Derin Okuma — Friction Stir Welding

Dönen bir pimin bıraktığı iz

Bir alüminyum levha düşün. İki parça, aralarında milimetrenin altında bir çizgi. Karşısına bir takım geliyor. Ucu silindirik, altında küçük bir pim. Takım dönerek levhanın içine dalıyor, ilerliyor, çıkıyor. Geriye kalan yerde erimiş metal yok, kıvılcım yok, duman yok. Sadece pimin bıraktığı, gözle zor seçilen bir dikiş var.

Kaynak denince akla gelen şey bu değil. Elektrot, ark, ergimiş havuz, cüruf. Sürtünme karıştırma kaynağı bu resmin tamamen dışında duruyor. Metal erimiyor. Yumuşuyor, karışıyor, katılaşıyor. Aradaki fark, bir malzemenin bütün kariyerini değiştirecek kadar büyük.

Erimeden birleşen metal

Sürtünme karıştırma kaynağının özü tek bir cümlede anlatılabilir. Dönen bir takım, malzemeyi erime noktasının hemen altına kadar ısıtır ve mekanik olarak karıştırır. Sıcaklık alüminyumda tipik olarak 400-480 santigrat aralığında kalır. Saf alüminyumun erime noktası 660 santigrat. Arada 180-260 derecelik bir güvenlik bandı var.

Bandın anlamı şu. Erimiş metal, katılaşırken tane yapısını yeniden kurar. Gözenek oluşur, çatlak başlar, alaşım elementleri segregasyona uğrar. 7075 gibi yüksek mukavemetli alüminyumlar bu yüzden klasik ark kaynağında neredeyse kaynaklanamaz kabul edilir. Erimediğinde bu sorunların çoğu ortadan kalkar.

Peki ısı nereden geliyor? Takımın omzu, yani pimin üstündeki geniş disk, levha yüzeyine bastırılır. Dönme sürtünmesi ile plastik deformasyon ısısı birleşir. Isının kabaca yüzde 80-90'ı omuz sürtünmesinden, kalanı pimin karıştırma işinden gelir. Takım ilerlerken pim önündeki malzemeyi arkaya taşır. Malzeme katı halde akar, bir hamur gibi.

Sıcaklık dağılımı dikiş boyunca eşit değil. Takımın ilerleme yönü ile dönme yönünün aynı olduğu taraf, advancing side, daha sıcak olur. Karşı taraf, retreating side, 30-50 derece daha soğuk kalır. Asimetri, dikişin iki yanında farklı tane boyutu ve farklı sertlik yaratır. Çoğu uygulamada bu fark tolere edilir, ama yorulma kritik parçalarda takımın dönüş yönü parçanın yük yönüne göre seçilir.

Omuz çapı ile pim çapı arasındaki oran da kritik. Tipik olarak omuz çapı, pim çapının 2,5-3 katı bandında tutulur. Oran küçülürse omuz yeterli sürtünme ısısı üretemez, dikiş soğuk kalır. Oran büyürse ısı girdisi artar, HAZ genişler, çökelti kaybı derinleşir. Omuz yüzeyi genelde içbükey, yani konkav profillidir. Içbükeylik, dönerken yumuşayan malzemenin dışa kaçmasını engeller, karıştırma bölgesinde hapseder.

Takım neden bu kadar kritik

Kaynağın kalitesi neredeyse tamamen takımın ömrüne bağlı. Takım 1000 santigrat üzerinde çalışır, aynı anda yüksek eksenel kuvvet taşır, sürekli aşınır. Alüminyum için takım malzemesi genelde tool steel veya tungsten karbür. Çelik için bu yetmez. Çeliği kaynaklamak isteyen takım 1200 santigrat üzerinde çalışmak zorunda ve bu noktada tungsten-rhenium alaşımları veya polikristalin kübik bor nitrür devreye girer.

Takım geometrisi de sabit değil. Omuz çapı, pim çapı, pim uzunluğu, vida dişi profili. Her parametre seti belirli bir levha kalınlığı ve alaşım için ayarlanır. 6 mm alüminyum için omuz çapı tipik olarak 12-18 mm bandında. Pim uzunluğu levha kalınlığının yüzde 90-95'i kadar. Oranlar tutmazsa ya yetersiz karışma olur ya takım kırılır.

Pim profili tek tip değil. Düz silindirik pim en basit, ama malzeme akışını yönlendiremez. Vida dişli pim, dönerken malzemeyi aşağı doğru pompalar, karışmayı iyileştirir. Triflute veya triflat adı verilen üç kanatlı geometriler, süpürme hacmini artırır ve gerekli eksenel kuvveti düşürür. Kuvvet düşünce makine çerçevesi hafifler, bu da yatırım maliyetini doğrudan aşağı çeker.

