Kaynak yöntemlerinde kullanılan koruyucu gazın kaynak kalitesine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of protective gas used in welding methods on welding quality
Yazar: ESİN TUĞBA ŞİMŞEK
Danışman: DOÇ. DR. AHMET AKKUŞ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kaynak yöntemleri = Welding methods ; Koruyucu gazlar = Shielding gases ; Yapı çeliği = Structural steel

Özet:
Bu tez çalışmasında, kaynak işlemi için oluşturulan yarı otomatik kaynak mekanizmasında MAG (Metal Aktif Gaz Kaynağı) kaynak yöntemi ile S355J2+N yapı çeliğinin kaynak işlemi gerçekleştirilmiştir. Kaynak esnasında kullanılan farklı koruyucu gaz bileşimlerinin ve farklı kaynak hızlarının kaynak kalitesine etkisinin gözlemlenmesi amacıyla, 9 adet gaz karışımı ve 3 hız değeri kullanılarak toplamda 27 adet kaynaklı parça elde edilmiştir.                      
MAG kaynak yöntemi ile kaynak işlemi gerçekleştirilirken karışım gazları etkileri de göz önünde bulundurularak kaynak hızları, amper ve voltaj değerleri belirlenmiştir. Bu işlem yapılırken her hız değeri için ve her gaz karışımı için amper ve voltaj değerleri sabit tutulmuştur.
Kaynak işlemi sonrasında bu kaynaklı parçalar Ultrasonik Test (UT) ve Manyetik Parçacık Testi (MT) muayenelerine tabi tutulmuşlardır. Kaynak hatası belirlenen parçalar yerine yeniden kaynak işlemi yapılmıştır. Bir sonraki aşama olarak şerit testere yardımı ile makro numuneleri ile sertlik numuneleri çıkarılarak numune kodlama işlemleri geçekleştirilmiştir. Daha sonrasında malzemede bulunan ufak miktarlarda bölgesel çarpılmalar nedeniyle 10 mm et kalınlığına sahip kaynak yapılmış parçalar freze yardımı ile 7.5 mm'lik et kalınlığına sahip olacak şekilde talaş kaldırılmıştır. Bu işlemden sonra da kaynaklı parçaların mekanik özelliklerinin incelenebilmesi için CNC freze yardımı ile TS EN ISO ve ASTM standartları göz önünde bulundurularak gerekli ölçülerdeki ve adetlerdeki makro ve sertlik test numuneleri, çentik darbe test numuneleri, çekme test numuneler, eğme test numuneleri elde edilmiştir. Sertlik ölçüm testi ve mikroskop görüntüleri öncesinde zımparalama, parlatma ve dağlama işlemleri yapılmıştır. Sonrasında ana malzeme, kaynak metali ve ITAB bölgelerinin mikroyapısal incelemeleri için mikroskop görüntüleri elde edilmiştir. Sertlik ölçüm testi yapılmış ve sertlik değerleri elde edilmiştir. Sertlik testinden sonra da sırasıyla Çekme testi, Eğme testi, Charpy V-çentikli darbe testleri uygulanmış ve SEM görüntüleri ve EDS analizleri elde edilmiştir. 
Test sonuçlarına göre; kaynak hızı arttıkça malzeme ısı girdisi azalmakta ve dolayısıyla ITAB'ın soğuma hızı artmaktadır bu da sertliği arttırmaktadır. Koruyucu gaz bileşimindeki CO2 miktarındaki artış nedeniyle ısı girdisi ve bu yüzden de soğutma süresi arttığı için kaynak metali sertliği azalmaktadır. Koruyucu gaz içindeki O2 ve CO2 miktarları arttığında kaynak metali içerisindeki O2 oranı artmakta bu durum da oksitlenmelere sebebiyet verdiğinden dolayı sertlik değerlerini etkilemektedir. Tane kabalaşması, yalnızca kaynak metaline birleşik bölgede meydana geldiği gözlemlenmektedir. ITAB'ın ana malzeme tarafında kaba taneli iç yapıdan dolayı sertlik düşmeleri görülmektedir.
Koruyucu gaz içindeki O2 sabitken, CO2 miktarı arttıkça ya da CO2 sabitken, O2 miktarı arttıkça genellikle çekme dayanımı düşüş göstermektedir. Kaynak hızı arttıkça ısı girdisi azaldığından dolayı genellikle çekme dayanımı önce artmakta belli bi noktadan sonra sabit kalmaktadır. Yüksek hızda paso sayısı arttığından dolayı ısı girdisi artmakta çekme dayanımı azalmaktadır. 
Eğme testinde herhangi bir yırtılma ve çatlama tespit edilmemiş olması, soğuk yapışma gibi kaynak hatalarına da rastlanmamış olması eğme testinin dolayısıyla kaynağın başarılı olduğunu göstermiştir.
Koruyucu gaz içindeki O2 sabitken, CO2 miktarı arttıkça ya da CO2 sabitken, O2 miktarı arttıkça darbe dayanımı değeri önce artış göstermekte sonra sabit kalmakta ya da düşmektedir. Kaynak hızı arttıkça, ısı girdisi azaldığından dolayı genellikle tokluk değeri azalmaktadır. Yüksek hızda paso sayısı arttığından dolayı ısı girdisi artmakta, kaynak bölgesinde temperleme etkisi yaratmakta böylece darbe dayanımı artmaktadır. Numunelerin kaynak metali bölgesindeki darbe dayanım değerleri yüksek çıktığından dolayı numunelerde sünek kırılma gözlemlenmiştir. Koruyucu gazdaki CO2 miktarı arttıkça ark sıcaklığı arttığından dolayı ısı girdisi artmakta, bu durum da tokluk değerini artırmaktadır.
