Galvanizli sacların lazer kaynağı ve gazaltı kaynağı ile birleştirilmesinde kaynak parametrelerinin kaynak kalitesine etkisi
The effect of welding parameters on welding quality in combining galvanized steel sheet with laser welding and gas metal arc welding
Yazar: BAŞAR YAVUZ
Danışman: PROF. DR. MURAT VURAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gazaltı kaynağı = Gas metal arc welding ; Lazer kaynağı = Laser welding

Özet:
Günümüz endüstriyel üretimde parçaların birleştirilmesi sırasında kaynak işlemi yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Özellikle artan üretim hızlarında kolay, hızlı ve verimli bir şekilde kullanılabilir olmasından dolayı çok çeşitli kaynak yöntemleri pekçok alanda ihtiyaç duyulan bir üretim yöntemi olarak ele alınmaktadır.
Birçok farklı yöntemi bulunan kaynak işleminde, bu çalışma kapsamında 2 çeşidi kullanılmıştır. Bu yöntemler gazaltı kaynak yöntemi ve lazer kaynak yöntemidir.
Diğer yandan malzeme olarak endüstriyel olarak kolayca ulaşılabilen ve otomotivden, beyaz eşyaya birçok farklı alanda kullanılan 1 mm kalınlıktaki galvaniz kaplamalı sac levha kullanılmıştır. 
Gazaltı kaynağı ile yapılan birleştirmelerde numuneler için belirlenen kaynak paramereleri şu şekilde sıralanabilir; kaynak tel çapı, koruyucu gaz debisi, kaynak hızı, akım ve tel besleme hızı.
Lazer kaynağı ile birleştirilen numuneler için ise kaynak parametreleri kaynak hızı, güç ve darbe süresi şeklinde seçilmiştir.
Belirlenen kaynak parametrelerinin kaynak kalitesi üzerindeki etkisinin anlaşılabilmesi amacıyla herbir aşamda bir kaynak parametresi değiştirilerek incelenmiştir. Bu değişim sırasında seçilen kaynak parametresini etkisinin daha iyi anlaşılabilmesi amacıyla diğer parametreler sabit bir değerde tutulmuşlardır. Bu şekilde iki farklı kaynak yöntemi kullanılarak numuneler testlere hazır hale getirilmişlerdir.
Kaynak işlemlerinin kalitesinin arttırılması amacıyla, numunelerin kaynak yüzeyleri kir ve diğer artık maddelerde arındırılmışlardır. Numuneler 1 mm kalınlıktaki galvanizli sacdan 30x100 mm ölçülerinde keilmiştir. Kesilen 2 adet parça 30 mm olan yüzeylerinden alın kaynağı ile birleştirilmişlerdir.
Gazaltı kaynağı ve lazer kaynağı ile birleştirilen numuneler radyografik muayene ile incelenmişlerdir. Yapılan incelemeler sonucunda, gazaltı kaynağı ile hazırlanan numunelerde kaynak bölgeinde porozite oluşumu görülmüştür. Bu porozite oluşumunun kaynak parametreleri ile ilişkisi incelenmiştir. Bazı numunelerde ise yüksek ısı girdisi kaynaklı olarak yanmış bölgelerin varlığı gözlenmiştir. Diğer yandan gazaltı kaynağı ile hazırlanmış numunerede porozite ya da toplu gözenek olarak adlandırılan kaynak hataları da gözlenmiştir. Bu gibi durumlarda kaynaklı bölgenin kesit alanında azalma oluşmaktadır. Bu azalma mekanik özelliklerde azalma olarak sonuçlanmaktadır.
Lazer kaynağının radyografik sonuçlarına göre ise numunelerde bir miktar porozite varlığı tespit edilmektedir. Ancak gözlenen porozite miktarı, gazaltı kaynağı ile hazılanmış olan numuneler göz önüne alındığında kabul edilebilir seviyelerde kalmaktadır. Radyografik muayene sonuçlarına göre, lazer kaynağında dikkate alınacak seviyede hata varlığından söz edilememektedir.
Hazırlanmış olan numuneler kaynaklı birleştirmenin mekanik özelliklerinin anlaşılabilmesi amacıyla çekme testine sokulmuşlardır.
Çekme testinde kaynaklı numuneler kopma gerçekleşene kadar çekme kuvvetine maruz bırakılmaktadırlar. Test kapsamında karşılaştırma yapılabilmesi amacıyla herhangi bir şekilde birleştirilmemiş galvanizli sac levhada çekme testine tabi tutulmuştur. Bu sayede kaynak işlemi sonrasında mekanik özelliklerin karşılaştırılması kolaylıkla yapılabilmektedir.
