Soma Meslek Yüksekokulu - Celal Bayar Üniversitesi

Transkript

C B Ü Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yıl: 2013 Sayı:18
TC
CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi
Yıl: 2013
Sayı:18
SOMA
I
ISSN NO:1304-6330
TC
Sahibi:
Ayla TEKİN
Yönetim Kurulu Adına
CBÜ Soma MYO
Editörler:
Ayla TEKİN
Deniz MAMUREKLİ
Fırat TEKİN
Nurcan KUMRU
Yayın Kurulu:
Ayla TEKİN
Kadir ARTAN
Tamer CEBECİ
Erkan HAFIZOĞLU
Sekreter:
Erkan HAFIZOĞLU
Celal Bayar Üniversitesi Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi
yılda bir sayı olarak yayımlanan ulusal hakemli bir dergidir.
II
ISSN NO:1304-6330
TC
BU SAYIDAKİ HAKEM KURULU:
Prof. Dr. Deniz MAMUREKLİ
Prof. Dr. Cevdet MERİÇ
Prof. Dr. Emin ONAN
Prof. Dr. Güldehen BİLGEN
Prof. Dr. Remzi VAROL
Doç. Dr. Ayhan İSTANBULLU
Doç. Dr. Hüseyin GÜLER
Yrd. Doç. Dr. Ayla TEKİN
Yrd. Doç. Dr. Nurcan KUMRU
Yrd. Doç. Dr. Salih Uğur BAYÇA
Yrd. Doç. Dr. Nejdet YILDIZ
Yrd. Doç. Dr. Mustafa ENGİN
Dergide yayınlanan tüm makaleler ve ileri sürülen görüşlerde, sorumluluk yazar ve
hakemlere aittir.
İletişim Adresi:
Fırat TEKİN
Soma Meslek Yüksekokulu, Soma-Manisa /TÜRKİYE
Tel: 0 236 612 00 63
Fax: 0 236 612 20 02
e-mail: [email protected]
[email protected]
III
ISSN NO:1304-6330
TC
İÇİNDEKİLER
1- Ege Bölgesinde Yaygın Olarak Kullanılan Yerli Yapım Pülverizatör
Memelerinin Damla Karekteristiklerinin Oxford Lasers VisiSizer ve
VidPiv 4.0 Yazılımlarının Kullanılarak Belirlenmesi
Aysel YAZICI, Chima ENYI, Amir NOURIAN, Martin BURBY, G. Ghasem
NASR…………………………………………..…………………………..1-9
2- Dövme Prosesinin 41Cr4 Islah Çeliği ve 38MnVS6 Mikroalaşımlı
Çeliği Üzerine Olan Etkilerinin Metalurjik ve Mekanik Açıdan
İncelenmesi
Yiğit ERÇAYHAN, Nurşen SAKLAKOĞLU…………..…………..…..10-19
3- Bitkilerde Stres Yanıtı
E. Dilşat YEĞENOĞLU, Şenay AYDIN, Hüseyin YENER................…20-27
4- RF Kontrollü Otonom Bir Araç Tasarlanması ve Yazılımının
Geliştirilmesi
İlhan TARIMER…………………………..........……..........................…28-37
5- Kolemanit ve Üleksit Konsantratör Atıklarıyla Düşük Sıcaklıktaki
Siyah Renkli Boyar Madde Eldesi
Lina ISRAEL, Kemal KÖSEOĞLU…….…………………..….....…….38-45
6- Otonom Rüzgar Türbinlerinde Bulanık Mantıkla Kanat Açı Kontrolü
Uygulaması
Özer KESTANE, A. Murat ATEŞ…………....………….……………...46-61
IV
7- Metallere Soğuk Metal Transferi (CMT) Kaynağının Uygulanması
Hülya DURMUŞ, A. Ozan İRİZALP………………..………………….62-73
7- Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler
Dergisi Yazım Kuralları……….…………………………………..………74
V
DETERMINATION OF SPRAY DROPLET CHARACTERISTICS OF
SOME DOMESTIC AGRICULTURAL NOZZLES COMMONLY USED
IN AEGEAN REGION USING BY OXFORD LASERS VISISIZER AND
VIDPIV4.0 SOFTWARE
Aysel YAZICI 1, Chima ENYI 2, Amir NOURIAN2, Martin BURBY2, G. Ghasem NASR2
ABSTRACT
In this study, droplet sizes and velocities of the some domestic agricultural nozzles
commonly used in Aegean region of Turkey were characterized by using Oxford Lasers
VisiSizer and Oxford VidPIV4.0 software. Droplet size classifications are important to indicate
spray efficiency and drift potential. Safe and efficient agricultural chemical application
depends on droplet size which is one of the most influential factors related to spray drift.
Volume median diameter (VMD) values of tested domestic agricultural nozzles changed
between 117 and 165 µm as regarding operation pressure. The Gündüzler FF110°/02 and the
Tarmak FF110°/02 nozzles produced fine quality droplets at 300 kPa and 700 kPa pressures
according to the BCPC (British Crop Protection Council) spray and nozzle classification
scheme. As expected, increasing of pressure from 300 kPa to 700 kPa reduced the mean
droplet size (as VMD) approximately 16% and 10% the Gündüzler FF110°/02 and the Tarmak
FF110°/02 respectively. From the drift perspective considering the literature, droplets with
diameter below 100 to 200 μm is very important. ASABE S572 standard suggests putting
emphasis on the spray volume in droplets with diameter <150 μm to minimize off-target
contamination of agricultural chemicals. Farmers should be informed about environmental
impacts of drift. Mean droplet velocities varied from 1.8 to 2.5ms-1 connecting to nozzles type
and pressure and increased with pressure.
