Ostenitik paslanmaz çeliklerin örtülü elektrodla ark kaynağında parametrelerin bilgisayarla tesbiti

Abstract

19'uncu yüzyılın son çeğreğinde başlayan hızlı atılım sonucunda kaynaklı imalatın yöntemler ve konstrüktif şekillendirme açısından ortaya koyduğu çeşitlilik ve olanak genişliği kaynaklı imalatın tercih edilmesine neden olmuştur. Kaynaklı imalatın yaygınlaşması ve giderek üretim süreci ve toplam üretim maliyetinin içindeki payının artmasıyla fiat kalite ilişkisi en iyi kaynaklı imalatın yapılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Bunun için, işlem parametrelerinin uygun seçilmeli ve imalat sırasında herhangi bir karışıklığa ve yanlışlığa neden olmayacak şekilde düzenlenmesi yani kaynak planlarının oluşturulması gereklidir. Bu tez çalışması için seçilen malzeme grubu olan paslanmaz çelikler mekanik özellikleri açısından diğer çelik türleri ile aralarında çok büyük bir fark olmamasına karşın, sahip oldukları paslanmazlık ve korozyona karşı dayanıklılık özellikleri nedeniyle endüstride oldukça yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Paslanmaz çeliklerin kullanıldığı alanlarda bunların kaynaklı imalat teknikleri ile birleştirildiğini görmekteyiz. Paslanmaz çelikler kaynağı diğer çelik çeşitlerine göre daha değişik zorluklar gösterir. Paslanmaz çeliklerin iç yapılan içerdikleri alaşım elemanlarından oldukça yakından etkilenirler. Paslanmaz çelikler yapısındaki alaşım elemanlarının miktarlarına göre başlıca üç değişik iç yapıda bulunun Martenzitik, ferritik ve ostenitik. Günümüzde sanayide en çok kullanılan paslanmaz çelik türü ostenitik olanlardır. Bu nedenledir ki bu çalışmada ostenitik paslanmaz çelikler malzeme grubu olarak seçilmiştir. Ayrıca ostenitik paslanmaz çelikler birleştirme kaynağı uygulamalarında kaynağa elverişliliği en yüksek olan paslanmaz çelik türüdür. Bu çalışma da öncelikle ostenitik paslanmaz çelikler içinde uygulamada en çok kaynak yapılanlar tespit edilmiştir, pikemizde endüstride uygulamada malzeme standartları konusunda tam bir birlik sağlanamamaktadır. Bu nedenle oluşturulacak yazılım için ostenitik paslanmaz çeliklere ait Alman ve Amerikan Standartları esas alınmış ve kullanılmıştır. Bugün ülkemizde sanayide çeşitli kaynak yöntemleri arasında en çok uygulananı örtülü elektrod ile elektrik ark kaynağıdır. Elektrik ark kaynağı örtülü elektrodlar kullanılarak 1904 yılından beri uygulanılan bir yöntemdir. İlk kez İsveçli Oscar Kjellberg tarafından geliştirilmiştir. Örtülü elektrod ile elektrik ark kaynağında üzeri çeşitli yararlar sağlamak amacıyla çeşitli karakterdeki örtü maddeleriyle kaplanan bir kaynak teli ile kaynakla birleştirilecek iki parça arasında bir ark oluşturulur. Bu arkın VI sağladığı yüksek sıcaklık sonucunda gerek kaynak teli ve gerekse kaynak yapılan metal erir ve bir metal banyosu oluştururlar. Daha sonra bu metal banyosu (eğer kendi haline bırakılırsa) hızlı biçimde soğuyarak katılaşır. Bu arada kaynak yapılan ve eriyen bölge olarak adlandırılan bölgeden esas metal olarak adlandırılan kaynakla birleştirilen malzemeye doğru çeşitli soğuma hızları elde edilir. Bu değişik soğuma hızları çok çeşitli iç yapı oluşumlarına sebep olur. Bu ise yapının mekanik özelliklerini yakından etkiler. Bir kaynaklı imalat esnasında karşımıza çıkan parametrelerin sayısı oldukça fazladır ve bunların bir çoğunun seçimi sırasında diğer parametrelerin de dikkate alınması gereklidir Başlıca kaynak parametreleri olarak karşımıza kaynakla birleştirilecek malzemenin yani, esas malzemenin cinsi, kullanılacak kaynak yöntemi ve parça kalınlığıdır. Bunlar göz önüne alınarak ilave metalin, kullanılacak kaynak akımının tür ve şiddetinin, kaynak hızının, kaynak ağız şeklinin ve formunun ve paso sayısının tespiti yapılır. Kaynak parametrelerin tespiti zor ve zaman alıcı bir uğraştır. Kaynak parametrelerinin seçimi her bir malzeme, kaynak yöntemi, parça kalınlığı dolayısıyla ağız formu ve birleştirme şekli için daha önceden gerek teorik gerekse uygulamada elde edilen esaslar dahilinde yapılır ve bunlar uygun bir bilgisayar programla dili yardımıyla düzenlenirse hem doğru parametreler seçilmiş, hem de özellikle imalattan önce en zamanı alan süreç kısaltılmış olur. Bu çalışmada özellikle ülkemiz ekonomisinin önemli bir bölümünü oluşturan tarım endüstrisinin ürünlerinin işlendiği gıda sektörü ve ülkemizde son yıllarda gelişmekte olan kimya endüstrisi başta olmak üzere pek çok yerde uygulama imkanı bulan ostenitik paslanmaz çeliklerin örtülü elektrodla elektrik ark kaynağı yöntemi ile geçekleştirilen alın birleştirmeleri için yukarıda anlatılana benzer bir yazılım oluşturulmaya çalışılmıştır.

