MAGNEZYUM ALAŞIMLARININ BİRLEŞTİRME TEKNOLOJİSİ HAFİF METAL ALAŞIMLARININ MODERN BİRLEŞTİRME TEKNİKLERİ

Konular GİRİŞ Birleştirilmiş Magnezyumun Tarihi Ark-Kaynağı TIG Prosesi MIG Prosesi Lazer Kaynağı Elektron Işın Kaynağı Sürtünme Kaynağı Difüzyon Kaynağı Farklı Magnezyum Alaşımlarının Kaynaklanabilirliği Özet

GİRİŞ Araç emisyonlarının büyüyen çevresel tehdidi, azalan kaynaklar ve enerji kazanımının sınırlılığı araştırma konularının çok hafif ve aynı zamanda geri dönüşümü mümkün konstrüksiyon malzemelerin geliştirilmesi üzerine olmasına neden olmuştur. Bu anlamada, magnezyum ve alaşımları oldukça çok önem kazanmaktadır. Ayrıca gelişmiş özelliklere sahip yeni alaşımlar geliştirmekte, spesifik kullanımlar için temel gereksinimleri karşılaması için özel birleştirme teknikleri ve yüksek performanslı kaynak teknolojileri ile ilgili kaynaklanabilme çalışmaları da gerekmektedir.

GİRİŞ Magnezyum alaşımları otomobil, bilgisayar ve iletişim ve elektronik endüstrisi gibi alanlarda yarı ürün ve kütlesel ürün dökümü için önemli malzemelerdir. Endüstriyel alanlarda magnezyum ve alaşımlarının geniş çapta kullanımı için, malzemelerin fiziksel özellikleri gibi mekanik ve tribolojik özellikleri ile ilgili magnezyum alaşımları için daha fazla gelişime ihtiyaç vardır.

Birleştirilmiş Magnezyumun Tarihi 1886 yılında elektroliz vasıtası ile ilk magnezyum üretimi Hemelingende başladı ve teknik olarak kullanılabilir magnezyum için uygun gelişmeler 1921 li yılları. Magnezyumun dünya çapında üretimi ikinci dünya savaşının başlarında 30000 tondu. 1943 yılında 235000 ton gibi maksimum değere ulaştı. Havacılık ve motor sporlarında ki özellikle yarış, gelişmeler ışığında, magnezyum alaşımlarının önemi artmıştır. Doğal sonuç olarak, birleştirme teknolojisi gelişmiştir.

Birleştirilmiş Magnezyumun Tarihi ilk zamanlarda magnezyumun kontsrüksiyon malzemesi olarak kullanımına olanak sağlamıştır. Perçinleme kaynaklama ile neredeyse aynı önemde kullanılmıştı. Perçinler sıcak ortamda perçinlenir veya %3-5 magnezyum içeren alüminyum perçinler Savaştan sonra, başlıca ark-kaynağı kullanıldı. Yeni birleştirme teknikleri aynı zamanda magnezyuma yeni uygulama alanları yarattı. Bu durum 1970 yılının başlarında magnezyuma ilginin azalmasına kadar devam etti. Son yıllarda, magnezyum canlanmaya uğradı ve bu da ekonomik kaynaklama metotlarında yeni gelişmelerin yolunu açtı.

Birleştirilmiş Magnezyumun Tarihi Bugün, yüksek performanslı ark- kaynağı prosesleri ve beam kaynağına ilgi artmaktadır. Çünkü enerji infilitrasyonu veya kütlesel üretim için ekonomik yönler göz önüne alındığı zaman yeni olasılıklar doğmaktadır.

  Ark-Kaynağı   İki ana proses kullanılır, metal inört gaz (MIG) prosesi ve tungten inört gaz prosesi, örneğin tükenmez elektrot ile inört ark kaynağı(TIG; tungsten inört gaz kaynağı). Her iki metot sadece yeni araç gereçler için çok az masrafa ihtiyaç duyar. Dahası, her iki proses manüel kaynaklama için kullanılabilir ki onarmalar veya küçük hacimli birimler için önemlidir. Dezavantajları ise düşük kaynak hızları, önemli derecede geniş ısıdan etkilenen bölgeler ve beam-kaynak ile karşılaştırıldığında daha yüksek parça distorsiyonu.

