TİTANYUM (GRADE 1) - IATS'09 - Karabük Üniversitesi

5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye
Özet
TİTANYUM (GRADE 1) MALZEMENİN LASER KAYNAĞI YÖNTEMİYLE
BİRLEŞTİRİLMESİNİN İNCELENMESİ
INVESTIGATION OF THE WELDABILITY OF (GRADE-1) TITANIUM
ALLOY BY LASER WELDİNG METOT
a, *
Mustafa Selçuk KESKİN
a, * Dicle Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Diyarbakır, Türkiye,
E-posta: keskinms@gmail.com
Titanyum alaşımlarının havacılık, otomotiv, kimya gibi dev
endüstrilerde kullanım oranının gün geçtikçe artması;
kaynak edilmiş titanyum malzemelere olan talepte hızla
artmaktadır. Titanyumun kaynağı, yüksek sıcaklıkta veya
ergimiş haldeki yüksek reaktifliği nedeni ile oldukça zordur.
Kaynak sırasında oluşan bu imalat problemleri, titanyumun
kullanılabilirliliğinin düşmesine neden olmaktadır. Lazer
kaynağı son dönemde özellikle endüstriyel imalat için artan
önem kazanmıştır. Lazer kaynağı yüksek enerji
yoğunluğuna sahip bir ışınla kaynak işlemidir. Bu
çalışmada; titanyum malzemesinin Laser kaynağı
yöntemiyle birleştirilmesi incelenmiştir. Laser kaynak
edilmiş numunelere mikro yapı incelenmesi, vickers sertlik,
çekme, eğme deneyi yapılarak; kaynaklı metalinin mekanik
özellikleri incelenmiştir. Laser kaynak yöntemi kullanılarak
başarıyla kaynaklanabilirliği görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Laser kaynağı, mekanik özellik
Abstract
The wide and diversified range of successful application of
titanium alloys in major industries such as aerospace,
automotive and chemical plant has been increasing the
demand to titanium welds. Welding of titanium is difficult
becaus of its high reactivity. These manufacturing
problems which appear during the welding processes
decrease the industrial applicability of titanium. Laser
welding has achieved increased significance especially for
industrial production in recent years. Laser welding is a
high energy beam process. In this study; Investigation of
the weldability of Titanium alloys by Laser welding methot
.The mechanical properties of welded metal were
experimentally investigated; microstructural investigation,
tensile strength and hardness of weldment were
determined. There results indicated that Titanium can be
welded by using Laser welding.
Key Words: Laser welding, mechanical properties
1. Giriş
Bilinen kaynak yöntemlere göre, lazer ışını ile kaynak
yöntemi yeni ve otomasyona elverişli bir ergitme kaynağı
yöntemi olarak dikkati çekmektedir. Odaklanmış ışın
etkisiyle metal yerel olarak ergitilmekte ve bir anahtar deliği
oluşumu ile derin kaynama etkisi elde edilmektedir. Elde
edilen kaynak dikişleri çok dar olmakla beraber, yüksek
güçlü lazerlerin kullanımı ile 15 mm ye kadar levha
© IATS’09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
kalınlıklarının kaynakla birleştirilmektedir. Isı girdisi yerel
olduğundan ısı hızla uzaklaşmaktadır. Bu kaynak
yönteminin başlıca özellikleri: Ticari olarak metallerin
kaynağı için yüksek güvenilirlik, kolay operasyon ve düşük
maliyetli laser kaynak sistemleri gerekmektedir[3, 6, 7, 9].
Günümüz sanayisinin ihtiyaç duyduğu düşük yoğunluklu,
yüksek dayanım, yüksek korozyon direnci, yüksek
sıcaklıklarda sürünme dayanımı gibi özelliklere sahip
olması titanyumu günlük yaşantımızda sıklıkla
karşılaşacağımız bir malzeme haline getirmiştir. Bu
nitelikleri sayesinde titanyum alaşımları kimya
endüstrisinde, çeşitli hafif tasarımlarda, nükleer güç
santrallerinde, uçak–uzay endüstrisinde, jet motorlarında,
ısı eşanjörlerinde, diş hekimliğinde, tıpta protez ve implant
malzeme yapımında, gözlük çerçevesi gibi birçok aracın
yapımında kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra kaynak
edilebilirliliğinin de bilinmesi gerekmektedir. Titanyum gibi
özel bir malzemenin laser kaynağı ile kaynak
edilebilirliğinin bilinmesi gerekmektedir[1, 2, 4, 5, 8].
