Design of Welded Constructions

(1)

SAU Fen Bilimleri EnstitUsU Dergisi 4.Cilt 1. ve 2.Say1 (2000) 65-72

KAYNAKLI KONTRiJKSiYONLARDA TASARIM

ityas UYGUR*,

Faruk

MENDi**,

M. Kemal KULEKCi*,

* . ..

A hant Izzet Baysal Universitesi Teknik Egitirn Fakilltesi- 81100 DOZCE

**Gazi [ inh ·ersitesi Teknik Egitim Fakilltesi Tasarzm ve Konstruksiyon Egt. ABD -ANKARA

OZET

Bu 9al1~1nada kaynakh yaptlartn tasanmtnda goz bniinde bulundurulmas1 gereken stmrhllklar uzerinde

durulmu~tur. Farkl1 kesit kahnhgtna sahip par9alann

kaynag1 vc optimum tSI giri~inin saglanmas1 ile

dairesel kesitli borular1n kaynag1nda, distorsiyonlan en aza indirgeyen yonteLn vc teknikler irdelenmi~r.

Tiim kaynak yonten1lerinde kar~Ila~tlan ortak

somnlardan birisi, tase1 nma a it tnuhtemel 90zumler aras1ndan uygun olan1n1n se~ilmesidir. Bu baglamda endustriyel uygula1nalarda s1khkla kullamlan iist iiste bindirme ve j_ formundaki kaynakh birle~tirmelerde,

tneydana gelebilecek distorsiyonlar1 belirlemede

kullan1lan belli ba~h formilller ile deneysel 9ah~1na

sonu9lar1 kar~lla~tirllmi~tlr.

ABSTRACT

In this article the lintits of welded structures which n1ust be considered during their design stage has been given. One of the major problem that can be seen at all of the welded stn1ctures is the selection of the best choice among possible solutions. Prevention of distortion by optimum heating entrance during pipe lines welding and suitable methods that can be used for construction metnbers which have different thickness had been considered. Theoretical and experimental results of butt jointed with external patch and in the form of j_ welding samples have been

discussed.

1.

GiRiS

Endiistride birle~tirtne teknigi olarak geni~ bir uygulama alaru olan kaynakh konstriiksiyonlarda

kar~Ila~Ilan en bi.iyi.ik problemlerden birisi, boyutsal 61Qillerde kararhhg1n saglanamamastdir. Kaynakh

birle~tirme elemanlartnda, 1s1 tesiri alt1nda kalan bolgelerde (IT AB) tiniformal olmayan Istnma ve

sogumantn neden oldugu distorsiyonlar kaynak11 yap1lann kalitesine etki ettnektedir.

Konstriiksiyonlar1n hafif, ancak istenilen derecede rijit olmas1 gereksinimi kaynak i~leminde olu~an artlk gerilmeler (residual stress) hakklnda daha detayh bilgiler gerektirmektedir. Ozellikle, bu kallnti stres!eri malzeme yorulmas1nda onemli bir faktor olarak gaze c;arpmakta ve yorulma direncini azaltmaktad1r [ 1].

Kaynak bolgesine yalan kisimlarda yliksek stcakltk,

uzak k1s1mlarda ise daha du~iik sicaklig1n soz konusu

olmasi, farkh btiztilme ve genle~meye neden

olmaktad1r. Bu boyutsal degi~im malzemelerin 1s1 iletkenlik ozelliklerine bagl1 olarak degi$mektedir.

Artlk gerilmeler kendisi ile aym ybndeki yuklemelerde

bozulma veya ktnlmalara neden olabilirken ters yonlii yiiklemelerde dayarurm artt1nc1 ozellik gosterir. Dayamm yonunde olduk9a onemli olan artik gerilmelerin kaba yakla~1mla faktor katsa)'llar kullanarak hesaba katmak ya da bu gerilme degerlerinin yon ve biiyiikluklerinin bulunmadan gerilim giderme tavlamas1na tabi tutarak gidermek

ger9ek~i olmayabilir. Ekonomi ve giivenirlik i9in gerilmelerin ger9ek degerlerini ol9erek parc;a ve konsttiksiyonlara uygulamas1 gerekmektedir.

2.KA YNAKLI KONSTRfiKSiYONLARDA

ARTIK ISIL GERiLMELER!

