Inconel 718 malzemesinin elektron ışın kaynağı altında mekanik davranışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi ve karşılaştırılması
Analysis and comprasion of mechanical behaviour of inconel 718 material under the effect of electron beam welding experimentally and numerically
Yazar: SEMİH YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MESUT KIRCA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Tarihte metalin kullanılmasıyla birlikte birçok imalat yöntemi de beraberinde gelişmiştir. Kaynaklı imalat yöntemi de insanlık tarihinin başlarından beri kullanılmakta olan en önemli imalat yöntemlerinden birisidir. Teknolojik gelişmeler ile birlikte kaynaklı imalat yöntemlerinde de bir çok farklı metod geliştirilmiştir. Özellikle on dokuzuncu yüzyılda elektriğin imalat yöntemlerinde kullanılmaya başlamasıyla birlikte kaynak sektöründe de bir çok gelişme meydana gelmiştir.
Elektriğin imalat sektöründe kullanılmaya başlamasıyla birlikte elektron ışın kaynağı kaynaklı imalat yöntemi olarak yirminci yüzyılının başlarında kullanılmaya başlamıştır. Özellikle havacılık sektöründe Inconel ve titanyum alaşımlı malzemelerin kaynağında sıklıkla kullanılmakta olan elektron ışın kaynağının birçok avantajı bulunmaktadır. Diğer kaynak yöntemlerine göre çok daha hızlı ve güvenilir olmasının yanı sıra yüksek kaynak kalitesi de sunmaktadır. Günümüzde sektörün artan talebini karşılamak için deelektron ışın kaynağı yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Elektron ışın kaynağı, yüksek yoğunluğa sahip bir elektron demetinin yüksek hızda malzeme yüzeyi ile temas etmesi sonucu ortaya çıkan ısı ile malzemelerin ergimesini sağlayan bir kaynak yöntemidir. Elektronların sahip olduğu kinetik enerjinin malzeme yüzeyine temas ile termal enerjiye dönüşümü temelinde gerçekleşen bir kaynaktır.
Elektron ışın kaynağı, temelinde katot gazını kullanarak bu gaz sayesinde metallerde ergimenin gerçekleşmesini sağlamaktadır. Katot gazı ilk olarak Hittorf ve Crookes tarafından yapılan deneyler sonucunda üretilmiştir. Bu gazın metallerin ergitilmesinde kullanılabileceği ise yüzyılı aşkın süre sonunda keşfedilmiştir.
Elektron ışınlarının malzemelerin kaynağında verimli bir şekilde kullanılabileceğinin kanıtlanması ise Alman fizikçi Steigerwald tarafından bulunmuştur. Steigerwald, elektron ışınlarının termik alet olarak saatlerin hassas parçalarının delinmesinde, tel çekme kalıplarının delinmesinde ve vakum altında metallerin lehimlenmesi, ergitilmesi ve kaynatılması için kullanılabileceğinin fark etti.
Elektron ışın kaynağı genellikle yüksek vakum altında gerçekleştirilir. Bu sayede malzeme temiz bir atmosferde kaynatılır ve bu da yüksek bir kaynak kalitesinin elde edilmesini sağlar. Bu vakumlama işlemi ortalama olarak 20-25 dakika arası sürmektedir. Elektron ışın kaynağı, malzemelerin vakum altında kaynatılması gibi daha birçok avantaja sahiptir. Malzemeyi yüksek ve bölgesel bir enerji yoğunluğuna tabi tutması; kaynak ağzı oluşturmaksızın kaynak işleminin gerçekleştirilebilmesi; yüksek kaynak kalitesi ve kaynak nüfuziyeti başlıca sayılabilecek avantajlarındandır. Bu avantajlarının yanı sıra bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Vakum odasının boyutlarının sınırlı olması kaynatılacak olan parça büyüklüğünü kısıtlamaktadır. Aynı zamanda ilk yatırım maliyeti yüksek bir kaynaklı imalat yöntemidir. Bu sebeple düşük üretim hacmine sahip firmaların bu kaynak yöntemini kullanması amortisman sürelerini uzatacaktır.
