BİR OTOMOBİL PARÇASI NDA LAZER SERTLEŞTİRME TEKNİĞİ İLE DAYANIM ÖZELLİKLERİNİN ART IRILMASI Ahmet ONAYLI T.C. BURSA ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR OTOMOBİL PARÇASINDA LAZER SERTLEŞTİRME TEKNİĞİ İLE DAYANIM ÖZELLİKLERİNİN ARTIRILMASI AHMET ONAYLI 0000-0001-8418-4289 Prof. Dr. Ferruh ÖZTÜRK (Danışman) YÜKSEK LİSANS TEZİ OTOMOTİV MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI BURSA – 2021 Fen Bilimleri Enstitüsü, tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;  tez içindeki bütün bilgi ve belgeleri akademik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,  görsel, işitsel ve yazılı tüm bilgi ve sonuçları bilimsel ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,  başkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda ilgili eserlere bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunduğumu,  atıfta bulunduğum eserlerin tümünü kaynak olarak gösterdiğimi,  kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapmadığımı,  ve bu tezin herhangi bir bölümünü bu üniversite veya başka bir üniversitede başka bir tez çalışması olarak sunmadığımı beyan ederim. 08/02/2021 Ahmet ONAYLI ÖZET Yüksek Lisans Tezi BİR OTOMOBİL PARÇASINDA LAZER SERTLEŞTİRME TEKNİĞİ İLE DAYANIM ÖZELLİKLERİNİN ARTIRILMASI Ahmet ONAYLI Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Otomotiv Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ferruh ÖZTÜRK Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişmeler, yenilikçi arayışlar ve araç hafifletme çalışmaları CO2 emisyonlarını azaltmak için her geçen gün hız kazanmaktadır. Bu isterleri karşılayabilmek için parçanın tasarım değişikliklerinin yanı sıra parça kalınlığını azaltmak için yeni nesil yüksek mukavemetli çelik sac malzeme kullanımını da zorunlu hale getirmiştir. Yüksek mukavemetli çelik sac malzemelerin maliyetleri, geleneksel çelik sac malzemelerine kıyasla daha yüksek olmaktadır. Aynı zamanda, mukavemetin arttırılması çoğu zaman şekillendirilebilirliğin azalmasına neden olmaktadır. Bu sebeple, otomotiv üreticileri ve tedarikçileri sektörde daha rekabetçi olabilmek ve parça şekillendirilebilirliğini arttırabilmek adına farklı çözüm önerileri geliştirmektedir. Bu tez kapsamında, yüksek mukavemetli sac kullanımına alternatif çözüm önerilerinden biri olan lazer sertleştirme konusuna yer verilmiştir. Bu doğrultuda, bir otomotiv pasif güvenlik sistemi elemanı ile bir süspansiyon parçasının lazer sertleştirme tekniği ile dayanım özelliklerinin iyileştirilmesi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, Taguchi deney tasarımı ve Yanıt Yüzey yöntemi kullanılarak lazer sertleştirme prosesinde kullanılan parametrelerin en iyileme çalışmaları yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Lazer sertleştirme tekniği, Taguchi deney tasarım yöntemi, Yanıt Yüzey yöntemi 2021, ix + 60 sayfa. i ABSTRACT MSc Thesis Enhancement of strength characteristics of a vehicle part using laser hardening technique Ahmet ONAYLI Bursa Uludağ University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Automotive Engineering Supervisor: Prof. Dr. Ferruh ÖZTÜRK In automotive industry; technological trends, innovations and vehicle weight reduction studies are accelerated day by day for CO2 emission reduction. Besides the design changes on the products, the use of new generation high strength steel sheet materials becomes mandatory in order to minimize the thickness. The costs of high strength steel sheet materials are higher than traditional sheet steel materials. At the same time, increasing the strength often causes to make formability difficult. For this reason, automotive manufacturers and suppliers develop different solution proposals to be more competitive in the sector and to increase part formability. In the scope of this thesis, laser hardening, which is one of the alternative solutions to the use of high-strength sheet metal, has been taken place. Accordingly, an automotive passive safety system product and a suspension part's strength properties have been improved via laser hardening technique. In addition, optimization studies of the parameters used in the laser hardening process have been carried out using the Taguchi experimental design and the Response Surface method. Key words: Laser hardening technique, Taguchi experimental design method, Response surface method 2021, ix + 60 pages. ii TEŞEKKÜR Tez çalışmamda; Bir otomobil parçasında lazer sertleştirme tekniği ile dayanım özelliklerinin artırılması çalışmasını gerçekleştirdim. Hem yüksek lisans tez konusu olarak çalışmama izin veren hem de tez çalışmamda; lisans ve lisanüstü öğrenim hayatım boyunca bana destek verip yol gösteren, motive eden değerli danışman hocam sayın Prof. Dr. Ferruh ÖZTÜRK’e teşekkürlerimi sunarım. Gerek iş hayatım gerekse öğrenim hayatım boyunca bana sürekli destek veren ve her koşulda desteklerini esirgemeyen aileme teşekkürlerimi sunarım. Ahmet ONAYLI 08/02/2021 iii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET..................................................................................................................................i ABSTRACT......................................................................................................................ii TEŞEKKÜR.....................................................................................................................iii SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ ....................................................................... v ŞEKİLLER DİZİNİ ......................................................................................................... vii ÇİZELGELER DİZİNİ .................................................................................................... ix 1. GİRİŞ.............................................................................................................................1 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI ....................................... 2 2.1. Martenzit Yapı ........................................................................................................... 2 2.1.1. Martenzit Yapı Özellikleri ...................................................................................... 2 2.1.2. Martenzit Oluşum Mekanizması ............................................................................. 4 2.1.3. Mikroyapı ................................................................................................................ 5 2.1.4. Martenzit Yapı Oluşumunda Martemperleme Uygulanması .................................. 5 2.1.5. TTT Diyagramı ....................................................................................................... 6 2.2. Sertlik ......................................................................................................................... 7 2.2.1. Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi ............................................................................... 8 2.2.2. Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi ............................................................................ 10 2.2.3. Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi ......................................................................... 11 2.2.4. Mikrosertlik Ölçme Yöntemi ................................................................................ 12 2.3. Lazer ve Çesitleri ..................................................................................................... 12 2.3.1. Lazer ...................................................................................................................... 