Kaynak yap1hrken 1s1 tesiri alt1ndaki bolgenin

yumu~aytncaya kadar tavlanmas1 sogumay1 izleyen gerilmelerin ortaya 9Ikrnas1na neden olmaktadlr. (~ekil

1). Bu gerilmelerin ba~llcalar1;

Kaynak Gerilmeleri: Kaynak i~leminin yap1h~1 s1ras1nda olu~an gerilmeler.

Kalan Kaynak Gerilmeleri: Kaynakh yap1run sogumas1ndan sonra, kaynak i~len1i nedeniyle pan;ada olu~an ve par9ada kalan artlk gerilmelerdir.

(2)

Kaynakh KonstrUksiyonlarda Tasartm

Boyuna Gerilmeler: Dild~ duzlemine ve par~a

ylizeyine paralel diizlemdeki gerilmelerdir.

• Enine Gerilmeler: Diki~ diizlemine dikey

Sekil 1 'de kaynak11 yapllarda ortaya 91kan gerilmeler

verilmi~tir.

diizlemdeki gerilmelerdir.

Kalinlik Gerilmeleri: Kaynak ylizeyinde dikey

dftzlemdeki gerilmelerdir. MP a 100 0 MP a 100 300 300 100 10 0 300 3 4 6 8 10 12 14 15 18 mm 20 22 24 t . f- .~•

-r-

,.

_\.

+

~ -- -

•

~-· ·---·. ~ -·---- ,. .~. .., ~

--

_(1'1

r.

~ 1-(L ~

-

~ ... ~ ~ "'ll.

-

+

... ~

o. Boyuno geril.me (t'i)

MP a ,00 100 l \ I I J f • t::::1'

.

~ ,-,

,,.

~~

-

_l

! ~ I '~ ... ~

+

'

b. Enine ger it me (l'y)

300

-300 Or--~-.,..----,r----r-..,..._,

---

-

-2

-

-4 6 ~ 1 j ) } } j } } } l } l}} 11 11 I \ } ) 11} l J 1 U ) l J I l l I ) J) mm ,.0 12 14 16 16 20 22

•

24L-________ ._ ________ ~

c. Yuzey gerifooer;,e dik

yondeki geritmeler (;)

.

.._.-

- - - - -

- - -

~ ... ....- ....

d. Bjr alm kaynagmdaki enine ~ekme

'2fy2 .

Basmo Cekme

-

~

..,.

ltll U.. \ tt ll. l U.lll \.U U ll ( . \ . I l l t U . U

loo' A

~ y,

e. Bir alln 'kayna~ndQki boyuna ~ekme

tBoyuna kahnh gerilmelerin1n dag1l1ms)

___ _.

Sekil l. A11n kaynag1yla birle~tirilen yap1 elemanlar1ndaki kahnt1 gerilmeleri [2]

• _•

3.DiSTORSiYONLARI ONLEMEYE YONELiK

UYGULAMALAR

Et kahnbg1 e~it olmayan par9alann kayna~ farkb

kahnhklara sahip numunelerin kayna~nda ozel

tekniklere gereksinim vard1r.

Ctinkii parcalar

aras

1nda

1s1 alma (1s1 yayllma kapasitesi) farkl vardrr. Degi~ik

kesitli elemanlann birle~tirilmesinde, kalm kesitte

yeterli penetrasyon (penetration) ic;in gerekli ka)nak

3.1. Kesit kal1nhg. e~it olmayan par~alann

kayna~:

(3)

i.Uygur, F.Mendi, M.K.KUiekci

aknru, ince kesite ktyasla fazladlr, bu durum ince elemanda kaynak alt1 kesilmesi ve btiyiik carpilmalara neden olmaktadlr. Eger kaynak ak1m1 ince kesitli elemana gore ayarlarursa, bu kez de kal1n kesitli

elemanda yeterli penetrasyon olu~maz ve kaynak zay1f olur. Sekil 2 'de Niiklcer reaktorlerde kullanllan 2,5

mm. et kahnligina sahip born, 254 mm kaltnh~ndaki

blok govdeye kaynattlma teknigi gosterilmektedir [3].

Kullan1lan metod da~ plakan1n tist yiizeyinde born

~evresinde 6,5mm derinliginde dairesel kanal

a~1hm~t1r. Bu kanal iki farkll kesit' deki elemanlar

arastndaki 1s1 dagtlnn fark1n1 minimize eder.

Dolay1styla, iki farkh et kalinllgina sahip elemanlann kaynag1nda distorsiyon ve ic gerihne en aza

indirgentni~tir.