TIG Prosesi Genel olarak, Magnezyumun TIG kaynağı için alternatif akım kullanılır. Alüminyum gibi, negatif kutup tükenmez elektrotta ısı yüklenmesini düşürürken, pozitif kutba oksit tabakasını parçalamak için ihtiyaç duyulur. Günümüzün TIG arkları ile proses kararlılığının herhangi bir bozukluğunun olmadığı uzunluk 5 mmdir. İnört gaz olarak, başlıca helyum ile karıştırılmış argon kullanılır. Helyum penetrasyon derinliğine olumlu etkide bulunur.

TIG Prosesi   Kaynak katkılarının kullanımı sayesinde, özellikle de dikişin yatay kesiti ve dikişin yanlarının çentik etkisi minimuma indirilir. Bar olarak doldurma çubuğunun kullanımı bu prosesin magnezyum alaşımlarına uygulanabilme spektrumunu genişletir ve doldurucu çubuk kullanımı rolled kullanmaktan daha ucuzdur. Buna karşın, makineleşmiş proses hala daha pahalı merdane(rolled) versiyonlarına gerek duymaktadır.

MIG Prosesi Geçmişte, MIG sadece magnezyum kaynağı için sınırlı kullanıma sahipti. TIG ile karşılaştırıldığında, harcanır elektrot ile kaynak malzemede bazı spesifik problemlere neden olur:   Ergimiş damlalar ayırma prosesi esnasında telin ucunda patlar ve sıçramalara neden olur. Ana malzemeyi ergitmek için taşınan enerji miktarı düşük termal ve elektrik iletkenliğinden dolayı sınırlıdır. Düşük amperaj ve magnezyumun düşük yoğunluğundan dolayı kaynak telinden spesifik damlayı ayırmak zor.

MIG Prosesi Minimum tel çapı 1.6 mm dir bileşen kalınlıkları <2 mm için dikişleri muazzam bir şekilde artmasına neden olur.   Biriktirme hızına bağlı olarak, iki farklı ark magnezyumun kaynağında meydana gelir. Düşük tel beslemede, kısa devre arkı kaynak için kullanılır, oysa itici güç(tahrik) arkı ortam hızında kullanılır; karakteristik yönlerde dikiş geometrisi etkilenir. TIG ve MIG prosesleri bakım ve üretimde döküm parçalarının kaynağı ile ilgili uygulamaların güncel durumunu göstermektedir. Mühendislikte ilgi çekicilikleri artmaktadır.

Lazer Kaynağı İlk CO2 ve Nd’nin keşfi ile: 1960 lı yılların ortasında YAG lazerler, malzeme işleme için lazerlerin uygulaması başladı. O zamandan beri, lazer sistemleri malzemelerin işlenmesi için oldukça çok kullanılmıştır ve 1980 li yıllardan beri özellikle birleştirme bileşenleri için anahtar teknoloji olarak görülmüştür. Modern katı-durum lazerleri maksimum 5 kW çıkış gücüne sahiptir ve etkinliği yaklaşık %10 dur. Teknik kullanım için sınırlara yaklaşık değerlerdir. Katı-durum lazerin büyük avantajı beam kılavuzu için fiber optiklerin kullanımını mümkün kılmaktadır. Bu durum lazer sistemin çok esnek uygulamasına izin verir. Ek olarak, N:YAG lazer çarpma indüksiyonu enerjisi ile çalışabilir ve bu nedenle absorpsiyon davranışı zayıf malzemeler bile tamamıyla penetre olabilir.

Lazer Kaynağı   Bugüne kadar yapılmış tüm hesaplamalar için, 1 ile 2.5 kW güç çıkışlı katı-durum lazerleri kullanılmıştır. Kaynaklanan levhalar 1.0 ve 3.2 mm kalınlıklar arasında tutulmuştur ve kaynak hız aralığı 2.5 m/dakika ile 9.0 m/dakika arasında belirlenmiştir. Magnezyumun mükemmel absorbsiyon davranışı bu bakımdan çok önemlidir. Lazer kaynağı ile kaynaklanmış magnezyum dövme alaşımları neredeyse ana malzemenin mukavemeti ile denktir; Poroziteler ve penetrasyon kesmeler parametrelerin uygun ayarlanması ile elimine edilebilir.

