda plastik deformasyonun en çok ısı tesiri altında kalan bölgelerde

engellendiği ve kaynağın tam ortasının kırılma tokluğu açısından en kritik bölge

olduğu görülmüştür. Bu çalışmada seçilen kaynak yöntemi ve parametreleri, özellikle

17Mn4 esas metalinin ısı tesiri altında kalan bölgesinde olası bir martenzit dönüşümü

ve yüksek sertliğe sahip bir ITAB oluşumu meydana getirmemiştir. [3]

3.2 AISI304 Paslanmaz Çeliklerde Sürtünme Kaynağı Esnasında Meydana

Gelen Mikroyapısal Değişiklikler

Östenitik paslanmaz çelikler;ısı değiştirgeci ve kimyasal reaktör gibi yüksek sıcaklık

bileşenlerinin bulunduğu enerji santrallerinde,yüksek sıcaklıkta mekanik özellikerini

kaybetmemeleri ve mükemmel bir korozyon dayanımına sahip olmaları nedeniyle

çok yaygın kullanılırlar. Östenitik paslanmaz çeliklerin kaynağında bir şekilde, ısı

etkili sensitizasyona bağlı gerilmeli korozyon çatlakları ve kaynak bölgesinde

bozulmalar meydana gelmektedir. Sürtünme kaynağı bize, katılaşmaya ve yeniden

Kıristalleşmeye bağlı olarak meydana gelen gerilmelerin,distorsiyonun,çatlakların ve

makrosegragasyonların minimuma indirildiği bir kaynak imkanı sunmaktadır. Bu

kaynak yöntemi, erime sıcaklıkları nispeten daha düşük olan alüminyum ve

magnezyum alaşımlarında uygulanmış ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Sürtüme

kaynağının,erime sıcaklıkları yüksek olan paslanmaz çelikler ve yumuşak çeliklerde

de uygulanabilirliği son zamanlarda derinlemesine incelenmiş ve bu yöntemi

geliştirmeye yönelik araştırmalar yapılıp raporlar sunulmuştur. Araştırmacılar

sürtünme kaynağı ile birleştirilen AISI304 paslanmaz çeliklerin mikroyapı

karakteristiğini ortaya çıkartıp bunları raporlarında belirtmişlerdir.


Bu çalışmada ana malzeme olarak biri 2mm diğeri ise 6mm olan iki adet AISI304

kalite paslanmaz plaka kullanılmaktadir.Bu malzemelerin nominal kimyasal

bileşenleri Tablo 1’de belirtilmiştir.

Tablo 3.2 - 2mm ve 6mm kalınlığındaki AISI304 çeliklerin nominal kimyasal

bileşenleri

Türü KalınlıkKimyasal Analiz Değerler (Wt%)

Cr Ni Si Mn C P SAISI304 2mm 17,93 8,28 0,47 0,78 0,072 0,030 0,005AISI304 6mm 18,10 8,56 0,59 1,08 0,040 0,032 0,003

Sürtünme kaynağı 2mm ve 6mm’lik plakalara ayrı ayrı uygulanmış olup,takım

olarak,yatayla 3.5 derecelik açıya sahip polikristal kübik boron nitrat (PCBN) takım

kullanılmıştır.

Kaynak parametresi olarak takım ilerleme hızı ve dönme devri;

Dönme hızı (rpm) İlerleme Hızı (mm/s)

2mm AISI304 plaka için; 1300 4,5

6mm AISI304 plaka için; 550 1,3

olarak seçilmiştir.

Sürtünme kaynağı sonrası kaynak bölgesinde oluşan mikroyapılar; optik mikroskop

(OM) , transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve oryantasyon görüntüleme

mikroskobu (OIM) ile gözlemlenmiştir.

3.2.2 Sonuç ve Muhakeme

2mm ve 6mm kalınlığa sahip AISI304 plakalar sürtünme kaynağı yöntemiyle kaynak

edilmiştir. Kaynak edilen bölgelerin kesit görüntüsü bize gösteriyor ki; 2mm

kalınlıktaki plakamızda SZ ve TMAZ bölgesinin arasında kalan bölgeyi sınırlayan

çizginin etrafında bazı tünel-tipi kusurlar mevcuttur.Ancak 6mm kalınlığındaki

plakada bu tip bir hata gözükmemektedir.

Şekil 3.9 - 2mm’lik plakanın kaynak kesit görüntüsü

Şekil 3.10 - 6mm’lik plakanın kaynak kesit görüntüsü

Her iki kaynağın da OIM ve TEM mikroskobuyla elde edilen görüntüleri bize

gösteriyorki; SZ ve TMAZ bölgelerinin mikroyapısı,sürtünmeyle ortaya çıkan ısının

eşlik ettiği yoğun bir plastik deformasyon vasıtasıyla ,sırasıyla yeniden

kristalleşmesi ve dönüşüm geçirmesiyle karakteristik yapısını elde etmiştir. Bu

durum sürtünme kaynağıyla birleştirilmiş alüminyum alaşımlarının kaynak

bölgesindeki mikro yapı karakteristisliğiyle büyük benzerlik göstermektedir.

Şekil 3.11 - 6mm’lik plakanın kaynak bölgesindeki BM,SZ ve TMAZ fazlarının

mikroskobik görüntüleri

Her iki sürtünme kaynağında da sertlik,hiç etkilenmemiş bölge olan BM bölgesinden

TMAZ bölgesine doğru artmaktadır. En yüksek sertlik değeri ise TMAZ bölgesinde

ölçülmüştür. SZ bölgesinin sertliği ise TMAZ bölgesine göre biraz düşüktür. SZ

bölgesi BM bölgesine nazaran daha ufak tane boyutuna sahiptir. TMAZ bölgesi ise

SZ bölgesine göre daha iyi bir tane boyutuna sahiptir.

Bu da; dinamik yeniden kristalleşme ve dönüşüm prosesinde oluşan yoğun

dislokasyonlarının ve alt sınırların, SZ ve TMAZ bölgelerinin BM bögesinden daha

yüksek bir sertliğe sahip oluşunun nedenini açıklamaktadir.

3.2.2.1 Sürtünme Kaynağı Esnasında Sigma Fazı Oluşumu

OIM ve TEM mikroskopları gösteriyorki , 2mm’lik AISI304 plakanın östenit

matrisindeki SZ bölgesinin ilerleme tarafında (AS) ,tane sınırları boyunca ve bu

tanelerin üçlü kesişme bölgelerinde yaklaşık 1µm’lik boyutta ferrit fazları

oluşmuştur. Bu ferrit fazlarının sürtünme kaynağı (FSW) esnasında çıkılan yüksek

sıcaklıklardan dolayı oluştuğu düşünülmektedir.

Şekil 3.12 OIM mikroskobu ile elde edilen 2mm’lik plakanın kaynak bölgesi

mikroyapısı (beyaz bölge – ferrit , gri bölge – östenit)

Şekil 3.13 - 2mm 304 plakanın TEM mikroskobuyla elde edilmiş kaynak

bölgesinde oluşan delta-ferrit fazı görüntüleri

6mm’lik AISI304 plakanın mikroyapı karakteristiğini ele alırsak,bu plakada SZ

bölgesinin ilerleme tarafında oluşan ferrit fazı yerine sigma fazı oluştuğu

görülmektedir.Bu durumun haricinde iki plakanın da mikroyapı karakteristiği nitelik

bakımdan birbirleriyle özdeştir.

