Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi
Cilt: 11, No: 1, 2014 (31-45)
Electronic Journal of Machine Technologies
Vol:11, No: 1, 2014 (31-45)
TEKNOLOJİK
ARAŞTIRMALAR
www.teknolojikarastirmalar.com
e-ISSN:1304-4141
Makale
(Article)
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının
Mekanik ve Metalurjik Özellikleri
Niyazi ÇAVUŞOĞLU*, Hüseyin ÖZDEN*
Ege Üniversitesi Müh. Fak. Makine Mühendisliği Bölümü, 35100 İzmir/TÜRKİYE
*
[email protected]
Özet
Otomotiv sektöründe karma malzemelerin lazer kaynaklı birleştirilmelerine olan ilgi her geçen gün artmaktadır.
Bu sebeple, farklı özellikteki malzemelerin birlikte kullanıldığı kaynak bağlantılarında ortaya çıkan sorunların
çözümü ile ilgili araştırmalar halen devam etmektedir. Bu çalışmada, otomobil karoserinde yaygın olarak
kullanılan 1.2 mm kalınlığında düşük karbonlu çelik (DC04) ile 2 mm kalınlığında aluminyum alaşımı (6061-T6)
sac levhaların lazer bindirme kaynak bağlantıları araştırılmıştır. Lazer bindirme kaynak bağlantılarının mekanik
ve metalürjik özellikleri incelenmiştir. Kaynak bölgesinin makro ve mikro yapıları optik mikroskop ve taramalı
elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenmiştir. Ayrıca kaynak bölgesinde ve intermetalik tabaka üzerinde
sertlik ölçümleri yapılmıştır ve ölçüm yapılan noktalarda (EDX/EDS) ile element analizi yapılmıştır. Bu inceleme
sonuçları kullanılarak kaynaklı birleştirme sonucunda oluşan intermetalik fazlar belirlenmeye çalışılmıştır. Elde
edilen verilere göre, lazer gücüne bağlı olarak ısı girdisinin artması ile bindirme kaynaklı numunelerde nüfuziyet
derinliğinin arttığı, çekme-makaslama kuvvetinin azalmasına bağlı olarak dayanımın düştüğü tespit edilmiştir.
Farklı özellikteki malzemelerin birbirlerine kaynaklı bağlantılarında, kırılgan intermetalik bileşiklerin oluşumuna
bağlı olarak ortaya çıkan sorunlar uygun işlem parametrelerinin seçimi ile kısmen de olsa giderilebilir.
Anahtar Kelimeler: Farklı Malzemeler, Bindirme Kaynağı, Lazer, Otomotiv, Çelik, Aluminyum.
Mechanical and Metallurgical Properties of
Laser Lap Welded Steel-Aluminum Dissimilar Metal Pair
Abstract
The interest in laser lap welding of hybrid materials is continually increasing in many sectors. Hence, the studies
regarding the solution of problems that arise due to the use of different materials together in welded joints are still
continuing. In this study, the laser lap welding of low carbon steel sheet metal (DC04; thickness: 1.2 mm) and
aluminum alloy sheet metal (6061-T6; thickness: 2 mm) has been examined. The selected materials are widely
used in automotive industry. Mechanical and metallurgical properties of laser lap welded joints were investigated.
Macro and micro structures of the weld zone are visualized by optical microscopy and scanning electron
microscopy (SEM). Additionally, the hardness values is measured on the weld region and the intermetallic layers.
Elemental analysis is carried out on the points of the hardness measurement by SEM. The formed intermetallic
phases are tried to determine by using the results of this examination of welded joints. According to the obtained
data, it is determined that increasing of heat input increases the depth of penetration, and decreases the tensileshear force. Problems due to the formation of brittle intermetallic compounds in the welding joints of materials
with different properties have been partially eliminated with the selection of proper process parameters.
Keywords : Dissimilar Materials, Lap Welding, Laser, Automotive, Steel, Aluminum.
Bu makaleye atıf yapmak için
Çavuşoğlu N.*, Özden H.*, “ Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının Mekanik ve Metalürjik Özellikleri” Makine Teknolojileri Elektronik
Dergisi 2014, (11) 31-45
How to cite this article
Çavuşoğlu N.*, Özden H.*, “ Mechanical and Metalurgical Properties of Laser Lap Welded Steel-Aluminum Dissimilar Metal Pair” Electronic Journal of Machine
Technologies, 2014, (11) 31-45
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
1. GİRİŞ
Lazer kaynak yöntemleri, özellikle yüksek kaynak hızı, derin nüfuziyet, kontrol edilebilir ısı girdisi gibi
birçok avantajları nedeniyle geleneksel ergitme kaynak yöntemlerinin yerini almaktadır. Konvansiyonel
kaynak yöntemleri ile mümkün olmayan tasarımlar günümüzde lazer kaynak yöntemleriyle
gerçekleştirilebilmektedir. Farklı malzemelerin kaynaklı bağlantılarında, malzemelerin ergime
sıcaklıkları, ısıl iletkenlikleri ve ısıl genleşmeleri arasındaki farklardan kaynaklanan metalurjik sorunlar
büyük önem arz etmektedir. Ulaşım sektöründe, özellikle otomobil karoseri imalatında çelik ile
alüminyum alaşımları gibi hafif metallerin kaynak bağlantılı tasarımlarına olan ilgi artmaktadır.
