Upload
others
View
28
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
165
PROJEKSİYON KAYNAK SOMUNLU ARA SOĞUTUCU
BRAKETİNDE HASAR ANALİZ SONUÇLARINA GÖRE
İMALAT PARAMETRELERİ DEĞİŞTİRİLEREK
YAPISAL PERFORMANSIN İYİLEŞTİRİLMESİ
Kemal DAVUT
1,2, Cemil Günhan ERHUY
3, Asım Serkan ECER
3, Merve METE
3
1 Atılım Üniversitesi Metal Şekillendirme Mükemmeliyet Merkezi, İncek / ANKARA
2 Atılım Üniversitesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, İncek / ANKARA
3 Ermetal Otomotiv ve Eşya San. Tic. A.Ş. Ar-Ge Merkezi, Osmangazi / BURSA
ÖZET
Bir ağır vasıta için imal edilen iki ara soğutucu braketi, montajda uygulanan hafif statik yüklemelerle
kırılmıştır. Somun-sac projeksiyon kaynağı içeren bu braketlerin her ikisinde de kırılma sacda, kaynak
bölgelerinin birinden geçerek oluşmuştur. Monte edilmemiş parçaların da metalografik incelemesini
içeren hasar analizi, kırılmanın nedeni olarak somun-sac ara yüzeyindeki birleşme yetersizliğini ve
doğan çentik etkisini işaret etmiştir. Kırılan taraftaki somun deliklerinin kenara mesafesinin
toleransın hayli dışında bulunması da kırılmayı teşvik edici bir faktör olarak görülmüştür.
Şartnamede belirtilen S235 JR çeliğinin muadili olarak DD 11 kalite sac kullanımının hasarda fazla
bir etkisinin bulunmadığı değerlendirilmiştir. Delik-kenar mesafesi toleranslar içerisine çekildikten
sonra, kaynak parametrelerinden akım, süre ve elektrot kuvvetine müdahaleyle kaynak kalitesi
iyileştirilmiştir. Metalografik inceleme, somun koparma testleri ve kırılmanın tekrar etmemesiyle bu
iyileşme doğrulanmıştır.
Anahtar Sözcükler: Projeksiyon kaynağı, çelik sac, S235 JR, DD 11, kaynak somunu, kırılma, hasar
analizi, mikroyapı, kaynak parametreleri, delik-kenar mesafesi, yapısal performans.
ABSTRACT
Two inter-cooler brackets manufactured for a heavy-duty vehicle were fractured during assembly,
while light static loads were applied. The fractures of these brackets, both of which include sheet-nut
projection weld, occurred in the sheet and passing through one of the weld zones. The failure analysis
including metallographic examination of the unassembled parts, pointed out fusion inadequacy on the
nut-sheet interface, which in turn gives rise to notch effect. The fact that the distance of nut holes to
the sheet edge at the fractured side being considerably out of tolerance was also considered as a
promoting factor for fracture. The usage of DD 11 quality sheet as an equivalent of the specified S235
JR quality sheet did not affect the failure much. To prevent the repeating of the failure, the hole-edge
distance was moved into tolerances and the weld quality was enhanced by interfering the weld
parameters of current, time, and electrode force. The improvement was validated by metallographic
examination, nut rupture tests, and the no repeat of the fracture.
Keywords: Projection weld, steel sheet, S235 JR, DD 11, weld nut, fracture, failure analysis,
microstructure, weld parameters, hole-edge distance, structural performance.
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
166
1. GİRİŞ
Çekici sınıfında geliştirilen bir ağır vasıtanın motor bölmesinde yer alan ara soğutucu
(intercooler) ünitesinin bağlantı braketinde kırılma problemi yaşanmıştır. Bu braketin üretim
sürecine bakıldığında, kalınlığı 4 mm olan S235 JR kalitesindeki çelik sacın kalıpta
kesilmesi, bükülmesi, kabartma formların (federlerin) şekillendirilmesi, SAE 1010
çeliğinden kaplamasız kaynak somunlarının projeksiyon (kabartılı direnç) kaynağı ile
birleştirilmesi gibi işlemlerin yer aldığı görülmektedir. Araç üreticisi olan ana sanayi firması,
sevk edilen iki adet braketin, araç üzerine montaj sürecinde uygulanan hafif yüklemelerde,
sacın kaynakta ısı tesiri altında kalmış olan bölgesinden ve neredeyse birbirinin kopyası
şeklide kırıldığını bildirmiştir. Söz konusu braketin araçta montaj konumu ve kırılması Şekil
1’de gösterilmiştir.
Şekil 1. Ara soğutucu braketinin araçta montaj konumu ve meydana gelen kırılma
Çalışmanın birinci amacı, söz konusu brakette yaşanan kırılma nedenlerinin hasar analizi ve
içyapı analizi ile tespit edilerek kırılma kök nedenlerinin bulunmasıdır. İkinci amaç ise
belirlenen kök nedeni ortadan kaldırmaya yönelik geliştirme faaliyetleri neticesinde kırılma
probleminin çözüme kavuşturulmasıdır.