6mm’lik AISI304 plakada aynı zamanda SZ bölgesinin ilerleme tarafında bantlı

yapıların olduğu gözlemlenmiştir. OIM , TEM görüntüleri ve EDS analizleri

sonucunda ise bu bantlı yapıya sahip bölgelerde ferritin aksine küçük sigma

fazlarının ortaya çıktığı görülmüştür.

Şekil 3.14 6mm’lik plakanın kaynak

bölgesinde oluşan bantlı yapının optik mikroskopta, sigma fazının TEM

mikroskobundaki görünüşü

2mm’lik AISI304 plakada sürtünme esnasında gözlemlenen ferrit oluşumu, 6mm’lik

AISI304 plakada görülen sigma fazının,kaynak esnasında östenit matrisinde oluşan

delta-ferrit fazından ayrışarak ortaya çıkmış olabileceğini doğrular niteliktedir.

Bu iki plakada da kaynak bölgesinin mikroyapısında gözlemlenen ayrı fazların

oluşmasının en büyük nedeni kalınlıkları ve bu kalınlığa bağlı olarak farklılık

gösteren ısı dönüşümleridir. 2mm’lik plaka daha ince olduğundan soğuma hızı daha

yüksektir ve ferrit hızlı soğuma nedeniyle direkt olarak çökelmektedir. Ancak 6mm

kalınlığındaki plaka nispeten daha yavaş soğuma hızına sahip olduğundan östenit

matris içindeki ferrit, kısmi olarak sigma fazına ayrışmaktadır. Bu ortaya çıkan sigma

fazı kaynak bölgesinin korozif özelliklerini kötüleştirir ancak gerilme özelliklerini

çok az etkiler. [4]

3.3 Farklı Dolgu Mazlemeleri Kullanılarak ,Gaz Volfram Ark Kaynağı

Metodu ile Üretilmiş, AISI 304 Paslanmaz ve AISI 1020 Karbon Çelik

Arasındaki Farklı Kaynakların Mikroyapısı, Mekanik Özellikleri ve Korozyon

Davranışı

Bu çalışmada gaz volfram ark kaynağı AISI 304 paslanmaz çeliği ile AISI 1020

karbon çelik plakaları, AISI 308L, AISI 309L ve AISI 316L kaynak telleri

kullanarak birleştirmek için kullanılmıştır.Kullanılan bütün kaynak tellerinde,kaynak

metali ca. 350 HV olmak üzere aynı derecede sertlik sergilemiştir. Bu değer AISI304

paslanmaz çelik ve karbon çelik ana metalininkinden da yüksektir.Bu da kaynak

metalinin oldukça güçlü olduğunu gösterir.Kaynak metallerinin aşınma hareketi bir

potansiyodinamik yöntemle araştırılmıştır.Numuneler labortuvar ortamında

27°C’de doyurulmuş, 3.5 wt% NaCl içeren çözeltide test edilmiştir. AISI 309L

kaynak teliyle üretilmiş kaynak metalin çukurlaşma potansiyeli sırasıyla,AISI 308L

ve AISI 316L kaynak tellerinden üretilmiş kaynak metallerininkinden daha

yüksektir. Aynı zamanda kaynak metallerinin kimyasal bileşenleri ve mikroyapısı

incelenmiştir.Bu çalışmada farklı kaynak telleriyle üretilmiş kaynak metallerinin

çukur aşınma direnci,kaynak metalinin ostenit matrisi içindeki delta Ferrit

içeriğinden ve kimyasal bileşenlerden hesaplanan çukurlaşma direnci eşdeğer

katsayısı açısından ele alınmıştır.

Tayland’da karbon çelik boru;suyu ev ve endüstri kullanımına ulaştırmak için

paslanmaz çelikten yapılmış su tanklarına kaynatılır.Farklı metallerin eklenmesinden

kaynaklanan galvanik aşınma, elektrokimyasal şekilde meydana gelir ve suda mevcut

klorid iyonlar gibi etkin iyonlar tarafından arttırılabilir. Karbon çelik ve paslanmaz

çelik arasındaki benzer olmayan kaynak işlemi, aynı zamanda kömürle ısınan

kazanlarda ve diğer endüstri ekipmanlarında bulunur. Kömürle ısınan kazanlarda

nispeten düşük derecede kullanılan ucuz ferritik parça ve nispeten daha yüksek ısıda

kullanılan östenitik parça genellikle kaynak yapılarak imal edilir. Kaynak,yüksek

dereceli ısıya maruz kaldığında karbon çelik,paslanmaz çeliğin dönüşüm zamanından

önce bozulmaya meyillidir. Bu kaynağın yüksek ısıdan kaynaklanan aşınması,

bozulmanın sebeplerinden biridir.Farklı kaynak işlemi için konvensiyonel kaynak

metodu elle yapılan metal ark kaynağı şeklinde uygulanabilir.

Sürtünme kaynağı ve yayılma bağı gibi eklenen diğer teknikleri kullanma olasılığı

üzerine çalışılmaktadır. Gaz volfram ark kaynağı (GTAW)paslanmaz çelik kaynağı

için, özellikle 1 ila 6 mm civarında kalınlık için ve boru kaynağında sağlam geçiş

olarak, en etkileyici tekniklerden biri olarak görülür. Bu çalışmanın amacı, farklı

metalleri, ostenitik paslanmaz çeliği, düşük karbon çeliği eklemek için GTAW

metodunu kullanmaktır. Kaynak teli seçimi kaynatma özelliklerinin geliştirilmesinde

önemli bir rol oynadığı için, özellikle aşınmada, 3 farklı kaynak teli kullanılır. Farklı

kaynak telleriyle üretilen kaynakların mikroyapısı ve özellikleri arasındaki ilişkisi,

hem mekanik hem de aşınma safhasında, en uygun olanı seçme amacıyla

araştırılmıştır.Yüksek ısı aşınması bu proje için sonraki çalışma olarak

planlandığından, kaynakların su ile meydana gelen aşınma hareketi şuan ki çalışmada

işlenmektedir.

3.3.1 Malzemeler ve Kaynak Prosesi

2 mm kalınlığında AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI 1020 paslanmaz çelik

çalışmada kullanılan ana metallerdir. Kullanılan kaynak telleri paslanmaz çelikler

olan AISI 308L AISI 309L ve AISI 316L’dir. Bunların kimyasal bileşenleri tablo 1’

de gösterilmektedir. AISI 309 L kaynak telinin krom içeriğinin, çalışılan dolgu

malzemeleri içerisinde en yüksek oran 22wt% olduğu not edilmelidir. AISI 308 ve

AISI 316 kaynak tellerinin krom içerikleri 17-21wt% olmak üzere aynıdır. Mo, 2-2.5

wt%içeriğinde AISI 316L kaynak teline alaşımlanmıştır. Ana metaller 150

×100×2mm3 ölçülerinde boyutlandırılmak üzere kesilmiştir. Ek yeri kare çizgi

şeklindedir. Kaynak 55-105 A ve 12+/-2 V kaynak akımıyla gtaw kullanılarak

yapılmıştır.Koruyucu gaz,argon, 9 litre/dk akış hızıyla muhafaza edilmiştir.Kaynak

hızı 65 mm/dk da muhafaza edilmiştir. Kaynak metallerinin kimyasal bileşenleri

emisyon spektroskopisi kullanılarak ölçülmüştür.

