MAKINA-IMALAT TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU
BİLDİRİLER KİTABI
Editör:
Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU
MMO Yayın No: 228
14-15 EKİM 1999
KONYA
tmmob
makina mühendisleri odası
Sümer Sokak. No: 36/1-A Demirtepe, 06440 - ANKARA Tel : (0.312)231 31 59-231 31 64-231 80 23-231 80 98 Fax : (0.312)231 31 65
e-posta: mmo@mmo.org.tr http://www.rnmo.org.tr
MMO Yayın No :228
ISBN :975-395-331-3
Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO 'nıın izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb.
yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir.
KAPAK TASARIMI : Y. Doç. Dr. Mete KALYONCU
DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI KONYA ŞUBESİ BASKI : HÜNER-İŞ MATBAACILIK - KONYA Tel: (332) 353 45 17
Makı'na-lmalat Teknolojileri Sempozyumu, 14-15 Ekim 1999, KONYA
0.8 mm ET KALINLIĞINDAKİ KROMATLI MİKRO ALAŞIMLI ÇELİK SAÇLAR ile 1.0 mm ET KALINLIĞINDAKİ GALVANİZ KAPLANMIŞ KROMATLI MİKRO ALAŞIMLI ÇELİK SAÇLARIN ELEKTRİK DİRENÇ
NOKTA KAYNAĞINDA KAYNAK AKIM ŞİDDETLERİNİN
BAĞLANTILARIN MİKRO YAPILARINA ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Dr. Müh. S. ASLANLAR 1 A. ÇELİK 2 V. KARABAŞ 3 Dr. E. İLHAN 4 1 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi
Ozanlar-SAKARYA
2 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar-SAKARYA
3 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar-SAKARYA
4 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Ozanlar - SAKARYA
Özet
Anahtar kelimeler: Kaynak, Nokta kaynağı, Galvanizli saclar, Mikro alaşımlı saclar, Otomotiv
Endüstrinin çeşitli alanlarında elektrik direnç nokta kaynağının kullanımı yaygın şekilde artmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe elektrik direnç nokta kaynağı kullanımı üst safhalara ulaşmıştır. Araçların karoserileri, takviye sacları ve şase bağlantılarında elektrik direnç nokta kaynağı kullanılmaktadır. Bu kısımlarda kullanılan saclar korozyona karşı dayanıklı ve kaynaklanabilirle kabiliyeti iyi olan galvanizlenmiş krornatlı mikro alaşımlı çelik saclarıdır.
0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile 1,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kronıatlı mikro alaşımlı çelik sacların elektrik direnç nokta kaynağında, kaynak akım şiddetinin kaynak bağlantısının mikro yapılarına etkileri araştırılmıştır.
Kaynaklı bağlantıların birleştirilebilmesi için 120 kVA gücünde elektrik akım ve zaman kontrollü, tek kollu pnömatik basma tertibatlı, elektrik direnç nokta kaynak makinasi kullanılmıştır. Kaynak akım zamanlan 5, 10, 15, 20 , 25 periyot olarak seçilmiş; kaynak akım şiddetleri 3,5 kA'den başlayarak 10 kA 'e kadar l'er kA arttırılarak ayarlanmıştır. Elektrot basıncı 6 kN 'de sabit tutulmuştur. Elde edilen bağlantılar zımparalama ve parlatma işlemine tabi tutulduktan sonra dağlama işlemi yapılarak optik mikroskop altında esas metal, kaynak bölgesi ve ısının tesiri altındaki bölgenin mikro yapı fotoğrafları elde edilip , mikro yapı değişimleri incelenmiştir.
1 Giriş
Otomobil üreten şirketlerin dünya piyasalarında kendilerine iyi bir yer bulabilmeleri için otomobil kullanıcılarının isteklerine cevap vermeleri gerekir. Bu istekler araç karoserisinin korozyona karşı dayanıklı olması, kullanılan sacın darbelere karşı dayanıklı olması ve herhangi bir zorlamada bağlantı yerlerinin hasar görmemesi ve maliyetin düşük olmasıdır.
Yukarıda sayılan bu istekleri otpmotiv üreticileri yerine getirebilmek için uzun süren araştırmalar yapmışlar ve bazı yenilikler getirmişlerdir. Bu yenilikler, korozyona dayanıklı sacların kullanımı ve kaynak kabiliyeti iyi, dayanımı yüksek, şekillendirilmesi kolay galvaniz kaplı mikro alaşımlı çelik saclardır.