2. ÖN BULGULAR
Çalışmaya konu olan braketlerin olası kırılma nedenleri ile ilgili olarak yapılan ön
değerlendirmelerin sonucu aşağıdaki maddelerde özetlenmiştir:
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
167
• İki braket neredeyse birbirinin kopyası şeklinde kırılmıştır. Bu durum, sorunun
rastlantısal yerine sistematik ve ortak bir hatadan kaynaklandığına işaret etmektedir.
• Kırılma hattı, projeksiyon kaynağı ile saca birleştirilen somunun kabartısından
geçmektedir (Şekil 1). Bu durum kaynak prosesinden kaynaklı bir sorunun (geometrik,
içyapısal veya kalıntı gerilme) var olabileceğini göstermektedir.
• Somun geçen iki deliğin kenarlara olan mesafesi eşit değildir. Kırılma hattı, kenara
mesafesi kısa olan delikten geçmektedir
• Kopan yüzeylerin tam örtüşmemesi kayma ve burulma etkilerinin var olabileceğini
göstermektedir.
• Braket motora bağlanan bir parça olduğundan dolayı titreşim ve ısıl etkiler söz konusu
olabilir.
• Sac kenarları oldukça pürüzlüdür Sacı kesen kalıbı kesme kenarındaki olası bir problem,
sac kenarlarında çentik oluşturarak kırılmayı başlatmış olabilir.
• Kullanılan malzemelerin kimyasal kompozisyon, içyapı, yapısındaki metal dışı kalıntı
(inklüzyon) miktarı veya mekanik özellikler açısından şartnameye uygun olmayışı kırılma
nedeni olabilir
• Braket parçalarında yüzey ve/veya yüzey altı çatlakların varlığı kırılmayı başlatmış
olabilir.
Yukarıdaki maddeler ışığında, önce parçanın boyutsal toleranslara uygunluğu araştırılmıştır.
Braket üzerinde yer alan iki somun deliğinin sacın yan kenarlarına olan mesafesi eşit olması
gerekirken, kırılan braketlerin birinde minimum mesafe iki somun deliği için 4.5 mm ve 6.5
mm; diğerinde ise 4.6 mm ve 6.4 mm olarak ölçülmüştür. Bu mesafelerde toleransların
dışına çıkan farklılıklar; delik delme operasyonunun hatalı olduğunu göstermekte; delme
kalıplarındaki dayamalarda kaymaların ortaya çıktığına işaret etmektedir. Braketlerin araç
üzerindeki ara soğutucu ünitesine montajında, somun deliklerinin merkezden kaçıklığı,
sıkma esnasında parçaya etki etmemesi gereken yanal yükler doğurmuştur. Bu zorlamalar ve
montaj esnasında oluşan kasıntının parçaların kırılmasında etkin rol oynadığı
düşünülmektedir. Kırılma iki parçada da birbirinin kopyası şeklinde gerçekleşmiş olup; her
ikisinde de delik-kenar mesafesi az olan taraftan kırılmanın başlamış olması dikkat
çekmiştir. Zira bu mesafenin kısa olması, söz konusu bölgedeki kesiti zayıflatmış ve kesitin
yük taşıma kapasitesini azaltmıştır.
Aynı zamanda malzeme seçiminin uygunluğu konusu da araştırılmıştır. Spektral analizlerin
de doğruladığı üzere, braketin şartnamesinde geçen S235 JR kalite çelik sac yerine, tedarikte
yaşanan sıkıntı nedeniyle, onun muadili olarak DD 11 kalite çelik sacın kullanıldığı tespit
edilmiştir. Her iki sacın spektral analiz ile saptanan kimyasal bileşimi ve hesaplanan karbon
eşdeğerleri Çizelge 1’de; mekanik özellikleri ise Çizelge 2’de karşılaştırılmıştır.
Konu malzeme seçimi yönünden ele alındığında, ısı tesiri altında kalan bölgelerde (ITAB)
martenzit oluşumuna bağlı gevrek davranışı teşvik eden karbon eşdeğeri açısından muadil
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
168
sac olarak kullanılan DD 11’in aslında daha avantajlı olduğu Çizelge 1’de görülmektedir.
Öte yandan kaynakta ısı girdisine bağlı olarak tane irileşmesi, ara fazların oluşumu veya iki
malzemenin dayanım değerlerinin farklılığı da göz önüne alınmalıdır. Bakıldığında, DD 11
kalite çelik sac daha iyi süneklik özelliğine ve statik tokluğa sahip olmasına karşılık, bu sacın
daha düşük dayanım değerleri sunduğu da bir gerçektir. Ancak, kaynak bölgesinde gelişen
olası bir çentik etkisinde, üç eksenli gerilme halinin oluşturduğu gevrekleşmeye karşı,
malzemenin tokluk özelliğinin avantaj sağlamada dayanıma kıyasla daha etkin olacağı
değerlendirilmiş ve malzeme mekanik özellikleri yönünden de DD 11 çelik sac daha
avantajlı bulunmuştur.
