ve kimyasal özellikleri ile belirlenebilir (Sato, 2001). Bilindiği gibi, koruyucu gazın birinci işlevi, kaynak banyosunu oluşturmak ve ergimiş metali atmosfer içerisinde bulunan N2, O2 ve H2 gazlarından korumaktır. Gaz aynı zamanda kararlı ve düzgün bir metal transferi temin eder. Aynı zamanda sıçrama oranına
ve nufuziyete de etki eder. Özlü tel kaynağında en yaygın kullanılan gazlar Ar, CO2 ve bunların karışımlarıdır (Gençkan vd., 2010).
Özlü elektrotlar ile kaynakta koruyucu gaz kullanılması halinde asal, aktif veya karışım gazlar kullanılmaktadır (Weman, 2003). Paslanmaz çeliklerin MIG kaynağında genel olarak %1-2 civarında O2 ve CO2 gibi oksitleyici bileşen içeren Ar kullanılır. Argon' a O2 veya CO2' nin katılması arkın dengelenmesini sağlar, bu konuda O2; CO2' ye nazaran 2 ila 3 kat daha etkindir. Saf Ar veya He ile bunların karışımının kullanılması sonucu ortaya kararsız bir ark çıkar, zira elektron emisyonu oksit içeren bölgelerden başlar ve emisyon başlayınca da oksit filmi kırılır. Böylece ark, üzerinde oksit bulunan başka bir bölgeye sıçrar ve bunun sonucunda da arkın gezinmesi olayı ile karşılaşılır. Bu bakımdan koruyucu asal gaza az bir miktar O2 veya CO2 katılması sonucu iş parçasında arkın bulunduğu yere çok yakın yerlerde oksit tabakası oluşur. Buna ek olarak, O2 ve CO2 erimiş metal damlacıklarının yüzey gerilimini düşürür ve bu da sprey ark ile çalışılması halinde arkın dengelemesini gerçekleştirir. Saf Ar hali ile karşılaştırıldığında esas metalin ıslatma özeliği de gelişir. Ergimiş metal (kaynak metali) ile esas metal arasındaki yüzey gerilim açısı önemsiz hale gelir.
Koruyucu asal gaza O2 ve CO2'in katılmasının sınırlaması ise kaynak yüzeyinin oksitlenmiş olması ve kaynak metalinin arktan geçerken oksitlenme sonucu alaşım elementi kaybıdır. Arkın bu oksitleyici karakteri, gaza katılan O2 ve CO2'nin oranı ile ilgilidir. Oksitlenme kaybı bakımından O2, CO2'ye nazaran on kat daha etkindir. CO2'in koruyucu gaz olarak sınırlı kullanımının bir diğer etkisi de dikişin karbon kapmasıdır. Koruyucu gaz içindeki oksitleyici bileşenlerin oranının artması Mn, Cr ve Si kayıplarının da artmasına neden olur. Oksidasyon kayıpları koruyucu gazdaki O2 miktarı %30'un altında olduğu hallerde Mn ve Cr için %0,3; Si ve Nb için de %0,1 kadardır. Araştırmalar sonucunda, oksidasyon kayıplarının, De Long'a göre hesaplanan (Creş = %Cr + %Mo + %1,5 x Si + 0,5 x %Nb) krom eşdeğerini 0,3 veya 0,5 birim azalttığı görülmüştür. Bu bakımdan esas metal ile kaynak metalinin uyumunu sağlayabilmek için kaynak telinin, oksitlenme kayıplarını karşılayacak bileşimde olması gerekmektedir.
65
Koruyucu gazda CO2'in bulunması, kaynak metalinin karbon kapmasına neden olduğu gibi oksitlenmesine de neden olabilir. Kaynak metalinin bileşimi Fe-C-O sisteminin dengesine bağlıdır. Sonuçta, karbon miktarı O2’nin aktivitesi, ark gerilimi ve metal damlacığının kaynak banyosuna geçerken taşıdığı ısı tarafından etkilenmektedir. Örneğin, telin karbon içeriği %0,023 ve Ar+%2,5CO2' den oluşan karışım koruyucu gaz halinde karbon kapma miktarı %0,018 olmaktadır ki; bu da kaynak metalindeki toplam karbonun %0,41 olmasına yani, çok düşük karbon sınırını aşmasına neden olmaktadır. Bir çok az karbonlu kaynak metali (karbon miktarı %0,03'den az) gözönüne alındığında koruyucu gazda CO2 bulunmamalıdır. Diğer bir deyimle, bu tür karışım gazlar ancak, çok az karbonlu kaynak teli ve kaynak metalinin karbon içeriğinde %0,05' den küçük olmasının kabul edildiği hallerde kullanılmalıdır. Karbon kapmanın diğer bir tehlikesi de karbonun kuvvetli ostenit dengeleyici olmasından ötürü kaynak metalindeki ferrit içeriğinin azalmasına neden olmasıdır. Bu da, kaynak metalinin sıcak çatlamaya olan direncini azaltır (Kaluç ve Tülbentçi 1998).