Keywords: droplet size, VisiSizer, VidPIV, VMD
EGE BÖLGESİNDE YAYGIN OLARAK KULLANILAN YERLİ
YAPIM PÜLVERİZATÖR MEMELERİNİN DAMLA
KAREKTERİSTİKLERİNİN OXFORD LASERS VİSİSİZER VE
VİDPIV4.0 YAZILIMLARININ KULLANILARAK BELİRLENMESİ
ÖZET
Bu çalışmada Ege Bölgesinde yaygın olarak kullanılan yerli yapım pülverizatör
memelerinin damla karekteristikleri Oxford Lasers VisiSizer ve Oxford VidPIV4.0 bilgisayar
yazılımları kullanılarak belirlenmiştir. Damla büyüklük sınıflandırmaları, ilaçlama etkinliği ve
drift - tarımsal ilacın istenmeyen alanlara sürüklenmesi- potansiyelinin ortaya konulmasında
önemlidir. Etkili ve güvenli tarımsal kimyasal uygulamaları damla büyüklüğüne bağlıdır ve
damla büyüklüğü sürüklenme ile ilgili en önemli faktörlerden biridir. Test edilen yerli yapım
1
Celal Bayar University, Turgutlu Vocational School, Department of Machinery, 45400 Turgutlu, Manisa, Turkey,
e-mail: [email protected]
2
The University of Salford, School of Computing, Science and Engineering, Salford, Manchester M5 4WT, England.
1
pülverizatör memelerinin ortalama hacimsel damla çapı (VMD) değerleri basınca bağlı olarak
117 - 165 µm aralığında değişmiştir. Gündüzler FF110°/02 ve Tarmak FF110°/02 pülverizatör
memeleri 300 kPa ve 700 kPa işletme basıncında, BCPC (British Crop Protection Council)
püskürtme ve meme sınıflandırma şemasına göre ince kalite sınıfında damlalar üretti.
Beklenildiği gibi, işletme basıncının 300 kPa’ dan 700 kPa yükselmesi ortalama damla
büyüklüğünün sırasıyla Gündüzler FF110°/02 ve Tarmak FF110°/02 pülverizatör memeleri
için yaklaşık olarak %16 ve %10 düzeyinde azalmasına yol açmıştır. Literatürler ışığında, drift
perspektifinden bakıldığında, 100-200 µm den küçük çaplı damlalar çok önemlidir. ASABE
S572 standardı ilaçlama hacminde 150 μm’ den küçük çaplı damlalara vurgu yapmayı önerir.
Tarımsal kimyasalların istenmeyen alanlara bulaşmasını en aza indirmek için, çiftçiler tarımsal
ilaçların hedef dışı alanlara sürüklenmesinin etkileri hakkında bilgilendirilmelidir. Ortalama
damla hızlarının meme tipi ve basınca bağlı olarak 1.8 ile 2.5ms-1aralığında değiştiği ve
basınca bağlı olarak arttığı saptanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Damla çapı, VisiSizer, VidPIV, VMD
1. INRODUCTION
The distribution of droplet size in sprays is a very important parameter needed for
fundamental analysis of pesticide application systems. The ideal spectrum while minimizing
off-target losses such as spray drift and user exposure, should maximize spray efficiency for
depositing and transferring a lethal dose to the target (Elliot and Wilson, 1983). Agricultural
chemical application rates can be decreased by advanced pesticide targeting and using narrow
range of drop sizes (Tücer et al, 2004; Koçer et al, 2002). Droplet size and velocity
characteristics are related to drift potential (Nuyttens et al, 2010) and droplet velocities are
important input to physical models predicting droplet trajectories and the drift risk (Miller et al,
2008). Measurements for droplet classification systems are predominantly performed with laser
based systems (Parkin, 1993). Miller et al. (2008) reported that there was a good agreement
between the results obtained with Oxford Lasers “VisiSizer” imaging instrument and Phase
Doppler Analyser measurements of the vertical droplet velocity/size correlations.
The main objectives of this study were to measure the droplet sizes and to determine
drift potential of agricultural domestic nozzles commonly used in Aegean Region of Turkey. It
is clear that from literature, farmers generally prefer to use sprayer at excessive high pressures
in Turkey (Tücer et al, 2001). For that reason, the tests were also conducted 700kPa. Droplet
size and velocity of the agricultural domestic nozzles have been measured using Oxford Lasers
VisiSizer and a particle image velocimetry (PIV) system, consisting high speed camera and
Oxford VidPIV4.0 software program.
2. MATERIALS AND METHODS
2.1. Agricultural nozzles
Commonly used agricultural domestic nozzles (produced by Gündüzler and Tarmak
Company) were tested in this study. The properties of tested nozzles are given in Table 1. Finemedium flat fan nozzle, Lurmark FF 110°/ 03 at 300 kPa was used as a reference nozzle to
check for the repeatability of the measurement and the measuring equipment.
2
Table 1. Nozzles used in this study to evaluate drop sizing and drop velocity
Manufacturer
Nozzle type
Nozzle specification
Gündüzler
Flat Fan
FF110°/02
Tarmak
Lurmark (Reference nozzle)
Flat Fan
Flat Fan
FF 110°/02
FF110°/03
2.2. Operation parameter
All experiments were conducted at spray pressure of 300 kPa and 700kPa.