Bu çalışmada grade1 titanyum malzemenin, Laser kaynak
yöntemi ile kaynak edile bilirliliği incelendi. Kaynak öncesi
ve sonrası uygulanması gerekli kurallar ele alınmış. ve
ülkemizde yüksek oranda kullanılan ticari saflıktaki
(grade1) titanyum alaşımının kaynak kabiliyetini etkileyen,
ana malzeme özellikleri, kaynak yöntemi, kaynak işlemi
sonraki mekanik değerlerin incelenmesi, kaynak işlemi
sırasında faz dönüşümleri incelenmiştir.
2. Deneysel Çalışmalar
2.1 Kullanılan Hammaddeler
Çizelge 1. Kullanılan malzemenin kimyasal bileşimi
aşağıda sunulmuştur.
Ti
Grade1
Bu çalışma da malzeme olarak Grade1 kalitede titanyum
sac levhalar kullanılmıştır. Kullanılan malzemelerin
kimyasal kompozisyonları Tablo 1’de verilmiştir.
2.2.Deney Prosedürü
N C H Fe O
0.03 0.08 0.015 0.20 0.15
Titanyum Grade1 malzemeler için kullanılan Laser kaynak
parametreleri Çizelge 2. de verilmiştir.

Çizelge2.Titanyum Grade1 malzemesinin birleştirilmesinde
seçilen Laser kaynak parametreleri
Odaklama Laser Gücü Hız
1,5mm 1,85kw 8,4 ms
Bu araştırmada Titanyum Grade1 malzemesinin, Laser
ışını (Laser HL 124P) kullanılarak ilave malzemesiz olarak
birleştirilmiştir. Laser ışını ile birleştirilmiş Titanyum Grade1
malzemesinin kaynak karakteristikleri mikro yapı ve
mekanik testler ile elde edilmiştir. Mikro yapı
incelemelerinde Leica ışık metal mikroskobundan
yararlanılmış ve ana malzemeden kaynak bölgesine kadar
mikro yapı özellik değişimleri incelenmiştir. Mekanik
incelemelerde ise sertlik testleri (Vickers), eğme testleri ve
çekme testleri uygulanmıştır.
Şekil 1. Kaynakla birleştirilmiş parçalardan çıkarılan
çekme, eğme, sertlik ve mikroyapı numuneleri.
Çekme, eğme, sertlik ve mikroyapı deneylerinde
kullanılacak numunelerin ebatları ve birleştirilen parçaların
neresinden alındığı Şekil 1.’de gösterilmektedir.
2.3 Deney Sonuçları
Çekme ve eğme deneyleri; Tablo 3, Tablo 4 ve Tablo 5 de
eğme ve çekme testlerinden elde edilen sonuçları
göstermektedir. Her deney için üçer adet numune
kullanılmış olup, çekme deneyleri TS 287 EN 895 ve eğme
(katlama) deneyleri ise TS 282 EN 910 standartlarına göre
gerçekleştirilmiştir. Eğme deneyleri, numuneler kaynaklı
bölgelerden 120 0 ’ye kadar katlanarak yapılmış ve gözle
muayene ile kaynak bölgesinde çatlak kontrolü
gerçekleştirilmiştir. Üç numuneden sadece bir tanesinde
(ITAB’da) yaklaşık olarak 0,5 mm uzunluğunda çatlak
gözlemlenmiştir. Çekme deneylerinde ise kopma bölgeleri
belirlenmiş olup, numunelerin tümü ana malzemeden
kopmuştur. Kopma dayanım değerleri, Titanyum Grade1
malzemesinin standart kopma dayanım değerleri ile
örtüşmektedir.
