Kalın Alüminyum Kaynağında Deformasyon Kontrolü

Havacılık, gemi inşası, demiryolu taşımacılığı, özel araçlar ve büyük ekipmanlar, giderek artan bir şekilde yüksek mukavemet, uzun ömür ve korozyon direncine sahip hafif yapılar gerektirmektedir. Alüminyum alaşımları, yüksek mukavemet, düşük ağırlık, iyi süneklik ve iyi korozyon direncini bir araya getirdikleri için önemli yapısal malzemelerdir.

ABD’de yüksek mukavemetli alüminyum üzerine araştırmalar 1940’larda başladı. 1956 yılında, gerilmeyle sertleştirilmiş 5083 Al-Mg-Mn levha deneme amaçlı olarak üretildi. Bazı yüksek mukavemetli uygulamalarda genel performansı sınırlı olduğu için, 1960'ların başında ısıl işleme tabi tutulabilen 7039 Al-Zn-Mg alaşımı geliştirildi. Ancak, gerilme korozyonu çatlamasına karşı yüksek duyarlılığı nedeniyle, uzun süreli deniz suyu veya tuz püskürtmesine maruz kalması uygun değildi. 1980'lerde, Amerika Birleşik Devletleri, eski Sovyetler Birliği ve diğer ülkeler yeni nesil yüksek mukavemetli alaşımlar geliştirdiler. ABD tarafından geliştirilen 2519-T87 Al-Cu alaşımı, yüksek mukavemet, dengeli mekanik özellikler, gerilme korozyonuna direnç ve kaynaklanabilirlik sunar.

Yeni nesil yüksek mukavemetli alaşımlar, özellikle Al-Cu 2xxx alaşımları, zorlu ortamlardaki büyük yapılar için daha yüksek yapısal mukavemet ve gelişmiş gerilme korozyon direnci sağlar. Kaynak işlemi, hâlâ birleşim yerlerinde yumuşamaya ve düşük bir birleşim mukavemet katsayısına neden olmaktadır. Büyük hassas yapılar ayrıca, kaynak bükülmesinin geleneksel kaynakla oluşan bükülmenin üçte birinden az tutulmasını gerektirir.

Ürün ve Süreçle İlgili Zorluklar

Başlıca zorluklar arasında ciddi derecedeki eklem yumuşaması ve düşük mukavemet katsayısı; erime noktası 2.060 °C olan Al₂O₃’ten oluşan bir refrakter yüzey tabakası; kalın ve yüksek mukavemetli malzemenin gerektirdiği yüksek enerji girdisi; sıcak çatlaklara ve gözeneklere yatkınlık; ayrıca yüksek ısı iletkenliği ve büyük doğrusal genleşme katsayısının neden olduğu şekil bozulması sayılabilir. Deformasyon, kalınlık 20 mm’yi aştığında kontrol edilmesi özellikle zorlaşır; bu nedenle alınacak önlemlerin teknik açıdan sağlam ve atölye üretimi için pratik olması gerekir.

Distorsiyon Kontrol Önlemleri

1. Kaynak Yöntemini Seçin

Kalın alüminyum levha ısıyı hızla iletir ve yüksek güç yoğunluğuna sahip bir işlemi elverişli hale getirir. Tek telli ve çift telli MIG, elektron ışını kaynağı, sürtünmeli karıştırma kaynağı ve lazer-MIG hibrit kaynağı üzerinde yapılan testler sonucunda, üretim süreci olarak çift telli kaynak seçilmiştir.

Tek telli MIG kaynağında düşük frekanslı bileşik darbeler kullanılmıştır. Kaynak havuzundaki titreşim, karıştırmayı yoğunlaştırmış, katılaşma sırasında heterojen çekirdeklenmeyi desteklemiş, kaynak yapısını inceltmiş ve elektromanyetik karıştırma yoluyla mukavemet ile sünekliliği artırmıştır. Kaynak birleşimi, çekme mukavemeti hedefini karşılamış veya aşmıştır. Yapılan testler, ilerleme hızı, akım ve düşük frekanslı modülasyon darbesi arasında uygun bir kombinasyon olduğunu ortaya koymuştur.

Yüksek hızlı çift telli kaynak, yüksek mukavemetli bir birleşim yeri oluşturdu. Yüksek akımlı iki geçişli ve düşük akımlı dört geçişli çift telli MIG yöntemlerinin karşılaştırılması sonucunda, her iki yöntemin avantajlarını bir araya getiren yüksek akımlı çok geçişli parametreler belirlendi. Ek yerinin çekme mukavemeti 296 MPa (ana metal için 62%) ve darbe tokluğu 13 J/cm² (ana metal için 42%) olarak ölçüldü.