Çelik sacların korozyona dayanıklı hale getirilmesinde birçok yöntem uygulanmaktadır. Bunlar çeliğin bileşimini değiştirmeden, malzemenin yüzeyine korozyona dayanıklı bir tabaka ile kaplamak (galvanizleme, kromatlama vb.) veya çeliğin bileşimine korozyona karşı dayanımını arttıran alaşım elementlerinin katılmasıdır (Paslanmaz çelikler). [1.2]
Konstruksiyonların imalinde kullanılan en yaygın imal yöntemi kaynaktır. Kaynak yöntemleri işlemin cinsine göre ergitme kaynağı ve basınç kaynağı olmak üzere ikiye aynhr. Basınç kaynağı yöntemi arasında elektrik direnç nokta kaynağı otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan başlıca kaynak yöntemidir. [3]
2 Elektrik Direnç Nokta Kaynağı
Elektrik direnç nokta kaynağının prensibi, elektrotlar arasında basınç altında bir arada tutulan iş parçalarından geçen elektrik akımına karşı, iş parçalarının gösterdiği direnç nedeniyle meydana gelen ısı ile yapılan kaynak yöntemidir (Şekil 1 ) .
Kaynak için gerekli akım, yüksek gerilim ve düşük akım şiddetindeki şebeke elektrik akımını, düşük gerilim ve yüksek akım şiddetinde kaynak akımına çeviren kaynak makinasından sağlanır. Gerekli basınç veya elektrod kuvveti, pnömatik veya mekanik donanımlar ile gerçekleştirilir. [4,5,6 ]
Şekil. 1 Elektrik direnç nokta kaynağının prensibi [7]
. akımı, R ohmik direncinden t süresince geçtiğinde, Joule kanununa bağlı olarak J birim ısı açığa çıkar.
Q = I2 R t ( 1)
Burada,
R = RI + R2+ R 3 + R 4 + R 5 + R Ğ + R . 7 ' ( 2 )
dır, yani sekonder devredeki toplam dirençtir. Bu direnç!er(Şekil 1) Malzeme dirençleri
R«, R7 : Elektrotların direnci R2, R» : İş parçalarının dirençleri - Temas dirençleri
R ı , R5 : Elektrod - malzeme temas direnci R3 : Malzeme - malzeme temas direnci
- 176-
Malzeme direnci, malzemenin fiziksel özelliklerinden kaynaklanır ve değişken değildir. Temas dirençleri ise, malzemenin ve elektrotların uç durumlarına bağlı olarak değişir. Kaynak sırasında R3 , en büyük ısının gerçekleşeceği direnç olarak seçilir. Diğer dirençlerdeki ısınmaların mümkün olduğunca küçük olması gerekir.
Bu ise, lk kaynak akımının, tk kaynak süresinin ve F elektrot kuvvetinin seçimiyle sağlanır. R,, R3, R5 temas dirençleri bağlantının kalitesine etki ederler . [8 ]
R3 kaynak bölgesindeki sıcaklık, malzemenin te erime sıcaklığının üzerine çıkar. Burada sıvılaşan malzeme, kaynak sonrasında kaynak çekirdeğini oluşturur.
Rı ve R5 temas bölgelerindeki ısınma, mümkün olduğunca düşük tutulur. Bu ise, iyi ısı ileten elektrod ve malzeme yüzeyleriyle sağlanır. Yüzeylerdeki pas, yağ ve boya gibi iyi ısı iletmeyen tabakaların olmaması gerekir. Temas dirençleri, farklı büyüklükte ısı miktarlarına ve bağlantı dayanım özelliklerinin farklılaşmasına yol açar. [9]
3 Deneysel çalışmnlar
Bu çalışmada deney malzemeleri olarak seçilen 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile 1,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromatlı mikro alaşımlı çelik sac çiftleri, elektrot formu, elektrot malzemesi, soğutma suyu giriş hızı ve elektrot kuvveti sabit kalarak, kaynak akım şiddeti ve kaynak akım süresi değiştirilerek ve her şartlarda kaynaklı bağlantı numune serileri elde edilmek üzere, elektrik direnç nokta kaynağı île birleştirilmiştir.
