Kaynak bölgesindeki sıcaklık dağılım ve değişimine ısıl özeliklerin, gizli ergime ısısının ve elektrod çapının etkisi

Abstract

Cağımızda uzaydaki uydulardan, maden ocaklarında çalışan makinalardan, denizlerin altında seyreden denizaltılara kadar, her cins makina ve teçhizatın imalatında, büyük ölçüde kaynak tın yararlanılmaktadır. Yüksek derecede zorlamalara maruz kalan bu kaynaklı bağlantaların kalitesi sadece tatbik- edilen kaynak usulüne ve kullanılan kaynak metalinin özeliklerine bağlı değildir. ' Kaynak usullerinin büyük bir kısmında birleştirilecek olan metalsel parçalar yerel olarak ergime sıcaklığı üzerinde bir.Sıcaklığa kadar hızla ısıtılmakta ve sonra soğumaya terk edilmektedir. Kaynatılan malzemenin özeliklerine, ebatlarına ve ortam şartla- i arına bağlı olarak kaynak- bölgesi oldukça şiddetli bir şekilde soğumaktadır. Günümüz endüstrisinde kullanılan çeşitli alaşımların cazip mekanik özeliklerinin büyük bir kısmı eldeleri esnasında uygulanan ısıl işlemlerden kaynaklanmaktadır. Kaynak işlemi esnasında uygulanan ısıl çevrim, bu şekilde elde edilmiş özeliklerin büyük bir.kısmının' yok olmasına sebep olmaktadır. Ayrıca, çağımızda 'makina ve teçhizat imalatında metalsel malzemelerin ağırlık olarak % '98 i demir esaslıdır. 'Kaynak işleminin, metalsel malzemeye yerel olarak takbik ettiği ısıl çevrim, allotropik özeliğe sahip demir esaslı malzemelerde, kaynak bölgesinde faz - dönüşümlerine sebep olmakta ve bu da, bağlantının mekanik özeliklerini büyük ölçüde etkilemektedir., Kaynak işlemi esnasında meydana gelen metalurjik olaylar ve bunun neticesinde ortaya çıkan yapının mekanik özeliklerini IV - önceden tahmin edebilmek için, kaynak bölgesinde sıcaklık dağılım ve değişimin bilinmesi gerekmektedir. Zira, ancak bu şekilde kaynağın tatbik ettiği ısıl çevrimi gereken şekilde ayarlayarak, kaynak bölgesinde malzemenin özelikleri, sıcaklığın tahripkar etkisinden korunabilir. Literatür araştırmasından şimdiye kadar, kaynak yapılan ince levhalarda sıcaklık dağılımı için kullanılan denklemler gizli ergime ısısının etkisi ihmal edilerek, malzemenin ısıl özelikleri sabit ve kaynak ısı enerjisinin bir noktadan tatbik edildiği kabul edilerek geliştirilmiştir. Bu çalışmada, kaynak edilen malzemenin ısıl özelikleri ile ışınım ve taşınımla oluşan ısı kayıpları sıcaklığın fonksiyonu olarak hesaplara dahil edilmiş ve kaynak ısı enerjisinin bir noktadan değil, elektrodun kesit alanı kadar bir bölgeden tatbik edildiği dikkate alınarak, kaynak bölgesinde sıcaklık dağılımının analizine imkan veren bir nümerik model geliştirilmiştir. Geliştirilen teorik model yardımıyla, az- karbonlu çelikten yapılmış ince levhalar için hesaplanan sıcaklık değerleriyle literatür de mevcut deney sonuçları karşılaştırılmış ve bunlarla iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Demir esaslı malzemelerde, soğuma esnasında ortaya çıkan metalurjik dönüşümlere ve neticede elde edilen iç yapıya en büyük etken soğuma hızıdır. Soğuma hızı veya seçilmiş iki sıcaklık derecesi arasındaki soğuma süresini geliştirilmiş olan nümerik çözüm modeli yardımıyla hesaplamak pratik olmadığından, az karbonlu çelik için bulunan sıcaklık dağılımı sonuçlarına en küçük ka- VI reler ve deneme-yanılma metodları uygulanarak soğuma bölgesinin 300 °C. -, 1200 °C arasında sıcaklık dağılımını veren denklem elde edilmiştir. Elle yapılan kaynak şartlarında, nümerik çözümle denklem arasındaki ortalama mutlak fark % 6 dan daha az olmakta dır. Soğuma hızını veren denklem, sıcaklık dağılımı denkleminin zamana göre türevidir. Fakat türev soğuma hızına göre non-lineer olduğundan, bunun da nümerik çözümü yapılmış, bulunan neticelere en küçük kareler metodu uygulanarak, iyi bir yaklaşımla yeni bir soğuma hızı denklemi geliştirilmiş ve geliştirilen soğuma hızı denkleminden 800 °C - 500°C sıcaklıklar arasında soğuma süresini veren ifade elde edilmiştir. Bu denklemlerin sonuçları analitik denklemlerle karşılaştırılmıştır. Analitik ifadelerde ısıl özelikler sabit alındığından, kaynak ısı enerjisine ve levha kalınlığına bağlı olarak soğuma hızı ve soğuma süresi hızla değişmektedir. Oysa, levhadan çevreye olan ısı kayıpları ve ısıl Özelikler sıcaklığın fonksiyonu olduğundan hızla değişmeyecektir. Bu çalışmada, az karbonlu çelikten yapılmış ince levhalar için elle yapılan elektrik ark kaynağında kullanılmak üzere geliştirilmiş olan, soğuma hızı denklemi taşınımla ve ışınımla olu şan ısı kayıplarının sıcaklığa bağımlılığını, elektrod çapının ve gizli ergime ısısının etkilerini içeren nümerik modelden hareket edildiğinden,, olaya daha uygun yaklaşım göstermektedir. Bu çalışmada teklif edilen bağıntıların bütün metalsel malzemelere tatbik edilebilmesi için, malzemenin ısıl özeliklerinin sıcaklık la değişimlerinin bilinmesi gereklidir.

