Soğuma Hızının Etkisi ve Ön Tav Sıcaklığının Belirlenmesi

 

Çeliğin elektrik ark kaynağında sıcaklık değişmeleri çoğunlukla çok çabuk oluşur ve bu kadar hızda normal denge şartları gerçekleşemez. Bu sebepten ötürü de çabuk soğumanın ısının etkisi altında kalan bölgeye etkisini etüt etmek önemlidir. Eğer hesap yoluyla ısının etkisi altında kalan bölgenin çeşitli noktalar için zamanın fonksiyonu olarak sıcaklık değişimi belirtilebilir ve ayrıca çeşitli ostenitleşme sıcaklıklarında C-T diyagramı bilinirse, meydana gelecek yapılar büyük bir yaklaşımla önceden tahmin edilebilir.

Erime bölgesinin çabuk soğutulması halinde, ostenit daha yüksek sıcaklık aralığında (Ms-martenzit oluşum sıcaklığının altında) martenzite dönüşür. Birçok yapı çeliklerinin kaynağında, çok daha az karbon içeren kaynak metali kullanıldığından, normal yapı çeliklerindeki erime bölgesinde martenzit oluşma tehlikesi o kadar yüksek değildir.

Kaynak sırasında ısının etkisi altında kalan (1) numaralı bölge tamamen ostenitleşmiştir. Bu bölgedeki soğuma hızı, kritik soğuma hızını geçerse tamamıyla martenzitik bir içyapı oluşur. Bazı çeliklerde daha yavaş soğuma halinde, eğer çeliğin C-T diyagramı uygun ise, beynitik yapı meydana gelebilir. Çok defa bütün (1) numaralı bölgede yalnız kaynak çizgiyi boyunca martenzitik yapıya rastlanır. Bunun nedeni buradaki ostenitleşme sıcaklığının yüksek ve ostenit tanelerinin büyük olmasıdır. Bu ikisinde de kritik soğuma hızını düşürme etkisi vardır. Bu da, martenzitin meydana gelme tehlikesini arttırır. Isının etkisi altında kalan bölgedeki sertleşme tehlikesi büyük çapta çeliğin bileşimine ve soğuma hızına bağlıdır. Örtülü elektrotlarla yapılan ark kaynağında, kalın kesitlerde büyük kaynak hızı ve düşük akım şiddeti (ince elektrot) kullanılırsa, normal karbonlu çelik, düşük karbonlu çelik bir ilave metal ile kaynak edilse bile, kaynak çizgili boyunca (1.numaralı bölge) martenzit meydana gelebilir.

Oda sıcaklığında kaynaktan önceki yapı, biraz perlit içeren ferrittir. 723° C (A₁) sıcaklığına erişince, perlit aynı miktarda karbon içeren ostenite dönüşür.

Maksimum sıcaklığın (A₁) in üstüne çok az çıktığı burada, yalnız ferritin çok az bir kısmı ostenitleşir ve ostenit çok yüksek miktarda karbon içerir. Ostenitin içerdiği karbon miktarı (y) çeşitli maksimum sıcaklıklar için denge diyagramından okunabilir. 

Meydana gelen ostenit, ferrit taneleri sınırı boyunca yayılır. Yüksek oranda karbon içeren ostenit, ostenit dönüşmesinin tamamlandığı bölgedeki az karbon içerene oranla daha düşük bir kritik soğuma hızına sahiptir. Çabuk soğumada ferrit taneleri arasındaki ostenit martenzite dönüşebilir. Eğer tane sınırları etrafında yayılmış ise, ferrit taneleri arasında yüksek karbonlu bir martenzit ağı meydana gelir. Bu martensit yüksek miktarda karbon içerdiğinden çok sert ve kırılgan olacaktır. Dolayısıyla bütün yapı, çeliğin içerdiği karbon miktarı az olmasına rağmen kırılgan ve çok sert bir hale gelecektir. 

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

Farklı malzemelerin kaynağında ön tav sıcaklığının belirlenmesi konusunda çeşitli formüller geliştirilmiş olmasına karşın bu bölümde iki yöntem detaylı bir şekilde incelenmiştir. Zira bu metotlar uygulamada daha geniş bir kullanılabilirlik serbestliği tanımaktadır. Ancak bütün yöntemlerin ortak yönü ön tav sıcaklıklarını karbon eşdeğerine göre (C_eş) bulmalarıdır. 
 

