Isı girdisinin ve kaynak sonrası gerilim giderme ısıl işleminin mekanik özelliklere etkisi
The effects of heat input and post welding heat treatment to the mechanical properties
Yazar: REMZİ CENK ERSİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET TARAKÇI
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Isıl işlem = Heat treatment ; Kaynak parametreleri = Welding parameters ; Kaynak yöntemleri = Welding methods ; Mekanik özellikler = Mechanical properties

Özet:
Kaynak işlemi günümüz teknolojisinde ve üretim yöntemlerinde önemli bir yere sahiptir. Ark kaynak yöntemleri (SAW, GTAW, SMAW, FCAW) çelik konstrüksiyon, basınçlı kaplar, rüzgar kuleleri, kazan, küresel tank, korozyon direncine karşı korunması gereken yerlerde ve boru hatlarının imalatında geniş bir çapta kullanılmaktadır.Bu çalışmada, basınçlı kaplarda kullanılan SA516Gr70N çeliğinin dört farklı kaynak prosesine ve farklı ısı girdilerine (kaynak ilerleme hızı, volt ve amper) göre ısıl işlemsiz ve kaynak sonrası ısıl işlemli malzemelerin mekanik özelliklere etkisi incelenmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde genel bir giriş yapılmış olup, ikinci bölümde çelikte tanımlar ve uygulanan ısıl işlemlerden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde kaynak, kaynak prosesleri ve çelik ile ilgili tanımlar yapılmıştır. Dördüncü bölümde deneysel çalışmalar, beşinci bölümde deneysel sonuçlar ve yorumlanması, altıncı bölümde ise genel sonuçlar ve önerileri kapsamaktadır.Deneysel çalışmalarda kullanılan malzemeler hadde yönüne doğru alınmıştır. Ana malzeme ebatları 22 mm x 150 mm x 1200 mm ebatlarında olup aynı kaynak ağzı formu ile dört farklı kaynak prosesinde çoklu paso ile kaynak edilmişlerdir. Kaynak işleminde SMAW ve GTAW proseslerinde 10, 13, 16 ve 20 kj/cm, SAW ve FCAW proseslerinde ise 13, 16, 20 ve 25 kj/cm olmak üzere dört farklı enerji girişi kullanılmıştır. Kaynak işleminden sonra tüm numunelere radyografik testleri yapılmıştır. Radyografik testlerden sonra kaynaklı plakalar ikiye bölünerek deney numunelerinden biri 620oC'de gerilim giderme ısıl işlemine tabi tutulmuştur.Yapılan işlemlerden sonra kaynak bölgesinden makro, mikroyapı, sertlik, tokluk ve çekme deneyi numuneleri çıkartılmıştır. Makro ve mikroyapı incelemeleri optik mikroskopta gerçekleştirilmiştir. Sertlik ölçümleri için Vickers ölçüm yöntemi ve yük olarak beş kilogram seçilmiştir. Kaynak metali, ITAB bölgesi ve değişime uğramamış bölgelerden tokluk numuneleri çıkartılıp, - 40°C'de kırılmıştır.Radyografik testler sonucunda dört kaynak yönteminde 10, 13, 16, 20 ve 25 kj/cm ısı girdilerinde SAW ve SMAW proseslerinde kaynak hatası yapılmamıştır. Fakat, GTAW proseslerinde 10 kj/cm ısı girdisi ile FCAW prosesinde 25 kj/cm ısı girdisinde sıralı cüruf hatası yapılmıştır.Makro yapı numuneleri incelemeleri sonucunda ısı girdisi arttıkça kaynak dikişi ve ITAB'ın genişliğinde artış görülmüştür. 13, 16 ve 20 kj/cm ısı girdilerinde kaynak dikişi ve ITAB'ın genişliği en fazla FCAW yöntemlerinde çıkmıştır. En düşük değerlerde GTAW proseslerinde elde edilmiştir. GTAW ve SAW yöntemlerinde artan ısı girdisinin etkisiyle birlikte yavaş katılaşmanın etkilerini kaynak dikiş fotoğraflarında soğuma izlerinin azalması ile görülmektedir. SMAW, FCAW yönteminde artan ısı girdisinin etkisi kaynak dikişinde sıçrantı ve yanma oluğu gibi hataları doğurmaktadır. Kaynaklı malzemelerin makro kesitlerde artan ısı girdisi ve kaynak ağzına yığılan dolgu metali miktarı ile kaynak banyosunun boyutu artmaktadır.Kaynaklı malzemelerin çentik deneyleri sonucunda ısı girdisine bağlı olarak kaynak bölgesinin tokluk değerleri SAW, GTAW proseslerinde artış gösterirken FCAW ve SMAW proseslerinde azalma göstermiştir. Artan ısı girdisi ITAB bölgesi tokluk değerleri FCAW yönteminde etki etmediği görülürken SAW, SMAW ve GTAW proseslerinde ise azalma yönünde etkisi olmuştur.10, 13, 16, 20 ve 25 kj/cm ısı girdilerinde dört farklı proses ile kaynağı yapılan deney numunelerinin kaynak bölgesi mikro yapıları ferrit ve perlit yapılarından oluşmaktadır. Isı girdisinin arttıkça yavaş soğuma nedeniyle widmanstaten ferrit yapılarda azalma görülmüştür. ITAB bölgesi, mikro yapısında ise malzemeye verilen enerjinin etkisiyle hızlı katılaşma ile meydana gelen martenzit fazı ile birlikte ferrit, perlit görülmektedir. Martenzit fazı daha çok FCAW ve SMAW yöntemlerinde görülmüştür.Sertlik deneyleri sonuçlarına göre dört yöntem ve ısı girdilerine göre kaynak bölgesinde en yüksek sertlik değerleri SMAW yönteminde elde edilmiştir. ITAB bölgesinde ise 13 ve 16 kj/cm ısı girdilerinde en yüksek sertlik değerleri FCAW yöntemlerinde görülmüştür. Kaynak dolgu metali kimyasal ve mekanik özellikleri ana malzemeye göre daha iyi olduğu için dikiş bölgesi sertlik değerleri ITAB'dan daha fazladır. Kaynak merkezinden itibaren sertlik değeri değişime uğramamış bölgeye kadar düşüş göstermektedir.Yapılan kaynak işlemleri sonrası deney numunelerine uygulanan çekme deneyi sonuçlarına göre artan ısı girdisi ve kaynak yöntemine bağlı olarak mukavemet ve uzama değerlerinde önemli bir değişim görülmemiştir.

