Joining of Titanium Pipes with Laser Welding Method and Characterization of the Welding Zone

Öz

The aim of this study is to investigate the joinability of titanium pipes with laser beam welding. Welding processes were carried out in three different laser beam power (130, 140 and 160 W). Filler metal was used and during welding, the pipe was rotated at constant speed and the torch was positioned in horizontal position. In order to determine the welding quality and mechanical properties of the titanium pipes which were subjected to joining process, visual inspection, tensile test and hardness test were performed. In addition, microstructural investigations of the weld zone and SEM (EDS) image analyses were performed to determine the defects in the microstructure.
As a result of tensile tests on welded samples, fracture was formed on the welding metal on the samples which were joined at low laser power, whereas at welded sample joined at high laser power, fracture occurs in outside the weld zone. As a result of the hardness tests on the welded samples, the highest hardness values were taken from the weld metal and the lowest hardness values were taken from the base material.

Anahtar Kelimeler

• Titanium,laser beam welding method,weld metal

Titanyum Boruların Lazer Kaynak Yöntemi ile Birleştirilmesi ve Kaynak Bölgesinin Karakterizasyonu

Öz

Bu çalışmanın amacı titanyum boruların lazer kaynak yöntemi ile birleştirilebilirliğinin araştırılmasıdır. Kaynak işlemleri üç farklı lazer ışın gücünde (130, 140 ve 160 W) gerçekleştirilmiştir. Kaynak işlemleri esnasında ilave metal kullanılmış ve boru sabit hızda döndürülerek, torç yatay pozisyonda konumlandırılmıştır. Birleştirme işlemi yapılan titanyum borulara kaynak işlemi sonunda kaynak kalitesini ve mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla, gözle muayene, çekme testi ve sertlik testi yapılmıştır. Ayrıca içyapıdaki kusurların belirlenmesi için kaynak bölgesinin mikroyapı incelemeleri ile SEM (EDS) çalışmaları yapılmıştır. Çekme testleri sonucunda, düşük lazer gücünde birleştirilen numunelerde kopma kaynak metalinden gerçekleşirken, yüksek lazer gücünde birleştirilen kaynaklı numunede kopma kaynak bölgesi dışından gerçekleşmiştir. Kaynaklı numunelere yapılan sertlik testleri sonucunda en yüksek sertlik değerlerinin kaynak metalinde, en düşük sertlik değerleri ise ana malzemede olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Titanyum,lazer ışın kaynak yöntemi,kaynak metali

Kaynakça

1. 1. Lina J., Mab N., Liuc X., Leia Y., “Modification of residual stress distribution in welded joint of titanium alloy with multi electron beam heating”, Journal of Materials Processing Tech. 278: 116504, (2020).
2. 2. Henriquesa V. A. R., Camposa P. P., Cairoa C. A. A., Bressianib J. J., “Production of titanium alloys for advanced aerospace systems by powder metallurgy”, Materials Research, 8(4): 443-446, (2005).
3. 3. Yang X., Li W., Fu Y., Ye Q., Xu Y., Dong X., Hu K., Zou Y., “Finite element modelling for temperature, stresses and strains calculation in linear friction welding of TB9 titanium alloy”, Journal of Materials research and Technology, 8(5): 4797–4818, (2019).
4. 4. Lia J. N., Lib J. S., Qib W. J., Liua K. G., “Characterization and mechanical properties of thick TC4 titanium alloy sheets welded joint by vacuum EBW”, Vacuum 168, 108812, (2019).
5. 5. Lu L., Li J., Su C. Y., Sun P. Y., Chang L., Zhou B. B., He X. H., Zhou C. Y., “Research on fatigue crack growth behavior of commercial pure titanium base metal and weldment at different temperatures”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 100: 215–224, (2019).
6. 6. Szusta J., Tüzün N., Karakaş Ö., “Monotonic mechanical properties of titanium grade 5 (6Al-4V) welds made by microplasma”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics 100: 27–38, (2019).
7. 7. Subaşı, M., Karataş, Ç., “Titanyum ve titanyum alaşımlarından yapılan implantlar üzerine inceleme”, Politeknik Dergisi, 15(2), 87-103 (2012).
8. 8. Uzun, R. O., Durmuş, H., Meriç C., “CO2 lazer kaynağıyla birleştirilmiş Ti64 titanyum alaşımının optimum kaynak şartlarının belirlenmesi”, SMYO Teknik Bilimler Dergisi, 1-10 (2006).

