TIG Kaynağı Uygulanmış Inconel 718 Malzemenin Darbe Dayanımının İncelenmesi Yağız Uzunonat
DOKTORA TEZİ
Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Ekim-2012
Examination of Impact Resistance of TIG Welded Inconel 718 Yağız Uzunonat
DOCTORAL DISSERTATION Department of Mechanical Engineering
October-2012
ONAY
Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora öğrencisi Yağız Uzunonat’ın DOKTORA tezi olarak hazırladığı “TIG Kaynağı Uygulanmış Inconel 718 Malzemenin Darbe Dayanımının İncelenmesi” başlıklı bu çalışma, jürimizce lisansüstü yönetmeliğin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.
Danışman : Yard.Doç.Dr. Melih Cemal KUŞHAN
Doktora Tez Savunma Jürisi:
Üye : Yard.Doç.Dr. Melih Cemal KUŞHAN
Üye : Yard.Doç.Dr. Ümit ER
Üye : Prof.Dr.M. Şerif KAVSAOĞLU
Üye : Yard.Doç.Dr. Müge Armatlı KAYRAK
Üye : Dr. Seyid Fehmi DİLTEMİZ
Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...
sayılı kararıyla onaylanmıştır.
Prof. Dr. Nimetullah BURNAK Enstitü Müdürü
TIG Kaynağı Uygulanmış Inconel 718 Malzemenin Darbe Dayanımının İncelenmesi
Yağız Uzunonat
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalında
DOKTORA TEZİ Olarak Hazırlanmıştır
Danışman: Yard.Doç.Dr. Melih Cemal KUŞHAN
Ekim 2012
ÖZET
Havacılık teknolojisindeki en önemli gelişmelerden biri olarak kabul edilen nikel esaslı süperalaşımlar, yüksek sıcaklık dayanımı, korozif ortamlardaki yorulma direncinin yüksekliği, imal edilebilirliği ve fiyat performans ilişkisi gibi pek çok temel özellikleri nedeniyle konvansiyonel uçak motorlarında en çok tercih edilen yapısal eleman olmuşlardır.
Inconel 718 süperalaşımı, muadili olan diğer nikel esaslı alaşımlardan ayrı biçimde yapısındaki γ′′-Ni3Nb fazının varlığıyla öne çıkmaktadır ve bu γ′′ parçacıkları yapıya asıl dayanımı kazandıran mekanizmayı oluşturmaktadır. Bu çalışmada, TIG kaynağı uygulanmış ve uygulanmamış Inconel 718 cıvatalar oda sıcaklığı, 500 oC ve 700oC’lik sıcaklıklara ısıtılmış ve ardından numuneler bu sıcaklıklar için çentik-darbe testine tabi tutulmuşlardır. Test sonuçların incelenmesinde parçaların darbe dayanım değerlerinin yanı sıra mikroyapının incelenmesi için optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve birlikte kullanılan EDX ünitesinden yararlanılmıştır. Bulunan sonuçlar son olarak gerçekleştirilen mikro sertlik analizleri ile beraber yorumlanmıştır.
Tez çalışmasının sonucunda; kaynaklı numunelerin özellikle kaynak bölgesi sertliğinin bariz oranda düştüğü ve kaynaksızlardan daha sünek bir şekilde kırıldığı görülmüştür. Kaynak işlemi sebebiyle dendrit sınırlarında biriken γ′′-Ni3Nb fazı taneler arası kırılmayı hızlandırmıştır. Kaynaksız numunelerin darbe dayanımlarının düşük çıkmasının sebebi ise, kaynaklı parçalarda mikroyapıda meydana gelen kısmi yumuşamanın sünekliği arttırarak darbeli yükler altındaki dayanımlarını yükseltmesi olarak belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Nikel esaslı süperalaşım, TIG kaynağı, kaynak mikroyapısı, darbe dayanımı, yüksek sıcaklık.
SUMMARY
Development of nickel base superalloys can be stated as the leading industrial progress in aviation technology with their high temperature strength mechanisms, high rates of fatigue resistance in corrosive environments, manufacturability and price- performance relationship. They have become most preferable structural materials in convensional aircraft gas turbine engine applications.
Inconel 718 is a prominent alloy between the equivalent structural materials with γ′′ content. Ni3Nb particules provide the actual strengthening mechanism. In this work, TIG welded and as received patterns were heated to three different temperatures as room temperature, 500oC, 700oC and then subjected to notch impact testing. Optical microscopy, SEM and EDX analyses have also been performed for microstructural inspection.
At the end of the dissertation studies; the HAZ microhardness of welded specimens obviously decreased and displayed more ductile fracture mode than unwelded specimens. Interdentritic precipitate γ′′-Ni3Nb phase accelerates intergranular fracture propagation. Reduction in the fracture rates of unwelded patterns can be explained by increased impact load resistance of welded specimens with higher ductility due to partial softening of structure.
Keywords: Ni-based superalloy, TIG welding, welding microstructure, impact resistance, high temperature service.
TEŞEKKÜR
Tez çalışmalarım boyunca her türlü desteklerini ve emeklerini benden esirgemeyen danışmanım Yard.Doç.Dr. Melih Cemal KUŞHAN’a, tezimin tüm aşamalarında yanımda bulunarak beni her konuda destekleyen ve cesaretlendiren eşim Ezgi Nihan UZUNONAT’a en içten minnet duygularımla teşekkürü borç bilirim.
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ... v
SUMMARY ... vi
TEŞEKKÜR ... vii
İÇİNDEKİLER ... viii
ŞEKİLLER DİZİNİ ... x
ÇİZELGELER DİZİNİ ... xiv
KISALTMALAR DİZİNİ ... xv
1. GİRİŞ ... 1
2. INCONEL 718’e UYGULANAN KAYNAK YÖNTEMLERİ ... 11
2.1. TIG Kaynağı ... 11
2.1.1. Kaynak edilebilen metaller ... 13
2.1.2.Arkın karakteristiği ... 14
2.1.3. Kaynak torçları ... 17
2.1.4. Kaynak elektrotları ... 19
2.1.5. Koruyucu gazlar ... 21
2.2. Elektron Işın Kaynağı ... 24
2.3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı ... 29
2.4. MIG-MAG Kaynağı ... 33
2.5. Lazer Kaynağı ... 37
İÇİNDEKİLER (devam ediyor)
Sayfa 3. INCONEL 718 KAYNAK MİKROYAPISI VE FİZİKSEL
ÖZELLİKLERİ ... 43
4. DENEYSEL ÇALIŞMALAR... 52
4.1. Ekipman ve Sarf Malzemeleri ... 53
4.2. Deney Sonuçları ... 59
4.2.1. Çentik-darbe deneyi sonuçları ... 59
4.2.2. Mikroyapı incelemesi ... 63
4.2.3. Mikro sertlik incelemesi ... 74
5. SONUÇ ... 76
KAYNAKLAR DİZİNİ ... 79
ÖZGEÇMİŞ ... 86
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
Şekil 1.1. Üç boyutlu turbofan jet motoru kesiti (Stolle, 2004)………... 1
Şekil 1.2. Turbofan jet motorunun çalışma prensibinin şematik gösterimi……... 2
Şekil 1.3. Türbin giriş sıcaklığında yıllara ve gelişen teknolojilere bağlı artış (Koolloos,2001)………... 3
Şekil 1.4. Yapısal alaşımların GE havacılık motorlarında 2000’li yıllardaki kullanımı (Schafrik, et al., 2001)………... 6
Şekil 2.1. TIG kaynağının uygulanması………. 12
Şekil 2.2. TIG kaynak donanımı şeması………. 13
Şekil 2.3. Bir TIG kaynak torcunun parçaları (Ertürk, 1987)……… 18
Şekil 2.4. EIK makinesini oluşturan parçaların yerleşim şekli……….. 27
Şekil 2.5. Elektron ışın tabancasının kesit resmi (Schultz,2002)………... 27
Şekil 2.6. Bir triod sistemindeki ışın geometrisi (Schultz, 2002)……….. 28
Şekil 2.7. Elektron ışınının odaklanması (Schultz, 2002)……….. 28
Şekil 2.8. Sürtünme karıştırma kaynak yönteminin çalışma prensibi……… 30
Şekil 2.9. Sürtünme karıştırma kaynağında parçaların baskı pabuçları ile sabitlenmesi………... 31
Şekil 2.10. Al-levhaların birleştirilmesinde kullanılmış bir karıştırıcı uç tasarımı ve ebatları (Mert ve Kaluç, 2001)………... 32
Şekil 2.11. MIG-MAG Kaynak donanımı……… 33
Şekil 2.12. Hava soğutmalı MIG tabancası (Sacks, 1976)………... 35
Şekil 2.13. Tel sürme tertibatı (Sacks, 1976)………... 36
Şekil 2.14 CO2 Lazer kaynağı ve cihazı şematik gösterimi ………..…. 38
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam ediyor)
Şekil Sayfa