Gazaltı kaynağı ile birleştirilen numuneler görece iyi diye tanımlanabilecek olan sonuçlar vermişlerdir. Tüm numuneler ait testler çekme kuvveti-uzama şeklinde grafiklenmiş ve ilgili bölümlerde ayrıntılı bir şekilde açıklanmışlardır.
Çekme test sonuçlarında en kötü sonucu 1 numaralı numune vermiştir. Bu numuneye ait olan radyografik sonuçlara baktığımızda da aynı şekilde yüksek porozite oluşumu gözlenmiştir. Dolayısıyla radyografik muayene de belirlenen hatalar, kaynak kesit alanını azaltmıştır. Azalan kesit alan sebebiyle, ilgili numune çekme testinde kötü sonuçlar vermiştir.
Diğer yandan 8 numaralı numuneye ait çekme test verileri göz önüne alındığında 350 MPa gibi mukavemet değerleri gözlenmiştir. Bu değer iyi kabul edilebilecek bir değer olarak tanımlanabilir.
Lazer kaynağı ile birleştirilmiş olan numunelere ait sonuçlar incelendiğinde ise gözlenen değerlerin gazaltı kaynağı ile birleştirilen numunelere göre oldukça düşük olduğu sonucuna varılabilmektedir. Lazer kaynağı ile hazırlanan numuneler içerisinde en iyi sonucu veren 8 numaralı numune için bile dayanım değeri 230 MPa gibi düşük kabul edilebilecek bir seviyede kalmıştır.
Her iki kaynak yöntemi kullanılarak hazırlanan ve çekme testine tabi tutulan numuneler makrografik analiz ile de incelenmişlerdir. Bu inceleme sırasında çekme testi sonucunda kopan yüzeyler incelemeye sokulmuştur.
Gazaltı kaynağı ile birleştirilen numunelerin kopma yüzeylerine bakıldığında bazı bölgelerde kararmış alanların varlığı gözlenmiştir. Bu alanlar yüksek ısı girdisi kaynaklı olarak yanmış alanlar olarak belirtilebilir. Ayrıca yüksek mekanik özellikler gösteren numunelerin makrografik incelemelerinde yetersiz nüfuziyet gibi hatalara rastlanmamıştır.
Lazer kaynağı ile birleştirilen numunelerin kopma yüzeylerine baktığımızda ise belirgin bir şekilde nüfuziyet noksanlığı varlığı tespit edilmiştir. Nüfuziyet noksanlığı, kaynaklı bölgenin tüm kesit alan boyunca yer almaması durumu olarak açıklanabilir. Yetersiz nüfuziyet nedenli olarak kaynaklı birleştirmenin kesit alanı küçülmüştür. Kesit alandaki azalmada kaynaklı birleştirmenin mekanik özelliklerini önemli miktarda azaltmaktadır. Bu nedenle çekme testi sonuçlarının bu kadar düşük değerlerde kaldığı sonucuna varılmıştır.
Yinede lazer kaynağı ile birleştirme sırasında doğru bir şekilde belirlenecek kaynak parametreleri ile daha kaliteli bir birleştirme sağlanabilir. Bu sayede yapının mekanik özeliklerinde de iyileştirme gözlenecektir.
Gazaltı kaynağı ile yapılan işlemlerde, kaynakçının tecrübesi ve yeteneği büyük önem taşımaktadır. İyi bir kaynakçı ile yapılan kaynak işlemi yüksek kalitede bir sonuç verecektir. Ancak insan faktörüne bu kadar açık bir işlemde sabit bir kalite tutturulabilmesi de oldukça zor olacaktır.
Öte yandan lazer kaynağı yarı otomatik veya otomatik olarak gerçekleştirilebilir. Bu sayede insan faktöründen kaynaklanan hatalar en aza indirilebilir.
Lazer kaynağında doğru parametreler kullanılarak otomatize edilmiş işlemlerde sabit bir kalite seviyesi sağlanabilir. Bu şekilde üretim verimliliği artacak ve parça başına düşen maliyet kalemlerinin azalacağı sonucuna varılabilmektedir.
Yapılan bu çalışma ile yaygın olarak kullanılan bir malzeme olan galvanizli çelik sacların birleştirilmesi sırasında kullanılabilecek lazer kaynağı ve gazaltı kaynağının etkisinin anlaşılması kolaylaşacaktır.

Abstract:
In today's industrial production, welding is widely used during the joining of parts. It is an easy, fast and efficient production method especially at increasing production speeds. Due to these advantages it provides, it is considered as a production method that is needed in many areas.