Çizelge 3. Laser kaynağı ile birleştirilmiş malzemelerin kök
eğme test sonuçları
Numune Numune Numune Eğme
boyu Kalınlığı açısı
Ti
Grade1
200(mm) 3(mm) 120 0
Çizelge 4. Yüz eğme deney sonuçları
Keskin, M.S.
Çizelge 5. Titanyum Grade1 malzemesinin Çekme Deneyi
Sonuçları
Sertlik deneyleri; Sertlikler ana malzemeden kaynak
dikişine kadar Vickers sertlik (HV) ölçüm yöntemi
kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen sertlik dağılımı Şekil
1’de verilmiştir. Sertlikler 0,2 mm aralıklar ile ölçülmüş.
Kaynak dikişinin merkezinden itibaren, ısı etkisi altındaki
bölge (ITAB) ve ana malzemeye kadar sertlik taraması
yapılmıştır.
Hv
300
250
200
150
100
50
0
Mal. ITAP Kaynak Böl. ITAP Mal.
0 1 2 3 4
mm
Muayene
Çatlak
yok
Numune Numune
boyu
Numune
Kalınlığı
Eğme
açısı( 0 )
Muayene
Ti 200(mm) 3(mm) 120 Çatlak
Grade1
0,5 mm
Numune Akma
dayanımı
Ti
Grade1
179
N/mm 2
% Çekme
uzama dayanımı
28 407
N/mm 2
Kopma Kopma
şekli yeri
Sünek Ana
malzeme
Şekil 2. Laser kaynağı ile birleşme sonrası kaynak
bölgesindeki sertlik dağılımı
Elde edilen sonuçlara göre en yüksek sertlik değeri kaynak
dikişinde tespit edilmiş olup, yaklaşık 277 HV’dir. Kaynak
dikişinin çok kısa sürede ergimesi ve ergiyik bölgenin hızla
soğuması sonucu elde edilen bu bölgenin sertliğinin
yüksek çıkmasına yol açmıştır. Benzer biçimde ITAB’da
ısı etkisi ile γ bölgesine kadar sıcaklık yükselmiş ve kaynak
sonrası ani soğuma şartlarında kısmi dönüşüm
gerçekleşerek, ana malzemenin sertliğinden daha yüksek
sertlik elde edilmiştir. Ana malzemede elde edilen ortalama
sertlik değeri 176 HV iken, ITAB’da ortalama sertlik değer
193 HV ve kaynak bölgesinin merkezinde ortalama olarak
277HV sertlik ölçülmüştür.
Mikro yapı incelenmesi; Şekil 3’de Laser ile kaynak edilmiş
Titanyum Grade1 malzemesinin farklı bölgelerinin mikro
yapıları verilmiştir.

(a)
(b)
(c)
Şekil 3. Laser Işını ile kaynak; ana malzeme (a), ITAB (b)
ve kaynak dikişi (c) 200 µm
Şekil 3a’da geçiş bölgesi olarak kaynak kesiti verilmiş olup,
ana malzeme, kaynak dikişi ve ITAB birlikte görülmektedir.
Sonuç
Laser ile kaynakta, geleneksel yöntemlere göre çok dar bir
alana daha hızlı bir şekilde ısı girdisi olmaktadır. Bu da
işlemin geleneksel yöntemlere göre çok daha hızlı
olmasına yol açmaktadır. Böylesi hızlı bir kaynak işleminde
kaynak havuzu çok kısa bir sürede oluşmakta ve bu sırada
ITAB da çok hızlı olarak γ sahasına çıkmaktadır. İşlemin
hızlı olması nedeni ile kaynak işlemi bitiminde bu bölgeler
ani soğuyarak faz dönüşümü ile dokularını
değiştirmektedirler. Ne var ki, geleneksel yöntemlere göre
dönüşmüş bölgelerin sınırları çok dar biçimde ortaya
çıkmaktadır; böylece kaynak bölgesi boyunca mekanik
özelik değişimleri de dar sınırlarda kalmaktadır.
Keskin, M.S.