Bir de pim aşınmasının ölçülmesi meselesi var. Takım ömrü genelde dikiş metresiyle takip edilir ama asıl kritik sinyal, pim uzunluğundaki kısalma. Pim başlangıç uzunluğunun yüzde 5-10'unu kaybettiğinde karıştırma bölgesi incelir, kök nüfuziyeti düşer. O nedenle üretim hatlarında takım, kırılmadan önce planlı olarak değiştirilir. Kırılma anında durursan hem takım hem parça gider.

Eksenel kuvvet küçümsenecek bir kalem değil. 6 mm alüminyumda tipik olarak 5-10 kilonewton bandında, kalın levhada 20-30 kilonewtona çıkar. Çelikte bu rakam 40 kilonewtonun üzerine taşar. Yükü taşıyan makine, klasik bir kaynak makinesinden çok bir freze tezgahına benzer. Rijitlik, yataklama ve itme kapasitesi tasarımın merkezine oturur.

Devir sayısı ve ilerleme hızı ikilisi ısı girdisini belirler. Alüminyumda tipik bant 400-1200 devir/dakika ve 100-500 mm/dakika. Isı girdisi bu ikisinin oranıyla ters çalışır. Yüksek devir, düşük ilerleme eşittir fazla ısı, yumuşak dikiş, kalın intermetalik tabaka. Düşük devir, yüksek ilerleme eşittir soğuk dikiş, yetersiz karışma, tünel kusuru.

Dikişin içinde ne oluyor

Kaynak bölgesi tek bir malzeme gibi davranmaz. Dört ayrı bölge oluşur. En dışta ana metal, hiç ısı görmemiş. Onun içinde ısıdan etkilenen bölge, HAZ, sıcaklık görmüş ama karışmamış. Merkezde karıştırma bölgesi, pimin fiziksel olarak yoğurduğu yer. Bir de termomekanik etkilenen bölge, ikisinin arasında.

Karıştırma bölgesinde tane boyutu küçülür. Dinamik rekristalizasyon olur, taneler mikron altına iner. İnce tane, Hall-Petch ilişkisi gereği daha yüksek akma dayanımı verir. Ama aynı bölgede çözünen çökeltiler de parçalanır. 7075'te mukavemeti taşıyan MgZn2 çökeltileri, kaynak sıcaklığında çözünür ve soğuma sırasında yeniden çökelmeye fırsat bulamaz. Sonuç, karıştırma bölgesinde ana metalden yüzde 30-40 daha düşük akma dayanımı.

Kayıp geri kazanılabilir mi? Kısmen. Kaynak sonrası yapay yaşlandırma, yani parçayı 120 santigrat civarında saatlerce bekletmek, çökeltilerin bir kısmını geri getirir. Tipik olarak kayıp yüzde 30'dan yüzde 10-15 bandına iner. Ama tam geri dönüş olmaz, çünkü tane yapısı ve çökelti dağılımı artık farklıdır.

Isı girdisi bu denklemin ayar vidası. Yüksek ısı girdisi karışmayı kolaylaştırır ama HAZ'ı genişletir ve çökelti kaybını artırır. Düşük ısı girdisi HAZ'ı dar tutar ama tünel kusuru riskini büyütür. Optimum bant, alaşıma ve kalınlığa göre dar bir aralıkta oturur. 6 mm 7075 için bu aralık kabaca 0,8-1,2 kilojoule/mm ısı girdisi bandına denk gelir.

Kalınlık arttıkça oyun değişir. 6 mm tek geçişte kaynaklanır. 25 mm üzerinde tek geçiş yetmez, çift taraflı veya çok geçişli kaynak gerekir. Çift taraflı yöntemde iki takım, levhanın altından ve üstünden aynı anda çalışır, eksenel kuvvetler birbirini dengeler. Dengeleme, çerçeve rijitliği ihtiyacını yarıya yakın düşürür. Ama takım senkronizasyonu ve alt erişim, yeni bir mühendislik katmanı ekler.

Çeliğin direnci

Çelikte sürtünme karıştırma kaynağı bambaşka bir oyun. Erime noktası 1400-1500 santigrat bandına çıkıyor. Takım bu sıcaklıkta hem aşınır hem de malzemeye yapışır. 1990'lardan 2000'lere kadar çelik pratikte bu yöntemin dışında kaldı. Bugün yapılabiliyor ama ekonomisi hala tartışmalı.