12 2.3.2. Diyot Lazerler ....................................................................................................... 13 2.4. Lazer Sertleştirme Yöntemi ..................................................................................... 15 3. MATERYAL ve YÖNTEM ........................................................................................ 21 3.1. Malzeme Özellikleri ................................................................................................. 21 3.2. Lazer Sertleştirme Uygulanacak Numune Ölçüleri ................................................. 22 3.3. Lazer Sertleştirme Prosesine Etki Eden Parametreler ve Seviyeleri ........................ 23 3.4. Malzemenin ve Uygulanacak Paremetrelerin Belirlenmesi ..................................... 24 3.5. Deneysel Tasarım Yöntemleri.................................................................................. 26 3.5.1.Taguchi Deney Tasarım Yöntemi .......................................................................... 26 3.5.2. Anova Analiz Yöntemi ......................................................................................... 30 3.5.3. Yanıt Yüzey Yöntemi ........................................................................................... 31 4. BULGULAR ............................................................................................................... 42 4.1. Çarpışma Kutusu Üzerinde Lazer Sertleştirme Çalışması ....................................... 42 4.2. Salıncak Kolu Üzerinde Lazer Sertleştirme Çalışması ............................................ 46 5. TARTIŞMA ve SONUÇ ............................................................................................. 56 KAYNAKLAR ............................................................................................................... 57 ÖZGEÇMİŞ.....................................................................................................................59 iv SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama 𝑏𝑖𝑖 Kuatratik katsayılar 𝜀 Uygun hata J Joule Fe Demir C Karbon S Kükürt Mn Mangan Cu Bakır P Fosfat N Nikel Si Silisyum Ti Titanyum γ Östenit fazı F Uygulanan kuvvet D Bilye Çapı d İz çapı 𝜎ç Çekme dayanımı Kg Kilogram C Malzeme cinsi CO2 Karbon dioksit N Newton Mm Milimetre Kw Kilowatt mm2 Milimetre kare MPa Megapaskal 𝑦 Yanıt 𝑥𝑖𝑢 Denklem Parametreleri 𝑏𝑜 Regresyon denklem sabiti 𝑏𝑖 Doğrusal katsayılar 𝑏𝑖𝑗 Etkileşim katsayılar dort İzin köşegen ortalaması d1 Köşegen uzunluğu E Penetrasyon derinliğinin v Kısaltmalar Açıklama KYM Kübik yüzey merkezli KHM Kübik hacim merkezli HMT Hacim merkezli tetragonal HB Brinell sertlik HV Vickers sertlik MS Martenzitik dönüşümün başladığı sıcaklık MF Martenzitik dönüşümün tamamlandığı sıcaklık TTT Zaman sıcaklık dönüşüm diyagramı BSD Brinell sertlik değeri VSD Vickers sertlik değeri RSD Rockwell sertlik değeri KSD Knoop sertlik değeri P Uygulanan yük l Uzun köşegen uzunluğu S Sinyal faktörü N Gürültü faktörü S/N Sinyal gürültü oranı AHSS Yüksek mukavemetli çelik sac vi ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Demir karbon denge diyagramı ........................................................................ 3 Şekil 2.2. Martenzit Dönüşüm Sıcaklıkları a) Sıcaklık değişimi b) Demir ve nikel oranına göre martenzitik dönüşümü ............................................................................................... 4 Şekil 2.3. Martenzit Mikroyapı ......................................................................................... 5 Şekil 2.4 TTT diyagramı ve martenzit oluşumu ............................................................... 6 Şekil 2.5 Sertlik ölçüm yöntemleri.................................................................................... 8 Şekil 2.6 Brinell Testi ....................................................................................................... 9 Şekil 2.7 Vickers Testi .................................................................................................... 10 Şekil 2.8 Lazer ışın kaynaklarının absorbe olma derecesi .............................................. 14 Şekil 2.9. 1.5 mm sac kalınlığına sahip malzemenin lazer hızına bağlı soğuma grafiği 17 Şekil 2.10 Farklı malzemlerin lazer sertleştirme uygulama sonrası sertlik ölçüm değeri ......................................................................................................................................... 18 Şekil 2.11. Lazer uygulanan bölgedeki iki farklı malzeme türüne göre sertleşme mekanizması .................................................................................................................... 19 Şekil 2.12. İki farklı lazer hızına ve farklı lazer penetrasyon değerlerine karşı sertlik ölçümleri . ....................................................................................................................... 20 Şekil 3.1. Lazer sertleştirme prosesinde kullanılan numune ve fikstür ölçüleri ............. 23 Şekil 3.2. Gerilme-şekil değiştirme eğrisi ....................................................................... 25 Şekil 3.3. S/N oranına göre parametrelerin lazer sertleşmeye etkisi ve etkinlik dereceleri ......................................................................................................................................... 29 Şekil 3.4. Ortalamaya göre parametrelerin lazer sertleşmeye etkisi ve etkinlik dereceleri ......................................................................................................................................... 30 Şekil 3.5. Pareto grafine göre parametrelerin lazer sertleşmeye etki sıralaması ............. 33 Şekil 3.6. Normal dağılımı .............................................................................................. 33 Şekil 3.7. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametreler ortamaya göre değişimi..33 Şekil 3.8. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametrelerin birbiri arasındaki ilişkiyi gösteren 3D yüzey grafiği ............................................................................................... 34 Şekil 3.9. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametrelerin birbiri arasındaki ilişkiyi gösteren kontur grafiği.....................................................................................................35 Şekil 3.10. Parametrelerin sertlik, martenzitik dönüşüm ve akma mukavemet değerine göre değişimi ................................................................................................................... 36 Şekil 3.11. Pareto grafine göre parametrelerin lazer sertleşmeye etki sıralaması ........... 39 Şekil 3.12: Normal dağılımı ............................................................................................ 40 Şekil 3.13. Parametrelerin belirlenen seviyelerdeki değişimi ......................................... 41 Şekil 4.1. Çapışma kutusu ............................................................................................... 42 Şekil 4.2 : Çarpışma kutusu ölçüleri ve sınır koşulları ................................................... 43 Şekil 4.3. Çarpışma kutusu üzerine lazer sertleştirme prosesi uygulaması .................... 44 Şekil 4.4. Lazer sertleştirme prosesi sonrası martenzitik dönüşüm ve sertlik değerleri . 44 Şekil 4.5. Lazer sertleştirme uygulanmış çarpışma kutusunun çarpışma sonrasındaki görüntüsü ......................................................................................................................... 45 Şekil 4.6. Mevcut ve lazer sertleştirme uygulanmış model kuvvet deplasman grafiği ... 