Tablo 3.3: Çalışılan ana metaller ve kaynak tellerinin kimyasal bileşenleri

3.3.1.1 Metalografik inceleme

Kaynağın mikroyapısını incelemek için ,0.3-μm Al2O3 tozunu takiben kaynak

örnekleri SiC kağıdıyla parlatılmıştır. 2 %v/v nital, karbon çeliğin mikroyapısını

ortaya çıkarmak için kullanılmıştır. Paslanmaz çeliğin mikroyapısını gözlemlemek

için numuneler 100 ml damıtılmış suyla karıştırılan, 10 gr ogzalik asit içinde 6

voltluk akımda dağlanmıştır.

3.3.1.2 Mekanik deney

2 N ağırlığında vicker sertliği deney aparatı, sertliği ölçmek için kullanılmıştır.

Ölçümler, karbon çelik ana metali, ısıdan etkilenen bölge üzerinde, karbon çelik

tarafında, kaynak metalinde, paslanmaz çelik tarafındaki ısıdan etkilenen bölgede ve

paslanmaz çelik ana metali üzerinde yapılmıştır. Çapraz gerginlik testi için test

edilmiş numunenin,dikey ekseni kaynak dikişine, kaynak metaline, iki taraftan ısıdan

etkilenen bölgeye ve ana metallere hizalanarak kesilmiştir. Numunenin gerginlik

testindeki şematik hali şekil 1 de gösterilmektedir.

3.3.1.3 Potansiyodinamik test

Potansiyodinamik yöntemi kaynak metallerinin aşındırıcı hareketini incelemek için

kullanılmıştır.Kaynak metallerini içeren kaynaklı numuneler, 20 × 30 × 2mm

boyutlarında kesilmiştir. 0.3 μm Al2O3 içeren tozu takiben, SiC kağıdıyla numuneler

potansiyodinamik deney parlatılmıştır,damıtılmış suda durulanıp ultrasonik şekilde

alkolle temizlenmiştir ve havayla kurutulmuştur. Polimerik kaplama, kaynak

metallerinin 20 x 5 mm2 lik alanı hariç, numuneleri kaplamak için

kullanılmıştır.Deneyde bu alan deney çözeltisine maruz bırakılmıştır ve numune

daha sonra işleyen elektrot olarak iş görmüştür.Referans elektrodu Ag/AgCl türünde

olduğundan, platin kablo, karşı elektrot olarak kullanılmıştır. Test çözeltisi 27°C’ de

3.5 wt% NaCl içeren sulu çözeltidir.

Şekil 3.15 Şematik olarak çekme testi numunesi Şekil 3.15 Çekme numunesinin şematik görünümü

3.3.1.4 Sonuçlar ve Muhakeme

Mikroyapı Şekil 2 AISI 1020 karbon çeliğin ve AISI 304 paslanmaz çelik ana

metallerinin mikroyapısını göstermektedir.Karbon çelik ana metalinin mikroyapısı

0.18-wt% değerinde hipotektoid düşük karbon metalinin tipik mikroyapısı olan eş

eksenli ferrit ve perlittir.Ostenit taneleri ikizlerle, paslanmaz çelik ana metalinin tipik

mikroyapısı olarak gözlenmiştir.Bu iki metal kaynatıldıktan sonra, karbon çelik ve

kaynak metali arasındaki yüzeyde,kaynak metalinde, kaynak metalle paslanmaz

çeliğin arasındaki yüzeyde, mikroyapı 3. ve 4. şekillerde gösterilmiştir.Bu şekillerde

bütün kaynak telleriyle üretilmiş karbon çelik ana metali ve kaynak metali arasındaki

sınırlar açıkça görülmektedir.Diğer yandan, mikroyapının içinde paslanmaz çelikle

kaynak metali arasındaki yüzeyde bütün kaynak telleri için bir süreklilik

gözlenmiştir.

AISI 309L kaynak teli tarafından üretilen kaynak metali için ostenit matrisin içinde

delta ferritinin devamlı dendriti gözlemlenmiştir. Delta ferritinin daha az kesintisiz

dentriti, AISI 308L kaynak teliyle üretilmiş kaynak metali içinde bulunmuştur. AISI

316L kaynak teliyle üretilen kaynak metali durumunda, delta ferritinin kırık

dentritleri,ostenit matris içinde dağıtılmıştır. AISI 309 L kaynak teliyle üretilen

kaynak metali içindeki ostenit matris içinde, delta ferritinin kırılmasının, AISI 308L

ve AISI 316L kaynak telleriyle üretilen kaynak metalinden daha fazla olduğu

gözlenmiştir.

(a) (b)

Şekil 3.16 AISI 1020 karbon çeliği(a) ve AISI 304 paslanmaz çelik ana

metalinin(b) mikroyapısı

Şekil 3.17 Karbon çelik(CS) ve kaynak metali(WM) ara yüzeyinde(a), kaynak

metalinde(WM) ,kaynak metali(b) ve paslanmaz çeliğin(SS) ara yüzeyindeki(c),

AISI 308L(sol sütun) ve AISI 309L(sağ sütun) kaynak telleriyle üretilmiş

kaynakların mikroyapısı

Şekil 3.18 Karbon çelik(CS)ve kaynak metali (WM) arasındaki yüzeyde(a) AISI

316 kaynak teliyle üretilmiş kaynağın mikroyapısı,(b)kaynak metal, kaynak

metalle paslanmaz çelik (SS) arasındaki ara yüzey(c)

Tablo 3.4, Emisyon spektroskopisiyle ölçülen farklı kaynak telleriyle üretilmiş

kaynak metallerinin kimyasal bileşenlerini gösterir. Diğer kaynak tellerinden üretilen

kaynak metallerine kıyasla, AISI 309L kaynak teliyle üretilen kaynak metalinin krom

içeriğinin 25.8 wt% olmak üzere en yüksek olduğu görülmüştür. AISI 316 kaynak

teliyle üretilmiş kaynak metalinin krom içeriği 20.5 wt% olup, AISI 308L kaynak

teliyle üretilen metalin krom içeriği olan 18.4 wt% oranından biraz daha yüksektir.

AISI 308L kaynak teliyle üretilmiş kaynak metalinin içinde Mo, çok küçük miktarda

bulunurken, AISI 316L kaynak teliyle üretilmış kaynak metalinde Mo, 0.76 wt%

oranında bulunmuştur.

Tablo 3.3 ile kıyaslanacak olursa, her bir kaynak teliyle üretilen kaynak metalindeki

krom içeriği, bu kaynak teli için tipik krom içeriği aralığındadır.Mo, bu kaynak teli

içinde alaşım elementi olarak görülmemesine rağmen, 0.15-wt% oranında molibden’

in AISI 309L kaynak teliyle üretilmiş kaynak metalinde bulunduğu not edilmelidir.

