MakinaTek dergisi, Türkiye makina imalat sektörünün gelişimine ve büyümesine katkı sağlamayı ana misyonu olarak görmekte ve sektörün gelişen profilini sergilemeyi amaçlamaktadır.

Ultra Yüksek Mukavemetli Çelik Malzemelerin Kaynak Parametre Optimizasyonu İle Mukavemet Arttırımı Üzerine Deneysel Çalışmalar

ÖZET
[kutusol=9275] Günümüzde araç ağırlığının azaltılması ve çarpmalara karşı araç güvenliğinin artırılması gereksinimi, otomobil üreticilerini, sac metal şekillendirme teknolojilerinde yeni çözümler aramaya sevk etmektedir. Özellikle parçaların yüksek dayanımlı ve hafif olarak üretilebilmesi için, yüksek mukavemetli çelikler ile sıcak şekillendirme yönteminin kullanılması, yeni bir çözüm olarak önem kazanmıştır. Sıcak şekillendirilmiş malzemelerin kullanımının yaygınlaşması kaynaklanabilirlik ve üretim problemlerini ortaya çıkarmıştır. Sıcak pres malzemelerde iki veya üç pres panelin direnç kaynağı ile birleştirilmesi üzerine kaynak denemeleri yapılarak bilgi birikimi ve kaynak parametre optimizasyonu gerçekleştirilecektir. Bu çalışma kaynak parametrelerinin sıcak şekillendirilmiş malzemeler üzerinde etkisi irdelemek için sistematik bir yaklaşım sunmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Kaynak / Direnç Kaynağı / Sıcak Şekillendirme / Kaynak parametresi

1.GİRİŞ
Günümüzde “Çevre koruma, güvenlik ve enerji tasarrufu” otomobil endüstrisinin 3 ana hedefini oluşturmaktadır. Otomobil yakıt tüketiminin doğrudan çevre koruma ve enerji tasarrufu ile ilişkili olması nedeniyle, her %10’luk ağırlık azaltımına karşılık %3 ila%7 oranında yakıt tasarrufu sağlanmaktadır.[4] Araç ağırlığının azaltılması ve çarpmalara karşı araç güvenliğinin artırılması gereksinimi, otomobil üreticilerini, sac metal şekillendirme teknolojilerinde yeni çözümler aramaya sevk etmektedir. Bu arayış mukavemeti arttırılmış ve daha hafif yeni malzemelerin otomotiv sektöründe kullanımını arttırmıştır.[kutusag=9276] 
Boron çeliği (22MnB5) gibi otomotiv endüstrisinde yaygın olarak kullanılan yüksek mukavemetli çeliklerin sıcak şekillendirme işleminde kullanılması, daha iyi malzeme özelliklerine sahip ve daha ince parçaların üretilebilmesini olanaklı kılmaktadır. Sıcak şekillendirme ile malzeme östenit sıcaklığına kadar çıkarılıp hızla soğutma yöntemi sayesinde parçanın çekme gerilmesi değeri 1500 MPa değerine kadar çıkabilmektedir. [5] Yukarıdaki grafikte yeni nesil çelikler ile birlikte sıcak şekillendirilmiş yüksek mukavemetli malzemeler MnB+HF ile gösterilmiştir. (Şekil 1)

Günümüzde üretilen sedan araç gövdelerinde ortalama 4.000 ile 6.000 arasında nokta kaynağı uygulanmaktadır. Diğer kaynak yöntemlerine göre araç gövdesinin oluşturulmasında %85 oranında direnç nokta kaynağı kullanılır.[3] Direnç nokta kaynağı, sacın birleşmesi için hızlı ve temiz bir işlem olarak karakterize edilir. Uzun ve geniş ticari uygulamalara rağmen, yeterli kaynak çekirdek boyutu hala nokta kaynak prosedürleri için birincil endişe kaynağıdır.
[kutusol=9277] Çeliğin fazları ve yapısı ile mukavetin artması, kaynaklanabilirliğini doğrudan etkilemektedir. Bu gelişmeler ile birlikte malzemelerin kaynaklanabilirliği, kaynak kalitesi ve parametre optimizasyon çalışmaları da önem kazanmıştır.

