0 - tr

SAU Fen Bilimleri EnstitUsU Dergisi
4.Cilt 1. ve 2.Say1 (2000) 65-72
KAYNAKLI KONTRiJKSiYONLARDA TASARIM
ityas UYGUR*, Faruk MENDi**, M. Kemal KULEKCi*,
*
.
..
A hant Izzet Baysal Universitesi Teknik Egitirn Fakilltesi- 81100 DOZCE
**Gazi [ inh ·ersitesi Teknik Egitim Fakilltesi Tasarzm ve Konstruksiyon Egt. ABD -ANKARA
OZET
Bu 9al1~1nada kaynakh yaptlartn tasanmtnda goz
bniinde bulundurulmas1 gereken stmrhllklar uzerinde
durulmu~tur. Farkl1 kesit kahnhgtna sahip par9alann
kaynag1 vc optimum tSI giri~inin saglanmas1 ile
dairesel kesitli borular1n kaynag1nda, distorsiyonlan
en aza indirgeyen yonteLn vc teknikler irdelenmi~r.
Tiim kaynak yonten1lerinde kar~Ila~tlan ortak
somnlardan birisi, tase1 nma ait tnuhtemel 90zumler
aras1ndan uygun olan1n1n se~ilmesidir. Bu baglamda
endustriyel uygula1nalarda s1khkla kullamlan iist iiste
bindirme ve j_ formundaki kaynakh birle~tirmelerde,
tneydana gelebilecek distorsiyonlar1 belirlemede
kullan1lan belli ba~h formilller ile deneysel 9ah~1na
sonu9lar1 kar~lla~tirllmi~tlr.
ABSTRACT
In this article the lintits of welded structures which
n1ust be considered during their design stage has been
given. One of the major problem that can be seen at all
of the welded stn1ctures is the selection of the best
choice among possible solutions. Prevention of
distortion by optimum heating entrance during pipe
lines welding and suitable methods that can be used
for construction metnbers which have different
thickness had been considered. Theoretical and
experimental results of butt jointed with external patch
and in the form of j_ welding samples have been
discussed.
1.
GiRiS
Endiistride birle~tirtne teknigi olarak geni~ bir
uygulama alaru olan kaynakh konstriiksiyonlarda
kar~Ila~Ilan en bi.iyi.ik problemlerden birisi, boyutsal
61Qillerde kararhhg1n saglanamamastdir. Kaynakh
birle~tirme elemanlartnda, 1s1 tesiri alt1nda kalan
bolgelerde (IT AB) tiniformal olmayan Istnma ve
sogumantn neden oldugu distorsiyonlar kaynak11
yap1lann kalitesine etki ettnektedir.
Konstriiksiyonlar1n hafif, ancak istenilen derecede rijit
olmas1 gereksinimi kaynak i~leminde olu~an artlk
gerilmeler (residual stress) hakklnda daha detayh
bilgiler gerektirmektedir. Ozellikle, bu kallnti stres!eri
malzeme yorulmas1nda onemli bir faktor olarak gaze
c;arpmakta ve yorulma direncini azaltmaktad1r [ 1].
Kaynak bolgesine yalan kisimlarda yliksek stcakltk,
uzak k1s1mlarda ise daha du~iik sicaklig1n soz konusu
olmasi, farkh btiztilme ve genle~meye neden
olmaktad1r. Bu boyutsal degi~im malzemelerin 1s1
iletkenlik ozelliklerine bagl1 olarak degi$mektedir.
Artlk gerilmeler kendisi ile aym ybndeki yuklemelerde
bozulma veya ktnlmalara neden olabilirken ters yonlii
yiiklemelerde dayarurm artt1nc1 ozellik gosterir.
Dayamm yonunde olduk9a onemli olan artik
gerilmelerin kaba yakla~1mla faktor katsa)'llar
kullanarak hesaba katmak ya da bu gerilme
degerlerinin yon ve biiyiikluklerinin bulunmadan
gerilim giderme tavlamas1na tabi tutarak gidermek
ger9ek~i olmayabilir. Ekonomi ve giivenirlik i9in
gerilmelerin ger9ek degerlerini ol9erek parc;a ve
konsttiksiyonlara uygulamas1 gerekmektedir.
2.KAYNAKLI
KONSTRfiKSiYONLARDA
ARTIK ISIL GERiLMELER!
