Hafif Alaşımlı Yüksek Mukavemetli Çeliklerde Hidrojen Miktarının Önemi Nedir?
Hafif alaşımlı yüksek alaşımlı çelikler %10 ve daha düşük oranda alaşım içeren ve akma mukavemeti 360MPa’dan yüksek olan çelikler olarak tanımlanırlar.
Hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin günümüz endüstrisindeki kullanım oranı çelik üretim sanayiindeki gelişmeler birlikte son 20 yılda %40 artış göstermiştir. Köprü imalatları, basınçlı kap imalatları, otomotiv sanayii, çelik konstrüksiyon imalatları gibi birçok sektörde hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çelikler kullanılmaktadır.
Hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çeliklerin kaynaklı imalatlarında karşılaşılan en büyük sorunlardan bir tanesi hidrojen kaynaklı oluşan soğuk çatlaklardır.
Kaynaklı imalat esnasında ana malzemenin veya kaynak tüketim malzemesinin (elektrod, gazaltı teli, özlü tel, toz altı tozu ve teli) içeriğindeki hidrojen soğuk çatlağın başlıca nedenleridir. Kaynak banyosunun faz dönüşüm hızı ana metale oranla daha fazladır. Kaynak banyosundaki fazla hidrojen miktarı, faz dönüşümlerinin daha hızlı gerçekleştiği kaynak metalinden faz dönüşümlerinin daha yavaş gerçekleştiği ısıdan etkilenmiş bölgeye (ITAB/HAZ) doğru atılır. Bu hidrojen iyonları kümelenerek hidrojen paketleri oluştururlar. Bu oluşumlar mikroyapıda iç gerilimlere ve rastgele kuvvetlere sebep olur ve soğuk çatlak oluşumu gerçekleşir.
Yukarıda belirtilen mekanikler sebebiyle soğuk çatlaklar büyük oranda ısıdan etkilenmiş bölgede (ITAB/HAZ) oluşmaktadır. Bununla birlikte ITAB/Kaynak Banyosu faz dönüşüm hızı oranı değişkenliğine bağlı olarak kaynak metalinde kalan hidrojen miktarı sebepli kaynak metalinde veya kaynak metali ile ısıdan etkilenmiş bölgenin arasında oluşabilmektedir.
Hidrojen’in ısıdan etkilenmiş bölgeden (ITAB/HAZ) veya kaynak banyosundan atılma süresi 72 saattir. Bu sebeple oluşan çatlaklar kaynak sonrası tahribatlı veya tahribatsız testlerle gözlemlenemeyebilir. Doğru teşhis için gerekli testler 72 saat sonunda gerçekleştirilmelidir.
Hafif Alaşımlı Yüksek Mukavemetli Çeliklerde Hidrojen Kaynaklı Soğuk Çatlak Oluşumu Riskini Artıran Ek Faktörler:
1- Yüksek Ana Malzeme Kalınlığı: 10mm’nin üzerindeki ana malzeme kalınlıkları soğuk çatlak riskinin yüksek olduğu kalınlıklar olarak sınıflandırılmaktadır.
2- Sabit Tasarım: Geometrik olarak rijit veya fikstürlenmiş yapılar iç gerilimlerin dışarı çıkmasını önleyeceği için iç gerilimlerin çatlak olarak sonuçlanması ihtimali yüksektir.
3- Ana Malzemede Bulunan Yayınabilir Hidrojen Miktarı
4- Kaynak Tüketim Malzemesinde (elektrod, gazaltı teli, özlü tel, toz altı tozu ve teli) Bulunan Yayınabilir Hidrojen Miktarı
5- Soğuk Çatlak Oluşumuna Yatkın Gevrek Karakterde Mikroyapıya Sahip Ana Malzeme
Hafif Alaşımlı Yüksek Mukavemetli Çeliklerde Hidrojen Kaynaklı Soğuk Çatlak Oluşumu ile Karşılaşılmaması için Yapılması Gerekenler:
Ana malzemeye kimyasal kompozisyonu ve karbon eşdeğeri doğrultusunda ön ısıtma işlemi uygulanmalıdır. Ön ısıtma koşulları için tavsiyeler “TS EN 1011-2 Kaynak - Metalik malzemelerin kaynağı için tavsiyeler bölüm 2” standardında detaylı olarak açıklanmaktadır.
Hidrojen çatlağı ihtimalinin öngörüldüğü durumlarda genel yapı ve kaynak ağzı tasarımı iç gerilimleri tolere edebilecek şekilde tasarlanmalıdır.
Ana malzemelerin teslim şartları soğuk çatlağa olan hassasiyetleri göz önünde bulundurularak belirlenmelidir. Örneğin Su verilmiş ve temperlenmiş (Q) teslim şartına sahip ana malzemelerin soğuk çatlak riskleri termomekanik haddelenmiş (M) ana malzemelere göre daha yüksektir.
Kaynak esnasında izin verilecek ısı girdisi limitleri yapılacak WPQR (kaynak prosedürü şartnamesi onayı) ile net olarak belirlenmeli ve üretim esnasında WPQR’larda belirlenen parametre ve kaynak sıra-sayılarına riayet edilmelidir.
Kaynak sonrasındaki soğuma hızları ve t8/5 (800°-500°C) geçiş sıcaklıkları büyük önem taşımaktadır. Soğuma hızları, soğuma diyagramları ve t8/5(800°-500°C) sıcaklıkları kullanılan ana malzeme cinsine göre değişkenlik göstermektedir. Avrupa standartlarında belirtilmiş hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çelikler için belirtilen t8/5(800°-500°C) geçiş sıcaklığı süreleri 8-24sn aralığında değişmektedir.
Düşük Hidrojen içeriğine sahip kaynak tüketim malzemeleri seçilmeli ve kullanım esnasında üreticinin talimatları doğrultusunda gerektiğinde kurutularak kullanılmalıdır. Kaynak tüketim malzemeleri EN (Avrupa) ve AWS (Amerika) standartları doğrultusunda tüketim malzemelerini yayınabilir hidrojen testine tabi tutmakta ve standart gösterimlerinin yanında bu ibareleri belirtmektedirler.
AWS H4 (Kaynak metalindeki yayınabilir hidrojen miktarı ≤4ml/100g)
EN H5 (Kaynak metalindeki yayınabilir hidrojen miktarı ≤5ml/100g)
Hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çelikler ile yapılan kaynak operasyonlarında kaynak tüketim malzemesindeki hidrojen miktarının mümkün olduğu kadar düşük tercih edilmesi soğuk çatlak riskini ortadan kaldıracak en önemli faktördür.
“TS EN 1011-2 Kaynak - Metalik malzemelerin kaynağı için tavsiyeler bölüm 2” standardı kaynak tüketim malzemelerindeki hidrojen miktarını 5 seviyede tanımlamaktadır.
Yayınabilir hidrojen miktarı (ml/100g)