Kaynak bölgesindeki sıcaklık dağılım ve değişimine ısıl özeliklerin, gizli ergime ısısının ve elektrod çapının etkisi

Abstract

O Z E T Cağımızda uzaydaki uydulardan, maden ocaklarında çalışan makinalardan, denizlerin altında seyreden denizaltılara kadar, her cins makina ve teçhizatın imalatında, büyük ölçüde kaynak tın yararlanılmaktadır. Yüksek derecede zorlamalara maruz kalan bu kaynaklı bağlantaların kalitesi sadece tatbik- edilen kaynak usulüne ve kullanılan kaynak metalinin özeliklerine bağlı değildir. ' Kaynak usullerinin büyük bir kısmında birleştirilecek olan metalsel parçalar yerel olarak ergime sıcaklığı üzerinde bir.Sıcaklığa kadar hızla ısıtılmakta ve sonra soğumaya terk edilmektedir. Kaynatılan malzemenin özeliklerine, ebatlarına ve ortam şartla- i arına bağlı olarak kaynak- bölgesi oldukça şiddetli bir şekilde soğumaktadır. Günümüz endüstrisinde kullanılan çeşitli alaşımların cazip mekanik özeliklerinin büyük bir kısmı eldeleri esnasında uygulanan ısıl işlemlerden kaynaklanmaktadır. Kaynak işlemi esnasında uygulanan ısıl çevrim, bu şekilde elde edilmiş özeliklerin büyük bir.kısmının' yok olmasına sebep olmaktadır. Ayrıca, çağımızda 'makina ve teçhizat imalatında metalsel malzemelerin ağırlık olarak % '98 i demir esaslıdır. 'Kaynak işleminin, metalsel malzemeye yerel olarak takbik ettiği ısıl çevrim, allotropik özeliğe sahip demir esaslı malzemelerde, kaynak bölgesinde faz - dönüşümlerine sebep olmakta ve bu da, bağlantının mekanik özeliklerini büyük ölçüde etkilemektedir., Kaynak işlemi esnasında meydana gelen metalurjik olaylar ve bunun neticesinde ortaya çıkan yapının mekanik özeliklerini IV -önceden tahmin edebilmek için, kaynak bölgesinde sıcaklık dağılım ve değişimin bilinmesi gerekmektedir. Zira, ancak bu şekilde kaynağın tatbik ettiği ısıl çevrimi gereken şekilde ayarlayarak, kaynak bölgesinde malzemenin özelikleri, sıcaklığın tahripkar etkisinden korunabilir. Literatür araştırmasından şimdiye kadar, kaynak yapılan ince levhalarda sıcaklık dağılımı için kullanılan denklemler gizli ergime ısısının etkisi ihmal edilerek, malzemenin ısıl özelikleri sabit ve kaynak ısı enerjisinin bir noktadan tatbik edildiği kabul edilerek geliştirilmiştir. Bu çalışmada, kaynak edilen malzemenin ısıl özelikleri ile ışınım ve taşınımla oluşan ısı kayıpları sıcaklığın fonksiyonu olarak hesaplara dahil edilmiş ve kaynak ısı enerjisinin bir noktadan değil, elektrodun kesit alanı kadar bir bölgeden tatbik edildiği dikkate alınarak, kaynak bölgesinde sıcaklık dağılımının analizine imkan veren bir nümerik model geliştirilmiştir. Geliştirilen teorik model yardımıyla, az- karbonlu çelikten yapılmış ince levhalar için hesaplanan sıcaklık değerleriyle literatür de mevcut deney sonuçları karşılaştırılmış ve bunlarla iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Demir esaslı malzemelerde, soğuma esnasında ortaya çıkan metalurjik dönüşümlere ve neticede elde edilen iç yapıya en büyük etken soğuma hızıdır. Soğuma hızı veya seçilmiş iki sıcaklık derecesi arasındaki soğuma süresini geliştirilmiş olan nümerik çözüm modeli yardımıyla hesaplamak pratik olmadığından, az karbonlu çelik için bulunan sıcaklık dağılımı sonuçlarına en küçük ka-VI reler ve deneme-yanılma metodları uygulanarak soğuma bölgesinin 300 °C. -, 1200 °C arasında sıcaklık dağılımını veren denklem elde edilmiştir. Elle yapılan kaynak şartlarında, nümerik çözümle denklem arasındaki ortalama mutlak fark % 6 dan daha az olmakta dır. Soğuma hızını veren denklem, sıcaklık dağılımı denkleminin zamana göre türevidir. Fakat türev soğuma hızına göre non-lineer olduğundan, bunun da nümerik çözümü yapılmış, bulunan neticelere en küçük kareler metodu uygulanarak, iyi bir yaklaşımla yeni bir soğuma hızı denklemi geliştirilmiş ve geliştirilen soğuma hızı denkleminden 800 °C - 500°C sıcaklıklar arasında soğuma süresini veren ifade elde edilmiştir. Bu denklemlerin sonuçları analitik denklemlerle karşılaştırılmıştır. Analitik ifadelerde ısıl özelikler sabit alındığından, kaynak ısı enerjisine ve levha kalınlığına bağlı olarak soğuma hızı ve soğuma süresi hızla değişmektedir. Oysa, levhadan çevreye olan ısı kayıpları ve ısıl Özelikler sıcaklığın fonksiyonu olduğundan hızla değişmeyecektir. Bu çalışmada, az karbonlu çelikten yapılmış ince levhalar için elle yapılan elektrik ark kaynağında kullanılmak üzere geliştirilmiş olan, soğuma hızı denklemi taşınımla ve ışınımla olu şan ısı kayıplarının sıcaklığa bağımlılığını, elektrod çapının ve gizli ergime ısısının etkilerini içeren nümerik modelden hareket edildiğinden,, olaya daha uygun yaklaşım göstermektedir. Bu çalışmada teklif edilen bağıntıların bütün metalsel malzemelere tatbik edilebilmesi için, malzemenin ısıl özeliklerinin sıcaklık la değişimlerinin bilinmesi gereklidir.

