Prof.Dr. Mehmet EROĞLU
Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü-Elazığ
meroglu@firat.edu.tr

Genel olarak çelikler alaşımlı ve alaşımsız olmak üzere iki sınıfa ayrılır. Alaşımsız çelikler demir ve karbondan başka üst sınırları aşağıda verilen kimyasal elementleri de içerebilir. Bu üst sınırlar %0.5 Si, %1.0 Mn, %0.1 Al, %0.25 Cu, % 0.09 P ve %0.06 S şeklinde sıralanabilir. Alaşımsız çelikler içerdikleri karbon oranlarına göre sınıflandırılırlar. Bunlar; düşük karbonlu çelikler, orta karbonlu çelikler ve yüksek karbonlu çeliklerdir. Düşük karbonlu çelikler %0.25 oranına kadar karbon içerirlerken, orta karbonlu çelikler %0.25 ile %0.55 arasındaki oranlarda karbon içerirler. Yüksek karbonlu çeliklerde karbon içeriği % 0.55’ den başlayıp %1.6’ya kadar uzanabilmektedir. Alaşımlı çelikler az alaşımlı ve yüksek alaşımlı çelikler olmak üzere iki gruba ayılır. Bu çeliklerde karbon dışındaki Cr, Mo, V, Ni gibi elementler alaşım elementi olarak kabul edilir. Alaşım elementi oranlarının toplamı % 5’den az olan çeliklere az alaşımlı çelikler ve alaşım elementleri toplamı %5’den fazla olan çeliklere de yüksek alaşımlı çelikler denir.

Çeliklerin ısıl işleme cevap verebilmeleri hususunda “dönüşüm gösteren çelik” ifadesine çoğu zaman rastlarız. “Dönüşüm gösteren çelik” ifadesiyle ısıl işlem ile faz yapısı (mikroyapısı) değişebilen çelik ifade edilmektedir. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çelikler dönüşüm gösteren çelikler iken, yüksek alaşımlı çeliklerin bir kısmı dönüşüm göstermezler. Örneğin östenitik ve ferritik paslanmaz çelikler dönüşüm göstermeyen yüksek alaşımlı çelikler olup, ısıl işlem ile sertleştirilemezler. Dolayısıyla bu yazımızda dönüşüm gösteren çeliklerin kaynağı üzerine yoğunlaşılacaktır.

Metalik malzemeyi ısı veya basınç veya her ikisini birden kullanarak ve aynı cinsten bir malzeme katarak veya katmadan birleştirmeye “Metal Kaynağı” denir. Ergitme kaynağında “kaynak bölgesi” olarak tanımladığımız bölge mevcuttur. Kaynak bölgesi kaynak metali veya dikiş olarak tanımladığımız bölge ile dikişin hemen yanında bulunan ısının tesiri altında kalan bölge (ITAB)’den oluşmaktadır. Çeliklerde ITAB’ da sıcaklık yaklaşık olarak 600 ^oC ile 1500 ^oC’ ler arasında değişmektedir. Dönüşüm gösteren çeliklerde ITAB; küreleşen, kısmen dönüşüme uğramış, tane incelmiş ve tane irileşmiş bölgelerden oluşmaktadır. Bir ark kaynak işleminde kaynak metali ve ITAB’da oluşan mikroyapılar kaynak bölgesinin mekanik özelliklerini önemli derecede etkilemektedir. Kaynak metali mikroyapısı soğuma tarafından kontrol edilirken, ITAB’da oluşacak mikroyapılar hem ısıtma hem de soğuma tarafından kontrol edilmektedir. Bu yazımızda dönüşüm gösteren çeliklerin ark kaynağında ITAB açısından kaynak kabiliyeti üzerinde durularak, tane irileşen bölgeye yoğunlaşılacaktır. Dönüşüm gösteren çeliklerin ark kaynağında kullanılan elektrotlar çoğunlukla düşük karbonlu olup, önemli miktarda alaşım elementi içermedikleri için kaynak metalinde sert fazların oluşumu açısından fazla bir problem ile karşılaşılmamaktadır. Buna karşılık ITAB’ da tane irileşen bölgede sert ve gevrek olan martenzit fazının oluşma ihtimali çok yüksektir. Dolayısıyla, ITAB’da tane irileşen bölge kaynak kabiliyeti açısından ön plana çıkmaktadır.

