Elektron ışın kaynağının farklı kaynak havuzu geometrilerindeki ısıl davranışlarının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, elektron ışın kaynağı süreçlerinde ortaya çıkan ısıl davranışların kapsamlı bir şekilde incelenmesi hedeflenmektedir. Özellikle, farklı kaynak havuzu geometrilerindeki ısıl davranışların sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesine odaklanılmaktadır. Bu tezde, elektron ışın kaynağı işlemi sırasında meydana gelen ısı transferi ve sıcaklık dağılımlarının ayrıntılı bir şekilde anlaşılması amaçlanmaktadır. Bu derinlemesine anlayışın, kaynak değişkenlerinin optimizasyonu ve kaynak kalitesinin güvence altına alınması açısından ne denli kritik olduğuna dikkat çekilmektedir. Ayrıca, doğru ısıl modelleme süreçlerinin metalurjik değişimleri, kalıntı gerilmeleri ve genel kaynak performansını tahmin etmede oynadığı vazgeçilmez rolün altı çizilmektedir. Çalışma, elektron ışın kaynağının teorik altyapısını detaylı bir şekilde ele alarak başlamaktadır. Elektron ışınının nasıl oluşturulduğu, hızlandırıldığı ve hassas bir şekilde odaklandığı, malzeme ile etkileşim mekanizmalarının neler olduğu gibi temel konular titizlikle incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının sunduğu yüksek nüfuziyet derinliği, dar ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) oluşumu, en az seviyede çarpılma ve geniş kaynaklanabilir malzeme çeşitliliği gibi hususlar detaylı bir şekilde açıklanmaktadır. Ancak, bu teknolojinin sunduğu faydaların yanı sıra; beraberinde getirdiği yüksek ilk yatırım maliyeti, karmaşık kurulum süreçleri ve potansiyel ışınım tehlikeleri gibi dezavantajlar da dikkatle ele alınmaktadır. Böylelikle, elektron ışın kaynağı teknolojisinin hem güçlü yönleri hem de olası zorlukları dengeli bir bakış açısıyla sunulmaya çalışılmaktadır. Çalışmanın ilerleyen bölümlerinde, elekton ışın kaynağının pratik uygulama alanlarına yoğunlaşılmaktadır. Kaynak kalitesini doğrudan etkileyen hızlandırma gerilimi, ışın akımı, odaklanma akımı, odak mesafesi, kaynak hızı ve vakum basıncı gibi çeşitli işlem değişkenlerinin etkileri titizlikle incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının metalurjik etkileri de etraflıca değerlendirilmektedir. Özellikle, kaynak birleşme bölgesi (BB) ve ısı tesiri altındaki bölge (ITAB) oluşumu ve bu bölgelerdeki mikroyapısal değişimler üzerinde durulmaktadır. Kaynaklı birleştirmelerin nihai özelliklerini anlamak ve kontrol etmek için bu bölgelerdeki ısıl geçmişi ve sıcaklık dağılımını doğru bir şekilde tahmin etmenin kritik önemi vurgulanmaktadır. Çalışmanın en önemli bölümlerinden biri, kaynak havuzunun simüle edilmek istenen karmaşık dinamiklerinin incelenmesine ayrılmıştır. Ergimiş metal üzerinde etkili olan temel kuvvetler detaylı bir şekilde ele alınmaktadır. Bu kuvvetler arasında; elektron ışını geri tepme basıncı, yüzey gerilimi ve ısıl-kılcallık etkisi (Marangoni taşınımı), hidrostatik basınç, kaldırma kuvveti ve elektromanyetik kuvvetler yer almaktadır. Her bir kuvvetin, kaynak havuzunun şekillenmesinde ve kararlılığının sağlanmasında oynadığı rol ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Ayrıca kısmi nüfuziyet, anahtar deliği ve kum saati geometrisi gibi farklı kaynak havuzu geometrilerinin oluşum mekanizmaları da incelenmektedir. Elektron ışın kaynağının ısıl davranışlarının modellenmesinde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi, diğer analitik ve sayısal yöntemlerle birlikte detaylı bir şekilde değerlendirilmektedir. Bu yöntemlerin temel prensipleri, matematiksel formülasyonları, avantajları, sınırlamaları ve kaynak işleminin modellenmesine uygunlukları gibi konular adım adım açıklanmaktadır. Bununla birlikte, kaynak