3.1. Deneylerde kullanılan malzemenin özellikleri, boyutları ve hazırlanması.
Deneylerde kullanılan saclar 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çelikler ile 1,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromatlı mikro alaşımlı çelik saclardır. Galvaniz tabakasının kalınlığı 23 um dir . Bu galvanizli kromatlı mikro alaşımlı çelik sacın kimyasal bileşimi Tablo l'de ve Tablo 2 'de, deney sırasındaki boyutları Şekil 2'de verilmiştir.
Tablo 1 0.8 mm et kalınlığında kromatlı mikro alaşımlı çeliklerin spektral analız sonuçlan
c
0.002 P 0.015
S 0.005
Mu 0.114
Si 0.010
Al 0.036
KİMYASAL BİLEŞİM
Cr 0.019
Mo 0.002
Ni 0.012
Bo 0.0005
Cu 0.004
N b 0.020
Co 0.005
V 0.005
Fc 99.73
Tablo 2 1.0 mm et kalınlığında galvanizli kromatlı mikro alaşımlı çeliklerin spektral analız sonuçlan
c
0.002 P 0.012
S 0.004
Mn 0,113
Si 0.010
Al 0.044
KİMYASAL BİLEŞİM
Cr 0.031
Mo 0.003
Ni 0.013
Bo 0.0005
Cu 0.024
N b 0.018
Co 0.005
V 0.001
l e 99.72
— — — — — — —
1
1 - © -
1
-30
1 1 t
100
_ _ _._ — _ - .
-170
Şekil 2 Deney parçalarının boyutları [10]
3.2. Kaynak makinası ve kullanılan elektrotlar
Deneylerde, tek kollu 120 KVA gücünde, elektronik akım ve zaman kontrollü, pnomatik basma tertibatlı elektrik direnç nokta kaynağı makinası(') kullanılmıştır.Elektrot kuvveti sürekli ölçülmüş ve kontrol edilmiştir.
Kaynak akım şiddeti değerleri, kaynak makinasınm üst koluna yerleştirilen bir manyetik alan ölçümlü akım trafosu (2) ve geniş alanlı bir ampermetre (3) ile devamlı olarak ölçülmüştür.Kaynak zamanı, sıkıştırma ve tutma zamanlan makinanın kendi elektronik donanımları aracılığı ile ayarlanmıştır.[11]
Deneylerde küresel uçlu, küre çapı 16 mm olan elektrotlar (4) kullanılmıştır Tablo 3'de elektrotların kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri, Şekil 3'de elektrotların boyutları verilmiştir.
Tablo 3 Deneylere kullanılan elektrotların kimyasal bileşimleri ve mekanik özellikleri [12]
Elektrodu nTipi CRM16
X CuCrZr(U
el)
Kimyasal Bileşimi
g.k. Cu
%0.40 Cr
%0.03 Zr
Isıl iletkenlik (J/ctnsK)
320
Elektrik İletkenliği (ra/fimm2
) 48
Çekme Dayanımı
(N/mm2)
540
Şekil 3. Deneylerde kullanılan elektrotların boyutları 3.3. Deneylerin Yapılışı
Deney parçaları, Şekil 3'te gösterilen boyutlarda hazırlanıp temizlendikten sonra, deney parçaları 30 mm üst üste bindirilerek, bindirme kısmının orta noktasından kaynak edilmiştir. Elektrot kuvveti tüm deney boyunca 6 kN değerinde sabit tutulmuş ve sürekli olarak kontrol edilmiştir. Kaynak süresi 5, 10 , 15 , 20 , 25 periyotlar olarak değiştirilmiştir. Sıkıştırma ve tutma süreleri, bütün serilerde 25 periyot olarak sabit tutulmuştur. Kaynak akım şiddeti 3.5 kA'den başlayarak 1 kA'lik artışlarla 10 kA'e kadar arttırılmıştır. Deneylerde uygulanan kaynak periyodu Şekil 4'te gösterilmiştir