Şekil 2.15. Lazer kaynak işleminin şematik gösterimi………. 39 Şekil 2.16. Lazer kaynağında kaynak bölgesi……….. 40 Şekil 2.17. Lazer kaynağının uygulanması……….. 42 Şekil 3.1. Bir metal alaşımın kaynaklanması sonucu oluşan bölgeler…………... 43 Şekil 3.2. Düzlemsel büyümeden hücresel büyümeye geçiş………. 44 Şekil 3.3. Inconel 718 kaynak ergime bölgesindeki dendritik
mikroyapı (Choi, 1972)……….. 44
Şekil 3.4. Inconel 718 kaynak mikroyapı bölgeleri (Choi, 1972)……….. 45 Şekil 3.5. Kaynak sırasında kısmen ergimiş ana metalin kaynak havuzu
çevresindeki tane yapısı (Kou, 2003)………. 46 Şekil 3.6. Tane sınırı ergimesi (Kou, 2003)………... 47 Şekil 3.7. a. γ′ [Ni3(Al, Ti)] kristal yapısı b. γ′′ [Ni3Nb] kristal yapısı
(Pineau and Antolovich, 2009)……….. 48 Şekil 3.8. δ – Ni3Nb kristal yapısı (Sundararaman, et al., 1997)………... 49 Şekil 3.9. Kaynak sonrası yapıda oluşan delta ve karbür fazları
(Liu, et al., 2005)……… 50
Şekil 4.1. Inconel 718 HPT bağlantı cıvatası………. 53 Şekil 4.2. Inconel 718 cıvataya TIG kaynağının uygulanması……….. 54 Şekil 4.3. Çentik darbe deneyi öncesi kaynaklı numunelerin son hali………….. 54 Şekil 4.4. Charp çentik darbe deneyi şematik gösterim………. 56
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam ediyor)
Şekil Sayfa
Şekil 4.5. Darbe deneyinde kullanılan Losenhausenwerk marka
çentik-darbe cihazı………. 58
Şekil 4.6. Kaynaklı ve kaynaksız numunelerin ortalama çentik
darbe mukavemetleri………. 62
Şekil 4.7. #W4 (20oC – kaynaklı) numune için
optik mikroskop görüntüsü (100x) ……… 64 Şekil 4.8. #W5 (500oC – kaynaklı)numune için
optik mikroskop görüntüsü (100x)... 65 Şekil 4.9. #W6 (700oC – kaynaklı)numune için
optik mikroskop görüntüsü (100x)……… 65 Şekil 4.10. #W4 (20oC – kaynaklı) numune için SEM görüntüsü (500x)………… 66 Şekil 4.11. #W4 (20oC – kaynaklı) numune için EDX analizi sonuçları…………. 67 Şekil 4.12. #W9 (700oC – kaynaklı) numune için SEM görüntüsü (100x)……….. 68 Şekil 4.13. #W9 (700oC – kaynaklı) numune için EDX analizi sonuçları………... 68 Şekil 4.14. #W2 (500oC – kaynaklı) numune için
optik mikroskop görüntüsü (200x)………. 69 Şekil 4.15. #W3 (700oC – kaynaklı)numune için SEM görüntüsü (500x)……….. 70 Şekil 4.16. #W3 (700oC – kaynaklı)numune için EDX analizi sonuçları……….. 70 Şekil 4.17. Nb parçacıklarının çökelmesinin sıcaklığa bağlı değişimi……… 71 Şekil 4.18. #NW18 (700oC – kaynaksız ) numuneye ait
kırılma hattını gösteren SEM görüntüsü……… 71
ŞEKİLLER DİZİNİ (devam ediyor)
Şekil Sayfa
Şekil 4.19. #W3 (700oC – kaynaklı) numuneye ait
kırılma hattını gösteren SEM görüntüsü……… 72 Şekil 4.20. #W8 (500oC – kaynaklı) numuneye ait SEM görüntüsü……….. 73 Şekil 4.21. Mikro sertlik değerlerinin uzaklığa bağlı değişimi……… 75
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge Sayfa
Çizelge 1.1. Jet motorunda kullanılan bazı alaşımların çekme dayanımları
(Schafrik and Sprague, 2008)………. 5
Çizelge 1.2. Inconel 718 kimyasal içerik (Matthew, et al., 2002)………. 7
Çizelge 1.3. Inconel 718gerilme mukavemeti ölçümleri (Matthew, et al., 2002)………... 9
Çizelge 1.4. Inconel 718 için yüksek sıcaklıktaki kopma gerilmesi değerleri (Matthew, et al., 2002)……… 9
Çizelge 2.1. TIG kaynak yönteminde akım türünün kaynak özelliklerine etkisi (Ertürk,1987)………..……… 16
Çizelge 2.2. Tungsten elektrotların bileşimleri ve renk kodları (Ertürk, 1987)……… 20
Çizelge 2.3. Argonun koruyucu gaz olarak performans analizi………. 22
Çizelge 2.4. Helyumun koruyucu gaz olarak performans analizi……….. 23
Çizelge 4.1. Çentik darbe cihazının teknik özellikleri………... 57
Çizelge 4.2. Çentik darbe deneyinde kullanılan parça numaraları ve kırılma sıcaklıkları………. 57
Çizelge 4.3. Numunelerin farklı sıcaklıklardaki kırılma değerleri……… 60
Çizelge 4.4. İşlem türüne göre üç farklı sıcaklık için ortalama kırılma değerleri…. 61 Çizelge 4.5. Mikro sertlik incelemesi sonuçları………. 74
KISALTMALAR DİZİNİ
Kısaltma Açıklama
α Sarkaç düşüş açısı β Sarkaç çıkış açısı cm3 Santimetreküp
dak. Dakika
DIN Deutches Institut für Normung EDM Electron discharge machining
EDX Energy dispersive X-ray spectroscopy EIK Elektron ışın kaynağı
ESPI Electron speckle interferometry Et al. Ve diğerleri
HTP High pressure türbine h1 Sarkaç düşme yüksekliği h2 Sarkaç çıkma yüksekliği ITAB Isı tesiri altındaki bölge K Cıvata kafa kalınğı
kg Kilogram
l1 Sarkaç kol uzunluğu
lt Litre
MAG Metal active gaz MIG Metal inert gas
m Metre
mm2 Milimetrekare
m3 Metreküp
mm Milimetre
P Cıvata adımı
PA Plasma arc
S Anahtar ağzı genişliği
s Saniye
KISALTMALAR DİZİNİ (devam ediyor)
Kısaltma Açıklama
TIG Tungsten inert gas Tm Ergime sıcaklığı vd. Ve diğerleri
YAG Ytrium alüminyum gamet
1. GİRİŞ
Modern dünyanın koşulları, tesis ve donanım tasarlayabilmek için yüksek mukavemetli yapısal malzemelerin kullanımını kaçınılmaz kılmaktadır. Yapısal malzemeler uygulanan yüklerin taşınması ve çalışan bölgedeki ayrışmaların önlenmesi açısından tüm mekanik sistemlerin belkemiği kabul edilir. Buradaki kritik rol, zorlayıcı koşullar altında çalışan malzemelerin güvenirliliğidir. Örneğin; elektrik üretim tesisleri, yağ rafinerileri, kimyasal işlem yapan tesisler, endüstriyel fırınlar ve pek tabi ki uçak motorları nikel esaslı süperalaşımların en çok kullanıldığı yerlere örnek olarak verilebilir. Ancak bu malzemeler özel işlemler için kullanıldığı ve çoğu zaman doğrudan gözlemlenemediğinden yaygın olarak bilinmemektedirler.
Şekil 1.1. Üç boyutlu turbofan jet motoru kesiti (Stolle, 2004)
Havacılık endüstrisi hızlı, yakıt verimliliği yüksek ve sessiz motorlarla güçlendirilmiş uçakları olmaksızın varlığını devam ettiremez. Jet motorları süperalaşımlar için mükemmel bir uygulama alanıdır. Bunun sebebi, çalışma ortamının sıcak, yüklerin fazla olmasına karşılık ağırlığın minimize edilmesinin gerekliliğidir.
Ayrıca kritik önem taşıyan yapısal elemanlar muayene ve tamir açısından ele alındığında motorun ulaşılması zor bölgelerinde bulunmaktadır ki, bu parçaların güvenli bir şekilde çalışarak yolcu ve yük taşıması beklenmektedir.
Durumun önemini, insanların güvenli ve hızlı bir biçimde dünya üzerinde seyahat edemedikleri bir yaşantının günümüzdekinden ne kadar farklı ve zor olacağını düşündüğümüzde anlayabiliriz. Sonuç olarak, hava ulaşımının keşfedildiği 1920’li yıllardan bu yana modern çağın vazgeçilmez bir parçası olmuştur. Hava taşımacılığına olan eğilimin hızla artmasının başka bir önemli sebebi ise, güvenliğin üst düzeye ulaşması ve yolculuk sırasında meydana gelebilecek hayat kaybı ya da yaralanma gibi durumların kara yolu taşımacılığına göre çok daha az olmasıdır.
Şekil 1.2. Turbofan jet motorunun çalışma prensibinin şematik gösterimi
Jet motorlarına yapılan süperalaşım uygulamalarını anlamak için motorun çalışma prensibini temel şekilde kavramak faydalı olacaktır;
Jet itkisi, lüleden çıkan basınçlı gaz kütlesinin tersi yönünde sağlanan güç sayesinde üretilmektedir. Tipik bir turbofan jet motorunda hava sürekli olarak motor girişine çekilir ve büyük bir fan tarafından basınçlandırılır. Bu basınçlı hava itki sağlamak için ya lüle üzerinden doğrudan atmosfere yollanır ya da jet motoru çekirdeğine doğru akar. Çekirdekte kompresör havanın basıncını daha da arttırır ve ardından yakıtla karıştırılarak sabit basınçta yakılır. Sıcak gaz kompresörü çalıştıracak
enerjiyi sağlayan yüksek basınç türbinine doğru genişletilir. Yüksek basınç türbininden çıkan gaz ön fanı çalıştıran ikinci bir düşük basınç türbinine doğru genişler. Düşük basınç türbininden çıkan çekirdek havası ek motor itkisini sağlayan lüleden akar.
