Farklı Metallerin Kaynağında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

 

Herhangi bir farklı metal kombinasyonunda kaynak bağlantısından beklenen özellikler, farklı malzeme seçimini belirleyen en önemli faktördür. Uygulamanın gerektirdiği bir zorunluk olarak, iki ayrı cins metalin kullanılması her ne kadar arzu edilmese bile, eğer bu iki metalin birbiri ile kaynağı mümkün değilse bu proje yalnız tasarı aşamasında kalır.

Farklı iki malzemenin kaynak ile birleştirilmesi ve bunun için en uygun ilave kaynak metalinin seçilmesi oldukça zor bir problemdir. Ayrı iki cins malzemenin birleştirilmesi ile elde edilen kaynak dikişi yalnız ilave metalden oluşmaz. Bağlantı bir geçiş bölgesini içerdiği gibi iki esas malzemeden de önemli miktarda alaşım elementleri bulundurur. Her kaynak işleminde, ilave metal ile farklı ana metallerin karışımından oluşan bir kaynak banyosu meydana gelir. Oluşturulan metalsel banyo, ayrıca uygulanan yönteme de bağlı olan, birim dikiş enerjisine göre ortaya çıkmaktadır. Bu durum, oluşuma ana ve ilave malzemelerin erime paylarının değişmesi şeklinde yansıyabilmektedir.

Burada meydana gelen karışımın metalürjik bakımdan zararlı bir etki yaratmaması istenir. Günümüze kadar gerçekleştirilen uygulamalarda seçilen ilave metalin kaynak yapılan ana malzemeden daha yüksek miktarda alaşım elementi içermesine önem verilirdi. Bu kural çeşitli malzeme kombinasyonları bakımından oldukça iyi sonuçlar vermesine rağmen birçok kereler kaynak yerinin istenmeyen özellikler kazanmasına da neden olabilmektedir. Örnek olarak, 18 Cr/8 Ni'li ostenitik paslanmaz çelik ile karbonlu ferritik yapı çeliği bağlantısı ele alınabilir. Böyle bir birleştirmede, eğer 18 Cr/8 Ni'li bir ilave metal kullanılırsa, dikişin havadan soğuması ile bağlantı sertleşmekte yani gevreklik kazanmaktadır. Burada, söz konusu sertliği önlemek için yüksek alaşımlı 25 Cr/20 Ni'li bir ilave metal önerilir. Bu ilave metal, genelde ostenitik yapıtı sünek bir dikiş verirken diğer yandan kılcal çatlakların oluşumuna doğru bir eğilim de ortaya çıkmaktadır.

Tüm bunlardan anlaşıldığı gibi çatlama bakımından emniyetli bir bağlantının elde edilebilmesi için bağlantının bütün istenen şartları aynı anda yerine getirmesi mümkün olmamakta, elden geldiğince ideale yakın bir çözümün bulunması gerekmektedir.

Ancak bazı durumlarda böyle bir birleşmede de özellikle yüksek işletme sıcaklıklarında sigma fazı olarak adlandırılan istenmeyen diğer şartlarla karşılaşılabilmektedir. Bunun için, birbirleri ile kaynak yapılarak birleştirilecek bu malzemelerin fiziksel, mekanik ve metalürjik özelliklerinin iyice bilinmesi gerekmektedir.

Farklı metallerin birbirleri ile kaynak yoluyla birleştirmesi sırasında dikkate alınması gereken faktörleri başlıca 5 maddede incelemek mümkündür. Bunlar: 

1- Kaynak bağlantısının yapısal kararlılığı 
2- Fiziksel özellikler 
3- Mekanik özellikler 
4- Korozyon dayanımı 
5- Erime oranı ve seyrelme miktarı 

Önerilen Makale: Çelik köşebent malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik köşebent sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
 

