MAG kaynak yöntemi ile birleştirilen bir zırh sacının mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Zırh çelikleri ana muharebe tankları, zırhlı personel taşıyıcılar gibi araçlarda ilave zırh ve yapısal zırh olarak kullanılmaktadır. Bu çelikler kontrollü ısıtma, haddeleme, ısıl işlem prosesleri uygulanarak istenen özelliklerde (işlenebilirlik, süneklik, sertlik, tokluk vb.) üretilir. Böylece yüksek deformasyon kapasitesi ve darbe direnci sayesinde balistik koruma özelliğine sahip olurlar. Zırh çelikleri genellikle sertlik değerine göre sınıflandırılır. Zırh çeliği sınıflarına örnek olarak ultra yüksek sertlikte, çok yüksek sertlikte, yüksek sertlikte, orta sertlikte ve haddelenmiş homojen yapıda çelikler verilebilir. Zırh çeliklerine delme, frezeleme, testere ile kesme ve su jeti ile kesme mekanik operasyonları uygulanabilir. Lazerle kesme, delme, pahlama operasyonlarının yanında oksijenle kesme işlemi de zırh çeliklerinde kullanılan termal operasyonlara örnektir. Zırh çelikleri korumalı metal ark kaynağı, özlü ark kaynağı, gaz tungsten ark kaynağı, gaz metal ark kaynağı, elektron ışın kaynağı gibi yöntemler kullanılarak kaynaklanabilirler. Zırh çeliklerinin yüksek karbon içeriği istenilen sertlik özelliklerini sağlarken kaynaklanabilirliği olumsuz yönde etkiler. Gaz metal ark kaynağı, korumalı metal ark kaynağı gibi kaynak yöntemleri ve östenitik paslanmaz çelik, düşük hidrojen ferritik çelik, dubleks paslanmaz çelik gibi dolgu malzemeleri (elektrotlar) ile daha başarılı kaynak yapılabilme imkanı vardır. Kaynak sonrası tahribatsız ve tahribatlı muayeneler yapılarak kaynak kalitesinin standartlara ve müşteri taleplerine uygunluğu kontrol edilir. TS EN ISO 15614-1 standardında belirtildiği gibi görsel muayene, sıvı penetrant testi, radyografik muayene, manyetik parçacıkla muayene ve ultrasonik muayene tahribatsız muayenelere örnek verilebilir. Bağlantı geometrisine bağlı olarak kullanılabilecek tahribatlı muayene yöntemleri ise enine çekme testi, eğme testi, makro değerlendirme, darbe testi ve sertlik testidir. Bu çalışmada ana muharebe tankları, zırhlı personel taşıyıcılar gibi araçlarda kullanılan şok ve patlama dalgalarına karşı maksimum direnç sunan, nispeten düşük sertlikte, yüksek tokluğa sahip homojen haddelenmiş zırh çeliğinin kaynak özellikleri incelenmiştir. Çalışmada kaynak uygulanmış zırh çeliği plakalarında kaynak bölgesinin yapısal ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Deneysel çalışmalar için 25,9 mm kalınlığındaki homojen haddelenmiş zırh çeliği sacı lazer tezgahında 200 mm genişliğinde 600 mm uzunluğunda plakalar haline getirilmiştir. Bu plakaların kaynak ağzı açılacak olan lazerle kesilmiş kenarları penetrant testi ile kontrol edilmiş ve kusur tespit edilen bölgeler taş ile temizlenmiştir. Bu işlem sonrası CNC tezgahında X formunda kaynak ağzı açılmıştır. Kaynak ağzı, kaynak dikişi sacın hadde yönüne paralel olacak şekilde açılmıştır. Kaynak otomatik kaynak makinesi kullanılarak gaz metal ark kaynağı yöntemlerinden olan MAG kaynak yöntemi ile % 5 CO2, %5 O, % 90 Ar karışım gaz ortamında yapılmıştır. Plakalar, X kaynak ağzının alt tarafı 4 paso üst tarafı 4 paso olmak üzere toplam 8 pasoda kaynaklanmıştır. Bir yüzeyin kaynağı 4 paso ile tamamlandıktan sonra diğer yüzeye başlanmadan önce kök bölgesi penetrant testi ile kontrol edilmiştir. Kaynak işleminde östenitik paslanmaz çelik elektrot kullanılmıştır. Kaynak işlemi kaynak ağzına ön ısıtma uygulamadan ve ön ısıtma uygulayarak (doğrudan kaynak ve ön ısıtma sonrası kaynak olarak adlandırılmıştır) gerçekleştirilmiştir. Ön ısıtma işlemi üfleç ile gerçekleştirilmiş ve ön ısıtma sıcaklığı 200 °C civarında tutulmuştur. Ön ısıtma uygulanmış