Sürtünme Karıştırma Kaynağı

Manisa Savunma Sanayi Teknoloji Geliştirme Kümesi

Sürtünme krıştırma kaynak teknolojisi; 1991 yılında Wayne Thomas ve onun iş arkadaşlarından oluşan bir takım tarafından icat edilip deneysel olarak kanıtlanmıştır. Patenti, İngiltere-Cambridge’deki The Welding Institute(TWI)’a aittir.

Sürtünme karıştırma kaynağı(skk) işlemi metallerin füzyon ya da dolgu maddeleri olmadan birleştirilmesini içerir. Diğer sürtünme kaynaklarında kaynaklanacak parçalar birbiri üzerinde hareket ettirilirken, bu yöntemde tablaya alın alına sabitlenmiş parçalar birbirine sürtünmezler. 

Sürtünme Karıştırma Kaynağının(Friction Stir Welding) Şematik Gösterimi

-

Yöntem, karıştırıcı(batıcı) uç olarak adlandırılan ve yüksek devirde dönen omuzlu bir pimin, kaynak edilecek parçalar bir tabla üzerinde alın alına getirilip sabitlendikten sonra, bu parçaların içine daldırılarak sürtünmeden dolayı oluşan ısının tesiriyle parçaları yumuşatması ve çamurumsu bir kıvama gelen malzemenin karıştırılması ve pimin omuz kısmı tarafından sıvanması yoluyla, kaynak yapılacak parçalar boyunca ilerletilmesi sayesinde parçaların birleştirildiği bir sürtünme kaynağı yöntemidir. Ulaşılan en yüksek sıcaklık erime sıcaklığının 0.8 katıdır.

Sürtünme karıştırma kaynağında (SKK), kaynak bölgesini aşağıdaki 3 farklı bölgeye ayrılmaktadır::

  1. Isının Tesiri Altındaki Bölge(ITAB): Kaynak merkezinin yakınında olan bu bölgede, malzeme, mikroyapıyı ve/veya mekanik özellikleri değiştiren bir ısıl çevrim geçiriyor. Bununla birlikte, bu alanda plastik deformasyon oluşmuyor.
  2. Termomekanik Olarak Etkilenen Bölge(TEB): Bu bölgede, SKK takımı yüzünden malzeme plastik olarak deformasyona uğruyor ve işlemden gelen ısı, malzemede biraz etki bırakıyor. Alüminyum alaşımlarında, bu bölgede yeniden kristalleşme olmadan belirgin plastik özellikler elde etmek mümkündür ve TEB’in yeniden kristalleşmiş bölgesi ile deforme olmuş bölgesi arasında genellikle farklı bir sınır vardır
  3. Dinamik Olarak Yeniden Kristalleşen Bölge(DKB): Alüminyum alaşımlarındaki, TEB’deki yeniden kristalleşen bölge geleneksel olarak külçe adıyla anılır. Bu terim, tanımlayıcı olmakla birlikte pek de bilimsel değildir. Bununla birlikte kullanımının yaygınlaşması ve bilimsel değer olarak eş anlamlı başka bir kelimenin olmaması nedeniyle bu terim benimsenmiştir. Takım omzunun doğrudan doğruya altında bulunan bölgenin(TEB’in bir parçası olduğu açıktır), tane yapısı farklı olduğu için ayrı bir kategoriye girmesi öne sürülmüştür. Buradaki mikroyapı, omzun arka yüzünün sürtmesiyle kararlıdır ve malzeme maksimum sıcaklığının altına soğutulabilir. Bu alanın TEB’in farklı bir alt bölgesi olarak ele alınması kabul edilmiştir.

Kaynak sırasında takımın üzerine birtakım kuvvetler etkir:

 – Takımın pozisyonunu malzeme yüzeyinde yada yüzeyinin altında tutmak için aşağıya doğru bir kuvvet gerekir. Bazı Skk makinaları yük kontrolü altında çalışırlar ama birçok durumda takımın dikey pozisyonu önceden ayarlanmıştır ve yük kaynak sırasında çeşitlilik gösterir.