45 Şekil 4.7. Salıncak kolunun araç üzerindeki gösterimi ................................................... 47 Şekil 4.8. Salıncak kolu statik analiz sınır koşulu ........................................................... 47 Şekil 4.9. Statik analiz sonucunda oluşan gerilme değeri ............................................... 48 Şekil 4.10. Salıncak kolu topology optimizasyon koşuları ............................................. 48 vii Şekil 4.11. Salıncak kolu topology optimizasyon sonucu............................................... 49 Şekil 4.12. Birinci model lazer sertleştirme prosesinin modellenmesi ........................... 50 Şekil 4.13. Birinci model üzerinde lazer sertleştirme prosesinin uygulanması .............. 50 Şekil 4.13. Birinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası sertlik değeri ................... 51 Şekil 4.14. Birinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası martenzitik dönüşüm sonucu ......................................................................................................................................... 51 Şekil 4.15. Birinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası yapılan statik analiz sonucunda oluşan gerilme değerleri ................................................................................ 52 Şekil 4.16. İkinci model lazer sertleştirme prosesinin modellenmesi ............................. 52 Şekil 4.16. İkinci model üzerinde lazer sertleştirme prosesinin uygulanması ................ 53 Şekil 4.17. İkinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası sertlik değeri ..................... 53 Şekil 4.18. İkinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası martenzitik dönüşüm sonucu ......................................................................................................................................... 54 Şekil 4.19. İkinci model üzerinde lazer sertleştirme sonrası yapılan statik analiz sonucunda oluşan gerilme değerleri ................................................................................ 54 Şekil 4.20. Mevcut ve lazer sertleştirme uygulanmış modellerin kuvvet deplasman grafiği ......................................................................................................................................... 55 viii ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Rockwell Sertlik Skalaları .......................................................................... 11 Çizelge 2.2. Lazer çesitleri.............................................................................................. 13 Çizelge 2.3. Farklı akma, çekme noktasına ve karbon (c) oranına sahip malzemeler .... 17 Çizelge 2.4. Lazer sertleştirme proses parametreleri ...................................................... 18 Çizelge 3.1 Akma dayanımı 1400 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ...... 21 Çizelge 3.2 Akma dayanımı 355 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ........ 21 Çizelge 3.3. Akma dayanımı 700 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ....... 22 Çizelge 3.4. Akma dayanımı 250 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ....... 22 Çizelge 3.5. Akma dayanımı 300 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ....... 22 Çizelge 3.6. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametreler ve seviyeleri ............. 23 Çizelge 3.7. Isı iletim koşulları ve ısı iletim katsayıları ................................................. 24 Çizelge 3.8. Akma dayanımı 355 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi ...... 24 Çizelge 3.9. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametreler ve seviyeleri ............. 25 Çizelge 3.10. Taguchi L25 ortagonal deney tasarım tablosu .......................................... 26 Çizelge 3.11. Sinyal-gürültü oranı .................................................................................. 28 Çizelge 3.12. Ortalama ................................................................................................... 28 Çizelge 3.13. Ortalama ................................................................................................... 30 Çizelge 3.14 Regresyon Analizin Varyansı .................................................................... 31 Çizelge 3.15 Yanıt Yüzey Yöntemi parametreleri .......................................................... 35 Çizelge 3.16 Yanıt Yüzey Yöntemi sonuçları ................................................................ 36 Çizelge 3.17. Yanıt Yüzey deneysel tasarım tablosu ...................................................... 37 Çizelge 3.18 Regresyon Analizin Varyansı .................................................................... 38 Çizelge 3.19 Optimizasyon hedef ve sınırlarının belirlenmesi ....................................... 40 Çizelge 4.1. Maksimum kuvvet değerinin yüzde olarak artışı ....................................... 46 ix 1. GİRİŞ Otomotiv sektöründeki teknolojik gelişmeler, yenilikçi arayışlar ve araç hafifletme çalışmaları her geçen gün hız kazanmaktadır. Araç hafifletme çalışmarında belirlenen sınır koşulları altında daha yüksek dayanım özelliklerine sahip ve daha hafif parçalar istenmektedir. Bu isterleri karşılayabilmek için parçanın tasarım değişiklerinin yanı sıra yeni nesil yüksek mukavemetli çelik sac malzeme kullanımını da yaygınlaştırmıştır. Yeni nesil yüksek mukavemetli çelik sac malzemelerin fiyatı geleneksel çelik sac malzemelerin fiyatına göre yüksek olduğu için birim parça fiyatını arttırmaktadır. Otomotiv şirketleri fiyat artışında daha rekabetçi olabilmek adına farklı alternatifler aramaktadır. Bu çalışmada, araç parçaları üzerinde kritik bölgeleri yani daha yüksek performans beklenen bölgeleri önceden belirleyerek o bölgelerde lazer sertleştirme uygulanmıştır. Belirlenen bu bölgelerde sac parça kalınlığı aynı kalarak hatta daha ince sac parça kullanılarak bölgesel iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Literatürde lazer sertleştirme çalışmaları genellikle otomotivde kalıpçılık sektöründe pres altında sac parçaların şekillendirilmesi sırasında kullanılmaktadır. Kalıp yüzeyinde deformasyonu azaltmak ve açınım sacının kalıp yüzeyinden daha rahat ayrılmasını sağlamak için kalıp yüzeyinde sertleştirme çalışmaları yapılmaktadır (Ameri ve ark. 2018, Moradi ve KaramiMoghadam 2019). Son yıllarda lazer teknolojisindeki gelişmelerle birlikte sac parçaları üzerinde ısıl işlem uygulanarak malzeme dayanımını artırma çalışmaları yapılmaktadır (Syed ve ark. 2017). Bu çalışmada farklı kalınlıkta ve farklı sac malzeme kullanarak lazer sertleştirme proses parametrelerinin optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Pasif güvenlik sistemi elemanlarından olan çarpışma kutusu ve araç dinamiğinde önemli rolü olan salıncak kolu parçaları üzerinde önceden belirlenen bölgelerde lazer sertleştirme uygulamaları yapılmıştır. 1 2. KURAMSAL TEMELLER ve KAYNAK ARAŞTIRMASI 2.1. Martenzit Yapı Martenzit yapı ilk olarak Alman bilim adamı Adolf Martens tarafından bulmuştur. (Kaya ve ark. 2016). Yeterli karbon seviyesine sahip bir çelik malzeme östenit fazına kadar ısıtıldıktan sonra su verildiğinde veya hızlı bir şekilde oda sıcaklığına kadar soğutulduğunda kübik yüzey merkezli kafes (KYM) yapısından, kübik hacim merkezli (KHM) ya da hacim merkezli tetragonal (HMT) kafes yapısına dönüşmektedir. Bu dönüşüm sırasında malzeme içerisinde bulunan karbonlar su verme ya da hızlı sogutma olduğu için difüzyon ile dışarıya çıkacak vakit bulamamaktadır ve kafes yapısını içerisine sıkışmaktadır. Böylece ortaya martenzit denilen çok sert ve kırılgan yapılar meydana gelmektedir. Ancak, martenzit kavramı sadece çelikteki bir faz olarak düşünülmemelidir. Aynı zamanda difüzyon olmayan bir katı hal faz dönüşümüne de martenzit denilebilmektedir (Anonim 2019). 