Measurements were performed in a conditioned room at 20-25 °C and 60-70% RH. Spray
liquid was tap water of 20°C.
2.2. High speed CCD camera
To determine the drop size and velocity, a Redlake Motion Pro HS-3 was used to
record high-speed images of these parameters. A type of 14mm lens was used to trace the high
speed images with the frame rate set to 3000 frames per second with a resolution of 1280 x
1024.
2.3. Particle sizing
Measurements of particle sizing were made with the Oxford Lasers VisiSizing (Miller
et al, 2008). A typical configuration of VisiSizing system is shown in Figure 1. To acquire
images for VisiSizing, 30-1000 μs was used at the between of image frames and working
distance was 500mm. Oxford Lasers VisiSizing involves the measurement of the size and
shape of particles of liquid droplets. The images from the digital camera are transferred to a
computer and a high-speed real-time particle sizing software analyses the images obtained in
order to build up the diameter distribution. The position of the camera is an important feature
of VisiSizing. For that reason, the camera is placed directly opposite the laser beam as shown
in Figure 1. Firstly, shadow images are acquired from the camera or loaded from image files. A
threshold is used to distinguish between the particle shadows and the illuminated background.
Additional threshold provides information about the degree of focus for each particle. The area
of the particle is automatically measured and the equivalent particle diameter is reported up to
1000 particles per frame. Single and sequence of images can be analyzed to build up a particle
size distribution. Figure 2 represents a typical main VisiSize window showing acquired
images, system performance parameters, single and sequence image analyses and result panel
and summary.
Results of the drop size measurements were presented as the Dv10, Dv50 or Volume
Median Diameter (VMD), Dv90.
3
Figure 1. Particle sizing set up [oxfordlasers.com Assessed 25th May, 2011]
Figure 2. Main VisiSize window [oxfordlasers.com. Assessed: 8th August, 2011]
2.4. Particle image velocity
Measurements of the droplet velocity were made with the Oxford Lasers Vid PIV
4.0. Typical configuration of a VidPIV system is shown in Figure 3. To acquire images for Vid
PIV 4.0, 30-1000 μs was used at the between of image frames. VidPIV is a unique toolset for
PIV image based and point measurement techniques. Vid PIV 4.0 technique incorporates every
aspect of the measurement process: hardware control, image acquisition and storage, on-line
analysis, off-line and batch analysis and visualisation are all integrated within a unified
environment. Synchroniser co-ordinates the system components such as the laser and camera
and is externally triggered. A CCD-camera was used for image acquisition and then the images
are transferred to the computer where the VidPIV software analyses the captured images for
velocity measurement. The laser light sheet illuminates particles entrained in the flow, while
pairs of images are captured using a high- speed digital camera. The camera position is an
important feature of PIV imaging. It is positioned at the point where the sharpest image is
4
acquired. The PIV software-computes the distance moved by the particles between the two
images and a velocity map is generated.
Figure 3. VidPIV System [oxfordlasers.com. Assessed: 15th, July 2011]
The date and time at which images are imported into a project are associated with
them when using importation node. In order to edit the timing information associated with the
imported images, two different nodes are available from the node menu; the regular timing and
editable timing. In order to add regular timing information to the imported images, regular
timing node was selected below the importation node. Vid PIV uses mappings extensively for
calibration providing reliable, accurate and flexible conversion between image co-ordinates
and real-world co-ordinates. Linear mapping node was used to generate a mapping. In this
case, there is a linear relationship between positions in the image and positions in the
laboratory frame of reference. In order to add linear mapping, importation node is selected as
the current node and linear mapping is selected from the context menu or the tool bar. A linear
mapping requires a minimum of three points though four points are required for extra accuracy
and security. The cross-correlation node was accessed from the derivatives sub-menu of the
main menu and cross-correlation was applied across a small local area of image. Drop
velocities were measured at the vertical axis direction at the below of the nozzle at 50mm
distance.
2.5. Determination of flow rate
The amount of spray emerging from the corresponding atomizers was measured using
collection techniques and processing steps were given below respectively;
1-Each atomizer was fixed to the pump and water was supplied to the atomizer pressure of kPa.
2-Prior to each test tree collecting container was weighed and recorded.
3-Water was sprayed into the collecting container, in each atomizer, for one minute and two
different pressures.
4-Each container was then weighed and recorded for subsequent processing estimation the flow
rate each of the atomizer.
5
3. RESULTS AND DISCUSSION
The results of flow meter measurement, drop size and velocities for each nozzle are
given in Table 2, Table 3 and Table 4 respectively. The images of spraying for several nozzles
are given in Figures 4. The results show that the mean droplet sizes (VMD) values were 139
and 165 µm for the Gündüzler FF110°/02 and the Tarmak FF110°/02 respectively at 300 kPa
pressure. As expected increasing pressure from 300 to 700 kPa reduced the mean droplet size
for two different manufactured nozzles by approximately 16% and 10% the Gündüzler
FF110°/02 and the Tarmak FF110°/02 respectively. As it can be seen in Table 3, the
agricultural domestic nozzles in term of droplet sizes were placed in fine category
(approximate VMD range: 101-200µm) according to the BCPC spray and nozzle classification
scheme. Also according to the ASABE Standard 572, at 300 and 700 kPa pressures, the
Gündüzler FF110°/02 nozzle was placed very fine category (approximate VMD range:
<145µm) and the Tarmak FF110°/02 nozzle was placed fine category (approximate VMD
range: 145µm-225 µm). Droplet size classifications are important to point spray drift potential.