Kaynak işleminin yüksek sıcaklıkta yapılması nedeniyle erimiş kaynak metalinin, iki ana metali birleştirecek olan kaynak bağlantısının ömrünü sınırlayacak şekilde herhangi bir yapısal değişime uğramaması çok önemlidir. Hafif alaşımlı çeliklerde yapıya yüksek derecede mukavemet kazandıran martenzitik veya ara yapılar, dönüşüm sıcaklığının üzerinde ostenite dönüşür. Ostenitin dayanıklılığı büyük ölçüde içerdiği krom ve nikel miktarına bağlıdır. Dolayısıyla, kaynak işlemi sırasında yüksek sıcaklıklar söz konusu olduğundan, tamamen ostenitik yapıdaki çelikler kullanılmamalıdır. 

Ostenitik çeliklerde, yüksek sıcaklıklarda çalışırken amaç, kırılgan "Sigma" fazının oluşmayacağı bir çelik seçmektir. Oluşması istenmeyen sigma fazı, kaynak dikişinin kimyasal bileşiminin bir neticesi olarak ortaya çıkmaktadır ve paslanmaz çelik esaslı ilave metallerin pek çoğu, sigma fazının oluştuğu bölgelerin oldukça yakınında yer almaktadır. Diğer taraftan Ni/Cr/Fe esası ilave metallerin sigma fazına geçebilmesi için kaynak banyosunda fazla miktarda demirin erimesi gerekir ki, kaynak metali çatlamadan bu kadar fazla demirin erimesi mümkün değildir. 

Kaynak dikişinin problem yaratmaması için ostenit içinde bir miktar ferritin bulunması gerekmektedir. Fakat ostenit içinde çok fazla ferrit olursa, kaynak dikişi 650-950° C arasında bulunurken ferritin bir miktarı sigma fazına dönüşür ve bu dönüşümün en etkin olduğu sıcaklık aralığı da 750-800° C'dir. Bu şekilde sigma fazına dönüşmeyi ve dolayısıyla da kaynak dikişinin gervekleşmesini önlemek üzere ferrit miktarı % 10'un altında olmalıdır. Çeliğin toplam alaşım içeriği gervekleşmeyi etkileyen en önemli faktördür ve bu nedenle 25 Cr/12 Ni ve 25 Cr/20 Ni'li çelik tipleri; 18Cr/8Ni'li çeliklere göre çok daha uygundur. Farklı metallerin birbirleriyle kaynak edilmesinde, genellikle yüksek alaşımlı çelikten ilave metaller kullanılmaktadır. % 18-20 Cr içeren çelikte önce Ni miktarı % 30 civarına kadar arttırılmalı, ancak bundan sonra sigma fazı tehlikesine karşı önlem alınmalıdır. 

Çeliğin kaynağında diğer bir önemli problem de karbonun yer değiştirmesidir. Hafif alaşımlı çeliklerin çoğunda martenzitik (ara) yapılara belirli bir mukavemet kazandıran kontrollü bir karbon seviyesi mevcuttur. Diğer taraftan ostenitik paslanmaz çeliklerde, uygun korozyon mukavemeti sağlamak üzere karbon içeriği düşüktü. Eğer bu iki çelik birleştirilirse, karbon hafif alaşımlı çelikten ayrılarak geriye zayıflamış bir bölge kalır. Aynı zamanda ostenitik çelikte lokal karbon artışı, ostenitik çeliğin korozyon mukavemetini düşürür. Karbonun yer değiştirme miktarı ve oranı; bileşime, zamana ve sıcaklığa bağlıdır. Nikel miktarı arttıkça karbonun yer değiştirmesi gecikmektedir. Diğer taraftan belirli bir bileşim söz konusu iken, karbonun yer değiştirme süresinin ve sıcaklığın artması, bu yer değiştirmenin sebep olacağı etkiyi arttırmaktadır. Bu sebeplerden ötürü yüksek sıcaklıklarda ostenitik/ferritik çeliklerden oluşan birleştirmelerde elektrotları gibi Ni/Cr/Fe esaslı ilave metaller geniş bir uygulama alanına sahiptir. 
 