Çizelge 1. Şartnamede geçen S235 JR kalite ve muadili olarak kullanılan
DD 11 kalite çelik sacların optik emisyon spektrometresiyle saptanan kimyasal bileşimi (%ağırlıkça)
ve hesaplanan karbon eşdeğerleri
DD 11 Kalite Çelik Sacın Kimyasal Analiz Raporu
Karbon (C)
Silisyum (Si)
Mangan (Mn)
Fosfor (P)
Kükürt (S)
Krom (Cr)
Molibden (Mo)
Nikel (Ni)
0.046 0.008 0.212 0.008 0.003 0.015 0.007 0.04
Alüminyum (Al)
Kobalt (Co)
Bakır (Cu)
Niyobyum (Nb)
Titanyum (Ti)
Vanadyum (V)
Tungsten (W)
Kalay (Sn)
0.047 0.003 0.034 0.001 0.011 0.003 0.02 0.001
Karbon eşdeğeri, CE = %C + %(Mn+Si)/6 = 0.082
S235 JR Kalite Çelik Sacın Kimyasal Analiz Raporu
Karbon (C)
Silisyum (Si)
Mangan (Mn)
Fosfor (P)
Kükürt (S)
Krom (Cr)
Molibden (Mo)
Nikel (Ni)
0.083 0.028 0.42 0.003 0.004 0.01 0.015 0.025
Alüminyum (Al)
Kobalt (Co)
Bakır (Cu)
Niyobyum (Nb)
Titanyum (Ti)
Vanadyum (V)
Tungsten (W)
Kalay (Sn)
0.032 0.001 0.034 0.001 0.001 0.001 0.003 0.001
Karbon eşdeğeri, CE (IIW) = %C + %Mn/6 + %(Cr+Mo+V)/5 + %(Ni+Cu)/15 = 0.162
Çizelge 2. Şartnamede geçen S235 JR kalite ve muadili olarak kullanılan DD 11 kalite çelik sacların
çekme testi ile saptanan mekanik özelliklerinin standartlarında istenen değerlerle karşılaştırılması
Akma Dayanımı
(N / mm2)
Çekme Dayanımı
(N / mm2)
Kopma(mühendislik)
Uzaması
DD 11 İstenen 170 – 340 Maks. 440 Min %28
Ölçülen 266 339 %42.1
S235 JR İstenen Min. 235 360 – 510 Min. %24
Ölçülen 287 386 %33
Ön değerlendirme sonucunda saptanan geometrik uygunsuzluğun, farklı sac malzeme kullanımının ve
yukarıda maddeler halinde sıralanan diğer olguların kırılma üzerindeki etkilerini saptamak amacıyla
kırılma yüzeyi, sac ve kaynak bölgelerinin yapısı detaylı olarak incelenmiştir
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
169
3. DENEYSEL
Kırılmanın kök nedenlerini malzeme özellikleri ve kaynak metalürjisi yönünden ortaya
koyabilmek amacıyla, metalografik incelemeleri kapsayan bir hasar analizi çalışması
yürütülmüştür.
İlk etapta kırılma yüzeyi stereo mikroskop ve makro objektifler yardımıyla makro
incelemeye (5x büyütmeye kadar) alınmıştır. Sonrasında, kritik yüzeyler taramalı elektron
mikroskobu (SEM; Zeiss EVO LS-15) ile incelenmiş ve çatlağın başlangıç noktası, gelişme
ve ilerleme yön ve safhaları tayin edilmiştir. Aynı lotta imal edilmiş fakat henüz sevk
edilmemiş (kırılmamış) bir başka parça üzerinde, somunların ön tarafında haddeleme yönüne
göre paralel doğrultu (RD) - normal doğrultu (TD) ve enine doğrultu (TD) - normal doğrultu
(ND) ile tayin edilen düzlemlerinden alınan numunelerde optik mikroskop ve SEM ile
içyapılar gözlenerek kırılma ile olası bağıntısı araştırılmıştır. İçyapı incelemesinin ardından,
ana metalde ve kaynağın farklı bölgelerinde Zwick ZHV-10 cihazı ile mikro-Vickers sertlik
taraması yapılmış; sertlik değerlerinin içyapıyla değişimi irdelenmiştir. Son aşamadaki enerji
saçılım spektrometresi (EDS) analizleri ile bileşimde kırılmada etken olabilecek bileşim
farklılıkları araştırılmıştır.
