Ferritik paslanmaz çeliklerin sürtünme karıştırma kaynak yapılabilirliğini etkileyen faktörlerin incelenmesi
The research of the factors affecting the friction stir weldability of ferritic stainless steels
Yazar: MEHMET BURAK BİLGİN
Danışman: DOÇ. DR. CEMAL MERAN
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Sürtünme karıştırma kaynağı = Friction stir welding

Özet:
Sürtünme karıştırma kaynağı (SKK) bir katı hal birleştirme işlemidir. SKK'nda dönen bir silindirik takımın ucu kaynaklanacak levhalara dalar, takım omzu parça yüzeylerine sürtünerek parçaları ısıtır, ısınma sonucu takım omzu altında kalan metal yumuşar ve takıma ilerleme hareketi verilmesiyle birlikte takım ucu hamurumsu metali karıştırarak kaynak gerçekleşir. SKK yönteminde kaynak bölgesinde meydana gelen sıcaklık, malzemenin ergime sıcaklığından çok daha düşüktür. Bu sebeple kaynak sonrası çarpılma olmamaktadır.Klasik ergitme kaynak metotları ile ferritik paslanmaz çeliklerin kaynağında birtakım problemler mevcuttur. Klasik ergitme kaynak yöntemleriyle yapılan kaynak esnasında karşılaşılan en yaygın problem aşırı tane büyümesidir. Ergitme kaynağında kaynak bölgesi ve ısı tesiri altındaki bölge (ITAB)de kaba tane problemi ile karşılaşılmakta ve bu nedenle düşük dayanım ortaya çıkmaktadır. Aşırı tane büyümesi kaynak bölgesine düşük ısı girdisi ile veya B, Al, V ve Zr gibi nitrür ve karbür yapıcıların ferritik paslanmaz çeliklere eklenmesi ile engellenebileceği önerilmektedir.Ferritik paslanmaz çeliklerin kaynağındaki diğer önemli bir problem ise ?-fazı (sigma-fazı) oluşumudur. Paslanmaz çelikler belirli bir süre boyunca 650-850?C sıcaklığa maruz bırakıldıklarında ?-faz gibi istenmeyen birtakım metallerarası fazlar oluşabilmektedir. ?-faz yaklaşık 700-800 Hv gibi yüksek bir sertliğe sahip gevrek bir yapıdır. ?-faz, mekanik özelliklere olumsuz etkisi ve korozyon dayanımını kötüleştirmesinden dolayı paslanmaz çeliklerin kaynak edilebilirliği açısından ortaya çıkan ikincil fazlar arasında en tehlikelisidir. Geleneksel yöntemlerle yapılan kaynaklarda, ?-fazı önlemek için, paslanmaz çeliklerin 400?C sıcaklığın üzerinde ön ısıtmaya tabi tutulması veya kaynak sonrasında derhal soğutma işlemine tabi tutulması önerilmektedir.Sürtünme karıştırma kaynağında ulaşılan sıcaklıkların geleneksel yöntemlere göre çok daha düşük olmasından dolayı yukarıda sözü edilen tane büyümesi ve ?-fazı oluşumlarının önleneceği öngörülmektedir.Tez çalışması kapsamında AISI 430 (X6Cr17, malzeme numarası 1.4016) ferritik paslanmaz çeliklerin sürtünme karıştırma kaynağı ile kaynak edilebilirliğini etkileyen faktörler incelenmiştir. 3x100x200 mm uzunluğa sahip iki adet levha alın alına birleştirilmiştir. Sürtünme karıştırma kaynağını etkileyen parametreler olarak takım devir sayısı, ilerleme hızı, takım baskı kuvveti ve takım açısı olmak üzere dört parametre halinde incelenmiştir. Deneylerde diğer üç parametre sabit tutularak sırası ile her bir parametre değiştirilmiş ve kaynak üzerindeki etkileri incelenmiştir. Deneyler esnasında beş farklı takım devir sayısı (560, 710, 900, 1120 ve 1400 min-1), beş farklı ilerleme hızı (80, 100, 125, 160 ve 125 mm/min), altı farklı takım baskı kuvveti (2; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5 ve 7,5 kN) ve sekiz farklı takım açısı (0?; 1?; 1,5?; 2?; 2,5?; 3?; 4? ve 5?) kullanılmıştır. Takım malzemesi olarak eşkenar üçgen uç profiline sahip sert metal karbür (WC-Co, K10 olarak tanımlanan sert metal) kullanılmıştır.Kaynak çalışmaları esnasında alın alına birleştirilmeye çalışılan parçalardaki zamana bağlı sıcaklık değişimi ve takım omzunun kaynaklanan parçalara uyguladığı baskı kuvveti değişimi kayıt altına alınmıştır.Kaynak işlemi sonrasında tahribatsız ve tahribatlı malzeme muayenelerine geçilmiştir. İlk önce tahribatsız muayene için malzemeler radyografik teste tabi tutulmuştur. Çekilen röntgen filmlerinde karıştırıcı ucun ana tablaya zarar vermesini önlemek maksadıyla boyunun bir miktar kısaltılması nedeniyle kaynak kök dikişinde nüfuziyet oluştuğu tespit edilmiş, bunun haricinde herhangi bir problem tespit edilmemiştir.Tahribatsız muayene sonrasında tahribatlı muayenelere geçilmiştir. Kaynaklı levhalardan üçer adet çekme deneyi için, üçer adet çentik darbe deneyi için, ikişer adet de mikroyapı incelemeleri için numuneler kesilmiştir. Mikroyapı incelemeleri için kesilen numuneler soğuk bakalite alınarak zımparalama ve polisaj işlemlerine tabi tutulmuşlardır.