Kaynak kabiliyeti düşük alüminyum alaşımları için kaynak teli tasarımı ve imalatı
Design and production of welding wire for low weldability aluminum alloys
Yazar: COŞKUN YOLCU
Danışman: PROF. DR. FATİH KAHRAMAN
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum = Aluminum

Özet:
Alüminyum alaşımlarının kaynaklanabilirliği sıklıkla bu malzemelerin kaynak işlemlerinden sonra ortaya çıkan katılaşma çatlağı oluşumuna yatkınlığı ile değerlendirilmektedir. Bu kaynak hatasının giderilmesi adına geliştirilen çalışmalar arasında en etkili yöntemin ise kaynak tellerini modifiye etmek olduğu literatür çalışmalarında ortaya koyulan bir çıkarım olmaktadır. Literatür araştırmalarından yapılan çıkarımlar ile birlikte saf alüminyum ile farklı silisyum oranlarına sahip ER4043 ve ER4047 kaynak telleri, niyobyum ve bor elementleri ile takviye edilmiş ve bu elementlerin oluşturduğu bileşiklerin ince tane oluşumu ve mekanik özellikler üzerine olan etkileri deneysel çalışmalar ile araştırılmıştır. 
Deneysel çalışmaların döküm işlemini içeren ilk aşamasında; saf alüminyum ile ER4043 ve ER4043 alaşımları farklı master alaşımlar ve farklı miktarlarda niyobyum ve potasyumtetrafloraborat ile takviye edilmiştir. Elde edilen sonuçlar; saf alüminyumun, ER4043 ve ER4047 alaşımlarının yüzde 0,1 niyobyum/yüzde 0,1 potasyumtetrafloraborat ve yüzde 0,5 niyobyum/yüzde 0,1 potasyumtetrafloraborat takviye edilmesinin hem Al5Ti1B hem de Al15Sr master alaşımına kıyasla daha etkili biçimde ince taneli bir yapı oluşturduğunu ortaya koymuştur.
Deneysel araştırmaların ikinci aşamasında ER4043 kaynak teli, Al5Ti1B master alaşımı ve farklı miktarlarda niyobyum ve potasyumtetrafloraborat ile takviye edilerek tungsten inert gaz kaynak işlemleri gerçekleştirilmiştir. Farklı ısı girdilerinin kullanıldığı kaynak işlemlerinde dolgu tellerinin yüzde 0,5 niyobyum ve yüzde 0,1 potasyumtetrafloratborat ile takviye edildiği koşullarda optimum mekanik ve iç yapı özelliklerine sahip olduğunu ortaya koyulmuştur. 
Deneysel çalışmaların üçüncü aşamasında ise ER4047 kaynak teli Al15Sr master alaşımı ve farklı miktarlarda niyobyum ve potasyumtetrafloraborat ile takviye edilerek lazer-ark hibrit kaynak işlemleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan araştırmalar, yüzde 0,5 niyobyum ve yüzde 0,1 potasyumtetrafloratborat ile takviye edilmiş kaynak tellerinin ince taneli bir yapının ve iyileştirilmiş mekanik özelliklerin elde edilmesini sağladığını ortaya koymuştur. Bununla birlikte kaynak işlemleri sırasında manyetik alan kullanımı da dendrit biçiminde yönlenmiş tanelerin uzunluğunda ve dendrit kolları arasındaki mesafelerde önemli derecede azalmaya sebep olmuştur. Azalan tane boyutu ile birlikle mekanik dayanım özelliklerinde iyileşmeler gözlemlenmişken daha yüksek değerlere sahip düzenli bir sertlik dağılım profili de elde edilmiştir.

Abstract:
The weldability of aluminum alloys is often evaluated by the susceptibility of these materials to the formation of solidification cracks that occur after welding operations. Among the studies developed to eliminate this welding defect, the most effective method is to modify the welding wires. According to the inferences made from the literature studies; pure aluminum, ER4043 and ER4047 welding wires including different silicon amounts were reinforced with niobium and boron elements and the effects of the compounds formed by these elements on fine grain formation and mechanical properties were investigated by experimental studies.
In the first stage of the experimental studies including the casting process; pure aluminum, ER4043, and ER4043 alloys were reinforced with different master alloys and different amounts of niobium and potassiumtetrafluoraborate. The results obtained revealed that the reinforcement of pure aluminum, ER4043, and ER4047 alloys with 0.1 percent niobium/0.1 percent potassiumtetrafluoraborate and 0.5 percent niobium/0.1 percent potassiumtetrafluoraborate, compared to both Al5Ti1B and Al15Sr master alloys, created a fine-grained structure more effectively.
In the second stage of the experimental investigations, tungsten inert gas welding processes were carried out with ER4043 welding wire modifyed with Al5Ti1B master alloy and different amounts of niobium and potassiumtetrafluoraborate. In the welding processes using different heat inputs, it has been revealed that the filler wires have optimum mechanical and micro structure properties under conditions where the filler wires are reinforced with 0.5 percent niobium and 0.1 percent potassiumtetrafluorateborate.
In the third stage of the experimental studies, ER4047 welding wire was reinforced with Al15Sr master alloy and different amounts of niobium and potassiumtetrafluoraborate and laser-arc hybrid welding processes were performed. The investigations revealed that welding wires reinforced with 0.5 percent niobium and 0.1 percent potassiumtetrafluorateborate resulted in a fine-grained structure and improved mechanical properties. In addition, the use of a magnetic field during the welding process also led to a significant reduction in the length of the columnar dendrite grains and the spaces between the dendrite arms. Improvements in mechanical strength properties were observed with decreasing grain size, a uniform hardness distribution profile with higher values was also obtained.