2. SICAK ŞEKİLLENDİRİLMİŞ MALZEMELERİN KAYNAĞI VE ZORLUKLARI
Toyotetsu Türkiye bünyesinde sıcak şekillendirilmiş boron çelikleri ile yapılan direnç kaynağı çalışmalarında kaynak parametre denemeleri yapılmıştır. Standart parametre uygulamaları altında aşağıdaki imalat problemleri gözlemlenmiştir.
1.  Isıl işlemde martenzit yapısı sırasında yüzeye çıkan
     Zn-Fe kaplama kalınlıkları değişken olup, direnç değişiklikleri göstermesi.
2.  Projeksiyon kaynağında tutarsız tork ve itme testi
     sonuçları[kutusag=9278] 
3.  Elektrot ömrünün azalması
4.  Elektrot açısına bağlı keskin ve sivri çapak oluşumu.
5.  Direnç nokta kaynağında çap oluşumunda varyasyonlar.

Sıcak şekillendirilmiş malzemenin östenit sıcaklığa çıkarılıp soğutulması ile yüzeyde oluşan sert tabakanın kalınlıkları değişkenlik gösterebilmektedir. Yüzeyde oluşan sarı renkli tabakanın incelip kalınlaşması ohm metre ile kontrol edilerek değerler karşılaştırılmıştır. Bu değişkenlik nokta direnç kaynağının oluşma prensibi olan direnci ve buna bağlı olarak kaynak noktasının kalitesini doğrudan etkilemektedir.

Ayrıca 1500 Mpa gibi yüksek çekme mukavemetine sahip bu malzemelerde pürüzlü yüzey nedeniyle arada oluşan boşluklar temas noktasını azaltarak kaynağı olumsuz yönde etkilemektedir.
Direnç kaynağında direnci çok düşük ancak yumuşak bir malzeme olan Cu alaşımlı elektrotlar kullanılmaktadır. Malzemenin yüksek mukavemetlere ulaşması Cu alaşımlı elektrotların daha çabuk deforme olmasına sebep olmakta ve üretim için elektrot ömrünü kısaltmaktadır. [kutusol=9279] Bu durum elekrot değişim periyodunun kısalmasına ve elektrod sarfiyat maliyetlerinin artmasına sebep olmaktadır.

Çapak, kaynak işlemi sırasında metal eriyik sıçraması olarak ifade edilebilir. Bu çapak parça üzerinde kaldığında spot kalitesi için uygun olmayıp aynı zamanda çalışan operatör içinde emniyet riski oluşturmaktadır.
Yapılan denemelerde edilen sonuçlarda 38 mm’e kadar çapak boyu oluştuğu görülmüştür. Bazı spotlarda çapak oluşumunun belirtisi olan spotta yığılma gerçekleşmiştir.

3. DENEYİN ÖĞELERİ[kutusag=9280] 
3.1. Deney Parçası
Sıcak şekillendirilmiş Fe-Zn kaplamalı Boron çeliği (22MnB5) kullanılarak kaynak optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Kullanılan malzeme kalınlığı 1,4 mm ve 1,8 mm’dir. Malzeme östenit sıcaklığında ısıl işleme uğradıktan sonra su verme işlemi ile martenzit yapıya ulaşmıştır.
Yapılan sıcak şekillendirme işlemi ile birlikte yüzey sertliğini belirleyen Zn-Fe kaplamadır. Yapılan bu işlemler mikro yapıda bakıldığında kaplama kalınlıklarında bölgesel değişkenlikler göstererek, spot kaynağı kalitesinde farklılıklara yol açabilmektedir. Elde edilen kaplama ortalama ölçüm değeri 14 mikron ile 21 mikron arası değişmektedir.


3.2. Kullanılan Ekipmanlar
Yapılan çalışmada operatöre bağlı değişkenleri ortadan kaldırmak ve daha stabil sonuçlar elde edebilmek için robotik kaynak yöntemi tercih edilmiştir. Parçalar fikstür üzerinde sabitlenerek kaynak işlemi gerçekleştirilmektedir.
16 mm çapında 6 mm temas yüzeyli, Cu alaşımlı elektrot
Servo motorlu, 6 eksenli kaynak robotu
Servo Gun
[kutusol=9281] Kaynak denemeleri sıfır elekrot ile yapılmıştır.

