1
KOCAELĐ ÜNĐVERSĐTESĐ * FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN IF 7114 VE
DP600 ÇELĐK SACLARIN DĐRENÇ NOKTA KAYNAĞI
(RSW) VE SÜRTÜNME KARIŞTIRMA NOKTA
KAYNAĞI(FSSW) YÖNTEMLERĐ ĐLE BĐRLEŞTĐRĐLMESĐ
YÜKSEK LĐSANS
Makina Müh. M. Halil COŞKUN
Anabilim Dalı: Makina Mühendisliği
Danışman: Prof. Dr. Erdinç KALUÇ
i ÖNSÖZ ve TEŞEKKÜR
Otomotiv Endüstrisinde kullanılan Basınç Kaynak Yöntemleri adlı güncel bir çalışmayı öneren, çalışmalarım sırasında sürekli olarak beni destekleyerek yönlendiren ve deneysel çalışmalarım ve incelenmesi esnasında yardımlarını esirgemeyen hocam Sayın Prof. Dr. Erdinç KALUÇ’ a ve bu çalışmalara başlamamda ilk olarak yüreklendiren ve desteğini hiç bir zaman esirgemeyen Sayın Yüksek Mühendis Yüzbaşı Dr. Alpay YILMAZ’ a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Deney çalışmalarımda ve numunelerin hazırlanmasında yardımlarını esirgemeyen Sayın Makine Mühendisi Barbaros KAHRAMAN’ a, Sayın Yüksek Metalürji Mühendisi Özgür ÇINAR’ a, teknisyenler Sayın Sabih ÇUHADAR’a, Sayın Muzaffer ÖLMEZ’ e, Sayın Rıfat ERDEM’ e, Sayın Birol BABA’ ya, Sayın Đsmet YILMAZ’ a, Sayın Mustafa ÜZÜMCÜ’ ye, Sayın Necdet ÖVER’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Mekanik deneylerin yapılmasında laboratuarlarının tüm olanaklarını kullanmamı sağlayan Hyundai Assan Otomotiv San. ve Tic. A.Ş. Araştırma ve Geliştirme Bölümü yöneticisi Sayın Murat DÜNDAR’ a,teknisyenler Sayın Hüsnü ÖZTÜRK’ e teşekkürlerimi sunarım. Bizden önce yapmış olduğu yüksek lisans tezi ve tezinden çıkan yayınlarını kullanmamız için yardım eden ve tez sırasında bizleri fikirleriyle destekleyen Ar. Gör. Dr. Emel TABAN’a da ayrıca teşekkür ederim.
Tezimin gerçekleştirilmesi sırasında her türlü desteğini esirgemeyen değerli eşim Esra COŞKUN’ a, annem Hatice COŞKUN’ a ve babam Nevzat COŞKUN’ a teşekkürlerimi sunarım.
ii ĐÇĐNDEKĐLER ÖNSÖZ…….. ... i ĐÇĐNDEKĐLER ... ii ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ ... iv TABLOLAR DĐZĐNĐ ... vii ÖZET...………..viii ĐNGĐLĐZCE ÖZET ... ix BÖLÜM 1. GĐRĐŞ ... 1
BÖLÜM 2. OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN ÇELĐKLER ... 6
2.1. Giriş ... 6
2.2. Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Çelikler ... 6
2.3. IF Çelikleri (Interstital- Free) ... 7
2.4. Çift Fazlı Yüksek Mukavemetli Çelikler ... 8
BÖLÜM 2. OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN ÇELĐKLERE UYGULANAN DĐRENÇ NOKTA KAYNAĞI (RSW) VE SÜRTÜNME KARIŞTIRMA NOKTA KAYNAĞI (FSSW) YÖNTEMLERĐNĐN UYGULANMASI ... 11
3.1. Genel ... 11
3.2. Çeliklerin Elektrik Direnç Nokta Kaynağı ... 12
3.2.1. Kaynak noktasının oluşumu ... 15
3.2.2.Elektrik direnç kaynağında kaynak çevrimi ... 16
3.2.3. Elektrik direnç kaynağına etki eden faktörler ... 17
3.2.3.1. Elektrotlar ... 18
3.2.3.2. Kaynak akımının ve süresinin etkisi ... 20
3.2.3.3. Elektrot basma kuvvetinin etkisi ... 23
3.2.3.4. Sac yüzey düzgünlüğünün etkisi ... 24
3.2.3.5. Malzeme bileşenlerinin etkisi ... 24
3.3. Otomobil Saclarının RSW Yöntemi ile Birleştirilmesi Üzerine Yapılmış Çalışmalar ... 24
3.4. Çeliklerin Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) ... 26
3.4.1. Yöntemin tanıtımı ... 26
3.4.2. Yöntemin Kontrolü ve Yöntem Değişkenleri ... 29
3.4.3. Yöntemin Uygulama Alanları ... 31
3.5. Yöntemin Uygulanması ... 33
3.5.1. Kaynak Parametreleri ... 33
3.5.1.1. Takım Malzemesi ... 33
3.5.1.2. Takım Geometrisi ... 34
3.5.1.3. Takım Devri ve Kaynak Hızı ... 35
3.6. Yeniden Doldurmalı FSSW Yöntemi ... 35
3.10. Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı Makineleri ... 37
3.11. Yöntemin Uygulandığı Malzemeler ... 39 3.12. Otomobil Saclarının FSSW Yöntemi ile Birleştirilmesi Üzerine Yapılmış
iii
Çalışmalar ... 40
BÖLÜM 4. ÇALIŞMALARIN AMACI VE PLANLANMASI ... 43
BÖLÜM 5. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ... 45
5.1. Genel ... 45
5.2. Deney Malzemesi ... 45
5.3. Deney Parçalarının Boyutları ... 46
5.4. Kaynak Öncesi Yapılan Đşlemler ... 47
5.5. Kaynak Đşlemlerinin Yapılışı ... 47
5.5.1. Elektrik Direnç Kaynak Yönteminin Uygulanması ... 47
5.5.1.1. Elektrik Direnç Kaynak Yönteminde Kullanılan Elektrot ... 49
5.5.1.2. Elektrik Direnç Kaynak Yönteminde Kullanılan Kaynak Parametreleri ... 50
5.5.2. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yönteminin Uygulanması ... 50
5.5.3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yönteminde Kullanılan Takım ... 56
5.5.4. Sürtünme Karıştırma Kaynağı Yönteminde Kullanılan Kaynak Parametreleri ... 57
5.6. Deney Numunelerinin Hazırlanma Esasları ... 58
5.7. Deneylerin Yapılışı ... 59
5.7.1.Çekme Deneyleri ... 59
5.7.2. Metalografik Đnceleme Deneyleri ... 60
BÖLÜM 6. DENEY SONUÇLARI VE ĐRDELENMESĐ ... 61
6.1. Metalografik Đnceleme Sonuçları ... 62
6.2. Çekme Deneyi Sonuçları ... 63
6.3. Deney Sonuçlarının Đrdelenmesi ... 66
6.3.1. Çekme Deneyi Sonuçlarının Đrdelenmesi ... 66
6.3.2. Metalografik Đnceleme Sonuçlarının Đrdelenmesi ... 69
6.3.3. Vickers Sertlik Taraması Sonuçlarının Đrdelenmesi ... 71
6.3.4. Mikroyapı Đnceleme Sonuçlarının Đrdelenmesi ... 72
SONUÇLAR ve ÖNERĐLER ... 75
KAYNAKLAR ... 77
iv ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ
Şekil 1.1: Bir otomobil imalatı esnasında elektrik direnç nokta kaynağının
robotlarla (RSW) uygulanması ... 2
Şekil 1.2: Japon otomobil kurulusu tarafından FSSW yöntemi ile kaynak edilerek üretilmiş alüminyum motor kaputu ve arka kapılar ... 4
Şekil 2.1: Mekanik özelliklerinin artışına göre çeliğin gelişimi ... 7
Şekil 2.2: Otomobillerde kullanılan IF 7111 ve IF 7114 kalite çelik sac gövde parçalarından örnek ... 8
Şekil 2.3: Otomobili oluşturan çeliklerin kullanım yerleri ve çeşitleri ... 10
Şekil 3.1: Elektrik direnç nokta kaynağının şematik gösterimi ... 13
Şekil 3.2: Elektrik direnç nokta kaynağının temel prensibi ve kesit görüntüsü ... 14
Şekil 3.3: Değişik çene şekillerine sahip elektrik direnç nokta kaynağı makineleri .. 15
Şekil 3.4: Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak noktasının oluşumu ... 16
Şekil 3.5: RSW kaynağında kaynak çevrimi diyagramı ... 16
Şekil 3.6: Elektrik direnç nokta kaynağının endüstriyel uygulamalarına örnek ... 17
Şekil 3.7: RSW uygulaması için kullanılan sabit pedallı bir kaynak makinası ... 17
Şekil 3.8: Elektrik direnç nokta kaynağında kullanılan elektrotun katı modeli ve kesit görüntüsü ... 18
Şekil 3.9: Çeşitli geometrilerde bakır elektrotlar ... 19
Şekil 3.10: Endüstride kullanılan çeşitli RSW elektrotları ... 20
Şekil 3.11: Nokta kaynağında akım ve kaynak süresine bağlı olarak kaynak edilebilirlik diyagramı... 21
Şekil 3.12: Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak sürelerinin etkisi ... 22
Şekil 3.13: Elektrik direnç nokta kaynağında elektrot basma kuvvetinin etkisi ... 23
Şekil 3.14: DP600 çeliğine ERW uygulanması sonucu oluşturulan birleşmenin kesit görüntüsü ... 25
Şekil 3.15: Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) prensibi... 28
Şekil 3.16:Japon otomobil üreticisi kuruluş tarafından geliştirilen FSSW yönteminin spor model bir otomobilin gövde panellerinin ve arka kapılarının sürtünen elemanla nokta kaynağında kullanımı ... 29
Şekil 3.17: FSSW yönteminde kullanılan çevrim diyagramı ... 30
Şekil 3.18: FSSW yönteminde kullanılan çevrim diyagramı ... 31
Şekil 3.19:FSSW yönteminin endüstriyel bir uygulaması ... 33
Şekil 3.20: FSSW uygulamalarında kullanılan takımlardan örnekler ... 34
Şekil 3.21: PCBN takıma bir örnek ... 35
Şekil 3.22: Yeniden doldurmalı FSSW yönteminin aşamaları ... 36
Şekil 3.23: RFSSW yöntemi ile oluşturulan nokta bağlantısı ... 37
Şekil 3.24: Bir Amerikan kurulusunca geliştirilen C- çerçeveli robotik FSSW makinesi ... 38