2.1.1. Martenzit Yapı Özellikleri Martenzit yapısı, çeliğin hızlı soğuması ile, kristal yapı içerisinde bulunan karbon atomlarının Fe3C – Sementit oluşturamadan yapı içerisinde kaldıkları için kararsız sert ve kırılgan bir yapıdadır. Bu yapı hacim merkezli tetragonal (HMT) bir yapıdır ve bu yapının oluşabilmesi için karbon oranının %0.6 ve üzerinde olması gerekmektedir. Östenit fazından martenzite dönüşüm süresi yaklaşık olarak 0.001 saniye kadardır. Martenzit yapı kararsız bir yapı olduğu için ve düşük sıcaklıkta temperleme işlemi ile sementit ve ferrit yapısına ayrıştırılarak sertliği azaltılabilir ve tokluk seviyesi artırılabilir. Ancak bu işlem yapılmaz ise, sertlik 700 HB (Brinell) sertliğe kadar ulaşacaktır. Bu sertlikteki çelikler çok kırılgan yapılarda olduğu için kullanıma uygun değildir (Aran 2008). 2 Şekil 2.1. Demir karbon denge diyagramı (https://www.metalurjimalzeme.net/demir- karbon-denge-diyagrami/, Erişim tarihi: 15.06.2019) Yukarıda Demir Karbon Denge Diyagramı görülmektedir. Demir karbon diyagramında martenzit yapısının olmamasının sebebi, bu diyagramın bir denge diyagramı olmasıdır. Martenzitik yapı kararsız bir yapıdır. Bu nedenle bu diyagramda gösterilmez. Bu diyagramda gösterilen yapılar, yavaş soğuma ile elde edilen dengeli-kararlı yapılardır (Anonim 2019). Aşırı sert yapılar istenildiğinde bu dönüşüm sağlanır. Ancak pratik uygulamalarda kullanılabilmesi için temperleme işleminden geçmesi gerekmektedir. Bu işlemden geçemeyen çelikler malzemeler çok sert bir yapıya dönüşmekte ve mühendislik olarak kullanımı çok mümkün olmamaktadır. Martenzit dönüşümler sonucunda oluşan yapılar aşınmaya karşı direçli olduğu için aşınma dayanımı beklentisi olan parçalarda kullanımını yaygınlaştırmaktadır (Aran 2008). 3 2.1.2. Martenzit Oluşum Mekanizması Çelik östenit fazından soğutulmaya başladığında veya çeliğe su verme işlemi sırasında, martenzitik dönüşümün başladığı sıcaklığa (Ms) ulaşır ulaşmaz dönüşüm başlar ve dönüşümün tamamlandığı sıcaklığa (Mf) ulaşınca martenzit dönüşüm sona erer. Şekil 2.2. Martenzit Dönüşüm Sıcaklıkları a) Sıcaklık değişimi b) Demir ve nikel oranına göre martenzitik dönüşümü (https://www.metalurjimalzeme.net/martenzit-nedir/, erişim tarihi: 15.06.2019) Martenzit dönüşüm sıcaklıkları Şekil 2.2 incelendiğinde, malzeme içerisindeki % karbon miktarı arttıkça Ms düştüğü görülmektedir. Yani karbon miktarı ne kadar fazla ise, dönüşüm o kadar düşük sıcaklıkta meydana gelebilir ve kolaylaşır. Aynı etkiyi yine -b grafiğinde baktığımızda görebileceğimiz gibi nikel elementi de karbon gibi dönüşüme etki eder. Yani nikel ne kadar fazla ise, dönüşüm sıcaklığı da o kadar düşecektir. Örneğin, %0.2 karbon içeren bir çelik, 400 Santigrat derece üzerinde dönüşüme başlarken, %0.6 karbon içeren aynı çelik 300 Santigrat derecenin biraz altında dönüşüme başlar. Yani çeliğin içerdiği karbon miktarı ne kadar fazla ise martenzit oluşturabilme kapasitesi o kadar yüksektir (Aran 2008). 4 2.1.3. Mikroyapı Şekil 2.3. Martenzit Mikroyapı (https://www.metalurjimalzeme.net/martenzit-nedir/, erişim tarihi: 15.06.2019) Şekil 2.3 ‘deki mikroyapı görüntüsünü incelediğimizde, martenzitik yapıların keskin köşeli ve sivri yapılar olduğunu görmekteyiz. Östenit fazı içerisinde çok hızlı bir şekilde büyümüş bu yapılar malzeme içerisinde görüldüğünde yapının sertliğinin çok yüksek olduğu anlamına gelmektedir. Martenzit yapısı, östenit fazı içerisinde yüksek karbonlu çeliklerde plakalar halinde büyüyebileceği gibi, daha düşük karbonlu çeliklerde iğne halinde de büyüyebilir (Aran 2008). Hızlı soğuma sırasında oluşan martenzit yapısı aşırı iğneli yapıda olabilir. Bu demek oluyor ki dönüşüm sırasında çok kırılgan ve sert bir malzeme oluştu. Bu durumun istenmediği zamanlarda martenzitik dönüşüm sonrası ısıl işlem uygulanarak istenilen tokluk ve sertlik değerine getirilebilir (Aran 2008). 2.1.4. Martenzit Yapı Oluşumunda Martemperleme Uygulanması Martemperleme işlemi kontrollü bir sertleştirme işlemidir. Yapıdaki % karbon oranına göre, hızlı soğutma işlemi sırasında çelikte çatlak oluşumu meydana gelebilir. Bu çatlak 5 oluşumunun önüne geçmek ve aynı sertlik değerine ulaşmak için martemperleme yapmak gerekmektedir (Aran 2008). Martemperleme işlemi östenit sıcaklığına çıkarılan çelik malzeme, Ms sıcaklığının hemen üstüne kadar hızla soğutulurken Ms ‘nin biraz üzerinde beynit oluşturmayacak kadar bekletilir. Bu bekletmenin amacı, malzemenin iç yüzeyi ile dış yüzeyi arasındaki gerilim farkını azaltmak ve sıcaklık dengesini saglamaktır. Bu işlemden sonra tekrar çeliğe su verilerek soğutma işlemi gerçekleştirilir. Bekleme işlemi ile gerilimler giderildiği için martenzitik yapı oluşumu sırasında çatlama oluşmaz ve istenilen sertlik değeri elde edilimiş olur (Aran 2008). 2.1.5. TTT Diyagramı TTT (Time-Temperature-Transformation) Zaman – Sıcaklık – Dönüşüm diyagramı olarak bilinmektedir. Şekil 2.4 TTT diyagramı ve martenzit oluşumu (https://www.metalurjimalzeme.net/martenzit-nedir/, erişim tarihi: 15.06.2019) Bu diyagramı incelediğimizde yukarıdan aşağıya inen oku görmekteyiz. Bu ok martenzitik dönüşümün başladığı sıcaklık (Ms) ve dönüşümün tamamlandığı sıcaklık (Mf) çizgilerini neredeyse dik bir açı ile kesmektedir. Grafikte “γ” olarak gösterilen kısım 6 östenit fazı temsil etmektedir. Grafiğin sol kısmı sıcaklık, alt kısmı süreyi göstermektedir. Süre soldan sağa doğru gidildikçe artmaktadır. Yani grafikte gözüken ok ne kadar kısa süre içerisinde (sol tarafa yakın) aşağıya iner ise, martenzit oluşma ihtimali de o kadar artmaktadır. Eğer soğuma hızı yavaşlar ise, grafiğin sağ tarafına doğru gidilmiş olur. Ösnetit, ferrit ve perlit gibi yumuşak ve kararlı fazlar oluşur. Bu süre daha da uzatırsa beynit yapısı oluşturulabilir. Sonuç olarak, sıcaklık düşüşü ne kadar hızlı ve keskin olur ise, oluşacak martenzitik yapı o oranda fazla olacaktır (Aran 2008). 2.2. Sertlik Malzeme biliminde sertlik kavramı dayanımı ile dogrudan ilişkili bir özelliktir. Sertlik göreceli bir ölçü olup malzemenin delinmeye, kesilmeye ve aşınmaya karşı göstermiş olduğu tepkinin bir ölçüsüdür. Diğer bir tabirle malzemenin yüzeyine sert bir cisim batırıldığında ona karşı göstermiş olduğu direçtir. Malzemenin sertlik değeri bu oluşan izle ters orantılıdır (Pürçek 2014). Malzeme hakkında bilgi edinmenin en pratik ve kolay yolu sertlik ölçümünün yapılmasıdır. Sertlik ölçümünün avantajı direk olarak malzemenın mukavemet değeri hakkında bilgi verir. Malzemenin sertlik bilgisi ile mekanik özellikleri arasında doğrusal bir ilişki mevcuttur. Örnek olarak çekme mukavemet değeri ile sertlik arasında doğru orantı mevcuttur. Ayrıca deneyin basit oluşu ve malzeme üzerinde diğer yöntemlere oranla az tahribat vermesi diğer avantajlarındandır. Sertlik ölçümünde dikkat edilmesi gereken bazı noktalar vardır. Bunlar maddeler halinde şu şekildedir: -Koni, piramit ve bilya gibi batıcı ucların sertlik değerleri ölçüm yapılacak malzemeden daha yüksek olmasına dikkat edilmelidir. -Sertlik ölçümü yapılacak numunenin kalınlık değeri batıcı ucun iz derinliğinin minimum 10 katı olması gereklidir. -Sertlik ölçümü numunenin köşelerine yakın bölgeden yapılmamalı ve ayrıca izler arasındaki mesafe minimum bir iç çapı kadar veya köşegen uzunluğunun 3 katı kadar olmalıdır. -Sertlik ölçümü yapılan bölge ile sertlik numunesinin oturma yüzeyi birbirine parallel olması gereklidir. 