Titanyum kaynağı ve mekanik özellikler üzerine etkisinin incelenmesi
Titanium welding and investigation of effect on mechanical properties
Yazar: MURAT SÖNMEZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ POLAT TOPUZ
İstanbul Gedik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Titanyum = Titanium ; Titanyum alaşımları = Titanium alloys ; Titanyum mineralleri = Titanium minerals

Özet:
Oksijen kaynağı veya gaz kaynağı olarak adlandırılan yöntem oksijen ve yanıcı gaz karışımı ile yapılan bir kaynak yöntemidir. Genellikle yüksek verimli olduğu için karışım gaz olarak asetilen kullanılır. Bu yönteme oksi-asetilen kaynağı denir. Gaz aleviyle oluşan ısının, malzeme ve ilave metale etkisi ile malzemeler birleştirilir. Yanıcı gaz olarak kullanılan asetilen, kaynak gazı karıştırma sisteminde oksijen ile uygun oranda karıştırıldığında, ortaya çıkan alev, yaklaşık olarak 3150-3200 °C arasında olur. Bu alev sayesinde, dökme demir, çelik, bakır ve alüminyum gibi ticari metallerden herhangi birini birleştirmek mümkün olmaktadır. Eğer, ilave metal kullanılırsa, birleştirme ilk halinden daha da güçlü hale getirilir.
Korumalı metal ark kaynağı veya elektrot kaynağı, elektrot çubukları ısıtarak ergimiş metalleri karıştıran ve birleştiren bir süreçtir. Elektrot ile iş parçası arasında oluşturulan elektriksel kısa devreye kaynak arkı denir. Elektrotun dış kaplaması, ark oluşturulurken, kaynak bölgesini olumsuz dış etkenlerden korumak için cüruf oluşumu sağlar. Kaynak dolgu metalinin büyük bir kısmını elektrot çekirdek sağlar, ve iş parçası boyunca kararlı bir şekilde hareket ettirilirse, kaynak dikişi, düzgün katmanlar halinde oluşur. Kaynak makinesi, kaynak yapmak için gerekli enerjiyi üreten, bir çeşit güç kaynağıdır ve alternatif akımla (AC) veya doğrusal akımla (DC) çalışan çeşitleri vardır. En iyi kaynaklı birleştirmeler, genellikle doğru akım kullanıldığında elde edilmektedir.
Kaynak makinelerinde, güç, voltaj ve akım değerlerini bilmek önemlidir. Elektrot ile iş parçası arasında oluşan ark, elektrotun çapına göre belirlenir. Arkın boyutunu ayarlamak için ise, voltaj değeri ayarlanmalıdır. Akım ise, elektrot çapı, parça boyutu ve kaynak konumuna bağlı olarak değiştirilebilen ve amper (A) ile ölçülebilen bir değerdir. İnce parçalar kalın parçalardan daha az akım değerine ihtiyaç duyar. Küçük çaplı bir elektrot, büyük çaplı olandan daha az akım değeri gerektirir. Düz veya yatay pozisyonda kaynak yapılması, kaynak kalitesi ve uygulama için daha iyi sonuçlar verir. Ancak, dikey veya tavan kaynağı yapılırken, pozisyona bağlı olarak, amper değerini azaltmak gerekir.
MIG veya MAG bir çeşit ark kaynağı yöntemidir. Bu yöntemde, kaynak teli otomatik olarak sisteme girmektedir. Ayrıca sisteme devamlı olarak koruyucu gaz da
Kaynak teknolojisinin tarihi çok eskilere dayanmaktadır. Tarih öncesi yapılan kaynak işlemleri genellikle aksesuar ve savaş malzemesi yapmak amacıyla ortaya çıkmıştır. Kaynak; malzemelerin birleştirilmesi, tamir edilmesi veya dolgu yapılması için kullanılır. Kaynak yöntemleri kaynağın yapılış amacına, kullanılan ekipmana ve kaynak yapılacak malzemeye göre değişiklik gösterir. En çok kullanılan kaynak yöntemleri; elektrik ark kaynağı, oksi-asetilen kaynağı, MIG/MAG kaynağı ve TIG
kaynağıdır.