Metalografik incelemeye tabi tutulacak olan numuneler, parçalardan, incelenecek bölgeye
göre tanımlanmış pozisyonda kesilerek çıkarılmış ve sıcak baskı ile bakalit tozuna
gömülmüştür. İncelenecek yüzeyler, ilk önce sırasıyla 240, 400, 600 ve 1000 grit-no.lu SiC
zımpara kâğıtlarıyla; sonrasında ise sırasıyla 3 µm’lik, 1 µm’lik ve 1 µm’nin altında silika
partiküller içeren solüsyon ile parlatılmıştır. Parlatılan bu yüzeyler %5-Nital çözeltisi ile
dağlanmıştır. Numune hazırlamada ASTM E3-01 standardında [3] tavsiye edilen genel
prosedüre uyulmuştur.
4. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME
Sac malzeme olarak DD 11 kalite çelikten imal edilen braketin kırılma yüzeyinde gözlenen
bulgular Şekil 2’de verilmiştir. Kırılma yüzeyi analizleri kırılmanın iki aşamada
gerçekleştiğini göstermiştir. İlk aşamada somun-sac birleşim noktasında başlayan çatlaklar
birleşip sac içerisine doğru büyümüştür. İkinci aşamada ise çatlağın sacda, enine doğrultuda
adım adım yürüdüğü görülmüştür. Çatlak, kenara daha yakın olan somun tarafında başladığı
için buradaki ilerleme adımlarının küçük; diğer somun tarafına ulaştığında ise büyümüş
olduğundan o taraftaki ilerleme adımlarının daha büyük olduğu kırılma yüzeyinde açıkça
görülmüştür. Braketi oluşturan sac parçanın sünerek kırıldığı belirlenmiştir. Kırılma
yüzeyinde yorulma izine rastlanmamıştır.
Somunla sacın birleştiği yüzeylerde, DD 11 sacdan imal edilen fakat kullanılmamış olan
brakette dahi 100 µm ve üzeri büyüklükte mikroçatlaklar gözlemlenmiştir (Şekil 3). Kırılan
parçada ise birleşme (füzyon) bölgesi boyunca uzamış; boyutları 550 µm’ye ulaşan çatlaklar
(Şekil 4) saptanmıştır. Gerek kırılan, gerekse kırılmayan DD 11 sacdan parçalar üzerinde
yapılan incelemeler, somun ile sac arasında tam anlamıyla birleşmenin (füzyon) sağlandığı
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
170
konusunda kuşku doğurmuştur. Somun-sac birleşme noktalarındaki mikro-çatlaklarla birlikte
somun kabartı geometrisinin yol açtığı çentik etkisinin, kırılma sürecindeki çatlak
başlangıcına yol açtığı sonucuna varılmıştır. Kırılma yüzeyinden elde edilen çatlak başlangıç
noktaları da (Şekil 2) bu sonucu doğrulamaktadır.
Şekil 2. İmalatı DD 11 kalite çelik sacdan yapılan ve kırılmış olan brakette
çatlak başlangıcı ve ilerleyişi
Şekil 3. İmalatı DD 11 kalite çelik sacdan yapılan ve kırılmamış olan braketteki
somun-sac ara yüzeyinde gözlenen çatlaklar
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
171
Şekil 4. İmalatı DD 11 kalite çelik sacdan yapılan ve kırılmış olan braketteki somun-sac ara
yüzeyinde gözlenen birleşme yetersizliği ve buna bağlı çatlaklar
Kırılan ve kırılmayan parçalarda içyapıların aynı olduğu gözlenmiştir. Sacın ferritik;
somunun ise ferritik-perlitik bir yapıda olduğu görülmüştür. Somunda perlit gözlenmesi,
malzemesinin daha yüksek karbon oranına sahip olduğuna işaret etmektedir. Somunun
şekillendirilmesi esnasında oluşan akma çizgileri de bu incelemelerde görülmüştür.
Kaynakta ise, birleşme bölgesinde ağırlıklı olarak beynit; bir miktarda da martenzit yapıları
gözlenmiştir. Isı tesiri altındaki bölgelerde de (üst) beynit ve martenzit yapıları mevcuttur.
Birleşme bölgesinden uzaklaştıkça beynit ve martenzit miktarı azalmaktadır. Kırılmayan ve
kırılan parçalardan çıkartılan numunelerde kaynak bölgelerinin farklı noktalarında gözlenen
mikroyapılar Şekil 5’de verilmiştir.
Kırılan parçada kaynağın farklı bölgelerinde SEM’e bağlı EDS sistemi ile uygulanan
noktasal kimyasal analizler sonucunda somun, sac veya birleşme (kaynak) bölgelerinde
kırılmaya yol açabilecek bileşim farklılaşmasına veya çatlak başlamasına neden olabilecek
metal dışı kalıntılara (inklüzyon) rastlanmamıştır.