This topic was investigated by different researchers and droplets <100 μm diameter (Bode,
1984), <150 μm (Combellack et al., 1996) and <200 μm (Bouse et al., 1990; Baetens et al.,
2008) have been considered to be the most drift-prone. The minimum drop diameter can be
captured was approximately 28 µm using by CCD camera and Oxford Lasers VisiSizing
computer software program due to optical access insufficient.
Table 2. The results of flow meter measurement.
Nozzle
Tarmak FF 110°/02
Gündüzler FF110°/02
Lurmark
FF110°/03
nozzle)
(Reference
Flow Rate (lmin-1)
300 kPa
1.047
0.842
1.206
Minimum Pixel
Area: 2,
Maximum Pixel
Area: 4200,
Shape
Rejection: 0.7
Table 3. Droplet Diameters measured in the experiments
Set up
Spray
Condition of
Pressure
Dv 10
Software
Nozzle
(kPa)
Program
Lurmark FF 110 03
300
41
300
77
700
67
300
116
Tarmak FF110°/02
700
98
700 kPa
1.484
1.315
1.852
Drop Size (µm)
Dv 50
Dv 9 Min.
0
205
139
117
165
148
261
208
178
186
201
28
28
28
28
28
Max
.
262
224
185
187
203
Table 4. Particle velocities (Set up Condition of Vid PIV; Rate: 30 Hz, Duration: 5µs,
Separation: 30µs, Delay: 900µs)
Nozzle
Spray Pressure
Mean Particle Velocity (ms-1)
(kPa)
300
1.9
Tarmak FF 110°/02
700
2
300
1.8
700
2.3
300
2,3
Lurmark F 110 03 (Reference nozzle)
700
2,5
6
As it can be seen in Table 4, mean particle velocities for test nozzles varied from 1.8
to 2.5ms-1 connecting to nozzles type and pressure. As expected, mean droplet velocities
increased with increasing pressure for all tested nozzles. Droplets may reach the target much
earlier when the pressure setting was 700 kPa then the pressure was 300 kPa. But on the other
hand, higher spraying pressure produces smaller droplets and these smaller droplets are more
susceptible to drift.
Figure 4. Images of spraying; a) Gündüzler FF110°/02-300 kPa b) Gündüzler FF110°/02- 300
kPa, using by high speed camera and Oxford Lasers VisiSizing c) Tarmak FF110°/02-700 kPa
d) Tarmak FF110°/02-700 kPa, using by high speed camera and Oxford Lasers VisiSizing
e) Gündüzler FF110°/02- 300 kPa, using by high speed camera and Oxford Lasers Vid PIV 4.0
f) Tarmak FF110°/02-700 kPa, using by high speed camera and Oxford Lasers Vid PIV 4.0.
7
4. CONCLUSION
The Gündüzler F110°/02 and the Tarmak FF110°/02 nozzles produced droplets fine
and very fine quality at 300 and 700 kPa pressures. Higher spraying pressures produced
smaller droplets, providing a finer spraying quality but these smaller droplets are more
susceptible to drift. Fine and very fine spray quality may be preferred for the application of
agricultural chemicals, but the major disadvantage is the risk of drift. Turkish farmers generally
prefer to use sprayer at excessive high pressures, for that reason several measures should be
considered. The farmers and spray equipment operators needs to be trained about
environmental impacts of drift and should have legal obligation to ensure that spray
applications do not impact on neighboring situations or landowners.
ACKNOWLEDGEMENT
The author would like to thank the Salford University Spray Research Group (SRG)
for all their support, collaboration and all facilities and The Council of the Higher Education
and the Celal Bayar University for their support.
8
REFERENCES
[1] Baetens K, Ho Q T, Nuyttens D; De Schampheleire M, Endalew A, Hertog M, Nicolai B,
Ramon H, Verboven P (2008). Development of a 2-D-diffusion advection model for fast
prediction of field drift. Atmospheric Environment, 43: 1674–1682.
[2] Bode L E (1984). Downwind drift deposits by ground applications. Proceedings Pesticide
Drift Management Symposium, pp 50.
[3] Bouse L F, Kirk I W, Bode L E (1990). Effect of spray mixture on droplet size.
Transactions of the ASAE, 33 (3): 783–788.
[4] Combellack J H, Western N M, Richardson R G (1996). A comparison of the drift potential
of a novel twin fluid nozzle with conventional low volume flat fan nozzles when using a range
of adjuvants. Crop Protection, 15 (2): 147–152.
[5] Elliot J G and Wilson B J (1983). The Drift of Herbicides, Occasional Publication No. 2,
British Crop Protection Council, Thornton Heath, U.K.
[6] Koçer H, Altındişli Ö, Tücer A, Güler H (2002). Bağda Düşük Hacimli İlaçlama
Makinalarının Kullanılması Üzerinde Araştırmalar. Türkiye V. Bağcılık ve Şarapçılık
Sempozyumu, 5-9 Ekim, Nevşehir, s: 138-146.
[7] Miller P C H, Tuck C R, Murphy S, Ferreira M (2008). Measurements of The Droplet
Velocities in Sprays Produced by Different Designs of Agricultural Spray Nozzle, ILASS
2008, Sep. 8-10, 2008, Como Lake, Italy.
