Kaynaklı Tasarım İmalat Isının Tesiri Altındaki Bölge ISININ TESİRİ ALTINDAKİ BÖLGE ? II.- Isının Tesiri Altındaki Bölgeler (Malzemelere göre) Teorik olarak ITAB ortam sıcaklığının üzerinde kalan tüm bölgeyi kapsar. Pratik olarak, bununla beraber, kaynak yönteminin ısısı tarafından etkilenmiş olduğu ölçülebilen bölgedir. Buradan, haddelenmiş karbonlu çelik için ITAB yaklaşık olarak 700 C’den daha küçük sıcaklık altındaki esas metal bölgesini kapsamaz böylece kaynak ısısı küçük bir bölgeyi etkilemiş kabul edilir. Tam tersi, su verme ısıl işlemi yapılmış ve 315 ’de temperlenmiş olan ısıl işlem çeliğinde, kaynak sırasında 315 C’ye kadar ısınmış bölge ITAB’ın bir parçası sayılacaktır; su verme ve temperleme gibi işlemler metalin mekanik özelliklerini değiştirir. Bir başka uç örnek olarak da, 120 C’de yaşlanma sertleştirilmesi tatbik edilen ısıl işlemli alüminyum alaşımlarıdır; bu sıcaklık derecesinin üzerinde ısınmış herhangi bir kaynaklı parça bölgesi ITAB’ın bir bölümüdür.Eritme Kaynağının Yapısı Bir eritme kaynağının tipik yapısını göstermektedir. Bir eritme kaynağında tane yapısı ve değişik bölgeler? xITAB’ler, kaynaklı bağlantının komşu bölgelerinde sertlik değerlerinin farklılığı veya içyapısında değişim olarak tanımlanır. Kaynak ısısı tarafından meydana getirilen içyapıdaki bu değişimler sertlik profilinin çıkarılması veya dağlama yöntemleri ile gözlenebilir. ? Şekil II.1’de C-Mn çelik levhasının çok pasolu kaynak kesiti görülmektedir. Şekil II.1- 40 mm kalınlığında C-Mn Çeliği kaynak kesitinin makro görünüşü kaynak pasoları ve onların üst üste binmiş ITAB’ları ITAB KAYNAK BANYOSU? Burada her bir kaynak pasosunun çevresini saran gözle görülür bölgeler vardır. Bu üst üste binmiş ITAB alanları plakanın tüm kalınlığı boyunca erime yüzeylerini kaplamıştır. Çok pasolu kaynak işleminde, kaynak işleminin ısısı kaynak metalini de etkir; bununla beraber, kaynak metali ITAB’ın bir bölümü olarak kabul edilmez. ? Kaynaklı bağlantının ITAB’ının tokluk ve mukavemeti esas metalin tipine, kaynak yöntemine ve kaynak işlemine bağlıdır. Kaynaktan etkilenen esas metallerde kaynak ısıl çevriminin yüksek sıcaklıklara ulaşılması nedeniyle ortaya çıkan ısıl işlemler tarafından tavlama etkisi veya mukavemet artışı görülür. Kaynak ITAB’ının bu sıcaklık değerleri ortam sıcaklığından, likidüs sıcaklığının sınırları arasında değişir. Meydana gelen metalurjik işlemler düşük sıcaklıklarda yavaşça likidus değerlerine doğru da hızlı meydana gelir.? ITAB’da kaynak ısısının çeşitli etkilerini anlamak için en iyisi kaynak yapılabilecek değişik tip alaşım tipini görmek gerekir: 1 . Katı eriyik ile mukavemet kazandırılan alaşımlar; 2. Soğuk şekil verme ile mukavemet kazandırılan alaşımlar; 3. Çökelme sertleştirilmesiyle mukavemet kazandırılan alaşımlar; 4. Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandırılan alaşımlar (Martenzit gibi) 5. Şiddetli reaktif malzemeler Bazı alaşımlara yukardaki işlemlerden biri veya daha fazlasıyla mukavemet kazandırılabilirler.II.1 . Katı eriyik ile mukavemet kazandırılan alaşımların ITAB’ı Bu tür alaşımların kaynak ITAB’ları çok az problem çıkarır. Katı hal dönüşümü içermiyorsa Isıl çevrim etkisi küçüktür ve ITAB’ın özellikleri büyük ölçüde kaynaktan etkilenmez. Yüksek pik sıcaklığı sonucu olarak kaynak yakınındaki kesitte tane büyümesi meydana gelir. Ancak bu tane büyümesi sadece bir kaç tane genişliğini