Üç yöntem karşılaştırıldı: Y oluklu geleneksel kaynak, X oluklu kaynak ve X oluklu titreşimli kaynak. X oluk, bozulmayı geleneksel yönteme kıyasla beşte birine indirdi; titreşimli kaynak ise bozulmayı daha da azalttı.

2. Kaynak Sırasını Hesaplayın ve Optimize Edin

Çok sayıda birleşme yeri bulunan büyük bir yapı için, her bir kaynağı numaralandırın ve yapısal özelliklere göre bir başlangıç sırası belirleyin. Örneğin, 16 ana kaynak noktası bulunan bir yapıda başlangıçta 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16 numaraları kullanılmıştır. Sonlu elemanlar analizi, aday sıralamaları karşılaştırabilir ve daha az bozulma ile daha uygun bir gerilme dağılımı sağlayan sıralamayı belirleyebilir.

Öncelikle, tek bir çok katlı kaynak dikişindeki kat sırasını analiz edin; zira bu, kalıntı gerilimin hem büyüklüğünü hem de dağılımını değiştirir. Atölye kaynak işleminden önce düşük gerilimli bir kat sırası belirlemek, nihai kalıntı gerilimin sınırlandırılmasına yardımcı olur.

Ardından, dikişlerin genel sırasını optimize edin. Açılış sırasını 1, 3, 4, 2’den 1, 3, 2, 4’e değiştirmek, gerilme dağılımını önemli ölçüde değiştirdi. İkinci sıra, 300 MPa’nın üzerindeki alanı azalttı; bu da gerilme korozyon çatlamasına karşı direnci artırabilir.

3. Gerilimi ve Boyutları Sabitlemek İçin Titreşimli Gerilim Giderme Yöntemini Kullanın

Dinamik gerilim, titreşimli gerilim gidermede kilit bir parametredir. Tahrik cihazı, döngüsel alternatif yüke karşılık gelen bir dinamik gerilim uygular. Bu gerilim, orijinal kalıntı gerilimle birleşerek yerel veya genel plastik deformasyona yol açtığında, kalıntı gerilim gevşeyebilir, daha homojen hale gelebilir ve azalabilir; bu sırada metal matris de deformasyona karşı daha dirençli hale gelir.

Genel kriterler şunlardır: σ_dinamik + σ_artık ≥ σ_s, burada σ_s plastik deformasyonun yayılması ve makroskobik deformasyonun oluşması için gereken akma gerilimi; σ_dinamik/σ_artık = 0,1–0,3; dinamik gerilme genliği ise parçanın çalışma geriliminin üçte biri ile üçte ikisi arasında olmalıdır. Uygun bir aralıkta, daha yüksek dinamik gerilme daha fazla gerilme serbest bırakır ve gerilmeyi daha etkili bir şekilde giderir. Aşırı dinamik gerilme, iş parçasına zarar verebilir veya yorulma ömrünü kısaltabilir.

Testlerde, Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. tarafından üretilen bir WZ-86A titreşimli gerilim giderme ünitesi kullanılmıştır. Bu işlem sayesinde kaynak kalıntı gerilimi 0,3σ sınırları içinde tutulmuştur._s.

Denemeler sonucunda, ürüne özgü titreşimli gerilim giderme parametreleri belirlenmiş ve uygulanmıştır.

Kontrol Sonucu

Üretime uygun bir kaynak işlemi, oluk şekilleri, parametreler ve sıralamalar üzerine yapılan karşılaştırmalı denemeler ile titreşimli gerilim giderme yöntemi, mekanik ve korozyon direnci özelliklerinden ödün vermeden kalıntı gerilimi ve bozulmayı azalttı. Optimize edilen işlem, bozulmayı geleneksel kaynak sonucunun üçte biri düzeyinde tutarak, büyük ve yüksek mukavemetli yapılar için tasarım ve üretim gereksinimlerini karşıladı.

Bu yöntem, havacılık ve uzay, gemiler, demiryolu ulaşımı ve büyük makinelerin yanı sıra, belirli özel araçları, hafif koruyucu yapıları ve diğer yüksek mukavemetli alüminyum bileşenleri de destekleyebilir.