Kaynaklı Ostenitik paslanmaz çeliklerde oluşan distorsiyonların sayısal ve deneysel analizi
Experimental and numerical analysis of welded Austenitic stainless steels
Yazar: HÜSEYİN YAVUZ YÜCESOY
Danışman: PROF. DR. MURAT VURAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Paslanmaz Çeliklerin birçoğu, Ark Kaynağı (Elektrik Ark Kaynağı, MIG & MAG Kaynağı, TIG Kaynağı, Tozaltı Kaynağı, v.b.), Direnç Kaynağı, Elektron ve Lazer Işını Kaynağı gibi çeşitli kaynak yöntemleri ile, düzgün kaynak yüzeyi temizliği yapılması ve uygun kaynak dolgu malzemesi kullanılarak yapılan kaynaklı birleştirmelerde kaynak kabiliyetleri yüksek olan malzemelerdir. Ostenitik Paslanmaz Çeliklerin Karbon Çeliklerine oranla % 50 daha fazla olan Termal Genleşme Katsayısı kaynaklı birleştirmelerde olası distorsiyonun minimize edilmesinde oldukça yardımcıdır. Yine Ostenitik Paslanmaz Çeliklerin düşük Termal ve Elektrik geçirgenliği ise kaynak işlemi için oldukça faydalıdır. Bu tip çeliklerde kaynaklı birleştirmeler için gerekli ısı, karbonlu çeliklerde olduğu gibi kaynak bölgesinden dışa doğru ısının yayılımı daha az olduğundan, daha az olmaktadır. Bu tip çeliklerin direnç kaynağında ise dirençlilik yüksek olduğundan daha düşük akımlar kullanılabilmektedir.
Ostenitik Paslanmaz Çelikler % 16 – 26 oranında Cr, % 8 – 24 oranında Ni + Mn, % 0,40'a kadar C ve düşük oranlarda Mo, Ti, Nb ve Ta gibi elementleri içermektedir. Cr ve Ni + Mn oranları arasında kurulan denge, % 90 – 100 ostenitik mikro yapının elde edilmesi içindir. Temel olarak bu alaşımlardan Cr çeliğe yüksek korozyon direnci, Ni ise yüksek sıcaklıklara karşı direnç ve süneklik kazandırmaktadır. Bu oranlardaki alaşımlarla elde edilen çelikler geniş bir sıcaklık bandında güç ve tokluk kazanmakta ve yaklaşık 540 °C'lara kadar oksidasyon direncine sahip olmaktadırlar. 
Ostenitik Çeliklerin kaynaklı birleştirmelerinde kullanılan dolgu malzemeleri genellikle ana metal ile uyumlu olmakla birlikte, alaşımların bir kısmı için sıcak çatlamaların önlenmesi amacıyla ferrit içeren bir mikro yapının oluşturulabileceği kompozisyonda olabilmektedir. Dolgu malzemeleri örtülü elektrod, çıplak tel elektrod veya özlü tel elektrod şeklinde temin edilebilmektedir.Ostenitik Paslanmaz Çeliklerin kaynaklı birleştirmelerinde ortaya çıkabilecek temel iki sorun Isıdan Etkilenen Bölge (Heat Affected Zone)'nin hassasiyei ve kaynak metalinde oluşabilecek sıcak çatlamalar olup, bu konu tez kapsamında vurgulanacaktır.
Bu tez konusu olarak Ostenitik Paslanmaz Çeliklerin kaynaklı birleştirmeleri esnasında oluşabilecek distorsiyonların, örnek iki tip çeliğin kaynaklı birleştirmelerinin farklı kalınlık ve iki farklı pozisyonda deneysel gerçekleştirilmeleri ve Sonlu Elemanlar metodu ile bilgisayar ortamında yapılacak modelleme sonuçları ile birlikte karşılaştırmalı analizinin yapılması hedeflenmiştir. Bu amaçla SAE 304L ve SAE 321 tipte Ostenitik Çelikler seçilmiş ve farklı kalınlıklarda ve "Alın Kaynağı" ile "Köşe Kaynağı" yöntemleriyle birleştirmeler yapılmıştır. Seçilen çeliklerin Nominal Kompozisyonları incelendiğinde, Cr, Ni, Mn ve Si yüzdeleri birbirine yakın olmakla birlikte Karbon oranlarının farklılığı seçimde ayırıcı olmuştur. Seçilen her iki tip çeliğin mekanik özellikleri ile korozyona dirençliliği ise birbirine yakındır.