Abstract:
Welding process plays a very significant role in our modern-day technology and production. Arc welding processes (SAW, GTAW, SMAW, FCAW) are used enormously in steel constructions, pressure vessels, wind towers, boilers, spherical vessels, places that must be protected against corrosion, and production in pipes.In this study, the effects of using SA516Gr70N steel with four different welding processes and heat inputs (welding speed, and voltage, amps) on pressure vessels materials? mechanical properties, pre-heat treatment and post-weld heat treatment were exanimate. At the first part of experiment, general introductions were ranked, at the second part, introduction of the steel and heat treatments, which will be carried out were mentioned. The definitions of the steel, the welding processes were mentioned in the third part. The fourth part includes experiment studies. The fifth part includes experiment result and discussion, the sixth consists of general conclusions and recommendations.In the experiment, the used material were taken based on the rolling direction of base metal which have 22mm x 150mm x 1200mm dimension and the material was welded by for different welding process and with the same welding groove and multiple passes. 10, 13, 16 and 20 kj/cm heat input values were used in SMAW and GTAW; at SAW and FCAW 13, 16, 20, 25 kj/cm were used. After welding process radiographic test was conducted to all of specimen. Later, welded plates were divided into two; one of the specimens was exposed to heat treatment for stress relief at 620?C.After the processes, specimens were prepared from weld zone for microstructure, toughness, hardness, and tensile tests. Macro and microstructure examinations were carried out by optical microscope for hardness tests. Vickers method was chosen and 0.5 kg load was applied to the weld metal. HAZ and zones which were not exposed to change were extracted a specimens and charpy impact tested at -40?C.According to the radiographic test; at SAW and SMAW processes with 10,13,16,20 and 25 kj/cm heat input values no weld defects were found, though at GTAW process with 10kj/cm and FCAW process with 25 kj/cm heat input, consecutive slag inclusion defect were foundThen the examination of macrostructure specimen, it is found out that when heat input increases, the welding seam and the width of HAZ increase. The highest HAZ values were obtained at FCAW process. The lowest values were obtained at GTAW process.From the Charpy Impact Test?s results of welded metals, we saw that the toughness of the weld zone increases when using SAW and GTAW process; and decreases when using FCAW and SMAW processes. The toughness value of the HAZ does not change at FCAW; but it decreases at SAW, SMAW and GTAW processes.Ferrite and pearlite microstructures were formed in welded areas when using all 4 welding processes, at 10, 13, 16, 20, and 25 kj/cm heat inputs. As the heat input increased, due to slow cooling time, a decrease in the amount of widmanstatten structures was seen. At the microstructure level, due to the effects of the heat inputs martensite phase were seen with ferrite and pearlite structures. More martensite phases were seen when using FCAW and SMAW processes then the other processes.According to the toughness test results, of the four different welding processes, the highest toughness values were obtained using SMAW at all the heat inputs. At the HAZ, the highest toughness values at 13 and 16 kj/cm were seen when FCAW was used. Since the welding filling material?s chemical and mechanical properties are better than the main material, welded area?s toughness values are higher then the HAZ?s toughness values. From the welding center onward, the toughness values did not change, and decreased until the HAZ.According to applied Tensile Tests on the specimens after the welding process, the increasing heat input and applied welding method does not significantly change the amount of change in the tensile strength and elongation values of the material.