3.2.Dairesel Kesitli Borular1n Kayna~:

Is1 kaynak teorisi ve ark nedeniyle temel metaldeki fiizyon olayt teorik olarak hesaplanabilir. Bu teorik hesaplamalar yardtmt ile kaynak ko~ullan onceden belirlenerek kontrol aluna altnabilmektedir. ~ekil 3 'de

gosterilen borulann 9evresel kaynagtnda (gaz tungsten ark) optimum 1s1 giri~imi a9Ilara bagh olarak

verilmi~tir. Deneysel olarak elde edilen diyagram, kararlt bir fuzyon genisligi icin gerekli 1s1 giri~

degerini belirler. Yapllan i~lemde korular1n 9evre kaynag-I esnastnda borular1n malzemesi, cidar kahnhgi ve born 9aplanna bagh olarak uygun 1s1 giris kontrolii

gerekmektedir

r

4].

135 Kaynak

metali

Ka·ynak

oncesi

Kavnak sonras1

- - - A Detayt __

.,

_ _ _ _ _

_.

-

Dii~fik

karbonlu

~elik

-

Dii~iik

Karbonlu

~elik

dolgu

metali

1st

degi~tirme

borusu

~ekil 2.

Ntikleer

santarllcrde kullanllan farkl1

et

kahnhgtna sahip iki

malzcmeni

kayanatllmas1

700~---~

600 ):soo

0)

:~

400 ·-

_~300

Cl)

-

₂₀₀

100 Optimum

1s1 giri~i -- - -·-·-·-·--· . --·-·-·-- -t I

1

Malzeme Kyn H121 Cidar Kahnh~ Kaynak Geni~ligi

270

:<;elik. :2nunlsn :2mm :4nun

Sekil

3 .

ince cidarh borunun 9evre kaynagt esnas1ndaki

,

optimum

ISl giri~i

Kaynak

Yonu

(4)

Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasanm 4.1.BiNDiRME KANAGINDA HESABLARI: KAYNAGI (_L) SEHiM

VE

4.1a) Bindirme Kaynag• Boyuna c;ekme:

AL

=

F.A I E.Au ... Formull [5,6]

burada, ~= Boyuna k1salma (~ekme) miktan L= Par~a (kaynak) uzunlugu

E= Elastik Modiil (Young modulus)

A= Kaynak diki~inin toplam kesit alaru

F=

Cekme

kuvveti

4.1.b) Bindirme Kaynagt Enine c;ekme

Q

= 0,24.600.n.a.u.I.a. ... Formul 2 [7]

S.V.A.

burada, adi karbonlu 9elik i~in Q = Enine <;ekme

a = Boyutsal uza1na degcri 6,5 J.lmni I oc

a= Sicakllk iletin1 katsay1s1 0.58 V Kaynak Hlz1

I= Kaynak Aklrru; Ak1m

U= Voltaj

'A= Ist iletim katsay1s1 (58 Kcal I mm.sn.°C)

4.1c). Bindirmc Kaynag1nda Sebim

8

=

F.b.L2 •••••••••••••••••••••••••••••• Formul 3 [5,6] 8.A.E.J burada~ 8

=

Sehim F = Cekme kuvveti b = Levha Kahnhgt

L = ParQa (kaynak) uzunlugu

E

=

Elastik modill

J

=

Kaynak kesiti atalet momenti A

=

Kaynak kesit alan1

4.2.a. Ko~e Kaynag. (.l) Boyuna ve Enine

(:ekme

Rt = 42.Re.So.L

E(S-So) ... Formul 4 [8]

burada,

Re= Akma dayan1m1

So= Kaynak kesiti (tek tarat)

L =Par~a uzunlugu

S== Toplam malzeme kesiti

4.2.b.Ko~e kaynag1 sehim hesab1

8 = 42.Re.So.k.L2

8.E.Jxx ... Formul 5 [8] burada ag1rhk merkezi,

k

=

Koordinat deger farlu (Y-X)

Y xx

=

A tal et momenti 5. MATERYAL VE YONTEM

Kaynakh birle~tirmelerde meydana gelecek ~ekme

,.

e

9arptlmalann tespiti maksadtyla ust tiste bindirnle ·ve

ko~e .l kaynak tiirleri se~ilmi~tir. Sekil 4 ve 5 ~ de deney numune boyutlar1 ve paso s1ralar1 verilmi~tir. Y ap1da meydana gelecek ~ekme ve 9arp1lma)'l azalt1c1

her hangi bir tedbir ahnmanu~tlr. Aym kaynal parametreleriyle her tiir i9in 4 deney numunesi

kullanllarak ~ekme ve 9arpllmalar ol9iilmii~ ve teoril<

degerler kar~Ila~t1nlmt~t1r. Deneysel 9al1§malarda

kullantlan kaynak parametreleri Tablo.l ' de

verilmi~tir.