viii
verilmektedir. Kaynakçı tarafından belirlenen akım değeri sabit kalmak koşulu ile, kaynak makinesi, ilave teli sürekli olarak kaynak bölgesine iletir. Kaynakçı tarafından özellikle dikkat edilmesi gereken kontroller ise; otomatik çalışma için torç konumlandırma, rehberlik ve kaynak hızıdır. Ark uzunluğu ve tel besleme hızı otomatik olarak korunur. Torç ve kablo düzeneği üç görevi gerçekleştirir. Bunlar; kaynak ve ark bölgeleri için koruyucu gaz iletimi, sarf malzemelerin devamlılığının sağlanması ve elektroda akım memesi vasıtası ile elektrik enerjisinin iletilmesidir. Torç tetiğine basıldığında, gaz, güç ve elektrot eş zamanlı olarak çalışmaya başlar ve ark oluşturulur. Tel besleme ünitesi ve güç kaynağı, kararlı bir şekilde arkın devamlılığını sağlar. Bu kararlılığı sağlamak için sabit voltaj (CV) değeri gerekmektedir. Temel olarak, kaynakçı ark boyunu ne kadar değiştirirse değiştirsin, akım büyük oranda değişmesine rağmen voltajdaki değişme kısmen daha az olur. Bununla birlikte, bazı MIG veya MAG makineleri sabit akım da (CC) kullanabilmektedir.
Tungsten İnert Gaz (TIG) kaynağı olarak bilinen TIG kaynağı, ergimeyen bir tungsten elektrot ve kaynak yapılacak parça arasında bir gaz koruması altında elektrik arkı üretilerek yapılan bir kaynak sürecidir. Isı tesiri altındaki bölge (ITAB), erimiş metal ve tungsten elektrodun tamamı, korumalı TIG torcundan beslenen bir koruyucu gaz ile atmosferik etkilerden korunur. Böylelikle, kaynak yapısı dış etkenlerden korunmuş olur. Koruyucu gaz (genellikle argon), kaynak metalini kimyasal olarak etkilemeyen veya reaksiyona girmeyen bir gazdır. Argon'un yanı sıra, azot ve helyum'da koruyucu gaz olarak kullanılabilmektedir. Koruyucu gazlar aynı zamanda, kaynakçının görüş açısını kısıtlamayan şeffaf gazlardır. TIG yönteminde, 19426 °C'ye kadar ısı açığa çıkabilir. Burada Torcun işlevi, ısının iş parçasına iletilmesidir. Kaynak yaparken ilave tel biter ise, oksi-asetilen kaynağındaki gibi elle besleme yapılabilir. TIG yöntemi, titanyum, alüminyum, magnezyum, bakır, pirinç ve bronzun yanı sıra, çelik, paslanmaz çelik, nikel alaşımlarının kaynağını yapmak için de kullanılır. Ayrıca, bu yöntem ile birbirinin benzeri olmayan metallerin de birbirine birleştirilmesi de mümkündür.
Kimyasal gösterimi Ti ve atom numarası 22 olan Titanyum, periyodik cetvelin 4. grubunda yer alan, oldukça sert, gümüşümsü beyaz ve parlak bir elementtir. Yoğunluğu 4,51 g/cm3, ergime derecesi 1660 oC ve kaynama noktası 3287 oC'dir. Metalik hali, kuvars kristalini çizebilecek kadar serttir. Nadir bir element olarak bilinen titanyum, aslında yer kabuğunda en fazla bulunan 9. elementtir. Cevher dağılımının seyrek olması ve cevherinden titanyum elde edilmesinin zor olması, onu pahalı bir metal yapmaktadır. Titanyum, üstün özelliklerine ve maden olarak bolca bulunmasına karşın, yapısal metaller arasında ticari kullanım bakımından en yeni metaldir. Atmosferik korozyona karşı bütün metaller arasında en yüksek korozyon direncine sahip, çelikten daha mukavemetli ve neredeyse bütün kimyasal etkilere karşı dayanıklı bir metal olan titanyum, uçak, uzay, medikal ve daha birçok alanda aranılan bir malzemedir. Titanyum, doğada saf halde bulunmayıp, bir takım minerallerin içerisinde bulunmaktadır. Bunların en yaygın olanları, titanyum dioksit (TiO2), ilmenit (FeTiO3) ve titanittir (CaTiSiO5).