Şekil 3.25:Solda bir Amerikan kurulusunca geliştirilen tezgah üstü kaynak işlemleri yapabilen robotik FSSW makinesi, sağda tezgah FSSW uygulaması esnasında ... 38
v
Şekil 3.26: Japonya’da geliştirilerek patenti alınan robotik
FSSW makinesi... 39 Şekil 3.27: DP780 çeliğine FSSW yönteminin uygulanmasıyla oluşan kesit
görüntüsü ... 41 Şekil 3.28: DP600 çeliğine FSSW uygulanması sonucu oluşan görüntüsü ... 41 Şekil 3.29: DP600 çeliğine FSSW uygulanmasıyla oluşan kesit görüntüsü ... 42 Şekil 5.1: Birbiri üzerine bindirilerek kaynak edilmiş ve çekme testi için
hazırlanmış test numunesi ... 46 Şekil 5.2: Malzemelerin kaynak işlemi öncesinde yağ ve kirden arındırılması ve mirlon kullanılarak oksit tabakasının temizlenmesi ... 47 Şekil 5.3: Hazırlanan numuneler Elektrik Direnç Nokta Kaynağı
Aşamasında ... 48 Şekil 5.4: Elektrik direnç kaynağı uygulanmış DP600 numunelerin
ön ve arka yüzey görünüşleri ... 48 Şekil 5.5: Elektrik direnç kaynağı uygulanmış IF 7114 numunelerin
ön ve arka yüzey görünüşleri ... 49 Şekil 5.6: Elektrik direnç kaynağı uygulamalarında kullanılan
elektrotun kullanıma hazır şekli ... 50 Şekil 5.7: FSSW uygulamalarında kullanılan üniversal freze tezgahı ... 51 Şekil 5.8: FSSW uygulaması yapılacak olan numune freze tezgahına
bağlanmış halde ... 52 Şekil 5.9:FSSW yöntemi uygulanırken kaynak öncesi hazırlıklar
tamamlanmış halde... 52 Şekil 5.10: Takım pim ucu kaynak noktasının hemen üzerinde görülüyor... 53 Şekil 5.11: Takım pim ucu iş parçasına kaynak yaparken görülüyor ... 53 Şekil 5.12: Takım kaynak işleminin bitmesinin ardından yukarı
çıkarken görülüyor ... 54 Şekil 5.13: FSSW yöntemiyle kaynak edilmiş olan DP600 test
numunesi görülüyor ... 54 Şekil 5.14:FSSW yöntemi uygulanmış DP600 test numunesi görülüyor ... 55 Şekil 5.15: FSSW yöntemi uygulanmış IF7114 test numunesinde
kaynak bölgesinin görünümleri ... 56 Şekil 5.16: FSSW uygulamalarında kullanılan takım geometrisi ... 57 Şekil 5.17: FSSW uygulamalarında kullanılan takımlar ... 57 Şekil 5.18: FSSW yöntemiyle kaynak edilmiş olan IF 7114 veDP600
numuneleri seri olarak ve markalanmış halde görülüyor ... 59 Şekil 5.19: ZWICK marka çekme cihazı ... 60 Şekil 6.1: ERW uygulanmış DP600 numunelere ait numunelere
ait makro yapı görünüşü ... 62 Şekil 6.2: ERW uygulanmış IF 7114 numunelere ait numunelere
ait makro yapı görünüşü ... 62 Şekil 6.3: FSSW uygulanmış DP600 numunelere ait numunelere
ait makro yapı görünüşü ... 62 Şekil 6.4: FSSW uygulanmış IF 7114 numunelere ait numunelere
ait makro yapı görünüşü ... 63 Şekil 6.5: Hazırlanan test numunesine kesme-makaslama deneyi
uygulanırken görülüyor ... 64 Şekil 6.6. Kesme-makaslama deneyi sonucunda FSSW uygulanmış
vi
Şekil 6.7: IF 7114 çeliğinin ERW ve FSSW yöntemleri uygulanması
sonucu elde edilen Kesme-Makaslama değerleri ... 67
Şekil 6.8: DP600 çeliğinin ERW ve FSSW yöntemleri uygulanması sonucu elde edilen Kesme-Makaslama değerleri ... 67
Şekil 6.9: IF 7114 ve DP600 çeliklerinin kesme-makaslama değerleri ile RSW ve FSSW yöntemleri uygulanması sonucu elde edilen Kesme-Makaslama yükleri... 68
Şekil 6.10: DP600 çeliğine ait FSSW uygulanmış numunenin makro resimleri ... 69
Şekil 6.11: IF 7114 çeliğine ait FSSW uygulanmış numunenin makro resimleri ... 70
Şekil 6.12: DP600 çeliğine ait RSW uygulanmış numunenin makro resimleri ... 70
Şekil 6.13. IF 7114 çeliğine ait RSW uygulanmış numunenin makro resimleri ... 71
Şekil 6.14: IF 7114 çeliğine ait FSSW ve RSW uygulanmış numunenin Vickers sertlik değerleri ... 72
Şekil 6.15: DP600 çeliğine ait FSSW ve RSW uygulanmış numunenin Vickers sertlik değerleri ... 72
Şekil 6.16: DP600 malzeme için FSSW uygulanmış birleştirmenin görüntüsü ... 73
Şekil 6.17: IF 7114 malzeme için FSSW uygulanmış birleştirmenin görüntüsü ... 73
Şekil 6.18: DP600 malzeme için RSW uygulanmış birleştirmenin görüntüsü ... 74
vii TABLOLAR DĐZĐNĐ
Tablo 3.1: FSSW Yönteminin Çeşitli Uygulama Alanları ... 32 Tablo 5.1: Deney Malzemelerinin Kimyasal Bileşimi ... 45 Tablo 5.2: Deney Malzemelerinin Mekanik Özellikleri ... 46 Tablo 6.1: IF 7114 çeliklerin ERW numunelerinin makaslama
yükü değişimi ... 63 Tablo 6.2: DP600 çeliklerin ERW numunelerinin makaslama
mukavemeti değişimi ... 63 Tablo 6.3: 1,4 mm pim yüksekliğine sahip takımla yapılan
FSSW e ait çekme makaslama yükü değişimi ... 64 Tablo 6.4: 1,5 mm pim yüksekliğine sahip takımla yapılan
FSSW e ait çekme makaslama yükü değişimi ... 65 Tablo 6.5: 1,4 mm pim yüksekliğine sahip takımla yapılan
FSSW e ait çekme makaslama yükü değişimi ... 66 Tablo 6.6: 1,5 mm pim yüksekliğine sahip takımla yapılan
viii
OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN 7114 ve DP600 ÇELĐK SACLARIN DĐRENÇ NOKTA KAYNAĞI (RSW) VE SÜRTÜNME
KARIŞTIRMA NOKTA KAYNAĞI (FSSW) YÖNTEMLERĐ ĐLE BĐRLEŞTĐRĐLMESĐ
M. Halil COŞKUN
Anahtar Kelimeler: Direnç Nokta Kaynağı(RSW), Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı(FSSW), Mekanik Özellikler, Metalografik Đnceleme
Özet: Otomotiv endüstrisinde en yaygın kullanım alanına sahip kaynak yöntemi Elektrik Direnç Kaynağıdır. Bir otomobilin üretiminde gövde yapısına bağlı olarak ortalama 3000-5000 nokta kaynağı yer almaktadır. 1990’lı yılların başında yılların başında levhaların alın alına birleştirilmesi maksadıyla yeni bir kaynak yöntemi ortaya çıkmıştır. Sürtünme Karıştırma Kaynağı(Friction Stir Welding) adı verilen bu yöntem ergitme esaslı kaynak yöntemleriyle elde edilen bağlantı özelliklerine yakın özellikler sağlamış ve birçok alanda kullanılması maksadıyla üzerinde çalışılmaya devam edilmektedir. Bu yöntemden yola çıkılarak geliştirilen Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (Friction Stir Spot Welding) yöntemi çeşitli alüminyum ve alüminyum alaşımı levhaların birleştirilmesinde yoğun bir biçimde kullanılır duruma gelmesine rağmen çeliklerin birleştirilmesinde aynı şekilde uygulamaya geçilememiştir.
Bu çalışmada endüstriyel koşullarda Elektrik Direnç Kaynağı (ERW) ve Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) yöntemleri kullanılarak bağlantılar elde edilmiştir. Bu bağlantıların elde edilmesinde bilinen kaynak parametreleri ve bunlardan başka kaynak parametreleri kullanılarak bağlantılar elde edilmiştir. Özellikle FSSW yönteminin çeliklerde uygulamalarının sınırlı olması nedeniyle bu yöntemde kullanılan parametreler üzerinde oldukça uzun süren çalışmalar yapılmıştır.
Elektrik Direnç Kaynağı (ERW) ve Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) yöntemleri kullanılarak elde edilen bağlantılar laboratuar koşullarında kesme-makaslama deneyine tabi tutulmuş, kaynak bölgelerinin incelenmesi maksadıyla bütün numunelerin metalografik incelemesi yapılmış ve numuneler Vickers sertlik taramasına tabi tutulmuşlardır.
ix
JOINING OF IF7114 AND DP600 STEELS, WIDELY USED IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY, THROUGH RESISTANCE SPOT WELDING (RSW) AND FRICTION STIR SPOT WELDING (FSSW)
M. Halil COŞKUN
Keywords: Resistance Spot Welding(RSW), Friction Stir Spot Welding(FSSW), Mechanical Properties Analysis, Metalografic Analysis
Abstract: Resistance Spot Welding(RSW) tecnique is the most common welding tecnique in automotive industry. In average, 3000-5000 spot weldings are used while producing an automobile. In early 1900’s a new welding technique was developed to unify sheets. This new technique called Friction Spot Welding(FSW) is as well as the welding techniques based on melting and it has been developed to use many fields. Altough, the Friction Stir Spot Welding(FSSW) method becomes more useful in unification of aluminium and aluminium alloy plates, it can not be used for unification of steel plates.