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
172
Şekil 5. İmalatı DD 11 kalite çelik sacdan yapılan ve kırılmamış olan braketteki somun-sac
projeksiyon kaynağında ana malzemeler, ITAB ve birleşme bölgelerinin optik mikroskop ve SEM
ile gözlenen içyapıları
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
173
5. HASAR ANALİZ SONUÇLARINA GÖRE ALINAN ÖNLEMLER
Bir önceki bölümde sonuçları detaylı olarak irdelenen hasar analizi, kırılmada iki temel
faktörün rol aldığını ortaya koymuştur. Bunlardan ilki, somun deliklerinden birinin sac
kenarına mesafesinin, tolerans dışında ve normalden yakın olması nedeniyle bölgeyi
zayıflatmasıdır. Deliğin kenarına mesafesinin normalden 1.0-1.2 mm farklı olmasının, sacın
bir tarafındaki yük taşıyan kesiti zayıflatmasının yanında; braketin araca montajı sırasında
kasıntılara ve buna bağlı yanal yüklere neden olarak kırılmayı teşvik ettiği
değerlendirilmiştir. Kırılmanın delik ile kenar arası mesafesinin kısa olduğu taraftan
başlaması da bu değerlendirmeyi destekleyen bir bulgudur. Delik ölçülerdeki söz konusu
uygunsuzluğun delik delme operasyonlarında kalıp dayamalarıyla ilgili bir problemden
kaynaklandığı düşünülmüştür. Önleyici faaliyet olarak delme operasyonu kontrol altında
tutularak, somun delik konumlarının Şekil 6’da gösterilen teknik resme uygun ve ±0.5
mm’lik toleransla imal edilmesi sağlanmıştır.
Şekil 6. Braketin teknik resmine göre somun deliklerinin konumu
Hasar analiz sonucuna göre kırılmada rol alan ikinci temel faktör ise, kaynak bölgesinde
çentik etkisi yaratan geometrik unsurların ve mikroçatlarkların varlığıdır. Bu çatlakların,
uygulanan zorlama sonucu kaynak birleşme (füzyon) bölgesindeki gevrek yapıda büyüyerek
birleşmesi ve sünek sac yapısına geçerek daha yavaş adımlarla ilerlemesinin kırılmaya neden
olduğu belirlenmiştir. Sac ile somun arasında tam bir birleşmenin oluşmaması ve somun
kabartılarının oluşturduğu çentik etkisi, projeksiyon kaynak parametrelerinin uygun
seçilmediğini işaret etmektedir. Düzeltici faaliyet olarak, yeni kaynak parametrelerinin
belirlenmesi için bir çalışma başlatılmıştır. Yeni parçaların kaynak işlemlerinde parametre
kontrolü daha hassas bir şekilde gerçekleştirilmiştir (Çizelge 3). Bu süreçte, kırılan brakette
kullanılan DD 11 kalitesindeki çelik sac yerine, parçanın şartnamesinde tanımlanan;
kimyasal bileşimi ve mekanik özelikleri Çizelge 1-2’de verilen S235 JR çelik sac
kullanılmıştır. Sac değişikliğin, malzeme dayanımı yönünden bir miktar avantaj sağlayacağı;
süneklik ve karbon eşdeğeri (kaynak kabiliyeti) yönünden ise bazı dezavantajları beraberinde
getirebileceği Çizelge 1-2’den görülebilmektedir. Hasar analiz sonuçları, kullanılan sac
malzemenin şartnamede geçenden farklı olmasının doğrudan bir etkisinin bulunduğunu
göstermemekle birlikte; malzeme değişikliğine de gidilmiş olması, kaynak parametreleri için
yeni ve uygun değerlerin seçimindeki gerekliliği pekiştirmiştir.
