Dökme Demirlerin Çeliklere Kaynağı

 

Nikel esaslı örtülü elektrotlarla gerçekleştirilen ark kaynağı yöntemi (MMA), dökme demirlerin kaynağında oldukça sık kullanılmaktadır. Bu elektrotların verdiği kaynak dikişleri, parçaya ön tay vermeden gerçekleştirilen uygulamalarda bile kolayca işlenebilmektedir.

Örtülü elektrotlarla ark kaynağı yöntemi (MMA), oksi-asetilen kaynağı ile karşılaştırıldığında oldukça hızlıdır. AWS 5-15'de yer alan örtülü elektrotlara ait çekme ve akma dayanımları hakkında kesin değerler vermek oldukça zordurç
 

ENI-CI (Nikel) Grubu

Bu gruba giren elektrotlar kır dökme demirlerin birbirleri ile ve diğer demir esaslı olan ya da olmayan metallerle birleştirilmesinde ve dökme demirlerin onarılması işlemlerinde kullanılır. Sağlıklı kaynak dikişleri, fosfor içeriği çok yüksek olmayan küçük ve orta büyüklükteki parçalarda gerçekleştirilen düşük gerilme değerine sahip bağlantılarda elde edilmektedir. 

Saf nikelli elektrotların mukavemet değerleri ENiFe-CI grubuna oranla daha düşük olduğu için bunlar sadece yüksek seyrelme oranlarında bile maksimum işleme kabiliyeti istenen uygulamalarda kullanılmalı aksi halde ENiFe-CI grubu ürünler tercih edilmelidir. ENi-C1 türü elektrotlar temper dökme demirlerde de kullanılırlar. 

Önerilen Makale: Çelik lama malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik lama nedir sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


ENI-CI-A (Nikel) Grubu

Bu gruba giren ürünler ENi-CI grubu elektrotların kullanıldığı tüm uygulamalar için elverişlidir. ENi-CI-A grubu elektrotların örtüleri ENi-Cl'e oranla daha fazla alüminyum içermekte olup bu sayede, oluşan cüruf tabakası ve akışkanlık gibi konularda çeşitli avantajlar sağlamaktadırlar. Bunların başında alüminyumun kaynak metali için alaşım elementi görevi görerek sürekliliği arttırması gelmektedir. 

ENiFe-CI (Nikel Demir) Grubu

Bu gruptaki elektrotlar çeşitli türdeki dökme demir parçaların birbirleri ile çeliklerle ya da demir dışı metallerle birleştirilmesinde ve dökme demirlerin onarılması işlemlerinde kullanılmaktadır. % 0.20'den daha fazla fosfor içeren dökümlerin kaynağında ENi-CI grubundaki elektrotlara oranla daha çok tercih edilirler. Bu gruba giren ürünlerle yapılan deneylerde, kalın, yüksek gerilimli ve yüksek mukavemetli dökme demirlerin kaynağında çok iyi sonuçların elde edildiği görülmüştür. 

ENIFe-CI-A (Nikel-Demir) Grubu

Bu gruba giren ürünler ENiFe-CI grubu elektrotların kullanıldığı tüm uygulamalar için elverişlidir. ENiFe-CI-A grubu elektrotların örtüleri ENiFe-CI'e oranla daha fazla alüminyum içermekte olup bu sayede, oluşan cüruf tabakası ve akışkanlık gibi konularda çeşitli avantajlar sağlanmaktadır. Bunların başında alüminyumun kaynak metali için alaşım elemen-ti görevi görerek sünekliliği arttırması gelmektedir. 

ENIFeMn-CI (Nikel-Demir-Manganez) Grubu

Bu elektrotlar nikel-demir sistemine yaklaşık % 12 mangan ilavesi ile elden edilmiş olup, bu sayede kaynak metalinin çatlama direnci ve erimiş metalin akışkanlığı arttırılmıştır. Manganez aynı zamanda çekme dayanımı ve sünekliği de yükseltmektedir. Elde edilen bu çekme dayanımı değeri küresel grafitli dökme demir üzerine ENiFe-CI grubundaki ürünler-le yapılan kaynak dikişinin verdiği mukavemete yakındır. ENiFeMn-CI grubu elektrotlar aşınma dayanımını arttırmak amacıyla dökme demir parçaların yüzeylerinin kaplanması işlemlerinde de kullanılmaktadır. 