Farklı iki malzemenin kaynağında, kullanılan malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, oluşan
ergime bölgesinin karakteristiklerini belirler. Özellikle bağlantının mekanik dayanımını sınırlayan
kırılgan intermetalik fazların oluşması (alüminyum-çelik kaynağında oluşan FexAly intermetalik fazları),
büyük bir sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Farklı metal malzemelerin kaynaklı birleştirmelerinde
intermetalik fazların oluşumu kaçınılmaz bir durumdur. Bu yüzden ergime bölgesinde intermetalik
fazların kalınlıklarını minimize etmek önemlidir [1,2]. Farklı malzemelerin ısıl birleşmesi sırasında
önemli rol oynayan intermetalik fazların oluşumu, sıcaklık ve zaman döngüsüyle ilişkili olarak ortaya
çıkmaktadır. İntermetalik tabakanın kalınlığı, sıcaklık ve zamana bağlı olarak katılaşma tamamlanana
kadar artmaya devam eder. İntermetalik faz oluşumuyla birlikte bağlantı bölgesinde kırılganlık gözlenir.
Eğer, yüksek tokluk ve dayanıma sahip bağlantılar gerekliyse, intermetalik faz oluşumlarının minimum
boyutta tutulması gerekir. Burada dikkate alınması gereken ana etkenler, ergiyik havuzunun boyutlarını
azaltmak ve toplam ısı girdisini sınırlamaktır [3-5].
Farklı metallerin birleştirilmesi için kullanılabilen lazer kaynak yöntemi, yüksek kaynak hızları ve
soğuma oranlarından dolayı intermetalik fazların aşırı oluşmasını engellemede etkili olmaktadır. Birleşme
süresince oluşan intermetalik fazlar belli bir büyüklüğe ulaşmaktadır. Bu intermetalik fazların
kompozisyonuna bağlı olarak kaynaklı bağlantının mekanik özellikleri etkilenmektedir. İntermetalik
bileşik tabaka kalınlığının 10 μm altında sınırlanması, bağlantının iyi mekanik özelliklere sahip olmasını
sağlamaktadır [6].
Farklı malzeme çiftlerinin kaynaklı birleştirmeleri güncel bir konu olmakla birlikte bu konu ile ilgili
olarak literatürde erişilebilen çalışmalar sınırlı sayıdadır. Literatürde farklı malzemelerin konvansiyonel
kaynak yöntemleriyle yapılan kaynağında ortaya çıkan problemleri minimize etmeyi amaçlayan
çalışmalar vardır. Magnezyum-Aluminyum [7], Bakır-Nikel [8], Magnezyum-Çelik [9], Paslanmaz ÇelikPaslanmaz Çelik [10], TRIP780 Çeliği-Yumuşak Çelik [11], Paslanmaz Çelik-Düşük Karbonlu Çelik [12]
gibi farklı malzeme çiftlerinin lazer kaynaklı bağlantıları ile ilgili olarak bazı çalışmalar yapılmıştır.
Aluminyum-Çelik çiftinin lazer bindirme kaynağı üzerine yapılan çalışmalar sınırlıdır. Alüminyum-çelik
malzeme çiftleriyle yapılan çalışmalarda; Shahverdi et al., katı demir ve erimiş aluminyum çiftinin
kaynaklı birleştirmesinin ara yüzey mikro yapısını çalışmışlardır. Fe2Al5 ve FeAl3 gibi intermetalik fazları
belirlemişlerdir. Fe2Al5’ in hızlı büyüdüğünü ve ana faz olarak geliştiğini, FeAl3’ ün kaynak işleminin
sonraki safhalarında kolaylıkla saptanabildiğini ve ergiyik aluminyum içinde parçalı olarak eridiğini
söylemişlerdir. Kaynak sonucunda arayüzeyde, termodinamik esaslara zıt olarak FeAl3’ ün yerine Fe2Al5’
in oluşabileceğini belirtmişlerdir [13]. Rathod ve Kutsuna, A5052 alüminyum alaşımı ve SPCC çelik
malzemeleri (ASTM A 1008 ve A 1008M) “Lazer Roll Bonding” yöntemiyle kaynak etmişlerdir. Lazer
gücü, kaynak hızı ve makara basıncı arasında bir ilişki olduğunu söylemişlerdir [14]. Katayama ve
arkadaşları, farklı malzemelerin bindirme bağlantısını geliştirmek amacıyla 5052 alüminyum alaşımı ve
SPCC malzemelerini kullanmışlardır. Kaynak bağlantılarında tek pasolu, iki pasolu ve üç pasolu
bağlantıları denemişlerdir. Kaynak dikiş sayısının artmasıyla bağlantı dayanımının arttığını söylemişlerdir
[15]. Rodriguez et al. ND:YAG lazer cihazı kullanarak 6016 aluminyum alaşımı ve AISI 1020 çeliğinin
lazer lehim kaynağını incelemişlerdir. Bu çalışma, kaynak için kullanılan konfigürasyon tipinin, kırılgan
32
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
fazların oluşumuna etkisi olduğunu ve dolayısıyla bağlantının mekanik performansını etkilediğini
göstermiştir [16]. Sierra ve arkadaşları, çinko kaplı düşük karbonlu çelik DC04 ve 6016-T4 aluminyum
alaşımını kaynak etmişlerdir. Lazer ve ark kaynak (GTAW) prosesi kullanmışlardır. Kaynak işlemleri
sonucunda oluşan intermetalik fazları ve oluşan hasarları incelemişlerdir. Lazer kaynak bağlantısının ve
ark kaynak bağlantısının doğrusal dayanımının sırasıyla 250 N/mm ve 190 N/mm değerinde olabileceğini
belirtmişlerdir [17].