In this study, connection are produced by using RSW and FSSW methods in industry. Both well known welding parameters and also other welding parameters are used in producing connections.Especially to study the parameters used in FSSW method due to it has limited application in steel area.
The connections produced by using RSW and FSSW methods are examined by using tensile test in laboratory, the metalografic analysis was applied to all samples to examine welding fields, moreover hardness test was applied to all samples.
1 BÖLÜM 1. GĐRĐŞ
Basınç kaynak yöntemlerinden elektrik direnç kaynak yöntemleri grubu otomotiv endüstrisinde oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir. Zira bu yöntemler de kaynak işlemi katı fazda gerçekleşir ve kaynak bölgesinde dar bir ısıdan etkilenmiş bölge oluşur, birleşme kısa sürede tamamlanır ve özellikle otomobil gövde üretiminde kullanılan direnç nokta kaynağı seri üretime uygun olduğundan dolayı robotlar ile gerçekleştirilir. Ayrıca, estetiğin otomobillerde ön plana çıkmasıyla da gövdeyi oluşturan bileşenlerde kullanılan direnç nokta kaynakları gövde büyüklüğüne bağlı olarak 3000 – 5000 nokta ile ilk sırada yer almaktadır. Dünyanın en büyük endüstrisinin otomotiv endüstrisi olduğu düşünülürse elektrik direnç kaynak yöntemlerinin uygulanmalarının önemi daha açık şekilde ifade edilmiş olur.
Elektrik direnç kaynak yöntemleri yüz yılı aşkın bir süredir kullanılan özellikle ikinci dünya savaşından sonra kullanımı hızla artan bir üretim yöntemi olma özelliğini korumaktadır. Özellikle otomotiv endüstrisinde tercih edilmelerinin başlıca nedenleri şöyle sıralanabilir;
-Seri üretime uygunluk,
-Kaynak operatörünün az bir bilgiye sahip olarak yüksek kalitede imalat yapabilmesi, -Hızlı bir şekilde imalat yapılabilmesi,
-Düşük işçilik giderleri,
-Ek kaynak metali kullanılmadığından dolayı hafif bir birleştirme elde edilmesi, -Yüksek kaynak mukavemeti elde edilmesi,
-Görünüm olarak diğer kaynak yöntemlerine göre daha düzgün kaynak bağlantıları elde edilmesi.(Kaluç ve Taban, 2004)
2
Şekil 1.1: Bir otomobil imalatı esnasında elektrik direnç nokta kaynağının robotlarla (RSW) uygulanması(www.abrotech.com)
Otomotiv endüstrilerinde yaygın biçimde kullanılan elektrik direnç nokta kaynağı (RSW) uzun yıllardan buyana otomobil ve diğer taşıt araçlarının gövdesini oluşturan bugün için alışılmış çelik sac kaliteleri olarak adlandırılan çelik sacların birleştirilmelerinde hala başarı ile uygulanmaktadır, bu gruba HSLA (Yüksek Mukavemetli Az Alaşımlı) türü çelikler de dahil edilmiştir. Buna karşın, son yıllarda alışılmış otomotiv sac çelikleri yerlerini özel olarak üretilmiş çift fazlı yüksek mukavemetli örneğin DP600, DP780 vb. gibi çelik saclara hatta bunların çinko kaplanmış özel türlerine bırakmıştır. Bu sacların da birleştirilmesinde de genellikle sağladığı birçok üstünlükten dolayı elektrik direnç nokta kaynağı (RSW) kullanılmaktadır ve bu sacların elektrik direnç nokta kaynağı (RSW) uygulamalarında kullanılacak parametreler açısından farklılıklar olmaktadır. Günümüzde elektrik direnç nokta kaynağı (RSW) yönteminin bu saclar üzerindeki uygulama çalışmaları ve yeni geliştirilen diğer çelik saclar üzerindeki çalışmalar endüstriyel ve akademik araştırmalar bazında devam etmektedir( AISI, 2003)
3
Son yıllarda elektrik direnç nokta kaynağına alternatif olarak geliştirilmiş olan ve alışılmış sürtünme karıştırma kaynak (FSW) yönteminden yola çıkılarak geliştirilen sürtünme karıştırma nokta kaynak (FSSW) yöntemi, kaynak teknolojisi konusundaki son gelişmelerden biridir. Yöntem, bazı araştırmalarda nokta sürtünme kaynağı (Spot Friction Welding- SFW) veya sürtünme nokta birleştirmesi (Friction Spot Joining- FSJ) olarak ta adlandırılmaktadır. Bu yöntemde özel olarak hazırlanmış ucunda bir pim bulunan takım dönerek üst üste bindirilmiş sac parçalara daldırılmasına ve geri çekilmesine karşın eksenel yönde ilerleme yapmamaktadır. FSSW yöntemi, ilk olarak literatüre 2000 yılında girmiş ve 2001’de temel prensibi hakkındaki ilk rapor yayımlanmıştır, aslında yöntem 1999 yılında bir Japon otomobil kuruluşu tarafından geliştirilmeye başlanmış, daha sonra patenti alınarak ve literatürde yayımlanarak dünyaya tanıtılmıştır(Kaluç ve Taban, 2007)
Bindirme birleştirmesi türündeki FSSW bağlantılarında özel bağlama aparatına yerleştirilmiş parçalar dönel üst takım ile düz alt takım arasına sıkıştırılarak, gerekli basma kuvveti uygulanmakta, belirli devirde dönen üst takım pimi aşağıya doğru daldırılarak kaynak bölgesini ısıtmakta böylece metalin yumuşamasını ve belirli bir süre sonra yukarıya kaldırılarak nokta biçimindeki kaynağın oluşumunu sağlamaktadır(Pan, 2007-Feng,2005)
Yöntemi geliştiren ve ilk kullanan Japon otomobil kuruluşu, yöntemin alüminyumda uygulaması olarak, bu yöntem için özel olarak geliştirilen kaynak robotunu kullanarak üretmekte olduğu spor model otomobillerin arka kapılarını ve motor kaputlarını üretmekte (Şekil 2) ve yöntemin uygulanması ile elektrik tüketiminden %99 tasarruf ettiğini açıklamaktadır. Ekipman fiyatlarının alüminyumun direnç nokta kaynağında kullanılanlara göre %40 daha az yatırım masrafı gerektirdiği de belirtilmektedir(Hancock, 2004)
4
Şekil 1.2. Japon otomobil kurulusu tarafından FSSW yöntemi ile kaynak edilerek üretilmiş alüminyum motor kaputu ve arka kapılar(Kaluç,Taban 2007)
Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağında ergitme oluşturmaksızın gerçekleştirilebilecek olan FSSW yöntemi endüstride yoğun bir biçimde kullanılır duruma gelmiş olmasına karşın çelik için aynı durum söz konusu değildir. Uzun ömürlü taşıt yapımına dönük projelerin son yıllarda artmasıyla FSSW yöntemi ile birleştirmenin önemi bir kez daha gündeme gelmiş ve bu konularda yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları birçok gelişmiş ülkede sayıca artmıştır(N.N.,2006)
Tüm bu çalışmalara karşın FSSW kaynağının çeliklerde uygulaması ve endüstriye aktarılması ile ilgili ilerleme kaydedilememiştir. Özellikle son yıllarda hem yakıt tüketimini azaltmak hem de hafifliğe rağmen yüksek mukavemet ve yüksek tokluk isteklerini karşılamak adına geliştirilen yeni nesil yüksek mukavemetli çeliklerde bu yöntemin uygulanması üzerine çalışmalar tüm dünyada akademik ve endüstriyel kuruluşlarda hızla devam etmektedir(Sederstrom, 2007)
Ülkemizde otomobil gövde yapımında ve otomobil parçalarının kaynaklı olarak yapımında kullanılan en yaygın yöntem elektrik direnç nokta kaynak(RSW)
5
yöntemidir. Buna karşın, sürtünme karıştırma nokta kaynağı(FSSW) fazla tanınmamakta ve endüstriyel alanda da kullanılmamaktadır. Otomobil gövde yapımında ise yumuşak çeliklerden yüksek mukavemetli çeliklere, ileri yüksek mukavemetli çeliklere kadar tüm çeliklerin kullanılmakta olduğu görülmektedir. Dolayısı ile bu çalışmada IF 7114 yumuşak çeliği ve DP600 gibi yüksek mukavemetli çelik saçların direnç nokta kaynağı ve sürtünme karıştırma nokta kaynağı yöntemleri ile birleştirilmeleri esas alınmıştır. Oluşturulan bağlantıların performanslarının incelenmesinin yanı sıra kaynak bölgelerinin mikroyapısal incelemeleri ve bağlantı performansı üzerine etkilerini saptamak amacıyla bu çalışma yapılmıştır. Böylece ülkemizde bu konuda yapılan ilk olma özelliği ile bulunan sonuçların bilimsel ve endüstriyel çevrelere aktarılması amaçlanmaktadır.