ENICu-A ve ENiCu-B (Nikel - Bakır) Grubu

Bu gruba giren elektrotlar ENiFe-CI, ENiFe-CI-A ve ENi-FeMn-CI grubu elektrotların kullanıldığı uygulamaların çoğunda kullanılmaktadır. Buna karşın bu elektrotlar, ana metalle yüksek oranda seyrelme yapmaları durumunda çatlamalara neden olduğu için özellikle düşük nüfuziyet ile gerçekleştirilen uygulamalarda tercih edilmelidir. 

Dökme demir, yapısında % 1.7-4.5 karbon, % 3.5 silisyum, mangan, kükürt ve fosfor içeren bir FeC alaşımıdır. Dökme demirin özelliklerini arttırmak amacıyla nikel, molibden, krom, bakır ve titan gibi alaşım elementleri de yapıya katılmaktadır. Bu elementler içerisinde gerek dökme demirin mekanik ve fiziksel özelliklerini büyük ölçüde belirleyen, gerekse kaynak kabiliyetini doğrudan etkileyen ana element karbondur. Karbon miktarının yüksek olması, sıvı halindeki akışkanlığı artırarak döküm yoluyla kalay şekil verme olanağı sağlarken gerekli önlemlerin alınmaması halinde kaynak kabiliyetini olumsuz yönde etkilemektedir. 

Dökme demirlerin kaynağı sırasında kaynak bölgesindeki soğuma hızı oldukça önemledir. Yüksek miktarda karbon içeren bir demir alaşımı olan kır dökme demir sıvı halden katı hale geçerken, soğuma hızının kontrol altında tutulmaması sonucu, yapıdaki karbon grafit halinde ayrışmadan sementit halinde kalır. Bilindiği gibi sementit (Fe3C) % 6.67 karbon içeren ve yaklaşık 1130° C'da oluşmaya başlayan en sert (= 800 HB) Fe-C alaşımı fazı olup işlenemeyecek kadar serttir ve kırılganlık eğilimi de oldukça yüksektir. 

Yukarıda belirtilen oluşum mekanizmasından şu sonucu çıkarmak mümkündür. Eğer dökme demirin kaynağında kaynak banyosu ve kaynak dikişine komşu olan bölge kaynak işleminden sonra normal şartlarda soğumaya bırakılırsa tüm kaynak bölgesinde sert ve kırılgan bir yapı meydana gelir ve oluşan bu yapı genellikle ısınmayı izleyen soğuma sırasında ortaya çıkan kendini çekme gerilimlerine dayanamayarak çatlar. 
 

1) Dökme demirin endüstriyel alandaki kaynağının % 90'ından fazlası ark kaynağı yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Arkdaki yoğun ısı miktarı kaynak için gereken erimeye neden olurken bağlantının sadece küçük bir bölgesi ısınmakta, bu bölge ile parçanın soğuk kısımları arasındaki yüksek sıcaklık farkı hem yüksek soğuma hızlarına hem de büyük genleşme ve çekme gerilmelerinin ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Parçaya = 600° C ön tav işlemi uygulanması halinde kaynak bölgesi ile parçanın diğer kısımları arasındaki sıcaklık farkı azalacağından kaynak bölgesindeki ısı çevre metale hızlı bir şekilde yayılmayacak ve böylece IEAB'de sementit oluşma riski azalacaktır. Bu yöntem teknikte sıcak kaynak yöntemi olarak da adlandırılmaktadır. 

2) Kaynak dikişine bitişik bölgede fazla miktarda sementit oluşmasına imkan vermemek için kullanılan bir diğer yöntem de kaynak bölgesine mümkün olduğu kadar az ısı uygulamak ve sementit meydana getirmeyen bir dolgu metali kullanmaktır. Soğuk kaynak yöntemi olarak adlandırılan bu yöntemde kaynak işlemi sırasında dikişler elektroda salınım verilmeden kısa çekilir ve her dikişten sonra çekiçlenerek kaynak bölgesi kontrollü olarak soğumaya terk edilir.

