Investigation of the Effect of Beam Current Parameter in Electron Beam Welding on the Microstructural and Mechanical Properties of AH36 and AISI 304L Steels

Öz

The welding of AH36 and AISI 304L steels, which exhibit different thermal conductivities, coefficients of thermal expansion, mechanical properties, chemical compositions, and microstructures, is of great importance for the maritime industry. In this study, the effect of the beam current parameter in the electron beam welding (EBW) process and the mechanical and metallurgical properties of the welded specimens were investigated. The weld regions were metallographically examined using stereo microscopy, optical microscopy, and scanning electron microscopy (SEM). Elemental distributions across the weld zone were determined by energy-dispersive spectroscopy (EDS), while phase structures were identified by X-ray diffraction (XRD) analyses. In addition, Schaeffler, DeLong, and WRC-92 diagrams were utilized for the identification of phases in the weld region. To determine the mechanical properties, tensile tests, three-point bending tests, Charpy V-notch impact tests conducted at +20 °C, 0 °C, −20 °C, and −40 °C, and micro-Vickers hardness measurements were performed. Thus, the relationships among heat input, microstructure, and mechanical properties were established. The optimum mechanical performance was obtained under the EIA-55 parameter. The tensile test results yielded a yield strength of 432.2 MPa, an ultimate tensile strength of 579.6 MPa, and an elongation of 26.1%, with fracture occurring in the AH36 base metal outside the weld zone. No surface defects were observed after 180° bending in the three-point bending tests. Impact energies exceeding 24 J were achieved at all test temperatures, and micro-Vickers hardness values remained below 350 HV2, indicating full penetration and a balanced microstructure. In contrast, the other parameters resulted in lower strength values, higher hardness, insufficient penetration, microstructural inhomogeneity, and welding defects.

Anahtar Kelimeler

• Electron beam welding
• beam current
• AH36
• AISI 304L
• mechanical and metallurgical properties

AH36 ve AISI 304L çeliklerinin kaynağında elektron ışın kaynağı ışın akımı parametresinin mikroyapısal ve mekanik özelliklerine etkisinin incelenmesi

Öz

Farklı ısıl iletkenlik, ısıl genleşme, mekanik, kimyasal ve mikroyapıya sahip AH36 ve AISI 304L çeliklerinin kaynağı gemicilik endüstrisi için büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, elektron ışın kaynağı yönteminin ışın akımı parametresinin etkisi ve kaynaklı numunelerin mekanik ve metalurjik özellikleri incelenmiştir. Metalografik olarak stereo, optik mikroskop ve SEM ile kaynak bölgeleri incelenmiştir. EDS analizleri ile kaynak bölgesinde ki element dağılımları ve XRD analizleri ile kaynak bölgesindeki faz yapıları belirlenmiştir. Kaynak bölgedeki fazların tayini için Schaeffler, Delong ve WRC-92 diyagramlarından da yararlanılmıştır. Mekanik özellikleri belirlemek için çekme, üç nokta eğme, +20°C, 0°C, -20°C ve -40°C‘de çentik darbe testleri ve mikro vickers sertlik ölçümleri yapılmıştır. Böylece ısı girdisi, mikroyapı ve mekanik özellikler arasındaki ilişkiler tanımlanmıştır. Yapılan mekanik testlerde en optimum değerler EIA-55 parametresinde elde edilmiştir. Çekme testi sonucunda akma dayanımı 432,2 MPa, çekme dayanımı 579,6 MPa, yüzde uzama 26,1 elde edilmiştir ve kaynak bölgesi dışında AH36 tarafından kopmuştur. Üç nokta eğme testlerinde 180° eğme sonucunda yüzeylerde hata görülmemiştir. Çentik darbe testinde tüm test sıcaklıklarında 24J üzerinde darbe dayanımı elde etmiştir. Mikro vickers sertlik ölçümlerinde 350 HV2 altındadır. Tam nüfuziyetli kaynak elde edilmiştir. Diğer parametrelerde daha düşük dayanım değerleri, yüksek sertlik değerleri, yetersiz nüfuziyet, dengesiz mikroyapı ve kaynak kusurları görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Elektron ışın kaynağı
• ışın akımı
• AH36
• AISI 304L
• mekanik ve metalurjik özellikler

Kaynakça

1. 1. Devlet Planlama Teşkilatı, VIII. Beş Yıllık Kalkınma Planı, Ankara, Türkiye, 2000.
2. 2. Sun Z., Karppi R., The application of electron beam welding for the joining of dissimilar metals: an overview, Journal of Materials Processing Technology, 59 (3), 257-267, 1996.
3. 3. Missori S., Koerber C., Procedure development for improved quality single and dual LBW of dissimilar metals, Welding Journal 77 (6), 232-238, 1998.
4. 4. Çalık A., Elektron ışın kaynağı ile birleştirilmiş iki farklı çelik malzemenin kaynak bölgesinin incelenmesi, Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2004.
5. 5. Avery R.E., Guidelines for welding dissimilar metals, Chemical Engineering Process No: 14018, 6s., 1991.
6. 6. Nelson T.W., Lippold J.C., Mills M.J., Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic-austenitic dissimilar metal welds - Part 2: On-cooling transformations, Welding Journal, 79 (10), 267-277, 2000.
7. 7. Barnhouse E.J., Lippold, J., Microstructure/property relationships in dissimilar welds between duplex stainless steels and carbon steels, Welding Journal, 77, 1998.
8. 8. Naseem A., Ilyas M., Shehbaz T., Hussain G., Alkahtani M., Microstructural and mechanical characterization of electron beam welded low-nickel nitrogen-strengthened austenitic stainless steel, Heliyon, 10 (14), 1-15, 2024.