6
BÖLÜM 2.OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN ÇELĐKLER
2.1. Giriş
Otomotiv endüstrisinin başlangıcından günümüze kadar çelikler bu endüstride alternatifsiz olarak kullanılmaktadır. Birçok endüstri alanı için itici güç olmayı sürdüren otomotiv endüstrisine bakıldığında bugün sadece Amerika’da yılda 18 milyon araba üretildiği görülmektedir. Kuzey Amerika’da sadece otomobiller için 16 milyon ton çelik kullanılmaktadır(AISI, 2003)
Malzeme seçiminde en önemli parametreler hammadde ve yöntem maliyeti, kalite ve sağlamlık, sürekli malzeme temin edilebilirlik, mukavemet ve korozyon gibi fonksiyonel özellikler, üretim yöntemleri, oluşan atıklar ve geri dönüşebilirliktir. Çelik bu koşulların hemen hepsine olumlu yanıt vermektedir(AISI, 2003)
Enerji kaynaklarının korunması için bir otomobilin geliştirilmesinde temel alınan üç temel öğe vardır. Bunların başında yakıt tüketiminin azaltılması ve motor emisyonlarının başında gelen CO hacim oranının azaltılması gelmektedir. Bunun için yapılabilecekler ise;
-Motor ve sürüş sisteminin verimliliğinin arttırılması
-Yorulma dayanımının azaltılması (Aerodinamik dizayn..vb) -Otomobillerin hafifletilmesi
-Otomobil boyutlarının küçültülmesi -Gövde yapısının değiştirilmesi
-Gövdede daha hafif malzemelerin kullanılması şeklinde tarif edilebilir.
7
2.2. Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Çelikler
Otomotiv endüstrisinde kullanılan çelikleri literatürde birçok farklı şekilde tanımlanmıştır. Metalürjik açıdan ele alırsak yapılan genel sınıflandırma, düşük mukavemetli çelikler (IF ve Yumuşak Çelikler); konvansiyonel yüksek mukavemetli çelikler (C- Mn, fırınlama serleştirilmesi yapılmış, yüksek mukavemetli IF ve yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelikler); ve ileri teknoloji ürünü yüksek mukavemetli çelikler şeklindedir. Kullanılan ikinci bir sınıflandırma ise mekanik özelliklere, özellikle mukavemet değerlerine dayanmaktadır. Yüksek mukavemetli çelikler (HSS) 270 – 700 MPa çekme mukavemetine sahip çeliklerdir. Ultra yüksek mukavemetli çelikler (UHSS) ise 700 MPa’ dan daha yüksek çekme mukavemetine sahiptir (Takahashi, 2006).
Şekil 2.1: Mekanik özelliklerinin artışına göre çeliğin gelişim(Takahashi, 2006).
Üçüncü sınıflandırma ise sadece yüzde uzama değerlerini dikkate alan bir sınıflandırmadır. Burada önemli olan nokta, ileri teknoloji ürünü(AHSS) çelik grubunun, HSS ve UHSS çelik ailelerine göre aynı mukavemet değerlerine sahip olmakla birlikte çok daha yüksek uzama göstermesidir. Şekil 3.1.de otomobiller için geliştirilen çeliklerin çekme mukavemeti-uzama değerlerine göre gösterdikleri
T o p la m U za m a % Bilinen HSS Kopma Mukavemeti Yüksek Mukavemetli Çelikler
8
gelişmeler görülmektedir. Bu şekillerden görüleceği üzere mukavemet artışına bağlı olarak Yüksek Mukavemetli Konvansiyonel Çelikler (HSS), Đleri Teknoloji Ürünü Yüksek Mukavemetli Çelikler (AHSS) ve Yüksek mangan Đçerikli Çelikler (HMS) sıralanır . AHSS çeliklerinin mikro yapısı çoklu faz içeriğine sahiptir ve eşsiz mekanik özellikler sağlayan bu yapı martenzit, beynit ve kalıntı ostenit fazlarını içermektedir. (Takahashi, 2006)
2.3. IF Çelikleri (Interstital- Free)
IF (Interstital- Free) çelikleri mükemmel derin çekilebilirliğin gerektiği yerlerde yaygın olarak kullanılan bir çelik türüdür. IF çelikleri sıcak daldırma ile galvanizleme ya da sürekli tavlama hatlarında ekstra derin çekme sacların üretimine olanak sağlar. Bu çelikler arayer katı ergiyiği oluşturan elementler olan düşük karbon ve azot içeriklerinden dolayı (örnek olarak <0,0030 %C ve <0,0040 %N) biçimlendirmeye en uygun olup, ayrıca düşük akma dayanımı ve kesit incelmesine karşı yüksek direnç gösterirler.
Şekil 2.2: Otomobillerde kullanılan IF 7111 ve IF 7114 kalite çelik sac gövde parçalarından örnek
Karmaşık geometriye sahip şekillendirmesi zor olan otomobil gövde parçaları, derin çekmeye uygun kalite çeliklerin sahip olduğu akma mukavemet değerlerinin altındaki değerlere sahip çeliklerin geliştirilmesinin zorunlu kılmıştır. Bu konuda yapılan çalışmalar sonucunda son derece düşük miktarda ara yer elementi içeren ve %50 gibi iyi bir uzama ve akma dayancı 13-15 kg/mm² mükemmel derin çekilebilir soğuk haddelenmiş sac olarak tanımlana yumuşak IF çelikleri üretilmiştir. Otomotiv
9
endüstrisinde en çok kullanılan IF çelikleri 7111, 7114, 6224, 3010 olarak sıralanabilir.
2.4. Çift Fazlı Yüksek Mukavemetli Çelikler
Çift Fazlı malzemeler (Dual Phase ) 2000’li yılların başından itibaren kullanıma başlanmıştır. Bu malzemelerin ana yapısı tamamen özel tavlama ile sacın ferritik özelliklerinin arttırılması ve böylece malzemeye kolay şekil verilebilmenin sağlanması, ikinci faz olarak da martenzitik fazın oluşturulması ki bu faz iğneli sert yapısı ile mukavemet özelliğini arttırmaktadır. Bu çelikler, ferrit matrisi içinde sert bir ikinci fazın dispersiyonundan oluşan bir mikroyapı ile karakterize edilirler. Đkinci faz genellikle yaklaşık %20'lik bir seviyede olan martenzittir, ancak diğer düşük sıcaklık dönüşüm ürünleri ve kalıntı ostenit de bulunabilir. Sürekli akma davranışı, düşük bir akma/çekme mukavemeti oranı, yüksek bir deformasyon sertleşmesi hızı ve yüksek seviyede üniform ve toplam uzama gösterirler. Çift fazlı çelik mikroyapısı ostenitten martenzite dönüşüm için yeterince yüksek bir hızda A1 ile A3 arasındaki iki fazlı kritik bölgeden çeliği soğutma ile üretilirler. Bu çeliklerin kimyasal bileşimi bu yüzden ısıl referans sıcaklıkların ve aynı zamanda martenzite dönüşüm için kritik soğuma hızının (sertleşebilirlik) saptanmasında büyük öneme sahiptir(AISI, 2003).
Genel olarak bu çelikler % 0.1'den daha az karbon içerirler ve bu sayede nokta kaynak edilebilme kabiliyetine sahip olurlar. Tavlamayı takip eden hızlı soğutma sonucunda mikroyapıdaki martenzitin % 20'si oluşur. %1 ile 1.5 arasındaki mangan, hızlı soğutmada martenzitin oluşmasını sağlar. % 0.6'nın altındaki miktarlarda krom ve molibden de çeliğe ilave edilebilir. Silisyum, katı eriyik sertleşmesi amacıyla ilave edilir. Vanadyum, niyobyum, titanyum gibi mikroalaşım elementleri, çökelme sertleşmesi ve/veya tane boyutu kontrolü için ilave edilebilir. Fazın yapısında tavlama uzun tutularak iğne yapılı gevrek özelliğin arttırılması ile mukavemet en üst seviyeye çıkartılmaktadır.
DP çelikleri yüksek mukavemet ve şekillendirilme kabiliyetleri nedeniyle tamamen otomobil gövde, panel ve kaporta parçaları için üretilmektedir. Geliştirilen bu çelik kalitesi yerine geleneksel yüksek mukavemetli ya da yumuşak çeliklerin herhangi bir
10
kalitesi kullanıldığında ortaya çıkan en büyük problem mukavemet ve şekillendirilebilirlik özelliklerinin uyuşmamasıdır. Aslında aşırı mukavim ya da aşırı sünek malzemeler parça optimizasyonun sırasında üretimde önemli sorunlar yaratırlar. Bu amaçla geliştirilen DP çelikleri daha ince kesitli malzeme kullanarak azalan ağırlığa karşın, artan mekanik özellikleri ile son derece önemli bir malzeme konumuna gelmiştir(AISI, 2003).
Otomobil gövde elemanlarının üretiminde, çeliklerin mekanik özellikleri başta olmak üzere çeşitli özelliklerinden yararlanılarak kullanılacak çeliğin türü belirlenmektedir. Şasi ve panellerde daha yüksek mukavemetli(Çift Fazlı-Dual Phase Steel)çelikler kullanılmakla birlikte destek braketlerinde ve destek parçalarında plastik şekil değiştirebilme özelliği ön plana çıkabilmektedir(AISI, 2003).
Şekil 2.3: Otomobili oluşturan çeliklerin kullanım yerleri ve çeşitleri(AISI, 2003).
YEŞĐL: HSLA 250
MAVĐ: HSLA 350
SARI: HSLA 550
11
BÖLÜM 3. OTOMOTĐV ENDÜSTRĐSĐNDE KULLANILAN ÇELĐKLERE UYGULANAN DĐRENÇ NOKTA KAYNAĞI (RSW) VE SÜRTÜNME
KARIŞTIRMA NOKTA KAYNAĞI (FSSW) YÖNTEMLERĐNĐN
UYGULANMASI
3.1. Genel
Elektrik direnç kaynağı ilk olarak 1877 yılında ABD’de bir rastlantı sonucu bulunan oldukça eski kaynak yöntemlerinden birisidir. Bu yöntem daha sonraları Birinci Dünya Savaşına kadar endüstride çok az kullanılmış, ancak Đkinci Dünya Savaşından günümüze kadar bu yöntemde ve özellikle elektrik devreleri ve zaman kontrol cihazlarında büyük gelişmeler olmuştur. Otomotiv endüstrisinde çeliklerin birleştirilmesinde en çok kullanılan basınç kaynak yöntemi araç başına ortalama 3000–5000 nokta ile Elektrik Direnç Kaynağıdır. IEB nin küçük olması, çok kısa sürede birleşmenin tamamlanması, düşük işçilik giderleri ve seri üretime uygunluğu bu yöntemin otomotiv endüstrisinde ön plana çıkmasını sağlamıştır (Kaluç ve Taban, 2004).