 
Ön tavlama sıcaklığının pratik olarak belirlenmesi konusunda önemli bir çalışma 'British Welding Research Association'da (B.W.R.A) COTTRELL ve BARDSTREET tarafından yayımlanmıştır. Yazarlar, ark kaynağına ait bütün faktörleri hesaba katmışlardır. Bunlar: 

- Çeliğin karbon eşdeğeri [C] ile ifade edilen kimyasal kompozisyonu, 
- Bağlantının şekli, parça boyutları ile ifade edilen ısıl ağırlık sayısı (I.A.S)
- Elektrot cinsi ve çapıdır. 

Bu bölümde B.W.R.A. metoduna göre ön tay sıcaklığının belirlenmesi için gerekli olan bütün faktörler gösterilecektir. 

a) Aşagıda verilen ifadeye göre hesaplanan ve çeliğin kimyasal analizine bağlı olan karbon eşdeğeri [C] ile ifade edilmektedir. 

[C] = C % + (Mn/20) + (Ni/15) + (Cr + Mo + V) / 10

Bu gösterge kullanılan elektrotun rutil ya da bazik tip olmasına göre farklılıklar gösterir. 

b) Bağlantının şekli ve parçanın boyutları ısıl ağırlık sayısını belirler. İki yollu ısı kaçışına sahip alın alına bir kaynakta katsayı 2 iken, köşe kaynağında 3 yollu bir ısı kaçışında bu katsayı 3'dür. Haç şeklindeki bir kaynakta ısı yayılımı 4 yollu olurken katsayı da 4'dür. Kalınlık birimi 6 mm'ye eşit kabul edilmektedir. I.A.S değeri ısı dağılma katsayısının 6'nın katları olan kalınlık faktörü ile çarpılması sonucu elde edilir. 

Böylece, alın alma kaynatılan 56 mm kalınlığındaki iki saca ait I.A.S.= 2 olur. 24 mm kalınlığındaki iki sacın alın alma birleştirilmesi halinde ise: 

(24 x 2) / 6 =  8 
24 mm kalınlığındaki bir sac ile 12 mm kalınlığındaki bir sacın köşe kaynağında ise: 

(4+2) / 2 x 3 = 9

Diğer yandan, 12 ve 18 mm'lik iki sacın 24 mm kalınlığındaki bir plakaya haç işareti oluşturacak şekilde bağlanması halinde I.A.S.= 13'dür.
 

Düşük alaşımlı çeşitli çelikler üzerinde gerçekleştirilen araştırmalarda tampon tabakanın sertliğinin deneysel olarak kontrol edilmesi ile, on tay sıcaklığının hesaplanması için ortaya çıkarılan basit bir formül geliştirmiştir. 

Ön tav sıcaklığı (Tp) aşağıdaki formülle belirlenmektedir.



[C] toplam karbon eşdeğerini ifade etmektedir. 

Toplam karbon eşdeğeri, çeliğin kimyasal analizine bağlı olan kimyasal karbon eşdeğeri [C]_e ile parça kalınlığına bağlı olan kalınlık karbon eşdeğeri [C]_e'nin toplamıdır. 

[C]= [C]_e + [C]_e
 
Bu ifadede 0,25, karbonun kaynak edilebilirlik üzerindeki üst limitidir. Bunun üstündeki değerlerde ön tav zorunludur. 

Kimyasal karbon eşdeğeri şu ifade ile belirlenir. 

360 [C_e]= 360 %C + 40 (% Mn+% Cr) + 20 %Ni + 28 %Mo 

Kalınlık karbon eşdeğeri [C]_e bir yandan parça kalınlığına diğer yandan çeliğin su alma eğilimine yani çeliğin kimyasal karbon eşdeğerine bağlıdır. 

[C]_e= 0,005 . e . [C]_e 

e, milimetre cinsinden olup, kalınlık sabiti deneysel olarak belirlenmiştir. Buna göre: 

[C]= [C]_e (1+0,005 . e) 

Aşağıda verilen örnekte 12 mm kalınlığındaki 25 CrMo 4 çeliğini ele alacak olursak, buna göre kimyasal karbon eşdeğeri: 

360 [C]_e- (360x0,25) + 40 (0,8+1) + (28x0,25) buradan; 

[C]_e= 0,46 hesaplanır 

ve 

[C] = 0,46 (1+0,05x12)= 0,48 

ön tav sıcaklığı 



ki bu değer B.W.R.A. metodunun verdiği değere çok yakındır.