1950’li yılların sonuna gelindiğinde üretici firmalar o zamana kadar paslanmaz çelikten üretilmiş olan türbin motorlarının mekanik ve ısıl kısıtlarıyla sınırlanmaya başladılar. Yapılan çalışmalar sonucunda, oksitleyici ortamlarda çok şiddetli mekanik gerilme ve gerinmelere dayanabilmek için kararlılıklarını kaybetmeyen malzemeler geliştirildi.
Şekil 1.3. Türbin giriş sıcaklığında yıllara ve gelişen teknolojilere bağlı artış (Koolloos, 2001)
Ergime sıcaklıklarının yaklaşık 0,6’sında (0,6 Tm) hizmet verebilen bu yeni malzeme grubu süperalaşımlar olarak adlandırılmaya başlandı (Üzgür, vd., 2011).
Süperalaşımlar genellikle Ni, Fe ve Co esaslı olmak üzere üç grupta incelenirler (Sims, et al., 1987). Ayrıca belli oranlarda ve kombinasyonlarda tungsten, molibden, tantal, niyobyum ve alüminyum vb. elementleri içermektedirler. Nikel esaslı süperalaşımlar üstün malzeme özellikleri nedeniyle diğerlerinin arasında özel bir yere sahiptir. Uçak gaz türbin motorlarında kullanılan malzeme olarak da ayrı bir önem arz etmektedirler.
Bu malzemelerin mükemmel denilebilecek özellikleri yüksek sıcaklık mukavemet dayanımından, korozif ortamlardaki yorulma direncinin yüksekliğine kadar büyük bir aralıkta görülebilmektedir. Söz konusu özelliklerinden dolayı sadece havacılık
endüstrisinin değil, gemi, tren, petrokimya ve nükleer güç santrallerinin de vazgeçemeyeceği malzemeler sınıfına girmişlerdir.
Günümüz alaşımlarının oluşumuna etki etmiş pek çok faktör vardır. Gelişime etki eden bazı önemli durum ve buluşları şu şekilde özetleyebiliriz;
• Fazladan yapılan alaşımlandırma ilaveleri topolojik sıkı istifli (TCP) metaller arası bileşiklerin kademeli oluşumuyla ortaya çıkan çökelme fazının kararsızlığına sebep olmaktadır. Alaşım, servis sırasında TCP fazlarının genellikle tane sınırlarında iğne biçimli hale gelmesi sebebiyle kırılganlaşır. Anlaşıldığı üzere alaşım geliştirme çalışmalarındaki en büyük kısıtlardan biri bu durumdur.
• Alaşımlar bazı özel ortamlardaki performansı optimize etmek için uygun hale getirilebilir. Fakat bu işlem diğer mekanik ve fiziksel özelliklerin düşmesine neden olur.
• Alaşımlar uygulamalar için en çok arzu edilen bileşime sahip olsalar bile, şekillendirme kısıtlarından dolayı karmaşık şekilli parçaların üretimine uygun olmayabilirler.
• Mukavemetlendirme elementleri ilave edildikçe ortaya çıkan alaşımın sünekliği azalır. Türbin kanat alaşımlarında bu durum en iyi 650oC ve 760oC arasında ve türbin pale bağlantı elemanlarında gözlemlenir. Sünekliğin azalması aynı zamanda türbin kanatçıklarının döküm katılaşması ve/veya ısıl işlem sırasında şekil değiştirme miktarı azalmış bir şekilde çatlamasına neden olur (Schafrik and Sprague, 2008)
Yukarıda açıklanmış olan problemler şu şekilde irdelenebilir; türbin kanatçıklarının 760oC’de en az %2 sünekliğe sahip olması gerekmektedir. Bu durum yüksek sürünme dayanımlı alaşımların kullanımını kısıtlamaktadır ancak kazanılan süneklik olası bir kırılmanın da önlenmesini sağlamaktadır. Az miktarlarda yapılan hafniyum ilavesi alaşımın kabul edilebilir minimum sünekliğe ulaşmasını sağlar. Sonuç olarak yüksek dayanımlı pale alaşımlarındaki tane sınırı sünekliğinin eksikliği yönlü döküm katılaşması (directional casting solidification) yöntemiyle çözülmüştür.
Yöntemde asal gerilme yönündeki tane sınırları ortadan kalkmaktadır. Kobalt esaslı alaşımların mukavemetlendirilmesi ise sadece katı çözelti alaşımlandırması ve karbür dağılımı ile mümkündür. Kobalt esaslı alaşımların nikel esaslılara göre yüksek
ergime sıcaklığı, çevresel dayanım ve kaynak edilebilirlik gibi özellikler yönünden üstünlükleri olmasına karşın mekanik özellikleri nedeniyle sadece yüksek dayanım istemeyen statik kısımlardaki uygulamalar için uygundurlar. Çizelge 1.1.’de bazı süperalaşımların sıcak çekme mukavemetleri görülmektedir.
Çizelge 1.1. Jet motorunda kullanılan bazı alaşımların çekme dayanımları (Schafrik and Sprague, 2008)
Malzeme Esas
Mukavemet (N/mm2)
650oC 815oC 980oC
A-286 Fe-Ni 317 55 -
Inconel 718 Fe-Ni 593 69 -
Udimet 700 Ni 703 297 53
Mar-M 247 Ni 848 421 117
X 40 Co 338 138 55
S 816 Co 317 124 -
Nikel esaslı alaşımlara küçük oranlarda yapılan titanyum ve alüminyum ilaveleri büyük bir gelişmeye olanak vermiş ve (γ′) – gama üssü olarak bilinen metaller arası faz oluşmuştur. γ′-[Ni3(Al, Ti)] oldukça iyi verimliliği olan ve yüksek sıcaklıklarda dayanımını mükemmel bir şekilde koruyabilen bir fazdır.
Keşfedildiği zamandaki metalografi donanımlarıyla γ′ kafes yapısı tam olarak analiz edilememiş olsa da daha sonraları 20. Yüzyılın en önemli buluşlarından biri olarak kabul edilmiştir (Eiselstein, 1972). Bu gelişmelerden kısa bir süre sonra nikel esaslı süperalaşımlar, türbin diskleri ve paleleri gibi rotatif yapısal elemanlar veya basınç odaları ve şasiler gibi statik yapısal elemanların üretimi için hedef seçilmişlerdir.
Bu çalışmanın konusu olan Inconel 718 söz konusu alaşımlara örnek olarak verilebilir. γ′ alaşımlarınki kadar ısıl kapasiteleri olmasa da γ′′ alaşımlar oldukça iyi bir çekme mukavemeti ile birlikte yüksek üretilebilirlik ve kaynak edilebilirliğe sahiptirler.
Şekil 1.4. Yapısal alaşımların GE havacılık motorlarında 2000’li yıllardaki kullanımı (Schafrik, et al., 2001)
γ′ ile mukavemetlendirilmiş nikel esaslı sistemlerde önemli alaşımlandırma ve süreç gelişmeleri meydana gelmiştir. Tüm servis sıcaklıklarında çok daha dayanıklı olan bu alaşımlar uygulama sıcaklıklarını daha üst seviyelere çıkarmışlardır. Bu sırada başka bir süreçte ’γ′′ - gama iki üssü (Ni3Nb) olarak adlandırılan fazda gerçekleşmiş ve nikel- demir esaslı alaşımların güçlendirilmesinde kullanılmaya başlanmıştır (Schafrik and Sprague, 2008). İlk üretilen γ′′ alaşımlar çentik hasarına karşı dayanıksızken bu durum eritme süreçleri ve sülfür kontrolü ile düzeltilmiştir. Şekil 1.4.’ten görüleceği üzere Inconel 718 alaşımı uygun fiyatı, döküm kabiliyeti, soğuk şekil verilebilmesi ve özellikle kaynak kapasitesi gibi özelliklerinin mükemmel dengesi sayesinde havacılık sektöründeki yerini hızla almıştır. Gerçekten de 50 yılı aşkın süredir Inconel 718 alaşımları 650oC’nin altındaki uygulamalarda jet motor üreticileri tarafından en fazla kullanılan malzeme olmuştur. Günümüzde kullanımda olan pek çok 718 alaşımı bulunmaktadır. Bu sebeple Inconel 718’in üretimi modern jet motoru kavramının oluşmasındaki en önemli etkenlerden birisidir.
Inconel 718 Co esaslı Fe esaslı Alüminyum Titanyum PM
Diğer Ni esaslı
Inconel 718’in oluşumu hakkında verilen bilginin ardından alaşımın mekanik ve fiziksel özelliklerinden bahsetmek yerinde olacaktır. Bu kısımda malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri verilecek ardından alaşımın kaynak edilebilirliği ve uygulanan kaynak yöntemleri hakkında bilgi ise bir sonraki bölümde ayrıntılı olarak açıklanacaktır.
Çizelge 1.2. Inconel 718 kimyasal içerik (Matthew, et al., 2002)
Element En Az En Fazla
Karbon - 0.08
Mangan - 0.35
Silisyum - 0.35
Fosfor - 0.015
Sülfür - 0.015
Nikel+Kobalt 50.0 55.0
Krom 17.0 21.0
Kobalt - 1.00
Alüminyum 0.35 0.80
Molibden 2.80 3.30
Titanyum 0.65 1.15
Bor 0.001 0.006
Bakır - 0.15
Cb+Ta 4.75 5.50
Çizelge 1.2.’de Inconel 718’in kimyasal bileşimi görülmektedir. Inconel 718’i oluşturan elementler ve bu elementlerin Inconel 718’e sağladıkları özellikler şunlardır;
Nikel (Ni) : Nikel genellikle bir alasım elementi olarak kullanılmasının yanı sıra yüksek mukavemetli, yüksek korozyon direncine ve ısıl dirence sahip nikel alaşımları için ana malzemeyi oluşturur. Saf halde dayanıklıdır, soğuk ve sıcak işlem görebilir ve orta seviyede isleme özelliklerine sahiptir.