In welding, generally, metallic materials, are heated to approximately the melting temperature and then, following the welding operation, they are cooled in a short time depend ing on the size of the material, the applied energy (Welding energy) and the surrounding temperature. Heating to a high temperature and fast cooling causes internal stresses within the material resulting in an increase of the grain size in the weld inn region, diffusions and phase transformations in the solid state. Solid state phase transformations in pure iron which has allotropic properties happen at a constant temperature. But in iron alloys (steel) this happens in a temperature internal. if steel is heated to a high temperature and then cooled slowly under control the structure of material will be the same as tne initial materail apart from an increase of the grain size. However, when the cooling rate is high, de pending on the ratio of carbon in steel, a very hard and cracky structure, called martensitic may occur. Depending on welding conditions the region which is heated may due to such an effect, form a martensitic structure. Today's industry uses equipments working under high pressures and high temperatures in corrosive environments. One of the most important problems of today^s industry is to weld special steel products resitant to different types of stresses of large magnitudes. Heat applied to the materials during the welding pro cess, may cause considerable changes in the mechanical pro- VII VIII perties of the materials. Therefore, to meet certain speci fications at the welded joints the increase of the grain size, the diffusion reactions and metallurgical structural changes should be taken under control. Since all of the above effects are related to the heating process applied, knowing the tempe rature distribution in the welding region beforehand, enables one to estimate the effects of heating and thus, necessary preventive measures can be taken. Heat transfer operation in welding is rather different from the heat transfer operations in the industry. Here the rate of heat transfer to the material is high and takes place in a very short time. Therefore, the maximum temperature at tained and the coqling rate during the welding operation are very important. Cooling rate can be determined by differen tiating the equation giving the temperature distribution in the welding region. / It is difficult to write an analytical equation rep resenting the temperature distribution in the welding region since the parameters such as, the physical properties of the materials concorned, the latent heat of fusion, the effect of convection and radiation from the plate must be taken into account. However, Rosenthal [5] was able to find an analyti cal solution for the temperature distribution by assuming: physical properties of the material to be independent of tem perature, a point heat source with a constant speed V and a constant stre'nght, and constant radiative and cpnvective he at losses to the surroundings. This equation is: ?