SUMMARY In welding, generally, metallic materials, are heated to approximately the melting temperature and then, following the welding operation, they are cooled in a short time depend ing on the size of the material, the applied energy (Welding energy) and the surrounding temperature. Heating to a high temperature and fast cooling causes internal stresses within the material resulting in an increase of the grain size in the weld inn region, diffusions and phase transformations in the solid state. Solid state phase transformations in pure iron which has allotropic properties happen at a constant temperature. But in iron alloys (steel) this happens in a temperature internal. if steel is heated to a high temperature and then cooled slowly under control the structure of material will be the same as tne initial materail apart from an increase of the grain size. However, when the cooling rate is high, de pending on the ratio of carbon in steel, a very hard and cracky structure, called martensitic may occur. Depending on welding conditions the region which is heated may due to such an effect, form a martensitic structure. Today's industry uses equipments working under high pressures and high temperatures in corrosive environments. One of the most important problems of today^s industry is to weld special steel products resitant to different types of stresses of large magnitudes. Heat applied to the materials during the welding pro cess, may cause considerable changes in the mechanical pro- VIIVIII perties of the materials. Therefore, to meet certain speci fications at the welded joints the increase of the grain size, the diffusion reactions and metallurgical structural changes should be taken under control. Since all of the above effects are related to the heating process applied, knowing the tempe rature distribution in the welding region beforehand, enables one to estimate the effects of heating and thus, necessary preventive measures can be taken. Heat transfer operation in welding is rather different from the heat transfer operations in the industry. Here the rate of heat transfer to the material is high and takes place in a very short time. Therefore, the maximum temperature at tained and the coqling rate during the welding operation are very important. Cooling rate can be determined by differen tiating the equation giving the temperature distribution in the welding region. / It is difficult to write an analytical equation rep resenting the temperature distribution in the welding region since the parameters such as, the physical properties of the materials concorned, the latent heat of fusion, the effect of convection and radiation from the plate must be taken into account. However, Rosenthal [5] was able to find an analyti cal solution for the temperature distribution by assuming: physical properties of the material to be independent of tem perature, a point heat source with a constant speed V and a constant stre'nght, and constant radiative and cpnvective he at losses to the surroundings. This equation is: ?<z IX T - T -.Q« e`2^T(r+x) K(.V r) From the viewpoint of metallurgical structural changes in the heat affected zone, the cooling rate an the time period for the temperature to decrease from 800 °C to 500 °C are very im portant. The equations of cooling rate and time period for cooling, Atg/c can be obtained form Rosenthal's equation: dT ai---»k-«^r M3 and ^Q/'S' 4lTkpc I LV J [ I 500 -To J * l800-ToJ J It is known however that the temperature distribution is af fected by thermal properties of the materials, corivection and radiation heat losses from the plate, and the latent heat of fusion. Besides these factors the arc energy used as welding heat, flow from the cross-sectional area of the electrode and since the melted electrode spreads over a region of the plate, a point heat source assumption may not be applicable. In this thesis, a nonlinear differential formulation