Titanyumunun ticari üretimi ilk olarak, 1952'de ilk uçuşunu gerçekleştirmiş olan DC- 7 tipi uçağın motor kısmındaki yanma odasında ve kanatlarda bulunan motor birleşim yeri için kullanılmasıdır. 1970'li yıllarda döküm yoluyla üretilmeye başlayan titanyum ve alaşımları, gelişen teknoloji ile birlikte pek çok endüstri dalında kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle, kompresörlerin disklerinde, ticari uçakların çeşitli gövde kısımlarında ve jet motorlarının pervanelerinde bulunan
ix

kanatlarda kullanılmıştır. Günümüzde, uzay endüstrisinde vaz geçilmez bir malzeme olan titanyum ve alaşımları, genel ticari endüstrisinde %30 ila %35, uzay endüstrisinin ise %60 ila %70 oranında kullanılmaktadır. Son yıllarda, ergime derecesinin ve hafifliğinin dikkate alınmasıyla beraber, Amerikan Ordusunda kullanılmak üzere geliştirilen silahların yapımında, titanyumun özellikle nikel ve kobalt ile oluşturduğu alaşımları kullanılmaya başlanmıştır.
Titanyumu kaynak edebilmek için genel olarak 5 yöntem bulunmaktadır. Bunlar TIG, gazaltı kaynağı, elektron ışın kaynağı, plazma ark ve lazer kaynağıdır. Bununla beraber, kalın kesitli titanyum parçaların elektro-slag kaynak yöntemiyle birleştirilmesi denenmiş, fakat bazı sınırlamalar nedeniyle kısmi başarı elde edilmiştir. Bu yöntemlerin içinde en yaygın olan TIG kaynağı için toryum ilaveli tungsten elektrot kullanılması tavsiye edilmektedir. Kaynak esnasında tungsten elektroda temastan kaçınılmasına dikkat edilmelidir. Kalın kesitli parçaların kaynağında, TIG kaynağına alternatif olarak MIG kaynağı da kullanılabilir, fakat kaynak dikişinin daha geniş olması kaçınılmazdır. Hangi yöntem olursa olsun, titanyum kaynağında, kendi özellikleriyle eşleşen dolgu teli kullanılmalıdır.
İyi bir kaynak dikişi elde etmek için, birleştirilecek parçalarının birleşim yerleri ve bunların her iki tarafından en az 25 mm mesafedeki kısımları, büyük titizlik ve dikkatle temizlenmelidir. Temizlik yeterince yapılmaz ise, kaynak bölgesinde kalın bir oksit tabakası meydana gelir. Ayrıca, kaynak işlemi öncesi, parçaların yüzeyinde, talaşlı işlemeden sonra kalmış yağ, kir vb.'den muhakkak arındırılmalıdır. Bu temizlik, buhar uygulaması, alkali temizlemesi, solvent temizlemesiyle yapılabilir. solvent buharı temizlemesinde klorürlü solventler yerine tolüen tercih edilmelidir, şöyle ki klorürlü artıklar (ve silikatlı artıklar da), titanyumun kaynak dikişinde çatlamalara yol açabilirler. Kullanılan solventler, metil etil keton, tolüen, aseton ve klorürsüz solventlerdir. Özellikle metil alkol, gerilme korozyonuna yol açabildiğinden dolayı, havacılık ve uzay sektörlerinde kullanımı yasaklanmıştır. Temizlik aşamasında ayrıca, temizliği yapan kişinin plastik eldiven kullanması ve solvent temizlemede kullanılan bezin iplik bırakmayan cinsten olması önem arz etmektedir. Titanyum üzerinde bulunan oksit tabakası, 535 °C'den düşük sıcaklıklarda oluşabilecek korozyonlara karşı iyi bir şekilde dayanım sağlar. Fakat bu sıcaklığın üzerinde oksit tabakası parçalanır ve C, N ve H atomları malzemeyi gevrekleştirir.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında, saf titanyum malzemenin, TIG kaynak metodu ile farklı parametreler kullanarak birleştirilmesi ve sonuçta en optimum kaynak parametresinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Aynı boyut ve özellikteki plakaların, aynı ortam koşullarında, 3 farklı amper değeri kullanılarak, ilk gaz, son gaz, gaz debisi, kaynak hızı, kullanılan ekipman ve ilave tel aynı kalmak suretiyle kaynak işlemleri gerçekleştirilmiştir. Kaynakla birleştirilen bu plakalardan elde edilen numunelerin, standartlara göre çekme, eğme, mikro yapı incelemesi, makro yapı incelemesi ve sertlik testleri gerçekleştirilmiş, elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak en uygun
parametre belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Kaynak, TIG, Saf Titanyum, Kaynak Parametreleri

Abstract:
The history of welding technology goes back to ancient times. Prehistoric welding processes have generally arisen to make accessories and war material. Welding; It is used for joining, repairing or filling of materials. The welding methods vary according to the purpose of the welding, the equipment used and the material to be welded. The most commonly used welding methods are; electric arc welding, oxy- acetylene welding, MIG / MAG welding and TIG welding.