2. MALZEME ve METOT
Bu çalışmada kullanılan malzemeler, yaygın olarak otomotiv uygulamalarında kullanılan 1,2 mm
kalınlığında düşük karbonlu çelik (DC04) ile havacılık ve otomotiv alanlarında kullanılan 2 mm
kalınlığında AlMgSiCu (6061-T6) alüminyum alaşımıdır. Kullanılan malzemelerin kimyasal analizleri ve
mekanik özellikleri sırasıyla Tablo 1 ve Tablo 2’ de gösterilmektedir.
Tablo 1. Kullanılan malzemelerin kimyasal kompozisyonları (%).
Standart
C
P
S
Mn
DIN-EN 10130
(DC04 çelik)
0,08
0,03
0,03
0,40
Si
Fe
Cu
Mn
Mg
Cr
Ni
Zn
Ti
Ga
V
0,54
0,21
0,24
0,07
0,98
0,10
0,006
0,10
0,012
0,014
0,014
AlMgSiCu
(6061-T6 Aluminyum)
Tablo 2. Kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri (%).
DC04
6061-T6
Akma dayanımı
(MPa)
210
240
Çekme Dayanımı
(MPa)
280
290
Uzama (%)
( 80 mm’ de)
38
12
Lazer kaynak işlemi için kullanılan, çelik (DC04) ve alüminyum (6061-T6) levhalar 100x50 mm
boyutlarında giyotinde kesilmiştir. Şekil 1’ de çelik ve alüminyum parçalarının birleştirilme şekli ve
boyutları şematik çizimle gösterilmektedir. Kaynak işleminden önce alüminyum parçalar 1200 meşlik
SiC taneli zımpara kağıdı kullanılarak parlatılmış ve aseton ile yüzeyleri temizlenmiştir. Çelik numuneler
ise, sadece aseton ile temizlenerek yüzeylerindeki kirlerden arındırılmıştır. Kaynak işlemlerine
başlamadan önce her iki malzeme, bir fikstür kullanılarak alüminyum üzerine çelik gelecek şekilde
sıkıştırılmıştır.
Şekil 1. Bindirme bağlantısının şematik gösterimi.
33
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
Çalışmada kullanılan malzemelerin kaynak işlemleri için 3 kW güce sahip, sürekli dalga (cw) Nd:YAG
lazer kaynak makinası kullanılmıştır. Lazer kaynak makinası 6 eksenli robot ile entegre çalışmaktadır.
Lazer kafası, 200 mm odak ünitesi ve kolimatör ünitesinden meydana gelmektedir. Işın iletimi, 1 mm
fiber kablo ile gerçekleşmektedir. Lazer kaynak işlemlerinde koruyucu gaz olarak Argon gazı
kullanılmıştır. Koruyucu gaz, kaynak bölgesine kenar jet nozulu kullanılarak 20 l/dak debiyle iletilmiştir.
Lazer kafasının odak noktası, çelik malzemenin üst yüzeyi sıfır noktası olacak şekilde belirlenmiştir.
Lazer kafasından gelen ışınlar, çelik malzemenin yüzeyine dik olarak uygulanmıştır. Uygulanan lazer
gücü ve ısı girdisi, sırasıyla 2200-3000 W ve 60-100 J/mm aralığında değiştirilmiştir. Kaynak
parametreleri Tablo 3’ de gösterilmiştir.
Tablo 3. Lazer kaynak parametreleri.
