MAG kaynak yöntemi ile birleştirilen bir zırh sacının mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical properties of an armor sheet welded by MAG technique
Yazar: SELMA KASAL
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Zırh çelikleri ana muharebe tankları, zırhlı personel taşıyıcılar gibi araçlarda ilave zırh ve yapısal zırh olarak kullanılmaktadır. Bu çelikler kontrollü ısıtma, haddeleme, ısıl işlem prosesleri uygulanarak istenen özelliklerde (işlenebilirlik, süneklik, sertlik, tokluk vb.) üretilir. Böylece yüksek deformasyon kapasitesi ve darbe direnci sayesinde balistik koruma özelliğine sahip olurlar. 
Zırh çelikleri genellikle sertlik değerine göre sınıflandırılır. Zırh çeliği sınıflarına örnek olarak ultra yüksek sertlikte, çok yüksek sertlikte, yüksek sertlikte, orta sertlikte ve haddelenmiş homojen yapıda çelikler verilebilir. Zırh çeliklerine delme, frezeleme, testere ile kesme ve su jeti ile kesme mekanik operasyonları uygulanabilir. Lazerle kesme, delme, pahlama operasyonlarının yanında oksijenle kesme işlemi de zırh çeliklerinde kullanılan termal operasyonlara örnektir.
Zırh çelikleri korumalı metal ark kaynağı, özlü ark kaynağı, gaz tungsten ark kaynağı, gaz metal ark kaynağı, elektron ışın kaynağı gibi yöntemler kullanılarak kaynaklanabilirler. Zırh çeliklerinin yüksek karbon içeriği istenilen sertlik özelliklerini sağlarken kaynaklanabilirliği olumsuz yönde etkiler. Gaz metal ark kaynağı, korumalı metal ark kaynağı gibi kaynak yöntemleri ve östenitik paslanmaz çelik, düşük hidrojen ferritik çelik, dubleks paslanmaz çelik gibi dolgu malzemeleri (elektrotlar) ile daha başarılı kaynak yapılabilme imkanı vardır.
Kaynak sonrası tahribatsız ve tahribatlı muayeneler yapılarak kaynak kalitesinin standartlara ve müşteri taleplerine uygunluğu kontrol edilir. TS EN ISO 15614-1 standardında belirtildiği gibi görsel muayene, sıvı penetrant testi, radyografik muayene, manyetik parçacıkla muayene ve ultrasonik muayene tahribatsız muayenelere örnek verilebilir. Bağlantı geometrisine bağlı olarak kullanılabilecek tahribatlı muayene yöntemleri ise enine çekme testi, eğme testi, makro değerlendirme, darbe testi ve sertlik testidir.
Bu çalışmada ana muharebe tankları, zırhlı personel taşıyıcılar gibi araçlarda kullanılan şok ve patlama dalgalarına karşı maksimum direnç sunan, nispeten düşük sertlikte, yüksek tokluğa sahip homojen haddelenmiş zırh çeliğinin kaynak özellikleri incelenmiştir. Çalışmada kaynak uygulanmış zırh çeliği plakalarında kaynak bölgesinin yapısal ve mekanik özellikleri incelenmiştir.
Deneysel çalışmalar için 25,9 mm kalınlığındaki homojen haddelenmiş zırh çeliği sacı lazer tezgahında 200 mm genişliğinde 600 mm uzunluğunda plakalar haline getirilmiştir. Bu plakaların kaynak ağzı açılacak olan lazerle kesilmiş kenarları penetrant testi ile kontrol edilmiş ve kusur tespit edilen bölgeler taş ile temizlenmiştir. Bu işlem sonrası CNC tezgahında X formunda kaynak ağzı açılmıştır. Kaynak ağzı, kaynak dikişi sacın hadde yönüne paralel olacak şekilde açılmıştır.