Alışılmış direnç nokta kaynağına alternatif olarak geliştirilen Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW) yöntemi, kaynak teknolojisi konusundaki son gelişmelerden biri olarak karşımıza gelmektedir. Özellikle 1991 yılında, Đngiliz Kaynak Enstitüsü'nde bulunan Sürtünme Karıştırma Kaynağı (FSW) o yıllara kadar kullanılan alüminyum ve alüminyum alaşımı levhaların alın birleştirmelerinin oluşturulmasında yeni bir kavramın ortaya çıkmasına yol açmıştır. Bu açıdan yöntem, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kullanıldığı birçok endüstri kolunda hızla uygulamaya girmiş, yöntem üzerine
12
gerek endüstriyel gerek akademik çalışmalar yaygınlaşmış ve yöntem günümüzde oldukça popüler bir konuma gelmiştir (Mathers, 2002).
Sürtünme karıştıma kaynak (FSW) yönteminden türetilerek geliştirilen FSSW yöntemi ise ilk olarak 1999 yılında bir Japon otomobil kuruluşu olan Mazda tarafından geliştirilerek patenti alınmıştır(Kaluç, Taban 2007 b)
Yöntemin alüminyum ve alüminyum alaşımlarına uygulanması üzerine bir çok bilimsel çalışma vardır. Ancak FSSW yönteminin çeliklere uygulanması sınırlı kalmıştır ve henüz endüstriyel uygulaması da yoktur.(ASM, 2007)
Bu çalışmada, çeliklerin kaynağında kullanılan ve tezin konusunu oluşturan basınç esaslı katı faz kaynak yöntemlerinden olan elektrik direnç nokta kaynağı (RSW) ve sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) yöntemleri detaylı olarak ele alınmış, diğer yöntemler üzerinde durulmamıştır.
3.2. Çeliklerin Elektrik Direnç Nokta Kaynağı (RSW)
Günümüzde üretilmekte olan konstrüksiyonlarda güvenilirlik ve kalitenin yanı sıra işin verimini arttırmaya, boyutları küçültmeye ve ağırlığı azaltmaya çalışılmaktadır. Bu uğraş içinde malzeme ve üretim giderleri de azaltılmaya çalışılır. Bunlara paralel olarak geliştirilen birleştirme teknikleri sürekli yeni problemlerin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu arada kullanıma giren elektrik direnç kaynak yöntemleri seri üretime uygun ve oldukça yaygın kullanılan kaynak yöntemleri olarak konumlarını sağlamlaştırmışlardır. Kaynak işlemi, bir düğmeye veya ayak pedalına basarak makineyi çalıştırabilme bilgisine sahip operatörler tarafından büyük bir hızla gerçekleştirilir. Bu nedenle, özellikle ark kaynağı, gaz ergitme kaynağı, sert ve yumuşak lehimleme gibi diğer ısıl birleştirme yöntemleri ile karşılaştırıldığında, birim birleştirme boyuna düşen işçilik gideri bu yöntemde oldukça düşüktür. Öte yandan direnç kaynağı makineleri, diğer kaynak yöntemleri için gerekli cihazların maliyetleri ile karşılaştırıldığında daha pahalıdır. Direnç kaynağını uygulamada ekonomik konuma getirmek, yani düşük birim işçilik gideri ile birlikte uygun birim makine maliyeti elde etmek için çok sayıda aynı veya benzer birleştirme gerekmektedir. Bu
13
kaynak yöntemi ek kaynak metali kullanılmadığı için sağladığı hafiflik, yüksek kaynak mukavemeti, estetik, özel beceri gerektirmemesi ve kaynak hızının yüksek oluşu gibi nedenlerden dolayı günümüzde çok büyük ölçüde kullanılmaktadır Elektrik Direnç Nokta Kaynağı kaynak edilebilen malzemeler bakımından diğer kaynak yöntemlerine göre daha fazla serbestliğe sahiptir. Bu yöntemle birçok metal veya metal çiftinin değişik biçim ve boyutlarda kusursuz olarak birleştirmek olanağı vardır(Eryürek,1982; Kaluç ve Taban, 2004)
Şekil 3.1: Elektrik direnç nokta kaynağının şematik gösterimi(www.esab.com)
Bu yöntemde kaynak yerinde çok az yer değişimi ve elektrot izi dışında bir şey görülmez. Bağlantının yapılmasında ısınmanın kısa sürede oluşması nedeni ile ergitme kaynağı ile birleştirilmiş olan çeliklerde ortaya çıkan metalürjik dönüşümler hiç oluşmaz ya da çok az oluşur. Uygulama, üst üste getirilen sacların bir arada sıkıştırılması ve tam elektrot kuvvetinin uygulanması ile akımın devreye sokulması şeklinde yapılır. Ayrıca dış bir ısı kaynağı yoktur; ısı birleştirme yerinde Joule kanununa göre oluşur
Q = k. I². R. T
Q: Üretilen ısı
k: Malzemeye bağlı bir sabit I: Kaynak akımı
14
R: Kaynak akımının geçtiği devredeki dirençlerin toplamı
t : Kaynak akımının devrede kaldığı süre(Kaynak süresi,periyod)
Şekil 3.2: Elektrik direnç nokta kaynağının temel prensibi ve kesit görüntüsü
Burada üretilen ısının bir bölümü kondüksiyon ve radyasyon yoluyla uzaklaşır. Uygulamada parçaların elektrik direnci küçük olduğundan gerekli kaynak ısısını üretebilmek için yüksek akım şiddetine ihtiyaç vardır. Bu yüksek akım kaynak transformatöründen sağlanır. Basma kuvveti elektrotlar tarafından iş parçasına uygulanır. Basma kuvveti hidrolik, pnömatik veya mekanik olabilir. Nokta direnç kaynağı ile 12 mm ye kadar çelik saclar, 1 mm ye kadar bakır saclar ve 5 mm ye kadar alüminyum saclar kaynak edilebilir. Alüminyum ve bakırın düşük elektrik dirençleri ve yüksek ısı iletkenlikleri nedeniyle kalın sacların kaynağı zordur(Eryürek,1982; Kaluç ve Taban, 2004)
Aşağıda elektrik direnç nokta kaynağının çeşitli üretimler için değişebilen çene şekilleri görülmektedir. ELEKTROT BASMA KUVVETĐ SOĞUTMA SUYU GĐRĐŞĐ MALZEME ARA YÜZEYĐ
15
Şekil 3.3: Değişik çene şekillerine sahip elektrik direnç nokta kaynağı makineleri(www.coskunoz.com)
3.2.1. Kaynak noktasının oluşumu
Kaynak noktasından oluşturmak istediğimiz ısı kaynak akımının elektrotlar arasındaki iş parçasında karşılaştığı dirençler sonucunda elde edilir. Burada sözü edilen direnç elektrotlar arasındaki toplam direnç olup iki türlüdür. Malzeme dirençleri ve temastan dolayı oluşan dirençler. Malzeme dirençleri iş malzemesinin ve elektrotların direncine bağlıdır. Temas direnci ise yalnızca malzemeye değil yüzey özelliklerine ve elektrot kuvvetine de bağlıdır. (Kaluç ve Taban, 2004).
Direncin en yüksek olduğu bölge saclar arasındaki temas yüzeyi olduğundan başlangıçta en fazla ısı burada üretilir. Bu bölgede sıcaklığın yükselmesiyle bölgenin iç direnci de artacağından ısı üretim hızı diğer bölgelere göre artar ve ilk ergime burada gerçekleşerek levha içine doğru ergime devam eder. Elektrotların yüksek ısıl iletkenliğe ve düşük dirence sahip olması ve su ile soğutulmalarından dolayı elektrotlarla sacların temas yüzeyinde ergime olmaz. (Kaluç ve Taban, 2004).
16
Şekil 3.4: Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak noktasının oluşumu(www.esab.com)
3.2.2. Elektrik direnç nokta kaynağında (RSW) kaynak çevrimi
Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak çevrimi dört bölümde gerçekleşir.
Basma zamanı: Elektrot kuvvetinin uygulanmasıyla kaynak akımının verilmesi arasında geçen zamandır.
Kaynak zamanı: Kaynak akımının geçtiği zaman aralığıdır.
Tutma zamanı: Kaynak akımının bitmesinden elektrot kuvvetinin devam ettiği zaman aralığıdır.
Ölü zaman: Kaynak işleminin ve elektrot kuvvetinin bitirildiği ve iş parçasının elektrotlarla temas halinde olmadığı zaman aralığıdır.
17
Şekil 3.6: Elektrik direnç nokta kaynağının endüstriyel uygulamalarına örnek(www.abrotech.com)
Şekil 3.7: RSW uygulaması için kullanılan sabit pedallı bir kaynak makinası(www.coskunoz.com)
18
3.2.3. Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak bağlantısının kalitesine etki eden faktörler
Kaliteli ve hatasız bir nokta kaynağı bağlantısı elde etmek için yalnızca akım,
elektrot basıncı, kaynak süresi vb. özellikler etkili olmayıp elektrot biçimi, cinsi ve iş parçasının özellikleri de bu konuda etkilidir. Bu etkenler kısaca;
3.2.3.1. Elektrotlar
Nokta direnç kaynağının kalitesinde elektrot biçim ve özelliklerinin büyük bir etkisi vardır. Nokta direnç kaynağında kullanılan elektrotlardan beklenen başlıca özellikler şunlardır;
-Yüksek sıcaklıkta sertlik , -Malzeme ile alaşımlanmama,
-Yüksek elektrik ve ısı iletim kabiliyeti, -Yüksek mekanik mukavemet,
-Elektrot uçlarının emniyetli bir şekilde soğutulması,
Saf bakır en iyi iletkendir. Ancak yüksek akım şiddeti, yüksek elektrot kuvveti ve yüksek kaynak hızı kullanılan yöntemlerin gelişmesiyle saf bakır elektrot olarak kullanımı olanaksız duruma gelmiştir. Elektrolitik bakır yüksek elektrik ve ısıl iletkenliğe sahiptir ve hafif metallerin kaynağında kullanılır. Gümüş-bakır, kadmiyum-bakır ve krom-bakır esaslı elektrotlar elektrik iletkenliklerinin yanında sertlikleri ile tanınırlar. Daha sert olan berilyum-bakır elektrotlar daha yüksek elektrik direncine sahip sert malzemelerin kaynağında kullanılırlar. Elektrotların biçim ve boyutları kaynak edilecek iş parçasının malzemesine, biçim ve boyutlarına göre saptanır. En fazla kesik koni ve küresel uçlu elektrotlar kullanılır.