Güç
(W)
2200
2400
2600
2800
3000
Isı girdisi
(J/mm)
60
70
80
90
100
60
70
80
90
100
60
70
80
90
100
60
70
80
90
100
60
70
80
90
100
Kaynak hızı
(m/min)
2,20
1,90
1,65
1,47
1,32
2,40
2,06
1,80
1,60
1,44
2,60
2,23
1,95
1,73
1,56
2,80
2,40
2,10
1,87
1,68
3,00
2,57
2,25
2,00
1,80
3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
3.1 Kaynak dikişlerinin mekanik özellikleri
Lazer gücü, kaynak hızı, ısı girdisine parametrelerine göre gerçekleştirilen lazer bindirme kaynaklı
bağlantılarının mekanik özellikleri hakkında genel bir bilgi edinmek için sertlik ve çekme, makaslama
testleri uygulanmıştır.
3.1.1 Sertlik ölçümlerinin değerlendirilmesi
Lazer bindirme kaynaklı parçaların yerel mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla yapılan mikro sertlik
deneyleri için vickers sertlik cihazı kullanılmıştır. Numunelerin sertlik dağılımlarının belirlenmesi için
100 gramlık deney yükü 10 saniye süreyle uygulanmıştır. Sertlik değerleri üç hat üzerinde ve 100 μm
aralıklarla alınmıştır (Şekil 2). Birinci hat çelik tarafında ara yüzeyden 200 μm yukarıda, ikinci hat
alüminyum tarafında ara yüzeyden 200 μm aşağıda yatay bir çizgi üzerinde, üçüncü hat kaynak dikişi
ekseninde çelik tarafından alüminyum tarafına dik bir çizgi boyunca aşağıya doğrudur.
34
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Şekil 2. Mikro sertlik ölçüm noktaları.
Lazer bindirme kaynak işlemlerinde kullanılan çelik malzemenin sertliği 99 HV ve aluminyum
malzemenin sertliği 102 HV olarak saptanmıştır. Mikro sertlik deneyleri, 2200, 2400, 2600, 2800 ve
3000 W lazer güçlerinde ve 60, 70, 80, 90 ve 100 J/mm ısı girdilerinde kaynaklanmış olan parçaların
çekme-makaslama deney sonuçlarına göre en yüksek çekme-makaslama kuvvetini veren numuneler
üzerinde gerçekleştirilmiştir. Lazer kaynak parametrelerine bağlı olarak, çelik tarafında ve aluminyum
tarafında kaynak bölgesindeki sertlik değerleri değişimleri grafiklere (Şekil 3-7) aktarılmıştır. Sertlik
diyagramlarına göre, kaynak bölgesinin sertlik değerlerinin ve ana malzemeden daha büyük olduğu
belirlenmiştir. Ölçüm sonuçları değerlendirildiğinde aynı ısı girdisinde, lazer kaynak gücünün artmasıyla
kaynak bölgesinin sertlik değerlerinin arttığı görülmüştür. Lazer kaynağının karakteristik özelliği olan
hızlı soğumadan dolayı kaynak bölgesinin sertliği ana malzemeye kıyasla yüksek olmaktadır. Kaynak
bölgesinin sertlik değerlerinin yüksek olmasının sebeplerinden biri de lazer kaynak işleminde, çelik
ergiyiğinin aşağıdan yukarıya doğru türbülans hareketlerinden dolayı sıvı alüminyumun, kaynağın üst
bölgelerine taşınması ve Fe-Al intermetalik bileşiklerinin oluşumuna bağlı olduğu düşünülmektedir.
Fe2Al5, FeAl2 ve FeAl3 intermetalik bileşikleri, çelik-aluminyum birleştirmelerinde meydana gelen çok
yüksek sertliğe sahip, kırılgan bileşiklerdir. Bununla birlikte çelik ergime bölgesinin üst taraflarında bu
bileşikler, oluşma eşiğine ulaşamazlar. Bu yüzden, ergime bölgesinde sertlik değerlerinin yüksek olmasını
sağlayan bileşiklerin, Fe3Al ya da FeAl olduğu düşünülmektedir.
35
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
Şekil 3. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2200 W, Isı girdisi: 100 J/mm).
Şekil 4. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2400 W, Isı girdisi: 90 J/mm).
Şekil 5. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2600 W, Isı girdisi: 80 J/mm).
36
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Şekil 6. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 2800 W, Isı girdisi: 80 J/mm).
Şekil 7. Mikro sertlik değerleri (Lazer gücü: 3000 W, Isı girdisi: 70 J/mm).
3.1.2 Çekme-Makaslama testlerinin değerlendirilmesi
Çekme-makaslama testlerinde kullanılan lazer bindirme kaynak dikişli numunelerin şekil ve ölçüleri
Şekil 8’de gösterilmiştir. Kaynaklı parçalardan çekme-makaslama deney numunelerinin kesilmesi için tel
erozyon makinası kullanılmıştır. Kaynaklı parçaların her birinden beşer adet numune çıkarılarak çekmemakaslama testi uygulanmıştır. Çekme-makaslama testi yapılacak parçaların iki ucuna çekme
doğrultusunun kaymaması için destek parçaları konulmuştur. Testler oda sıcaklığında ve 5 mm/dak
çekme hızında gerçekleştirilmiştir. En küçük ve en büyük değerli deney sonuçları çıkarılmış ve diğer
üçünün ortalaması alınarak çekme-makaslama kuvveti belirlenmiştir. 2200, 2400, 2600, 2800 ve 3000 W
37
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
lazer güçlerinde 60, 70, 80, 90 ve 100 J/mm ısı girdisine bağlı olarak kaynak edilen parçaların çekmemakaslama kuvvetleri grafiğe aktarılmıştır (Şekil 9).