7 Sertlik ölçüm yöntemler batıcı ucun geometrisine ve uygulanan kuvvet büyüklüğüne göre değişmektedir (Pürçek 2014). Başlıca sertlik ölçüm yöntemleri: – Brinell sertlik ölçme yöntemi – Vickers sertlik ölçme yöntemi – Rockwell sertlik ölçme yöntemi – Mikrosertlik ölçme yöntemi Şekil 2.5 Sertlik ölçüm yöntemleri (https://slideplayer.biz.tr/slide/2798476/, erişim tarihi: 20.07.2020) 2.2.1. Brinell Sertlik Ölçme Yöntemi Brinell sertlik ölçüm yöteminde malzeme yüzeyine belirli bir yükle (F) belirli bir çaptaki (D) batıcı ucun malzem yüzeyinde kalıcı bir iz bırakma esasına dayanır. Burada batıcı ucun malzemeden daha sert olması gerektiğine dikkat edilmelidir. (Pürçek 2014). 8 Şekil 2.6 Brinell Testi (https://slideplayer.biz.tr/slide/2798476/, erişim tarihi: 20.07.2020) Sertlik ölçüm değeri şu formülasyonla hesaplanır: BSD = Brinell sertlik değeri D = Bilye çapı F = Uygulanan kuvvet d = izin çapı. 𝜎ç = Çekme dayanımı 2F BSD  (2.1)  D [D  D2  d 2 ] Bu formülasyonda F uygulanacak kuvveti veya yükü (kg) D bilyanın çapını (mm) ve d ise iz çapını (mm) göstermektedir. Deney sırasında standart olarak kullanılan 1.25-2.5-5- 10 mm çapta bilya kullanılabilir. Uygulanacak yük malzemenin cinsine göre değişkenlik göstermektedir. d/D= 0.2 -0.7 oranında uygulanacak yük değeri F= C.D2 formülü ile hesaplanır. Yükü uygulama süreside 10-15 saniye arasında değişmektedir. Buradaki C değeri malzemenin cinsini ifade etmektedir. -Demir esaslı malzemede (çelik) C=30 -Bakır ve Aluminyum alaşımlı mazlemede C=10 -Yumuşak malzemede C=5 Brinell sertlik değeri ile çekme mukavemeti arasında şu şekilde bir ilişki vardır: 𝜎ç(𝑘𝑔/𝑚𝑚 2) = 0.35 × 𝐵𝑆𝐷(𝑘𝑔/𝑚𝑚2) (2.2) Bu formülasyonu kullanarak çeliklerde çekme dayanımını yaklaşık olarak hesaplayabiliriz (Pürçek 2014). 9 2.2.2. Vickers Sertlik Ölçme Yöntemi Bu yöntemle batıcı uc profile tepe açısı 136𝑜 olan elmas kare piramit uc kullanılmaktadır. F uygulanacak yük ile malzemeye batırılan piramit ucun dörtgen izin köşegenleri ölçülerek hesaplanan ortalama köşegen uzunluğu formülünde yerine koyularak Vickers sertlik değeri ölçülür. Bu yöntemde sertlik değeri yüke bağlı değildir. Ölçümde hataları azaltmak için yükü ve izi büyütmek doğru bir yöntemdir. Dikkat edilmesi gereken nokta köşegen uzunluğu, ölçülen parçanın kalınlığının en fazla üçte ikisi kadar olmalıdır. Yükün numune üzerinde kalma süresi 20 saniye olmalıdır. Bu süre bitiminde baskı ucu numeden kaldırılarak hesaplama yapılır (Pürçek 2014). VSD = Vickers sertlik değeri F = Uygulanan kuvvet dort = izin köşegen ortalaması. d1,d2 = Ölçülen köşegen uzunlukları İz köşegen ortalamasının formülü aşağıda gösterildiği şekildedir. d  d dort  1 2 (2.3) 2 Şekil 2.7 Vickers Testi (https://slideplayer.biz.tr/slide/2798476/, erişim tarihi: 20.07.2020) Vickers sertlik değerinin hesaplanması aşağıdaki formulasyonla hesaplanmaktadir. 1.72F VSD  2 (2.4) dort 10 2.2.3. Rockwell Sertlik Ölçme Yöntemi Rockwell sertlik ölçümünde batıcı uç olarak elmas konik uç ya da çelik bilye kullanılır. Batıcı uç genellikle küçük yüklerle malzeme yüzeyine bastırılarak oluşan izin dip noktası başlangıç noktası olarak belirlenir. Bunun sebebi numune ile arasındaki kesin teması sağlamaktır. Daha sonrasında yük daha yüksek bir değere çıkartılarak tekrar önceki değere indirilir. Ucun batma derinliğindeki artışa göre Rockwell sertlik değeri ölçülmüş olur. Batıcı uç olarak elmas konik kullanılırsa tepe açısı 1200 tepe noktası çapı 0.2 mm olarak seçilir. Bilye tipindeki batıcı uç kullanılırsa çaplarıda yaklaşık olarak 1.6 mm 3.2 mm 6.35 mm ve 12.7 mm olarak seçilebilir. Rockwell sertlik ölçümünde Rockwell skalası olarak bilinen batıcı ucun tipine, kullanılan malzeme tipine ve uygulan yük değerlerine göre tablo oluşturulmuştur. Tablo aşağıdaki gösterildiği şekildedir. (Pürçek 2014). Çizelge 2.1. Rockwell Sertlik Skalaları (https://slideplayer.biz.tr/slide/2798476/, Erişim tarihi: 20.07.2020) Yük Sembol Batıcı Uç Tipik Kullanım yerleri (Kgf.) 1.6 mm Bakır alaşımlar, yumusak çelikler, Alüminyum B 100 bilya alaşımlar Çelik sert dökme demirler, perlitik temper döküm, titan Elmas derin olarak yüzeyi sertleştirilmiş çelik ve Rockwell B C konik uç 150 değeri 100’den daha fazla olan diğer malzemeler Elmas Sert metaller, ince çelik ve yüzeyi ince tabaka halinde A 60 konik uç sertleştirilmiş çelikler Elmas D 100 Ince çelik, orta kalıklıkta yüzeyi sertleştirilmiş çelik konik uç 3.2 mm E 100 Dövme demir alüminyum ve magnezyum alaşımları bilya 1.6 mm F 60 Tavlanmış bakır alaşımları, yumuşak ince saç metaller bilya 1.6 mm G 150 Fosforlu bronz berilliyumlu bakır temper döküm bilya 11 RSD = Rockwell sertlik değeri Rockwell sertlik değerinin bulunmasında kullanılan formüller: RSD - A,C,D =100-500t RSD – B,F,G,E = 130-500t (2.5) Burada t batıcı uçun batma derinliğini (mm) cinsinden ifade etmektedir. 2.2.4. Mikrosertlik Ölçme Yöntemi Bu yöntem, özellikle çok küçük numuneler ve ince sacların sertlik ölçümünde yaygın kullanılan bir yöntemdir. Elektrolit olarak kaplanmış, azotla sertleştirilmiş, dekarbürize ve karbürize edilmiş malzemelerin sertlikleri bu yöntemle ölçülmektedir. Ayrıca sert ve kırılgan parçaların cam, porselen ve seramik gibi malzemelerin sertlik ölçümüde yapılabilir. Vickers ve Knoop mikrosertlik ölçme yöntemlerindendir. Vickers yönteminde ; tabanı kare, tepesi 136o derece olan piramit uç, Knoop yönteminde ise 172o olan piramit biçimindeki elmas uç kullanılır (Pürçek 2014). KSD = Knoop sertlik değeri: P = Uygulanan Yük I = Uzun köseğen uzunluğu Knook sertlik değerinin bulunmasında kullanılan formülü: KSD=14.2 P/I2 (2.6) 2.3. Lazer ve Çesitleri 2.3.1. Lazer Bir elementi meydana getiren atomların elektronları belirli bir yörüngede kararlı bir şekilde dönerler. Bu atomlar, dışarıdan gelen bir enerji ile (ısı, ışık veya elektrik) uyarıldığında, ışık kaynaklarının ışıkları uyarılmış atomlarındaki elektronlar yüksek bir 12 halden daha düşük bir hale geçerken (yörünge değiştirerek) birbirlerinden farklı fazda ve yönde yayılan fotonlardan oluşur. Lazer ışınında ilk uyarılan atomlardan yayılan fotonlar, iki yüzey arasında ileri geri hareket ederken lazer boşluğundaki diğer atomları da uyararak aynı fazda, aynı yönde yayılan ışınlardan daha yüksek enerjiye sahip bir ışık yayarlar. Yeni meydana gelen yüksek enerjili bu ışına lazer (light amplification by the stimulated emission of radiation) denir (Nöbet 2019). Çizelge 2.2. Lazer çesitleri Lazer Çeşitleri Gaz Sıvı Katı-hal Yarı-iletken Diğer Lazerleri Lazerleri Lazerleri Lazerler Lazerler Diyot Lazerleri Metal malzemelerde lokal olarak malzeme özeliklerini değiştirmede en yaygın olarak kullanılan lazer tipi diyot lazerlerdir. 2.3.2. Diyot Lazerler Diyor lazerler bir lazer ışın kaynağıdır. Yüzey sertleştirme prosesi için benzersiz kalitededir. Enerjinin malzemeye absorbe edilmesi açısından en verimli enerji kaynağıdır. Çelik malzeme yüzeylerinde bu enerji çok iyi absorbe olabilmektedir. Diyot lazerler yüksek kapasitede güç değişimlerini yüksek hızlarda gerçekleştirebilmektedir. Bu özelliği ile et kalınlıkları farklı olan keskin köşeler içeren parçalarda büyük avantaj sağlamaktadır. Diyot lazerlerin elektro optik verimlilikleri diğer lazer kaynaklarına (CO2 lazer ve Nd: yag lazer) kıyasla %35 fazladır. Diğer lazer kaynaklarına göre metal malzeme yüzeyinde absorblanma derecesi açısından yüksek değerler içerir. Bu değer yaklaşık olarak % 40 ve CO2 lazere kıyasla çok iyidir. Şekilde değişik lazer ışın kaynaklarının absorbe olma derecesinin karşılaştırması görülmektedir (Nöbet 2019). 