Özellikle havacılık ve savunma sanayii sektöründe kullanılmakta olan Inconel alaşımları iyi bir kaynak edilebilirlik özelliğine sahiptir. Özellikle uçak motorlarının sıcak çalışma bölgelerinde kullanılan Inconel 718 malzemesi de Inconel alaşımları içerisinde kullanımı sıkça tercih edilen bir Inconel alaşımıdır. Inconel 718 malzemesi nikel bazlı bir alaşımdır. Yüksek korozyon direnci, yüksek akma ve kopma mukavemeti havacılık sektöründe tercih edilmesinin en önemli sebeplerinden biridir. Inconel 718 malzemesi TIG, MIG, EIK, Lazer gibi birçok kaynak metodu ile kaynak yapılabilmektedir. Bu kaynak metotları arasından elektron ışın kaynağı gerek kaynak sonrası mukavemet düşüşündeki avantajı gerekse yüksek kaynak kalitesi sebebiyle bir adım daha öne çıkmaktadır. Elektron ışın kaynağında ilave metal kullanılmaması kaynak sonrasında mukavemet düşüşlerinin daha az görülmesini sağlar.
Bu çalışmada Inconel 718 malzemesinin elektron ışın kaynağı altındaki davranışı incelenmiştir. Kaynak sonrası Inconel 718 malzemesinde meydana gelen çarpılma miktarları ve kaynak nüfuziyeti hem deneysel olarak hem de Simufact Welding yazılımı ile sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiş ve sonuçları karşılaştırılmıştır.
Deneysel çalışmada .063" (1,500 mm) kalınlığında iki adet sac malzeme bir parametre değiştirilip diğer paramatreler sabi tutularak gerçekleştirilmiştir. Değişken olan parametre akım değerleri olup sırasıyla; 20 mA, 30 mA, 45 mA, 60 mA ve 80 mA değişken olmayan parametreler ise voltaj ve kaynak hızıdır. Bu parametreler sırasıyla 30 kV ve 20 mm/sn olarak belirlenmiştir. Elektron ışın kaynağı işlemi bu parametreler altında gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmanın sonucunda numunelerin farklı amper değerleri altında gerçekleştirilen çarpılma değerleri ve nüfuziyet miktarları ölçülmüştür. Çarpılma değerleri ölçülürken düşey eksendeki yer değiştirmeler baz alınmıştır. Kaynak nüfuziyetleri ise numunelerden kaynağa dik yönde kesitler alınıp metalografik olarak incelenerek tespit edilmiştir.
Deneysel çalışmada uygulanan parametreler ve sınır koşulları ile aynı parametreler ve sınır koşulları kullanılarak kaynak işlemi Simufact Welding yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Simufact Welding yazılımı ile yapılan uygulamada da voltaj değeri 30 kV; kaynak hızı 20 mm/sn; amper değerleri ise 20 mA, 30 mA, 45mA, 60 mA ve 80 mA olarak belirlenmiş olup kaynak analizi bu parametreler altında yapılmıştır.
Yapılan deneysel ve analitik çalışmalar sonucunda çarpılma değerlerinde 60 mA' e kadar uygulanan kaynak işleminde %75-80 oranında bir benzerlik olduğu gözükmektedir. Parça üzerine nominal amper değerinin arttıkça benzerlik oranının azaldığı gözükmektedir. Kaynak nüfuziyetinin ise %100 bir benzerlik gösterdiği görülmektedir. 20 mA altında uygulanan kaynak sonrasında hem deneysel çalışmada hem de analitik çalışmada kaynak nüfuziyetinin %100 sağlanmadığı doğrulanmıştır. Uygulanan diğer amperler altında ise kaynak nüfuziyetinin %100 sağlandığı her iki çalışmada da görülmüştür.
Yapılan sayısal analiz sonucunda malzemelerin kaynak sonrası akma mukavemetleri ve artık gerilme değerleri de incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda numuneler üzerine uygulanan amper değeri arttıkça akma mukavemetlerinde düşüş olduğu görülmektedir. Yalnızca 20 mA altında yapılan kaynak sonrası akma mukavemetinin en düşük olduğu görülmektedir. 20 mA altında yapılan kaynak sonrası kaynak nüfuziyetinin tam sağlanmamış olması numuneler arasında süreksiziğe sebep olmuş bu da numunelerin daha zayıf olmasına sebep olmuştur. Artık gerilmeler incelendiğinde ise nominal amper değerine kadar artık gerilmenin amper değeri arttıkça arttığı nominal amper değerini geçtikçe ise düştüğü elde edilmiştir.

Abstract:
Throughout the history a lot of manifacturing styles are developed with the use of metal. Welding manufacturing method is one of the most important manufacturing method since begining of the history. A lot of methodologies have been improved throgh the technological improvement in welding technology. Especially in 19th century, through the usage of electricity in manufacturing industy, welding technologies have also been improved.
Throguh the usage of electricity in manufacturing industry, electron beam welding has started to use in the begining of 20th century. There are so many advatages of electron beam welding especially used in aerospace industries' materials which are welded such as Inconel alloys and titanium. Electron beam welding is much more faster, depandable and more qualified in comparison to the other welding methods. With the increasing demand of industry, the usage of electron beam welding method has been increased gradually.