3.3 Kaynak Değerlendirilmesi ve Yöntemi
Sıcak şekillendirilmiş malzemelerde çekme dayanım kuvveti yüksek olup, sertlik değeri oldukça yüksektir. Bu nedenle malzemenin şekil alabilirliği yani elastisite modulü oldukça düşüktür. Bu yapıya sahip bir malzemede elektrik direnç nokta kaynağının kalitesel kontrol yöntemlerinden biri olan tahribatlı muayene yapılmasını oldukça zorlaştırmaktadır. Bu problem seri üretim şartlarında uzun süreli kontroller, yani zaman ve maliyet kaybına yol açmaktadır.[kutusag=9282] 

Bu nedenle tahribatsız muayene kontrol yöntemlerinden biri olan ultrasonik kontrol yöntemine başvurulacaktır. Yapılan testlerde ultrasonik kontrol cihazı ile spot kaynağı yani çekirdek çapı ölçümleri yapılacaktır.
Referans alınacak minimum çekirdek çapı müşterinin talepleri doğrultusunda belirlenir. Parametrenin güvenli aralıkta olabilmesi için minimum çekirdek çapından belirlenen oranda daha büyük olması gerekmektedir.
Kaynak kusurlarının varlığını değerlendirmek için kaynak yüzeyinin mikroskopik gözlemi ve metalografi kullanılacaktır.

3.4. Elektrik Direnç Kaynağı, Akım-Zaman Grafiği ve Parametreler
Öncelikle kullanılan parametreler ve kaynak oluşumuna etkileri incelenmelidir. Akım, kaynak zamanı ve elektrod kuvveti nokta kaynağındaki başlıca parametrelerdir. Nokta direnç kaynağındaki ısı girişi Q = I 2 * R * t ile tanımlandığından akım ve kaynak zamanı, kaynakta belirlenecek ana kaynak parametreleridir. Aşağıdaki grafikte bir elektrik direnç kaynağında gerçekleşen işlemler grafikte işlenmiştir. (Şekil 7)

[kutusol=9283] Bununla birlikte direnç kaynağında yardımcı parametreler ve uygulanma şekilleri için başlıca kullanılan parametrelere bakılacak olursa;
Sıkıştırma zamanı (SQ): Bu parametre akım uygulaması öncesi parçaya uygulanan sıkıştırma kuvvetinin geçtiği zaman olarak değerlendirilir.
Artan Akım(US): Yükselen akım değeri olarak ifade edilebilir. Akım geçişinin başladığı zamandır. Belirlenen alt değerden belirlenen akım değerine kadar yükselerek akım uygulanır.
Birinci kaynak zamanı (WT1): Kaynak akımı belirlenen akım değerinde lineer olarak uygulanır.
Birinci kaynak akımı: Birinci kaynak akım değeridir ve kA cinsinden değerler girilir. Birinci kaynak zamanı boyunca uygulanan kaynak akım değeridir.
Soğutma zamanı (CT-1): Eğer ikinci kaynak zamanı kullanılıyor ise, iki kaynak akımı arası soğutma süresi olarak ifade edilir.
İkinci kaynak zamanı (WT2): Kaynak akımı belirlenen akım değerinde lineer olarak ikinci kez uygulanır.
İkinci kaynak akımı: İkinci kaynak akım değeridir ve kA cinsinden değerler girilir. İkinci kaynak zamanı boyunca uygulanan akım değeridir.
Tutma zamanı (HT) : Kaynak uygulaması sonrası ani soğumalarda oluşabilecek çatlakları önlemek amacıyla, elektrotların belirlenen süre boyunca kaynak noktası üzerinde beklemesini sağlar. Bu zaman boyunca akım uygulanmaz.
Kaynak kuvveti: Kaynak işlemi sırasında belirli bir kuvvet altında basınca maruz kalır. Bu kaynak işleminin en önemi parametrelerindendir.