13 Şekil 2.8 Lazer ışın kaynaklarının absorbe olma derecesi (https://diyot.net/lazer-diyot/, Erişim tarihi: 08.06.2020) Diyotlarda üretilen lazer ışınını orantılı olarak kullanılabilmektedir. Eğer diyot güç sağlayıcısının güçünü ani olarak değiştirirseniz lazer çıkış gücüde aynı hızla değişecektir. Bunun gerçekleşmesi sisteme entegre edilen termal kamera yardımıyla sağlanmaktadır. Termal kamera parçanın yüzeyinde tanımlanmış olan Östenitleme sıcaklığını çok hassas toleranslarda kontrol etmekte ve bu östenitlenme sıcaklık değerinde sabit tutmaktadır. Bu belirlenen Östenitlenme sıcaklık değerinin sabit kalmasını güç değişimi ile sağlamaktadır Nöbet 2019). Diyot lazerlerin belli başlı özellikleri:  Diyot lazerler, çeşitli teknolojik manipülasyonlarla 300 nm UV dalga boyundan 3000 nm IR dalga boyları arasında, (görünür bölge dahil) ışın üretebilir.  Diyot lazerler küçüktür, fazla yer kaplamaz.  Laser diyotları eski radyolardaki lambalar, televizyonlardaki tüpleri gibi dayanıklıdır, kolay arıza yapmaz.  Geniş bir kullanım alanına sahiptir. Fiber optik haberleşme, barkod okuyucular, lazer pointer, lazer yazıcılar ve tarayıcılar. 14 2.4. Lazer Sertleştirme Yöntemi Lazer ile sertleştirme; derin çekme, kesme, büküm, plastik enjeksiyon, hafif metal döküm kalıplarında, düşük maliyetli ve mukavemetli çelik, yüksek mukavemetli çelik (AHSS) sac levhaların bölgesel olarak sertleştirilmesinde kullanılan ve giderek yaygınlaşan bir yöntemdir. Yöntemin en büyük avantajı sertleştirme sonrasında parça üzerinde şekil değişimi olmamasıdır. Bu sayede, kalıplarda ve sac levhalarda geleneksel sertleştirme işlemleri sonrası yapılmak zorunda olan son işlem operasyonları ortadan kalkmaktadır. Odaklanmış lazer ışını belirlenen bölgede ergime sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa kadar lazer ışını ile belirlenen derinlikte ve hızda ısıtılır. Yüksek sıcaklıkta parçanın atomlarının kafes yapısının değişmesine neden olur ve tanımlanan bölgede ostenitik yapılar oluşur. Bu sıcaklık değeri değişmeyecek şekilde parça yüzeyinde pyrometre sistemi ile sıcaklık sürekli kontrol altında tutulur. Lazer ışını o bölgeyi terk ettikten sonra aşırı yüksek hızda ısınma nedeniyle, hala soğuk kalmış olan parçanın iç kısmına doğru ısı transferi gerçekleşir ve yüzey aniden soğur bu hızlı soğuma malzemenin kafes yapısının eski haline dönmesine engel olur. Yüzeyde yüksek sertlik değerine sahip martenzitik yapı oluşur. Homojen ısı dağılımı sonucunda homojen iç yapı elde edilir. İç yapının düzenli homojen ve küçük taneli olması, yüksek sertliklerde oluşan gevreklik problemini de ortadan kaldırır (Nöbet 2019). Lazerin temas ettiği yüzeyde sıcaklık artış hızı çok yüksek olduğu için malzemenin geneline etki eden ısıl yük düşüktür. Bu nedenle şekil deformasyonu minimum düzeydedir. Ürünün sadece sertlik alması istenen bölgelerine işlem yapılmasına olanak sağladığı için lazer yüzey sertleştirme, hem parçanın geri kalan kısmının gereksiz yere işleme dahil olmasının önüne geçer hem de lokal sertleştirme sayesinde, büyük parçalar için işlemin ekonomik olması anlamına gelir (Nöbet 2019). Lazer Sertleştirme Yönteminin avantajları:  Belirli karbon oranına sahip tüm sertleştirilebilen çeliklerde uygulanabilir.  Sertlik hat genişliği; kullanılan lazerin özelliği, lazer kafasında kullanılan optik çapı ve maksimum lazer çıkış gücüne bağlı olarak 1 ile 50 mm arasındadır. 15  Sertlik derinliği malzemeye bağlı olarak değişmekle birlikte maksimum 2 mm'dir.  Kısa süren noktasal işlemler olduğu ve yüksek enerji girişinden dolayı yapı üzerinde çarpılma olmaz ve sonraki proses için ekstra işleme gerek kalmaz.  Isıl işlem hattı boyunca değişmeyen enerji yoğunluğu uygulanabilir.  Kısmi yüzey sertleştirme ve hassas sertleştirme yapılır.  İdeal kristal yapı küçük tane boyutu ve homojen mikroyapı elde etmede etkili bir yöntemdir.  Kontrollü kolay ve stabil bir prosestir.  Ekstra maliyeti oluşturacak yüksek soğutma sistemlerine ihtiyaç yoktur.  Minimum deformasyon ve yüksek kalitede homojen sertlikte yapılar elde edilir (Nöbet 2019). Dezavantajları:  Üst üste gelen hatlarda uygulamak mümkün değildir. Üst üste gelen, birbirini takip eden sertlik hattı önceki sertlik hattının tavlanmasına yol açar. Gerekli olan en az sertleştirme bölge mesafesi yaklaşık 1.0 ile 1.5 mm arasındadır.  Çalışma mesafesi; lazer kafası, parçanın yüzeyi ve optiğe bağlı olarak yaklaşık 100-350 mm'dir  Lazer kafası için hareket serbestliği ve çalışma alanına dikkat edilmeli ayrıca ışının sertleştirilen parça yüzeyine odaklanmasına dikkat edilmelidir.  Saçılan lazer ışınlarından dolayı gerekli güvenlik donanımı alınması gerekmektedir. Uygun kabin yapılmalı ve proses uygulandığı süre boyunca kabin dışında kalınmalıdır (Nöbet 2019). Literatürde yapılan çalışmalar incelendiğinde farklı karbon (C) oranına, akma ve çekme mukavemet değerlerine sahip sac malzemeler Çizelge 2.3’te gösterildiği gibi üzerinde lazer sertleştirme yöntemi uygulandığı görülmektedir (Jahn ve ark. 2011, Wagner ve ark. 2016). 16 Çizelge 2.3. Farklı akma, çekme noktasına ve karbon (c) oranına sahip malzemeler (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) Yapılan çalışmalar sonucunda farklı tipte lazer hücresi ve parametre kullanıldığı görülmektedir. Lazer sertleştirme prosesinde en önemli parametreler; lazer hızı, lazer güçü, lazer penetrasyon değeri, sac parça kalınlığı ve sac soğuma hızı parametreler çok önemlidir. 1.5 mm saç kalınlığında lazer hızına bağlı olarak soğuma hızı grafikte verilmiştir (Jahn ve ark. 2011). Şekil 2.9. 1.5 mm saç kalınlığına sahip malzemenin lazer hızına bağlı soğuma grafiği (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) Yapılan çalışmalarda lazer parametreleri farklılık göstermekle birlikte sertlik değerlerinin önemli ölçüde arttığı görülmektedir. Yapılan çalışmalar sonucunda lazer parametreleri aşağıdaki Çizelge 2.4 de gösterildiği gibidir. 17 Çizelge 2.4. Lazer sertleştirme proses parametreleri (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) Yapılan numuneler üzerinde belirlenen bölgelerde lazer işlemi uygulandıktan sonra mikro yapı metalografik olarak yerel malzeme özelliklerinde inceleme yapılmıştır. Numuneler üzerine yüzeyin 0.2 mm altında çapraz sertlik ölçümleri Şekil 2.10’da değerlendirilmiştir. İncelenen tüm çelik türlerinde sertlik değerlerinin arttığı gözlenmektedir. Malzemelerin erime bölgesindeki sertlik değeri baz malzemenin karbon içeriğine tekabül ettiği görülmüştür. Sertlik maksimum değeri ve temel malzeme değeri arasındaki fark çeliğin maksimum sertleşme potansiyelini göstermektedir (Jahn ve ark. 2011). Şekil 2.10 Farklı malzemelerin lazer sertleştirme uygulama sonrası sertlik ölçüm değeri (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) Sertleşme etkileri, optik mikroskopi ve SEM kullanılarak yapılan mikro yapısal incelemelerle netleştirilmiştir. Karbon içeriğine bağlı olarak iki farklı sertleşme mekanizması tespit edilmiştir (Jahn ve ark. 2011). Düşük karbon içeren çelikler (örneğin DC05; C <% 0.1), lazer uygulanan bölgelerdeki sertlik artışı seviyesin oldukça düşük olduğu Şekil 2.10’da görülmüştür. Ancak baz malzemeye göre önemli ölçüde artış görülmüştür. Lazer uygulanan bölgede mikro yapıda 18 tane sınırlarında karbon çökeltisinin ferrit yapıda oluşu, tane boyutunun küçük olması ve su verme işlemi sırasında malzemede sertlik artışı olduğundandır (Jahn ve ark. 2011). C oranının yüksek olan çelik malzemelerde sertlik artışının sebebi martenzit oluşumundan kaynaklanmaktadır. Martenzitik dönüşüm miktarı ve sertlik değeri doğrudan çeliğin C içeriğine bağlıdır (Jahn ve ark. 2011). Şekil 2.11. Lazer uygulanan bölgedeki iki farklı malzeme türüne göre sertleşme mekanizması (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) Şekil 2.11’de lazer eritme bölgelerinin tipik makrograflarını göstermektedir. Diyagram artan lazer hızına bağlı olarak penetrasyon düşüşünü göstermektedir. Öte yandan, yüksek lazer hızında hızlı soğuma sonrasında martenzit oluşumu, kendiliğinden tavlama etkilerini önlemiş olur ve sonunda daha yüksek sertlik değerlerine yol açar. Bu yüzden lazer hızı sertleşme üzerindeki güçlü etkisinden dolayı en önemli proses parametresi olarak belirlenmiştir. Lazer sertleştirme prosesinde lazer hızının etkisinin yanı sıra lazer penetrasyon etkisininde sertleşme prosesine etkisi önemlidir. Lazer hızının 4 m/dk ile 1.5 mm sacın tam penetrasyonu E=%100 ile lazer hızının 10 m/dk ile 1.5mm sacın E=penetrasyon derinliğinin %50’sine düşürülmesi sonucunda sertlik değerindeki değişimini göstermektedir (Jahn ve ark. 2011). 