19
Şekil 3.8: Elektrik direnç nokta kaynağında kullanılan elektrotun katı modeli ve kesit görüntüsü
Alaşımın sertliğinin artması elektriksel ve ısıl direnci arttırır. Bundan dolayı Bir uygulama için elektrot seçilirken değişen ısıl ve elektriksel özellikleri de dikkate alınmalıdır. Örnek olarak paslanmaz çelik için kullanılacak elektrotun basma mukavemeti yüksek iletkenliği düşük bir elektrot olabilir, alüminyum için ise kullanılacak elektrot için ise tam tersi yüksek iletken ve düşük basma mukavemetli bir elektrot olarak tercih edilmelidir(Eryürek,1982; Kaluç ve Taban, 2004).
20
Bunların dışında elektrotların biçimleri de nokta direnç kaynağına etki eden en önemli değişkenlerden biridir. Aynı bileşimde ve kalınlıktaki parçalar kaynak edildiğinde, elektrotların uç çapları aynı olmalıdır. Bununla beraber, eğer kaynak edilecek parçaların kalınlıkları farklı ise, kalın parçayla temas eden elektrotun ucunun çapının uygun ısı dengesini sağlayabilmesi için daha büyük olması gerekir.
Farklı metallerin kaynağında, eğer metallerden birisinin elektriksel direnci diğerinden büyük ise aynı husus geçerlidir. Bu farklılık yüksek dirençli parça ile temasta olan elektrotun ucunun çapı büyütülerek veya düşük dirençli parçayla temasta olan elektrot için yüksek dirençli malzeme kullanılarak telafi edilebilinir.
Elektrotun ucu aşındıkça veya mantarlaşma nedeni ile büyüdükçe, kaynak çekirdeğinin çapı artar. Uç çapının % 5 ten fazla büyümesi, akım yoğunluğu azalacağı ve açığa çıkan ısı iyi bir kaynak meydana getirmeye yeterli olmayacağı için, kaynak kalitesini düşürecektir(Eryürek,1982; Kaluç ve Taban, 2004).
Şekil 3.10: Endüstride kullanılan çeşitli RSW elektrotları(www.coskunoz.com)
3.2.3.2. Kaynak akımının ve süresinin etkisi
Joule kanununa göre metali ergime sıcaklığına ulaştırmak için gerekli toplam ısı;
21
Belli bir sac kalınlığı ve elektrot çapı için gerekli ısı enerjisini belirlemek için değiştirilebilecek kaynak parametreleri kaynak akımı ve kaynak süresidir. Belirli bir ısı enerjisini elde etmek için çeşitli I ve t değerleri mevcut olmasına rağmen ısı kaybının zamana bağlı olmasından dolayı akım şiddeti istenildiği gibi azaltılarak kaynak süresini arttırma olanağımız yoktur(Eryürek,1982)
Akımın düşük değerlerinde kaynak bölgesinde erime oluşmaz. Burada gerekli minimum akım şiddeti; malzeme türüne, kalınlığına, elektrot uçlarının boyutlarına bağlıdır. Belli bir elektrot basıncı için akım yoğunluğunun bir üst sınırı da vardır ve bunun üzerindeki değerlerde, kaynak bölgesindeki erimiş metal, levhalar arsından kaynak bölgesi dışına doğru fışkırır. Bu olaya kaynak dikişinin mukavemetinin azalmasına neden olur(Eryürek,1982)
Paslanmaz çeliklerin akım şiddeti yüksek elektrik dirençlerinden dolayı alaşımsız çeliklere göre düşüktür. Paslanmaz çeliklerde kaynak çekirdeğinin boyutu elektrot uç çapında % 10 büyük oluşur. Alaşımsız çeliklerde ise çekirdek çapı elektrot uç çapına neredeyse eşittir. Akım şiddetinin artması noktanın çapının büyümesine dolayısıyla mukavemetin artması yönünde etki yapar(Eryürek,1982)
Kaynak çekirdeğinin yüksekliği her iki sacın kalınlığının % 40 ile 80 i arasında olmalıdır. Bu sınırların arasında kalmaya dikkat edilmelidir. Akım şiddetinin üst sınırında fışkırma tehlikesi ortaya çıkar, ayrıca akımın yükseltilmesi sonucunda elektrotlar ile saclar arasında basıncında etkisiyle temas yüzeylerinde ergime oluşur elektrotlar levhalara yapışarak tahrip olurlar. Aşağıda belli bir sac kalınlığı ve malzemesi, elektrot uç çapı ve basma kuvveti için akım-zaman diyagramı elde etme olanağı vardır.
22
Şekil 3.11: Nokta kaynağında akım ve kaynak süresine bağlı olarak kaynak edilebilirlik diyagramı(Eryürek,1982;Kaluç ve Taban, 2004)
Burada A bölgesinde erime veya birleşme yoktur. B bölgesinde basınç etkisi ile erime olmadan oluşan zayıf bir birleşme bölgesidir. C bölgesi ergime ve kaynak bölgesidir. C ve B bölgesinin eğrilerinden itibaren ergime başlar ve ergimiş kaynak bölgesinin boyutları, bu bölge içinde gittikçe artar. D bölgesi fışkırma bölgesi olup c bölgesinin üst sınırından itibaren fışkırma başlar. Kaynak bölgesi B malzemenin türüne bağlıdır. Bazı metallerde bu bölge dardır bu durumda akım ve süre hassas olarak ayarlanmalıdır. Uygulamada akım ve süre değerleri C bölgesinin üst sınırına yakın seçilir. Şekilden görüleceği gibi kısa kaynak süresinde ve yüksek akım şiddetinde aynı nokta çapı elde edilebilir(Eryürek,1982).
Bunların ilkine kısa süreli kaynak, ikincisine uzun süreli kaynak adı verilir. Kısa süreli kaynak tekniğinin avantajları fazla olup yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaynak süreleri birkaç periyoda kadar düşürülebilmiştir. (1/50 saniye)Sürenin azalmasıyla kaynak bölgesinden ısı kayıpları azalmaktadır. Az karbonlu çeliklerin kaynağında kısa süreli kaynak süresi tk = 8. s bağıntısıyla elde edilebilir. Burada tk kaynak süresi, s mm olarak sac kalınlığıdır. Kısa süreli kaynakta elektrot yüzeyleri ısının belli bir bölgede oluşmasından dolayı elektrotlar bozulmaz. Uzun süreli kaynakta ise levhaların sıcaklığının artmasından dolayı elektrotlar sacın içine
BĐRLEŞME YOK ZAYIF BĐRLEŞME KAYNAK BÖLGESĐ FIŞKIRMA BÖLGESĐ dn3 dn2 dn1 dn3 >dn2 >dn1 De; P;s: SABĐT KAYNAK ZAMANI(tk) KAYNAK AKIMI (I)
23
gömülerek derin izler bırakırlar. Kısa süreli kaynağın bu avantajlarına karşılık uzun süreli kaynağında tercih edildiği yerler vardır. Kaynak sonrası soğuma hızının düşük olmasından dolayı % 0,3 C lu çeliklerde ve sıkıştırılması zor parçaların kaynağında kullanılırlar. Kaynak sırasında herhangi bir kısa devre olmaması için d nokta çapı olmak üzere iki kaynak noktasının arası 3d den büyük olmalıdır(Eryürek,1982).
Şekil 3.12: Elektrik direnç nokta kaynağında kaynak sürelerinin etkisi, a) Kısa kaynak zamanı, b)Orta kaynak zamanı, c) Uzun kaynak zamanı(Kaluç ve Taban, 2004)
Uzun kaynak süresi IEB nin büyük olmasına ve fışkırmaya neden olur. Ayrıca elektrot izlerine ve elektrot ömrünün azalmasına neden olur. Bu nedenle her bir akım değeri için belli bir kaynak süresinde belli bir mukavemet elde edilir. Uygulamada bu nedenlerden dolayı kısa süreli kaynak tercih edilir(Eryürek,1982;Kaluç ve Taban, 2004)
3.2.3.3. Elektrot basma kuvvetinin etkisi
Basma kuvveti kaynağın her aşamasında önemlidir. Saclar arasında temas direncinin uygun bir değerde olmasını ve kaynak noktasının yerinin kesin olarak belirlenmesini sağlar. Ayrıca soğuma sırasında metal katılaşırken dövme işlemindeki gibi boşlukları ve çatlakları azaltarak mekanik özelliklerin artmasının sağlar. Akıma bağlı olarak yüksek basma kuvvetinde yüksek akım düşük basma kuvvetinde düşük akım değerleri önerilmektedir(Eryürek,1982;Kaluç ve Taban, 2004)
24
Şekil 3.13: Elektrik direnç nokta kaynağında elektrot basma kuvvetinin etkisi(Kaluç ve Taban, 2004)
Elektrot kuvveti F;
-Alaşımsız çeliklerde F = 2 x s
-Yüksek alaşımlı çeliklerde F = 3,5 x s
-Alüminyum için F = 2,5 x s olarak seçilebilir.