Kaynak işlemiyle birleştirilen malzemelerde kaynak dikişini ve işletme sırasında bu kaynak dikişinin ömrünü pek çok değişik fiziksel özellik etkiler. Kaynak edilen iki aynı cins malzemenin erime noktaları birbirinden çok farklı ise, kaynak işlemi sırasında bazı problemler ortaya çıkar. Erime noktası yüksek olan metal eriyinceye kadar, erime noktası düşük olan çok fazla ısıtılmış (tavlanmış) olur. Cu/Ni alaşımları düşük erime noktasına sahip alaşımlardır. Diğer alaşımların da erime noktaları aşağı yukarı aynı olup, bazılarınınki ise 200-400° C daha yüksektir. Diğer taraftan Cu/Ni alaşımlarının ısıl iletkenliği yüksektir, dolayısıyla da erimesi için gerekli ısı girdisi daha fazladır. Bu da kaynak işlemi açısından iyidir. Böylece kaynak işlemi esnasında sıcaklık bakımından bir denge sağlanabilmekte ve Cu/Ni alaşımları, daha yüksek erime derecelerine sahip malzemelerle, büyük sorunlar çıkmadan birleştirilebilmektedir. 

Isıl iletkenliğin farklı oluşu bir avantaj sağlamasına rağmen, iki farklı ısıl iletkenliğine sahip malzeme kaynakla birleştirildiğinde, kaynak işlemi sırasında ısı kaybını dengelemek ve iyi bir kaynak bağlantısı sağlamak için ısıl iletkenliği yüksek olan malzemenin önceden tavlanması gerekmektedir. Aksi takdirde ısıl iletkenliği düşük olan malzeme, ısıl iletkenliği yüksek olan malzemeyi eritebilmek için işlem yavaşlatıldığında, aşırı derecede tavlanmış olacaktır. 

Benzer şekilde, ısıl genleşme durumu da kaynak işlemi sırasında büyük bir önem taşır. Eğer iki malzemenin ısıl genleşme katsayıları birbirinden oldukça farklı ise, kaynak işlemi sırasında, iki malzeme ayrı ayrı oranlarda genleşecek ve kaynaktan sonra da soğuma sırasında farklı oranarda büzülecektir. Bu da, imalat aşamasında istenmeyen distorsiyon problemleri ortaya çıkaracaktır. Aynı zamanda kaynak dikişinin ara yüzeyinde bir gerilme yoğunlaşması meydana gelir. İşletme sırasında sıcaklığın düzensiz değişmesi de bu gerilme yoğunluğunu arttıracaktır. 

Kaynakla birleştirilen farklı metallerden birini ön plana alarak ilave metal seçimi yapmak, yüksek ve düşük ısıl genleşmelere sahip malzemeler için yetersizdir. Isıl genleşmeleri farklı olan metallerin ısıl genleşme katsayılarının ortasına rastlayan bir ilave metal seçerek, gerilme yoğunluğunu nispeten azaltmak mümkündür. Böyle genleşme etkisi en fazla ferritik ve ostenitik malzemelerin birbirleri ile birleştirilmesinde görülmektedir.
 

Kaynak işleminde ilk aranan şart birleştirmenin mukavemetinin, esas malzemeyle aynı veya ona yakın olmasıdır. Farklı malzemelerin kaynağında da aynı görüş hakimdir. Kaynak metali mukavemetinin, en az mukavemeti düşük olan malzemeninki kadar olması istenir. Örnek olarak hafif alaşımlı bir çelik ile bir ostenitik çeliği birleştirdiğimizi düşünelim. Ni/Cr/Fe veya Ni'den ibaret ilave metaller kullanılırsa, daha önce üzerinde duyulan alaşımlanma, yapısal kararlılık ve ortalama ısıl genleşme ile ilgili konuların hepsi karşılanır. Fakat saf nikel ilave metaller, hafif alaşımlı çelikten de ostenitik çelikten de daha zayıftır. Dolayısıyla mukavemet değeri çok daha yüksek olan Ni/Cr/Fe esaslı ilave metaller tercih edilmelidir.
 