Çelikte takım ömrü kritik darboğaz. Bir polikristalin kübik bor nitrür takım, alüminyumda binlerce metre kaynak yapabilir. Çelikte bu rakam onlarca metreye düşebilir. Takım maliyeti dikiş başına maliyete doğrudan yansır. O yüzden çelikte sürtünme karıştırma kaynağı, klasik yöntemlerin işe yaramadığı niş alanlarda tercih edilir.

Sıcaklık yönetimi çelikte daha da zor. Takım ucundaki sıcaklık 1000-1200 santigrat bandına çıkar, ama takımın gövdesi soğuk kalmalı. Aksi halde takım tutucuya kadar ısınır, yataklar bozulur. O yüzden çelik hatlarında içten su soğutmalı takım tutucular kullanılır. Soğutma devresi, takım maliyetini bir kat daha artırır.

Bir de faz dönüşümü sorunu var. Çelik, sıcaklıkla faz değiştirir. Kaynak bölgesi kritik sıcaklığın üzerine çıkarsa, soğuma hızına bağlı olarak martenzit oluşur. Martenzit sert ve gevrek. Yavaş soğutma ile ferrit-perlit yapısı korunabilir ama bu sefer de üretim hızı düşer. Alaşımlı çeliklerde bu denge daha da hassaslaşır.

Karbon eşdeğeri burada anahtar kavram. Yüksek karbon eşdeğerli çelikler, kaynak sırasında hızlı soğursa martenzite kayar. Sürtünme karıştırma kaynağının avantajı, ısı girdisinin ark kaynağına göre daha düşük ve daha yerel kalması. Bu, soğuma hızını yavaşlatır ve martenzit riskini azaltır. Ama tamamen ortadan kaldırmaz. Ön ısıtma veya kaynak sonrası tavlama, hala birçok çelik uygulamasında zorunlu adım.

Nişler nereler? Yüksek karbon eşdeğerli çelikler, farklı çelik türlerinin birleştirilmesi, tek taraftan erişimin olduğu kapalı profiller. Bir de tekrar eden, yüksek hacimli hatlar. Otomotivde alüminyum için bu yöntem artık standart. Çelikte ise hala seçici davranılıyor.

Piyasa Hafızası

1991 yılında İngiltere'deki The Welding Institute, sürtünme karıştırma kaynağının patentini aldı. Wayne Thomas ve ekibinin geliştirdiği yöntem, o dönemde alüminyum levhaların birleştirilmesinde kullanılan ark kaynağının yarattığı gözenek ve çatlak sorunlarına doğrudan cevap veriyordu. Patentin ilk yıllarında lisanslama sıkı tutuldu, yöntem yavaş yayıldı. 1990'ların sonunda patent süresi dolmaya yaklaşırken Boeing, NASA ve Avrupa'daki birkaç üretici yöntemi kendi hatlarına taşıdı. Ders şu. Bir kaynak yönteminin kaderi, teknik üstünlüğünden çok lisans rejimine ve takım tedarik zincirine bağlı kalabiliyor.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, 6 mm kalınlığında 7075 alüminyum levha için 1 metre dikiş maliyetini temsili sayılarla gösteriyor. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Aynı dikişi klasik MIG kaynağıyla yapsan, sarf malzeme ve sonrasındaki muayene maliyeti devreye girer. 7075'te MIG sonrası çatlak riski o kadar yüksek ki, çoğu uygulamada yöntem doğrudan elenir. Duyarlılık noktası takım ömründe. Takım ömrü 1.500 metreden 300 metreye düşerse, takım amortismanı 0,60 TL'den 3,00 TL'ye çıkar. Toplam maliyet yüzde 40 artar. Çelikte bu düşüş çok daha sert olur.

Okuma çerçevesi

Sürtünme karıştırma kaynağını anlamak için üç katmanı ayırmak gerekiyor. Birincisi ısı yönetimi. Erime noktasının altında kalmak, malzemenin metalurjik kimliğini korur.

İkincisi takım ekonomisi. Takım ömrü, dikiş başına maliyetin en oynak kalemi. Üçüncüsü malzeme eşiği. Alüminyumda yöntem olgun, çelikte hala pahalı bir istisna.

Üç katman bir arada okunduğunda, sürtünme karıştırma kaynağının neden alüminyumda devrim, çelikte ise temkinli bir tercih olduğu netleşiyor. Dönen pimin bıraktığı iz, malzemenin erime noktasına ne kadar yaklaştığına bağlı olarak değişiyor.