The so-called oxygen welding or gas welding is a welding process with a mixture of oxygen and shielding gas. Acetylene is generally used as a mixture gas because it is highly efficient. This method is called the oxy-acetylene welding. The materials are joined with the effect of heat generated by the gas flame on the material and the filler metal. When acetylene, which is used as a flammable gas, is mixed with oxygen in the welding gas mixing system with the appropriate ratio, the resulting flame is between approximately 3150-3200 °C. Owing to this flame, it is possible to joining any of the commercial metals such as cast iron, steel, copper and aluminum. If filler metal is used, the joint is made stronger than the initial state.
Shielded metal arc welding or electrode welding is a process that mixes and combines molten metals by heating electrode rods. An electrical short circuit between the electrode and the workpiece is called the welding arc. The outer coating of the electrode provides slag formation to protect the welding zone from adverse external influences when the arc is formed. The electrode core provides a large part of the weld filler metal, and if it is stably moved along the workpiece, the weld seam is formed in smooth layers. A welding machine is a kind of power source that generates the energy required for welding, and there are variants operating with alternating current (AC) or linear current (DC). The best welded joints are usually obtained when direct current is used.
In welding machines, it is important to know the power, voltage and current values. The arc formed between the electrode and the workpiece is determined by the diameter of the electrode. To adjust the arc size, the voltage value must be set. The current is a value that can be varied depending on the electrode diameter, part size and welding position and can be measured in ampere (A). Thin parts require less current than thick ones. A small diameter electrode requires less current than the larger diameter. Welding in flat or horizontal position gives better results for welding quality and application. However, when performing vertical or ceiling welding, it is necessary to reduce the ampere value, depending on the position.
MIG or MAG is a kind of arc welding method. In this method, the welding wire enters the system automatically. In addition, the shielding gas is continuously supplied to the system. The welding machine continuously delivers the additional
xi
wire to the welding zone, provided that the current value determined by the welder remains constant. The controls that should be paid special attention by the welder; The torch for automatic operation is positioning, guidance and welding speed. The arc length and wire feed speed are maintained automatically. The torch and cable assembly perform three tasks. These; shielding gas transmission for welding and arc zones, ensuring the continuity of consumables and transmitting electrical energy to the electrode via the current nozzle. When the torch trigger is pressed, the gas, power and electrode start simultaneously and the arc is formed. The wire feeder and power supply ensure stable arc continuity. To achieve this stability, a constant voltage (CV) value is required. Basically, no matter how much the welder changes the arc length, the change in voltage is partially less, although the current varies greatly. However, some MIG or MAG machines can also use constant current (CC).