Şekil 8. Çekme-makaslama testi için kullanılan numune ölçüleri.
Şekil 9. Lazer gücü ve ısı girdisine bağlı olarak çekme-makaslama kuvvet değerleri.
Şekil 9’ da görüldüğü gibi, 60 J/mm ısı girdisi için 2200 W ve 2800 lazer gücünde yapılan kaynakların
çekme-makaslama kuvvet değeri yoktur. 2200 W lazer gücü için yeterli ergime meydana gelmemiştir. Bu
yüzden bağlantıların kaynağı gerçekleşmemiştir. Kaynaklanacak parçalar arasındaki boşluklardan dolayı
keyhole kararsızlıkları ortaya çıkmaktadır. Bu yüzden kaynak prosesi başarısız olmaktadır. Dolayısıyla,
2800 W lazer gücü için kullanılan fikstürün o kaynak işleminde parçaları tam olarak sıkıştırmadığı
38
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
söylenebilir. Bindirme kaynak bağlantılarında, kaynak doğrultusu boyunca kaynaklanacak parçaları sıkı
bir temas halinde tutmak, başarılı bir lazer kaynak prosesi için çok önemlidir. Lazer bindirme kaynak
prosesi boşluk toleranslarına karşı çok hassastır. En ufak bir boşlukta bile kaynak prosesi
gerçekleşmeyebilir.
Grafik incelendiğinde 2200 W lazer gücü uygulanmış olan parçaların çekme makaslama kuvveti 60
J/mm’ den 100 J/mm’ ye kadar bir artış göstermiştir. 2400-3000 W aralığında lazer gücü uygulanmış
parçaların çekme makaslama kuvveti 60 J/mm ve 100 J/mm aralığında belirli ısı girdisi değerine kadar
yükselip sonradan alçalma eğilimine girmiştir. Kaynak dayanımları, doğrusal dayanım (N/mm) göz önüne
alınarak değerlendirilmiştir. Doğrusal dayanım, çekme-makaslama deneylerinde elde edilen çekmemakaslama kuvvetinin numune genişliğine (kaynak uzunluğuna) bölünmesiyle elde edilmektedir.
Maksimum doğrusal dayanım değeri 2200 W lazer gücü-100 J/mm ve 2800 W lazer gücü-80 J/mm
parametrelerinde elde edilmiş olup değerler sırasıyla 142,8 N/mm ve 142,7 N/mm’ dir.
Elde edilen nüfuziyet değerleri lazer kaynak gücü ve ısı girdisine bağlı olarak değişmektedir. Buna göre
nüfuziyet değeri, sabit ısı girdisinde artan lazer gücüyle orantılı olarak artmaktadır. Alüminyum-çelik
çiftinin lazer bindirme kaynağında artan nüfuziyet, dayanımı düşürmektedir. Nüfuziyet değerlerinin
artmasıyla sıcaklık ve zamanla ilişkili olarak intermetalik fazların oluşumu artmaktadır.
Alüminyum içeriğine bağlı olarak, Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 intermetalik fazlarının sertlik
değerleri 250-1100 HV aralığından değişmektedir [18]. Fe2Al5 and FeAl3 intermetalik fazları son derece
kırılgan ve yüksek sertliğe sahiptirler. Bu yüzden, kaynaklı bağlantıda sert fazların oluşumu bağlantının
dayanımını düşürmektedir. Daha sağlam kaynaklı bağlantılar için intermetalik fazların oluşumu minimum
seviyede tutulmalı ve demirce zengin Fe3Al and FeAl gibi bileşiklerin oluşumu gereklidir.
Kaynaklı parçaların gözle incelemeleri sırasında, belirli lazer gücü ve ısı girdisi değerlerinde,
numunelerin alt kısmında aluminyumun dışarıya doğru çıkıntı yaptığı ve ısı girdisi yükseldikçe dışarıya
doğru patlamalar olduğu görülmektedir (Şekil 10). Lazer derin nüfuziyet kaynağında, lazer gücü yada ısı
girdisi artırılarak (aynı lazer gücünde kaynak hızının azaltılması) anahtar deliği kanalının (keyhole buhar
kanalı) uzunluğunun artmasıyla kaynak nüfuziyeti artmaktadır. Bu çıkıntıların görüldüğü, dolayısıyla
nüfuziyetin fazla olduğu numunelerin çekme-makaslama kuvvetinin azalmaya başladığı saptanmıştır.