[8] Nuyttens D, Schampheleire M De, Verboven P, Sonck B (2010). Comparison between
indirect and direct spray drift assessment methods, Biosystems Engineering 105: 2-12.
[9] Parkin C S (1993). Methods for measuring spray droplet sizes. In: Mathews GA & Hislop
EC, Application technology for crop protection. CAB International, Wallingdorf, p: 57-84.
[10] Tücer A, Özercan A, Küçüker M, Polat İ, Bayraktar Ö V (2001). Manisa-Saruhanlı Pamuk
Alanlarında Tarımsal İlaç Uygulamalarındaki Sorunların Saptanması, Ç.Ü.Z.F. Dergisi, 16 (1):
19-26.
[11] Tücer A, Tezcan F, Güler H, Koçer H, Erkal N (2004). A Comparision of Diferent
Sprayer in Term of Pesticide Deposition and Biological Efficacy Against Leaf Hopper
(Empoasca Decipens and Asymtrasca Decedens) in Cotton. Pol’nohospodarstvo, Journal for
Agricultural Sciences, 50 (4-6): 57-64, ISSN 0551-3677.
9
DÖVME PROSESİNİN 41Cr4 ISLAH ÇELİĞİ VE 38MnVS6
MİKROALAŞIMLI ÇELİĞİ ÜZERİNE OLAN ETKİLERİNİN
METALURJİK VE MEKANİK AÇIDAN İNCELENMESİ
Yiğit ERÇAYHAN 1, Nurşen SAKLAKOĞLU 2
ÖZET
Bu çalışma, otomotiv sektöründe kullanılan ve binek araçlar için üretilen çeki
kancasının daha dayanıklı olması ve ısıl işlem süreçleri ortadan kaldırılarak üretim
maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla yapılmıştır. Mevcut çeki kancası malzemesi olan 41Cr4
ıslah çeliği yerine 38MnVS6 mikro alaşım çeliği kullanılmıştır. Bu çalışmada 1150°C
sıcaklıkta dövüldükten sonra havada soğutulan ve ıslah edilen 41Cr4 çeliği ile 1150°C
sıcaklıkta dövülen ve havada, yağda ve suda soğutulan 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin
metalürjik ve mekanik özellikleri arasındaki ilişki araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucu
dövme işlemi sonrası 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin, uygun metalurjik ve mekanik özellikleri
sağlayan soğutma ortamının hava olduğu tespit edilmiş ve dövüldükten sonra normalizasyon ve
ıslah etme işlemine tabi tutulan 41Cr4 çeliğine göre daha sert ve aşınma dayanımının daha iyi
olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin tokluğun düşük olması
ürün açısından risk oluşturmaktadır.
Anahtar Sözcükler: 41Cr4, 38MnVS6, mikroalaşımlı çelik, sıcak dövme, metalurjik özellikler,
mekanik özellikler.
ABSTRACT
The aim of this study is to produce a more durable tow hook without heat treatment
process for the automobiles by using 38MnVS6 microalloyed steel instead of 41Cr4 tempered
steel. In this study, the effects of cooling rate on the metallurgical and mechanical properties of
38MnVS6 microalloyed steel were investigated. In addition, the properties of 41Cr4 tempered
steel and 38MnVS6 microalloyed steel were compared. The results showed that the optimum
metallurgical and mechanical properties for the 38MnVS6 microalloyed steel were obtained by
quenched in the air. Besides, 38MnVS6 microalloyed steel had a better hardness and wear
resistance but lower ductility than heat treated 41Cr4 structural steel. However the lower
ductilitiy composes risk for the tow hook.
Keywords: 41Cr4, 38MnVS6, microalloyed steel, hot forging, metallurgical properties,
mechanical properties.
1. GİRİŞ
Günümüzde teknoloji ilerledikçe çeliklerden beklenen mekanik özellikler de sürekli
artmaktadır. Mikroalaşımlı çeliklerden dövme yöntemi ile imal edilen parçalara ısıl işlem
uygulanmadan kullanıma hazır hale gelirler. Bu sayede ürünün üretim maliyetleri azalmaktadır
[1,2]. Aynı zamanda yüksek dayanımlı düşük alaşımlı çelikler (YDDA) olarak adlandırılan
mikro alaşımlı çelikler, düşük miktarlarda karbür veya nitrür yapıcı alaşım elementleri ilave
1
İZELTAŞ A.Ş. Ar-Ge Merkezi Işıkkent, İzmir, [email protected]
Celal Bayar Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Muradiye Kampüsü, 45140 Manisa,
[email protected]
2
10
edilmesiyle iyi mekanik özellik gösteren çeliklerdir [3]. Bu çelikler %0,05-%0.2 aralığında
alaşım elementi içermektedirler. Genellikle V, Nb, Ti ve Mo elementlerinin eklenmesi ile
oluşan mikroalaşımlı çeliklere son yıllarda B ve Al elementleri de eklenmektedir [4].
Mikro alaşımlı dövme çelikler, orta karbonlu ıslah çeliklerinin yerine
geliştirilmişlerdir. Islah çelikleri ile karşılaştırıldığında ıslah çeliklerinde elde edilen iyi
mekanik özellikleri mikro alaşım çeliklerinde mikro alaşım elementleri ile oluşturulan tane
inceltme ve çökelti sertleşmeleri mekanizmaları üzerinden sağlanır [5]. Dövme işleminde
kullanılan mikro alaşımlı çelikler için dövme prosesi; östenitleme, dövme ve soğuma olarak üç
aşamada gerçekleşmektedir. Her aşamada çökeltilerin çözünmesi/çökelmesi meydana gelebilir.