Elektron Işın Kaynağı Normal atmosferik durumlar altında elektron ışın kaynağı(NV-EBW) önemli bir teknolojidir. Proses, hızlı üretim, üretim hattı için gelişmiş birleştirme kabiliyeti ve vakumda elektron ışın kaynağından vakum yaratma gereksinimi olmadığı için daha kolay kullanıma sahip olarak bilinir. Dikişteki çentikleri önlemek için ek malzemelerin kullanımı ve ince bileşenler ile azalan dikişler veya farklı malzemelerin kaynağına olanak sağlar. Olumlu ekonomik faktörler maliyeti düşürür ve ışın üretiminin oldukça yüksek olmasını sağlar. Ayrıca kaynak plazması elektronlara geçirgendir ve mümkün kaynak hızını etkilemez. Yansıtma veya absorblamadan dolayı ışınetkinliğindeki değişimler bu durumda aksini ispatlamaktadır.   NV-EBW aşağıdaki avantajlara sahiptir: Yüksek çalışma etkinliği Yüksek proses güvenliği ve kullanılabilirliği Işının iyi bağlanması, hafif metallerde bile Düşük yansıtma Metal plazma elektronları geçirebilir Yüksek güç yoğunluğu Yüksek proses hızları Otomasyon için yüksek potansiyel Lazer kaynağından daha düşük maliyet

Elektron Işın Kaynağı Kullanımı için bazı kısıtlamalarda mevcuttur:   Sınırlı çalışma mesafesi X-ışını kalkanı gerekliliği Yüksek masraf maliyetleri(ışın prosesleri için tipik) Konvansiyonel elektron ışın kaynağı olarak, NV-EBW için ışın vakum ortamında üretilir. Buna karşın, hızlandırılmış voltaj genellikle 150 kV veya daha yüksek değerde başlar. Daha sonra, ışın kapaklar içeren özel girişten geçerek vakumdan ayrılır ve atmosfere çıkar. Oradan inört gaz veya hava boşluğundan geçerek iş parçasına ulaşır. Işın atmosferik gaza girer girmez, moleküller ile reaksiyona girer ve genişler. Bu etki inört gaz kullanarak veya karıştırma vasıtasıyla azaltılabilir(şekil 4). Daha aktif metaller için, helyum kullanımı boşluk oluşumunu önlemek için önerilir. Ayrıca, dönüşen gazın aşırı ısınması daha düşük yoğunluğa neden olur, bu nedenle ışının genişliği sınırlanır. Kaynak esnasında metal buharı içerisinden ışın geçtiği zaman aynı davranış gözlemlenir.

Sürtünme Kaynağı Sürtünme kaynağı prosesi basınç kaynağı grubunda yer alır. Sıkıştırılmış parçaların kaynağı için ısıtma sürtünme ile sağlanır. Bu sürtünme sıkıştırılmış ve döndürülen bileşenler arasındaki göreceli hareketle elde edilir. İki parça o zaman her hangi bir katkı maddesi olmaksızın birlikte sıkışırlar. Sonuç kaynak bu proses için tipik şişme gösterir. Dönme yeterli ısı girişinden sonra durdurulur. Bu tür ısı girişi aynı zamanda göreceli olarak düşük birleştirme sıcaklığı ile sonuçlanır(<Ts). Bu durumdan dolayı sürtünme kaynağı malzeme kombinasyonları ve birleştirmesi zor malzemeler için uygundur.

Sürtünme Kaynağı Ayrıca, proses sıvı faz oluşmaksızın intermetalik fazların meydana gelmesinden dolayı malzemelerin farklı türlerinin kaynağına olanak sağlar. Çelik ve alüminyum kombinasyonları için, bu metot hali hazırda geniş ölçekte kullanılır ve kompozit dizayn için geniş uygulama alanına sahiptir.   Sürtünme kaynağının avantajları aşağıda sıralanmıştır: Katkı maddesi yoktur İnört gaz yoktur Otomasyon için yüksek kabiliyet Akışkan faz yok Kompozit diyanların üretimi Ana malzeme üzerinde minimum etki

Difüzyon Kaynağı Difüzyon çok yavaş sıcaklıklarda yüksek deformasyon sıcaklıklarında ilerleyen süper plastik deformasyon prosesinde anahtar rol oynar. Bu nedenle, tek proseste difüzyon bağlanması ile süper plastik şekillendirme bir arada gerçekleştirmek mümkündür. Bu magnezyum alaşımları için son derece ilgi çekici olabilir. Yoksa sadece sınırlı deformasyon kabiliyetlerinden dolayı dökülebilir malzemelerdir.   Bugün, SPF/DB metodu özellikle taşıması zor olan titanyum alaşımları için, örneğin Ti6Al4V, havacılık endüstrisinde kullanılır. Kurulmuş üretim metodu oluşmuştur. Bu durumda, karmaşık bileşenler bile titanyum levhalar ve profillerden üretilebilir ki bu konvansiyonel metotlar ile mümkün değildir.