Kaynak yap1hrken 1s1
tesiri alt1ndaki bolgenin
yumu~aytncaya kadar tavlanmas1 sogumay1 izleyen
gerilmelerin ortaya 9Ikrnas1na neden olmaktadlr. (~ekil
1). Bu gerilmelerin ba~llcalar1;
Kaynak Gerilmeleri: Kaynak i~leminin yap1h~1
s1ras1nda olu~an gerilmeler.
Kalan Kaynak Gerilmeleri: Kaynakh yap1run
sogumas1ndan sonra, kaynak i~len1i nedeniyle
pan;ada olu~an ve par9ada kalan artlk
gerilmelerdir.
65
Kaynakh KonstrUksiyonlarda Tasartm
Boyuna Gerilmeler: Dild~ duzlemine ve par~a
ylizeyine paralel diizlemdeki gerilmelerdir.
• Enine Gerilmeler: Diki~ diizlemine dikey
diizlemdeki gerilmelerdir.
Kalinlik Gerilmeleri: Kaynak ylizeyinde dikey
dftzlemdeki gerilmelerdir.
0
f-
4
-
mm
I
\
••
J
,.
·-
~
14
-
15
~
18
20
-
22
-
--·.
-·----
~
(1'1
.~
•
-
r.
,,.
'~
~
!
~
I
......... ~
~
.......
~"'ll.
~
+
......
o. Boyuno
+
~
'
24
geril.me (t'i)
MP a
300
~~
- l
1-
(L
•
,-,
.~.
..,,.
f
t::::1'
\.
+
--
~-·
12
l
300
I
.~•
~
10
10 0
100
t
6 r-
8
300
300
.
3
verilmi~tir.
MPa
MPa
100
100
Sekil 1'de kaynak11 yapllarda ortaya 91kan gerilmeler
,00
100
b. Enine ger it me (l'y)
--- - -
300
Or--~-.,..----,r----r-..,....._,
- -
-
- - -
2
4
~
1j
) } } j }} }
l } l}} 11 11 I \ } ) 11} l J 1 U ) l J
I l l I) J)
6
.._.-
- - - -- - - -
..... ....- ....
d. Bjr alm kaynagmdaki enine ~ekme
,.0
12
.
'2fy2
14
Cekme
-
Basmo
16
mm
~
~
..,.
16
.\.IlltU.U
loo'
ltll U.. \ tt ll. l U.lll \.U U ll (
.
20
•
24L-________._________
A
22
c. Yuzey gerifooer;,e dik
~
~
y,
e. Bir alln 'kayna~ndQki boyuna ~ekme
tBoyuna kahnh gerilmelerin1n dag1l1ms)
yondeki geritmeler (;)
___
_.
Sekil l. A11n kaynag1yla birle~tirilen yap1 elemanlar1ndaki kahnt1 gerilmeleri [2]
3.DiSTORSiYONLARI ONLEMEYE YONELiK
UYGULAMALAR
3.1.
Kesit
kayna~:
66
kal1nhg.
e~it
olmayan
par~alann
Et kahnbg1 e~it olmayan par9alann kayna~ farkb
kahnhklara sahip numunelerin kayna~nda ozel
tekniklere gereksinim vard1r. Ctinkii parcalar aras1nda
1s1 alma (1s1 yayllma kapasitesi) farkl vardrr. Degi~ik
kesitli elemanlann birle~tirilmesinde, kalm kesitte
yeterli penetrasyon (penetration) ic;in gerekli ka)nak
i.Uygur, F.Mendi, M.K.KUiekci
aknru, ince kesite ktyasla fazladlr, bu durum ince
elemanda kaynak alt1 kesilmesi ve btiyiik carpilmalara
neden olmaktadlr. Eger kaynak ak1m1 ince kesitli
elemana gore ayarlarursa, bu kez de kal1n kesitli
elemanda yeterli penetrasyon olu~maz ve kaynak zay1f
olur. Sekil 2 'de Niiklcer reaktorlerde kullanllan 2,5
mm. et kahnligina sahip born, 254 mm kaltnh~ndaki
blok govdeye kaynattlma teknigi gosterilmektedir [3].
Kullan1lan metod da~ plakan1n tist yiizeyinde born
~evresinde
6,5mm derinliginde dairesel kanal
a~1hm~t1r. Bu kanal iki farkll kesit' deki elemanlar
arastndaki 1s1 dagtlnn fark1n1 minimize eder.