Tablo 3.4 Farklı kaynak telleriyle oluşan kaynak metallerin kimyasal bileşenleri

3.3.1.4.1 Mekanik Davranış

Şekil 3.19, farklı türlerdeki kaynak tellerinden üretilmiş kaynakların sertlik profilini

göstermektedir.Bu profilde, kaynak,kaynak metali, karbon çelik tarafında ısıdan

etkilenen bölge, paslanmaz çelik tarafında ısıdan etkilenen bölge, karbon çelik ana

metali ve paslanmaz çelik ana metali olmak üzere 5 bölgeye ayrılabilir.Herhangi bir

kaynak teli kullanmanın, profile aynı şeklini verdiği anlaşılmıştır. Bu herhangi bir

bölgedeki kaynak telinden üretilen kaynakların sertliğinin aynı olacağını

göstermektedir. Paslanmaz çelik tarafında ısıdan etkilenmiş bölge bandının genişliği

1 mm iken, karbon çelik tarafında 8 mm’dir. Kaynak metallerİnİn sertliğinin 350 HV

olduğu görülmüştür.Bu değer paslanmaz çelik (200HV) ve karbon çeliği (150HV)

ana metalinin değerinden daha yüksektir.

Şekil 3.19 Kaynak metalinin merkezine göre pozisyon (mm)

Universal çekme testi için üstünde çalışılan bütün numunelerin kırılmaları, Şekil

3.19’de gösterildiği gibi karbon çelik ana metali üzerindedir. Bu çekme testi

sonuçları her çeşitteki kaynak telinden yapılmış kaynak metallerinin oldukça güçlü

olduğunu gösterir. İlginçtir ki, kırılma karbon çelik üzerindeki epey yumuşak kısım

olan ısıdan etkilenen bölge üzerinde gerçekleşmez, bunun yerine karbon çelik ana

metalinin üzerinde gerçekleşmiştir.

Şekil 3.20: Çekme numunesinin kırılması

3.3.1.4.2 Korozyon Davranışı

Farklı kaynak telleriyle yapılmış kaynak metallerinin kutuplaşma kıvrımları Şekil

3.21’de gösterilmektedir. Farklı çeşitteki kaynak tellerinden yapılan kaynak

metallerinin oyulma ve korozyon potansiyelleri Şekil 3.22’de gösterilmektedir. Bu

iki şekilden anlaşılacağı gibi karbon çelik ve paslanmaz çelik arasındaki farklı

kaynak işleminde, paslanmaz çelikten kaynak teli kullanmak, kaynak metalinin

aşınma potansiyelini AISI 304L paslanmaz çelik ana metalininkiyle aynı seviyeye

yükseltmektedir. Potansiyelin bu değeri karbon çelik ana metalinin aşınma

potansiyelinden hayli yüksektir.

AISI 309L kaynak telliyle yapılmış kaynak metalinin ve paslanmaz çelik ana

metalinin korozyona uğrama potansiyelleri aynıdır ve AISI 308L ve AISI 316L

kaynak telleriyle yapılmış kaynak metallerininkinden daha yüksektir. Herhangi bir

kaynak teliyle yapılmış kaynak metalinin oyulma potansiyelinin, AISI 304L

paslanmaz çelik ana metalininkinden daha düşük olduğu anlaşılmıştır.AISI 309 L

kaynak teliyle yapılmış kaynak metalinin oyulma potansiyeli sırasıyla AISI 308L,

AISI 316L kaynak teliyle yapılmış kaynak metalininkinden daha yüksektir.

Şekil 3.21 AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI 1020 karbon çelik ana metalinin

kutuğlaşma kıvrımları (sırasıyla 304B ve 1020B olarak belirtilmiştir.) ve AISI

308L, 309L ve 316L kaynak telleriyle yapılmış kaynak metaller (sırasıyla 308L,

309L and 316L olarak belirtilmiştir.)

Şekil 3.22 AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI 1020 karbon çelik ana metallerinin

(sırasıyla 304B ve1020B olarak.) AISI 308L, 309L 316L kaynak telleriyle

üretilmiş kaynak metallerinin 308L, 309L, 316L çukurlaşma ve aşınma

potansiyelleri

Bir tartışma konusu olarak paslanmaz çelik özellikle Cr ,Mo ve N gibi bazı yararlı

elementlerle alaşımlandığı için çukurlaşma yenimine karşı dirençlidir. Çukurlanma

yenimi direncinin derecesi ve bu elementlerin içeriği arasındaki ilişki aşağıdaki gibi

formule edilir ve çukurlaşma direnci eşdeğer katsayısı olarak bilinir.

Çukurlaşma direnci eşdeğer katsayısı = (wt%Cr) + 3.3 (wt%Mo) + 16 (wt%N).

Tablo 3.4’ten AISI 309L, 316L ve 308L kaynak telleriyle üretilmiş kaynak

metallerinin çukurlaşma direnci eşdeğer sayıları sırasıyla 25.3, 23.0 ve18.6 olarak

hesaplanmıştır.Rapor edilen sonuçlara göre 309L kaynak teliyle yapılmış kaynak

metali , farklı tiplerdeki kaynak telleriyle yapılmış kaynak metalleri arasında en

yüksek çukurlaşma aşınması potansiyelini sergiler.

Bu kaynak metali aynı zamanda en yüksek çukurlaşma direnci eşdeğer katsayısı ve

ostenit matris içindeki en yüksek delta Ferrit içeriğine sahiptir.AISI 308 L ve AISI

316L kaynak telleriyle yapılmış kaynak metallerine gelince, AISI 316 kaynak teliyle

yapılmış kaynak metallerine kıyasla, AISI 308L kaynak teliyle yapılmış kaynak

metalinin çukurlaşma aşınması potansiyelinin daha yüksek olduğu gözlenmiştir.AISI

308L kaynak teliyle üretilmiş çukurlaşma direnci eşdeğer sayısı ,AISI 316L kaynak

teliyle üretilmiş kaynak metallerininkinden daha azdır.Önceki kaynak metalinin delta

ferrit içeriği sonrakinden daha fazladır.Artan çukur aşınma direnci, kaynak

metalindeki delta ferrit içeriğini arttırmasından dolayı önemlidir.Mikroyapı hali

ise;ostenit matris içindeki delta ferrit içeriği arttıkça çukurlaşma aşınması

potansiyelininde arttığı görülmektedir.Ostenit matris içindeki delta ferrit içeriğinin

değişmesine yol açarak, lazer yüzey eritme tekniğiyle eritilip katılaştırılan AISI 304

L paslanmaz çeliğin durumuyla kıyaslandığında, 3.5 wt% NaCl içeren çözeltide

ostenit matris içindeki delta ferritinin artmasıyla,çukurlaşma yenimi potansiyelinin

arttığı gözlemlenemiştir.Ayrica çukurların paslanmaz çelikteki Mns kalıntılarının

ortak bölgelerinde başladığı rapor edilmiştir. Çukurlaşmanın başlamasını azaltmanın

bir yolu MNS bölgelerinin azaltılmasıdır. Delta ferritin içindeki sülfür çözünürlüğü,

ostenit matrisin içindekinden daha fazla olduğu için ostenit matris içindeki delta

ferriti attırılarak Mns kalıntıları azaltılmalıdır ve böylce çukur aşınma direnci

arttırılmalıdır.[5]

3.4 AISI 304 Paslanmaz Çeliği ve Düşük Karbonlu Çelikleri Çoklu-Paso

Kaynağı ile Kaynağında Kaynak Dikişindeki Sıcaklık Dağılımı ve Kalıntı

Gerilmeler

Kaynakla birleştirme yöntemi güvenilir ve verimli bir metal birleştirme yöntemi

olmanın yanında hemen hemen endüstrinin her alanında kullanılmaktadır. Çok çeşitli

metaller kaynak yöntemi kullanılarak birleştirilmektedir. Endüstride kullanılan

birçok yapısal malzemenin arasında; AISI304 paslanmaz çeliği ve düşük karbonlu

çelikler birçok cazip özelliğine bağlı olarak en yaygın kullanım alanına sahip olan

mazlemelerdir.Diğer kaynak prosesleri arasında ise Manuel Metal Ark Kaynağı

(MMAW) prosesi ise üretim,bakım ve tamiri açısından elverişli olup çoğu endüstri

alanında yaygın olarak uygulanmaktadır.