Farklı Magnezyum Alaşımlarının Kaynaklanabilirliği   Magnezyum alaşımları iki gruba bölünebilir Döküm alaşımları Dövme alaşımları Döküm alaşımlarının farklı üretim yöntemleri yarı-mamul malzemenin kaynaklanabilirliğini etkiler. Kum veya ingot döküm prosesi kaynaklanabilirlik için problem içermez ve genelde bakım ve üretim için kullanılır. Aynı zamanda mühendislikte kaynak birinci sırada görülmektedir. Şekil 9 farklı alaşımların ve yüzde ağırlıklarına bağlı olarak farklı alaşımların kaynaklanabilirliklerini göstermektedir. Magnezyum alaşımlarında düzenli olarak kullanılan alaşım elementlerinin özeti verilmektedir. Dökümlerin kaynağı esnasında, porozite oluşumu ile ciddi problemler eriyik banyosunda meydana gelir. Testler gösteriyor ki, alüminyumda olduğu gibi, çözünmüş proses gazı erime esnasında serbest kalır. Ek olarak, poroziteler eriyik içinde büyüyebilir. Çünkü yüksek basınç altında poroziteler eriyik ile çevrelenir ve dışarıya çıkışı engellenirler. Bu büyüme köpük şeklinde bir arada porozitelerin oluşması şeklinde olduğundan dolayı istenmez. Bu nedenle, dikişin destekleyen yan kesiti azalır ve bu kabul görmeyen mekanik özelliklere neden olur. Bu durumdan iki yolla kaçılabilir. Birinci muhtemel strateji akışkan fazlar içeren birleştirme metotlarından kaçınmak; sürtünme kaynağı tercih edilmesi örnek olarak verilebilir. Diğer çözüm döküm prosesi esnasında porozite oluşumunu önlemek; örneğin vakum veya thikso casting ile döküm yapmak[16]. Bu tür gelişmeler ile memnun edici kaynakların gelecekte olacağı beklenmektedir.

Farklı Magnezyum Alaşımlarının Kaynaklanabilirliği Üretim metodu dövme alaşımlarının kaynaklanabilirliğini olumsuz yönde etkilemez. Ayrıca ektrüze profiller, levhaların uygulamaları tüm alanlarda gitgide artacaktır. Bu sadece üretim metotlarının geliştirilmesi ile değil aynı zamanda uygun birleştirme metotlarının geliştirilmesi ile de olacaktır.   Kaynak prosesinin ısı girdisi diğer dövülmüş malzemelerde görüldüğü gibi ana malzemeyi etkiler. Isıdan etkilenmiş bölgenin genişliği kaynak prosesine bağlıdır. Tane sınırlarındaki ergimeler, tane büyümesi ve çökelti partekülleri ısıdan etkilenmiş bölgede tanımlanabilir. Yumuşamaya neden olabilir çözünmeler veya dislokasyon veya ince taneleri yeniden kristalleşme sıcaklığı aşıldığı zaman dikkate almak gerekir. Doğru birleştirme metodu ve katkı maddesi ile mekanik özellikler değişmeyecektir. Aslında, dövme alaşımları yüksek derecede kaynaklanabilme kabiliyetine sahip denebilir.

SONUÇ Son dönemlere kadar, magnezyumun kaynağı döküm parçalarının üretimi ve onarımı ile sınırlıydı. Bu durum sonucu başlıca MIG veya TIG gibi eriyik kaynağı metotları kullanıldı. Bileşenlerin özellikleri ve diyaznlarından dolayı artan gereksinimler magnezyum alaşımlarının proses sınırlamalarına rağmen mühendislikte dövme ve farklı döküm alaşımlarının kaynağına gereksinimi doğuracaktır. Magnezyum ağırlık azaltmak için önemli potansiyele sahiptir, ama halen birleştirme teknolojilerinin geliştirilmesi ve araştırılmasında daha fazla çaba gerekmektedir.   Çeşitli birleştirme prosesleri spesifik avantajları ile geniş uygulama alanlarının temelini oluşturur. Sırasıyla, buradaki proseslerin eşit olarak genel gelişimi arzu edilmektedir.