Kaynak dikişinde ortaya çıkması mümkün olan korozyon probleminin ortadan kaldırılabilmesi için, ilave kaynak metali, birleştirilen farklı malzemelerin izafi korozyon direnci göz önünde bulundurularak seçilmelidir. Çoğu zaman birleştirilen farklı metallerden daha asal karakterde bir ilave metal kullanılarak istenen şartlar sağlanabilmektedir. Yani kullanılacak ilave metallerde Ni, Cr oranı yüksek olmalıdır. 

Yüksek işletme sıcaklıklarında, malzemelerde ortaya çıkması beklenen diğer bir konu da oksidasyondur. Çeliklerde Cr ve Ni içeriği arttıkça, oksidasyona karşı dayanım da artar. 
 

Kaynak sırasında sıvı haldeki ilave metal ile erimiş ana metal çeşitli oranlarda birbirleriyle karışırlar. Bu karışma sonucu kaynak metalinin bileşimi ilave metalin bileşiminden çok farklı hale gelir ve bu yüzden kaynak metalinde bağlantıyı gevrekleştiren istenmeyen yapılar oluşabilir. Özellikle ana metalden farklı kimyasal bileşime sahip ilave metal kullanıldığında ortaya çıkan bu durum farklı metallerin kaynağında özel bir öneme sahiptir. 

Seyrelme oranını en genel ve basit şekilde aşağıdaki formüle göre hesaplamak mümkündür. 

D = A / (A + B)

A= Erimiş Esas Metallerin Alanı 
B= İlave Metal Alanı 
A+B= Toplam Kaynak Dikişi Alanı 
D= Seyrelme Oranı 

Bir kaynak bağlantısındaki seyrelme miktarı çeşitli faktörlere bağlıdır.

a- Kullanılan kaynak yöntemi: TIG-WIG Kaynağı % 25-50, MMA Kaynağı % 25-40,Tozaltı Kaynağı % 25-60, MIG Kaynağı % 25-40.
b- Kaynak ağzının şekli 
c- Malzeme kalınlığı 
d- Kaynak akımı 
e- Kaynak gerilimi 
f- Kaynak hızı 
g- Kullanılan yardımcı koruyucu gaz 
h- Kaynak pozisyonu 

Tek pasolu kaynaklarda ve kalın kesitli parçaların kök pasolarında ana metalin erime oranı diğer pasolara oranla oldukça yüksektir. Bu nedenle seçilen ilave metal özellikle kök pasolarda fazla seyretmeye uygun olmalıdır. Kalın kesitli malzemelerde, yan yana pasoların bulunduğu kaynak dikişinin orta bölgelerinde ise, ana metalin erime oranı kök pasoya göre daha azdır. 

Eğer aynı iki metal kimyasal bileşimi benzer bir ilave malzemeyle birleştirilirse seyrelmenin mekanik özelliklere kötü bir etkisi olmaz. Ancak bu durum farklı iki metalin kaynağında daha büyük önem kazanmaktadır örneğin C-Mn'lı bir kaynak metalinin C-Mn'lı bir ana metal tarafından seyretilmesi büyük problemlere yol açmazken aynı seyreltinin dökme demir ya da nikel alaşımlı bir malzeme ile söz konusu olması halinde durum ciddi boyutlara ulaşır. Bu gibi metallerde meydana gelen uygun olmayan seyreltiler özellikle soğuma sırasında çatlamaya duyarlı martenzitik bir yapının ortaya çıkmasına neden olabilmektedir. 

