304 tipi paslanmaz çeliklerin MIG kaynağındaki ısı transferinin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Finite element analysis of heat transfer in the MIG welding of type 304 staninless steel
Yazar: TAYFUN FINDIK
Danışman: PROF. DR. CEMİL ÇETİNKAYA ; PROF. DR. H. MEHMET ŞAHİN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Kaynak havuzunda ısı transferinin, ergime bölgesinin etkili olduğu sıcaklık alanının ve termal dalgalanmaların kaynak metalinde ve ana malzemedeki makro ve mikro yapıyı etkilediği bilinmektedir. Bu etki malzemelerin mekanik özelliklerini de etkilemektedir. Bu etkiler ancak deneysel çalışmalar sonucunda incelenebilmekte fakat endüstri uygulamaları buna her zaman imkân vermemektedir. Bu çalışmada, 304 tipİ östenitik paslanmaz çeliklerde Metal İnert Gaz (MIG) kaynağı sırasında oluşan ısıl etkileri incelemek için, dört farklı kaynak hızında parçalar kaynatıldıktan sonra makro ve mikroyapı incelemelerinin yanı sıra sertlik incelemeleri de yapılmıştır. Sonlu elemanlar metodunu kullanan ANSYS programında deneysel şartlara uygun 3 boyutlu modellemeler yapılmış ve deneysel sonuçlarla mukayese edilmiştir.Kaynak metalinin sıcaklık ölçümleri 10 farklı noktadan lazer ışını ile sıcaklık ölçen infrared ölçüm yöntemi ile ana malzeme sıcaklık ölçümleri ise K tipi ısıl çift kullanılarak yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda kaynak arkı başladığında kaynak dikişi yapılacak olan 100 mm'lik kaynak dikişi mesafesinin son noktasında henüz daha ark ısısının etkili olmadığı görülmüştür. Benzer şekilde kaynak arkı son noktaya ulaştığında başlangıç noktasının hızla soğuyarak düşük sıcaklıklara ulaştığı görülmüştür. Bu nedenle sonlu elemanlar tabanlı ANSYS programında 100 mm'lik kaynak metali dikiş mesafesi 10 eşit parçaya bölünerek analiz yapılmıştır. Arkın kaynak dikişi üzerinde geldiği alana, lazer yöntemi ile ölçülen ark sıcaklığı olan 22000C tanımlanmış ve bu sıcaklıktan soğumaya başlatılmıştır. Bir sonraki adımda bir önceki adımın sonuç değerleri başlangıç şartları olarak tanımlanmıştır.Bilindiği gibi malzemelerin ısıl özellikleri sıcaklığa göre değişim göstermektedir. Bu sebeple ANSYS programına 304 tipi paslanmaz çelik malzemenin özellikleri tanımlanırken sıcaklığa bağlı olarak tanımlanmıştır. Bu özelliklerde malzemenin ergime ve katılaşma aralığındaki enerji değişimi gösterilmiştir.Kaynak esnasındaki ısıl gerilimleri görmek için deneysel olarak elde edilen sıcaklık değerleri kullanılarak ANSYS programında yapısal analizler yapılmıştır.Deneysel ve ANSYS sonuçları karşılaştırıldığında sonuçların birbiri ile oldukça benzer olduğu görülmüştür. ANSYS sonuçlarının deneysel sonuçlarla uyumlu olması malzeme özelliklerinin, başlangıç ve sınır şartlarının ANSYS programına çok iyi tanımlanmasına bağlıdır.

Abstract:
It is known that heat transfer in weld pool, thermal waving and heated zone in the zone, which is affected by melting, affect the macro and micro structures. That phenomenon effects on the mechanical properties of materials. These effects can only be examined by experimental studies. However, industrial applications may not make possible to examine of these effects in every case. In this study, 304 type stainless steel was welded in four different welding speeds by MIG welding, and effects of heat on macro and micro structures and hardness were examined. 3D simulations in accordance with the experimental procedure by using ANSYS software were made and the results were compared.Temperature measurements of weld metal were taken from 10 different points by using infrared temperature measurement probe. The temperatures of base metal were measured by using K type thermocouples. The firs measurement, which was taken just after the first arc, showed that the temperature of the other end point of welding line, which is in 100 mm distance, was not increased. Once the weld reached on to the other end point, the starting point of weld line decreased dramatically to the lower temperatures. For this reason, the temperature distribution analysis of the weld line was carried out by dividing the whole weld line into the 10 equal sections for the ANSYS software. The arc point was determined as to be 2200 oC, which was measured by laser method, and then the section was left for cooling from this temperature. To analysis the every section, the result of the previously welded section was taken as the starting values.As it is known, the thermal properties of materials vary with temperatures. For this reason, the properties of 304 stainless steels were introduced to the ANSYS software depending on temperature. Energy changes between interval of melting and solidification temperatures were also introduced.To see the thermal stresses during the welding, structural analyses made in the ANSYS software using results of temperature obtain as experimental.When the experimental and modeling results were compared, they were found as similar. To get a similar result from ANSYS analysis depends on the introducing of material properties and boundary conditions very well.