Kaynak esnasındaki ısı yoğunluğuna bağlı olarak kaynak çizgisine yakın bölgeler bir

çok ısıl dönüşümlere maruz kalmaktadır. Bu ısıl dönüşümler,malzemede uniform

olmayan bir ısınmaya ve soğumaya neden olurlar.Bu durum da, kaynak bölgesinde

homojen olmayan bir plastik deformasyon ve kalıntı gerilmelerin oluşmasına yol

açar. Kaynak bölgesinde kalıntı gerilmelerin baş göstermesi kaynaklı ürünün hasara

uğrama ihtimalini arttırmaktadır. Kalıntı gerilmeler genel olarak zarar verici olup,

kaynağın yorulma hasarına uğrama ihtimalini arttırmaktadır.

Endüstride çeşitli kalınlıklara sahip saclar kullanılmaktadır ve nispeten daha kalın

olan saclar çoklu paso kaynağı yöntemiyle kaynak edilmektedir. Bir çoklu paso

kaynağı uygulamasında , malzemenin maruz kaldığı ısıl dönüşümler kaynakta atılan

paso sayısıyla ölçülmektedir. Atılan her paso ile birlikte kalıntı gerilme miktarı da

değişmektedir. Kaynak esnasında, atılan her pasodan sonra birleşme bölgesindeki

kalıntı gerilmelerle beraber termal dönüşümlerin ölçülmesi, kalıntı gerilmelerin atılan

her pasoyla birlikte nasıl değişime uğradığını anlamamız açısından faydalıdır. Bu

durum da kaynak esnasında uygulanacak işlemlerin ve yöntemin optimizasyonunu

mümkün kılmaktadır.

Bu çalışmada, AISI304 paslanmaz çeliğe ve düşük karbonlu çeliğe MMAW kaynağı

uygulanması esnasında atılan pasoyla meydana gelen kalıntı gerilemelerin

incelenmesi açısından 6,8 ve 12mm kalınlıklarında kaynak ağızları kullanılmıştır. Bu

malzemelerin oda sıcaklığındaki karakteristik özellikleri ve buna bağlı değerler tablo

1.2’de verilmiştir. Kaynak yönüne dik olarak etki eden enine kalıntı gerilmeler,atılan

her pasodan sonra,kaynak dikişinin üst ve alt yüzeylerinde X-Ray kırınım methodu

kullanılarak ölçülmüştür. Kaynak işlemi esnasında,atılan her pasodan sonra oluşan

kalıntı gerilmede gözlemlenen değişimi anlamak ve açıklayabilmek amacıyla iki

yüzeye de eşit mesafede olan kaynak dikişinin orta düzlemindeki ısıl dönüşümler

ölçülmüştür. Bu orta düzlemde ölçülen ısıl dönüşümler kaynağın kökündeki ve üst

yüzeyindeki sıcakları ortaya çıkarması açısından dikkate alınabilir.

Yapılan bir çok çalışmada çoklu paso kaynağı sonrasında birleşmede meydana gelen

kalıntı gerilmeler açığa çıkarılmıştır.Ancak MMAW kaynak prosesine dair kalıntı

gerilmelerin deneysel ölçümlerine (kaynak işlemi boyunca atılan her pasodan sonra

yapılan sıcaklık ölçümleriyle birlikte) ait raporlara literatürde pek fazla

rastlanmamaktadır.

Gerçek bir çoklu paso kaynağı uygulamasında,atılan bir pasodan sonra diğer pasoya

geçebilmek için,kaynak edilen plakanın ,bir geçiş sıcaklığı olan 175-200˚C’ye kadar

soğumasına izin verilmektedir.Yapılan bu araştırmada ise kaynak edilecek

plakaların,sonradan atılan pasonun yığılmasından önce,oda sıcaklığına kadar

soğumasına izin verilmiştir. Plakada atılan her pasodan sonra , geçiş sıcklığı

esnasında ölçülmeye elvrerişli olmayan kalıntı gerilmeler oda sıcaklığında

ölçülmüştür. Buna bağlı olarak kalıntı gerilme ölçümleri geçiş sıcaklığındaki

ölçümlere nazaran daha yüksek çıkmıştır.Ancak, oda sıcaklığı ve geçiş sıcaklığı

arasında, malzemenin sahip olduğu kalıntı gerilmelere etki eden Young modülü gibi

özellikerinde gözle görülür bir değişim yaşanmamıştır.

6,8 ve 12mm’lik kaynak altıklarındaki aralıksız kaynak dikişi yığılmasına bağlı

olarak ortaya çıkan sıcaklık dağılımlarına ait deneysel ölçümler henüz yayınlamıştır.

Şimdiki çalışmada ise çoklu paso yöntemiye kaynak edilen 6,8 ve 12mm’lik

plakalara atılan her pasoyla birlikte meydana gelen kalıntı gerilmeler boyunca oluşan

sıcaklık dağılımı incelenerek tartışılmıştır.

3.4.1 X-Işınım Kırınım Yöntemiyle Kalıntı Gerilmelerin Ölçülmesi

X-ışını kırınımı metodu kalıntı gerilimlerin bulunmasında oldukça doğru sonuçlar

veren bir yöntemdir. Kristal yapı içerisinde bulunan atomik düzlemler arasındaki

mesafe, uygulanan gerilimler veya malzeme içerisinde kalan kalıntı gerilimler

sayesinde uzayıp kısalır. Bu mesafenin artması o bölgede oluşan bir çekme gerilimi

ifade ederken mesafenin azalması ise basma gerilimlerin varlığınıgösterir. X-ışını

kırınımı yönteminde malzemeye gönderilen X-ışınları malzeme içerisindeki kristal

düzlemlerden yansır. Bu sırada malzemeye gelen ışınların yönü değiştirilerek en çok

yansımanın oluştuğu açı bulunur. Bulunan açı ve Bragg yasası kullanılarak iki

atomik düzlem arasındaki mesafe hesaplanır. Malzeme içerisinde kalıntı gerilimler

mevcutsa bu mesafe parçanın gerilim olmayan haline göre farklılık gösterir. Bu

farklılık kullanılarak parçanın içerisinde kalan kalıntı gerilimler hesaplanabilir.