9. 9. Kaya Y., Kahraman N, “Titanyum sacların nokta direnç kaynağı ile birleştirilmesinde kaynak parametrelerinin çekirdek oluşumuna etkisi”, Gazi Üniversitesi, Politeknik Dergisi, 14 (4): 263-270, (2011).
10. 10. Lee W. B., Lee C. Y., Chang W. S., Yeon Y. M., Jung, S. B., “Microstructural investigation of friction stir welded pure titanium”, Mater. Lett. 59(26), 3315-3318, (2005).
11. 11. Liu H., Wang H., Zhanga Z., Liu Y., Huang Z., Wang Q., Chen Q., “Tensile and fatigue behavior of electron beam welded TC17 titanium alloy joint”, International Journal of Fatigue, 128, 105210, (2019).
12. 12. Şirin S. Y., Sarı N. Y., Kaluç E., Titanyum ve alaşımlarının kaynağı 1, Makine Magazin, 19: 62-70, (1997).
13. 13. Kaya Y., Durgutlu A., Kahraman N., Gülenç B., “Titanyum levhaların TIG kaynağı ile birleştirilmesinde akım türünün mikroyapı ve mekanik özellikler üzerine etkisi”, International Advanced Technologies Symposium (IATS '11), Elazığ, 288-293, (2011).
14. 14. Sagar D. B. A., Vikas B., Saha B., Narasaiah N., Jayapal P., Ram G. D. J., Rao M. S. K., “Study of microstructure and mechanical properties of friction welded metastable beta titanium alloy titan 1023”, Materials Today: Proceedings 5: 20760–20768, (2018).
15. 15. Mashinini P.M., Dinaharan I., David Raja Selvam J., Hattingh D.G., “Microstructure evolution and mechanical characterization of friction stir welded titanium alloy Ti–6Al–4V using lanthanated tungsten tool”, Materials Characterization, 139: 328–336 (2018).
16. 16. Köse, C., Karaca, E., “Ti6Al4V alaşımının fiber lazer kaynak kabiliyeti”, Technological Applied Sciences (NWSATAS), 12(3),140-152 (2017).
17. 17. Aydın K., Karaağaç, İ., “Lazer kaynağı ve lazer kaynağının başlıca uygulamaları, El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 5(2) 693-705, (2018).
18. 18. Pei-quan X., “Microstructure characterization of Ti−6Al−4V titanium laser weld and its deformation”, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22:2118−2123(2012).
19. 19. Logesh M., Selvabharathi R., Thangeeswari T., Palani S., “Influence of severe double shot peening on microstructure properties of Ti 6Al-4V and Titanium Grade 2 dissimilar joints using laser beam welding”, Optics and Laser Technology, 123: 105883, (2020).
20. 20. Özcan, M., Tarakcıoğlu, N., Kahramanlı, Ş., “Sac malzemelerin lazer kaynak parametreleri”, Selçuk Teknik Dergisi, 3(1), 14-25 (2004).
21. 21. Liu H., Shui J., Cai T., Chen Q., Song X.G., Yang G.J., “Microstructural evolution and hardness response in the laser beam welded joints of pure titanium during recrystallization and grain growth”, Materials Characterization, 145: 87–95, (2018).
22. 22. Dhinakaran V., Shriragav S. V., Fahmidha A. F. Y., Ravichandran M., “A review on the categorization of the welding process of pure titanium and its characterization”, Materials Today: Proceedings xxx xxx (Article in press).
23. 23. Ertem R. U., “Paslanmaz çeliklerde lazer kaynak parametre değişimlerinin dikiş geometrisine etkisinin incelenmesi”, Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi Sigma, 31: 583-593, (2013).