Krom (Cr) : Çeliğin sertleştirilmesinde kullanılır. Kromun varlığı işlenebilirliği azaltır. Genellikle mukavemeti arttırmak için ilave edilir. Sertliği arttırması ve aşınma direncini iyileştirmesi de söz konusudur.
Kobalt (Co) : Dayanım ve oksitlenmeye karsı direnç sağlar. Yüksek sıcaklıklarda sert karbürler oluşturur, bu nedenle işleme esnasında alasım sertliğini korur.
Alüminyum (Al) : Hafifliğin yanı sıra dayanım sağlar.
Niyobyum (Nb) : Güçlü paslanmaz çeliklerin yapımında ve bazı paslanmaz çelik türlerinin kaynak çubuklarında, ayrıca demir dışı alaşımlarda da kullanılır.
Tantal (Ta) : Yüksek ısı ve oksidasyona karsı dayanım sağlar.
Titanyum (Ti) : Hafiflik, sağlamlık ve ısıya dayanıklılığın önem taşıdığı endüstrilerde kullanılır. Titanyum, çelik kadar dayanıklı, ancak ondan %45 daha hafiftir. Dayanıklılığı ve asitlere karsı dirençli oluşu nedeniyle, çeşitli alaşımların yapısına katılır.
Molibden (Mo) : Isıya ve aşınmaya karsı dirençli olan belli nikel esaslı alaşımların yapımında kullanılır. Molibden çeliklerin sertliğini arttırır, korozyon ve sürünme direncini iyileştirir. Nükleer enerji uygulamalarında, elektrikli ısıtıcıların ince tellerinde, füze ve hava taşıtlarının parçalarının yapımında da yer alır. Ultra-yüksek güçteki çeliklerin hemen hepsi, %8–25 arası oranda molibden içerir.
Tungsten (W) : X-ışını hedeflerinde, hava taşıtlarında ve metal buharlaştırma işlemleri gibi yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılır.
Mangan (Mn) : Mangan manyetik özelliği yok eder ve sertleştirilebilirliği iyileştirir. Kesici kenarın zarar görmesinin engellenmesi için güçlendirilmesi gerekir.
Inconel 718 mukavemetini çökelme sertleşmesinden alan ve dövmeye karşı dirençli bir malzeme olup 900oC ve 1120oC arasında dövülmektedir. İşlem sonrası sıcaklığın kademeli bir şekilde düşürülmesi ve 955oC’nin altına çekilmesi gereklidir.
Kademeli olarak yapılan yaşlandırma sertleştirmesi malzemenin tavlanması ve kaynaklanması sırasında ısınma veya soğuma nedeniyle kendiliğinden oluşabilecek sertleşmenin önlenmesini sağlar. Inconel 718 alaşımlar alüminyum ve titanyum ile sertleştirilmiş nikel esaslı alaşımlara oranla çok daha iyi kaynak edilebilirler (Başaran, 1998).
Daha önce de söz edildiği ve Çizelge 1.3.’te de görülebileceği üzere dayanımın artması için ilave edilen alaşımlandırma elementleri sünekliği azalttığından oda sıcaklığı ve ortalama sıcaklıklarda iyi sonuç vermelerine rağmen 650oC’nin üzerinde dayanımın düşmesine neden olmaktadır.
Çizelge 1.3. Inconel 718 Gerilme mukavemeti ölçümleri (Matthew, et al., 2002) Test Sıcaklığı (oC) 0.2 % Akma
Dayanımı (MPa)
Çekme Dayanımı (MPa)
% Uzama 2’’
93 1172 1407 21.0
204 1124 1365 20.0
316 1096 1344 20.0
427 1076 1317 19.0
538 1069 1276 18.0
649 1027 1158 19.0
760 758 758 27.0
En iyi çekme dayanımı ve gerilme kırılmasının elde edilmesi için şöyle bir ısıl işlem yöntemi izlenir; 1 saat 954oC’den 982oC’ye havada soğutma+ 8 saat 718oC’den 621oC’e soğutma 5oC/saat, 8 saat bekleme ve havada soğutma. Çizelge 1.4.’de ısıl işlem görmüş ve görmemiş Inconel 718 için gerilme kopma değerleri verilmektedir.
Çizelge 1.4. Inconel 718 için yüksek sıcaklıktaki kopma gerilmesi değerleri (Matthew, et al., 2002)
Test Sıcaklığı (oC)
Kopma Gerilmesi (MPa) 100 Saat 1000 Saat
Düz Çentikli Düz Çentikli 593 1172 1517 896 1416
649 758 1344 586 1172
704 517 896 379 552
760 303 434 172 241
En iyi oda sıcaklığı ve kriyojenik çekme dayanımı elde etmek için ise; 1’den 2 saate 1066oC, havada soğutma+ 8 saat 718oC’den 621oC’e soğutma 56oC/saat, 8 saat bekleme ve havada soğutma işlemi gereklidir.
Parçanın çalışma sıcaklığı 593oC’nin altında kalacaksa 627-1100oC arasında yapılan sıcak işlem alaşımın dövme dayanımını arttırır. Dövme sıcaklığında uzun süre tutulması tavsiye edilmez. Inconel 718 alaşımlar hem tavlanmış hem de yaşlandırma sertleşmesi uygulanmış halleriyle işlenebilirler (Schafrik and Sprague, 2008).
Inconel 718 endüstriyel uygulamalarda genel olarak ilave metal kullanılarak kaynaklanır ve kaynaktan sonra ısıl işlem görür. Kaynak sonrası gerilme çatlamalarına karşı direnç ve kaynak kabiliyeti açısından çok iyi bir alaşımdır (Kronovsky, et al., 1989).
Çökelme ile sertleşebilir nikel esaslı alaşımlar normal olarak kaynak sonrası deformasyon yaşlanması çatlamasına uğrarlar. Inconel 718 özellikle büyük taneler tarafından şiddetlendirilen ITAB çatlaklarına maruz kalır. Bir mikro çatlak; esas olarak ITAB’daki taneler arası ayrışmadır. Bunlar herhangi bir kaynak yönteminde ve herhangi bir Nb-Ni içerikli alaşımda meydana gelebilirler (Bavarian and Emmons, 1990).
Kaynak sırasında ITAB’daki mikro çatlak oluşumuna eğilimin, kaynak esnasında ITAB’da taneler arasında oluşan bir sıvı faza bağlı olduğu ortaya çıkarılmıştır. Taneler arası sıvı, zararlı bir şekilde dağılmadığı sürece kendi kendine bir sıcak çatlama eğilimi oluşturmaz (Vishwakarma, et al., 2007). Bu mikro çatlaksız durumlar için ıslanma açısının sıfırdan biraz daha büyük olduğu, mikro çatlaklı durumlar içinse sıfır olduğu gerçeğini ortaya çıkarır.
Nikel ve Ni-Fe esaslı alaşımlar MAG, TIG, EIK, Lazer ve PA teknikleri ile kaynak edilebilirler. İlave metal kullanıldığında, malzeme bileşiminde bulunmayan başka elementler de yapıya dahil olacağından hata ihtimali artar. Bu durumda daha sünek ve sıcak yırtılmanın en aza indiği östenitik alaşımlar kullanılır.
Yukarıdaki ergitme kaynağı tekniklerine ilaveten bu alaşımlar levha halinde ise direnç kaynağı yapılabilirler. Ayrıca sert lehimleme ve difüzyon kaynağı da uygulanabilir (Metals Handbook, 1983). Kaynak sırasında zorlanmanın fazla olduğu durumlarda ergime bölgesinde sıcak çatlamalara rastlanabilir (Kronovsky, et al., 1989).
2. INCONEL 718’E UYGULANAN KAYNAK YÖNTEMLERİ
2.1. TIG Kaynağı
TIG kaynağında ark, tungsten elektrot ile parça arasında oluşur. Koruyucu gaz olarak argon, helyum veya bunların karşımı kullanılabilir. Ark, elektrik iletkeni ve ark taşıyıcısı olan tungsten elektrot ile iş parçası arasında yanar. İlave malzeme, kaynak banyosuna önden, yandan, elle sevk edilen çubuk telle veya ayrıca bir sevk aparatı ile verilir. Kaynaktan sonra korozif artıkların temizlenmesine gerek olmaması, yüksek dayanımlı, korozyona dirençli ve sünek dikiş kalitesi vermesi, malzemeleri kaynaktan sonra minimum distorsiyona uğratması ve sıçrama kayıplarının olmaması bu ark kaynağı türünün önemli avantajlarındandır. Uygulama alanı olarak genellikle paslanmaz çelikler, bakır ve alaşımlarının, alüminyum ve alaşımlarının kaynaklarında kullanılmaktadır. TIG kaynağı, boyama prosesi öncesi yapılan raspalama işlemi sonrası ortaya çıkan kaynağın içindeki hatalarının (gözenek, cüruf sıkışmaları) ve sac yüzeyindeki haddeleme hatalarının tamirlerinde de kullanılabilir.
Tükenmeyen bir tungsten elektrot ve arkın bir soy gaz tarafından korunduğu TIG kaynağı, son derece önemli bir ark kaynak yöntemidir. Bu yöntemde, tungsten elektrot ile iş parçası arasında bir elektrik arkı oluşturulur. Ark bölgesi soy gaz veya karışımları ile korunur. Bu kaynak yönteminde genel olarak tek bir elektrot kullanılmasına rağmen, bazı durumlarda birkaç elektrot da kullanılabilmektedir. Bu kaynak metodu paslanmaz çelik, alüminyum, magnezyum, bakır ve diğer birçok demir dışı metaller gibi kaynak yapılması zor olan metallerin kaynatılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır.