Kaynak otomatik kaynak makinesi kullanılarak gaz metal ark kaynağı yöntemlerinden olan MAG kaynak yöntemi ile % 5 CO2, %5  O, % 90 Ar karışım gaz ortamında yapılmıştır. Plakalar, X kaynak ağzının alt tarafı 4 paso üst tarafı 4 paso olmak üzere toplam 8 pasoda kaynaklanmıştır. Bir yüzeyin kaynağı 4 paso ile tamamlandıktan sonra diğer yüzeye başlanmadan önce kök bölgesi penetrant testi ile kontrol edilmiştir. Kaynak işleminde östenitik paslanmaz çelik elektrot kullanılmıştır. Kaynak işlemi kaynak ağzına ön ısıtma uygulamadan ve ön ısıtma uygulayarak (doğrudan kaynak ve ön ısıtma sonrası kaynak olarak adlandırılmıştır) gerçekleştirilmiştir. Ön ısıtma işlemi üfleç ile gerçekleştirilmiş ve ön ısıtma sıcaklığı 200 °C civarında tutulmuştur. Ön ısıtma uygulanmış yüzeyin kaynağı 4 paso ile tamamlandıktan sonra diğer yüzeyde de 200 °C sıcaklık hedeflenerek ön ısıtma işlemi yapılmıştır.
Kaynak işlemi sonrasında kaynak bölgesine tahribatsız muayene yöntemleri uygulanmıştır. Bu kapsamda görsel muayene TS EN ISO 17637 standardına uygun olarak yapılmıştır. Penetrant testi EN 3452-1 standardına uygun olarak Tip II C metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Radyografik muayene ise TS EN ISO 17636-1 standardına göre X-Ray metodu kullanılarak yapılmıştır. Kaynaklarda tahribatsız muayeneler EN 5817 standardı B kalite seviyesine göre değerlendirilmiş ve bu çalışma kapsamında yapılan kaynaklarda herhangi bir hata veya süreksizliğe rastlanmamıştır.
Kaynaklı plakalar su jeti mekanik operasyonu ile ISO 15614-1:2017 standardına göre sertlik, yorulma, çekme, eğme, çentik ve mikroyapı numuneleri hazırlamak üzere kesilmiştir.
Mikroyapı numuneleri standart metalografik yöntemlere göre hazırlandıktan sonra mikroskobik incelemeler için dağlanmıştır. Dağlama işleminde zırh sacı için %3 Nital çözeltisi, östenitik paslanmaz çelik elektrot için ise V2A çözeltisi kullanılmıştır.
Sertlik ölçümleri zımparalanıp dağlanan numunelerin kaynak bölgesinin üst, orta ve alt bölgelerinde ana metali, ısı tesiri altındaki bölgeyi ve kaynak dikişini kapsayacak şekilde 10 kg yük ile Vickers sertlik yöntemine  göre yapılmıştır.
Çekme testi numuneleri TS EN ISO 4136:2022 standardına göre, eğme testi numuneleri TS EN ISO 5173 standardına göre, çentik darbe testi numuneleri TS EN ISO 148-1 standardına göre hazırlanmıştır.
Yapısal ve mekanik incelemelerde elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir.
Çalışmaya konu olan çelik temperlenmiş martenzitik mikroyapıya sahip olup ön ısıtma işlemi martenzitik mikroyapıda kayda değer bir değişikliğe neden olmamıştır.
Hem doğrudan kaynaklı hem de ön ısıtma sonrası kaynaklanan numunede maksimum sertlik değeri ITAB bölgesinden elde edilmiştir. Ön ısıtma işlemininin ana metal, ITAB ve kaynak dikişi bölgelerindeki sertlik değerlerine belirgin bir etkisi olmamıştır.