Erime oranı hakkında yaklaşık olarak karar verildikten sonra ise kaynak dikişinin kimyasal bileşimi hesaplamak mümkündür. 
 

Demir her oranda eriyebilir ve bunun fazla bir sakıncası yoktur. Nikel, krom, karbon, silisyum ve manganez gibi elementlerin kaynak metaline etkileri SCHAEFFLER Diagramında gösterilmiştir. Genel amaç, çok sert ve kırılgan olan tamamen martenzitik bir yapının oluşmasını önlemektir. Dolayısıyla karbonlu ve hafif alaşımlı çelikten imal edilen ilave metaller, nikel esaslı alaşımların, paslanmaz çeliklerin ve yüksek sıcaklık dökme alaşımlarının kaynağında kullanılmamalıdır. 

Bu tip ilave metallerde bakır miktarı az olmalıdır. Bu da nikelin gösterdiği etkiyi gösterir. Bakır miktarı artarsa, sıcak kırılganlık tehlikesi ortaya çıkar. Bu nedenle karbonlu ve hafif alaşımlı çelikten imal edilen ilave metaller, bakır ve bakır esaslı alaşımların kaynağında da kullanılmamalıdır. 

Ostenitik Çelik İlâve Metallerde Erime Durumu 

Demir, nikel, krom, silisyum, manganez ve karbonun etkisi yine SCHAEFFLER Diagramından hesaplanabilir. Tamamen ostenitik yapılar, sıcak çatlamaya duyarlı olduklarından, böyle durumlardan kaçınılmalıdır. Benzer tarzda martenzit oluşumu da istenmeyen bir husustur. Çatlamaya karşı dayanıklı ve gevrek olmayan bir yapı, ostenit ve % 4-10 ferritten meydana gelir. Dolayısıyla da uygulamada dikkatli bir seçimle, ostenitik ilave metaller, karbonlu ve hafif alaşımlı kromlu çeliklerin, paslanmaz çeliklerin ve benzer bileşimlerdeki yüksek sıcaklık dökme alaşımlarının kaynağında kullanılabilmektedir. Nikel esası' alaşımlarda ve fazla miktarda nikel içeren yüksek sıcaklık dökme alaşımlarında ostenitik ilave metaller kullanılmamalıdır. 

Karbonlu ve hafif alaşımlı ilave metallerde olduğu gibi ostenitik ilave metallerde de bakır kötü bir etkiye sahiptir. Bunun için bakır ve bakır esaslı alaşımların kaynağından sakınılmalıdır. 

Kromlu Çelikten üretilmiş ilave Metallerde Erime Durumu 

% 3-30 nispetinde krom içeren Krom-Demir malzemeler mevcuttur ve bunlara uygun bazı ilave metaller kullanılabilmektedir. Bununla beraber yüksek kromlu kaynak metallerinde tane büyümesi ve porozite tehlikesi baş gösterir. Bunu önlemek için de genellikle ostenitik veya nikel esaslı ilave metaller kullanılmaktadır. 

Erimenin etkisi, SCHAEFFLER Diagramından önceden tespit edilebilirse de pratik olarak, farklı malzemelerin kaynağında krom-demir veya krom-çelikten mamul ilave metaller kullanılmamalıdır. 

Kromlu çelikten mamul ilave metaller kullanıldığında bakırın varlığı istenmez, dolayısıyla da bakır ve bakır esaslı alaşımların kaynağında bu cins ilave metaller kullanılmamalıdır. 

Saf Nikelli İlave Metallerde Erime Durumu 

Nikel ve bakır, bütün bileşim seviyeleri için uygundur ve basit bir katı eriyik serisi meydana getirirler. Dolayısıyla da her seviyede nikel ve bakırın erimesine izin verilir. Nikel esaslı ilave metallerde, kabul edilebilen maksimum krom erime oranı % 30-35 civarındadır. Bu oranın üzerine çıkıldığında istenilen özellikler kaybolur ve yapı kararsız hale gelir. 