Şekil 10. Aluminyumun alttan görünüşü a) 2800 W-90 J/mm, b) 2800 W-100 J/mm.
3.2 Kaynak dikişlerinin metalurjik özellikleri
3.2.1 Kaynak dikişlerinin mikroyapı incelemeleri
Mikroyapı incelemeleri için kaynaklı parçalardan tel erozyon makinası ile numuneler kesilmiştir. Kesilen
numuneler soğuk kalıplama yöntemiyle kalıba alınmış ve numunelerin kesitleri sırasıyla 400, 800, 1200,
2500 mesh’ lik SiC taneli zımpara kağıtları ile zımparalanmıştır. Son parlatma işlemi, 3 μm ve 1 μm
elmas süspansiyonlarla yapılmıştır. Parlatma işlemlerinden sonra, aluminyum için Keller ayıracı ( % 1
HF, % 1.5 HCl, % 2.5 HNO3 ve H2O), çelik için de Nital 4 ayracı (% 4 HNO3) kullanılmıştır.
39
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
Lazer derin nüfuziyet kaynağında, lazer kaynak gücü ya da ısı girdisi artırılarak (aynı lazer gücünde
kaynak hızının azaltılması) anahtar deliği kanalının (keyhole buhar kanalı) uzunluğunun artmasıyla
kaynak nüfuziyeti artmaktadır. Önceki çalışmalarda da belirtildiği gibi [19], çelik-aluminyum
malzemelerin lazer bindirme kaynağında (aluminyumun altta olduğu bağlantı tipi), alüminyum tarafında
elde edilen nüfuziyet değerinin artması kaynak dayanımını düşürmektedir. Bu sonuç çekme-makaslama
deneyleri yapılan kaynaklı parçaların nüfuziyet incelemelerinde doğrulanmıştır.
Şekil 11-15’ de farklı lazer gücü ve ısı girdileri ile kaynak edilmiş numunelerin optik mikroskop
görüntüleri görülmektedir. Bu görüntüler, Şekil 9’ da görülen ve en yüksek çekme dayanımı sonuçlarına
sahip numunelerin mikroskop görüntüleridir.
Şekil 11. 2200 W lazer gücü ve 100 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü.
Şekil 12. 2400 W lazer gücü ve 90 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü.
40
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Şekil 13. 2600 W lazer gücü ve 80 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü.
Şekil 14. 2800 W lazer gücü ve 80 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü.
Şekil 15. 3000 W lazer gücü ve 70 J/mm ısı girdisiyle yapılan birleştirmenin mikroskop görüntüsü.
41
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
Lazer bindirme kaynaklı numunelerin optik mikroskop görüntüleri incelendiğinde ergime bölgesinde
ergiyik metalin katılaşmasının, çelik kaynak ara yüzeyinden kaynak merkezine doğru yönlenmiş sütunsu
(kolonsu) taneler şeklinde olduğu görülmektedir. Kaynak bölgesinin aluminyum tarafında ergime
bölgesinin sütunsu (kolonsu) katılaşmış tanelerinin üzerinde beyaz renkli bölgeler oluşmuştur. Bu beyaz
çözelti bölgeleri (çözelti bantları), lazer derin nüfuziyet kaynak yönteminde kaynak sırasında meydana
gelen buhar kanalı içerisindeki türbülans hareketlerinden dolayı kaynak işlemi sırasında ergiyik
aluminyumun kaynak metali içine hapsedilmesi yoluyla oluşmaktadır. EDX analizi sonuçları
değerlendirilerek Fe-Al denge diyagramı yardımıyla, beyaz çözelti bantlarının kaynak metali içinde
oluşan Fe3Al ya da FeAl bileşiği olduğu sonucuna varılmıştır. Farklı malzemelerin kaynak işlemindeki
zorluklardan biri olan kırılgan intermetalik fazların oluşumu sebebiyle, lazer derin nüfuziyet kaynak
yönteminde, kaynak metali ve aluminyum ergime bölgesi arasında düzensiz sınırlar boyunca intermetalik
tabaka meydana gelmiştir. Oluşan bu arayüzey tabakasının gri renkte olduğu ve diğer bölgelerden
kolaylıkla ayırt edilebildiği görülmektedir. Şekil 16’ da bu beyaz çözelti bantları ve intermetalik faz
tabakası görülmektedir.
Şekil 16. Kaynak metali içinde oluşan çözelti bantları ve intermetalik faz tabakası.
3.2.2 SEM-EDX analiz incelemeleri
Kaynaklı numunelerde, seyrelme bölgelerinin kimyasal kompozisyonunu ve alüminyum-çelik karışımı ile
elde edilen ara yüzeyleri belirlemek için SEM-EDX analizleri gerçekleştirilmiştir.