19 Şekil 2.12. İki farklı lazer hızına ve farklı lazer penetrasyon değerlerine karşı sertlik ölçümleri (Jahn ve ark 2011’den alınmıştır) 20 3. MATERYAL ve YÖNTEM 3.1. Malzeme Özellikleri Yapılan literatür araştırmaları neticesinde beş farklı karbon (C) oranına sahip malzeme belirlendi (Wagner ve ark. 2016, Jahn ve ark 2011). Belirlenen malzemelerin kimyasal bileşimi ve sertlik değerleri aşağıda verilmiştir. Malzeme kimyasal bileşimi ‘Simufact Welding Material 2018’ yazılımının malzeme kütüphanesi kullanılarak oluşturulmuştur. 1. Akma dayanımı 1400 N/mm2 ve sertlik degeri 275 Hv sahip malzemenin kimyasal analizi Çizelge 3.1 Akma dayanımı 1400 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 1400 N/𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme Al 0.039 Fe 97.99 S 0.001 B 0.003 Mn 1.24 Si 0.26 C 0.24 Mo 0.004 Ta 0.003 Co 0.005 N 0.0008 Ti 0.035 Cr 0.12 Ni 0.02 V 0.0008 Cu 0.015 P 0.012 2. Akma dayanımı 355 N/mm2 ve sertlik degeri 150 Hv sahip malzemenin kimyasal analizi Çizelge 3.2 Akma dayanımı 355 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 355 N/𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme Al 0.05 Mn 1.6 S 0.011 C 0.17 N 0.005 Si 0.02 Fe 98.127 P 0.017 3. Akma dayanımı 700 N/mm2 ve sertlik degeri 260 Hv sahip malzemenin kimyasal analizi 21 Çizelge 3.3. Akma dayanımı 700 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 700 N/𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme C 0.16 Mn 1.45 S 0.005 Cr 0.55 Mo 0.37 Si 0.3 Fe 96.963 Ni 0.15 V 0.04 P 0.012 4. Akma dayanımı 250 N/mm2 ve sertlik degeri 135 Hv sahip malzemenin kimyasal analizi Çizelge 3.4. Akma dayanımı 250 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 250 N/ 𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme C 0.15 Fe 98.293 S 0.027 Cu 0.4 Mn 1.1 N 0.01 P 2 5. Akma dayanımı 300 N/mm2 ve sertlik degeri 150 Hv sahip malzemenin kimyasal analizi Çizelge 3.5. Akma dayanımı 300 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 300 N/𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme Al 0.02 Mn 1.1 Si 0.65 C 0.1 Mo 0.15 Ti 0.15 Fe 97.68 Ni 0.15 3.2. Lazer Sertleştirme Uygulanacak Numune Ölçüleri Lazer sertleştirme prosesi kapsamında yapacağımız çalışmaları süreci daha etkin ve hızlı şekilde yürütmek ve değerlendirmek için numuneler üzerinde çalışmalar gerçekleştirdik. Bu numune ve fikstür ölçüleri Şekil 3.1’de gösterildiği şekildedir. 22 Şekil 3.1. Lazer sertleştirme prosesinde kullanılan numune ve fikstür ölçüleri 3.3. Lazer Sertleştirme Prosesine Etki Eden Parametreler ve Seviyeleri Yapılan araştırmalar sonuçunda lazer sertleştirme prosesine etki eden parametler ve seviyeleri Çizelge 3.6’da gösterilmektedir. Bu parametreler sırası ile lazer gücü, lazer hızı, lazerin sac üzerinde etki alanını ve derinliğini belirlemek için üst radius, alt radius, derinlik değerleri, malzeme tipi ve soğuma süresi olarak belirlenmiştir. Çizelge 3.6. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametreler ve seviyeleri Seviye Parametreler Birimler 1 2 3 4 5 Lazer Gücü kw 600 700 800 900 1000 Lazer Hızı mm/s 6 8 10 12 14 Üst Radius mm 3 2,5 2 1,8 1,5 Alt Radius mm 1,5 1,3 1 0,7 0,5 Derinlik mm 1 0,8 0,7 0,6 0,5 Soğuma Süresi W/𝑚2 ∗ 𝐾 20 100 500 1000 20000 Malzeme Tipi - 1 2 3 4 5 Malzeme tipi 1,2,3,4 ve 5 olarak isimlendirilen malzemeler sırası ile Bölüm 3.1. ‘de belirlenen malzemelerdir. Farklı soğuma süresi tanımlamak için similasyon ortamında 23 farklı ısı iletim katsayıları kullarak sağlanmaktadır. Bu iletim katsayıları aşağıda belirtilen Çizelge 3.7. referans alınarak belirlenmiştir (Çolak ve Ayık 2020). Çizelge 3.7. Isı iletim koşulları ve ısı iletim katsayıları Isı İletim Koşulları Isı İletim Katsayısı [ W / 𝐦𝟐 ∗ 𝐤 ] Serbest Taşınımlı Gazlar 5-37 Serbest Taşınımlı Su 100-1200 Serbest Tasınan Yağ 50-350 Tupler ve Borular Arasında Gaz Akışı 10-350 Tüplerde Akan Su 500-1200 Tüplerde Akan Yağ 300-1700 Tüplerden Akan Erimiş Metaller 2000-45000 Kabarcıklı Kaynamış Su 2000-45000 3.4. Malzemenin ve Uygulanacak Paremetrelerin Belirlenmesi Belirlenen 5 farklı malzeme içerisinden akma dayanımı 355 N/mm2 ve sertlik değeri 150 Hv sahip malzeme seçildi. Bu seçim işlemini daha sonra üzerinde lazer sertleştirme uygulaması yapılacak olan çarpışma kutusu malzemesi referans alınarak belirlendi. Akma dayanımı 355 N/mm2 ve sertlik degeri 150 Hv sahip malzemenin farklı sıcaklık değerlerine göre gerilme-şekil değiştirme eğrisi Şekil 3.2’de ve kimyasal bileşimi Çizelge 3.8 ‘de gösterilmektedir. Çizelge 3.8. Akma dayanımı 355 N/mm2 sahip çelik malzeme kimyasal bileşimi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Akma Dayanımı 355 N/𝐦𝐦𝟐 Sahip Çelik Malzeme Al 0.05 Mn 1.6 S 0.011 C 0.17 N 0.005 Si 0.02 Fe 98.127 P 0.017 24 Şekil 3.2. Gerilme-şekil değiştirme eğrisi (Simufact Welding Material 2018’den değiştirilerek alınmıştır) Bu aşamada optimize edilecek lazer sertleştirme proses parametreleri ve seviyeleri Çizelge 3.9’da gösterildiği şekildedir. Parametrelerin içerisinden 5 parametrenin seçilmesindeki sebep model kurulum esnasında test sayısını azaltmak ve daha anlamlı matematiksel model kurmaktır. Bu parametreler sırası ile; lazer gücü, lazer hızı, lazerin sac üzerinde etki alanını ve derinliğini belirlemek için üst radius, alt radius ve derinlik değerleri yer almaktadır. Çizelge 3.9. Lazer sertleştirme prosesine etki eden parametreler ve seviyeleri Seviye Parametreler Birimler 1 2 3 4 5 Lazer Gücü kw 600 700 800 900 1000 Lazer Hızı mm/s 6 8 10 12 14 Üst Radius mm 3 2,5 2 1,8 1,5 Alt Radius mm 1,5 1,3 1 0,7 0,5 Derinlik mm 1 0,8 0,7 0,6 0,5 25 3.5. Deneysel Tasarım Yöntemleri Deneysel tasarım yöntemi 1920 yıllarında genetikçi ve matematikçi olan Fisher tarafından ortaya atılmış bir yöntemdir (Gökçe ve Taşgetiren 2009). Yöntem matematiksel problemleri analiz etmek şekillendirme ve süreçleri iyileştirmek için oluşturulmuştur. Bu yöntemler sayesinde süreçi ya da prosesi etkileyen bağımlı ya da bağımsız değişkenler arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak tanımlamak ve sürecin optimize edilmesinde kullanılmaktadır. 3.5.1. Taguchi Deney Tasarım Yöntemi Taguchi deney tasarım yöntemi, otomotiv ve makine sanayinde en çok kullanılan deneysel tasarım yöntemlerinden bir tanesidir. Bu yöntemde kullanılmak üzere daha önceden belirlediğimiz lazer sertleştirme yöntemine etki eden parametreler ve seviyeleri Çizelge 3.10’da gösterildiği şekildedir (Derdour ve ark. 2018). Lazer sertleştirme proses işlemi sırasında kullanılacak olan parametre ve seviyelerimizi dikkate alarak deneysel tasarım yöntemlerinden olan Taguchi deney tasarım yönteminde kullanılan ortagonal tablolardan parametre ve seviyemize uygun olan L25 ortagonal dizisi seçilerek Çizelge 3.10’da gösterildiği şekilde oluşturulmuştur. Çizelge 3.10. Taguchi L25 ortagonal deney tasarım tablosu Lazer Lazer Üst Alt Test Derinlik Gücü Hızı Radius Radius 1 600 6 3 1.5 1 2 600 8 2.5 1.3 0.8 3 600 10 2 1 0.7 4 600 12 1.8 0.7 0.6 5 600 14 1.5 0.5 0.5 6 700 6 2.5 1 0.6 7 700 8 2 0.7 0.5 8 700 10 1.8 0.5 1 26 Çizelge 3.10. Taguchi L25 ortagonal deney tasarım tablosu (devam) 9 700 12 1.5 1.5 0.8 10 700 14 3 1.3 0.7 11 800 6 2 0.5 0.8 12 800 8 1.8 1.5 0.7 13 800 10 1.5 1.3 0.6 14 800 12 3 1 0.5 15 800 14 2.5 0.7 1 16 900 6 1.8 1.3 0.5 17 900 8 1.5 1 1 18 900 10 3 0.7 0.8 19 900 12 2.5 0.5 0.7 20 900 14 2 1.5 0.6 21 1000 6 1.5 0.7 0.7 22 1000 8 3 0.5 0.6 23 1000 10 2.5 1.5 0.5 24 1000 12 2 1.3 1 25 1000 14 1.8 1 0.8 Üretim veya ürün kullanımında, kontrol edilebilen sistemden alınan gerçek değerler olan sinyal faktörleri (S) ile kontrol edilemeyen ancak deney sonucunu etkileyen gürültü faktörleri (N) vardır. Bu faktörlerin etkisini görmek ve azaltmak için sinyal-gürültü (S/N) oranı tanımlaması yapılır. Üretim veya süreç üzerindeki gürültü faktörü (N) etkisini en aza indiren, kontrol faktörünü tanımlamak ve seviyelerini belirlemek gereklidir. Tasarımdaki kontrol faktörü seviyelerinin her bir kombinasyonu için ayrı bir (S/N) oranı hesaplanır. Denemenizin amacına bağlı olarak, farklı (S/N) oranları arasından seçim yapmak mümkündür (Derdour ve ark. 2018). Burada gürültü faktörü ne kadar küçük olursa hedefimize o kadar çok yaklaşmış oluruz. Bu çalışmada (S/N) yöntemlerinden biri olan en büyük en iyi yöntemi (larger the better) kullanılmıştır (Derdour ve ark. 2018). 