In the welding process, which has many different methods, 2 types were used within the scope of this study. These methods are gas metal arc welding and laser welding.
On the other hand, 1 mm thick galvanized metal sheet, which is easily accessible industrially and used in many different areas from automotive to household appliances, was used as material.
Welding parameters determined for the samples in the joints made by gas metal arc welding can be listed as follows; welding wire diameter, shielding gas flow rate, welding speed, current and wire feed rate.
For the samples joined by laser welding, welding parameters were chosen as welding speed, power and pulse duration.
In order to understand the effect of the determined welding parameters on the welding quality, a welding parameter was changed at each stage and examined. During this change, other parameters were kept at a constant value in order to better understand the effect of the selected source parameter. In this way, the samples were prepared for the tests by using two different welding methods.
In order to increase the quality of the welding processes, the welding surfaces of the samples were cleaned of dirt and other residues. The samples were cut from 1 mm thick galvanized steel sheet in 30x100 mm dimensions. The 2 pieces were joined by butt welding on their 30 mm surfaces.
The samples, which were joined by gas arc welding and laser welding, were examined by radiographic examination. As a result of the examinations, porosity formation was observed in the weld zone in the samples prepared by gas metal arc welding. The relationship of this porosity formation with the welding parameters was investigated. In some samples, the presence of burnt areas was observed due to high heat input. On the other hand, welding defects called gas hole or clustered pore were also observed in the samples prepared by gas metal arc welding. In such cases, there is a decrease in the cross-sectional area of the welded region. This reduction results in a decrease in mechanical properties.
According to the radiographic results of the laser welding, some porosity is detected in the samples. However, the observed amount of porosity remains at acceptable levels considering the samples prepared by gas metal arc welding. According to the results of the radiographic examination, it cannot be mentioned that there is a significant error in laser welding.
The prepared samples were subjected to tensile test in order to understand the mechanical properties of the welded joint.
In the tensile test, welded specimens are subjected to tensile force until rupture occurs. In order to be able to compare within the scope of the test, galvanized steel sheet metal that was not combined in any way was subjected to the tensile test. In this way, comparison of mechanical properties after welding can be done easily.
Samples joined by arc welding gave results that could be described as relatively good. Tests of all samples are plotted as tensile force-elongation and explained in detail in the relevant sections.
In the tensile test results, sample number 1 gave the worst result. When we look at the radiographic results of this sample, high porosity and gas hole formation were observed in the same way. Therefore, the errors determined in the radiographic examination reduced the weld cross-sectional area. Due to the reduced cross-sectional area, the corresponding sample gave poor results in the tensile test.
On the other hand, considering the tensile test data of sample number 8, it was observed that it withstands tension strength such as 350 MPa. This value can be defined as a value that can be considered good.
When the results of the samples joined with the laser welding are examined, it can be concluded that the observed values are quite low compared to the samples joined with the gas metal arc welding. Even for sample 8, which gave the best results among the samples prepared with laser welding, the tensile force value remained at a low level of 230 MPa.
The samples prepared by using both welding methods and subjected to the tensile test were also examined by macrographic analysis. During this examination, the surfaces that broke off as a result of the tensile test were examined.
When the rupture surfaces of the samples joined by gas metal arc welding were examined, the presence of blackened areas was observed in some regions. These areas can be specified as burned areas due to high heat input. In addition, errors such as insufficient penetration were not found in the macrographic examinations of the samples with high mechanical properties.
When we look at the rupture surfaces of the samples joined by laser welding, a significant lack of penetration was detected. The lack of penetration can be explained as the situation where the welded region is not located on the entire cross-sectional area. The cross-sectional area of the welded joint is reduced due to insufficient penetration. The reduction in cross-sectional area significantly reduces the mechanical properties of the welded joint. For this reason, it was concluded that the tensile test results remained at such low values.
However, with the welding parameters to be determined correctly during joining with laser welding, a higher quality joining can be achieved. In this way, improvement will be observed in the mechanical properties of the structure.
The experience and skill of the welder is of great importance in the operations performed with gas metal arc welding. Welding with a good welder will give a high quality result. However, it will be very difficult to maintain a constant quality in a process that is so open to the human factor.
On the other hand, laser welding can be performed semi-automatically or automatically. In this way, errors caused by the human factor can be minimized.
A constant level of quality can be achieved in automated processes by using the right parameters in the laser source. In this way, it can be concluded that the production efficiency will increase and the cost per piece will decrease.
With this study, it will be easier to understand the effect of laser welding and gas metal arc welding, which can be used during the joining of galvanized steel sheets, which is a widely used material.