Nokta direnç kaynağı ile birleştirilen yüksek ve ultra yüksek dayanımlı otomotiv çeliklerinin kaynak kabiliyetinin incelenmesi
An investigation on the weldability of resistance spotwelded high and ultra high strength automotive steels
Yazar: MEHTAP HIDIROĞLU
Danışman: PROF. DR. NİZAMETTİN KAHRAMAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Direnç nokta kaynağı = Resistance spot welding ; Sıcak şekillendirme = Hot stamping ; Yorulma = Fatigue ; Çelik = Steel

Özet:
Tez kapsamında kullanılan malzeme çiftlerinden biri sıcak şekillendirildikten sonra
oldukça yüksek kopma dayanımı kazanan (~1500 MPa), tümüyle martenzitik yapıya
sahip bor alaşımlı 22MnB5'tir. 22MnB5, yüksek mukkavemetinden dolayı, kaza
sırasında maruz kaldığı darbeler sonucu diğer birçok çelik sınıfına göre daha az şekil
değişimine uğramakta, araçların A/B kolonlarında çift fazlı DP çelikleri ile kombine
edilerek son yıllarda artan bir ivme ile tercih edilmektedir. Kaynak esnasında
meydana gelen ısıl çevrimler martenzitik çeliklerin ITAB'ını kendi içinde bölgelere
ayırmaktadır. İç gerilmelere neden olan bu bölgelerin en dikkat çekeni literatürde
"yumuşak bölge" (Soft Zone) olarak adlandırılan sertliği en düşük bölgedir. Hasarın
meydana geldiği veya hasarın tetiklendiği kilit bölge olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu kapsamda yeni ve özgün bir yaklaşım geliştirilerek kaynak bölgesindeki
hetorejensertlik değişikliklerinden kaynaklanan bağlantı dayanımı hatalarının azaltılması
amaçlanmıştır. Bu yaklaşım, kaynak makinesine adapte edilen proses içi Bölgesel
Hızlı Soğutma (BHS) prosesi ile kaynak bölgesindeki mikroyapı ve sertlik
değerlerini kontrol altında tutma amacına dayanmaktadır. Bu amaçla kaynak
makinesine adapte edilen ve makine ile eş zamanlı çalışan bir prototip düzenek
tasarlanmış ve imal edilmiştir.

Ek olarak, biri konvansiyonel diğeri ise yeni nesil olmak üzere iki farklı kaynak
ekipmanı, AA ve OFDA (Alternatif Akım-AA güç kaynağı ve Orta Frekans Doğru
Akım-OFDA) teknolojisi kullanılmış olup bu makinelerden elde edilen kaynaklı
bağlantıların mekanik performans üzerindeki etkisi BHS sistemi de kullanılarak
karşılaştırılmıştır. BHS uygulanmamış AA ve OFDA teknolojileri ile alınan
numuneler kendi aralarında kıyaslandığında OFDA serisinin AA serisine göre % 11,
BHS uygulanmış OFDA+BHS serisinin AA+BHS serisine göre % 13 daha yüksek
çekme makaslama performansı sergilediği tespit edilmiştir. Numunelerin çapraz
çekme dayanımları kıyaslandığında ise, OFDA serisinin AA serisine göre % 13,
AA+BHS serisinin AA serisine göre % 9, OFDA+BHS serisinin ise AA+BHS
serisine göre % 10 daha yüksek dayanım sergilediği tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen
detaylı mikroyapı ve sertlik haritalama deneylerinde 22MnB5 ITAB'ta kaynak
ekipmanı farklılığı ve BHS operasyonunun uygulanıp uygulanmamasına göre farklı
sertliklerde temperlenmiş yumuşak alt ITAB tespit edilmiştir. Bu alt ITAB'ın sertlik
değerlerinin ve genişliğinin bağlantının mekanik özelliklerinde kilit rol oynadığı
sonucuna varılmıştır. Bağlantıların eğmeli yorulma deneyleri yapılmış kuvvet/ömür
eğrileri oluşturulmuştur. OFDA teknolojisi ile elde edilen yorulma numuneleri en
yüksek yorulma ömrünü sergilemiş olup bunu yüksekten düşüğe doğru sırasıyla AA
serisi, OFDA+BHS serisi ve AA+BHS serisi takip etmiştir.

Abstract:
One of the material pairs used within the scope of the thesis is 22MnB5 boron alloy
with a completely martensitic structure, which gains a very high breaking strength
(~1500MPa) after hot forming. Due to its high strength, 22MnB5 undergoes less
deformation than many other steel classes as a result of the impacts it is exposed to
during an accident. It is preferred with increasing momentum in recent years by
combining with dual-phase DP steels in the A/B columns of the vehicles. The
thermal cycles that occur during welding divide the HAZ of martensitic steels into
regions within itself. The most striking of these regions that cause internal stresses is
the region called "Soft Zone" in the literature and has the lowest hardness. It is the
key area where damage occurs or where damage is triggered. In this context, a new
and original approach has been developed. It is aimed to reduce joint strength
errors caused by heterogeneous hardness changes in the weld zone. This approach is based on the aim
of keeping the microstructure and hardness values ​​in the weld zone under control
with the in-process Regional Rapid Cooling (RPC) process adapted to the welding
machine.
For this purpose, a prototype mechanism, which is adapted to the welding machine
and works simultaneously with the machine, has been designed and manufactured.

In addition, two different welding equipment, AC and MFDC (Alternate Current -AC
power source and Medium Frequency Direct Current -MFDC) technology, one is
convection and the other is new generation, are used. The effect of the welded joints
obtained from these machines on the mechanical performance was compared using
the RPC system. When the samples taken with AC and MFDC technologies without
BHS were compared among themselves, it was determined that the MFDC series
showed 11 % higher tensile shear performance than the AC series, and the
MFDC+RPC series showed 13 % higher than the AC+RPC series. When the cross-
tensile strengths of the samples are compared, it has been determined that the MFDC
series has 13 % higher strength than the AC series, 9 % higher strength than the
AC+RPC series, and 10 % higher strength than the AC+RPC series of the
MFDC+RPC series. In the detailed microstructure and hardness mapping
experiments carried out, tempered soft sub HAZ at different hardnesses was
determined in 22MnB5 HAZ, depending on the difference in welding equipment and
whether the BHS operation was applied or not. It was concluded that the hardness
values ​​and width of this sub-HAZ play a key role in the mechanical properties of the
joint. The bending fatigue tests of the connections were made and the force/life
curves were created. The fatigue specimens obtained with MFDC technology showed
the highest fatigue life, followed by AC series, MFDC+RPC series and AC+RPC
series from high to low, respectively.