TIG kaynağının metal yığma hızı diğer ark kaynak yöntemlerine göre düşüktür.
Kalın kesitli malzemelerin kaynağında ekonomik bir yöntem değildir. Açık ve rüzgârlı havalarda gaz altı koruma tam yapılamayacağı için kullanımı tavsiye edilmeyen bir kaynak yöntemidir.
Bağlantı çizgisinde esas metal ile tungsten elektrotun ucu arasında bir ark oluşturulur. Elektrot erimez ve kaynakçı ark aralığını sabit tutar. Akım güç ünitesi tarafından kontrol edilir; genellikle bir metre uzunluğunda tel şeklinde sunulan dolgu metali gerektiğinde banyonun ön cephesinden ilave edilir. Erimiş banyo, ark bölgesinde havanın yerini alan bir soy gaz tarafından korunur. Argon en çok kullanılan koruyucu gazdır (Gourd, 1996; Asarkaya, 2004; Durgutlu, 2005).
Şekil 2.1. TIG kaynağının uygulanması
TIG kaynağı, hem elle, hem de otomatik kaynak sistemlerine ile uygulanabilir.
Elektrot tükenmediği için ana metalin ergitilmesiyle veya ilave bir kaynak metali kullanarak kaynak yapılır. Her pozisyonda kaynak yapılabilir ve özellikle ince malzemelerin kaynağına çok uygun bir kaynak yöntemidir. Düzgün kaynak dikişi verir ve cüruf olmaması sebebiyle kaynak dikişini temizlemeye gerek yoktur. Kök paso kaynaklarında yüksek nüfuziyet ve gözeneksiz kaynak dikişleri verir.
TIG kaynak donanımı, Şekil 2.2’de görüldüğü gibi uygun bir akım üreteci, koruyucu gaz tüpü, gaz basınç ve debi ayar tertibatı, tungsten elektrotu taşıyan torç, akım kabloları ve gaz hortumu ile genelde akım üreteci üzerine monte edilmiş bir kontrol panelinden oluşur. Ayrıca yüksek akım şiddeti ile çalışma halinde bir de torcu
soğutmak için soğutma suyu devresi vardır. El kaynağı halinde torcun hareketi ve kaynak metali beslemesi kaynakçı tarafından yapılır; yarı otomatik yöntemde torç yine kaynakçı tarafından hareket ettirilir, burada tek fark kaynak ek metalini sağlayan telin ark bölgesine otomatik olarak bir tertibat tarafından sokulması ve sürekli olarak sabit bir hızla beslenmesidir (Anık, 1991).
Şekil 2.2. TIG kaynak donanımı şeması
2.1.1 Kaynak edilebilen metaller
TIG kaynağı ile pek çok metal ve metal alaşımın kaynağı yapılabilir. Karbon içeren tüm metaller, çelik alaşımlar, paslanmaz çelikler, ısıya dayanıklı alaşımlar, parlak metaller, alüminyum, nikel, titanyum ve zirkonyum alaşımları bunlara örnek gösterilebilir.
Kuşun ve çinkonun kaynak edilmesi zordur. Bu metallerin düşük ergime sıcaklığı sürecin kontrolünü son derece zorlaştırır. Çelikler ve diğer metaller yüksek sıcaklık süreç kontrolüne olanak sağlarlar. Çoklu paso ve ilave metal kullanılarak da kaynak yapılabilir. 6 mm kalınlığın üzerinde genellikle diğer kaynak yöntemleri tercih edilmelidir. Fakat çoklu paso yöntemi ile kalın parçaların da kaynağı yapılabilir. Elle
TIG kaynağında elektrot ve ilave metalin pozisyonları aşağıdaki şekilde verilmektedir.
Önce ark başlar, daha sonra şekilde gösterilen açı ve pozisyonlarda ilave metal veya ilave metalsiz olarak hem torç hem de kaynak teli hareket ettirilir. Metal ilavesi sırasında, koruyucu atmosferin dağılmaması ve torcun ilave metale deyip kirlenmemesi için çok dikkatli bir şekilde beklenmesi gereklidir (Metals Handbook, 1983; Anık, 1991;
Başaran, 1998, Elektrikçi, 2007).
TIG kaynağının diğer yöntemlere göre pek çok avantajı bulunmaktadır. Bunlar;
a) Cüruf oluşturmaz ve temizleme gerektirmez.
b) İlave metal her zaman gerekmez.
c) Her yönden kaynak edilebilir.
d) İnce parçaların kaynağında kusursuz ısı kontrolü sağlanır, ısı kaynağı ve ilave metalin her biri ayrı ayrı kontrol edilebilir.
e) Ark ve kaynak banyosu görülür.
f) Kaynak banyosuna istenildiği kadar metal ilave gönderilmesi mümkündür.
Yöntemin bazı dezavantajları ise;
a) Kaynak hızı yavaştır.
b) Tungsten elektrot kirlenir.
c) Düşük dolgu oranı vardır. Dolayısıyla zaman ve maliyet fazladır.
d) Tungsten elektrottan parçacıklar kaynak banyosuna girebilir.
2.1.2. Arkın karakteristiği
Tungsten elektrot ile parça arasında bir arkın oluşturulması gerektiğinde, bu aralığın elektriksel bakımdan iletken hale getirilmesi gerekir. Arkın tutuşturulması sırasında oluşan yüksek sıcaklık sayesinde, koruyucu gaz elektriksel bakımdan iletken hale gelir. TIG kaynak yönteminde kaynağa başlar iken arkın tutuşturulması önemli konulardan bir tanesidir, bu konuda uygulanan yöntemler şunlardır; sadece doğru akım ile çalışmada uygulanan elektrotu değdirerek tutuşturma yönteminin en önemli
üstünlüğü basitliği ve kaynak akım üretecinde ek donanımlara gerek olmamasıdır.
Özellikle saf tungsten elektrotlarda elektrot ucunun kirlenmesi ve elektrottan da iş parçasına tungsten geçişi yöntemin dezavantajlarıdır.
Bu şekilde tutuşturmada kaynak metalinde tungsten kalıntıları oluşabilir.
Elektrot alaşımlanır ve dolayısıyla ark kararsızlaşır. Bakırdan bir yardımcı levha üzerinde tutuşturmayla tungsten kalıntılarından kaçınılabilir. Bu yöntem sadece doğru akımda mümkündür.
Yeni bir tutuşturma tekniği de kaldırılan ark ile tutuşturmadır. Bu yöntemde çok düşük akım şiddeti yüklenen tungsten elektrot parça ile temas etmektedir. Dolayısıyla tutuşturma noktasında tungsten kalıntısı olmamaktadır. İlk önce elektrotun biraz yukarıya kaldırılmasıyla zayıf bir ark yakılmakta, daha sonra da kumanda tertibatındaki özel bir anahtar yardımıyla akım şiddeti tam gücüne ayarlanmaktadır.
Gerek doğru akım ve gerekse de alternatif akım uygulamalarında kullanılan yüksek frekans ile tutuşturmada, yüksek gerilim arkı elektrot ile iş parçası arasındaki gazı iyonize eder ve hemen kaynak arkı oluşur. Bu olay alternatif akımda her çevrimde tekrarlanır. Yüksek gerilim darbesi ile arkın tutuşturulmasında ise, elektrot iş parçasına yaklaştırıldığında bir yüksek gerilim akım darbesi elektrot ile iş parçası arasındaki gazı iyonize ederek kaynak arkının oluşmasını sağlar. Bu yöntem genellikle doğru akım ile kaynak yapan otomatik TIG kaynak donanımlarında kullanılır (Ertürk, 1987; Anık, 1991).
TIG, plazma ve lazer kaynak yöntemleri kullanan ya da plazma ile kesme yapan makinelerde sabit gerilimli bir kaynak makinesi kullanılarak, torç ve iş parçası arasındaki ark gerilim değişiminin geri beslenmesi ile kontrol edilen ve ark boyunu sabit tutan sistemler mevcuttur. TIG yönteminde kullanılan kaynak akım üreteçleri, örtülü elektrot ile ark kaynağında kullanılan türdekiler gibi sabit akım, diğer bir tanım ile düşen özellikli akım üreteçleridir. Sabit akımlı kaynak akım üreteçleri düşen tip voltamper karakteristiğine sahiptirler ve bu sayede, ark boyu değiştiği zaman akım sabit
kalabilmektedir. Eğimi fazla olan bir volt-amper eğrisinde kaynak çalışma aralığında ark voltajındaki değişmelere bağlı olarak akımdaki değişmeler oldukça küçüktür.
Çizelge 2.1., arktaki yük taşıyıcıların hareketlerini şematik olarak göstermektedir. Elektronlar katottan anoda doğru yer değiştirir ve burada çarpma sonucu ısı üretir. iyonlar ise ters yönde hareket eder. Ancak iyonların kinetik enerjisi, sadece elektrot anot ve parça da katot olduğunda kaynak banyosunun yüzeyi üzerine uygulanabilir. Fakat bu şekilde temizleme etkisi önemli oranda düşük olur çünkü pozitif kutuplanmış elektrotun kuvvetli şekilde ısınması, akım şiddetini zayıflatır.
Çizelge 2.1. TIG kaynak yönteminde akım türünün kaynak özelliklerine etkisi
Alternatif akımın kullanılması ile bu durumun iyi bir ortalaması elde edilir.