yüzeyin kaynağı 4 paso ile tamamlandıktan sonra diğer yüzeyde de 200 °C sıcaklık hedeflenerek ön ısıtma işlemi yapılmıştır. Kaynak işlemi sonrasında kaynak bölgesine tahribatsız muayene yöntemleri uygulanmıştır. Bu kapsamda görsel muayene TS EN ISO 17637 standardına uygun olarak yapılmıştır. Penetrant testi EN 3452-1 standardına uygun olarak Tip II C metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Radyografik muayene ise TS EN ISO 17636-1 standardına göre X-Ray metodu kullanılarak yapılmıştır. Kaynaklarda tahribatsız muayeneler EN 5817 standardı B kalite seviyesine göre değerlendirilmiş ve bu çalışma kapsamında yapılan kaynaklarda herhangi bir hata veya süreksizliğe rastlanmamıştır. Kaynaklı plakalar su jeti mekanik operasyonu ile ISO 15614-1:2017 standardına göre sertlik, yorulma, çekme, eğme, çentik ve mikroyapı numuneleri hazırlamak üzere kesilmiştir. Mikroyapı numuneleri standart metalografik yöntemlere göre hazırlandıktan sonra mikroskobik incelemeler için dağlanmıştır. Dağlama işleminde zırh sacı için %3 Nital çözeltisi, östenitik paslanmaz çelik elektrot için ise V2A çözeltisi kullanılmıştır. Sertlik ölçümleri zımparalanıp dağlanan numunelerin kaynak bölgesinin üst, orta ve alt bölgelerinde ana metali, ısı tesiri altındaki bölgeyi ve kaynak dikişini kapsayacak şekilde 10 kg yük ile Vickers sertlik yöntemine göre yapılmıştır. Çekme testi numuneleri TS EN ISO 4136:2022 standardına göre, eğme testi numuneleri TS EN ISO 5173 standardına göre, çentik darbe testi numuneleri TS EN ISO 148-1 standardına göre hazırlanmıştır. Yapısal ve mekanik incelemelerde elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. Çalışmaya konu olan çelik temperlenmiş martenzitik mikroyapıya sahip olup ön ısıtma işlemi martenzitik mikroyapıda kayda değer bir değişikliğe neden olmamıştır. Hem doğrudan kaynaklı hem de ön ısıtma sonrası kaynaklanan numunede maksimum sertlik değeri ITAB bölgesinden elde edilmiştir. Ön ısıtma işlemininin ana metal, ITAB ve kaynak dikişi bölgelerindeki sertlik değerlerine belirgin bir etkisi olmamıştır. Çekme testi kaynaksız, doğrudan kaynaklı ve ön ısıtma sonrası kaynaklanan numunelere yapılmıştır. Doğrudan kaynaklı ve ön ısıtmalı numunelerde yapılan çekme testleri sonucunda kopma kaynak dikişinden gerçekleşmiştir. Test sonucuna göre kaynaksız zırh çeliği akma mukavemetinin (838 MPa) kaynaklı numunede 550 ve 553 MPa'a, ön ısıtmalı numunede ise 548 ve 551 MPa'a düştüğü tespit edilirken; çekme mukavemetinin (928 MPa ) ise kaynaklı numunede 814 ve 764 MPa'a, ön ısıtmalı numunede 779 ve 791 MPa'a düştüğü tespit edilmiştir. Doğrudan kaynaklı ve ön ısıtma sonrası kaynaklanan numuneler eğme testine tabi tutulmuştur. Kaynaklı numunelerin 2 adedinde, ön ısıtmalı numunelerin 1 adedinde kaynak dikişinde kırılma gerçekleşmiştir. Kaynak dikişinde V tipi çentik oluşturularak hazırlanan numuneler oda sıcaklığında çentik darbe testine tabi tutulmuştur. Test sonucuna göre absorbe edilen darbe enerjisi kaynaklı numunede 108, 110 ve 106 J iken ön ısıtmalı numunede ise 117, 117 ve 113 J olarak ölçülmüştür. Dönel eğmeli yorulma cihazında 450 MPa gerilme genliği (R= -1) altında ve 30 Hz frekansta yapılan yorulma deneyinde kaynaklı numuneler 5,6x〖10〗^4 ve 6,2x〖10〗^4çevrim sayılarında ön ısıtmalı numuneler ise 13,3x〖10〗^4 ve 64,4x〖10〗^4 çevrim sayılarında kırılmıştır. Kırılmalar kaynak dikişinde gerçekleşmiş olmasına rağmen uygulanan ön ısıtma işlemi yorulma ömründe kayda değer bir artış sağlamıştır. Sonuç olarak; Zırh çeliğine uygulanan kaynak işlemi öncesinde yapılan 200 °C'lik ön ısıtmanın ön ısıtma uygulanmayan koşula göre sertlik ve mukavemeti değiştirmediği ancak yorulma ömründe kayda değer bir artış sağladığı belirlenmiştir.