Şekil 3.23 X-Işını kırınım yöntemi

Yöntem,mikro ve makro kalıntı gerilmeleri tahribatsız olarak blirleyebilen tek

yöntemdir. Milimetre seviyesinde yüksek uzaysal çzöünürlüğe ve mikron

seviyesinde nüfuziyet çözünürlüğüne sahiptir ve 50 µm derinliğe kadar var olan

kalıntı gerilmeler ölçülebilmektedir.Daha derinlerdeki ölçümler için tabaka kaldırma

işlemine gereksinim duyulur.


Bu deneysel çalışmada 150 x 150mm ebatlarında (6,8 ve 12mm kalınlıklarında) 2

adet plaka aralarında ‘V’ kaynak dikişi uygulanarak 282,5 x 150mm ebatlarında

bitmiş bir plaka elde etmek üzere kullanılmıştır. Bu iki plaka boydan boya

kaynatılmadan önce aralarında 2.5mm uniform bir açıklık bırakılarak uçlarından

puntalanmıştır. Deneylerde kullanılan kaynak altlıklarının boyutsal detayları ve ısıl

dönüşümler ölçmek üzere yerleştirilmiş termokuplların konumların şekil 2’de

verilmiştir. Deney boyunca meydana gelen sıcaklık değişimleri X-Y grafik

kaydediciler ile kaydedilmiştir.

Şekil 3.24 Deneylerde kullanılan plakaların boyutsal detayları

Hem AISI304 paslanmaz çeliğinde hem de düşük karbonlu çeliğin kaynağında, 6,8

ve 12mm’lik kaynak altlıklarına sırasıyla 2,3 ve 4 adet paso atılmıştır. Bu deneysel

çalışmada birbiri ardına atılan kaynak dikişleri Şekil 3.25’te gösterilmiştir. Kaynak

altıklarının arasında bulunan eksene paralel olarak uzanan kaynak dikişleri “boyuna

dikiş” tekniği kullanılarak elde edilmiştir. A noktasında başlayan kaynak pasoları B

noktasında sona ermiştir. Kök paso kaynağı 2.5mm çapında flux örtülü kaynak

eletroduyla ardın gelen diğer paso kaynakları ise 4mm kalınlığında flux örtülü

elektrod kullanılılarak MMAW kaynak yöntemi ile kaynak edilmiştir. Kaynak

esnasındaki voltaj ve akım ise kaynak devresine bağlı bir adet voltmetre ve

ampermetre ile ölçülmüştür. Her kaynak pasosunun atılma süresi kaydedilerek,

kaynak uzunluğu üzerinden kaynak hızı belirlenmiştir.

Şekil 3.25 6,8 ve 12mm’lik plakada sıralanmış kaynak dikişleri

Bu deneysel çalışmada, kaynak altığı ilk önce bir kaynak platformuna puntalanmıştır.

Bu düzenleme ile kaynak altığının en üst yüzeyinin ve en alt yüzenin büyük bir kısmı

çevresel koşulların olumsuz etkisine maruz kalmıştır.Kaynak esnasında meydana

gelen ısıl dönüşümler ayrıca kaydedilmiştir. İlk pasonun yığılmasından sonra, kaynak

altığı oda sıcaklığına kadar soğutulmuştur. Daha sonra altlık, alt ve üst

yüzeylerindeki kalıntı gerilmelerin ölçülmesi amacıyla platformdan alınmış ve daha

sonra tekrar puntalanmıştır. Daha sonra bir sonraki paso uygulanmış ve kaynak

esnasındaki sıcaklık dağılımı kaydedilmiştir. Kaynak pasosu atılması esnasındaki

sıcaklık dağılımının ölçülmesi ve paso atıldıktan sonraki kalıntı gerilmelerin

ölçülmesi ile devam eden prosedür bütün kaynak dikişleri için uygulanmıştır.

AISI304 plakaya ait kaynak parametreleri; kaynak voltajı (V), kaynak akımı (I) ve

kaynak hızı (v)Tablo 2’de gösterilmiştir.Benzer deneysel parametreler ise düşük

karbonlu çelik plaka için Tablo 3’te gösterilmiştir. MMAW prosesindeki ark

verimini (η) tetkik etmek üzere kaynakta her mm’de alınan ısı miktarı; Q= ηVI/v

bağıntısı ile hesaplanmıştır. (Tablo 3.5 ve Tablo3.6)

Tablo 3.5 Kaynak metalinin yığılması esnasında AISI340 paslanmaz çelik plaka için kaynak parametreleri

Tablo 3.6 Kaynak metalinin yığılması esnasında düşük karbonlu çelik plaka için kaynak parametreleri

Aynı deneysel çalışma 6mm kalınlığındaki ikinci bir düşük karbonlu kaynak

altığında da tekrarlanarak , deneysel sonuçların tekrarlanabilirliği saptanmıştır.

3.4.3 Sonuçlar ve Muhakaeme

3.4.3.1 Plakalardaki Isıl Dönüşümler

Bütün kaynak dikişlerinin yığılması (çökelmesi) esnasında her iki plakada da (sağ ve

sol) ısıl döngüler saptanmıştır. İkinci pasonun atılması esnasında,sol tarafta bulunan

12mm’lik AISI304 paslanmaz plakadaki ısıl döngüler Şekil 3.26’te verilmiştir.

Şekil 3.26 12mm AISI304 paslanmaz plakadaki ısı dağılımı

(ikinci paso – sol plaka)

Tablo 3.7’de paslanmaz çelik plakada ve Tablo 3.8’te düşük karbonlu çelik için elde

edilen ısıl döngülerin gerçekleştiği çeşitli pasolarda çıkılan en yüksek sıcaklıklar

verilmiştir. Eğer en yüksek sıcaklık verilerinin deneysel sonuçların belirli bir

noktasından saptanması uygun değilse, biribirine komşu bölgelerden grafik

enterpolasyon yöntemi uygulanarak saptanabilir. Çıkılan maksimum sıcaklık

değişimlerinin mesafeye bağlı olarak düzleştiği noktalarda bu enterpolasyonu

uygulamak mümkündür.

Tablo 3.7 Pasoların atılması esnasında AISI304 paslanmaz çelikte çıkılan maksimum sıcaklıklar

Tablo 3.8 Pasoların atılması esnasında düşük karbonlu çelikte çıkılan maksimum sıcaklıklar

3.4.3.1.1 AISI304 Paslanmaz Çeliğinde ve Düşük Karbonlu Çelikte Çıkılan

Maksimum Sıcaklıklar Arasındaki Farklar

8mm’lik paslanmaz çelik kaynak altılığında, 1,2,3 ve 4 No’lu ölçüm bögelerinde

(Tablo 3.8), 2. pasonun atılması esnasındaki ortalama maksimum sıcaklık sırasıyla

636,463,350 ve 305˚C olarak saptanmıştır. 8mm’lik düşük karbonlu çelikten kaynak

altlığında ise ilgili değerler; 607,466,390 ve 337˚C (Tablo 3.9) ölçülmüştür.Kaynak

eksenine yakın olan 1 No’lu ölçüm noktasında da görüldüğü gibi paslanmaz çelik

kaynak altlığında çıkılan maksimum sıcaklık, düşük karbonlu çelikten daha

yüksektir.( AISI304 çelik 636˚C ve düşük karbonlu çelik 607˚C). Fakat buna

rağmen 2,3 ve 4 No’lu ölçüm noktalarında düşük karbonlu çeliğin maksimum

sıcaklık değerleri AISI304 paslanmaz çeliğine göre edaha yüksek çıkmaktadır.