4.3.1. Karbondioksit
Geleneksel olarak CO2 gazı ucuz olması nedeni ile kullanılır. Ancak kötü pozisyon kabiliyetleri, oksidasyon ve sıçrama kayıpları nedeni ile kullanımı sınırlı kalmıştır. Diğer yandan argon tek başına; ark stabilitesi ve kaynak metal transferi açısından çeliklerin kaynağı için uygun değildir. Bu yüzden kaynak dikiş karakteristikleri, metal transfer formu ve ark stabilitesi için koruyucu gaz olarak CO2 ve O2 koruyucu gazları ile birlikte tercih edilir. Kaynak esnasında, koruyucu gaz ile kaynak banyosu, argon içerisine eklenen CO2 ve O2 etkileşime girer ve oksidasyona neden olmaktadır. Bu reaksiyonun sonucunda kaynak içerisindeki bazı alaşım elementlerinin kaybedilmesine ve kaynak dikişi içerisinde inklüzyonların oluşmasına neden olur. Genel olarak, inklüzyonların oluşumu kaynak metali için zararlıdır (Mukhopadhyay ve Pal, 2006).
Karbondioksit, argon ve helyum gibi soy olmayan, renksiz, kokusuz, özgül ağırlığı 1,977 kg/m3 ve havadan yaklaşık 1,5 kez daha ağır olan bir gazdır.
Karbonun yanması sonucu ortaya çıkan karbondioksit, endüstriyel çapta, yanıcı gazların, akaryakıt ve kokun yanma ürünü olarak, kireç taşının kalsinasyonu, amonyak üretimi ve alkolün fermantasyonunda da yan ürün olarak ve bazı yörelerdeki kuyulardan da doğrudan elde edilir (Tülbentçi, 1998).
Genel olarak kaynak uygulamalarında CO2 basınçlı tüplerden çekilerek kullanılır; karbondioksit tüpleri 15 °C de yaklaşık 65 atmosferde doldurulur, bu koşullarda tüpün içindeki gaz sıvı haldedir. Karbondioksit kaynak isletmelerine genellikle tüp içinde getirilir; tüp içindeki karbondioksitin büyük bir bölümü sıvı halindedir ve sıvının üst kısmında (tüpün 1/3) ise, buharlaşmış karbondioksit gaz fazında bulunur. Kaynak sırasında tüketime bağlı olarak tüpten gaz çekildikçe, gaz fazın basıncı düşer ve gazın basıncı düştükçe de sıvı buharlaşarak basıncı normale döndürür. Sıvı haldeki karbondioksitin buharlaşması sırasında, buharlaşma ısısına gerek vardır, bu enerji tüp tarafından atmosferden çekilerek sağlanır. Bu bakımdan standart bir tüpten bir anda çok fazla miktarda gaz çekme olanağı yoktur; zira buharlaşma ısısının çekilmesi sonucu sıcaklık düşer ve sıvı karbondioksit zerrecikleri karbondioksit karına dönüşür, çıkış borusunu ve basınç düşürme tertibatını tıkar. Bu bakımdan bir tüpten sürekli olarak 12 lt/dak 'dan daha büyük debilerde gaz çekilmemesi gereklidir, sürekli olmamak koşulu ile bu değer 17 lt/dak 'ya kadar çıkabilir. Bu debiden daha fazla gazın gerekli olduğu hallerde, birden fazla tüpün bir manifold ile bağlanarak kullanılması gereklidir. Soğuk ortamlarda yapılan çalışmalarda ise karbondioksit karı zerreciklerin çıkış ağzını tıkamaması için, buraya elektrikli bir ısıtıcı takılması şiddetle önerilir.
Birçok aktif gazın kaynakta koruyucu gaz olarak kullanılmaya uygun olmamalarına karsın, karbondioksit sunduğu çok sayıda üstünlük dolayısı ile az alaşımlı ve yalın karbonlu çeliklerin gazaltı kaynağında yeni olanakların ortaya çıkmasına neden olmuş, çok geniş çapta bir uygulama alanı bulmuştur.