kapsıyorsa mekanik özellikler açısından pek önemli değildir. Genellikle bu yöntemle mukavemet kazandırılan alaşımlar, Alüminyum ve bakır alaşımları, sıcak haddelenmiş düşük karbonlu çelikler gibi alaşımlardır. Ferritik ve Ostenitik çeliklerde bu katogoriye aittir. Tane büyüklüğü T1'den başlayarak sürekli artar; ITAB’ın genişliği kaynak yöntemine, paso sayısına, uygulanan enerjinin yoğunluğuna bağlıdır. Allotropik Dönüşüm Göstermeyen Malzeme (Nikel, Alüminyum,Bakır gibi) Kaynak bölgesi gaz kapar dolayısı ile de gevrekleşme ve gözenek oluşumu ile karşılaşılır, yüksek ısıl iletkenlik ve yüksek ısıl genleşme çarpılma ve iç gerilmelerin oluşumuna neden olur. ITABII.2. Deformasyon Sertleştirmeli Esas Metallerin ITAB’ı Bu metaller Yeniden Kristalleştirme sıcaklığının üzerine ısıtıldıklarında yeniden kristalleşirler. Kaynak ısısı soğuk şekil değiştirmiş metalin ITAB’ını yeniden kristalleştirir ve metal önemli ölçüde yumuşar. Kaynak kesiti Şekil II.2’’de Soğuk Şekil değiştirme içyapısına kaynak ısıl çevriminin etkisi gösterilmektedir. Burada a ile ısıdan etkilenmemiş bölge tipik mekanik deformasyon sonucu şekil almış (hadde sonunda gibi) tanelerin durumunu göstermektedir. (Şekil II.2 A); eşeksenli ince taneler b ile gösterilmektedir. Bu taneler ITAB’da sıcaklığın yeniden kristalizasyon sıcaklığına ulaştığı bölgelerde tanelerdir ve iri taneler Erime hattı yakınındaki yüksek sıcaklık bölgesinde yerlerini almışlardır. ITAB’da yeniden kristalleşmenin sonucu yumuşar ve soğuk şekil değiştirmiş esas metale göre zayıflar ve mukavemet ısıl işlem ile yeniden kazanılamaz.Eğer ısıtıldığında alotropik dönüşüme uğrayabilen bir soğuk şekil değiştirmiş metal söz konusu ise kaynağın etkisi daha da karmaşıktır. Çelik, Titanyum ve diğer alotropik değişim gösteren metallerde Şekil II.2 B’de görüldüğü gibi 1 tane yeniden kristalleşme bölgesi ve 1 tanede normalizasyon bölgesi görülebilir. Birinci ince taneli bölgesi, soğuk şekil değiştirme bölgesinin yeniden kristalleşmesi sebebiyle meydana gelir. İkinci ince taneli bölge ise yüksek sıcaklık fazında alotropik dönüşüm sonucu meydana gelir.(A) Isıtıldığında faz dönüşüm yok (B) Isıtıldığında allotropik dönüşüm var Şekil II.2.- ITAB’da soğuk şekil değiştirmiş tanelerin yeniden kristalleşmesi Tane büyüklüğü Hatırlatma Yumuşatma tavı (ProcessAnnealing) 0.2 0.4 0.6 T bII.3. Çökelme sertleştirilmesiyle mukavemet kazandırılan alaşımlar ITAB’ı (AlCuMg alaşımları, özel paslanmaz çelikler, yüksek nikelli alaşımlar) Çökelme sertleşmesi yoluyla mukavemet kazandırılan alaşımlar, deformasyon sertleştirmeli alaşımlar gibi aynı şekilde kaynak ısısına aynı cevabı verir. Bu ITAB’ın tavlama çevrimi altında kalması demektir. ITAB’ın buna cevabı oldukça karmaşıktır zira kaynak ısıl çevrimi değişik bölgelerde değişik etkiler ortaya çıkarır. Çökelme sertleşmesine ait ısıl işlem çevrimi; eriyiğe alma, suverme (aniden soğutma) ve yaşlandırma işlemlerini içerir. Kaynak ısısı kaynak bölgesinin hemen yakınındaki ITAB bölgelerinde ısıl işlemi çözer ve rölatif olarak yumuşak, iri tanenin eşlik ettiği tek faz katı eriyiği ortaya çıkarır. Bu bölge kaynak sonrası yaşlandırma işlemi ile sertleştirilebilir. Eriyiğe alma sıcaklığı altına kadar ısınmış ITAB’ın bu bölgeleri kaynak ısısı nedeni ile aşırı yaşlanır. Kaynak sonrası yaşlandırma işlemi bu bölgeyi yeniden sertleştiremez. Eğer kaynak ısısı ITAB’ın sıcaklığını, orijinal yaşlandırma sıcaklığı civarına kadar yükseltmiyorsa mekanik özellikler önemsiz derecede etkilenir. Çökelme sertleştirmeli mukavemet kazandırılan alaşımların ITAB’ı Şekil II.3’de gösterildiği gibidir.