9. 9. Zhang Y., Wu J., Liu Z., Liu S., Lei M., Atif M., Liu Z., Ma J., Effect of pre-heating and post-heating on electron beam welding of reduced activation ferrite/martensite steel, Journal of Nuclear Engineering, 2 (3), 225-238, 2021.
10. 10. Jelani M., Li Z., Shen Z., Hassan N., Sardar M., Mechanical response and failure evolution of 304L stainless steel under the combined action of mechanical loading and laser heating, Metals, 8 (8), 1-13, 2018.
11. 11. Sjostrom T., Equation of state for 304L stainless steel, AIP Conference Proceedings, 2844(310009), 1–6, 2023.
12. 12. RMP. Stainless Steel Type 304 / 304L. https://rolledmetalproducts.com/stainless-steel-type-304-304l/?utm_source. Erişim tarihi Ağustos 17, 2025.
13. 13. Teknikmetal. Kaliteler 304L. https://www.teknikmetal.com/tr/kaliteler/304l. Erişim tarihi Ağustos 17, 2025. 14. GneeStainlessSteel. AISI 304 Paslanmaz Çelik Özellikleri. https://tr.ss-pipes.com/info/aisi-304-stainless-steel-properties-52005878.html. Erişim tarihi Ağustos 17, 2025)
14. 15. Masteel. AH36. https://masteel.co.uk/ah36/?utm_source. Erişim tarihi Ağustos 20, 2025.
15. 16. Ispartalı H., AH36 ve AISI 304L çeliklerinin farklı kaynak yöntemleriyle birleştirilmesinde kaynak parametrelerinin mikroyapı ve mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi, Doktora Tezi, Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Isparta, 2026.
16. 17. Türk Loydu, Kısım 3 – Kaynak Kuralları Türk Loydu, Cilt A – Tekne Yapım, Malzeme ve Kaynak Kuralları, İstanbul, Türkiye, 2023.
17. 18. Oh G., A simplified toughness estimation method based on standard tensile data, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 199, 1-10, 2022.
18. 19. Giudice F., Missori S., Scolaro C., Sili A., A review on fusion welding of dissimilar ferritic/austenitic steels: processing and weld zone metallurgy, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 8 (3), 1-18, 2024.
19. 20. Yu P., Thompson K.J., MCCarthy J., Kou S., Microstructure evolution and solidification cracking in austenitic stainless steel welds. Welding Journal, 97, 301-314, 2018.
20. 21. Ghasemi R., Beidokhti B., Fazel-Najafabadi M., Effect of delta ferrite on the mechanical properties of dissimilar ferritic-austenitic stainless steel welds, Arch. Metall. Mater., 63 (1), 437-443, 2018.
21. 22. Nayak L.J., Roy G.G., Effect of beam current on microstructure, tensile properties and corrosion behaviour of electron beam welded zircaloy-4 joints, Canadian Metallurgical Quarterly, 64 (1), 99–115, 2025.
22. 23. Bermejo M.A.V., Wessman S., Computational thermodynamics in ferrite content prediction of austenitic stainless steel weldments, Welding in the World, 62, 627-635, 2019.
23. 24. Geľatko M., Vandžura R., Botko F., Hatala M., Electron beam welding of dissimilar stainless steel and maraging steel joints, Materials, 17 (23), 1-21, 2024.
24. 25. Zhao Y., Chen S., Zhou G., Ma H., Hu W., Zhou J., Guo Q., Ma Z., Microstructure and mechanical properties of electron beam welded joint of laser powder bed fusion fabricated Haynes 230AM alloy, 926 (147962), 2025.
25. 26. Özakın N., AH ve DH kalite gemi saclarının değişik kaynak yöntemleri ve kaynak pozisyonlarındaki mekanik özelliklerinin ve mikroyapılarının irdelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Zongundak, Türkiye, 2010.
26. 27. Türk Loydu, Bölüm 11 - Mekanik ve teknolojik testler, İstanbul, Türkiye, 2008.
27. 28. Dearden J., O’Neill H., A guide to the selection and welding of low alloy strucutural steels, Transactions of the Institute of Welding, 3, 203-214, 1940.
28. 29. Tümer M., Koruyucu gaz kompozisyonunun özlü tel ark kaynak yöntemi ile birleştirilen paslanmaz çeliklerin mekanik ve mikroyapı özelliklerine etkisi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya, 2012.
29. 30. Winarto W., Anis M., Riastuti R., Suarjana I.N., Study the effect of welding position and plate thickness to the mechanical and microstructural properties of the TIG dissimilar metal welded between carbon steel ASTM A36 and stainless steel 304 plates, Materials Science Forum, 1000, 364-372, 2020.
30. 31. Yılmaz R., Tümer M., Microstructural studies and impact toughness of dissimilar weldments between AISI 316 L and AH36 steels by FCAW, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67, 1433-1447, 2012.