In this thesis, the main objective is determining the welding parameters of electric arc welding of austenitic stainless steels' butt joints by covered electrodes. One of the major design problem throughout the technological development is to joint the construction materials to each other. Welding and brazing are one of the oldest solutions of this problem. According to the archeological researches, the history of brazing goes up to BC3000's and welding BC1400's. Some brazing joints has been found at some metal works remaining from ancient Egypt. Joinning methods took their part from the accelerating technological development of the industrial revolution. A result of very quick development which is observed last quarter of 19th century, manufacturing by welding was got to be preferred because of variety of welding processes and constructive formabilities. The first examples and applications of electric arc welding were seen at the end of the last century and at the beginning of this century. Development of welding with covered electrode has started a progressive period which contains two World Wars and the latest thirty years. Nowadays, 66 percent of the industry which processed metals use welding processes as a joining method or main manufacturing method. In addition, after the Industrial Revolution, it is seen that a lot of people who do same manufacturing so, in welding manufacturing. Because of this increase of manufactories, they had to be careful on balancing the price and quality. If you want to have maximum gain with minimum cost, price and maximum quality and demand, you had to determine their own process* parameters for each process. Recently, researches on welding technology have two directions: Inventing new methods and rising the quality of present methods. In welding, there are lots of parameters. So, there is more complex problem in welding than the other manufacturing processes. To prevent misdetermination of parameters and probable mixtures during the production of welded structures Welding Procedures Specifications were started to use by the big companies which process metais by welding. Misdetermination of welding parameters cause a lot of problems. For that reasons, by using knowledge which was gained with experiments and during manufacturing, VIII the most suitable parameters have to be chosen. Sometimes, achieving this parameter is done very hard and took very long time. If these suitable parameters of welding for each material, welding method, joint style and etc. we are keen on are determined for once very strictly in advance and they are reorganized and written as a computer programme, it will be very easy and quick to prepare welding procedures. Welding is the jointing of metallic or non-metallic materials, by the partial act of heat and / or pressure resulting with melting or not. Welding can be classified according to these factors: According to the objectives, joining and fillet; according to the type of operation pressure and melting and etc. Generally for electric arc welding of materials, welded joints can be separated into two main zones: Melted zone and heat effected zone. The interior structure and the chemical composition of these zones are related to the method, operating and the material. Melted zone is the part of the welded joint where the weld metal and base metal are heated up to their melting temperature and mixed each other. The heat released by the cooling melted zone rises the temperature of the neighbor base metal. Rising temperature at this zone is sufficient enough to metallurgical transform of the material. This part of the base metal is called the heat effected zone. Another very important concept is weldability. There is not a clear definition for weldability. Generally, weldability can be defined as : The adequacy to reach the goals of the design. Weldability is affected by: -Material: chemical composition, metallurgical properties, physical properties. -Safety of welded joints:constructive form, stressing conditions. -Possibility of welding: preparation to welding, procedure, postweld treatment. To maintain the goals of welding; construction, manufacturing and management engineers should work in coordination. Responsibilities of each engineering level constitute a set of strict rules which is called welding schedule. Welding schedules are tables of operating parameters that will provide high-quality welds under normal conditions. IX In a welding schedule, all of the parameters of welding can be found. In this study, as a welding method, electric arc welding with covered electrode is considered. This method is a sub method of shielded metal arc welding(SMAW). SMAW, commonly called stick, or covered electrode, welding, is a manual welding process whereby an arc is generated between a flux- covered consumable electrode and the work-piece. The process uses the decomposition of the flux covering to generate a shielding gas and to provide fluxing elements to protect the molten weld-metal droplets and the weld pool. The arc is initiated by momentarily touching or scratching the electrode on the base metal. The resulting arc melts both the base metal and the tip of the welding electrode. The molten electrode metal/flux is transferred across the arc(by arc forces) to the base-metal pool, where it becomes the weld