Bunun sebebi ise düşük karbonlu çeliğin ısıl iletkenliğinin AISI304 paslanmaz

çeliğinkinden yüksek olmasıdır.Düşük karbonlu çeliğin bu özelliğinden dolayı

kaynak bölgesindeki ısı enerjisi hızlı bir şekilde diğer bölgelere dağılarak ilk başta

düşük karbonlu çelikteki maksimum sıcaklığın AISI304 paslanmaz çelikten daha

düşük ölçülmesine neden olmuştur. Bu tipte bir maksimum sıcaklık dağılımı diğer

kaynak altlıklarının kaynak pasolarında görülebilir.

8mm’lik düşük karbonlu çelik kaynak altlığında, 1 No’lu ölçüm noktasında, 1.,2. ve

3. pasoların atılması esnasında ölçülen maksimum sıcaklıklar sırasıyla 542,607 ve

610˚C’dir. Bu üç pasonun atıldığı esnada kaynaktaki ısı girdisi sırasıyla 0.719,1.256

ve 1.581 kJ mm-1 olarak saptanmştır (Tablo 3.6). 8mm’lik AISI304 paslanmaz

çeliğinde ise 1 No’lu ölçüm noktasında , atılan 1.,2. Ve 3. pasolardan sonra ortalama

maksimum sıcaklıklar sırasıyla 543,607 ve 610˚C ölçülmüştür. Buradaki ısı girdisi

değerleri ise sırasıyla 0.690,1.110 ve 1.258kJ mm-1 olarak saptanmıştır (Tablo 3.5).

Bu değerlerden görülüyorki, AISI304 paslanmaz çeliğik kaynak altlığındaki düşük

ısı girdisine rağmen , düşük karbonlu çeliğinkine nisepeten daha yüksek maksimum

sıcaklık değerlerine sahiptir. Bu da AISI304 paslanmaz çeliğinin, düşük karbonlu

çeliğe nazaran daha düşük bir ısıl iletkenliğe sahip olmasından ileri gelmektedir.

3.4.3.2 Plakalardaki Kalıntı Gerilme Dağılımları

Kalıntı gerilme ölçümleri bütün kaynak pasoları atıldıktan sonra uygulanmıştır.

Örneğin Şekil 3.27’de, ikinici paso atıldıktan sonra,6mm kalınlığındaki AISI304

paslanmaz çeliğindeki kalıntı gerilme ölçümleri görülmektir.

Şekil 3.27 6mm AISI304 paslanmaz plakadaki kalıntı gerilmeler

(ikinci paso sonrası)

Burada kaynağın kök kısmındaki ve en üst yüzeyindeki kalıntı gerilme değerleri

gösterilmiştir. AISI304 paslanmaz kaynak altlığın ve düşük karbonlu çelik

paslanmaz kaynak altlığın kök kaynağına ait, kaynak eksenine çeşitli mesafelerde

olan noktalarındaki kalıntı gerilme değerleri ise sırasıyla Tablo 3.9 ve Tablo 3.10’da

verilmiştir.

Tablo 3.9 Atılan çeşitli pasolardan sonra AISI304 paslanmaz çelik plakada ölçülen kalıntı gerilme değerleri

Tablo 3.10 Atılan çeşitli pasolardan sonra düşük karbonlu çelik plakada ölçülen kalıntı gerilme değerleri

3.4.3.2.1 Deneysel Verilerin Tekrarlanabilirliği

Deneysel verilerin tekrarlanabilirliğini tesis etmek ve elde edilen sonuçları

karşılaştırmak amacıyla 2 adet 6mm düşük karbonlu kaynak altlığı üstünde kalıntı

gerilme ölçümleri yapılmıştır.

2 numaralı düşük karbonlu çelik kaynak altlığına ait kaynak parametleri Tablo 3.6’da

verilmiş olup, kaynak pasoları atılması esnasında saptanan maksimum sıcaklıklar ise

Tablo 3.8’de verilmiştir.

Tablo 3.6’dan görüldüğü üzere kaynak dikişlerinin yığılması esnasında 1 ve 2

numaralı 6mm’lik düşük karbonlu çelik kaynak altlığında ölçülen ısı girdisi hemen

hemen aynıdır. Aynı şekilde kaynak pasoların atılma esnasında çıkılan en yüksek

sıcaklık değerleri de benzerdir.

Son paso atıldıktan sonra,1 ve 2 nolu 6mm düşük karbonlu çelik plakadaki kalıntı

gerilme değerleri ise Şekil 3.28’de gösterilmiştir.Buradan da görülmektedirki her iki

plakanın da kalıntı gerilme değerleri birbirleriyle çok yakın bir şekilde eşleşmektedir.

Bu sonuçlarla beraber deneysel sonuçların tekrarlanabildiği kanıtlanmıştır.

Şekil 3.28 Birinci ve ikinci 6mm plakadaki kalıntı gerilmeler (son paso sonrası)

3.4.3.2.2 Maksimum Gerilmenin Paso Sayısıyla Birlikte Değişimi

Şekil 3.26’da bütün AISI304 paslanmaz çelik kaynak altlıklarının kök kısmındaki

kalıntı çekme gerilmeleri büyüklüklerinin atılan her pasoyla birlikte yavaş yavaş

düştüğü görülmektedir. Örneğin 12mm’lik AISI304 paslanmaz plakaya atılan 1.,2.,3.

Ve 4. Pasolar sonrası ölçülen maksimum kalıntı çekme gerilme değerleri sırasıyla;

276,248,221 ve 193 Mpa olarak ölçülmüştür (Değişik kaynak pasoları atıldıktan

sonra 12mm’lik AISI304 paslanmaz çelik kaynak altığının kök tarafında oluşan

kalıntı gerilme dağılımı Şekil 3.29’da gösterilmiştir.). Ayrıca 6mm’lik ve 8mm’lik

düşük karbonlu plakalarında kaynak dikişlerinin yığılması esnasında maksimum

kalıntı çekme gerilmesi değerlerinin kademeli olarak düştüğü gözlemlenmiştir

(Şekil 3.29) . 12mm’lik düşük karbonlu çelik kaynak altlığında ise daha değişik bir

durum gözlemlenmiştir. Burada , atılan ilk paso ve ikinci paso arasında kalıntı çekme

gerilme değerlerinin düştüğü daha sonra atılan 3. pasoda bu değerlerin sabit kaldığı

ve 4. paso da ise yükseldiği görülmüştür.

Şekil 3.29 12mm kalınlığındaki AISI304 paslanmaz çelik plakanın kök

kısmındaki kalıntı gerilmeler. (1.,2.,3. ve 4. pasodan sonra)

Yukarıdaki gözlemlerden şu sonucu çıkarıyoruz ki , genel olarak ,hem AISI304

paslanmaz çelik plakanın hem de düşük karbonlu çelik palakanın kök kısmındaki

kaynaklarında meydana gelen kalıntı çekme gerilmesi, artarak devam eden pasolarla

birlikte azalmaktadır. İlk paso esnasında kaynak dikişi,kaynak altlığının kök

kısmındaki yüzeye yakın olarak uzanmaktadır. Bu duruma bağlı olarak, kaynağın

kök kısmındaki yüzey,üst yüzeyle karşılaştırıldığında kök kısmındaki ısıl döngüler

üst yüzeydekinden daha şiddetli olacaktır. Ardından gelen pasolarla birlikte arttığı

gözlenen sıcaklık, kaynağın üst yüzeyindeki kalıntı gerilmelerin kademe kademe

artmasında ve kalıntı gerilmelerin kaynak altlığında tekrar bir dağılıma uğramasında

başrolü oynamaktadır. Ayrıca ilave pasolarla birlikte gözlenen bu sıcaklık, kaynağın

üst yüzeyinde henüz meydana gelen kalıntıları kısmı olarak tavlamaya uğratacaktır.