Abstract:
Beside the fact that austenitic stainless steels are used in various industrial applications, they are also widely used in naval applications. Especially, in shipbuilding sector, construction of corrugates and corrugate supports of tankers, chamical tankers, non-magnetic ships which are supposed to be working in polar areas and in construction of some naval war ships, as well as in piping systems of those, the need of having welded structures of non-magnetic stainless material has been increased. Within this scope, the prediction of the distortions of welded joints of austenitic stainless steel becomes more important and comes forward among the others.
Most stainless steels are considered to have good weld ability and may be welded by several welding processes including the arc welding processes, resistance welding, electron and laser beam welding, friction welding and brazing. For any of these processes, joint surfaces and any filler metal must be clean. The coefficient of thermal expansion for the austenitic types is 50% greater than that of carbon steel and this must be considered to minimize distortion. The low thermal electrical conductivity of austenitic stainless steels is generally helpful in welding. Less welding heat is required to make a weld because the heat is not conducted away from a joint as rapidly as in carbon steels. In resistance welding, lower current can be used because resistivity is higher.
The austenitic steels contain 16 – 26 % Cr, 8 – 24 % Ni + Mn, up to 0,40 % C and small amounts of a few other elements such as Mo, Ti, Nb and Ta. The balance between the Cr and Ni + Mn is normally adjusted to provide a microstructure of 90 – 100 % austenite. These alloys are characterized by good strength and high toughness over a wide temperature range and oxidation resistance to over 540 ºC. Basically, Cr is used to give high corrosion resistance and Ni is used to give resistance to high temperatures. 
The austenitic stainless steels were developed for use in both mild and severe corrosive conditions. They are also used at temperatures that range from cryogenic temperatures, where they exhibit high toughness to elevated temperatures of nearly 600 °C, where they exhibit good oxidation resistance. Because the austenitic materials are nonmagnetic, they are sometimes used in applications where magnetic materials are not applicable.
Since the coefficient of thermal expansion for austenitic stainless steels is relatively high, the control of the distortion must be considered in designing weldments of these alloys. The volume of weld metal in joints must be limited to the smallest size which will provide the necessary properties. In thick plates, a "U" groove which gives a smaller volume than a "V" groove should be used. If it is possible to weld from both sides, a double "U" or "V" groove joint preparation should be used. This not only reduces the volume of weld metal required but also helps to balance the shrinkage stresses. Accurate joint fit up and careful joint preparations which are necessary for high quality welds also help to minimize distortion.
Austenitic stainless steels are easily welded with all standard arc welding processes, without preheating and by using matching or near matching welding consumables. Filler metals for these alloys should generally match the base metal but for most alloys, provide a microstructure with some ferrite to avoid hot cracking. These filler materials are available as coated electrodes, solid bare wire and cored wire. 
The problems are associated with welds in the austenitic stainless steels are "Sensitization of the weld heat affected zone" and "Hot cracking of weld metal". These will be emphasized in the following parts of the thesis. Because of their high thermal expansion and low thermal conductivity compared to carbon steel they will distort more during and after welding. This can be minimized by more frequent tacking prior to welding, balanced and back step welding methods and the use of lower welding current and heat input parameters. Low carbon austenitic stainless steels are commonly used because they are less susceptible to sensitization (or carbide precipitation) during welding or high temperature service which can result in inter granular corrosion in a caustic environment. Matching low carbon welding consumables (designated with an "L") are also commonly used to de-sensitize the weld deposit, in the same way as the parent metal, and eliminate the risk of inter granular corrosion of the welded joint.
When parts are joined by means of welding, residual stresses are developed inside the structure as well as the distortions. During and after welding, thermal strain/shrinkage causes deformations and in most cases those results with residual deformations.
Since the temperatures are at the highest levels near the welding seam, this area will tend to expand more than the areas away from. During the welding, the thermal stresses near the welding seam will be compressive (also plastic) since the area surrounds that region is in lower temperature and so higher yield strength. After the welding, the joint will be cooled down to its initial temperature and the piece will deform in the opposite direction. Hence, in most of the steels, since welding process creates plastic stresses, residual plastic deformations occur due to residual stresses. Those residual stresses are related with these deformations.
As the subject of this thesis, it is aimed to predict the probable distortions of the welded joints of two different austenitic stainless steel welded by two different welding processes by comparing experimental and finite element method results. For this purpose, SAE 304L and SAE 321 type austenitic stainless steels are chosen and by using different thicknesses "Butt Weldings" and "Fillet Weldings" are performed. When nominal compositions of these two steels are examined, besides having close contents of Cr, Ni, Mn and Si, slightly different C content between these two is the distinctive factor. Mechanical properties and corrosion resistances of both chosen steels are very close to each other.