Dolay1styla, iki farkh et kalinllgina sahip elemanlann
kaynag1nda distorsiyon ve ic gerihne en aza
3.2.Dairesel Kesitli Borular1n
Kayna~:
Is1 kaynak teorisi ve ark nedeniyle temel metaldeki
fiizyon olayt teorik olarak hesaplanabilir. Bu teorik
hesaplamalar yardtmt ile kaynak ko~ullan onceden
belirlenerek kontrol aluna altnabilmektedir. ~ekil 3 'de
gosterilen borulann 9evresel kaynagtnda (gaz tungsten
ark) optimum 1s1 giri~imi a9Ilara bagh olarak
verilmi~tir. Deneysel olarak elde edilen diyagram,
kararlt bir fuzyon genisligi icin gerekli 1s1 giri~
degerini belirler. Yapllan i~lemde korular1n 9evre
kaynag-I esnastnda borular1n malzemesi, cidar kahnhgi
ve born 9aplanna bagh olarak uygun 1s1 giris kontrolii
gerekmektedir r4].
indirgentni~tir.
Kaynak metali
135
Ka·ynak oncesi
Kavnak sonras1
- - - - - - A Detayt __.,______.
- Dii~fik karbonlu ~elik
- Dii~iik Karbonlu ~elik dolgu metali
1st degi~tirme borusu
~ekil
2. Ntikleer santarllcrde kullanllan farkl1 et kahnhgtna sahip iki malzcmeni kayanatllmas1
700~--------------------------~
Optimum 1s1 giri~i
600
Kaynak
):soo
Yonu
0)
:~ 400
·-~300
-
Cl)
- - - -·-·-·-·- -· . - -·-·-·-t
-
I
200
Malzeme
:<;elik.
Kyn H121
Cidar Kahnh~
:2nunlsn
Kaynak Geni~ligi
:2mm
:4nun
100
1
270
Sekil 3. ince cidarh borunun 9evre kaynagt esnas1ndaki, optimum ISl giri~i
67
Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasanm
4.1.BiNDiRME
KANAGINDA
HESABLARI:
KAYNAGI
(_L)
SEHiM
VE
E = Elastik modill
J = Kaynak kesiti atalet momenti
A = Kaynak kesit alan1
VE
4.2.a. Ko~e Kaynag. (.l) Boyuna ve Enine
4.1a) Bindirme Kaynag• Boyuna c;ekme:
(:ekme
AL = F.A I E.Au ....................... Formull [5,6]
burada, ~= Boyuna k1salma (~ekme) miktan
L= Par~a (kaynak) uzunlugu
E= Elastik Modiil (Young modulus)
A= Kaynak diki~inin toplam kesit alaru
F= Cekme kuvveti
Rt = 42.Re.So.L
E(S-So) ................... Formul 4 [8]
burada,
Re= Akma dayan1m1
So= Kaynak kesiti (tek tarat)
L =Par~a uzunlugu
S== Toplam malzeme kesiti
4.1.b) Bindirme Kaynagt Enine c;ekme
4.2.b.Ko~e
Q = 0,24.600.n.a.u.I.a.................... Formul 2 [7]
S.V.A.
burada, adi karbonlu 9elik i~in
Q = Enine <;ekme
a = Boyutsal uza1na degcri 6,5 J.lmni I oc
a= Sicakllk iletin1 katsay1s1 0.58
V Kaynak Hlz1
I= Kaynak Aklrru; Ak1m
U= Voltaj
'A= Ist iletim katsay1s1 (58 Kcal I mm.sn.°C)
4.1c). Bindirmc Kaynag1nda Sebim
8
=
2
F.b.L ••••••••••••••••••• ••• •••••••• Formul 3 [5,6]
8.A.E.J
burada~
8 = Sehim
F = Cekme kuvveti
b = Levha Kahnhgt
L = ParQa (kaynak) uzunlugu
kaynag1 sehim hesab1
8 = 42.Re.So.k.L2
8.E.Jxx
............ Formul 5 [8]
burada ag1rhk merkezi,
k = Koordinat deger farlu (Y-X)
Yxx = A talet momenti
5. MATERYAL VE YONTEM
Kaynakh birle~tirmelerde meydana gelecek ~ekme ,.e
9arptlmalann tespiti maksadtyla ust tiste bindirnle ·ve
ko~e .l kaynak tiirleri se~ilmi~tir. Sekil 4 ve 5 ~ de
deney numune boyutlar1 ve paso s1ralar1 verilmi~tir.