Electron beam welding is a welding method which cause in melting the materials with the heat by applying a high density electron bundle to surface in a high speed. In this welding, the process occurs in the base of transformation of kinetic energy of electrons to heat energy.
Electron beam welding uses cathode gas on the basis and with the help of this gas, it provides the melting of metals. Cathode gas was first produced as a result of experiments conducted by Hittorf and Crookes. The possibility of this gas could be used for melting metals, was discovered after more than a century.
The German physician Steigerwald found that electron beams can be used efficiently in the welding of materials. Steigerwald realized that electron beams can be used as thermic tools to drill sensitive parts of watches, to drill wire pulling model and to solder, melt and weld metals under vacuum.
Electron beam welding is generally carried out under high vacuum. This ensures that the material is welded in a clean atmosphere, which ensures a high weld quality. This vacuuming process takes an average of 20-25 minutes. Electron beam welding has many other advantages such as vacuum welding of materials. Subjecting the material to a high and regional energy density; welding can be performed without forming a welding port; high weld quality and weld penetration are the main advantages. In addition to these advantages, there are some disadvantages. The limited size of the vacuum chamber limits the size of the workpiece to be welded. It is also a welded manufacturing method with high initial investment cost. Therefore, the use of this welding method by companies with low production volumes will prolong depreciation periods.
Especially being used in the aerospace and defense industry sector Inconel alloy has good weldability properties. Inconel 718 material, which is used especially in hot working areas of aircraft engines, is an Inconel alloy which is frequently preferred in Inconel alloys. Inconel 718 material is a nickel-based alloy. High corrosion resistance, high yield and breaking strength is one of the most important reasons why it is preferred in aviation industry. Inconel 718 material can be welded with many welding methods such as TIG, MIG, EIK, Laser. Among these welding methods, electron beam welding stands out one step further because of its advantage in strength reduction after welding and high welding quality. Not using any additional metal in electron beam welding, resulting in less reduction in strength after welding.
As in all materials, Inconel 718 is subjected to post-weld deformations, stress cracks. The most common seen problem in welding is microcraks. To define a microcrack is the separation between particles in the HAZ (Heat Affected Zone). These microcracks may occur in any nickel based alloy and in any welding process (EIK, TIG, MIG, etc.). Micro-cracks in the HAZ after welding are caused by uneven spreading of the liquid phase between the material particles during melting of the material. Regular penetration of the liquid phase prevents these cracks.
In this study, the mechanical behaviour of Inconel 718 material has been investigated under the effect of electron beam welding. The distortion and welding penetration of material have been researched experimantally and through the Simufact Welding Software by using finite element method. In addition, Yield strength of Inconel 718 materials that have been used for welding and residual stresses of materials have also been investigated numerically by Simufact Welding Software.
In the experimental study, two sheet plates with same thickness which is .063" (1,500 mm) have been welded. One welding parameter has been changed, the others were not changed. Sequencely, current values have been changed as 20 mA, 30 mA, 45 mA, 60 mA ve 80 mA, the other constant parameters are specified as voltage and welding speed respectively 30 kV and 20 mm/sn. As a result of experimental study, distortion of materials and welding penetration have been inspected. The penetration has been investigated metalografically by taking cut-up perpendiculary to the weld line.
After experimental study, under the same boundary condition and same parameters, welding analysis have been performed by using Simufact Welidng Software. In this welding analysis current values have been changed as 20 mA, 30 mA, 45 mA, 60 mA ve 80 mA, the other constant parameters are specified as voltage and welding speed respectively 30 kV and 20 mm/sn as same as experimental study. The most important issue while clarifying the boundary condition in numerical analysis is specifying all conditions must be provided the same as possible
As a result of experimental and analytical studies, it was observed that there was a smilarty between two studies around %75-80 in distortion valued. The more nominal current values increases, the less smilarity is observed. It was also observed that there was a %100 smilarity in the welding penetration. Under 20 mA welding condition, the penetration has been observed less than %100 either experimental study or analytical study. Under other current values, the penetration has been observed %100 for two studies.
As a result of analytical studies, yield strength and residual stress values of the materials were also investigated. As a result of the analysis, it is seen that the yield strength decreases as the ampere value applied on the samples increases. It was observed that the yield strength after welding performed under 20 mA is the lowest.
Failure to achieve full weld penetration after welding under 20 mA caused discontinuity between the samples, resulting in weaker samples. When the residual stresses are examined, it is obtained that the residual stress increases as the ampere value increases up to the nominal ampere value and decreases as it exceeds the nominal ampere value.