Kaynak kabiliyeti kavramı kaynak biliminde oldukça önemli bir kavramdır. Bu kavram bir malzeme kaynak edilirken önemli oranda tedbirin alınıp alınmadığını gösterir. Dönüşüm gösteren çelikleri göz önünde bulundurduğumuzda, kaynak kabiliyeti denildiğinde arkın oluşması veya zor oluşması veya kaynak yapamama gibi durumların düşünülmesinden çok, yapılan kaynaktan sonra kaynak bölgesinde çatlamaların oluşup oluşmayacağı düşünülmelidir. Usta bir kaynakçı uygun elektrotu seçip arkı çok iyi oluşturur ve elektroda vereceği salınım hareketiyle de kaynak banyosuna hakim olmayı çok iyi bilir. Ancak, aynı kaynakçının kaynak ettiği çeliğin ITAB’ında tane irileşen bölgede hangi fazların oluşabileceğini ve oluşan fazların herhangi bir problem oluşturup oluşturmayacağı konusunu bilmesinin güç olacağı kanaatindeyim. Çünkü bu konu bir taraftan oldukça iyi “ısıl işlem” bilgisi gerektirirken diğer yandan iyi bir “faz dönüşümleri” bilgisini de gerektirir. İşte bu yazımız ile oldukça kullanışlı bilgiler vererek, belkide oluşacak fazları dahi tanımadan, bu problemin çözümüne giden kestirme yolu vereceğiz.

Dönüşüm gösteren çeliklerin ITAB’ında en önemli problemin tane irileşen bölgede oluşan sert ve gevrek özelliğe sahip olan martenzit fazı nedeniyle oluşabilecek çatlaklara bağlamıştık. Öyleyse tane irileşen bölgede oluşan martenzit fazının oluşumu üzerinde hangi faktörlerin etkili olduğuna bakmamız gerekmektedir. Şayet o faktörleri bilirsek, bu bölgedeki problemin çözüm yolunu da bulmuş oluruz. Tane irileşen bölgede oluşan fazlar üzerinde rol oynayan faktörleri temel olarak üç başlık altında toplayabiliriz. Bunlar: 1- Kaynak işleminde kullanılan ısı girdisi, 2- Kaynak edilen çeliğin kalınlığı ve 3- Kaynak edilen çeliğin kimyasal bileşimidir. Isı girdisi kaynak arkını oluşturup, ergitme işlemi için kullandığımız ısıdır. Bu ise kullanılan kaynak tekniği, çekilen akım ve volt ve kaynak hızına bağlıdır. Bunu bir eşitlik ile verecek olursak;

q (ısı girdisi)= I (amp) x V (volt) x h(ark verimliliği) / S (kaynak hızı) ………………(1)

Kaynak edilen çeliğin kalınlığının kaynak kabiliyeti üzerindeki etkisine baktığımızda, kaynak edilen parça kalınlığı arttığında ITAB’da soğuma hızı da artacaktır. Bu durumu bir örnekle açıklamak çok daha yaralı olacaktır. Aynı bileşime sahip, ancak birisi 10 mm ve diğeri 40 mm kalınlığında iki ayrı çelik parçanın yüzeylerine kaynak ağzı açmaksızın 3.25 mm çapında bir elektrotla aynı ısı girdisinde tek paso halinde kaynaklar çektiğimizi düşünelim. 40 mm kalınlığa sahip çeliğin ITAB’ında soğuma oldukça hızlı olacaktır. Şöyle ki, 40 mm kalınlığa sahip çeliğin ITAB’ında olan soğumanın, aynı parçadan alınan bir numuneyi (10 mm x 10 mm ebatlarında bir kare parça düşünelim) fırın içerisinde 1300 ^oC sıcaklığa kadar ısıtıp, bu sıcaklıktan suya çektiğimizde meydana gelebilecek soğumaya eşdeğer olabileceğini söylemek hiç de abartılı olmayacaktır. Dolayısıyla 40 mm kalınlığa sahip parçanın ITAB’ının tane irileşen bölgesinde martenzit oluşumu ve buna bağlı olarak da çatlamaların oluşma ihtimali çok daha yüksek olacaktır.