~

0 •

240

Sekil 4. Ust iiste bindirtne ka)'nak numunesi ve boyutlan

(5)

i.Uygur, F.Mendi, M .K.KUiekci

~

e I

2

~ekil 5. _i Formundaki kaynak numunesi ve boyutlan

Tablo 1. Deneysel c;ah~malarda kullanllan kaynak parametreleri

•

KAYNAKPARAMETRELEID

Elektrod <;apt 4mm ortillti bazik elektrot.

Kaynak s1ras1 Once l.paso sonra 2. Paso (~ekil 4-5) l(aynak ak1m1 I= 165A

Ark Gerilimi U = 23.5V

Maize me St 37 adi karbonlu ~elik

Kaynak luzt V= 0,33 crnlsn

I<.aynak kahnltgt

Q

= 4,5

mm

Elastik Modiil E = 210 GPa

6. SONU<; VE TARTI~MA

Yukanda bahscdilen kaynak parametreleri

kullantlarak, yapllan \ist tiste bindirme kaynakh

birle~tirmede enine ve boyuna 9ekme degerleri formul

1 ve 2 'de kullanllan teorik hesaplamalarla

kar~Ila~ttnlmasi ~ekil 6 'da verilmi~tir. Benzer $ekil de

1 formunda konumland1nlan plakalann, k6$e kaynag1 ile birle~tirihnesinde boyuna 9ekmelerin form ill 3 ile kar~Ila~tlrllasi ~ekil 7 'de verilmi~tir.

Sekillerden de anla~llacagi gibi deneysel degerler ile,

fonnilllerden cldc edilen degerler aras1nda az bir fark gaze ~arpmaktadtr.

Raymond

f9l,

Kaynak i~lemi esnas1nda a~ag1da verilen malzcme ozelliklerinin degi~tigini bunun da ~ckme, ~arpllma vc metal bunyesindeki gerilmeleri onemli 6l9tide etkiledigini tespit etmi~tir.

• Kopma noktastndaki dii$me

• Elastiklik modilliindeki du~me

I Is1 kaytl katsay1ndaki dii~me

'

Ozgtil 1s1daki ytikselme

Teorik hesapla1nalarda kullamlan formilller gozontine alindlginda, malzemelerin ag1rh.kh olarak elastik

ozelliklerinin kullamld1g1 goriilmektedir. Ancak kaynak i~lemi esnas1nda par9alarda kahct ~ekil degi~ikligine neden olan elastoplastik ozellikler soz konusudur. Bu yiizden teorik hesaplamalarda kullan1lan formtiller Raymond'In ifade ettigi

degi~imleri de i~erecek ~ekilde yeniden modellenmesi durumunda, daha kesin teorik hesaplamalar yap1labilmesi mtimktin olacaktir. Ger~ektende yaptlan

~al1~madaki tist uste binditme kaynaginda teorik sehim hesaplamasmda yalmzca Elastik Modill goz oniine ahmm~ ve deneysel bulgularla

kar~Ila~tildlg1nda farklllar gozlenmi~tir. Fakat .l

kaynakh birle~tirmesinde sehim hesab1nda kullarulan formill 5 akma dayamm1 ile birlikte elastik modiihi de

goz oniine ahndig1ndan daha kesin netice verdigi ~ekil 8 'de gozlenmektedir

(6)

Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasanm •

1 0 8 -

•

0

•

_D 4 "

'

[]

E

D

E 0

6

-., ,

'

G)

E 0 4

-ll fl fl tJ. ~

,

G) A

..

•

0

0 2

_,

-..

0

l I l

0

1

2

3 ₄

₅

Deney numaras1

I

•

Formul 1

o

Formi.il 2

lJ.

Boy una

Ol~i.ilen ~ekme

deQerii ._ Enine

Ol~i.ilen ~ekme

deQeri

Sekil 6. Ust fiste bindir1ne formunda kaynatihrus St 37 adi karbonlu ~eliklerinde meydana gelen boyuna ve enine

Qekme degerlerinin teorik hesaplamalarla kar~Jla~tirllmasi.