Ayrıca paslanmaz çeliklerin kaynağında da yüksek basma kuvveti gereklidir(Eryürek,1982)
3.2.3.4. Sac yüzey düzgünlüğünün etkisi
Yüzey düzgünlüğü direnç değerini büyük ölçüde etkiler. Yüzeydeki pislikler ısının düzgün oluşmasını önlediğinden dolayı yüzeylerin kaynak öncesi temizlenmesi gereklidir. Yüzeyin biraz pürüzlendirilmesi kaynak noktasını rahat oluşturur ve mukavemeti arttırır. Düşük Akım Yüksek Akım Uygun Çalışma Bölgesi Elektrot Kuvveti Temas Direnci
25 3.2.3.5. Malzeme bileşenlerinin etkisi
Bakır, gümüş, alüminyum gibi metallerde akım yüksek olsa dahi oluşan ısı çabuk yayılır ve ergime zorlaşır.
3.3. Otomobil Saclarının RSW Yöntemi ile Birleştirilmesi Üzerine Yapılmış Çalışmalar
Lopez - Cortes 2008 yılında ERW yöntemi uygulamasında galvanize edilmiş çift fazlı yüksek mukavemetli DP600 çeliğinin davranışını incelemek maksadıyla yaptıkları çalışmada elektrot üzerinde galvaniz kaplamadan dolayı kaynak sırasında çinko tortusu yapıştığını ve ortalama 5 kaynakta bir temizlenmesi gerektiğini belirtmişlerdir. Bunun dışında kaynak sonrasında kaynak noktasının ve ana metalin sertliğinin mikro sertlik değerlerinin yüksek olmasına karşın ısıdan etkilenmiş bölge (IEB) nin ferrit fazından dolayı daha düşük mikro sertliğe sahip olduğunu ifade etmiştir.( Lopez - Cortes, 2008)
Martenzitik tip çift fazlı yüksek mukavemetli çelikler otomotiv endüstrisinde oldukça geniş kullanım alanına sahiptir ve bu malzemelerin birleştirmesinde genel olarak RSW yöntemi uygulanmaktadır.
Şekil 3.14: DP600 çeliğine ERW uygulanması sonucu oluşturulan birleşmenin kesit görüntüsü, a) Kaynak noktası, b) IEB, Ana metal ( Lopez - Cortes, 2008)
26
Bu nedenle çift fazlı yüksek mukavemetli çeliklerin RSW yöntemi uygulamalarının ne şekilde gerçekleştirileceği, uygun birleştirmelerin nasıl elde edileceği ve kaynak uygulamaları sonucunda mekanik özelliklerin parametrelere bağlı olarak nasıl değişeceği konularında RSW uygulayıcılarının tam ve doğru olarak bilgilendirilmesi ihtiyacı doğmuştur .( Lopez - Cortes, 2008)
Khan(2007) çift fazlı yüksek mukavemetli DP600 çeliklerine RSW ve FSSW yöntemlerini uygulayarak bu yöntemlerin DP600 malzemesine uygulamalarının sonuçlarını karşılaştırmıştır. Khan’ ın yaptığı uygulamalar testler ve incelemeler sonucunda RSW yöntemi kullanılarak FSSW yöntemine göre daha yüksek mukavemetli birleştirmeler oluşturduğunu ancak FSSW yönteminin enerji sarfiyatının RSW ye göre çok daha düşük olduğunu ifade etmiştir(Khan, 2007).
Marya (2005) RSW yöntemini çift fazlı yüksek mukavemetli çeliklerde uygulama maksadıyla yaptıkları çalışmada çift fazlı DP600 çeliğinin birleştirmesinde RSW yöntemini uygulamışlar ve hazırladıkları numuneleri kesme –makaslama testine tabi tutmuşlar ayrıca mikro yapı incelemesi gerçekleştirmişlerdir. Bu çalışmaların sonucunda RSW yönteminin çeliklere uygulanmasında yüksek elektrot kuvvetine, geniş kaynak süresine ve düşük akıma gereksinim olduğunu belirtmişlerdir( Marya, 2005)
3.4. Çeliklerin Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı (FSSW)
3.4.1. Yöntemin tanıtımı
Son yıllarda otomotiv sektöründe alışılmış çelik saçların yerine daha hafif alaşımların kullanılması yönünde kritik kararlar alınmaktadır. Otomobil gövde yapımında alüminyum alaşımı saçlar ya da daha ince kesitlerde yüksek mukavemetli çelik saclar kullanılarak gövde ağırlığını azaltmak, böylece sağlığa zararlı egzoz emisyonlarını düşürmek ve araç performansını yükseltmek amaçlanmaktadır. Çelik saclardan üretilmiş gövde elemanlarının birleştirmelerinde oldukça yaygın olarak kullanılan elektrik direnç nokta kaynağı (RSW)uygulamalarında, alüminyum alaşımlarının kullanılması
27
durumunda yüksek akım gereksinimi ve uygun olmayan kalitede kaynak noktaları oluşumuna bağlı olarak problemler yaşanmaktadır. Bu konuda yapılan çalışmalar sonucunda, alışılmış sürtünme karıştırma kaynak (FSW) yönteminden yola çıkılarak geliştirilen sürtünme kaırştırma nokta kaynak (FSSW) yöntemi, alışılmış direnç nokta kaynağına alternatif bir kaynak yöntemi olarak, kaynak teknolojisi konusundaki son gelişmelerden biri olarak karsımıza çıkmaktadır.( Sederstrom, 2007)
Sürtünme karıştırma nokta kaynak yöntemi (Friction Stir Spot Welding-FSSW) günümüzde geliştirilmeye devam edilmektedir. Bu yöntem öncelikle ergitme esaslı kaynak yöntemleriyle kaynağında problemler yaşanılan alüminyum ve alüminyum alaşımlarının birleştirilmesinde kullanılmış ve olumlu sonuçlar elde edilmesiyle bakır ve bakır alaşımları, titanyum ve titanyum alaşımları gibi metallerin birleştirme kaynağında da kullanılmaya başlanmıştır. Bu yöntemde diğer ergitme kaynak yöntemlerinde olduğu gibi kaynak edilen parçalar kaynak sırasında ergimezler, dolayısıyla katı fazda bulunurlar.
Yöntem, bazen nokta sürtünme kaynağı (Spot Friction Welding- SFW) veya sürtünme nokta birleştirmesi (Friction Spot Joining- FSJ) olarak ta adlandırılmakta, bu yöntemde özel olarak hazırlanmış takım dönerek bindirilmiş saç parçalara daldırılmasına karşın eksenel yönde ilerleme yapmamaktadır. FSSW yöntemi, ilk olarak literatüre 2000 yılında girmiş ve 2001’de temel prensibi hakkındaki ilk rapor yayımlanmıştır. Aslında yöntem 1999 yılında bir Japon otomobil kuruluşu tarafından geliştirilmeye başlanmış, daha sonra patenti alınarak ve literatürde yayımlanarak dünyaya tanıtılmıştır (Kaluç ve Taban, 2007).
Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) prensibi Şekil 4.15 de verilmiştir. Bindirme birleştirmesi türündeki FSSW bağlantılarında özel bağlama aparatına yerleştirilmiş, parçalar dönel üst takım ile düz alt takım arasına sıkıştırılarak, gerekli basma kuvveti uygulanmaktadır. Üst takım pimi aşağıya doğru daldırılarak kaynak bölgesini ısıtmakta böylece metalin yumuşamasını ve nokta biçimindeki kaynağın oluşumunu sağlamaktadır (Kaluç ve Taban, 2007).
28
Şekil 3.15: Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) prensibi(Kaluç ve Taban, 2007b)
Yöntemi geliştiren ve ilk kullanan Japon otomobil kuruluşu, yöntemin uygulanmasında bu yöntem için özel olarak geliştirilen kaynak robotunu kullanarak üretmekte olduğu spor model otomobillerin arka kapılarını ve motor kaputlarını üretmekte (Şekil 4.16) ve yöntemin uygulanması ile elektrik tüketiminden %99 tasarruf ettiğini açıklamaktadır. Ekipman fiyatlarının alüminyumun direnç nokta kaynağında kullanılanlara göre %40 daha az yatırım masrafı gerektirdiği de belirtilmektedir(Hancock, 2004)
29
Şekil 3.16: Japon otomobil üreticisi kuruluş tarafından geliştirilen FSSW yönteminin spor model bir otomobilin gövde panellerinin ve arka kapılarının sürtünen elemanla nokta kaynağında kullanımı (Hancock, 2004).
3.4.2. Yöntemin kontrolü ve yöntem değişkenleri
Sürtünen elemanla nokta kaynak yöntemi iki kontrol türüyle uygulanmaktadır:
-Takım baskı kuvvetinin kontrolü
-Takım yer değişiminin (pozisyon) kontrolü
Şekil 3.17. de takım baskı kuvveti kontrollü sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) yönteminin temel uygulanış çevrimi görülmektedir. Takım dönmeye başladıktan sonra takıma dik yöndeki kuvvetin artan oranı ile pim malzemeye doğru bastırılır. Takım baskı kuvveti önceden saptanan bir seviyeye ulaştıktan sonra yöntem süresince sabit tutulur ve önceden belirlenen kaynak süresine kadar da takım malzeme içinde daldırılmış konumda döner, daha sonra işlem durdurularak pim yukarı çekilir(Feng, 2005)
30
Şekil 3.17: FSSW yönteminde kullanılan çevrim diyagramı (Pan, 2007).
Şekil 3.18. de takım yer değişiminin (pozisyon) kontrol edildiği kaynak çevrimi görülmektedir. Burada, takım dönmeye başladıktan sonra önceden belirlenen maksimum derinliğe erişilene kadar kontrollü bir biçimde parçalara daldırılır. Daha sonra işlem durur ve takım geri çekilir. Takım baskı kuvveti pim parçaya ilk daldırıldığı zaman nispeten daha düşük bir değerdedir, takım omuzu parça üst yüzeyine tam temas ettiğinde ise kuvvet daha yüksek sabit bir değere ulaştırılır(Kaluç ve Taban, 2007).
Bu iki kontrol türü de otomotiv uygulamaları için robot kullanımına uygundur. Sürtünme karıştırma nokta kaynağı yöntemi ile oluşturulan kaynak bağlantılarının kesme makaslama mukavemeti üzerine yapılan çalışmalarda, bağlantıların mukavemetinin kaynak süresi, uygulanan basma kuvveti ve takım dönme hızına bağlı olduğu belirtilmiştir. Bunların yanı sıra, kaynak uygulanacak malzemelerin kalınlıkları, malzemenin türü, takımın omuz çapı ve takım piminin biçimi ve pimin uygulama derinliği de bağlantıların performansı üzerindeki etkili kaynak değişkenleridir (Kaluç ve Taban, 2007).