was made by foregoing the restrictions mentioned above. Since the equation is non-linear its solution can be only ac hieved by numerical methods. In order to solve the heat flow problem, a numerical model based on finite differences was constructed and analysis was done on this model. In the nu merical analysis effect of latent heat of fusion, physicalproperties of the material, electrode diameter and thicknes of plate (4mm to 6mm) on temperature distribution and change in the welding region was investigated (f ig.5.9, 10, 11, 12 ). Temperature distribution and temperature change determined from numerical solution were compared with results obtained by Rosenthal's analytic equation and Rykalin ' s [l2] and Dağsöz [13] experiments. It was found that the numerical solution gave realistic results (Table 6.1 a,b,c, and Fig 6.2,3). In welded steel plates, the metallurgical changes which occur in the heat effected zone, depend strongly on the cooling rate and the cooling period, At 0 /c calculations of the cooling rate and the cooling period are not practi cal numerically., In order to obtain an analytical relation ship for the temperature distribution in the welding region for steel plates with low carbon ratio, various relation ships were tried by using leasfc-sguares aproximation and trial and error for each case. Since the number of factors ef fecting the temperature distribution are too many, the equa tion of temperature distribution contains many coefficients and its deviations from the numerical results become too high. Therefore, for soft steel plate wsing Welding heat energy beet- ween 1050 and 2500 watts, welding speed between 0.0009 and 0.0026 m/s and electrode diameter between 0.0032S and 0.004m the equation of temperature distribution during cooling in the region between 300 °C and 1200 °C, which is very important for metallurgical tranf ormations was determined as:XI T-Tm = XOrur a2 v It- V,0-5 -r ) 2*J <^>0W (-tr^ 2a 1 2<xr> e 2 a (r-x J The difference, between values given by the above equa tion and the finite difference method is approximately 9,4.%. In arc welding, considering manually covered electrode welding proscedures`, average absolute dif erence becomes about.5. 8 %.. ? Welded plate regions which are heated up to 900 °C cool at the same rate [l9,34J. Therefore, if the last equation, is applied to the welding axis and differentiated with respect to time, the equation of cooling rate can be obtained: dT d t Qe0-1 TEF01 0.5 (_ZL)0-5 ti-s v 20. + 0.75 a2 V V2,0-75,.75 K 2a' ? + 1.5 - m: - - + 2.5 K 2*' r `(_vi)` t35 2ct As the last eqution is non-linear with respect to Cooling rate numerical solution was resorted to and the least squares method was applied to the results to obtain the equation of cooling rate in the temperature internal mentioned above: 0.9 f0.02 -gf-= - (0. 08+50 V)10`3 Vq0( T-Tw) The equation of cooling period AXq.c, is easily written from the equation of the cooling rate.XII At q0-2 T r 1 Tİ85 8/5 (0,08+50V)1,85k10`3 v09 L002 1.1500 -T.J I- - 1800 -1 L8S1 Equation developed for the cooling rate and At cooling period were conpared with Rosenthal's cooling rate eqution and Andrichem and Kas' At,».,, cooling period equation. Since the thermal properties and heat losses in the analytic equations are taken as constant, the cooling rate and the cooling period change rapidly with inc reasing welding heat energy. Whereas, as the welding energy inc reases, the temperature and thus the convective, radiative heat losses in the welding region will increas. Therefore the variation of the cooling rate and cooling period will not be linear but will be of power type (Fig. 6.2-6). Therefore, equations obtained give realistic results. When the welding heat energy was applied to plates of different thicknesses (4mm and 6mm), it was found that the cooling rate and the cooling period determined from Rosenthal's equation changed rapidly with the plate thickness due to reasons mentioned above. Whereas, in the thin plate welding bath is large and the temperature will increase. Therefore, the variation of cooling rate and cooling period with thick ness of plate is not linear. In consclusion, the equation of cooling rate and the cooling period developed in this ^ study give, more realistic results then Rosenthal, and Anric- hem and Kas' equations (Fig. 6.5,6).