Çekme testi kaynaksız, doğrudan kaynaklı ve ön ısıtma sonrası kaynaklanan numunelere yapılmıştır. Doğrudan kaynaklı ve ön ısıtmalı numunelerde yapılan çekme testleri sonucunda kopma kaynak dikişinden gerçekleşmiştir. Test sonucuna göre kaynaksız zırh çeliği akma mukavemetinin (838 MPa) kaynaklı numunede 550 ve 553 MPa'a,  ön ısıtmalı numunede ise 548 ve 551 MPa'a düştüğü tespit edilirken; çekme mukavemetinin (928 MPa ) ise kaynaklı numunede 814 ve 764 MPa'a, ön ısıtmalı numunede  779 ve 791 MPa'a düştüğü tespit edilmiştir.
Doğrudan kaynaklı ve ön ısıtma sonrası kaynaklanan numuneler eğme testine tabi tutulmuştur. Kaynaklı numunelerin 2 adedinde, ön ısıtmalı numunelerin 1 adedinde kaynak dikişinde kırılma gerçekleşmiştir.
Kaynak dikişinde V tipi çentik oluşturularak hazırlanan numuneler oda sıcaklığında çentik darbe testine tabi tutulmuştur. Test sonucuna göre absorbe edilen darbe enerjisi kaynaklı numunede 108, 110 ve 106 J iken ön ısıtmalı numunede ise 117, 117 ve 113 J olarak ölçülmüştür.
Dönel eğmeli yorulma cihazında 450 MPa gerilme genliği (R= -1) altında ve 30 Hz frekansta yapılan yorulma deneyinde kaynaklı numuneler 5,6x〖10〗^4 ve 6,2x〖10〗^4çevrim sayılarında ön ısıtmalı numuneler ise 13,3x〖10〗^4 ve 64,4x〖10〗^4 çevrim sayılarında kırılmıştır. Kırılmalar kaynak dikişinde gerçekleşmiş olmasına rağmen uygulanan ön ısıtma işlemi yorulma ömründe kayda değer bir artış sağlamıştır.
Sonuç olarak; Zırh çeliğine uygulanan kaynak işlemi öncesinde yapılan 200 °C'lik ön ısıtmanın ön ısıtma uygulanmayan koşula göre sertlik ve mukavemeti değiştirmediği ancak yorulma ömründe kayda değer bir artış sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
Armour steels are used as reinforcement and/or structural armour components in vehicles such as main battle tanks, armoured personnel carriers. These steels are produced with the desired properties (machinability, ductility, hardness, toughness, etc.) by applying controlled heating, rolling and heat treatment processes. Thus, they have superior ballistic protection thanks to their high deformation capacity and impact resistance.
Armour steels are generally classified according to their hardness. Examples of armour steel classification are ultra-high hardness, very high hardness, high hardness, medium hardness and rolled homogeneous structure steels. Mechanical operations such as drilling, milling, sawing and water jet cutting can be applied to armour steels. In addition to laser cutting, drilling and chamfering operations, oxygen cutting can be given as an example for thermal operations used in armour steels.
Armour steels can be welded using methods such as shielded metal arc welding, flux cored arc welding, gas tungsten arc welding, gas metal arc welding, electron beam welding. While the high carbon content of armour steels provides the desired hardness properties, it affects the weldability negatively. Succesfull welding via gas metal arc welding and shielded metal arc welding techniques can be done by using austenitic stainless steel, low hydrohgen ferritic stell and duplex stainless steel electrodes.
After welding, non-destructive and destructive examinations should be carried out to check that the weld quality complies with the standards and customer demands. In TS EN ISO 15614-1 standard, visual inspection, liquid penetrant test, radiographic examination, magnetic particle inspection and ultrasonic examination are examples of non-destructive examinations. Destructive testing methods that can be used depending on the joint geometry are transverse tensile test, bending test, macroscopic investigation, impact test and hardness test.
In this study, the welding properties of homogeneous rolled armour steel with relatively low hardness and high toughness, which offers maximum resistance to shock and blast waves used in vehicles such as main battle tanks and armoured personnel carriers, were investigated. In the study, the structural and mechanical properties of the weld zone in welded armour steel plates were focused.