TIG welding, known as Tungsten Inert Gas (TIG) welding, is a welding process by producing an electric arc between a non-melting tungsten electrode and the workpiece under gas protection. The heat-affected zone (ITAB), the molten metal and the tungsten electrode are all protected from atmospheric influences by a shielding gas supplied from the shielded TIG torch. Thus, the welding structure is protected from external factors. The shielding gas (usually argon) is a gas that does not chemically affect or react to the weld metal. Besides argon, nitrogen and helium can also be used as protective gas. Shielding gases are also transparent gases that do not limit the viewing angle of the welder. In the TIG process, heat can be released up to 19426 ° C. The function of the torch here is the transfer of heat to the workpiece. If additional wire ends when welding, manual feeding can be done as in oxy- acetylene welding. The TIG method is used for welding titanium, aluminum, magnesium, copper, brass and bronze as well as steel, stainless steel, nickel alloys. It is also possible to joint unique metals with this method.
Titanium, which chemical representation is Ti and atomic number 22, is a very hard, silvery white and bright element in the 4th group of the periodic table. It has a density of 4.51 g / cm3, a melting point of 1660 oC and a boiling point of 3287 oC. Titanium, known as a rare element, is actually the 9th element found most in the earth's crust. The fact that ore distribution is sparse and titanium from ore is difficult to obtain makes it an expensive metal. Despite its superior properties and abundance as a mineral, titanium is the newest metal among structural metals for commercial use. Titanium, which has the highest corrosion resistance among all metals against atmospheric corrosion, is more durable than steel and resistant to almost all chemical effects, is a sought after material in aircraft, space, medical and many other fields. Titanium is not found in nature in pure form and is present in a number of minerals. The most common are titanium dioxide (TiO2), ilmenite (FeTiO3) and titanite (CaTiSiO5).
Commercial production of titanium was first used in the combustion chamber in the engine compartment of the DC-7 type aircraft, which made its first flight in 1952, and for the engine junction in the wings. Titanium and its alloys, which started to be produced by casting in 1970s, started to be used in many industries with the developing technology. In particular, it has been used in the discs of compressors, in various fuselage parts of commercial airplanes and in propellers of jet engines. Today, titanium and its alloys, which are an indispensable material in the space industry, are used between 30% and 35% in the general commercial industry and 60% to 70% of the space industry. In recent years, considering the degree of melting
xii

and lightness, the alloys of titanium, especially nickel and cobalt, have been used in the construction of weapons developed for use in the US Army.
There are generally 5 methods for welding titanium. These are TIG, arc welding, electron beam welding, plasma arc welding and laser welding. However, it has been tried to combine thick-section titanium parts with electro-slag welding method, but partial success has been achieved due to some limitations. Thorium added tungsten electrodes are recommended for TIG welding, which is the most common of these methods. Care must be taken to avoid contact with the tungsten electrode during welding. MIG welding can also be used as an alternative to TIG welding, but it is inevitable that the weld seam is wider. Regardless of the method, filler wire that matches their properties must be used for the titanium welding.
In order to obtain a good weld seam, the joints of the parts to be joined and sections of at least 25 mm from both sides must be cleaned with great care and attention. If the cleaning is not done sufficiently, a thick oxide layer forms in the welding zone. In addition, before welding, the surface of the parts must be cleaned of any oil, dirt, etc. left after machining. This cleaning can be done by steam application, alcali cleaning, solvent cleaning. Solvent vapor cleaning should be preferred to toluene instead of chlorinated solvents such that chlorinated residues (and silicate residues) can cause cracking of the weld seam of titanium. The solvents used are methyl ethyl ketone, toluene, acetone and chlorine-free solvents. In particular, methyl alcohol is prohibited for use in aerospace industries as it can cause tensile corrosion. During the cleaning step, it is also important that the cleaning person uses plastic gloves and that the swob used for solvent cleaning is of a yarn-free type. The oxide layer on the titanium material provides good resistance to corrosion that may occur at temperatures below 535 ° C. However, above this temperature, the oxide layer breaks down and the C, N and H atoms brittle the material.
In this master thesis, it is aimed to joining pure titanium material with different parameters using TIG welding method and to determine the optimum welding parameter. The welding process was carried out by using 3 different amperage values of the same size and properties under the same ambient conditions, with the first gas, last gas, gas flow rate, welding speed, equipment used and additional wire remaining the same. Tensile, bending, microstructural examination, macrostructural examination and hardness tests of the samples obtained from these plates joined by welding were performed according to the standards and the most suitable parameter
was determined by comparing the obtained results.
Keywords: Welding, TIG, Pure Titanium, Welding Parameters