Şekil II.3.- Çökelme Sertleşmeli Alaşımların ITAB’ında çökelmelerin irileşmesi Kaynak Metali Erime Çizgisi Eriyik Bölgesi Aşırı Yaşlanma Bölgesi Etkilenmemiş Levha İlgilenilen Alaşım SıvıYüksek mukavemetli çökelme sertleştirilebilir alaşımları mukavemet kaybı olmaksızın kaynak yapmak zordur. Ancak gene de söz konusu mukavemet kaybı 3 teknik ile minimuma indirilebilir. Birinci metod, işlemi çözme, su verme ve kaynaklı bağlantıyı yaşlandırmakdır. Bu her ne kadar en etkili yöntem olsa da oldukça pahalı ve bazı durumlarda uygulanması bile imkansızdır. İkinci metod, kaynak işlemi, çökelme sertleştirmeli esas metali, çözmeye (eriyiğe alma) yaklaştırır ve sonradan kaynaklı bağlantı yeniden yaşlandırılır. Bu ısıl işlem ITAB’ın eriyiğe alma ısıl işlemine karşı gelen bölgesinin mukavemetini yükseltir. Ancak aşırı yaşlanmış bölgenin mukavemetinde düzelmeye neden olmaz. Son metod ise esas metali eriyiğe alma şartlarında kaynak yapmak ve sonra tüm kaynaklı bağlantıyı yaşlandırmaktır. Aşırı yaşlanmış bölge en zayıf hat olacaktır ancak önceki yaklaşımlardan daha fazla düzeltici bir etkiye sahiptir. Kaynak işleminin ısıl çevrimi nedeniyle ısıl işlem görmüş esas metalin mukavemeti azalır, yüksek ısı girdisi kullanılan kaynak yöntemleri bu alaşım türleri için tavsiye edilmez. Bu tür alaşımlarda, düşük ısı girişi ITAB’nin genişliğini ve yumuşayan esas metal miktarını en aza indirir. Çökelme ile Sertleştirilmiş Malzemelerin ITAB’ı ITAB’de yüksek sıcaklık nedeni ile çökeltiler çözülür ve tekrar uygun olmayan bir boyut ve biçimde yeniden çökelir. Bu aşırı yaşlanma çökeltme sertleşmesinin yeniden uygulanması ile giderilebilir. Tane sınırlarındaki çökeltiler çatlak oluşumuna neden olur. Kaynağın yaşlanmadan önce yapılması çatlak oluşumu olasılığını azaltır. İri çökeltiler nedeni ile korozyon dayanımı düşer. ITABII.4. Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandırılan alaşımların ITAB’ı (Martenzit gibi) Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandıran alaşımlar kaynak işlemi sebebiyle ortaya çıkacak soğumaya bağlı olarak martenzit dönüşümüne uğrayacak alaşım içeren ve yeterli miktarda C içeren çelikleri kapsamaktadır. Bu çelikler kaynaktan önce temperlenmiş martenzit ısıl işlemi görmüşlerdir veya kaynak ısıl çevrim süresince martenzit dönüşümü sebebiyle uygun sertleşmeye sahiptirler. Her iki durumda da yaklaşık olarak ITAB aynı şekilde kaynak ısıl çevriminden etkilenir. Bu çeliklerin ITAB’ları Şekil II.4’de Fe–C diyagramı ile ilgilendirilerek verilmiştir. Maksimum Sıcaklık Sıvı Ostenit %0,3 C’lu Esas Metal ITAB Kaynak Metali DEMİR – KARBON DİYAGRAMI FERRİT + SEMENTİT Sıvı Şekil II.4.-Kaynak dikişine mesafe ile pik sıcaklıkları arasındaki yaklaşık ilişkiler ve Fe – C faz diyagramı .Dönüşüm yoluyla mukavemet kazandırılan alaşımların (Martenzit gibi) Şekil II.4 ITAB Bölgeleri Bölge 1, hemen kaynak dikişinin yanı olup iri taneli bölgedir. sıcaklık ergime noktası yakınına ulaştığı bölge olması nedeniyle hızlı ostenitik tane büyümesi meydana gelir.Geniş tane boyutu sertleşme eğilimini arttırır, ve bu bölge soğuma ile birlikte kolayca martenzit dönüşüme uğrar. Bölge 2, ostenit hale gelmiştir ancak burada sıcaklık önemli ölçüde