Kutbun değişmesi, sırasıyla, elektrot pozitif kutup olduğunda oksit tabakasının parçalanmasına (katotik temizleme) ve elektrot negatif kutup olduğunda da tekrar soğumasına olanak sağlar Bu nedenle iki yarı dalga, temizleme yarı dalgası ve soğutma yarı dalgası olarak adlandırılır. Bu bağlamda banyo yüzeyinin oksitten yeterli sekide temizlemesi ve elektrotun dayanma süresinde önemli bir artış sağlanır.
Esas metal eridiğinde, erime noktası alüminyumunkinden oldukça yüksek olan yüzeydeki oksit tabakası erimemiş halde kalır. TIG Kaynağında herhangi bir dekapan olmadığından oksit tabakası arkın etkisi ile uzaklaştırılmalıdır. Bu olay sadece elektron akışı kaynak banyosundan elektroda doğru ise, yani elektrot pozitif kutba bağlı ise gerçekleşir. Bu bağlama şeklinin dezavantajı oluşan ısının büyük bir bölümünün elektrotta açığa çıkması nedeni ile elektrotun fazla ısınmasıdır. Alüminyum kaynağında ortaya çıkan ısınma sorununu çözmenin yolu, bir alternatif akım arkı kullanmakta yatmaktadır. Elektrot pozitif olduğu yarım çevrimler sırasında oksit, erimiş alüminyumdan dışarı saçılır. Negatif yarım çevrimler sırasında kaynak banyosunda ısı üretilirken elektrot soğur. Bu şekilde ısının üniform olarak dağılımı sağlanır ve elektrotun bir ölçüde erimesi engellenir. Genellikle elektrotun ucunda erimiş tungsten bir küre oluşur (Anık, 1991; Günel ve Ercan; 2003; Gourd, 2006).
2.1.3.Kaynak torçları
Kaynak torçları, iş parçası ile uçtaki tungsten elektrot arasında kaynak için gerekli olan elektrik arkını oluşturabilmek için, akım kablosundan aldığı akımı elektroda iletmek ve koruyucu gazı kaynak banyosunun üzerini örtecek biçimde sevk etmek görevlerini yerine getirmesi için geliştirilmiş bir elemandır. Genelde torçlar hava soğutmalı ve su soğutmalı olarak iki ana gruba ayrılırlar. Hava soğutmalı torçlarda soğutma, turcun dış kısmında hava yardımı ile iç kısmında ise akan koruyucu gaz tarafından gerçekleştirilir, bu neden ile bunlar gaz soğutmalı torçlar adı ile de anılırlar.
Bunlar hafif, akım yüklenme kapasitesi 200 amperi geçmeyen, manipülasyonu kolay ve su soğutmalı olanlara nazaran daha ucuz torçlardır.
Akım kapasitelerinin sınırlılığı nedeni ile ancak ince parçaların kaynağı için uygundurlar. Kafa açısı diye tanımlanan, tungsten elektrot ile torç sapı arasındaki açı normal olarak 120°dir, bununla beraber bu açının 90° olduğu dik torçlar, 180° olduğu kalem tipi torçlar ve uç açısının ayarlanabildiği döner başlıklı torçlar da uygulamada kullanılmaktadır.
Kalem tipi torçlar görünüşleri bir kurşun kalemi andırdıkları ve kullanırken de baş kısmı aşağıya gelecek biçimde kalem ile yazı yazar gibi tutuldukları için bu şekilde adlandırılmışlardır. Bunlar diğer türlerin giremediği yerlerde kullanılabilen torçlardır.
Hafif ve manipülasyonu kolay oldukları için özellikle ince sac kullanan üreticiler tarafından tercih edilmektedirler.
Şekil 2.3. Bir TIG kaynak torcunun parçaları (Ertürk, 1987)
Bu torçların çok yaygın olarak bir diğer kullanım alanı da uçak endüstrisidir, özellikle jet motorlarının yanma odalarına ve diğer parçalarına rekor ve manşonların kaynatılmalarında bu tür torçlar büyük bir manipülasyon kolaylığı sağlamaktadır. Döner başlıklı torçlar biçim olarak kalem tipi torçları andırırlar, burada torcun meme ve elektrot tutucu kısmı küresel mafsallı olarak sap kısma bağlanmıştır ve bu şekilde torç açısı değiştirilerek kullanma sahası genişletilmiş ve torca üniversallik kazandırılmıştır.
Su soğutmalı torçlar yüksek akım şiddetlerinde su soğutmalı metalik gaz nozulları ile kullanılmak koşulu ile standart olarak 1000 amper akım kapasitesine kadar
üretilirler; otomatik TIG kaynak sistemlerinde sadece bu tür torçlar kullanılır.
Sızdırmazlık contalarının bozulması halinde ise çalışma sırasında su buharlaşarak koruyucu gaza karışır kaynağın kalitesini bozar, gözenek ve çatlak oluşumuna neden olur (Ertürk, 1987; Anık, 1991; Durmuş, vd., 2003).
2.1.4. Kaynak elektrotları
TIG kaynak yöntemi ile diğer elektrik ark kaynağı yöntemleri arasındaki en önemli fark, ek kaynak metalinin elektrot tarafından sağlanmaması ve elektrotun sadece ark oluşturma görevini üstlenmiş olmasıdır; bu bakımdan burada, erime sıcaklığı 3500
°C civarında olan tungsten, elektrot malzemesi olarak seçilmiştir. Yüksek erime sıcaklığının yanı sıra tungsten çok kuvvetli bir elektron yayıcıdır ve yayılan elektronlar ark sütunu içinde kuvvetli bir elektron akımı oluşturur ve ark sütunundaki atomları iyonize ederek, arkın kararlılığını sağlar.
Günümüz endüstrisinde ticari saflıktaki tungsten (% 99,5 W) ile toryum, zirkonyum ve lantanyum ile alaşımlandırılmış elektrotlar kullanılmaktadır. Uygulamada karşılaşılan TIG kaynak elektrotlarını, saf tungsten elektrotlar, alaşımlı elektrotlar ve çizgili elektrotlar olmak üzere üç grup altında toplamak mümkündür. TIG kaynak elektrotları, AWS A5.12 ile DIN 32528 de bileşimlerine göre sınıflandırılmış ve bunları birbirlerinden kolaylıkla ayırt edebilmek için de renk kodları kullanılmıştır.
DIN 32528 de TIG kaynak elektrotlarının çapları (0,5), (1,0), (1,6), (2,0), (2,4), (3,0), (3,2), (4,0), (5,0), (6,0), (6,4) ve (8,0) mm boyları ise 50, 75, 150, 175 mm olarak belirlenmiştir. AWS A5.12 de ise elektrotların çapları (0,01), (0,02), (0,04), (1/16), (3/32), (1/8), (5/32), (3/16), (1/4) inç boyları ise 3, 6, 7, 12, 18 ve 24 inç olarak saptanmıştır.
Çizelge 2.2. Tungsten elektrotların bileşimleri ve renk kodları
İşareti Malzeme No Oksit içeriği Katışıklar (%) Renk kodu
WT 10 2,6022 0,90 – 1,20
ThO2 ≤0,20 Sarı
WT 20 2,6026 1,80 – 2,20
ThO2 ≤0,20 Kırmızı
WT 30 2,6030 2,80 – 3,20
ThO2 ≤0,20 Leylak
WT 40 2,6036 3,80 – 4,20
ThO2 ≤0,20 Portakal
WZ 4 2,6050 0,30 – 0,50
ZrO2 ≤0,20 Kahverengi
WZ 8 2,6062 0,70 – 0,90
ZrO2 ≤0,20 Beyaz
WL 10 2,6010 0,90 – 1,20
LaO2 ≤0,20 Siyah
Yedi inçten daha uzun olanlar sadece mekanize ve otomatik kaynak yöntemlerinde kullanılırlar. Uygulamada elektrot çapı, elektrotun maksimum akım yüklenebilme kapasitesi göz önüne alınarak seçilmelidir, bu değere yaklaşıldığında arkın ısı yoğunluğu artmakta, daha sabit bir ark ile nüfuziyeti fazla, dikiş yüksekliği az bir kaynak dikişi elde edilebilmektedir (Ertürk, 1987; ASM Handbook Vol 7, 1984;
Ateş, vd., 2002).
2.1.5. Koruyucu gazlar
TIG kaynağında başlangıçta helyum daha sonra argon gazı kullanılmıştır. Her iki gaz da tek atomlu ve inert gazdır. Bu nedenle diğer elementlerle birleşmezler; renksiz ve kokusuz olup yanmazlar. Helyum gazı havadan hafifken argon havadan ağırdır.
Dolayısıyla helyum uçucudur ve koruma kabiliyeti düşüktür. Ancak argon, havadan ağır olması nedeniyle erimiş metali daha iyi korur. Yüksek akım şiddetinin kullanılması gereken hallerde, daha yüksek ark gerilimi sağlayan helyum gazı kullanılır.
Hafif metal ve alaşımlarının kaynağında kullanılan argon gazının çok saf olması gerekir. İçerisinde bulunabilecek su buharı, oksijen ve azot gibi etkenler kaynağın kalitesini düşürür. Argon gazı 150-180 atmosfer basınçta ve içerisinde 6 ila 9 m3 gaz içeren tüplerde taşınır. Helyumun iyonizasyon enerjisi oldukça yüksektir (24,5 eV) dolayısıyla da uzun bir ark boyuna gerek gösterir. Bu da ark gerilimini yükseltir.