– İlerleme kuvveti takımın hareketine paralel olarak ve ilerleme yönünde pozitif olarak etkir. Bu kuvvet, malzemenin, takımın ilerleme hareketine karşı gösterdiği dirençten oluşur. Takımın etrafındaki malzemenin sıcaklığı arttırılarak bu kuvvetin azalacağı düşünülebilir.

– Yanal kuvvet takımın ilerleme yönüne dik yönde etkir ve kaynağın ilerleyen yanına doğru pozitif olarak tanımlanır.

– Takımı döndürmek için, değeri aşağıya doğru olan kuvvete ve sürtünme katsayısına(kayma sürtünmesi) ve/veya çevre bölgedeki malzemenin akma mukavemetine(batma sürtünmesi) bağlı olan bir tork gereklidir.

Takımın ve ona bağlı olarak makina aksamının kırılmasını yada fazla aşınmayı ve yırtılmayı önlemek için kaynak çevrimini, takımın üzerine gelen kuvvetleri mümkün olduğunca az olmasını sağlayarak ve ani değişiklikleri önleyerek, değiştirmek gerekir.

Sürtünme Karıştırma Kaynağı yapılan bir parça

SKK prosesinde önemli kaynak parametreleri aşağıda özetlenmiştir:  

 Takımın Devir Hızı ve İlerleme Hızı : Skk’da dikkate alınan iki takım hızı vardır; takımın dönme hızı ve ara yüzeyde ilerleme hızı. Başarılı ve verimli bir kaynak çevrimi elde etmek için bu parametrelerin seçiminin dikkatlice yapılmasının büyük önemi vardır. Kaynak sırasındaki ısı girdisiyle kaynak hızı arasında karmaşık bir ilişki vardır fakat genellikle devir hızını arttırmanın yada ilerleme hızını azaltmanın daha sıcak bir kaynakla sonuçlanacağı söylenebilir. Başarılı bir kaynak oluşturmak için takımı çevreleyen malzemenin, gereken geniş plastik akışı mümkün kılmak için yeterince sıcak olması ve takım üzerine gelen kuvvetleri mümkün olduğu kadar azaltması gereklidir. Eğer malzeme çok soğuksa karışma bölgesinde boşluklar ve diğer kusurlar oluşabilir, hatta uç vakalarda takım kırılabilir.  

Diğer taraftan, aşırı derecede yüksek ısı girdisi, kaynağın son özelliklerine zarar verebilir. Bu, kuramsal olarak düşük erime sıcaklığı fazlarının sıvılaşması nedeniyle kusurlarla sonuçlanabilir(füzyon kaynaklarındaki sıvılaşma çatlağında olduğu gibi). Kaliteli bir kaynak oluşturacak işlem parametreleri sahası olan “işleme penceresi” kavramına, rekabet talepleri yön verir. Bu pencere içinde yapılan kaynak, yeterli malzeme plastikliğini sağlamak için yeterince yüksek ısı girdisine sahip olacak ama bu sıcaklık kaynak özelliklerini aşırı biçimde azaltmayacak kadar yüksek olmayacaktır.

 Takımın Eğimi ve Batma Derinliği : Batma derinliği, omzun kaynaklanan plaka yüzeyinin altındaki en alt noktasının derinliği olarak tanımlanır ve kaynak kalitesini sağlamak için kritik bir parametre olarak kabul edilir. Omzu plaka yüzeyinin altına batırmak, takımın altındaki basıncı arttırır ve takımın arkasındaki malzemenin yeterince dövülmesini sağlamaya yardım eder. Takıma 2 – 4° eğim vermenin, örneğin takımın arkasını önünden daha aşağıya getirmenin, bu dövme işlemine yardımcı olduğu görülmüştür. Gereken aşağıya doğru olan basıncın elde edilmesini ve takımın kaynak yerine tamamen nüfuz etmesini sağlamak için batma derinliği doğru olarak ayarlanmalıdır. Gereken büyük yüklerin verilmesiyle kaynak makinasının yönü değişebilir. Batma derinliğinin nominal ayarlara kıyasla azaltılması, kaynakta hataların oluşmasıyla sonuçlanabilir. Diğer taraftan, batma derinliğinin fazla olması, pimin plaka yüzeyinin arkasına sürtmesiyle sonuçlanabilir. TWI, takımın kaynak plakası üstündeki yerini koruyan bir silindir sistemi geliştirirken, çeşitli yük kaynakçıları takım yer değiştirmelerini otomatik olarak karşılamayı geliştirdi.