Yap1da meydana gelecek ~ekme ve 9arp1lma)'l azalt1c1
her hangi bir tedbir ahnmanu~tlr. Aym kaynal
parametreleriyle her tiir i9in 4 deney numunesi
kullanllarak ~ekme ve 9arpllmalar ol9iilmii~ ve teoril<
degerler kar~Ila~t1nlmt~t1r. Deneysel 9al1§malarda
kullantlan
kaynak
parametreleri
Tablo.l ' de
verilmi~tir.
~
0
•
240
Sekil 4. Ust iiste bindirtne ka)'nak numunesi ve boyutlan
68
i.Uygur, F.Mendi, M .K.KUiekci
~
e
I
2
~ekil
5.
_i
Formundaki kaynak numunesi ve boyutlan
Tablo 1. Deneysel c;ah~malarda kullanllan kaynak parametreleri
•
KAYNAKPARAMETRELEID
Elektrod <;apt
Kaynak s1ras1
l(aynak ak1m1
Ark Gerilimi
Maize me
Kaynak luzt
I<.aynak kahnltgt
Elastik Modiil
6.
SONU<; VE
4mm ortillti bazik elektrot.
Once l.paso sonra 2. Paso (~ekil 4-5)
I= 165A
U = 23.5V
St 37 adi karbonlu
V= 0,33 crnlsn
Q = 4,5 mm
E = 210 GPa
TARTI~MA
Yukanda
bahscdilen
kaynak
parametreleri
kullantlarak, yapllan \ist tiste bindirme kaynakh
birle~tirmede enine ve boyuna 9ekme degerleri formul
1 ve 2 'de kullanllan teorik hesaplamalarla
kar~Ila~ttnlmasi ~ekil 6 'da verilmi~tir. Benzer $ekil de
1 formunda konumland1nlan
plakalann, k6$e
kaynag1 ile birle~tirihnesinde boyuna 9ekmelerin
formill 3 ile kar~Ila~tlrllasi ~ekil 7 'de verilmi~tir.
Sekillerden de anla~llacagi gibi deneysel degerler ile,
fonnilllerden cldc edilen degerler aras1nda az bir fark
gaze ~arpmaktadtr.
Raymond f9l, Kaynak i~lemi esnas1nda a~ag1da verilen
malzcme ozelliklerinin degi~tigini bunun da ~ckme,
~arpllma vc metal bunyesindeki gerilmeleri onemli
6l9tide etkiledigini tespit etmi~tir.
• Kopma noktastndaki dii$me
• Elastiklik modilliindeki du~me
I Is1 kaytl katsay1ndaki dii~me
~elik
Ozgtil 1s1daki ytikselme
Teorik hesapla1nalarda kullamlan formilller gozontine
alindlginda, malzemelerin ag1rh.kh olarak elastik
ozelliklerinin kullamld1g1 goriilmektedir. Ancak
kaynak i~lemi esnas1nda par9alarda kahct ~ekil
degi~ikligine neden olan elastoplastik ozellikler soz
konusudur. Bu yiizden teorik hesaplamalarda
kullan1lan formtiller Raymond'In ifade ettigi
degi~imleri de i~erecek ~ekilde yeniden modellenmesi
durumunda, daha kesin teorik hesaplamalar
yap1labilmesi mtimktin olacaktir. Ger~ektende yaptlan
~al1~madaki tist uste binditme kaynaginda teorik
sehim hesaplamasmda yalmzca Elastik Modill goz
ahmm~
ve
deneysel
bulgularla
oniine
kar~Ila~tildlg1nda farklllar gozlenmi~tir. Fakat
.l
kaynakh birle~tirmesinde sehim hesab1nda kullarulan
formill 5 akma dayamm1 ile birlikte elastik modiihi de
goz oniine ahndig1ndan daha kesin netice verdigi ~ekil
8 ' de gozlenmektedir
'
69
Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasanm
•
1
4
.,
08 '
E
E, 0 '6 "
•
[]
•
•
0
•
fl
tJ.
D
D
G)
E 0,4 ~
G)
0
0,2 -
ll
A
fl
..
•
•
.
0
l
0
1
2
I
l
3
4
5
Deney numaras1
I•Formul 1 o Formi.il 2
lJ.
Boy una Ol~i.ilen ~ekme deQerii ._ Enine Ol~i.ilen ~ekme deQeri
Sekil 6. Ust fiste bindir1ne formunda kaynatihrus St 37 adi karbonlu ~eliklerinde meydana gelen boyuna ve enine
Qekme degerlerinin teorik hesaplamalarla kar~Jla~tirllmasi.