Çekme dayanımı deneyleri sonucunda her bir deney parametresinin etkisi incelenmiştir. Farklı takım devir sayılarının çekme dayanımı üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çekme dayanımı değerine 1120 min-1 devir sayısında elde edildiği tespit edilmiştir. Farklı ilerleme hızlarının çekme dayanımı üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çekme dayanımı değerinin 125 mm/min ilerleme hızında elde edildiği tespit edilmiştir. Farklı takım baskı kuvvetlerinin çekme dayanımı üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çekme dayanımı değerinin 4,5 kN baskı kuvvetinde elde edildiği ancak 3,5 ve 5,5 kN baskı kuvvetlerinde de aynı değerlere ulaşıldığı tespit edilmiştir. Farklı takım açılarının çekme dayanımı üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çekme dayanımı değerinin 0? ve 1? açılarında elde edildiği tespit edilmiştir.Çentik darbe deneyleri sonucunda her bir deney parametresinin etkisi incelenmiştir. Farklı takım devir sayılarının çentik darbe enerjisi üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çentik darbe enerjisi değerinin 560 min-1 devir sayısında elde edildiği tespit edilmiştir. Farklı ilerleme hızlarının çentik darbe enerjisi üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çentik darbe enerjisi değerinin 160 mm/min ilerleme hızında elde edildiği tespit edilmiştir. Farklı takım baskı kuvvetlerinin çentik darbe enerjisi üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çentik darbe enerjisi değerinin 3,5 kN baskı kuvvetinde elde edildiği ancak 4,5 kN baskı kuveetinde de yakın sonuçlara ulaşıldığı tespit edilmiştir. Farklı takım açılarının çentik darbe enerjisi üzerine etkisi incelendiğinde en iyi çentik darbe enerjisi değerinin 0? takım açısında elde edildiği tespit edilmiştir.Makro ve mikroyapı incelemeleri sonucunda esas malzemeden önce ITAB'a daha sonra da kaynak bölgesine geçiş esnasında tane yapısının gittikçe küçüldüğü tespit edilmiştir. Ortalama tane boyutunun esas malzemede 30 ?m iken, ITAB'da 15 ?m ve kaynak bölgesinde 6,5 ?m civarında oluştuğu tespit edilmiştir. Mikroyapı incelemelerinde ve ayrıca SEM ile EDX analizlerinde sigma fazla karşılaşılmamıştır.Tez çalışmalarının sonucunda, ferritik paslanmaz çeliklerin klasik ergitme kaynak yöntemleri olan TIG ve MIG yöntemleri ile kaynağında ortaya açıkan aşırı tane büyümesi ve sigma faz oluşumu gibi tehlikelerin sürtünme karıştırma kaynak yöntemiyle ortadan kaldırıldığı tespit edilmiştir. Yapılan mukayeseler sonucunda klasik ergitme kaynak yöntemlerine nazaran sürtünme karıştırma kaynak yöntemi kullanılarak çok daha kısa sürede ve çok daha ekonomik koşullarda kaynak yapılabileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
Friction stir welding is a new solid state joining process. In a typical FSW a rotating cylindrical pin tool is forced to plunge into the plates to be welded and moved along their contact line. During this operation heat is produced by friction between tool and workpiece. The material is stirred by tool and forced to flow to other side. Because of the highest temperature is lower than the melting temperature of the material, FSW yields fine microstructure.Although austenitic stainless steel has common use, ferritic stainless steel has many advantages. Firstly, ferritic stainless steels are more economic because they don?t contain nickel which is an expensive alloy. Ferritic stainless steels have good corrosion resistance with good formability and ductility. They are magnetic and have low thermal expansion. However, there are several problems about welding of ferritic stainless steels with classic methods. One of the problems is about excessive grain growth. It is possible to have the problem of coarse grains in the weld zone and heat-affected zone of fusion welds and consequent low toughness and ductility due to the absence of phase transformation during which grain refinement can occur. Excessive grain growth can be avoided, of course, by using lower welding heat inputs. It has also been suggested that nitride and carbide formers such as B, Al, V and Zr can be added to ferritic stainless steels to suppress grain growth during welding.Another problem in welding of ferritic stainless steels is about formation of ?-phase (sigma-phase). Several undesirable intermetallical phases such as ?-phase may occur when stainless steels are exposed to 650-850 oC for a period of time. ?-phase has a great hardness, approximately 700-800 HV, and a tough structure. The ?