tane büyümesi yapabilmesi için oldukça düşüktür. Bölge 2’nin sertleşme kabiliyeti tane büyümesine bağlı olarak önemsenmeyecek derecede artar ancak bu bölge soğuma hızı yeterli derecede fazla ise veya alaşım miktarı yeterli kadar fazla ise martenzit dönüşümü olabilir. Bölge 3 de, bazı tanecikler ostenite dönüşebilirse de diğerleri dönüşemez.. Ostenit tanecikleri oldukça incedir. Bölge 4’de ostenite dönüşemeyen tanecikler vardır ancak ferrit tanecikleri kaynak ısısı etkisiyle temperlenebilir. ITAB’ın ve ITAB’daki her bir bölgenin genişliği kaynak ısı girişi tarafından kontrol edilir. Bu nedenle, ısı girişi son içyapıları ortaya çıkarır. ITABxÇelik C15 veya C45 Ergime çizgisine komşu bölgede mantenzit oluşumu nedeni ile sertlik aşırı derecede artar. Ancak karbon oranı C<0.2 olan çelikler bu neden ile önlem alınmadan kaynak edilebilir, daha yüksek karbon içeren çelikler ön tavlama ile kaynak edilmelidirler. Yüksek C’lu martenzit sert ve gevrektir, ve ITAB’da problemlerin ortaya çıkmasına neden olur. ITAB’ın sertliği esas metalin karbon içeriğinin bir fonksiyonudur. Artan C oranıyla ve C eşdeğeri ile, ITAB’ın tokluğu azalır ve sertliği artarak çatlak eğilimini artırabilir. Yüksek karbonlu martenzit tek başına çatlak meydana getirme sebebi değildir; hidrojenin çözünmesi ve kalıntı gerilmenin varlığıda gereklidir. ITAB’ın sertliği, mevcut martenzitin miktarı potansiyel çatlak için önemli bir ölçüdür. Her ne kadar çatlak, ender olarak, 250 HB civarında meydana gelirse de tedbir alınmamış durumda 450 HB yakınlarında beklenmelidir. Şekil II.5’de % 0,25 C’lu çeliğin ön tavlama, tavlamasız ve son tavlamalı olmak üzere değişik şartlarda hazırlanan 3 kaynak dikişinin mikro sertlik ve içyapıları gösterilmektedir. Şekil II.5.- % 0,25 C’lu çelikte ITAB ve Esas metalin sertlikleri (X 100) Knopp sertlik değeri ile Vickers sertlik değerleri yaklaşık olarak birbirine yakındır. KAYNAK METALİ ERİME HATTI Esas Metal Öntavsız Öntavlı Sontavlı HK = Knoop SertlikÖntavlama yapılmaksızın hazırlanan kaynak dikişinin ITAB’ın Knoop sertliği 435 HK’dır. Öntavlanmış plakada yapılan ikinci plakanın kaynak dikişinin ITAB’ın Knoop sertliği 361 HK’dır ve kaynaktan sonra bir tavlama işlemi yapılmış (595 C’de) üçüncü plakanın kaynak dikişinin ITAB’ın Knoop sertliği 196 HK’dır. İkinci ve üçüncü plakaların kaynak dikişlerinin ITAB sertlik değerleri önemli ölçüde ilk plakanın değerine göre düşüktür. Böylece Sertleşme kabiliyeti yüksek olan çeliklerin kaynak metalinin ve ITAB’ının sertlik değerinin düşürülmesi için son tavlama ısıl işlemi ileri sürülebilir. Kaynak yapıldığında sertleşebilen çeliklerde; özellikle temperlenmiş martenzitik içyapı elde etmek için ısıl işlem yapmak gibi özel tedbirler gerekebilir. Genellikle, ITAB boyutunun kontrolü için düşük kaynak ısı girişi ve kaynak bölgesinin soğuma hızı kontrolü için yüksek ön tavlama sıcaklığı arzu edilir. Çelik üreticileri tarafından verilen kaynak veri tavsiyeleri özellikle düşük alaşımlı, yüksek mukavemetli çeliklerde kaynak işlemlerinin hazırlığında muhakkak göz önüne alınmalıdır.II.5. Şiddetli Reaktif Malzemeler (Titanyum, Tantal, Zirkonyum, Molibden gibi) Şiddetli Reaktif Malzemeler (Titanyum, Tantal, Zirkonyum, Molbden gibi) 600 K'nin (327 C) altındaki sıcaklıklarda dahi atmosfer gazları içyapıya nüfuz ederek gevrekleşmeye yol açar. Kaynak vakum veya asal gaz altında yapılmalıdır. ITAB 330 C