Titanyum Grade1 malzemesi, iki parçanın birleştirilmesi ile
elde edildiğinden, beklenen yeterli mekanik dayanım
doğrudan birleşme dayanımları ile ilişkilendirilmektedir. Bu
tür malzemelerin birleştirilmesinde alışılmış kaynak
yöntemlerinin yanı sıra otomasyona yatkınlığı nedeniyle
Laser ışını ile kaynak yöntemi de tercih edilebilen
yöntemler arasına girmektedir. Laser ışını ile kaynak
yöntemi, günümüzde artan olanaklarla da birlikte bazı tür
Titanyum alaşımlarının kaynağında başarı ile
kullanılabilmektedir.
Titanyum Grade1 malzemesi, Laser ışını ile kaynak
edilmiştir. Elde edilen sonuçlar aşağıda verilmiştir:
Elde edilen kaynak dikişi geleneksel yöntemlere göre çok
dar sınırlar içinde olup, dikiş genişliği yaklaşık 1,5 mm’dir.
Kaynak dikişinde herhangi bir çatlak, eksik nüfusiyet ve
porozite oluşmamıştır.
Laser kaynağı ile birleştirilmiş Titanyum Grade1
malzemede çekme deneyi sonucunda kopma ve kesit
daralmasının kaynak metalinde değil ana malzeme
tarafında gerçekleştiği görülmüştür.
Birleşme sonrası en yüksek sertlik kaynak dikişinde elde
edilmiştir. Laser ışını ile birleşmede ilave malzeme
kullanılmadan kaynak edilmiştir. Katılaşma çok hızlı
gerçekleşmiştir.
ITAB geleneksel yöntemlere göre dar sınırlarda
oluşmuştur. Kaynak sırasında oda sıcaklığından ani
soğuma nedeni ile dokuda kısmen dönüşmüştür. Ana
malzemeye göre sertlik artarak yaklaşık 277 HV değerine
yükselmiştir.
Elde edilen deneysel sonuçlara göre, Titanyum Grade1,
laser ışını ile ilave malzeme kullanılmadan emniyetli bir
şekilde birleştirilebilmektedir.
Kaynaklar
[1] Meran C., Canyurt O. E. , Influence Of Tool Pressure
Force On Frıctıon Stır Weldabılıty Of Aısı 304
Austenıtıc Staınless Steel Proceedings of 12 th
International Materials Symposium (IMSP’2008),
October 15-17, 2008, Denizli, Turkey
[2]. Kaluç, E., Tülbentçi, K., 1995, Paslanmaz Çelikler ve
Kaynaklanabilirliği, Seminer Notları, Kocaeli
Üniversitesi,Kaynak Teknolojisi Araştırma, Eğitim ve
Uygulama Merkezi, Kocaeli
[3]. Committee., 1984, Welding Handbook, V.4.7. Edition
AWS, U.S.A
[4]. TSE 2535, 1976, Biçimlenebilen Paslanmaz Çelikler,
TSE, Ankara
[5] Erhardt,K.M., Heine, A., Prommersberger, H., ‘Laser in
der Materialberabeitung’ Vogel Buchverlag, ISNB: 3-
8023-0480-2.
[6] Hofe, D. Fügetechnik Schewisstechnik, ISBN 3-
87155-904-0, Düsseldorf.

[7] Sebastian T., Michigan Automotive Steering Systems,
Chapter 27,Handbook of Automotive Power
Electronics and Motor Drives, 2007.
[8] Yeşildal C, Karaaslan A, ‘Otomotiv Sektöründe
Kullanılan Ergitme Esaslı Kaynak Yöntemleri Ve Bu
Yöndeki İlerlemeler’, Metalurji Malzeme, Yıl:3,
Sayı:13, Eylül-Ekim 2007, S. 108-110.
[9] Keskin m. s., Karaaslan a. , ‘’Laser Weldıng Of Lınk
Stabılızer Rod’’, Proceedings of 12 th International
Materials Symposium (IMSP’2008), October 15-17,
2008, Denizli, Turkey
Keskin, M.S.