2200 W lazer gücü ve 100 J/mm ısı girdisi uygulanarak kaynak edilen deney numunesinde intermetalik
faz tabakası üzerinde alınan sertlik noktalarında yapılan EDX analizinden elde edilen bulgular, Fe-Al
denge diyagramı yardımıyla değerlendirildiğinde Fe3Al ve FeAl intermetalik bileşiklerinin oluştuğu
saptanmıştır. Belirlenen sertlik noktalarının, SEM görüntüleri, EDX analiz sonuçları ve mikro sertlik
deneyi sonuçları ile birlikte Şekil 17-18’ de gösterilmiştir. Buna göre Şekil 17’ de Fe3Al, Şekil 18’ de
FeAl intermetalik bileşikleri belirlenmiştir.
42
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Şekil 17. 318 HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2200 W - 100 J/mm)
Şekil 18. 528 HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2200 W - 100 J/mm)
2400 W lazer gücü ve 90 J/mm ısı girdisi uygulanarak kaynak edilen deney numunesinin intermetalik faz
tabakası üzerindeki sertlik noktalarında yapılan EDX analizlerinden elde edilen bulgular, Fe-Al denge
diyagramı yardımıyla değerlendirildiğinde FeAl, FeAl2 ve FeAl3 intermetalik bileşiklerinin oluştuğu
saptanmıştır. Belirlenen sertlik noktalarının SEM görüntüleri, EDX analiz sonuçları ve mikro sertlik
deneyi ölçüm sonuçları ile birlikte Şekil 19-20’ de gösterilmiştir. Buna göre Şekil 19’da FeAl, Şekil 20’de
FeAl2 intermetalik bileşikleri belirlenmiştir.
Şekil 19. 430 HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2400 W - 90 J/mm)
43
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
Lazer Bindirme Kaynaklı Çelik-Aluminyum Bağlantılarının …
Şekil 20. 917 HV sertliğe sahip noktasının EDX analizi (2400 W - 90 J/mm)
4. SONUÇLAR
Bu çalışmada gerçekleştirilen mekanik ve metalografik deneyler sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde
edilmiştir:






Çelik-alüminyum (alüminyum üzeri çelik) lazer bindirme kaynaklı bağlantılarında, lazer kaynak
parametrelerine bağlı olarak ısı girdisinin artması dolayısıyla nüfuziyet derinliklerinin arttığı
görülmüştür. Çelik-alüminyum malzemelerin lazer bindirme kaynağında (alüminyumun altta
olduğu bağlantı tipinde) alüminyumda elde edilen nüfuziyet değerinin artması kaynak dayanımını
düşürmektedir. Bu sonuç çekme-makaslama deneyleri yapılan kaynaklı parçaların nüfuziyet
incelemelerinde doğrulanmıştır.
Gerçekleştirilen kaynaklı birleştirmelerde 2200 W ve 2800 W lazer güçlerinde, 60 J/mm ısı girdisi
uygulandığında kaynak bağlantısı gerçekleşmediği görülmüştür. Her numune aynı fikstür
kullanılarak sıkıştırılmış olmasına rağmen, bu durumun, sıkıştırma aygıtının düzensiz sıkması
sonucu malzemeler arasında boşluk oluşmasından kaynaklandığı düşünülmektedir.
Kaynaklı bağlantıların bazılarında kaynak doğrultusu boyunca alüminyumun alt kısmında gözle
görülür şekilde bir çıkıntı belirmiştir. Yapılan deneyler sonucunda bu numunelerin çekmemakaslama kuvveti değerlerinin düşük olduğu saptanmıştır. Bu numunelerin mikroskop altında
kaynak kesitleri incelendiğinde nüfuziyetin fazla olduğu görülmüştür. Çelik-alüminyum lazer
bindirme kaynak bağlantılarında nüfuziyetin fazla olması dayanımı düşürmektedir. Bu sonuç
literatürle uyumludur.
Çekme-makaslama kuvveti sonuçları incelendiğinde en yüksek çekme-makaslama kuvvet
değerleri; 1428 N (2200 W lazer gücü, 100 J/mm ısı girdisi), 1427 N (2800 W lazer gücü, 80 J/mm
ısı girdisi), olarak elde edilmiştir. Çekme-makaslama kuvvet değerinin numunenin kaynak
uzunluğuna bölünmesiyle elde edilen doğrusal dayanım (lineer dayanım) değerleri, yukarıdaki
sonuçlara göre 142.8 N/mm ve 142.7 N/mm olarak saptanmıştır.
SEM görüntülerinin incelenmesi sonucunda, kaynak metali ile aluminyum arasında metalurjik
yapışmanın meydana geldiği ara yüzeyde oluşan intermetalik faz tabakasının, aluminyum tarafına
doğru testere ağzı biçiminde oluşumlar gösterdiği saptanmıştır. Bu oluşumlar literatürle
uyumludur.