Tokluk özelliklerinin belirlenmesi açısından östenitleme ve dövme aşamalarında tane
büyümesinin kontrolü önemlidir. Mukavemet artışının gerçekleştiği çökelti sertleşmesi ise
soğuma sırasında meydana gelir. Islah çeliklerinde yapı temperlenmiş martenzit olarak ortaya
çıkarken; mikro alaşımlı dövme çeliklerinde ince ferrit-perlit yapı görülür. Litertürde az
sayıdaki çalışma sıcak dövme ve mikro alaşımlı dövme çelikler üzerinedir. Bu çalışmalar ise
genellikle sonlu eleman yöntemi, parçadaki gerinme dağılımları ve indüksiyon ile ısıtma gibi
konular hakkındadır.
Literatürde yapılan çalışmalara bakıldığında Rasouli ve arkadaşları, 30MSV6 tipi bir
mikro alaşımlı çeliğin ısıl işlemle birlikte iki farklı soğuma hızında oluşan mikro yapı
değişikliklerini ve buna bağlı olarak elde edilen mekanik özellikleri araştırmıştır. Bu
çalışmadaki sonuçlar soğuma hızının artmasıyla ferritik-perlitik yapının iğnemsi ferrite, beynite
veya martenzite dönüştüğünü ortaya koymuştur. Ayrıca akma ve çekme dayanımının arttığı
ancak sünekliğin önemli ölçüde azaldığı gösterilmiştir. En iyi dayanım süneklik
kombinasyonunun ise 925 ºC’ye ısıtılıp takibinde havada (3 ºC/s) soğutma ile elde edildiği
belirtilmiştir [8]. Çalık ve arkadaşları farklı karbon oranına sahip dört çeliği 1100 K
sıcaklığında 4 saatlik bir ısıl işlem sonrasında mikro sertlik ve çekme testlerine tabi
tutmuşlardır. Bu çalışmanın sonucunda akma dayanımı, kopma dayanımı ve sertliğin artan
karbon oranıyla birlikte arttığı bildirilmiştir [9]. Çapar [6], 1100°C’de 30 dakika östenitleme
işlemi yapıldıktan sonra dövülen ve ardından kumda, havada ve suda soğutulan orta karbonlu
Al ve V-Al mikro alaşım çeliklerinin mikroyapı ve mekanik özellik ilişkisini araştırmıştır. Elde
edilen sonuçlara göre dövme işlemi yapıldıktan sonra havada soğutulan Al ve V-Al mikro
alaşım çeliklerinin akma ve çekme dayanımı artarken % uzama değerlerinde bir düşme
olmadığı görülmüştür. Bunun nedeni çeliklerin havada soğumadan sonra küçük taneli yapıya
ve daha yüksek perlit ve çökelti sertleşmesine sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca,
orta karbonlu V-Al mikro alaşım çeliği aynı dövme ve soğuma şartlarında Al mikro alaşım
çeliğine nazaran daha yüksek akma ve çekme dayanımı gösterirken tokluklarında bir düşme
görülmemiştir [6].
Bu çalışmada kullanılan 41Cr4 ıslah çeliği İZELTAŞ A.Ş. firmasında binek araçlar
için çeki kancası üretiminde kullanılmaktadır. Üretim sürecinde 41Cr4 ıslah çeliği dövme
işlemini müteakip havada soğutulmakta ve normalizasyon işlemi ile ıslah edilmektedir. Bu
çalışmada çeki kancası imalinde 41Cr4 ıslah çeliği yerine 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğinin
kullanılması ve dövme işlemi sonrasında soğuma hızlarının kontrolü ile sonraki ısıl işlem
kademeleri olan normalize, sertleştirme ve menevişleme işlemlerinin ortadan kaldırılması
böylece hem daha dayanıklı hem de işlem kademeleri azaltılmış ve bunun sonucunda üretim
maliyetlerinin düşürüldüğü bir üretim sürecinin modellenmesi amaçlanmıştır.
11
2. DENEYSEL ÇALIŞMA
Bu çalışmada hammadde olarak 41Cr4 ve 38 MnVS6 malzemeleri kullanılmıştır.
Tablo 1.’de deneysel çalışmalar için kullanılan malzemelerin kimyasal analizleri verilmektedir.
Tablo 1. Deneysel çalışmalarda kullanılan malzemelerin kimyasal kompozisyonları
Malzeme
41Cr4
38MnVS6
%C
0,40
0,37
%Mn
0,63
1.39
%Si
0,23
0,575
%P
0,006
0,003
%S
0,026
0,006
%Cr
0,94
-
%V
0.1
Şekil 1’de 41Cr4 ıslah çeliğinin İZELTAŞ A.Ş. firmasında mevcut üretim süreci ile
38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğinin kullanılması durumunda planlanan üretim sürecinin akış
şeması görülmektedir.
Şekil 1. (a) 41Cr4 ıslah çeliği üretim akış şeması, (b) 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin
planlanan üretim süreci
Numunelerin dövme işlemi İZELTAŞ A.Ş. firmasında gerçekleştirilmiştir.