deposit covered by the protective, less-dense slag from the electrode covering. The SMAW process is the most widely used one among the welding processes, it is the simplest, in terms of equipment requirements. The equipment investment is relatively small, and welding electrodes (except the very reactive metals, such as titanium, magnesium, and others) are available for virtually all manufacturing, construction, or maintenance applications. Shielded metal arc welding has the greatest flexibility of all the welding processes, because it can be used in all positions, virtually all base-metal thicknesses and in areas of limited accessibility, which is a very important capability. The process requires sufficient electric current to melt both the electrode and a proper amount of base-metal. It also requires an appropriate gap between the tip of the electrode and the base-metal or the molten weld pool. The sizes and the types of electrodes for SMAW define the arc voltage requirements and the amperage requirements. The current may be either direct or alternating but the power must be able to control the level of current within reasonable range in order to respond to the complex variables of the welding process itself. In addition to establishing the arc and supplying filler metal for the weld deposit, the electrode introduces other or around the arc or both. The electrodes used in the SMAW process have many different compositions of core wire and a wide variety of flux-covering types and weights. The coating on the electrode has numerous functions. It provides; gas from the decomposition of certain coating ingredients to shield the arc and weld zone from the atmosphere. Deoxiders, for scanveging and purifying the deposited weld metal. Slag formers to protect the deposited weld metal from atmospheric oxidation and to help shape the weld bead. Ionizing elements, to make the arc more stable and to operate with alternating current. Alloying elements, to provide special characteristics to the weld deposits. Iron powder, in certain electrodes, to increase productivity for welding ferrous metals. Either alternating current or direct current may be employed for the shielded metal arc welding, if appropriately designed electrodes and power sources are used. The specific type of current employed will influence the performance of every covered electrodes. The figure below shows typical volt-ampere output characteristics for both AC and DC power sources. It is difficult o > 100 80 V\\ ;^: Constant voltage performance Constant current performance \ \ N N \ \ 60 *S^ N 4& \ \ \ V \ \ \ \ \ \ -V \ \ \ \ \ \ V -\H-A - rV^T V \ \ 0 100 200 300 400 500 600 Current, A Figure. 1: Typical volt-ampere curves for constant current and constant voltage power sources. for a welder to hold an absolutely constant arc length with SMAW. For this reason, constant voltage power sources are not suitable for this process. Because of their flat volt-ampere curve, even a small change in arc length produces a relatively large change in amperage. A constant current power source, on the other hand, produces only a small change in amperage with a change in arc length. Because of this, a constant current power source is preferred for manual welding constant current power permits maximum XI welding speed and highest quality welds for applications that involve large diameter electrodes high welding currents. Several factors need to be considered when a power source for SMAW is selected. The primary factors are type of welding current required, the amperage range required, the primary power source available at the work station and the position in which welding will be done. Selection of the type of current will be based largely on the types of electrodes to be used and the kind of welds to be made As knowing very commonly, stainless steels are resisting to rust and corrosion by the way of their alloying element (minimum amount of )%12 Cr. However, different kind of alloying elements are added steels. Most of all other alloying elements Ni is added to steel. Stainless steels can be divided five base group: -Chromium Martensitiç -Chromium Ferritic -Austenitic -Precipitation-hardening -Duplex. The relatively high coefficient of thermal expansion and the low thermal conductivity. For that reason, it is recommended to weld less electrode diameter and weld current. For same reason again, it is recommended to select these weld grooves for these plate thickness for austenitic type stainless steels; I groove for plate thickness is between 0-3mm normal V groove for plate thickness is between 3-13 mm normal X groove for plate thickness is between 13-25 mm The thicker plates than 25mm, stainless steels are not welded economically. For the first weld seam, basic type covered electrod is used at positive pole in DC. For other seam, rutile type covered electrode is used at positive pole in DC. Welding velocity is given by the results of experiments according to plate thickness. After every seam, because of preventing some undesireable metallurgical transformations products(chromcarbide precipitation, sigma phase development) weld seam is has to be cooled very rapidly. In computer program, as input datas, base metal in both DIN and AlSt form and plate thickness is given. Then programme give us the other parameters as table.