4. DENEYİMLEME
Denemeler kaynak akımı, kaynak zamanı, kuvvet, ön ısıtma ve son ısıtma gibi birçok farklı kaynak parametresi kullanılarak yapıldı. Toplamda 12 parametre denemesi yapılmıştır. A ile belirtilen denemelerde 1,4 ve 1,8 kalınlıktaki boron çeliği kullanılmıştır. B ile ifade eden denemelerde 1,4 ve 1,8 kalınlığındaki boron çeliğine ek olarak 1,8 mm kalınlığındaki 440 Mpa malzeme ile kaynak denemeleri gerçekleştirilmiştir. (Şekil 8)
Önceki deneyimlerden, çekirdek çapı üzerindeki zaman, akım etkisi, kaynak süresi gözlenmiştir. Akım, zaman ve basınç değerleri referans alınan minimum çekirdek çapı için hesaplanarak seçildi. Sıcak şekillendirilmiş malzemeler çapak oluşumuna ve parlamaya meyilli olduğundan “Artan Akım (US)” parametresi kullanılarak çapak oluşumu önlenmesi hedeflendi. Literatür araştırmalarından da bilindiği üzere çapak azaltma için uygun bir yöntemdir.[kutusag=9284] 

Kaynak oluşumu sırasında yüksek ısı girdisine maruz kalan kaynak bölgesi, ani soğuma nedeniyle çatlak oluşumuna sebep olur. Yapılan literatür araştırmalarında yüksek mukavemetli çeliklerde çatlak oluşumunu önlemek için 15 ile 60 cycle arası tutma zamanının, kaynak soğuma sırasında oluşabilecek çatlak problemini önlediği görülmüştür. (Şekil 9) Çalışmalar referans alınarak yapılan denemelerde çatlak probleminin önüne geçmek için tutma zamanı yüksek tutulmuştur.


İlk parametre 440 Mpa çekme dayanımlı malzeme ile sıcak şekillendirilmiş malzeme arasında uygulanmıştır. (Numune B). Bu parametre kullanıldığında nominal çekirdek çapının altında ve üzerinde değerler elde edilmiştir. Ancak güvenli aralıkta değildir. Ultrasonik kontrolde çekirdeklerin kararsız olduğu gözlemlenmiştir. Malzeme yüzeyinde olan Zn-Fe kaplamasındaki pürüzlü yüzey ve farklı mikron kalınlığındaki kaplama oluşumu gözlenmektedir.
Yüksek basınç değerleri kullanılarak malzeme yüzeyinde oluşabilecek boşlukların ve buna bağlı olarak direnç kaybının önüne geçilmelidir. Bu nedenle şekil alabilirliği düşük olan yüksek mukavemetli malzemelerin kaynağında yüksek kuvvet değerleri uygulanmıştır. Uygulanan elektrot kuvveti arttırıldığında aynı kaynak akımı ve kaynak zamanı ile daha kararlı bir sonuç elde edilmiştir. Daha sonra kuvvetin artması ile birlikte Q = I 2 * R * t formülüne bağlı kalarak yükselen akım zamanı ve akım değeri arttırılarak toplam ısı girdisi arttırılmıştır. Çekirdek çapları nominal değerinin %40 üzerine çıkmıştır ancak tüm spotlarda 14 mm ile 38 mm arası çapak gözlemlenmiştir.
[kutusol=9285] Kaynak sırasında gözlem yapıldığında çapak oluşumunun ilk kaynak akımı verilmesi ile birlikte oluştuğu gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak artan akım uygulamasında belirli bir başlama değeri verilerek yüzeyde ilk akım ile birlikte oluşan çapakların azaltılması yöntemi denenmiştir. Tespit edilen optimum başlangıç akım uygulaması ile Zn-Fe kaplama yüzeyden kaldırılarak çapak boyutlarının küçüldüğü gözlemlenmiştir. Kaynak havuzunda da çapak yerine daha çok parlama gözlemlenmiştir. İlk akım ile yüzeyde bulunan Zn-Fe kaplaması ortadan kaldırılarak ikinci kaynağa uygun bir zemin hazırlanmaktadır. İkinci kaynağın uygulanması ile toplam ısı girdisi arttırılmış olup çekirdek çapı uygun değerlere çıkması sağlanmıştır.