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
174
Nokta direnç kaynağının modifikasyonu olan projeksiyon kaynağı, kabartılı direnç kaynağı
veya kısaca kabartı kaynağı olarak da anılmaktadır. Elektrik akımı ve kuvvetin birleştirilecek
parçalara düz ve büyük elektrotlarla taşındığı bir direnç basınç kaynağı yöntemi olan
projeksiyon kaynağında kabartının (projeksiyon) şekli kaynak bölgesinde bir akım
yoğunlaşması meydana getirmektedir. Kabartılar kaynak sırasında elektrot kuvveti ve akımın
etkisiyle ısınmakta, deforme olmakta ve kaynak bölgesinde (ideal durumda) çözülmez bir
bağlantı oluşturmaktadır. Isı girdisi, Q=I2Rt eşitliği ile de belirtildiği gibi, akım I’nın karesi,
kısmi dirençlerin (elektrot malzemesi, parça malzemesi, elektrot-parça temas ve parça-parça
temas dirençleri) toplamı R ve kaynak süresi t ile orantılıdır. Bir diğer önemli kaynak
parametresi olan elektrot (sıkma) kuvveti kısmi dirençler arasında ısı üretimine en fazla katkı
sağlayan parçalar arası temas direncini doğrudan etkilemektedir. [1], [2], [7]
Kaynak akımı (efektif akım şiddeti) ve süresinin gerekenden düşük seçilmesi yetersiz
birleşmeye (füzyon); gerekenden yüksek seçilmesi ise fışkırma ve çapaklanma problemine
yol açacaktır. Kuvvetin gerekenden yüksek seçilmesi kaynak akımının etkisinden önce
kabartının düzleşmesine ve buna bağlı olarak yetersiz füzyon ve zayıf bir kaynak bağlantısı
oluşmasına neden olabilmektedir. Gereğinden düşük seçilen baskı kuvveti ise sıçrama ve
fışkırma problemini beraberinde getirecektir. [1], [2]
Akım, süre ve kuvvet dışında, kaynak makinası konstrüksiyonu ve kaynak akım tipi (tek faz
AC, çok fazlı DC, kondansatör deşarjlı, orta frekans inverter DC / MFDC), kaynak
çevriminde pulslar ve impuls sayısı, akım programı (akım yükselmesi, aralıkları ve düşüşleri,
ön ve son tavlamalar), kuvvet programı ve elektrot iniş hızı, malzemelerin termo-fiziksel
özellikleri ve plastik deformasyon davranışı, ısıl denge ve elektrotların soğutulması, elektrot
yüzey durumu ve hizalanması, kaynak ekipmanı ve kabartıların boyutsal toleransları, parça-
elektrot teması istenmeyen bölgelerde yalıtım durumu gibi faktörler de projeksiyon kaynak
süreci ve kalitesine önemli etkilerde bulunmaktadır [1], [2], [5]-[11].
Çalışmanın bu kısmında somun-sac kaynakları, anma gücü 180 kVA (%50 DT) olan, su
soğutmalı ve pres tipi bir projeksiyon kaynak makinası ile yürütülmüştür. Kaynak
düzeneğinin tasarımı ise Şekil 7’de verilmiş olup; uygulanan elektrot kuvveti, bir yük hücresi
ve indikatör ile kaynak işlemlerinde kontrol altında tutulmuştur. Kaynak akımı da bir
akımölçer ile işlem esnasında ölçülmüştür. Kaynak işlemleri Çizelge 3’te verilen iki farklı
parametre seti ile yürütülmüştür. Kaynak işleminin ardından braketlere somun koparma testi
uygulanmış olup; ölçülen kopma kuvveti değerleri de aynı çizelgede sunulmuştur. Bu
braketlerde somunların kopma yüzeyleri ise Şekil 8’de görülmektedir.
Çizelge 3. İmalatı S235 JR kalite çelik sacdan yapılan braketlere uygulanan somun koparma testinden
ölçülen kopma kuvvetlerinin farklı kaynak parametrelerine göre değişimi
1. Düzeltme 2. Düzeltme
Akım 18 ±0.2 kA 18 ±0.2 kA
Süre 3 Çevrim 4 Çevrim
Elektrot Kuvveti 675 ±5 kgf 790 ±5 kgf
Frekans 50 Hz 50 Hz
Impuls sayısı 1 1
Somun Kopma Kuvveti 1750 ± 10 kgf 2049 ± 11 kgf
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
175
Şekil 7. Projeksiyon kaynak işlemlerinde kullanılmak üzere kaynak makinasına adapte edilecek
şekilde tasarlanan elektrot kuvveti kontrollü düzenek ve elemanları
Şekil 8. İmalatı S235 JR kalite çelik sacdan yapılan braketlerde kaynak somunlarının
koparma testi ile gözlenen kopma yüzeyleri
(Çizelge 3’e göre birinci düzeltme sonrası sol ve ikinci düzeltme sonrası sağ taraftaki resimler)
Braketlerde kırılmanın temel nedenlerinden biri olan ve birleşme yetersizliğine dayanan
mikroçatlakların etkisi S235 JR kalite çelik sacdan imal edilen parçaya uygulanan somunun
koparma testi ile irdelenmiş; metalografik incelemeyle de doğrulanmaya çalışılmıştır.
Kaynak parametrelerine yapılan birinci düzeltmenin soncunda kopma kuvveti ortalama 1750
kgf olarak ölçülmüş; Şekil 8’de (sol) görülen kopma yüzeyleri incelendiğinde her üç
projeksiyonda da birleşmenin sağlandığı, kaynak çekirdeğinde sacdan kopmuş olan
malzemeyle doğrulanmıştır. Koparma test sonuçları şartnameye göre tatmin edici olsa da
Şekil 9’da verilen görüntüde, boyutları 140-250 µm olan mikroçatlaklar gözlemlenmiştir.