simülasyonlarında yaygın olarak kullanılan çeşitli ısı kaynağı modelleri de incelenmektedir. Normal dağılımlı (Gauss) ısı kaynağı, çift-elipsoid (Goldak) ısı kaynağı ve hacimsel ısı kaynağı modelleri gibi farklı yaklaşımların avantajları ve dezavantajları karşılaştırılmaktadır. Bu inceleme, ısı kaynağı modeli seçiminin simülasyon sonuçlarının doğruluğunu önemli ölçüde etkileyebileceği gerçeğinin altını çizmektedir. Tezin esas odak noktası, elektron ışın kaynağı süreçlerinin modellenmesi için geliştirilen özel bir termal modelin sunulması ve doğrulanmasıdır. Bu model, bir sonlu elemanlar analizi yazılımı olan ANSYS Workbench platformunda geliştirilmiştir. Model, kaynak işlemi esnasındaki ısı transferi süreçlerini zamana bağlı olarak dikkate alan geçici hal ısı transferi süreçlerine dayanmaktadır. Model kurulumunun her aşaması (geometri oluşturma, malzeme özelliklerinin tanımlanması, çözüm ağı oluşturma, sınır koşullarının uygulanması ve ısı kaynağının modellenmesi gibi) adım adım açıklanmaktadır. Elektron ışınından kaynaklanan ısı girdisini temsil etmek amacıyla seçilen çift-konik ısı kaynağı modelinin seçiminin gerekçelendirmesi ve yapılandırma metodolojileri detaylı bir biçimde açıklanmıştır. Model değişkenleri, önceden yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen veriler kullanılarak hassas bir şekilde belirlenmiştir. Geliştirilen ısıl modelin doğrulanması da simülasyon sonuçlarının önceki çalışmalardan elde edilen deneysel verilerle karşılaştırılması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Özellikle; kısmi nüfuziyet, anahtar deliği ve kum saati geometrileri gibi farklı kaynak havuzu geometrileri üzerinde yoğunlaşılmıştır. Simülasyon sonuçları, başta birleşme bölgesinin şekli olmak üzere kaynak boyutlarının deneysel ölçümleriyle karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçları; geliştirilen ve yeniden yapılandırılan ısıl modelin, elektron ışın kaynağı süreci esnasındaki kaynak havuzu geometrisini ve sıcaklık dağılımını yüksek bir doğrulukla tahmin edebildiğini göstermektedir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen analiz sonuçları, geliştirilen modelin elektron ışın kaynağı süreçlerinin ısıl etkileri hakkında kapsamlı bir içgörü sunabildiğini ortaya koymaktadır. Elde edilen bulguların kaynak kalitesini ve verimliliğini artırmak, potansiyel hataları en aza indirmek ve süreç maliyetlerini düşürmek için elektron ışın kaynağı işlem değişkenlerini optimize etmekte kullanılabileceği ifade edilmektedir. Ayrıca, bu modelleme yaklaşımının maliyetli ve zorlu kaynak senaryolarının simüle edilmesi ve gerçek ortamlarda elde edilmesi zor olan deneysel verilere ulaşılması için de kullanılabileceği belirtilmektedir. Çalışma, mevcut modelin sınırlamalarını vurgulayarak ve gelecekteki araştırma alanlarına yönelik öneriler sunarak sonuçlanmaktadır. Akış dinamikleri, metalurjik dönüşümler ve termomekanik etkileşimler gibi daha karmaşık fiziksel olguların dahil edilmesiyle modelin daha da geliştirilebileceği ifade edilmektedir. Modeli daha da iyileştirmek ve doğruluğunu teyit etmek için sağlam ve kapsamlı veri toplama sistemlerinin geliştirilmesinin önemi vurgulanmaktadır. Özetle; bu çalışma, elektron ışın kaynağı süreçlerinin sayısal olarak modellenmesine kapsamlı bir yaklaşım sunmaktadır. Geliştirilen model, kaynak değişkenlerinin optimizasyonunda, süreç kontrolünde ve daha iyi malzeme özelliklerine sahip birleştirmelerin elde edilmesinde değerli bir araç olarak hizmet edebilir. Bu tez, elektron ışın kaynağı ve benzeri yüksek enerji yoğunluğuna sahip kaynak süreçlerinde daha detaylı araştırmalar yapılabilmesi için bir temel teşkil etmekte ve gelecek araştırmalar için bazı önemli noktaların altını çizmektedir.