31
Şekil 3.18: FSSW yönteminde kullanılan çevrim diyagramı(Pan, 2007).
Optimum yöntem değişkenlerini saptamak amacıyla takım dönme hızının, pim dalma derinliğinin, pim dalma hızının, kaynak süresinin ve pim geometrisinin bağlantının kesme makaslama mukavemeti üzerine etkilerini incelemek üzere çeşitli kalınlıklardaki farklı alüminyum alaşımı saçların sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) üzerine yapılan çalışmalarda çok farklı sonuçlar elde edildiği görülmektedir(Pan, 2007).
Bu çalışmaların çoğundan alınan ortak sonuç; düşük takım dönme hızlarında (1000–1500 d/d) daha iyi bağlantı mukavemetlerinin elde edildiğinin belirtilmesidir(Sederstorm, 2007).
3.4.3. Yöntemin uygulama alanları
Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) yüksek birleştirme kalitesi ve düşük üretim giderleri nedeniyle ve yüksek verime sahip bir imalat yöntemi olmasından dolayı otomotiv ve taşıt endüstrisinde diğer yöntemlere göre dikkat çekmektedir. Çelikler günümüzde otomotiv endüstrisinde alternatifi olmayan malzemelerden birisidir. Bu nedenle daha verimli ve kaliteli birleştirme elde etmek için çalışmalar yapılmaktadır. Alüminyum ve alüminyum alaşımlarının kaynağında FSSW yönteminin avantajları olduğu görülmüş ve bu yöntem otomotiv endüstrisinde kullanılmakla beraber hala geliştirilmeye devam etmektedir (Smith, 2007).
32
Tablo 3.1: FSSW yönteminin çeşitli uygulama alanları (Smith, 2007 )
Endüstri Uygulama Alanı FSSW yönteminin sağladığı avantajlar
Elektrik Engelleyicilerde Ağırlık azaltıldı, Korozyon oluşumu azaldı
Akü Kurşunlarda Yüksek kaliteli birleştirme oluştu
Savunma Sanayi Gemi Paletlerinde Ağırlık azaltıldı
Denizcilik Omurga, Depolarda Yüksek Mukavemet, Çarpılma azaldı
Kar Araçlarında Şasi, Süspansiyon Çarpılma azaldı, Yorulma Ömrü Uzadı
Havacılık-Uzay Đskelet, Kanat Kirişleri Yüksek kaliteli birleştirme, Hafiflik
Bugüne kadar FSSW yönteminin çeliklerde uygulaması hakkında çok az yayın bulunmasına karşın cesaret verici gelişmeler elde edilmiştir. Bu yöntemin çeliklerde uygulaması ve endüstride çeliklerin birleştirmelerinde kullanılması amacıyla çalışmalar devam etmektedir.(Feng, 2005; Santella, 2005)
33
Şekil 3.19: FSSW yönteminin endüstriyel bir uygulaması(Feng, 2005)
3.5. Yöntemin Uygulanması
3.5.1. Kaynak parametreleri
Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) yönteminde birleştirmenin özelliklerine etki eden en önemli parametreler takım malzemesi, takım geometrisi, takım devri ve kaynak hızı ve kaynak yapılan malzeme türüdür.
3.5.1.1. Takım malzemesi
Sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) uygulamalarında takım malzemesi en önemli parametrelerden biridir. Bu konuda yapılan çalışmalarda çok değişik takım malzemeleri kullanılmakla birlikte hepsinde takım malzemesinin birleştirilecek malzemeden daha yüksek sertlikte olması ve aşınma dayanımının daha yüksek olması istenmektedir. Bununla birlikte takım belirli bir sıcaklıkta çalışacağından dolayı yüksek sıcaklıkta da aşınma dayanımının yüksek olması istenmektedir. Alüminyum ve alaşımlarının FSSW yöntemine göre şüphesiz çeliklerdeki uygulamalarda, takımlardan daha iyi özelliklere sahip olması beklenmektedir. FSSW yönteminin çelik uygulamalarında takım malzemesi olarak H13 takım çeliği ve PCBN kullanılmaktadır. Bugüne kadar yapılan uygulamalarda çok çeşitli takım malzemeleri denenmesine rağmen PCBN(Polikristalik Kübik Bor Nitrür) takım
34
malzemesi ile en iyi sonuçlar elde edilmiştir. Dünyada takım malzemesi ile ilgili çalışmalar, FSSW yönteminin en kritik parametrelerinden biri olarak devam etmektedir.(Sederstorm, 2007; Feng, 2005)
3.5.1.2. Takım geometrisi
Bugüne kadar yapılan çalışmalarda çok değişik geometriye sahip takımlar kullanılmıştır. Pim çapı, pim yüksekliği ve takım omuz çapı değerleri oluşturulan birleştirmenin mukavemetine en çok etki eden takım parametreleridir. Özellikle Pim çapı ve pim yüksekliği kaynağın nüfuziyetini ve dolayısıyla mukavemetini etkileyen en önemli parametrelerdendir(Kaluç ve Taban, 2007b).
Şekil 3.20: FSSW uygulamalarında kullanılan takımlardan örnekler(Kaluç ve Taban, 2007b).
FSSW takımlarında çok değişik çapta takımlar kullanılabilmesine rağmen genellikle 8-12 mm çap kullanılmaktadır. (Sederstrom,2007)
Uygulama sırasında takım ile iş parçası ara yüzeyinde sürtünme oluşur. Sürtünmenin artmasıyla birlikte takım malzemeye doğru eksenel yönde ilerletilir. Günümüzde, takımın malzemeye doğru ilerlemesi için ne kadar kesme kuvveti gerektiği ve takım ile malzeme ara yüzeyinde sürtünme sonucu oluşması gereken ısı miktarı bilinmemektedir. FSSW yönteminde gerekli olan kuvvet ve oluşturulması gereken ısı miktarı ile ilgili çalışmalar matematiksel formüllerle tanımlanmaya çalışılmaktadır.(Sederstrom, 2007)
35
Şekil 3.21: PCBN takıma bir örnek (Sederstorm, 2007)
3.5.1.3. Takım devri ve kaynak hızı
Yapılan çalışmalarda genel olarak takım devri 1000-2000 devir/dakika değerlerindedir. Bu devirler özellikle birleştirmenin mukavemeti ve kaynak süresi üzerinde olumlu ya da olumsuz etki yapmaktadırlar. Çalışmaların çoğundan alınan ortak sonuç; düşük takım dönme hızlarında (1000- 1500 d/d) daha iyi bağlantı mukavemetlerinin elde edildiğinin belirtilmesidir( Sederstrom,2007;Pan, 2007).
Genel olarak ortaya çıkan kaynak süresi 1,5 sn ile 3,25 saniye arasında değişmektedir. Bu süre kaynak malzemesi ve takım devri ile değişmektedir (Sederstrom, 2007).
3.6. Yeniden Doldurmalı FSSW Yöntemi
Alışılmış FSSW yönteminde oluşan deliğin ileriye dönük olarak yorulmaya zorlanan birleştirme yerlerinde çatlak başlamasına neden olacağı dikkate alınarak daha sonra geliştirilen ve patenti alınan yeniden doldurmalı (refill friction stir spot welding- RFSSW) FSSW yöntemi bir Alman kurulusu tarafından geliştirilmiştir ve bu amaç için üretilen kaynak makineleri ile gerçekleştirilmektedir. Yeniden doldurmalı FSSW
36
yönteminde alışılmış sürtünme karıştırma nokta kaynağına göre daha farklı bir takım kullanılır(Kaluç ve Taban, 2007).
Burada, tek parçalı dönel takım yerine üç parçalı bir üst takım ve alttan basmayı sağlayan tek parçalı bir alt takım kullanılmaktadır. Üst takım en dışta parçalara baskı kuvveti uygulayan kalın cidarlı bir dış bilezikten oluşur, bu kısmın içinde dönen bir bilezik ve bu bilezik içinde de yine dönen pimi bulunduran iki parçalı takım vardır. (Kaluç ve Taban, 2007).
Şekil 3.22: Yeniden doldurmalı FSSW yönteminin aşamaları(Kaluç ve Taban, 2007).
Oluşturulan kaynak dikişi boşluksuz olup tamamen doludur, bu şekilde oluşturulan nokta kaynağı bağlantılarının kayma ve yorulma mukavemet değerleri alışılmış FSSW bağlantılarına ve direnç nokta kaynak bağlantılarına göre daha üstündür. (Kaluç ve Taban, 2007).
37
Şekil 3.23: RFSSW yöntemi ile oluşturulan nokta bağlantısı(Kaluç ve Taban, 2007).
3.10. Sürtünme Karıştırma Nokta Kaynağı Makineleri
Direnç nokta kaynağına alternatif olarak geliştirilen sürtünme karıştırma nokta kaynağı (FSSW) yöntemi bu alandaki son gelişmelerden biri olarak karşımıza gelmektedir. Japonya Mazda tarafından geliştirilen ve Mazda RX-8 modeline uygulanan bu yöntem zaman içinde Amerika, Japonya ve Almanya gibi çeşitli ülkelerdeki FSW makinesi ve robot üreticileri tarafından da geliştirilerek patenti alınmış ve bu yeni FSSW makinalari otomobil ve tren üreticileri tarafından ilk prototiplerin oluşturulmasında ve ileriye dönük üretimlerde kullanılmak üzere devreye alınmaya başlamışlardır(Mortimer, 2005)
Amerika, Avrupa ve Japonya’da bulunan bu kuruluşlardan bazıları ilk araç prototipleri üreterek denemeler yapmaktadırlar. Bazı otomobil üreticileri de FSSW yöntemini ileride kullanabileceklerini ve gelecek on yılda yöntemin devreye alınabileceğini belirtmektedirler (Kaluç ve Taban, 2007).