For the experimental studies, 25,9 mm thick homogeneous rolled armour steel sheet was cut into 200 mm wide and 600 mm long plates on a laser machine. The laser-cut edges of these plates to be welded were checked by penetrant test and the defects were removed with grinder. After this process, an X-shaped welding groove was opened on the CNC machine. The welding groove was opened in such a way that the weld seam was parallel to the rolling direction of the sheet.
Welding was performed by MAG welding method, which is one of the gas metal arc welding methods, using an automatic welding machine in 5 % CO2, 5 % O,  90 % Ar mixture gas environment. The plates were welded in a total of 8 passes, 4 passes on the lower side and 4 passes on the upper side of the X welding groove. After the welding of one surface was completed with 4 passes, the root zone was checked by penetrant test before starting the other surface. Austenitic stainless steel electrode was used in the welding process. The welding process was carried out with and without preheating. The preheating process was carried out by blowtorch and the preheating temperature was kept around 200 °C for both surfaces.
After the welding process, non-destructive tests were applied to the welding zone. In this context, visual inspection was performed in compliance with TS EN ISO 17637 standard. Penetrant test was carried out using Type II C method in accordance with EN 3452-1 standard. Radiographic examination was effected using X-Ray method according to TS EN ISO 17636-1 standard. Non-destructive testing of welds was evaluated based on EN 5817 standard B quality level and no defects or discontinuities were found in the welds.
The welded plates were cut by water jet mechanical operation to prepare hardness, fatigue, tensile, bending and microstructure test specimens according to ISO 15614-1:2017. 
Microstructure specimens were prepared based on standard metallographic methods and then etched for microscopic examination. In the etching process, 3 % Nital solution was used for the armour plate and V2A solution was used for the austenitic stainless steel electrode.
Hardness measurements were carried out in the upper, middle and lower parts of the weld zone of the specimens with a load of 10 kg by using a Vickers hardness tester.
Tensile test specimens, flexure test specimens and impact test specimens were prepared according to TS EN ISO 4136:2022, TS EN ISO 5173, TS EN ISO 148-1 standards respectively.
The results obtained in structural and mechanical investigations are summarised below.
The examined steel has got tempered martensitic microstructure. The applied preheating process did not cause a remarkable change in the microstructure.
The maximum hardness value was obtained at the HAZ in both direct and preheated welded steels. 
Tensile tests were carried out on as received, direct and preheated welded specimens. As a result of the tensile tests performed on direct and preheated welded specimens, the rupture occurred at the weld seam. The yield strengths of as received (1 sample), direct (2 sample) and preheated (2 sample) welded specimen were determined as 838 MPa, 550 MPa, 553 MPa, 548 MPa and 551 MPa, respectively. The lower yield strength values obtained from the welded specimens was due to the accumulation of deformation in the austenitic weld seam. 
Direct and preheated welded specimens were subjected to bending test. For the direct welding condition 2 out of 4 specimens were broken at weld seem. In the case of preheated weld condition 1 out of 4 specimen were broken at the same location.
Impact test were conducted on the sample specimens after forming a V type notch at the weld seem. The impact energy values were quantified as 108, 110 and 106 J for the direct welded and 117, 117 and 113 J for the preheated welded specimen. There was no significant improvement in impact strength with preheating.
In the fatigue test performed under 450MPa stress amplitude (R= -1) and a frequency of 30 Hz in a rotational bending fatigue machine, the direct welded specimens were fractured after 5,6x〖10〗^4 and 6,2x〖10〗^4 cycles. For the preheated welded specimens number of the cycles the failure was 13,3x〖10〗^4 and 64,4x〖10〗^4 cycles. Although the fractures took place in the weld seam, the preheating treatment provided a remarkable increase in fatigue life.
It is finally concluded that, the application of preheating at 200 °C did not cause remarkable change in the mechanical properties except the fatigue resistance. Preheating provided more than 5 times increases in fatigue life.