DC04 kalite çelik ile 6061-T6 aluminyum alaşımı saclarının laser bindirme kaynağında, kaynak parametrelerinin kaynaklı birleştirmenin mekanik ve metalurjik özellikleri üzerine etkisi
The effect of welding parameters on the mechanical and metallurgical characteristics of welded joint in the laser lap welding of DC04 steel and 6061-T6 aluminium alloy sheets
Yazar: NİYAZİ ÇAVUŞOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN ÖZDEN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum ; Lazer kaynağı = Laser welding ; Otomotiv = Automotive ; Çelik sac = Steel sheet

Özet:
Konstrüksiyonlarda ağırlık azaltılması gibi hedefler, farklı malzemelerin tasarımlarda birlikte kullanılmasını gerektirmektedir. Bu bağlamda özellikle otomotiv endüstrisinin üzerinde yoğunlaştığı konulardan biri, tasarımlarda en çok kullanılan malzeme olan çelik ile birlikte aluminyum, magnezyum gibi hafif malzemeleri bir arada kullanmaktır. Çelik-aluminyum malzeme çiftinin kaynaklı bağlantıları, konstrüksiyonlarda ağırlık azaltımını başarabilmek için uygulanabilir. Birleştirilecek malzemelerin ergime sıcaklıkları, ısıl iletkenlikleri ve ısıl genleşmeleri arasındaki farklardan kaynaklanan metalurjik sorunlar ve bağlantının dayanımını düşüren kırılgan intermetalik fazların oluşması, farklı metallerin kaynaklı birleştirmelerinde büyük bir sorun teşkil etmektedir. Çelik-aluminyum malzemelerin kaynağındaki temel sorunlar, onların ergime sıcaklıkları arasındaki büyük fark, demirin aluminyum içinde katı çözünebilirliğinin sıfıra yakın olması ve kırılgan intermetalik fazların (FexAly bileşikleri) oluşmasıdır.Laser kaynak yöntemi, ergiyik havuzu boyutları ve kaynak ısı girdisi kontrollü bir şekilde ayarlanabilen bir kaynak yöntemidir. Yerel olarak enerji girişinin küçük olması ve yüksek güç yoğunluğundan dolayı laser kaynağı, birleştirilecek malzemelerin kaynak süresince minimum düzeyde etkileşimlerine izin vermektedir. Bu sayede farklı metallerin kaynaklı birleştirmelerinde bağlantının dayanımını düşüren kırılgan intermetalik fazların oluşumu kontrol edilebilmektedir. Laser gücü ve hızı gibi kaynak parametrelerinin ayarlanmasıyla laser ışınının malzeme ile etkileşim zamanı kontrol edilebilmektedir. Bu sayede oluşan intermetalik faz tabaka kalınlığının azaltılması ve dolayısıyla bağlantı dayanımında artış sağlanma olasılığı vardır.Bu tez çalışmasında düşük karbonlu çelik (DC04) ve AlMgSi aluminyum alaşımı (6061-T6) malzemeler bindirme bağlantı tipinde laser kaynak yöntemiyle birleştirilmiştir. Bindirme kaynak bağlantılarında çelik ve aluminyum malzemeler arasında bakır ve nikel ara malzeme kullanılmıştır. Bu ara malzemelerin, laser gücü ve kaynak hızının, kaynak bağlantısının mekanik ve metalurjik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Kaynaklı numunelerin çekme-makaslama ve mikro sertlik deneyleri yapılmış, optik mikroskop görüntüleri ve SEM-EDX analizleri incelenmiştir. EDX analizlerinin sonuçları FeAl denge diyagramı yardımıyla değerlendirilerek, birleşme bölgesinde meydana gelen intermetalik fazlar belirlenmeye çalışılmıştır.Çekme-makaslama deney sonuçları incelendiğinde bakır ara malzemeli kaynaklı birleştirmelerde elde edilen doğrusal dayanım değerleri ile ara malzemesiz olarak kaynaklanan birleştirmelerde elde edilen değerler birbirine yakın çıkmıştır. Fakat bakır ara malzeme kullanılması durumunda çelik-aluminyum kaynaklı bağlantılarında ortaya çıkan ve dayanımı düşüren intermetalik fazlardan FeAl2 ve FeAl3 gibi düşük tokluğa ve yüksek kırılganlığa sahip fazların oluşmadığı görülmüştür. Dolayısıyla bakır ara malzeme kullanılmasının, kaynak bağlantısının mekanik özelliklerine olumlu etkileri olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
The goals such as weight reduction of constructions, requires the use of dissimilar materials in designs. In this context, one of the issues the automotive industry focuses on, is using steel which is the most widely used material in designs together with light weight materials such as aluminium and magnesium. Welded joints of steel-aluminium material pair can be used to achieve weight reductions in designs. The metallurgical problems due to differences between thermal conductivity, thermal expansion and melting temperatures of the materials to be joined and the formation of brittle intermetallic phases that reduce the strength of the joint are major problems encountered in welded joints of dissimilar materials. The main causes of the problems in the welding of steel-aluminium materials are the large difference between their melting temperatures, that the solid solubility of iron in aluminium is close to zero and the formation of brittle intermetallic phases (FexAly compounds).Laser welding is a joining method in which melt pool size and heat input can be adjusted in a controlled manner. Laser welding allows interactions of materials to be joined in minimum level during the process due to the lower heat input and the high power density. Thus, the formation of brittle intermetallic phases reducing the strength of welded joints in the welding of dissimilar metals can be controlled. The interaction time of laser beam with the material can be controlled by adjusting welding parameters such as laser power and speed. In this way, there is a possibility of reducing the thickness of the intermetallic phase layer and increasing the strength of the joint.In this thesis, a low carbon steel (DC04) and AlMgSi aluminium alloy (6061-T6) were connected with lap joint type laser welding. Copper and nickel foils were used as intermediate materials between steel and aluminium materials in laser lap welding. The effects of these intermediate materials, laser power and heat input on the mechanical and metallurgical properties of the welded joints were examined. Tensile shear and micro hardness tests were applied on welded specimens and optical microscopy images and SEM-EDX analyses were done. Intermetallic phases occuring in the weld region were tried to be determined by evaluating the results of the EDX analyses using FeAl equilibrium diagram.In this study it was observed that the linear strength values of welded joints obtained from tensile-shear strength tests for joints with copper as intermediate material and for joints without any intermediate material, were very close. Nevertheless, in welded joints with copper as intermediate material, intermetallic phases such as FeAl2 and FeAl3 that normally occur in steel-aluminium welded joints were not observed. These phases are brittle and have low toughness values. Therefore, the use of copper as intermediate material in steel-aluminium welded joints can prove to be beneficiary.