Kaynak yerine verilen ısı miktarının yükselmesi dikişin oluşumuna ve kaynak sırasındaki davranışına aşağıdaki şekilde etki eder:
a) Nüfuziyet, tipik argon parmağı formunu kaybeder ve dikiş genişler b) Ön tavlamaya gerek kalmaz veya çok az miktarda uygulanır c) Kaynak hızı yükselir.
d) Sıcak ve iyi şekilde gazı alınmış bir kaynak banyosu elde edilir.
e) Kaynak arkı sakin değildir; TIG kaynağında alternatif akımda arkın tutuşması zordur (Anık, 1991; Lowke et al., 1997; Elöve, 2004).
Argon gazının iyonizasyon enerjisi 15,78 eV’tur, helyum gazının ise 24,58 eV’tur. Yani helyum gazı ile oluşan ark daha yüksek enerjiye sahip bir ısı kaynağı olmaktadır. Çizelge 2.3. incelendiğinde özellikle kompleks şekilli ve küçük parçaların kaynağında argon gazının tercih edilmesi gerektiği görülmektedir. Hızlı kaynaklarda veya kalın parçalarda, derin nüfuziyet için helyum gazı tercih edilir. Argonda ısıyı kontrol altına almak daha kolaydır. Elle yapılan TIG kaynaklarında argon gazı tercih edilmelidir.
Otomatik tezgâhlarda elde edilebilen hızlı kaynaklarda helyum kullanılabilir.
Östenitik krom - nikel, paslanmaz çelik, bakır ve nikel alaşımları ile titanyum ve alaşımları normalde argonla kaynaklanır, yüksek nüfuziyet isteyen uygulamalarda helyum tercih edilebilir. Alüminyum ve alaşımları magnezyum ve alaşımları ile karbon çeliklerinin TIG kaynağında çok özel uygulamaların dışında argon daha iyi netice verir.
Argonun helyuma göre bir üstünlüğü de arkın daha kolay başlamasıdır. Söz konusu koruyucu gazların kaynak parametreleri ve süreci üzerindeki etkisi Çizelge 2.3. ve Çizelge 2.4.’te verilmektedir. Kaynak edilecek parça geometrisi ve kimyasal bileşimi göz önüne alınarak koruyucu gaz seçimi yapılmalıdır.
Çizelge 2.3. Argonun koruyucu gaz olarak performans analizi Düşük ark voltajı
Daha az ısı girdisi. Argon 1,6 mm kalınlığındaki metallerin elle kaynağında çok yaygın olarak
kullanılır.
İyi temizleme yönü
Özellikle alüminyum alaşımları veya yüksek oranda alüminyum içeren demir alaşımlarda yüzey
oksitlenmesini önler
Kolay ark başlangıcı İnce metallerin kaynak edilmesini sağlar Ark kararlılığı Helyum daha büyük bir ark kararlılığı sağlar
Az gaz hacmi Hava daha ağır olduğu için az hacimle koruma sağlar Düşey ve tavan kaynağı İyi bir kaynak banyosu oluşturulması için tercih edilir.
Otomatik kaynak 25 inç/dakika altında kaynak işlemlerine uygundur Farklı metallerin kaynağı Helyumdan daha iyi sonuç verir.
Helyum doğada hidrojenden sonra en hafif gazdır, özgül ağırlığı 0,179 kg/m³ olup havadan yaklaşık 7 kat daha hafiftir. Argonun özgül ağırlığı ise 1,784 kg/m³’tür ve havadan 1,4 kere daha ağırdır. Bu farklılık her iki gazın kaynakta kullanımında gaz sarfiyatını etkilemektedir. Tavan kaynak pozisyonu haricinde, kaynak işlemende aynı korumayı gerçekleştirebilmek için daha fazla helyuma gerek vardır.
Argon gazına yaklaşık % 10 hidrojen karıştırılması halinde kaynak arkının daha daraldığı, buna karşılık voltajın arttığı görülmüştür. Buna bağlantılı olarak da, kaynak bölgesindeki ısı artmakta ve daha hızlı ve stabil bir kaynak sağlanmaktadır. Farklı metallerin birleştirmesi gerekmeyen ve büyük parçaların kaynaklanması için ideal olan helyumun koruyu gaz olarak analizi Çizelge 2.4.’de verilmektedir. Paslanmaz çelik,
Inconel 718 ve monelin kaynağında bazı hallerde gözeneğe mani olmak için Ar - He karışımları kullanılabilir.
Bu gaz karışımı hidrojenin olumsuz metalürjik etkileri bulunan çeliklerde hiç bir zaman kullanılmamalıdır. Koruyu gaz içinde hidrojenin varlığı ark gerilimini yükseltmekte ve kaynak banyosunu daha akıcı yapmakta ve sıvı kaynak metalinin ıslatma kabiliyetini yükseltmektedir. Amerika’ da özellikle ince paslanmaz çelik boruların üretiminde tercih edilen bu karışım gazın iki ayrı bileşimi % 15 Helyum - % 85 Argon ve % 5 Helyum - % 95 Argon bu alanda oldukça yaygın bir uygulamaya sahiptir (Manz, 1973; Guille, 1977; Anık, 1991; Lowke et al., 1997).
Çizelge 2.4. Helyumun koruyucu gaz olarak performans analizi
Yüksek ark voltajı Daha fazla ısı girdisi. Dolayısıyla kalın metallerin kaynağında kolaylık sağlar
Küçük ITAB
Yüksek hız ve büyük ısı girdisi ITAB’ın dar olmasını sağlar.
Dolayısıyla daha az aşınma ve daha yüksek mekanik özellikler sağlar.
Büyük gaz hacmi
Helyum havadan hafif olduğu için kaynak banyosuna argona nazaran 1,5-3 kat daha fazla hacimde gönderilmesi gerekir. Çok
iyi koruma sağlar. Özellikle tavan kaynaklarında kullanılır.
Otomatik kaynak 25 inç/dakika üstünde rahatlıkla kullanılmayı sağlar.
İç köşe dikişlerinde ve alın dikişlerinin dolgu (ara) ve kapak pasolarında TIG kaynak torcunun sağladığı koruyucu gaz akışı, oksidasyondan korumada yeterli bir atmosfer oluşturur. Ancak örneğin boru hatlarının ve basınçlı kapların kaynağı gibi uygulamalarda, paslanmaz çeliklerde, kökün korozyon dayanımının sağlanması gereken durumlarda, kökün bir banyo emniyeti olmadan (altlıksız) kaynağı halinde bu koruma yeterli gelmez. Bu gibi durumlarda kaynak ağzının kök tarafından da bir gaz koruması gerekir. Genellikle ara ve kapak pasolarının çekilmesi sırasında, kök paso yüksek sıcaklığa çıkt4ğından ve oksitlendiğinden, alt yüzeyden korumanın sürdürülmesi gerekir. Kök tarafından koruma, ya gaz korumasıyla veya her iki taraftan iki torç ile aynı anda kaynak yaparak sağlanır. En çok kullanılan kök koruma gazı, TS EN 439'a göre F2 grubunu oluşturan ve şekillendirici gaz olarak adlandırılan N2 –H2 karışımıdır (% 90-92 N2, kalanı H2) (Manz, 1973; Guille, 1977; Anık, 1991; Lowke et al., 1997).
Kaynak banyosunun atmosferik şartlardan korunması için gerekli minimum gaz miktarının belirlenmesinde aşağıdaki parametrelere bağlıdır.
a) Koruyucu gazın cinsi
b) Koruyucu gaz lülesinin iş parçasına uzaklığı c) Bağlantı şekli
d) Koruyucu gaz lülesinin çapı e) Gaz lülesinin şekli
f) Kaynak banyosunun şekli g) Kaynak akımının büyüklüğü h) Kaynak boyu
i) Kaynak hızı
j) İş parçasının pozisyonu
k) Kaynak edilecek alaşım veya metal
2.2. Elektron Işın Kaynağı
Elektron ışın kaynağı geleneksel kaynak yöntemleri ile elde edilemeyen teknik özellikleri elde etmek için kullanılan bir teknolojidir. Bu kaynak yöntemi, oluşan düşük ısı girdisi ile kalıntı gerilmeler ve distorsiyonların ve de mikro yapısal değişimlerin minimize edilmesi bakımından bazı durumlarda vazgeçilemez. Elektron ışın kaynağı uygulamaları ilk olarak 1950'li yıllarda nükleer alanda kullanılmaya başlanmış, refrakter ve reaktif malzemeleri birleştirmek için uygulamalar yapılmıştır. Daha sonraları otomotiv endüstrisinde 1967 yılında ABD ve sonra da diğer Avrupa ülkelerinde kullanılmaya başlanmıştır. Otomotiv sektöründe ise ilk olarak volan üzerine dişlileri kaynaklamak için Michigan'da kullanılmıştır. Avrupa'da da üçlü hız dişli kutusunda frenleme bandının iki parçasını kaynatmak için Almanya'da uygulanmıştır.
Transmisyon, hız dişlilerinin ve senkronize dişlilerinin kaynağını içeren uygulamalar bu yöntemle yapılmıştır.
Elektron ışın kaynak yöntemi gelişmekte ve birçok endüstrilerdeki uygulamaları artmaktadır. Farklı metallerin elektron ışın kaynağı kullanılarak birleştirilmesi son
yıllarda ilgi çekici bir konu haline gelmiştir. Elektron ışın kaynağının yüksek enerji yoğunluğu, kontrol edilebilir ışın boyutu ve kaynak bölgesi, benzer veya farklı metallerin kaynağında bu kaynak yöntemini önemli hale getirmiştir.
Elektron ışın kaynağı (EIK), yoğunlaştırılmış ve yönlendirilmiş elektron ışınının metallerin yüzeyine çarparak oluşturduğu ısı enerjisinin metallerin birleştirilmesinde kullanıldığı bir yöntemdir. Elektronların açığa çıkartılması, hızlandırılması ve bir noktada odaklanıp yoğunlaştırılması, elektron ışın tabancasıyla elde edilir. Elektronların toplam kinetik enerjisi iş parçasının küçük bir yerinde yoğunlaştırıldığı için, enerji yoğunlaşması 108 W/cm2 ’ye kadar ulaşabilir (Robins, 1981; Metsbower, 1983; Çalık 2004).