Kaynak kabiliyeti kavramında kaynak edilen parçanın kimyasal bileşiminin etkisi oldukça önemlidir. Kaynak edilen çeliğin bileşiminin kaynak kabiliyetine olan etkisi karbon eşdeğeri denilen bir eşitlik ile verilmektedir. Karbon eşdeğeri çeliklerde sertleşebilirliğin bir göstergesidir. Birden fazla karbon eşdeğeri formülleri bulunmaktadır. Ancak, burada milletlerarası kaynak enstitüsünün (IIW) IX no’ lu komisyonuna göre olan karbon eşdeğeri formülü verilmiştir. Buna göre;

C_eş = C + (Mn/6) + ((Cr + Mo + V)/5) + (Ni/15) + (Cu/15)………………………(2)

Kaynak eşdeğeri bulunduktan sonra, kaynakta kullanılan elektrot çapı ve kaynak edilen parçanın kalınlığına bağlı olarak bir öntav yapıp yapmıyacağımızı Tablo 1’e bakarak bulabiliriz. Öntav uygulanmasının nedeni, kaynak sırasında ITAB’ daki soğuma hızının düşürülüp, daha yavaş soğuma sağlanarak çatlamalara sebep olacak martenzit fazının oluşumunu engellemektir.

Buraya kadar anlatılanları bir örnekle açıklayacak olursak, konu çok daha iyi anlaşılacaktır. Kimyasal bileşimi %0.3 C, % 0.25 Si, % 0.8 Mn, % 0.8 Cr, % 0.25 Mo,  % 0.5 Ni, % 0.035 S, % 0.034 P olarak verilen ve parça kalınlığı 12 mm olan bir çeliğin yüzeyine kaynak ağzı açmaksızın tek paso halinde 4 mm çapında bir örtülü elektrot kullanarak kaynak çekilmesi istensin. Şimdi bu durumu irdeleyelim. Öncelikli olarak karbon eşdeğerini bulmamız gerekir.

C_eş = 0.3 + (0.6/6) + ((0.8 + 0.25 )/5) + (0.5/15)=  0.643

Bulduğumuz karbon eşdeğeri (0.65 alabiliriz) için Tablo 1’ de gerekli ön tav sıcaklığına bakarak bu değerin 350 ^oC olduğunu görürüz. Öyleyse bu çeliği kaynak yapmadan önce 350 ^oC sıcaklığa kadar bir fırın içerisinde ısıttıktan sonra, sıcak olarak kaynak yapmalıyız. Aksi taktirde ITAB’da çatlama riski bulunacaktır.

PVD tekniklerinin uygulanması, dekoratiften yüksek sıcaklıklı süper iletken filmlere kadar çok çeşitli uygulamalar arasında değişmektedir. Çok sayıda inorganik malzeme; metaller, alaşımlar, bileşikler ve karışımların yanı sıra polimerler gibi bazı organik malzemeler, PVD teknolojileri kullanılarak biriktirilebilir. Günümüzde PVD, çok katmanlı kaplamalar, radyan birikintiler veya çok kalın birikintiler oluşturmak için kullanılmaktadır.

Tablo1. Alın kaynağı için karbon eşdeğeri, elektrot çapı ve parça
kalınlığına göre uygulanması önerilen öntav sıcaklıkları [2]

Sonuç olarak; bir çeliğin tarafınızdan kaynak yapılması istenildiğinde sormanız gereken ilk soru “bu çeliğin kimyasal bileşimi nedir?” sorusu olmalıdır. Şayet bu konuda bilgi verilemiyorsa, en azından kaynak edilecek çeliğin normu öğrenilmeli ve gerekli analiz tablolarında içeriği tespit edilmelidir. Daha sonra parça kalınlığına bakılmalı ve seçeceğiniz elektrot çapına göre bir öntav uygulayıp uygulamayacağınıza karar verdikten sonra kaynak işlemi yapılmalıdır.

KAYNAKLAR
1-T. Savaşkan, Malzeme Bilgisi ve Muayenesi, 3. Baskı, Akademi Kitabevi, Trabzon, 2004.
2-S. Anık, E. Sabri Anık ve M. Vural, 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı,Cilt I ve II, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1993.
3-J.F.Lancaster, Metallurgy of Welding, Sixth edition, Abington Publishing, Cambridge, 1999.
4-M. Eroğlu, Kaynak Teknikleri ve Metalurjisi Ders Notları, Fırat Üniversitesi, Elazığ, 2004.