1 Mistaş A.Ş.
2 Hikar Marka Akım Trafosu
3 Metex Digital Multimeter
4 Arslan kaynak Metal
178-
Elektrot Kuvveti (6 kN)
Kaynak Akım Şiddeti (3.5kA-10kA)
Sıkma Kaynak Tutma
(25 pcr.) (5,10,15,20,25 Per.) (25 Per.) Şekil 4 Deneylerde uygulanan kaynak periyodu
3.3.1 Metaiografik çalışmalar
Elektrik direnç nokta kaynak makinasında kaynağı yapılmış serilerin her birinden alman numuneler, mekanik olarak çekirdek ortasından kesilmiş ve bakalit içerisine gömülmüştür. Zımparalama (320, 600, 800, 1000, 1200) işleminden ve parlatma işlemlerinden sonra numuneler %3 çözeltili nitrik asit ile dağlanmıştır.[13]
4. Deneysel sonuçların irdelenmesi
Şekil 5., Şekil 6, Şekil 7 , Şekil 8 , Şekil 9 ve Şekil 10'deki mikro yapı fotoğraflarında görüldüğü gibi kaynak akım zamanının ve kaynak akım şiddetinin artmasından dolayı, kaynak bölgesine kaynak ısı girdisinin artmasıyla ısının tesiri altındaki bölgede tane irileşmesi meydana gelmektedir. Kaynak metalinin mikro yapı fotoğraflarında, kaynak metallerinin düzgün kolonsal yapıda olduğu tespit edilmiştir
Galvanizli kromatlı mikro ala
"S
"S
s
Wen'
Gali
Ül
i
Kromatlı mikro alaşımlı
Şekil 5 Esas metalin mikro yapısı
Kaynak akım zamanı
PERİYOT
Kaynak akım şiddeti
Esas metal
7kA
Isının tesiri
altındaki bölge Kaynak metali
Şekil 6 Bağlantının mikro yapısı
- 180 -
t
Kaynak akım zamanı
HO
Kaynak akım şiddeti
Esas metal Isının tesiri
altındaki bölge Kaynak metali
il 7 Bağla
Kaynak akım zamanı
HO
1
Şekil 8
Kaynak akım şiddeti
Esas metal Isının tesiri
altındaki bölge Kaynak metali
ÜHİl
- 182-
Isının tesiri altındaki bölge
ŞekiJ 9 Bağlantının mikro yapısı
Isının tesiri altındaki bölge
Şekil 10 Bağlantının mikro yapısı
- 184
5. Sonuçlar ve Öneriler
0.8 mm et kalınlığında kromath mikro alaşımlı çelikler ile 1,0 mm et kalınlığında galvaniz kaplanmış, kromath mikro alaşımlı çelik saclar ile. yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sonuç ve bu sonuçdan çıkan öneriler aşağıda sunulmuştur.
• Mikro yapı fotoğraflarından elde edilen sonuçlara göre kaynak akım zamanının ve kaynak akım şiddetinin artmasından dolayı,kaynak bölgesine kaynak ısı girdisinin artmasıyla ısının tesiri altındaki bölgede tane irileşmesi meydana geldiği tespit edilmiştir. Tane irileşmesinin istenmediği yerlerde düşük akım şiddetleri ve kısa kaynak zamanlan tercih edilmelidir. Aşırı tane irileşmesinin meydana geldiği kaynak parametrelerinde kaynak yapılacak ise bu oluşum göz önüne alınması ve uygun tedbirlerin alınması gerekir.
Kaynaklar
[I] ANIK , S., Kaynak Tekniği Cilt III, İ.T.Ü. Kütüphanesi no. :1183, 1981 [2] N.N, Galvanotechnik, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 1988
[3] ANIK , S., Kaynak Teknolojisi El Kitabı, Ergör Matbaası, 1983
[4] N.N., VViderstandschvveissen von stâhlen bis 3 mm einzeldicke Punktschweisseignung, Merkblatt DVS 2902,Teil 2, Mârz 1990
[5] ANIK, S., Kaynak Tekniği El Kitabı, Yöntemler ve Donanımlar, Kansu Matbaacılık, 1991 [6] N, N., VVelding Handbook, Vol. 4 Metals and Their Weldability, 7.Ed., AWS, 1982 [7] N.N., Widerstandschweisstechnik, T.G.A. Resistance VVelding Technology
[8] ERYÜREK, B., Elektrik direnç kaynağı mühendis ve makina, Sayı 279 1983, s22/31 [9] FRİTZ, R, SCHULZE, G., Fertingungstechnik, VDI, verlag, 1991
[10] N. N., DİN Taschenbuch 8, Schvveisstechnik 1 Beuth verlag GmbH. Berlin Köln 1980 [ I I ] S. ASLANLAR, Galvanizli, kromath mikro alaşımlı çeliklerin elektrik direnç nokta kaynağında uygun hasar modunun tespiti.Doktora tezi, SAÜ, Müh. Fakültesi, 1999
[12] N.N., Arslan Kaynak Metal, İstanbul, 1998