SKK’da kullanılan çeşitli takım uçları

Takımın Tasarımı : İyi bir takım, hem kaynak kalitesini hem de mümkün olan maksimum kaynak hızını geliştirebileceğinden takımın tasarımı kritik bir faktördür. 

Takım malzemesinin kaynak sıcaklığında yeterince mukavim, sert ve dayanıklı olması istenir. Bunlara ilave olarak oksitlenmeye karşı direncinin iyi olması, ısı kaybını ve makina aksamına verilen sıcaklık hasarını mümkün olduğunca azaltmak için düşük bir ısıl iletkenliğe sahip olması gerekir. AISI H13 gibi sıcak işlenmiş çeliğin, 0,5 – 50mm kalınlığındaki alüminyum alaşımlarının kaynağında çok iyi olduğu kanıtlanmıştır fakat yüksek aşındırıcı metal matriks kompozitleri ya da çelik ve titanyum gibi daha yüksek ergime sıcaklıklı malzemeler gibi daha çok talep edilen uygulamalar için daha gelişmiş takım malzemeleri gerekmektedir.

 SKK’da, yeterli hidrostatik basınç elde edilemezse kaynaklanan levhaların tabana yakın kısımlarında soğuk birleşme(yetersiz nüfuziyet) oluşur. Bu sorun yukarı doğru hareket etme eğilimindeki çamur kıvamındaki malzemenin aşağıya doğru hareketini kolaylaştırıp kaynak dikişinde kalmasını sağlamakla çözülür. Bunun içinde takım tasarımında bazı değişiklikler yapılır. Takım tasarımındaki gelişmeler, üretimde ve kalitede tatmin edici gelişmelerin elde edilmesini sağlamıştır.

Takımların çoğunluğunda, pimin dönmesiyle yer değiştiren malzeme için bir kaçış hacmi oluşturan içbükey profile sahip omuz vardır. Bu sayede malzemenin, omzun yan taraflarından çıkması önlenir ve aşağıya doğru olan basınç korunur. Dolayısıyla takımın arkasındaki malzeme iyi dövülür. Triflute takımının omzunda bunlardan farklı olarak yüzeyde kanallar bulunur. Omuz üzerindeki bu kanallar kaynak sırasında dışarı kaçmaya çalışan malzemeyi engeller ve takım ucundaki hidrostatik basıncı arttırır.

 Tek parça karıştırıcı uç kullanıldığında, kaynak sonuna ucun çekilmesi sonucu boşluk kalır. Bu sorunu gidermek için bilgisayar ile otomatik olarak kontrol edilebilen ve geri çekilebilen özel karıştırıcı uçlar geliştirilmiştir. Kaynak sonunda bu otomatik olarak geri çekilebilir uçlar, dönme hareketi devam ederken yavaş yavaş çekilerek boşluk kalmadan kaynak işlemi tamamlanır.