Elektron ışın kaynağı ile kaynak yapılacak parçalar genellikle ilave metal kullanılmaksızın birleştirilirler ve birleştirilecek iki parçanın arasındaki boşluğun 10-
2 mm’den daha fazla olmaması gerekmektedir. Elektron ışın kaynağında kaynak dikiş formu diğer yöntemlere göre farklıdır. Bu yöntemde, kaynak dikişinin derinlik/genişlik oranı yüksektir (25/1). Bu durum kalın parçaların tek pasoda kaynak yapılmasını sağladığı gibi kaynak banyosunun küçük olmasına neden olmaktadır. Bunun sonucu kaynak yapılan parçanın birim uzunluk başına ısı girdisi diğer kaynak yöntemlerine göre düşüktür. Dolayısıyla dar kaynak bölgesi, daha az distorsiyon ve hatasız kaynak imkanı ortaya çıkmaktadır.
Tam yoğun malzemelerin elektron ışın kaynağında yüksek derinlik/genişlik oranı kaynak dikişinde gözenek ve kök kısmında boşluk oluşumuna neden olmaktadır.
T/M parçalarda bu durum büyük problemlere neden olabilir. Ayrıca ışınların odaklandığı bölgede yüksek sıcaklığın etkisiyle alaşım elemanlarının buharlaşması ortaya çıkabilir. Bu durum kaynak bölgesinde kimyasal kompozisyon farklılıklarına neden olacaktır.
Yüksek hızdaki elektronlar çok küçük bir alana (0.25-0.75 mm) yoğunlaştırılıp gönderilmesiyle elektronlar, sahip oldukları kinetik enerjileri, ısı enerjisine dönüşerek malzeme ile temas ettiği yerleri ergitir. Ergimiş metallerin birbiri ile teması birleşmeyi
sağlar. Hava gibi gazlar elektron ışın demetinin formunu bozduğu için, kaynak işlemi genelde yüksek vakum altında yapılır (AWS V-3, 1971; Kearns, 1984; AWS V-1, 1991;
Kuşhan, 1996; Çalık, 2004).
EIK makineleri genel olarak EIK için uygulanan basınca göre üçe ayrılmaktadır.
1.Yüksek Vakumlu (10-6-10-3Torr) 2.Orta Vakumlu (10-3-25Torr)
3.Vakumsuz (Kaynak atmosferik basınçta) gerçekleşir.
Her 3 tip EIK sisteminde de elektron tabancası, kontrollü güç kaynağı, bir veya çoklu vakum pompası sistemi ve diğer ekipmanlar ile birlikte kullanılır. 3 tip EIK makinesinde de yüksek voltaj kullanılabilir. EIK’da kullanılan ışın akımı 0,5-1500 mA arasındadır. Yüksek vakumlu EIK makineleri birçok avantaja sahiptir. Bunlar;
1. Daha az ısı girdisiyle daha dar ve derin kaynak dikişleri elde edilir, 2. Boyut hassasiyetine sahip derin nüfuziyetli kaynaklar yapılabilir, 3. İnklizyon, porozite, yetersiz ergime ve nüfuziyet gibi kusurlar olmaz, 4.İmpuriteler yüksek sıcaklık ve düşük basınç altında giderilebilir
5.Vakum, gazları kaynak bölgesinden uzaklaştırır, böylece kaynak alanı atmosferin zararlı etkilerinden korunmuş olur ve metal oksitlerin çoğu 10-4 Torr ve daha düşük vakumda özellikle de 1000oC de buharlaşırlar (Kurşungöz, 1996).
EIK makineleri, elektron tabancası ve vakumlu makinelerde vakum odasından oluşur. Elektron tabanca sistemi; elektrik kontrollü, vakum hücresi ise birkaç kademeli pompalama sisteminden meydana gelir.
EIK makinesini oluşturan parçalarının şematik resmi Şekil 2.4 ve Şekil 2.5’de elektron ışın tabancasının kesit resmi verilmiştir (Sanderson, 1981; Sanderson, 2000;
Çalık, 2004).
Şekil 2.4. EIK makinesini oluşturan parçaların yerleşim şekli (Schultz, 2002)
EIK makinesi katot, anot, kontrol elektrodu, odaklama bobini, ışın saptırma sistemi, ışın doğrultma sistemi ve vakum ünitelerinden oluşmaktadır.
Şekil 2.5. Elektron ışın tabancasının kesit resmi (Schultz, 2002)
Bu sistemin oldukça kısa bir kullanım süresinden sonra, sadece bir anot, katot ve kontrol elektrotu içeren ve "Wehnelt silindiri" olarak bilinen "triod" sistemleri, EIK ve diğer elektron ışın imalat yöntemlerinde kullanılmıştır.
Şekil 2.6. Bir triod sistemindeki ışın geometrisi (Schultz, 2002)
Elektronlar, anottan geçtikten sonra, son hızlarına ulaşmış olmalarına rağmen, ayrılan ışın kaynak metalleri için hala yeterli güç yoğunluğuna sahip değildir. Bunu elde etmek için elektron ışını odaklanmalıdır.
Şekil 2.7. Elektron ışınının odaklanması (Schultz, 2002)
Halka şeklinde bir bobin kullanımıyla ve manyetik alanların uygulanmasıyla, negatif bir şekilde yüklenmiş elektronların hareketinin yönünü etkilemek mümkündür.
Halka, yüksek bir geçirgenliğe sahip demir muhafazayla korunan, üç tarafta da büyük
miktarda sargı sayısı içeren bobinlerden oluşmuştur. Şekil 2.7.’de odaklamanın nasıl yapıldığı gösterilmiştir.
2.3. Sürtünme Karıştırma Kaynağı
Sürtünme karıştırma kaynağı ilk defa 1991 yılında The Welding Institute tarafından geliştirildi. Alüminyum ve alaşımlarının geleneksel ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesinde doğan problemler, araştırmacıları yeni birleştirme yöntemleri geliştirmeye yönlendirmiştir. Nikel esaslı alaşımlarının (özellikle yaslandırma sertleşmesi yapılmış olan) ergitme kaynak yöntemleri ile kaynağında, yüksek ısı girdisi bu malzemelerin ısıl genleşmelerinin yüksek olması ve katılaşma sıcaklık aralıklarının geniş olması sonucu kaynak dikişinde çatlak oluşumuna neden olabilmektedir. Ayrıca ark kaynağındaki yüksek ısı girdisi, alüminyum alaşımlarında ısının tesiri altındaki bölgede (ITAB) tane sınırlarında düşük ergime dereceli fazların oluşumuna ve dolayısıyla bu bölgede katılaşma esnasında tane sınırlarında çatlamalara yol açtığı da bilinmektedir. Yaslandırma sertleşmesine tabi tutulmuş alüminyum alaşımlarının ergitme kaynak yöntemleri ile birleştirilmesinde karşılaşılan bir başka problem, kaynak dikişinde sertleştirici çökeltilerin çözünmesi ile ITAB’da aşırı yaslanma sonucu sertlik ve mukavemetin düşmesidir. Bu durum kaynak bölgesinde mekanik uyumsuzluğa sebep olmaktadır. Belirtilen bu sebeplerden dolayı, bu malzemelerin birleştirilmesinde katı hal kaynak yöntemleri (difüzyon, sürtünme ve sürtünme karıştırma kaynağı) büyük avantajlar sağlamaktadır (Nagasawa and Otsuka, 1981; Kalıç ve Bozduman, 1998; Çam, 2001; Özdemir, vd., 2007).
Sürtünme karıştırma kaynağı alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen omuzlu bir ucun daldırılarak kaynak yapılmak istenilen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir. Karıştırıcı uç, malzemelere temas ettiğinde temas noktasında sürtünmeden dolayı oluşan ısı hızla artar ve malzemelerin plastik değişimine neden olur. Bu değişim malzemelerin akışını sağlar ve birleşme olayı gerçekleşir (Nagasawa and Otsuka, 1981; Kalıç ve Bozduman, 1998; Çam, 2001; Özdemir, vd., 2007).
Kaynak, işlemin ısı kaynağı olan ucun ileri hareketi ile şekillenir. Sürtünme karıştırma kaynağında sürece etkiyen mekanizmalar sürtünme, plastik deformasyon ve yeniden kristalleşmedir. Bu mekanizmaların hepsi alüminyum alaşımlarında harekete geçirilebilecek mekanizmalardır. Bu kaynak yöntemi ile ergime sıcaklıkları oldukça düşük olan alüminyum ve bakır gibi malzemeler alın kaynağı da yapılabilir.
Şekil 2.8. Sürtünme karıştırma kaynak yönteminin çalışma prensibi
Bu yöntemle kalınlıkları 1-50 mm aralığında değişen döküm ve haddelenmiş nikel esaslı süperalaşımlarında da oldukça iyi mekanik özelliklere sahip, kusursuz kaynaklı bağlantılar elde edilebilmektedir. Kaynak esnasında ısıl deformasyonlar olmadığı için oldukça verimlidir. Bu işlemde karıştırıcı ucun meydana getirdiği sürtünme ısısı, karıştırıcı ucun etrafında ve karıştırıcı ucun omuzu altında yumuşamış bir metal tabakası oluşturur (Nagasawa and Otsuka, 1981; Kalıç ve Bozduman, 1998;
Çam, 2001; Özdemir, vd., 2007).