Çatlak uzunluğunda, kırılma problemi yaşanan duruma göre bir azalma olsa da somun
kopma kuvvetini bir miktar daha da iyileştirmek amacıyla kaynak parametrelerine ikinci bir
düzeltme uygulanmıştır. İkinci düzeltme sonucunda somun kopma kuvveti yaklaşık 300 kgf
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
176
artarak, ortalama 2049 kgf değerine ulaşmıştır. Kaynak dayanımında sağlanan artış, kopma
yüzeylerinde daha etkin ve homojen bir birleşme ile birlikte gözlemlenmiştir (Şekil 8, sağ).
Birinci düzeltme sonrası kaynak bölgesindeki içyapı incelemelerinde, önceki bölümde DD 11 kalite
çelik sac ile imal edilen parçalardakine benzer yapılar görülmüştür (Şekil 10). Beklendiği üzere S235
JR kalitesindeki çelik sac ferittik yapıda; SAE 1010 çeliğinden kaynak somunu ferritik-perlitik yapıda
gözlenmiştir. Birleşme (füzyon) bölgesinde martenzitik yapının hakim olduğu belirlenmiş; az
miktarda da beynite rastlanmıştır. Kaynakların ısı tesiri altında kalan bölgelerinde (ITAB) ise genel
yapı beynitik olup; bu bölgelerde az miktarda martenzit de gözlenmiştir. Birleşme bölgesinden
uzaklaştıkça martenzit ve beynit miktarları azalmaktadır.
Şekil 9. İmalatı S235 JR kalite çelik sacdan yapılan brakette kaynak parametrelerindeki birinci
düzeltme sonrası somun-sac ara yüzeyindeki birleşme noktasında gözlenen mikroçatlak (dağlanmamış
kesit görüntüsü)
Şekil 10. İmalatı S235 JR kalite çelik sacdan yapılan brakette kaynak parametrelerindeki birinci
düzeltme sonrası farklı bölgelerin SEM ile görüntülenen içyapısı
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
177
İçyapı incelemelerinin tamamlanmasının ardından sertlik taramasına geçilmiştir.
Kaynakların farklı bölgelerinde ölçülen Vickers sertlik değerleri Çizelge 4’de verilmiştir.
Ölçülen değerler, bu bölgelerde gözlenen içyapılar ile uyumlu bulunmuştur.
Çizelge 4. İmalatı DD 11 ve S235 JR saclardan yapılan parçalardan çıkarılan
numunelerde kaynağın farklı noktalarında ölçülen Vickers sertlik değerleri
DD 11 Kalite Çelik Sac,
kırılan parça DD 11 Kalite Çelik Sac, Kullanılmayan Parça
S235 JR Kalite Çelik Sac, Birinci Düzeltme Sonrası
Somun 188 ± 4 202 ± 4 196 ± 19
ITAB-Somun 132 ± 3 161 ± 2 194 ± 5
Birleşme 245 ± 9 352 ± 1 361 ± 15
ITAB-Sac 191 ± 3 175 ± 19 271 ± 23
Sac 143 ± 8 96 ± 4 141 ± 18
Sac malzeme olarak DD 11 kalitesindeki çeliğin kaynağına ilişkin elde edilen sonuçlara
benzer şekilde, S235 JR kalite çelik sacın kaynağında da birleşme bölgesi en sert yer olarak
saptanmıştır. Bununla birlikte, DD 11 sac ile S235 JR sacdan imal edilen parçalar arasında
en büyük ve anlamlı fark ITAB’da gözlenmiştir. Malzemesi DD 11 olan çelik sacın
kaynağında, sacın ITAB bölgesindeki sertlik 175±19 HV ve 191 ±3 HV olarak elde
edilmişken; S235 JR çelik sacın kaynağında aynı bölgede sertlik 271 ±23 HV olarak
ölçülmüştür. Söz konusu fark, S235 JR çeliğindeki karbon eşdeğerinin DD 11 çeliğine
kıyasla daha yüksek olması nedeniyle martenzit oranındaki artış ve martenzitin karbon
oranına bağlı olarak sertliğinin artması [4] ile bağdaştırılmıştır.
6. SONUÇ
Ara soğutucu braketlerinde yaşanan kırılma problemi incelenmiş ve braketin projeksiyon
kaynağı bölgesindeki sert ve kırılgan yapıdan başlayarak kırıldığı ve sac ana yapısında
kırılma tipinin sünek olduğu gösterilmiştir. Kök neden olarak iki ana faktör öne çıkmıştır:
• Kaynak bölgesinde, somun-sac ara yüzeyindeki birleşme yetersizliği ve beraberinde
oluşan mikroçatlakların zorlama altında büyüyerek birleşmesi,
• Somun deliklerinden birinin sac kenarına olan mesafesinin normalden yaklaşık 1 mm az
olarak tolerans dışında bulunması nedeniyle kırılmanın gerçekleştiği bölgeyi zayıflatması;
ayrıca montaj esnasında yanal kuvvetlerin oluşması riskini beraberinde getirmesi.