27 𝑛 1 1 𝑆/𝑁 = −10 ∗ 𝑙𝑜𝑔10 ∑ (3.1) 𝑛 𝑦𝑖2 𝑖=0 Taguchi deneylerinde genellikle 2 aşamalı bir optimizasyon işlemi kullanır. 1. adımda, değişkenliği azaltan kontrol faktörlerini tanımlamak için sinyal-gürültü oranını kullanımı. 2. adımda, ortalamayı hedefe hareket ettiren ve sinyal-gürültü oranı üzerinde küçük veya hiç etkisi olmayan kontrol faktörlerini kullanılır (Derdour ve ark. 2018). Yapılan 25 adet test sonucunda elde edilen sertlik değerleri iki optimizasyon yöntemine göre incelenmiştir. Analiz sonuçlarına bakılarak parametrelerin lazer sertleştirme prosesine etkileri, etki derecesine göre signal görültü oranı Çizelge 3.11. ve ortalamaya göre Çizelge 3.12. verilmiştir. Çizelge 3.11. Sinyal-gürültü oranı Lazer Lazer Üst Alt Derinlik Level Gücü Hızı Radius Radius 1 51,39 50,70 51,18 51,17 51,19 2 51,33 51,14 51,22 51,22 51,19 3 51,25 51,35 51,30 51,24 51,21 4 51,15 51,48 51,26 51,29 51,28 5 51,04 51,48 51,19 51,23 51,28 Delta 0,35 0,78 0,11 0,12 0,09 Rank 2 1 4 3 5 Çizelge 3.12. Ortalama Lazer Lazer Üst Alt Derinlik Level Gücü Hızı Radius Radius 1 371,0 342,9 362,8 362,0 362,8 2 368,6 360,6 364,2 364,4 362,9 3 365,4 369,6 367,4 365,1 364,0 4 361,2 374,8 365,7 367,0 366,6 5 356,8 375,0 362,8 364,4 366,6 Delta 14,2 32,1 4,6 5,0 3,8 Rank 2 1 4 3 5 28 Çizelge 3.11.’de S/N oranına ve Çizelge 3.12.’de ortalamaya göre sonuçları incelediğimizde lazer hızının lazer sertleştirme prosesinde en etkili parametre olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca Şekil 3.3. ve Şekil 3.4. baktığımızda her bir parametre için belirlenen aralıklarda seviye değerlerinin etkileri görülmektedir. Bu grafik bize uygun seviye aralıklarını belirlememizde yardımcı olacaktır. Bu grafiklere bakarak parametrelerin lazer sertleştirme prosesindeki etkileri sırasıyla; lazer gücünün 600kW, lazer hızının 12 mm/s, ust radius 2 mm, alt radius 1.3 mm ve derinlik değerinin 0.8 mm seyiyelerinde olduğu görülmektedir. Taguchi deney tasarım yönteminde elde ettiğimiz sonuçları desteklemek ve kesin sonuçlara ulaşabilmek için Anova analiz yöntemi ve Yanıt yüzey yöntemi kullanılmıştır. Yanıt Yüzey yöntemi ile Regresyon analizi yapılarak bir matematiksel model kurulmuştur. Bu kurulan model üzerinden optimizasyon çalışması yapılmıştır. Şekil 3.3. S/N oranına göre parametrelerin lazer sertleşmeye etkisi ve etkinlik dereceleri 29 Şekil 3.4. Ortalamaya göre parametrelerin lazer sertleşmeye etkisi ve etkinlik dereceleri 3.5.2. Anova Analiz Yöntemi Anova analiz yöntemi istatistiksel olarak kullanılan en yaygın yöntemlerden birisidir. Anova analizi üç ve daha fazla bağımsız değişkenin ortalama arasındaki farkın hesaplanmasında kullanılır. Anova tek başına üç veya daha fazla grubun aritmetik ortalamalarını kümülatif olarak karşılaştırır; bu karşılaştırmalardan en az birisi anlamlı olduğunda Anova sonucu da anlamlı bulunur (Sarıkaya ve Güllü 2014). Bu durumda hipotezler; yüzde 95 güven aralığında parametrelerin anlamlılık düzeyi test edilir. Burada p değerinin 0.05 altında olduğu değerler bizim için anlamlıdır. Lazer sertleştirme prosesine etki dereceleri sırasıyla lazer hızı (%74.98), lazer gücü (%13.46), üst radius (%1.65), derinlik (%1.49) ve alt radiustur (%1.34). Çizelge 3.13. Ortalama Source DF Seq SS Adj SS Adj MS F-Value P-Value Contribution Lazer Güçü 4 648,86 648,86 162,22 1,90 0,274 13,46% Lazer Hızı 4 3613,15 3613,15 903,29 10,59 0,021 74,98% Üst Radius 4 79,71 79,71 19,93 0,23 0,906 1,65% Alt Radius 4 64,35 64,35 16,09 0,19 0,932 1,34% Derinlik 4 71,89 71,89 17,97 0,21 0,920 1,49% Error 4 341,11 341,11 85,28 7,08% Total 24 4819,08 30 3.5.3. Yanıt Yüzey Yöntemi Yanıt Yüzey yöntemi bir dizi matematiksel mühendislik problemlerini şekillendiren, analiz eden, süreçleri geliştiren, iyileştiren ve optimize eden istatistiksel bir tekniktir. Yanıt Yüzey metodunun sunduğu avantajlar, bağımsız değişkenler arasındaki etkileşimin belirlenmesi, sistemin matematiksel olarak modellenmesi ve deneme sayısını azaltarak zamandan ve maliyetten tasarruf sağlamaktadır. Bununla birlikte, Yanıt Yüzeyi yönteminin en önemli dezavantajı, deney verilerinin ikinci dereceden bir polinom modeline yerleştirilmesidir. Eğriliği olan tüm sistemlerin ikinci dereceden bir polinom modeliyle uyumlu olduğunu söylemek doğru değildir. Ayrıca, modeldeki tahmini değerlerin deneysel olarak doğrulanması mutlaka yapılmalıdır (Derdour ve ark. 2018). Yanıt Yüzey Yöntemi Birinci Uygulama Daha önceki uygulamış olduğumuz Taguchi deney tasarım yöntemi ile problem tanımı, bağımlı ve bağımsız değişkenlerin tanımlanması, seviyelerin belirlenmesi ve uygun tasarım modeli seçilerek deneyler yapılmıştı. Sonraki aşama olan modelin değerlenmesi aşamasında Regresyon analizi yapılarak devam edilmiştir. Regresyon analizi, bir grup test faktörü ile objektif fonksiyonlar arasındaki ilişkiyi matematiksel modelle tanımlamamıza ve ölçmemize yarayan yöntemdir. Regresyon analizi ile parametreler arasındaki ilişki yüzde 95 güven aralığında test edilmiştir. Çizelge 3.14 Regresyon Analizin Varyansı Source DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value Model 20 4800,74 240,037 52,37 0,001 Linear 5 1944,98 388,997 84,87 0,000 lazer gücü 1 52,17 52,170 11,38 0,028 lazer hızı 1 826,44 826,436 180,30 0,000 üst radius 1 6,47 6,471 1,41 0,300 alt radius 1 5,33 5,327 1,16 0,342 derinlik 1 55,27 55,269 12,06 0,026 Square 5 367,29 73,458 16,03 0,009 lazer gücü*lazer gücü 1 15,56 15,558 3,39 0,139 lazer hızı*lazer hızı 1 48,40 48,403 10,56 0,031 üst radius*üst radius 1 9,02 9,020 1,97 0,233 31 Çizelge 3.14 Regresyon Analizin Varyansı (devamı) alt radius*alt radius 1 34,66 34,657 7,56 0,051 derinlik*derinlik 1 41,43 41,425 9,04 0,040 2-Way Interaction 10 369,32 36,932 8,06 0,030 lazer gücü*lazer hızı 1 32,66 32,663 7,13 0,056 lazer gücü*üst radius 1 1,60 1,597 0,35 0,587 lazer gücü*alt radius 1 21,85 21,845 4,77 0,094 lazer gücü*derinlik 1 47,16 47,161 10,29 0,033 lazer hızı*üst radius 1 7,14 7,143 1,56 0,280 lazer hızı*alt radius 1 2,15 2,150 0,47 0,531 lazer hızı*derinlik 1 0,40 0,397 0,09 0,783 üst radius*alt radius 1 0,93 0,926 0,20 0,676 üst radius*derinlik 1 22,43 22,427 4,89 0,091 alt radius*derinlik 1 37,59 37,595 8,20 0,046 Error 4 18,33 4,584 Total 24 4819,08 Yukarıdaki Regresyon analizi sonunda 0.05 değeriden daha düşük olan koyu renkli olarak gösterilen her bir değer lazer sertleştirme prosesine etki etmektedir. Regresyon analizi oluştururken kullanılan ikinci dereceden Yanıt Yüzey modeli denklemi aşağıdaki gibidir (Derdour ve ark. 2018). 𝑛 𝑛 𝑛 𝑦 = 𝑏 2𝑜 + ∑ 𝑏𝑖 𝑥𝑖𝑢 + ∑ 𝑏𝑖𝑖𝑥𝑖𝑢 + ∑ 𝑏𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑢𝑥𝑗𝑢 + 𝜀 (3.2) 𝑖=1 𝑖 𝑖=1 i