Kaynaklı birleştirilmiş deney numunelerinde gerçekleştirilen EDX analizleri incelendiğinde, Fe-Al
denge diyagramı göz önüne alınarak yapılan değerlendirmeler sonucunda, metalurjik yapışmanın
olduğu ara yüzeyde Fe3Al, FeAl ve FeAl2 intermetalik fazların oluştuğu saptanmıştır. Ayrıca,
sertlik deneyi sonuçları da bu fazların oluştuğunu doğrulamıştır.
44
Çavuşoğlu N., Özden H.
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2014 (11) 31-45
5. KAYNAKLAR
1.
Theron, M., Rooyen, V., Ivanchev, L.H., 2007, “CW ND:YAG Lazer Welding of Dissimilar Sheet
Metals”, 26th International Congress on Applications of Lazers & Electro-Optics(ICALEO), pp.8
2.
Bouayad A., Geromettaa C., Belkebir A., Ambari A., 2003, “Kinetic interactions between solid iron
and molten aluminium”, Materials Science and Engineering, 1(2):53-61
3.
Potesser M., Schoeberl T., Antrekowitsch H., Bruckner J., 2006 , “The characterization of the
intermetallic Fe-Al layer of steel-aluminum weldings”, The Minerals, Metals & Materials Society,
pp.167-176
4. Wagner, F., Zerner, I., Kreimeyer, M., Seefeld, T., Sepold, G., 2004, “Characterization and Properties
of Dissimilar Metal Combinations of Fe/Al and Ti/Al-Sheet Materials”, BIAS, Bremen Institute of
Applied Beam Technology, Bremen, Germany
5.
Chen, H. C., Pinkerton, A. J., Li, L., 2010, “Fibre lazer welding of dissimilar alloys of Ti-6Al-4V and
inconel 718 for aerospace applications”, The International Journal of Advanced Manufacturing
Technology, 52(9-12):977-987
6.
Ozaki, H., Kutsuna, M., Nakagawa, S., Miyamoto, K., 2010, “Lazer roll welding of dissimilar metal
joint of zinc coated steel to aluminum alloy”, Journal of Lazer Applications, 22(1):1
7.
Borrisutthekul, R., Miyashita, Y., Mutoh, Y., 2005, “Dissimilar material lazer welding between
magnesium alloy AZ31B and aluminium alloy A5052-O”, Science and Technology of Advanced
Materials, 6:199-204
8.
Phanikumar, G., Dutta, P., Chattopadhyay, K., 2005, “Continuous welding of Cu–Ni dissimilar
couple using CO2 lazer”, Science and Technology of Welding and Joining, ;10(2):158-166
9.
Liu, L. M., Zhao, X., 2008, “Study on the weld joint of Mg alloy and steel by lazer-GTA hybrid
welding”, Materials Characterization, 59(9):1279-1284
10. Berretta, J., Rossi, W., Neves, D. M., Almeida, I. A., Junior, N. D., 2007, “Pulsed Nd:YAG lazer
welding of AISI 304 to AISI 420 stainless steels”, Optics and Lazers in Engineering, 45(9):960-966
11. Sharma, R. S., Molian, P., 2009, “Yb:YAG lazer welding of TRIP780 steel with dual phase and mild
steels for use in tailor welded blanks”, Materials & Design, 30(10):4146-4155
12. Anawa, E. M., Olabi, A. G., 2006, “Effects of lazer welding conditions on toughness of dissimilar
welded components”, Applied Mechanics and Materials, 5(6):375-380
13. Shahverdi, H. R., Ghomashchi, M. R., Shabestari, S., Hejazi, J., 2002, “Microstructural Analysis Of
İnterfacial Reaction Between Molten Aluminium And Solid İron”, Journal of Materials Processing
Technology, 124:345-352
14. Rathod, M., Kutsuna, M., 2003, “Lazer roll bonding of A5052 aluminium alloy and SPCC steel”,
Japan Welding Society NII-Electronic Library Service, 21(2):282-294
15. Katayama, S., Joo, S., Mizutani, M., Bang, H., 2005, “Lazer weldability of aluminium alloy and
steel”, Trans Tech Publications, Materials Science Forum, Switzerland, pp.481-486
16. Rodriguez, L., Mathieu, A., Langlade, C., Vannes, A., 2006, “Controlling Phase Formation During
Aluminium/Steel Nd:YAG Lazer Brazing”, Revista de Metalurgia, 42(6):463-469
17. Sierra, G., Peyre, P., Deschaux, B. F., Stuart, D., Fras, G., 2008, “Galvanised steel to aluminium
joining by lazer and GTAW processes”, Materials Characterization, 59(12):1705-1715
18. Torkamany, M. J., Tahamtan, S., Sabbaghzadeh, J., 2009, “Dissimilar welding of carbon steel to 5754
aluminum alloy by Nd:YAG pulsed lazer”, Materials & Design, 31(1):458-465
19. Sierra, G., Peyre, P., Deschaux, B. F., Stuart, D., Fras, G., 2007, “Steel to Aluminium key-hole laser
welding”, Materials Science and Engineering, A 447 197-208
45
Download

İndir - Teknolojik Araştırmalar