24. 24. Kahraman, N., Gülenç, B., “Modern Kaynak Teknolojisi”, Epa-Mat Basım Yayın Ltd. Şti, Ankara, 210-218, (2020).
25. 25. Bendikiene R., Baskutis S., Baskutiene J., Ciuplys A., Kacinskas T., “Comparative study of TIG welded commercially pure titanium”, Journal of Manufacturing Processes, 36: 155–163, (2018).
26. 26. Kumar A. S., Rao T. V. H., Kesava Rao V.V.S., RamaKanth R.T., “Optimizing pulsed current micro plasma arc welding parameters to maximize ultimate tensile strength of titanium (Ti-6Al-4V) alloy using Dragon fly algorithm”, Materials Today: Proceedings xxx xxx (Article in press).
27. 27. Huang A., Zhang J., Gao C., Hu R., Pang S., “Effects of groove constraint space on plasma characteristics during Laser-MIG hybrid welding of Titanium alloy”, Journal of Manufacturing Processes, 48: 137-144, (2019).
28. 28. Gao F., Yu W., Song D., Gao Q., Guo L., Liao Z., “Fracture toughness of TA31 titanium alloy joints welded by electron beam welding under constrained condition”, Materials Science & Engineering A, 772: 138612, (2020).
29. 29. Liu H., Wang H., Zhang Z., Huang Z., Liu Y., Wang Q., Chen Q., “Enhancing the mechanical properties of electron beam welded TC17 titanium alloy joint by post-weld heat treatment”, Journal of Alloys and Compounds, 810: 151937, (2019).
30. 30. Sorensen D., Pischlar J., Stevick J., Hintsala E., Stauffer D., Myers J.C., Keenan T., Ramirez A.J., “Investigation of a dissimilar vitreloy 105 to grade 2 titanium laser Weld”, Materials Science and Engineering A, 742, 33–43, (2019).
31. 31. Carvalho, S., Dinaharan, I., Laubscher, R., “Fatigue in laser welded titanium tubes intended for use in aircraft pneumatic systems”, International Journal of Fatigue, 90, 47–56 (2016).
32. 32. Palanivel, R., Dinaharan, I., Laubscher, R., “Microstructure evolution and mechanical characterization of Nd:YAG laser beam welded titanium tubes”, Materials Characterization, 134: 225–235 (2017).
33. 33. El-Batahgy A. M., “Effect of laser welding parameters on fusion zone shape and solidification structure of austenitic stainless steels”, Materials Letters, 32: 155-163, (1997).
34. 34. Oğuz B., “Demirdışı metaller kaynağı”, Oerlikon yayınları, İstanbul, 577-611, (1990).
35. 35. Palanivel, I., Dinaharan, R. F., Laubscher., “A comparative study on microstructure and mechanical propertiesbetween friction and laser beam welded titanium tubes” Optik, 177: 102-111 (2019).
36. 36. Dikbaş, H., Katı, N., Ti6Al4V alaşımının PTA kaynağında 1800 W kaynak gücünde birleştirilebilirliğin araştırılması”, Dicle Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Dergisi, 6(1): 19-30 (2015).
37. 37. Wang K., Liu, G., Yuan, S., “Deformation behaviour of laser-welded tube blank of TA15 Ti-alloy for gas forming at elevated temperature”, MATEC Web of Conferences, 21: 06005, 1-6, (2015).
38. 38. Fraga, A. F., Santos, M. L., Almeida, F. E., Guastaldi, A. C., “A comparative study of TIG and laser welded joints using commercial purity titanium used in prostheses supported by implants”, Welding International, 22(12): 834–839, (2008).