İstenen çapaksız ve optimum çekirdek çapı ile kaynak oluşumu sağlanmıştır. Sonuç elde edilmiş olsada ısı girdi süresinin artmış olması yüksek kuvvet altında olduğu için kaynak havuzunun elektrot boşluklarından dışarı yığılma oluşmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle elektrot açılarının malzeme yüzeyine tam 90° olacak şekilde ayarlanması en az parametre ayarlaması kadar önemlidir.
Yapılan çalışma üzerine gönye ve paralellik kontrolü sağlayan elektrot ile kontroller tamamlanmıştır.[kutusag=9286] 

5. SONUÇLAR
Sıcak şekillendirilmiş malzemelerin direnç kaynağında farklı çekme dayanımına sahip malzemelerde, farklı kalınlıklarda güvenli parametre aralığı için kaynak denemeleri yapılmıştır. Yapılan deneyimlemede aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır;
1)  Soğuk şekillendirilmiş ve düşük mukavemetli malzemelerde kullanılan basınç değerleri, sıcak şekillendirilmiş boron çeliğinin kaynağında varyasyonlu sonuçlara yol açmaktadır. Pürüzlü yüzeyin öpüşmesi ve kaynak havuzunun stabil oluşabilmesi için nokta direnç kaynağında bilinen değerlerden daha yüksek kuvvet değerleri uygulanmalıdır.
2)  İlk akım değerinin yüksek tutulması ile Zn-Fe yüzey alaşımında çapak oluşumuna neden olmaktadır. Akım uygulandığı anda yüzeyde patlama gerçekleşerek uzun boyutlarda çapağa neden olur. Bu ilk akım değerinin düşürülmesi ve artan akım uygulaması ile düşük akımdan başlayarak Zn kaplamasının yüzeyden uzaklaştırılması gerektiği ortaya konulmuştur.
3)  Kaynak anı görsel olarak incelendiğinde düşük akım uygulaması ile yüzeyde gerçekleşen büyük patlamalar küçük kıvılcımlara dönüşmüştür. Çapak büyük oranda azalmıştır.
4)  Zn-Fe kaplaması yüksek basınç ve düşük akım ile yüzeyden kaldırıldıktan sonra ikinci bir akım ile istenen çekirdek çapı aralığına ulaşması sağlanmalıdır.
5)  Ayrıca soğuk şekillendirilmiş düşük çekme dayanımına sahip malzemelere göre spotta yığılma daha fazla gerçekleşmektedir. Bu nedenle kaynak açısı tam yüzeye dik olacak şekilde ayarlanmalıdır. Çapak problemini ve spot kalitesini doğrudan etkilemiştir.

[kutusol=9287] 6. KAYNAKLAR
[1]  Sani A. Salihu, Assessment of Advanced High Strength Steels used in Auto Industry – A Review(2016), p565-571
[2]  Poggio S., Ponte M., Gambaro C., Adamowski J., Resistance Spot Welding Of Advanced High Strenght Steel DP600.
[3]  Doruk, E., Pakdil, M., Çam, G., Durgun, İ., Kumru, U. C., 2016. “Otomotiv Sektöründe Direnç Nokta Kaynağı Uygulamaları,” Mühendis ve Makina, cilt 57, sayı 673, s. 48-53.
[4]  Study on Intermediate Frequency Spot Welding Process of Hot Stamping High Strength Steel
[5]  Görgülüarslan, R. M. Güler, M. A. 2015. “Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Sıcak Şekillendirme Tekniğinin İncelenmesi,” Mühendis ve Makina, cilt 56, sayı 660, s. 41-51.
[6]  Dengensha, Introduction Manuel For Maintenanceweld Control For Stationaly Spot Welder Nwc-900 Series
[7]  By Z. Han , J. E. Indacochea, C. H. Chen An D S. Bhat Weld Nugget Development And Integrity İn Resistance Spot Welding Of High-Strength Cold-Rolled Sheet Steels (1993) , P 209-216