Bu sebeplerden dolayı,üst yüzeydeki kalıntı gerilmelerin artmasına karşılık kök

kısmındaki kalıntı gerilmeler kademeli olarak düşer.Bu üst yüzeydeki kalıntı

gerilmelerin artışı,12mm’lik AISI304 paslanmaz çelik kaynak altlığı için Şekil

3.30’da gösterilmiştir.

Şekil 3.30 12mm kalınlığındaki AISI304 paslanmaz çelik plakanın üst

yüzeyindeki kalıntı gerilmeler. (1.,2.,3. ve 4. pasodan sonra)

3.4.3.2.3 Kaynak Edilen Plakalardaki Kalıntı Gerilme Örnekleri

. Atılan ilk pasonun kaynak metalinin yığılmasından sonra 6mm’lik paslanmaz çelik

ve düşük karbonlu plakaların kaynağının kök kısmında meydana gelen kalıntı

gerilmeler karşılaştırılmıştır.Ve bu karşılaştırmadan sonra; kalıntı gerilmelerin

paslanmaz çelik plakada,düşük karbonlu çelik plakaya nazaran daha büyük bir alana

dağıldığı görülmüştür.

Atılan ilk pasodan sonra oluşan kalıntı gerilmelerin,8mm ve 12m’lik paslanmaz

çelikte,düşük karbonlu çelik plakadan daha büyük bir alana dağıldığı Tablo 3.9 ve

Tablo 3.10 ’nun karşılaştırılmasında görülmüştür.

3.2.4.3.1.1 kısmında,kaynak eksenine yakın bölgelerdeki kaynak sıcaklıkların

paslanmaz çelik plakada yüksek olduğu görülmüştü. Buna ek olarak paslanmaz

çeliklerin ısıl genleşme katsayısı düşük karbonlu çeliklere nazaran daha yüksektir.

Bu iki sebepten dolayı AISI304 paslanmaz çelik plakalardaki kalıntı gerilmeler daha

geniş bölgelere yayılmıştır.

Benzer şekilde,6mm’lik ve 12mm’lik paslanmaz çelik ve düşük karbonlu çelik

plakaların kaynağınd, son paso atıldıktan sonra kök kısmın meydana gelen kalıntı

gerilmelerin dağıldığı bölgelerin bir karşılaştırması yapılabilmektir. Son paso

atıldıktan sonra,6mm’lik düşük karbonlu çelik plaka ve 12mm’lik AISI304

paslanmaz çelik plakada meydana gelen kalıntı gerilmelerin dağıldığı bölgelerin

genişliğinin hemen hemen eşit olduğu görülmektedir. Buradan, atılan ilk pasolardan

sonra,düşük karbonlu çelik plakadaki kalıntı gerilmelerin, AISI304 paslanmaz çelikle

kıyaslandığında daha dar bir bölgeye dağıldığı ancak son paso atılana kadar

dağılımın oluştuğu bölgelerin hemen hemen birbirine eşit olduğu gözlemlenmiştir.

Bu durumun muhtemel sebebi olarak da, paslanmaz çelik plaka ile kıyaslandığında,

düşük karbonlu çelik plakadaki ısı girdisinin kaynak esnasında daha fazla olduğu

gösterilmektedir. Ayrıca düşük karbonlu karbonlu çelik plakanın ısıl iletkenliğinin

AISI304 paslanmaz çelik plakadan yüksek olmasına bağlı olarak, kaynak

bölgesindeki ısı enerjisini daha hızlı bir şekilde farklı bölgelere taşıması da bu

durumun başka bir sebebi olarak gösterilebilir.

Şekil 3.31 6mm kalınlığındaki paslanmaz çelik plaka ve düşük karbonlu çelik

plakanın kök kaynaklarındaki kalıntı gerilmeler. (ilk pasodan sonra)

3.4.3.2.4 Plaka Kalınlıklarının Kalıntı Gerilmelere Etkisi

Şekil 3.32’de , 6,8 ve 12mm’lik AISI304 paslanmaz çelik plakalarda kaynak

esnasında saptanmış olan kalıntı gerilme örnekleri ayrı ayrı karşılaştırmıştır. Aynı

şekilde düşük karbonlu çelik için yapılan karşılaştırmalar ise Şekil 3.33’de

verilmiştir.

Şekil 3.32 - 6,8 ve 12mm kalınlığındaki AISI304 paslanmaz çelik plakanın kök

kısmındaki kalıntı gerilmeler (son paso)

Şekil 3.30’da ,maksimum kalıntı çekme gerilmeleri,6mm ve 8mm’lik paslanmaz

plaka için birbirlerine yakın gözükürken,12mm’lik paslanmaz plakada bunlara

nazaran daha düşük olduğu görülmektedir.[6]

Şekil 3.33 - 6,8 ve 12mm kalınlığındaki düşük karbnlu çelik plakanın kök

kısmındaki kalıntı gerilmeler (son paso)

4. KAYNAKÇA

[1] John M. Gerken, Damian Kotecki, (1990), “Stainless Steels

Properties - How to Weld Them - Where to Use Them” , The Lincoln Electric

Company

[2] Pierre-Jean Cunat (2007), “Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı” (Malzemeler ve

Kullanımları Serisi Cilt 3) Bölüm 2 , Euroinox – The European Stainless Steel

Development Association

[3] Bahadır U., Dr Hakan Ç., Prof. Dr. Tevfik A. v.d.,(2005),”İki Farklı Çeliğin

Kaynağındaki Uyumsuzluğun İncelenmesi” , Mühendis ve Makina Cilt:48 Sayı:573

[4] Hiroyuki K., Seung H.C.P., Yutaka S.S. v.d.(2008),”Microstructural Evolution in

304 Austenhitic Stainless Steel during Friction Stir Welding”, Materials Science

Forum Vols. 580-582 pp 9-12

[5] W. Chuaiphan, S. Chandra-ambhorn, B. Sornil v.d.,(2009),” Microstructure,

Mechanical and Corrosion Behaviour of Dissimilar Weldments between AISI 304

Stainless Steels and AISI 1020 Carbon Steels Produced by Gas Tungsten Arc

Welding Using Different Consumables”, Key Engineering Materials Vols. 410-411

pp 533-541

[6] S.Murugan, Sanjai K.R, P.V Kumar v.d.,(2001),”Temperature Distribution and

Residual Stresses due to Multi-pass Welding in Type 304 Stainless Steel and Low

Carbon Steel,

Documents

Östenitik Paslanmaz Çeliklerin Kaynağı ve Kaynak Metalurjisi - İLKER ÖZKAN