İndüksiyonla 1200°C sıcaklığa kadar ısıtılan 41Cr4 ıslah çeliği 1,6 tonluk LASCO marka
12
düşme çekiç ile dövülmüş ve havada soğutulmuştur. 38 MnVS6 mikro alaşımlı çelik aynı
şartlar altında dövülerek havada, viskozitesi 26 mm²/s olan yağda ve suda soğutulmuştur. Şekil
2 de, parçanın dövme işlemi, ürünlerin havada, yağda ve suda soğutma işlemleri
gösterilmektedir.
a) Dövme İşlemi
b) Havada Soğutma
c) Yağda Soğutma
d) Suda Soğutma
Şekil 2. a) Dövme İşlemi, b) Havada Soğutma, c) Yağda Soğutma, d) Suda Soğutma
Dövme işleminden sonra malzemelerin metallografik ve mekanik özelliklerini
incelemek için Celal Bayar Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Laboratuarı kullanılmıştır.
Parlatıldıktan sonra Nital (22,5 ml alkol, 1,25 ml nitrik asit) sıvısı ile dağlanmış numunelerin
mikro yapı görüntüleri CLEMEX dijital kamera ile desteklenen NIKON ECLIPSE LV100
marka metal mikroskobu ile elde edilmiştir. Metalografik incelemelerden sonra ürünlere
sertlik, çentik darbe ve aşınma testleri yapılarak mekanik özellikleri incelenmiştir. Ürünlerin
dinamik davranışını belirlemek için standartlara uygun şekilde 55x10x10 mm boyutlarında Vçentikli numunelere oda sıcaklığında Charpy çentik darbe deneyi yapılmış, numunelerin
kırılma enerjileri belirlenmiştir. Aşınma davranışlarının tespiti için aşınma deneyleri
gerçekleşmiştir. Aşınma deneyleri “ball-on-disk” metoduyla, CSM Instruments Tribometer
cihazında gerçekleştirilmiştir. Deney için 30mm çapında 10mm yüksekliğinde silindirik
numuneler kullanılmıştır. Aşınma parametreleri olarak, kayma mesafesi 500 m, dönme hızı
30cm/s ve 10N’luk yük uygulanarak aşınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu işlemin ardından
aşınma oranlarını tespit etmek için Mitutoyo Surf Test SJ-301 Profilometre cihazında yüzey
pürüzlülüğü ölçülmüştür.
13
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
3.1. Metalografik İncelemeler
Şekil 3’te 41Cr4 çeliğinin dövme öncesi, dövme sonrası ve ıslah sonrası mikro
yapıları görülmektedir. Gerek mikroyapılar incelendiğinde gerekse literatür araştırmaları
doğrultusunda, malzemenin tipik ferrit-perlit mikro yapısına sahip olduğu, dövme işlemi
sonucu tanelerin yassılaşarak bantlı bir yapı meydana getirdiği böylece içyapının homojenliğini
kaybettiği ve ıslah sonrası tanelerin ham maddeye göre daha kaba olduğu gözlemlenmiştir.
Bantlı yapının menşei sıcak dövmeden oluşmaktadır. Sıcak dövme ve sonrasında soğutma
işlemleri sırasında işlem parametreleri, malzeme kimyasal kompozisyonu gibi etkenlere bağlı
olarak belirginde olabilen mekanik fiberleşmedir [7]. Plastik deformasyon sırasında
deformasyon yönünde, ikinci fazın, mikro boşlukların ve kalıntıların yönlenmesi ile mekanik
fiberleşme meydana gelir. Fiberleşme mekanik özelliklerin üzerinde olumlu veya olumsuz
etkilere sahiptir[7]. Dövme işlemi sonrası olan içyapıda farklı büyüklüklerde olan tanelerin
olmadığı tanelerin içyapının tamamında homojen bir şekilde dağılımı gözlemlenmektedir.
a) Dövme Öncesi 41Cr4
b) Dövülmüş 41Cr4
c) Islah Edilmiş
Şekil 3. a) Dövme öncesi 41Cr4, b) Dövülmüş 41Cr4, c) Islah Edilmiş 41Cr4 çeliğinin 500x
büyütmedeki mikroyapı görüntüleri
Şekil 4a’ya bakıldığında ise 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin dövme öncesi ve dövme
sonrası mikroyapıları görülmektedir. Yapılan mikroyapı incelemesi ve literatür araştırmaları
sonucu 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin dövme öncesi içyapısında ince perlit, kaba perlit ve
ferrit fazlarının olduğu ayrıca vanadyum karbür bileşiklerinin çökeldiği gözlenmekte, şekil
4b’ye bakıldığında ise 38MnVS6 mikro alaşım çeliğin dövme işleminden sonra 0,5°C/s hızda
14
1200°C’den 40°C ‘ye kadar havada soğutulmuş halinde içyapının homojen olduğu ve ferrit
fazının tane sınırlarını ağ gibi çevrelediği görülmektedir. Bu yapı; östenit tane sınırlarında
çekirdeklenen ötektoid öncesi (proötektoid) ferrit oluşumu olarak nitelendirmiştir. [10]. Şekil
4c ve 4d’de 2°C/s hızda yağda ve 4 °C/s hızda suda soğutulmuş 38MnVS6 mikro alaşım
çeliğinin mikro yapıları görülmektedir. Tanelerin iğnemsi şekilde oluştuğu ancak yapının
martenzitten ziyade beynitik karakterde olduğu gözlemlenmiştir. Şekil 5’te bulunan 38MnVS6
mikro alaşım çeliğinin TTT diyagramına bakıldığında soğuma hızının beynit yapı oluşturacak
mertebede olduğu belirlenmiştir.