 Yeni araştırılan omuz profilleri, takım omzu ile iş parçası arasında daha iyi bir kavrama sağlamak için tasarlanmaktadır. Bu, yoğrulan malzemenin dışarı çıkmasını önlemek için sürtünme irtibatı sağlanmasını gerçekleştirecektir. Büyük kepçeler, helezonlar ve ortak merkezli yivler gibi özel profiller sayesinde yoğrulan malzemenin içeride tutulması ile geliştirilmiş kavramalar elde edilmiştir. Ortak merkezli yivlerden oluşan omuz profilleri, yoğrulan iş parçası malzemesinin en üstündeki yüzey tabakalarının gelişmiş hareketini sağlarlar. Dönme ve ilerlemenin birleşimi, bu ortak merkezli yivlerin kaynak hattında devam eden sıra halindeki zikloidal yollar sağladığı anlamına gelir.

Robot ile SKK uygulaması

SKK İşleminin Avantajlar: İşlemin avantajları, SKK’nın, birleştirilen malzemelerin erime sıcaklığının altında, katı fazda gerçekleşmesinden kaynaklanmaktadır. O nedenle 2000 ve 7000 serisi alüminyum alaşımları ve Al-Li alaşımları gibi füzyon kaynaklarıyla birleştirilmesi zor olan malzemeleri birleştirme kabiliyetine sahiptir. SKK özel olarak tasarlanmış ekipman veya diğer kaynak yöntemleri için geliştirilmiş ekipmanların uyarlanmış biçimlerini kullanabilir. Otomasyona ve robotik uygulamaya çok uygundur. Kolayca freze makinasına uyarlanabilir.

Diğer avantajları şöyledir:

  • Deformasyonu düşüktür(uzun kaynaklarda da geçerli).
  • Kaynak yeri yorulma, çekme ve eğilme testleriyle kanıtlanan üstün mekanik özelliklere sahiptir.
  • Gaz oluşmaz.
  • Gözeneklilik oluşmaz.
  • Sıçrama gerçekleşmez.
  • Büzülme çok düşüktür.
  • Her pozisyonda çalıştırılabilir(yatay, dikey, vb.).
  • Enerji bakımından verimlidir.
  • Erimeyen takım kullanılır.
  • Bir takım, 6000 serisi alüminyum alaşımlarında genellikle 1000m kaynak uzunluğuna kadar kullanılabilir.
  • Dolgu malzemesine gerek duyulmaz.
  • Alüminyumun kaynağında gaz maskesi kullanılmaz.
  • Kaynakçı sertifikasına ihtiyaç duyulmaz.
  • Kaynak öncesi yüzey hazırlama aşırı kritik değildir, ince oksit tabakaları tolere edilebilir.
  • Birleşme yerinin altında ve üstünde çıkıntı minimum oluşur, dolayısıyla seri imalatta pahalı olan bileme, fırçalama veya parlatma işlemlerine ihtiyaç duyulmaz.
  • 50mm’den daha kalın alüminyum ve bakır, tek geçişte kaynatılabilir.
  • Alın ve bindirme kaynağı yapılabilir.
  • Çok temiz ve çevreci bir kaynak yöntemidir.

Lineer kaynak yapabilen SKK Cihazı

SKK İşleminin Dezavantajları:  SKK’nın sınırlamaları, yoğun araştırmalar ve geliştirmelerle azaltılmaktadır. Bununla birlikte SKK’nın şu anki sınırlamaları şunlardır:

  • Her malzemenin kaynağı mümkün değildir. Sadece mukavemeti ve ergime derecesi düşük malzemelerin kaynağına uygundur.
  • İş parçaları çok sıkı tespit edilmelidir.
  • Tek parçalı karıştırıcı uç kullanıldığında kaynağın sonunda delik kalır.
  • Destek çubuğuna ihtiyaç duyulur.
  • Elle ve arkla yapılan işlemlerden daha az esnektir(değişik kalınlıktaki ve doğrusal olmayan kaynak yerlerinde zorluklar yaşanır.).
  • Kaynak hızı, bazı ergitme kaynaklarından düşüktür(tipik olarak 5mm kalınlıktaki 6xxx serisi Al alaşımı levhalarda 750mm/dk civarında).
  • Özellikle kalın levhaların kaynağında parçaları bir arada tutmak için büyük kuvvetlere, çok güçlü tezgahlara ihtiyaç duyulur.