0,4

0,3

oFormul 3

0,1

• Boyuna oiQUien 9ekme degeri

0

-~---~---~---~---~---~

0

1

2

3

4

5 Deney numaras1

~ekil 7. _L forxnunda kaynaulrms St 3 7 adi karbonlu 9eliklerinde meydana gel en boyuna ~ekme degerlerinin teorik

hesaplamalar la kar~lla~t1 nlmas1.

(7)

i.Uygur, F.Mendi, M.K.KUiekci 0,4 0,3 0,2 oFormul 3

0 1

-' • Boyuna olc;Uien c;ekme degeri

0

0 1

2

3

4

5

Oeney numaras1

Sekil 8. Dst iiste bindirme ve _L formunda kaynatllrms St 37 adi karbonlu Qeliklerinde meydana gelen sehim

degerlerinin teorik he sap lamalarla kar~tla~Unlmas1.

Yukandaki verilerden de anla~Ilacag1 iizere kaynakh

birlc~tirmelerde onemli ol9ude 9ekme ve Qarpllmalar

g

aze

Qarpmaktadir. Bu ylizden kaynakh

konstliiksiyonlarda kullarulan kaynak yontemi, kaynak

ag1z formu, yap1n1n risitlik derecesi, ozgill ISI girdisi,

rs1l genle~me katsay1s1, 1s1 iletim katsay1s1 ve erime

sicakhgirun distorsiyonlar iizerinde onemli etkisi

vard1r. Distorsiyonlar1 azaltmada [10]:

• Gaz kaynag1 yerine ark kaynagtmn kullantlmast,

• El ile yap1lan kay nak yerine, yar1 veya tarn

otomatik kaynak yonteminin kullamltnast,

• Cok

pasolu kaynak yerine, daha fazla kaynak

metali saglayan (yiiksek verimli), derin ni.ifuziyetli,

az pasolu kaynak i~letninin tercih edilmesi,

• Kaynak i~lemi esnasmda yaptda meydana

gelebilecek kalintl gerilimlerin aksi yondeki bir

on

gerilme ile dengelentuesi,

• <;arpllmalart kontrol altlna almada i~kencelerin,

baglama donammlar1run ve puntalamalann

kullamlmas1,

• Kaynak en c;ok slrurlandtrtlnu~, elemandan en az

s1mrlandinlmt~ _{elemana dog-m}_yapllmas1_,

• A~1n kaynak pasosu saytstndan ka~trulmasi

gerekmektedir.

KAYNAKLAR

[1] Uygur

i.

;

·'Environtnentally Assisted Fatigue

Response of Al - Cu - Mg - Mn with SiC Particulate

MMCs'', Ph.D Thesis. , University of Wales,

SWANSEA. , 1999., U.K.

[2j American Welding Society. , "Welding Handbook''

Vol 1 7th edition, 1981 .. _' USA.

[3] Anderson, J.C., Leavcr~ K.D., Rowlings~ R.D. ,

Alexander, J.M. , '~Material Science"., 4th edition,

1990.

[ 4] American Society for Metal

' "'Metals

Handbook", 1990, USA.

[5] Antk,S. , "Kaynakh ParQalarda olu~an Cekme ve

<;arp1lmalar", Miihendis ve Makine, Cilt 24, Say1

284, 1983,

[

61

An1k, S., "Kaynakh Parc;alarda olu~an <;ekme ve

<;arptlmalar", Milllendis ve Makine, Cilt 24, Say1

285, 1983, .

[7] Amk,S., "Kaynak Teknigi El Kitab1 Yontemler ve

Donammlar", 1991, iSTANBUL

[8] Macun, A., "Kaynakh <;elik Proses Te~hizat1 ve

Born

Donarumlartnda ~antiyede

Gerilim

Gidertne

•

I~lemleri", Miihendis ve Makine, Cilt 24,

Sayt

284,

1983, ANKARA.

(8)

Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasaram

[9] Raymond, J.S., Aruk: S., ~'Welding Prenciples and

Practices", Revised, 19 90.

[10] Ktilekci, M. K., ~·Kaynakh Yapllarda <;ekme,

<;arp1lma ve Bunlar1 Azaltma onlemleri", Gazi

Universitesi Fen Bilimlcri Enstitiisii, Yiiksek Lisans

Tezi., 1996~