Yukarıda belirtilen iki maddede de esas, soğuma hızlarının düşürülerek yapıda sementit oluşma riskinin azaltılması ve çatlamaya hassas bir bölgenin meydana gelmesinin önlenmesidir. 

Dökme demirlerin kaynağında kullanılan elektrotlar yüksek miktarda nikel içerdiği için bu sayede kaynak dikişinin soğuma hızı etkisiyle sert bir yapıya bürünmesi engellenmektedir. Bunun nedeni, nikelin demirin aksine karbonu katı halde çözme yeteneğinin çok düşük olması ve bunun sonucunda kaynak banyosu katılaşırken karbonun çözeltiden atılarak grafit halinde çökelmesidir. Karbon, kaynak metalinde bu şekilde bir davranış gösterirken durum dikişe komşu olan bölgelerde daha farklıdır. Bu bölgeler, yani ısının etkisi altında kalan 0.75-2.5 mm genişliğindeki bölgeler, dökme demirin yapısı gereği yüksek oranda karbon içermekte olup, nikelin sementit oluşumunu engelleme konusunda sağladığı avantajlardan yararlanamamaktadır. 

Sonuç olarak; kaynak işlemi sırasında nikel içeriği yüksek elektrotların kullanılması ile sağlıklı bir dikiş elde edilmesine karış bunun IEAB'de gerçekleşebilmesi ancak soğuma hızının kontrol altına alınması ile mümkün olabilmektedir. Nikel esaslı kaynak dikişlerinin sertliği düşük olurken IEAB'ın sertliğinde bir artışla karşılaşılmaktadır. 
 

Dökme demirlerin alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklere birleştirilmesi işlemlerinde AWS A5.I'e göre E7015, E7016, E7018, E7028 gibi hidrojen seviyesi düşük olan elektrotlar gerek kullanım kolaylıkları gerekse kolayca bulunabilmeleri ve ucuz olmaları nedeniyle tercih edilmektedir. Bu tür elektrotlar ana metalle renk uyumu açısından problem yaratmazken dökme demir üzerine doğrudan bir paso çekildiklerinde, ilk pasoda yığılan kaynak metali % 0,8-1,5 arasında değişen yüksek oranlarda karbon içerir. Elde edilen dikiş, içyapı bakımından yüksek karbonlu çelik olup bu nedenle çok gevrek ve çatlatmaya karşı oldukça hassastır. 

Bu problemin ortadan kaldırılabilmesi için C-Mn türü bir ürün kullanılmadan önce dökme demirin ENi-CI ya da ENiFe-CI grubundaki bir ürünle ön kaplama işlemine tabi tutulması gerekmektedir. Ön kaplama işleminde ENi-CI grubu ürünlerinin kullanılması halinde üst üste en fazla 2 paso atılmalıdır. Zira saf nikelli elektrotların çekme dayanımları düşük olduğu için mekanik açıdan oldukça zayıf kaynak bağlantıları verirler. Bunun yanında saf nikelli kaynak dikişlerinin ısıl genleşme katsayısı dökme demirin ısıl genleşme seviyesinden farklı olduğu için özellikle kalın kesitlerin doldurulmasında dikişin çatlama olasılığı artmaktadır. 

Ön kaplama ile kaynak ağızını oluşturan yüzeylerin birleştirilmsi yöntemi özellikle benzemez metallerin kaynağında ideale yakın bir bağlantının elde edilebilmesi açısından büyük avantajlar sağlamaktadır. Bu yöntem genellikle düz yüzeylere uygulanmakta olup ön tav gerekliyse mutlaka gerçekleştirilmeli ve düşük ısı girdisi ile çalışmaya özen gösterilmelidir. Ön kaplama işleminde kullanılan ENi-CI ya da ENiFe-CI grubuna giren ürünler sıcaklık etkisi altında dönüşüme uğramamaktadırlar. Bu özellik sayesinde ısı etkisi altında kalan bölgenin genişliği kadar bir alana ön kaplama işleminin uygulanması sonucu IEAB'de ortaya çıkan sorunlar büyük ölçüde giderilebilmekte ve birleştirme işlemi sırasında oluşan ısı sadece daha önceden oluşturulan tampon dikişi etkisi altına alacağından özellikle IEAB 'deki sertlik artışlarının kontrol altına alınması mümkün olmaktadır.