-phase is the most serious of these secondary phases due to its impact on the mechanical properties, corrosion resistance or weldability of stainless steels among other properties. To prevent the ?-phase, stainless steels must not be preheated over 400 oC. Another solution is after welding stainless steels must be cooled very quick.?-phase formation and grain growth mentioned above must be avoided because FSW can reach much lower temperatures than traditional methods.In this study, the effects of tool rotational speed and traverse speed on welding of AISI 430 (X6Cr17, material number 1.4016) ferritic stainless steels by friction stir welding method are examined. Two specimens with dimension of 3 x 100 x 200 mm were joined in butt position. Five different tool rotational speeds (560, 710, 900, 1120 and 1400 min-1), five different traverse speeds (80, 100, 125, 160 and 125 mm/min), six different tool pressure forces (2; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5 ve 7,5 kN) and eight tool angles (0?; 1?; 1,5?; 2?; 2,5?; 3?; 4? ve 5?) were used. Hard metal carbide (WC-Co hard metal identified as K10) with equilateral triangle tip profile was used as the tool material.During welding of the specimens joined in butt position, the temperature change due to time and variation of the pressure force applied on welded specimens by the tool shoulder has been recorded.After welding prosesses destructive and non-destructive material investigations were started. Firstly specimen were subjected to radiographic tests. Incomplete penetration of welding root were determined becuse of shortened pin length about not to damage to main platform.Non-destructive testing was started after the non-destructive inspections. Three sheets to welded tensile test pieces, three pieces for notch impact test, two samples were cut to pieces in the microstructure studies. Microstructure investigations based grinding and polishing operations to cut the samples were subjected to cold-mounting.The effects of each test parameter were investigated at the end of tensile strength experiments. When the effect of different tool rotational speeds on the tensile strength was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool rotational speed of 1120 min-1. When the effect of different traverse speeds on the tensile strength was examined that it could be seen the best value was obtained in the the traverse speed of 125 mm/min. When the effect of different tool pressure force on the tensile strength was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool pressure force of 4.5 kN, but it was obtained that the value of 3.5 and 5.5 kN pressure forces also reached the same values. When the effect of different tool angles on the tensile strength was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool angles of 0? and 1?.The effects of each test parameter were investigated at the end of tensile strength experiments. When the effect of different tool rotational speeds on the the notch impact energy was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool rotational speed of 560 min-1. When the effect of different traverse speeds on the the notch impact energy was examined that it could be seen the best value was obtained in the the traverse speed of 160 mm/min. When the effect of different tool pressure force on the the notch impact energy was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool pressure force of 3.5 kN, but it was obtained that the value of 4.5 kN pressure force also reached the same values. When the effect of different tool angles on the the notch impact energy was examined that it could be seen the best value was obtained in the the tool angles of 0?.It has been observed that grain size becomes smaller from base metal to welding zone. Half of grain size has obtained from base metal to HAZ, and half of grain size has obtained from HAZ to welding zone. It has been determined that the average grain size in stirring zone is about 6,5 ?m, in HAZ 15 ?m and in base metal 30 ?m.It has been determined that no more ?-phase by help of microstructural investigations and also SEM, EDX analysis.It was determined that the problems of excessive grain growth and ?-phase (sigma-phase) associated with the classical fusion processed joints like GTAW and GMAW can be overcome with friction stir welding (FSW). Comparisons made as a result of friction stir welding method compared to conventional fusion welding methods, using a much shorter period of time and resources can be made much more economic conditions have been identified.