Nikel kaynak elektrotu (ASME-SFA. 5.11 - Class ENi-1 veya DIN 1736-S-NiTi 3) kullanıldığında, eriyik içerisinde % 40 oranında demir bulunmalıdır. Nikel kaynak teli (ASME-SFA 5.14-Class ERNi-1 veya DIN 1736-S-NiTi 4) kullanıldığı zaman ise demirin erime oranı % 25-30'u geçerse, sıcak çatlama problemi ortaya çıkmaktadır. 

Nikel-Bakırdan imal Edilen ilave Metallerde Erime Durumu 

Nikelden imal edilen ilave metallerde olduğu gibi, nikel ve bakırın her oranda erimesine izin verilir. Dolayısıyla her oranda erime, çatlama tehlikesi söz konusu olmaksızın uygun görülebilir. 

Nikel-bakırdan (monel) imal edilen ilave metallerde kromun etkisi kötüdür ve krom miktarı % 6'dan fazla olursa, ciddi çatlaklar oluşur. 

Demirin erime etkisi, ilave metal ve kaynak yöntemine göre değişir. Monel kaynak elektrotu (ASME-SFA 5.11-Class ENiCu 7 veya AWS-A5.11-Class ENiCu 7) ile % 30 oranında erimeye izin verilir ve bu oran aşıldığında sıcak çatlama meydana gelebilir. TIG ve MIG kaynak yöntemlerinde kullanılan monel kaynak teli (ASME-SFA 5.14-Class ERNiCu 7 veya DIN 1736-S-NiCu30MnTi) kullanıldığında çatlamaya karşı % 10-15 oranında demirin erimesine izin verilir. Gerilme giderme tavlama gerekiyorsa TIG ve MIG kaynağında % 5 kadar düşük orandaki demir miktarı bile problem yaratabilir (süneklik azalır). 

Nikel-bakır içeren kaynak metallerinde % 0,4'den fazla karbon miktarı, grafit çökelmesine neden olur ve dolayısıyla süneklik azalır. Ayrıca % 1,5'den fazla silisyum, kaynak metalinin sünekliğini ciddi derecede azaltır. Diğer taraftan manganezin faydalı etkisi vardır ve sünekliği artırır. 

Nikel-Demir-Kromdan imal Edilen ilave Metallerde Erime Durumu 

Çatlama problemi söz konusu olmadan nikelin her seviyede erimesine izin verilir. Bitmiş kaynak metalinde kabul edilebilen maksimum krom erime miktarı % 30-35 civarındadır. İlave metaller % 20-30 civarında krom içerdiğinden, kromun erimesinden ötürü çıkabilecek problemler, ancak kaynak edilen malzeme % 30'dan fazla miktarda krom içerdiği zaman söz konusu olmaktadır. Bunun için ASME-SFA 4.14-Class ERNiFeCr 1 tercih edilmelidir (% 19,5-23,5 Cr içerir). 

Kabul edilen maksimum demir erime oranı % 10-15 civarındadır. Bu miktarın üzerine çıkılırsa, kaynak metali tamamen ostenitik paslanmaz çeliğe benzer ve sıcak çatlama tehlikesi ortaya çıkar. Bu da Ni/Fe/Cr esaslı ilave metallerin yüksek, alaşımlı paslanmaz çeliklerin kaynağında kullanılabileceğini, fakat karbonlu çeliklerde kullanılamayacağını göstermektedir. 

Çatlama problemlerinin ortaya çıkması için izin verilebilen maksimum bakır erime oranı % 15 civarındadır. Bu tip ilave metallerde karbon, silisyum ve manganezin erime seviyelerinin herhangi bir çatlama tehlikesi doğurmayacağı umulmaktadır. Fakat silisyum % 1 oranından fazla olduğu zaman, çatlamaya karşı direnci azalttığından, bir istisna olarak kabul edilmektedir.