0,4
0,3
oFormul 3
• Boyuna oiQUien 9ekme degeri
0,1
0
-~--------~--------~----------~--------~--------~
0
1
2
3
4
5
Deney numaras1
~ekil 7. _L forxnunda kaynaulrms St 37 adi karbonlu 9eliklerinde meydana gel en boyuna ~ekme degerlerinin teorik
hesaplamalarla kar~lla~t1 nlmas1.
70
i.Uygur, F.Mendi, M.K.KUiekci
0,4
0,3
0,2
oFormul 3
0 1 -
• Boyuna olc;Uien c;ekme degeri
'
0
0
1
2
3
5
4
Oeney numaras1
Sekil 8. Dst iiste bindirme ve _L formunda kaynatllrms St 37 adi karbonlu Qeliklerinde meydana gelen sehim
degerlerinin teorik he sap lamalarla kar~tla~Unlmas1.
Yukandaki verilerden de
birlc~tirmelerde
anla~Ilacag1
iizere kaynakh
onemli ol9ude 9ekme ve Qarpllmalar
gaze
Qarpmaktadir.
Bu
ylizden
kaynakh
konstliiksiyonlarda kullarulan kaynak yontemi, kaynak
ag1z formu, yap1n1n risitlik derecesi, ozgill ISI girdisi,
rs1l genle~me katsay1s1, 1s1 iletim katsay1s1 ve erime
sicakhgirun distorsiyonlar iizerinde onemli etkisi
vard1r. Distorsiyonlar1 azaltmada [10]:
KAYNAKLAR
[1] Uygur i.; ·'Environtnentally Assisted Fatigue
Response of Al - Cu - Mg - Mn with SiC Particulate
MMCs'', Ph.D Thesis. , University of Wales,
SWANSEA. , 1999., U.K.
[2j American Welding Society. , "Welding Handbook''
Vol 1 7th edition, 1981 .. USA.
'
• Gaz kaynag1 yerine ark kaynagtmn kullantlmast,
• El ile yap1lan kay nak yerine, yar1 veya tarn
otomatik kaynak yonteminin kullamltnast,
• Cok pasolu kaynak yerine, daha fazla kaynak
metali saglayan (yiiksek verimli), derin ni.ifuziyetli,
az pasolu kaynak i~letninin tercih edilmesi,
• Kaynak i~lemi esnasmda yaptda meydana
gelebilecek kalintl gerilimlerin aksi yondeki bir on
gerilme ile dengelentuesi,
• <;arpllmalart kontrol altlna almada i~kencelerin,
baglama donammlar1run ve puntalamalann
kullamlmas1,
• Kaynak en c;ok slrurlandtrtlnu~, elemandan en az
s1mrlandinlmt~ elemana dog-m yapllmas1,
• A~1n kaynak pasosu saytstndan ka~trulmasi
gerekmektedir.
[3] Anderson, J.C., Leavcr~ K.D ., Rowlings~ R.D. ,
Alexander, J.M. , '~Material Science"., 4th edition,
1990.
[4]
American
Society
Handbook" , 1990, USA.
for
Metal
"'Metals
'
[5] Antk,S. , "Kaynakh ParQalarda olu~an Cekme ve
<;arp1lmalar", Miihendis ve Makine, Cilt 24, Say1
284, 1983,
[61
An1k, S. , "Kaynakh Parc;alarda olu~an <;ekme ve
<;arptlmalar", Milllendis ve Makine, Cilt 24, Say1
285, 1983,
.
[7] Amk,S., "Kaynak Teknigi El Kitab1 Yontemler ve
Donammlar", 1991, iSTANBUL
[8] Macun, A., "Kaynakh <;elik Proses Te~hizat1 ve
Born Donarumlartnda ~antiyede Gerilim Gidertne
I~lemleri", Miihendis ve Makine, Cilt 24, Sayt 284,
1983, ANKARA.
•
71
Kaynakll KonstrUksiyonlarda Tasaram
[9] Raymond, J.S. , Aruk:S.,
Practices", Revised, 19 90.
~'Welding
Prenciples and
[10] Ktilekci, M. K., ~·Kaynakh Yapllarda <;ekme,
<;arp1lma ve Bunlar1 Azaltma onlemleri", Gazi
Universitesi Fen Bilimlcri Enstitiisii, Yiiksek Lisans
Tezi., 1996~
72