Kaynak işlemi sırasında koruyucu gazdaki CO2 miktarının artması, çeşitli reaksiyonlar oluşturarak kaynak metalinde küresel inklüzyonlar oluşturmaktadır. Koruyucu gazdaki CO2 miktarının kaynak metalindeki inklüzyon sayısında artışa neden olduğu belirlenmiştir. İnklüzyonlar oksijen içermektedir ve Si, Mn, Ti, Al gibi oksijene ilgisi yüksek elementlerle birleşerek çoklu oksit formları oluşturdukları anlaşılmaktadır. Bu oksitlerin kompleks oksitler olduğu ve Si2O, TiO2, MnO ve Al2O3'ten oluştuğu düşünülmektedir. Darbe tokluğu değerleri, kaynak metali içindeki inklüzyonların miktarı ve boyutundan olumsuz etkilenir. 
Genel olarak; test sonuçlarına göre deneyde kullanılan bütün gaz karışımları içerisinden en iyi mekanik ve mikro yapı özellikleri %92 Ar+%5 CO2+%3 O2 gaz karışımının 10 cm/dak, 15 cm/dak ve 22,5 cm/dak hızlarda gerçekleştirilmiş olan kaynaklarından elde edilmiştir. Ar+ CO2+ O2 üçlü gaz karışımlarında CO2 ve O2 artışı ve kaynak hızı artışı sertliği, çekme dayanımını, darbe dayanımını, eğme dayanımını ve mikro yapıyı doğrudan etkilemektedir.

Abstract:
In this thesis, welding process of S355J2+N structural steel was carried out with MAG (Metal Active Gas Welding) welding method in a semi-automatic welding mechanism created for welding process. In order to observe the effect of different shielding gas compositions and different welding speeds used during welding on the welding quality, a total of 27 welded parts were obtained by using 9 gas mixtures and 3 speed values.
Welding speeds, amperage and voltage values were determined by taking into account the effects of mixed gases while performing the welding process with the MAG welding method. While doing this, the amperage and voltage values were kept constant for each velocity value and for each gas mixture.
After welding, these welded parts were subjected to Ultrasonic Test (UT) and Magnetic Particle Test (MT) examinations. Welding was performed again instead of the parts with welding faults. As the next step, with the help of a band saw, macro samples and hardness samples were extracted and sample coding processes were carried out. Afterwards, due to small amounts of local distortions in the material, welded parts with a wall thickness of 10 mm were chipped with the help of a milling cutter with a wall thickness of 7.5 mm. After this process, in order to examine the mechanical properties of the welded parts, macro and hardness test specimens, notch impact test specimens, tensile test specimens, bending test specimens were obtained with the help of CNC milling, taking into account TS EN ISO and ASTM standards. Sanding, polishing and etching processes were performed before the hardness test and microscope images. Afterwards, microscope images were obtained for microstructural investigations of base material, weld metal and HAZ regions. Hardness measurement test was carried out and hardness values were obtained. After the hardness test, Tensile test, Bending test, Charpy V-notched impact tests were applied, respectively, and SEM images and EDS analyzes were obtained.
According to the test results; as the welding speed increases, the material heat input decreases and therefore the cooling rate of the ITAB increases, which increases the hardness. Due to the increase in the amount of CO2 in the shielding gas composition, the heat input and therefore the cooling time increase, so the hardness of the weld metal decreases. When the amount of O2 and CO2 in the shielding gas increases, the O2 ratio in the weld metal increases and this affects the hardness values because it causes oxidation. Grain coarsening is observed to occur only in the weld metal-associated region. Hardness decreases are observed on the main material side of ITAB due to the coarse-grained internal structure.
Generally, the tensile strength decreases as the amount of O2 in the shielding gas increases, as the amount of CO2 increases or as the amount of O2 increases, while the amount of CO2 is constant. Since the heat input decreases as the welding speed increases, the tensile strength generally increases first and remains constant after a certain point. As the number of passes increases at high speed, the heat input increases and the tensile strength decreases.
The fact that no tearing or cracking was detected in the bending test, and welding defects such as cold adhesion were not encountered, showed that the bending test was therefore successful.
While O2 in the shielding gas is constant, as the amount of CO2 increases or CO2 is constant, as the amount of O2 increases, the impact resistance value first increases and then remains constant or decreases. As the welding speed increases, the toughness value generally decreases because the heat input decreases. Due to the increase in the number of passes at high speed, the heat input increases, creating a tempering effect in the weld area, thus increasing the impact resistance. Due to the high impact strength values in the weld metal region of the samples, ductile fracture was observed in the samples. As the amount of CO2 in the shielding gas increases, the heat input increases because the arc temperature increases, which increases the toughness value.
The increase in the amount of CO2 in the shielding gas during the welding process creates various reactions and creates spherical inclusions in the weld metal. It was determined that the amount of CO2 in the shielding gas caused an increase in the number of inclusions in the weld metal. The inclusions contain oxygen and it is understood that they form multiple oxide forms by combining with elements with high affinity for oxygen such as Si, Mn, Ti, Al. These oxides are thought to be complex oxides and consist of Si2O, TiO2, MnO and Al2O3. Impact toughness values are adversely affected by the amount and size of inclusions in the weld metal.
Generally; According to the test results, the best mechanical and microstructural properties among all gas mixtures used in the experiment were obtained from the welds of the 92% Ar + 5% CO2 + 3% O2 gas mixture at speeds of 10 cm/min, 15 cm/min and 22.5 cm/min. In Ar+ CO2+ O2 triple gas mixtures, the increase in CO2 and O2 and the increase in welding speed directly affect the hardness, tensile strength, impact strength, bending strength and microstructure.