Tedarik problemleri nedeniyle, parça şartnamesinde geçen S235 JR kalitesindeki çelik sac
yerine DD 11 kalite çelik sacın kullanılmasının kırılmada etkin bir rol oynamadığı, yürütülen
hasar analiziyle gösterilmiştir. Kırılma kök nedeninin belirlenmesinin ardından, şartnamede
belirtilen S235 JR kalite çelik sac kullanılarak problemin çözümüne yönelik çalışmalar
yapılmıştır. Bu çalışmalar:
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
178
• Sacdaki somun deliklerinin delinmesi operasyonu delme kalıplarındaki zımba ve
dayamalar ile birlikte gözden geçirilmiş ve delik konumlarının toleranslar içerisine
çekilmesi sağlanmıştır.
• Somunların saca birleşmesi için kullanılan projeksiyon kaynak parametrelerine müdahalede
bulunulmuştur. Kaynak bölgesinin metalografik incelemesi ve uygulanan somun koparma
testleri ile yeterli birleşmenin sağlandığı gösterilmiştir.
• Kaynak parametrelerine yapılan birinci müdahalenin sonucunda, somun koparma
testlerinde şartnameye göre tatmin edici sonuçlar alınmakla birlikte, çentik etkisi
doğurabilecek mikroçatlakların boyutunun küçülmesine rağmen, yapıda yer almaya devam
ettiği görülmüştür.
• Kaynak parametrelerine yapılan ikinci müdahalenin ardından, somun kopma kuvvetinde bir
önceki duruma göre yaklaşık 300 kgf’lik bir iyileşme sağlanmıştır.
Sonuç olarak, S235 JR kalite çelik sac malzeme kullanılarak uygun ölçü toleransları ve
güncellenen kaynak parametreleri ile imal edilmiş braket parçalarında, bu çalışmanın kaleme
alındığı tarihe kadar kırılma problemi yaşandığına dair herhangi bir geri bildirim
alınmamıştır. Problemin çözümünde yeniden tasarım ya da malzeme değişikliği gibi, seri
üretim sonrası ciddi ek maliyetler doğurabilecek önleyici faaliyetlere de gerek kalmamıştır.
Çalışma, bu yönüyle bakıldığında, yaşanabilecek problemlerin tanımlanması ve çözümünde,
kırılma yüzeyi ve içyapı incelemeleri ile boyutsal toleranslara uygunluk gibi kontrol, test ve
analizlerin rolünü ve önemini ortaya koymaktadır.
7. KAYNAKÇA
[1] Anık, S. ve Vural, M., (2007). "Alaşımsız Çeliklerin Kabartı (Projeksiyon) Kaynağı",
Mühendis ve Makina, 48 (573): 46-51.
[2] Anık, S., Anık, E.S. ve Vural, M., (1993). 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı –
Cilt 1: Kaynak Yöntemleri ve Donanımları, Birsen Yayınevi, İstanbul.
[3] ASTM E3-11, (2011). Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens,
ASTM International, West Conshohocken, PA.
[4] Bhadeshia, H.K.D.H. ve Honeycombe, R.W.K., (2006). Steels, Microstructure and
Properties, Butterworth-Heinemann, UK.
[5] Bryda, R. ve Foreman, R., (2009). “Welding Fasteners: Spot or Projection?”,
http://www.thefabricator.com/article/shopmanagement/welding-fasteners-spot-or-
projectionr,
30 Eylül 2013.
[6] Dent, P., Bohr, J.C., Gasser, R.G., Gerken, J.M., Hallum, D.L., Lee, J.W., McCauley,
R.B., Orts, D.H., Oyler, G.W., Shieh, W.T., Wu, K.C. ve Manz, A.F., (1997). “Spot,
Seam, and Projection Welding”, Derleyen: O’Brien, R.L., (1997). Welding Handbook
8th Edition Vol. 2: Welding Processes, American Welding Society Inc., Miami.
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
179
[7] Gültekin, N., (1991). Kaynak Tekniği, Engin Ofset, İstanbul.
[8] Hwang, I.S., Kang, M.J. ve Kim, D.C., (2011). “Expulsion Reduction in Resistance
Spot Welding by Controlling of Welding Current Waveform”, Procedia Engineering,
10: 2775-2781.
[9] Larsson, J., (2008). “Projection Welding for Nut and Bold Attachment”,
http://www.thefabricator.com/article/shopmanagement/projection-welding-for-nut-and-
bolt-attachment,
30 Eylül 2013.
[10] Senkara, J., Zhang, H. ve Hu, J., (2004). “Expulsion Prediction in Resistance Spot
Welding”, Welding Journal, 83 (4): 123-132.
[11] SWANTEC, Parameters in Resistance Welding,
http://www.swantec.com/parameters-in-resistance-welding.php, 11 Ekim 2013.
KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
180