Karbondioksitin çeliklerin kaynağında sunduğu üstünlükler derin nüfuziyet, daha yüksek kaynak hızları ve düşük kaynak maliyeti olarak sıralanabilir. Karbondioksit ile düşük akım şiddetleri ve ark gerilimlerinde kısa ark ile, yüksek
67
akım değerlerinde ise uzun ark ve damlasal metal geçişi ile kaynak yapmak olanağı bulunmaktadır (Tülbentçi, 1998; Kaluç, 2004). Şekil 4.8’de CO2 koruyucu gaz ile ark atmosferinde oluşan reaksiyonlar şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 4.8. CO2 atmosferinde oluşan reaksiyonlar (Gültekin, 1991; Tülbentçi, 1998)
Karbondioksit, argon gibi monoatomik ve soy bir gaz olmadığından, arkın yüksek sıcaklığında karbonmonoksit ve oksijene ayrışır. Ark sütunu içinde iyonize olan gazlar kaynak banyosuna doğru gelir ve bir miktarı tekrar karbondioksit haline geçer. Dolayısı ile ayrışma sırasında almış olduğu ısıyı tekrar verir ve bu da dikişte nüfuziyetin artmasına neden olur. Serbest kalan oksijenin bir kısmı da kaynak banyosundaki elementlerle özellikle demirle birleşir; banyo içindeki demiroksit, mangan ve silisyum tarafından redüklenir. Kaynak banyosundaki bu mangan ve silisyum kaybı kaynak telinin bileşimi tarafından karşılanır. (Tülbentçi, 1998; Kaluç, 2004).
Özlü teller kullanılması halinde ise, daha yüksek oranda CO2 içeren gazlar kullanılmasına karşın oluşan curuf, dikişin karbon kapmasına engel olur (Kaluç ve Tülbentçi, 1998).
4.3.2. Argon-Karbondioksit
Karbondioksit, argon koruyucu gaz karışımına ark stabilitesini arttırmak, penetrasyonu arttırmak, kaynak banyosunun akışkanlığını yükseltmek maksadıyla eklenir. Argon içeren gaz karışımları gerek koruyucu gaz gerekse de kök gazı olarak düşük iyonizasyon potansiyeline sahip olmaları nedeniyle en uygun özellikleri göstermektedirler. Özellikle karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler ve sınırlı miktarda paslanmaz çelikler için kullanılır. Argona karbondioksit eklenmesi, oksijen eklenmesiyle aynı etkileri verir. Fakat karbondioksit miktarı arttırıldığında oluşacak penetrasyon şeklinde bir artış olacaktır. Sprey transferi için en yaygın karışımlar Argon içine % 5, 8, 10 veya % 13 ile 18 karbondioksit eklenmesiyle elde edilir. Karbondioksit oranının artmasıyla çok akışkan olan kaynak banyosu, yüksek kaynak hızlarına izin verir. Yüksek oranlarda karbondioksit içeren karışımlar (genellikle argon içinde % 20- 25 karbondioksit bulunur) kısa devre transferinde kullanılır (Türkkan, 2008; Kahraman, 2002).
Karbondioksit yüksek ısıl iletkenliği (içindeki elemanların disosasyon ve rekombinasyonundan dolayı) sayesinde ana malzemeye argonun taşıdığı ısı miktarından daha fazlasını transfer eder. CO2 argonun sağladığı penatrasyona göre geniş bir penetrasyon alanı sağlar ancak ana malzemede distorsiyon ve süreksizlikler oluşma olasılığını arttırır (Türkkan, 2008; Kahraman, 2002).
BÖLÜM 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
5.1. Giriş
Bu çalışma kapsamında birleştirilmek amacı ile, gemi inşa endüstrisinde geniş kullanım alanı bulan ostenitik ve dubleks paslanmaz çelik ve mikro alaşımlı çelik kullanılmıştır. Deneylerde kullanılan çelikler ve standartları Tablo 5.1’de verilmiştir.
Tablo 5.1. Birleştirme işleminde kullanılacak malzemeler ve standartları
Standartlar Ostenitik Paslanmaz Çelik
Dubleks Paslanmaz
Çelik Mikro Alaşımlı Çelik
UNS Standardı S316203 S32205 --- EN Standardı 1.4404 1.4462 --- ASTM Standardı 316 L 2205 AH36
Bu bölümde, deneylerde kullanılan malzemeler hakkında bilgi verilerek, birleştirme işleminin seçiminde uygulanan parametreler, ana malzemelerin ve ilave metalin kimyasal bileşimleri ve standartları verilmiştir. Birleştirme işlemi farklı koruyucu gaz atmosferlerinde özlü kaynak telleri kullanılmış olup, birleştirilen malzemelerin mekanik özellikleri tayin edilmiş ve mikroyapı karakterizasyonu yapılmıştır.
Küt alın kaynak dizaynında birleştirilen kaynaklı bağlantılar, bazı özelikleri incelenmesi açısından, detaylarıyla incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Kaynaklı bağlantılardan çıkarılan 500’ün üzerinde numune mekanik özeliklerin araştırılması için çekme, charpy çentik darbe deneyi, metalografik inceleme, sertlik ölçümleri, kimyasal karekterizasyon, ferrit miktarı ölçümlerine tabi tutulmuştur. Bu bölüm içerisinde yapılan bu testlerin ne şekilde yapıldığı açıklanacaktır.