b) Havada soğutulmuş
a) Dövme öncesi
c) Yağda soğutulmuş
d) Suda Soğutulmuş
Şekil 4. a) Dövme öncesi, b) Havada soğutulmuş, c) Yağda soğtulumuş, d) Suda Soğutulmuş
38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin 200x büyütmedeki mikro yapıları
15
Şekil 5. 38 MnVS6 Mikro Alaşımlı Çeliğin TTT Diyagram
3.2. Mekanik Deney Sonuçları
41Cr4 ıslah çeliğinin dövme öncesi, dövme işlemi sonrası ve ıslah sonrası sertlik
değerleri ile 38MnVS6 çeliğinin dövme sonrası soğuma hızlarına bağlı olarak sertlik değerleri
Şekil 6’da verilmiştir. 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğinin kullanılması halinde ıslah işlem
kademesinin ortadan kaldırılması hedeflendiğinden, bu çelik için ıslah işlemi
gerçekleştirilmemiştir. Görüldüğü gibi dövme ve havada soğutma işlemi sonrası 27 HRC
sertliğe sahip olan 41Cr4 çeliği ıslah işlemiyle 25 HRC sertlik değerlerine sahip olmuştur.
38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin hammadde olarak sertliği 41Cr4 malzemesinin iki katı kadar
olup çeki kancası için istenilen sertlik aralığı olan 26-30 HRC değerlerine dövme sonrası
havada soğutma işlemiyle ulaşıldığı, yağda ve suda soğutma ile 50 HRC’yi aşan sertliklere
ulaştığı gözlenmiştir.
Şekil 6. 41Cr4 ıslah çeliğinin ve 38 MnVS6 mikro alaşımlı çeliğinin dövme işlemi sonrası ve
farklı soğuma ortamlarındaki kırılma enerji değerleri
16
2003 yılında Ollilainen ve arkadaşlarının yapmış oldukları çalışmada orta karbonlu
vanadyum mikro alaşım çeliklerinde vanadyum miktarının ağırlık olarak % 0,085’e çıkması ile
çeliğin sertliğinin artığını gözlemlemişlerdir. Çeliğin sertliğinin artmasının nedeni ise ötektoid
öncesi ve sonrası oluşan ferrit fazı içerisinde çökelen ufak ve homojen olarak dağılmış VC
çökeltilerine bağlamışlardır [11]. Bu çökeltiler dislokasyonların hareketini engelleyerek çeliğin
dayanımını arttırmışlardır. Ridley ve arkadaşları (1982) vanadyum içeren ötektoid bileşime
sahip çeliğin dayanımını incelemişlerdir. Çeliğin dayanımındaki artışı iki faktöre
bağlamışlardır. Birincisi vanadyumun çeliğe katılması, perlit lamelleri arasındaki mesafenin
düşmesine neden olmaktadır. İkincisi vanadyumun çeliğe katılması, perlitik yapıda bulunan ve
ötektoid dönüşüm sonucunda elde edilen ferrit fazı içerisinde VC çökeltilerinin oluşmasına
neden olarak çeliğin dayanımını arttırmıştır[12]. Bu çalışmalar göz önüne alındığında karbon
oranlarının yakın olmalarına rağmen 38MnVS6 çeliğinin sertliğinin 41Cr4 çeliğinden daha
yüksek sertliklere sahip olmasının nedeni bünyesinde bulunan vanadyum elementinin etkisi
olduğu düşünülmektedir.
Şekil 7’de, 41Cr4 çeliğine ve 38MnVS6 mikroalaşımlı çeliğe yapılan çentik darbe
deneyi sonucu verilmiştir. Elde edilen verilerde 41Cr4 çeliğinin, 38MnVS6 mikroalaşımlı
çelikten daha sünek bir malzeme olduğu tespit edilmiştir. Buna ek olarak soğuma hızı arttıkça
38MnVS6 mikroalaşımlı çeliğin tokluk değerlerinde kayda değer bir düşüş olduğu
gözlemlenmiştir. Bunun sebebi, mikroalaşımlı çeliğin TTT diyagramı incelendiğinde içyapının
soğuma hızı arttıkça ince, iğnemsi ve kırılgan bir faz olan beynit fazına dönüşmesi olarak
gösterilmektedir.
Şekil 7. 41Cr4 ıslah çeliğinin ve 38 MnVS6 mikro alaşımlı çeliğinin dövme işlemi sonrası ve
farklı soğuma ortamlarındaki kırılma enerji değerleri
41Cr4 çeliği ile 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin aşınma testi sonuçları Şekil 8’de
verilmiştir. Görüldüğü gibi, 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin aşınma kaybı 41Cr4 malzemeye
göre çok daha az gerçekleşmiş ve aşınma direncinin iki kat daha iyi olduğu tespit edilmiştir.
Dövme işleminden sonra malzemelerin aşınma dayanımları yaklaşık aynı değerlerde olsa da,
41Cr4 çeliğinin ıslah sonrası aşınma direnci 38MnVS6 mikroalaşımlı çelikten yaklaşık 1,5 kat
kadar daha düşüktür. Bununla birlikte beklenildiği gibi her iki malzemede aşınma direnci
sertlik artışıyla paralel olarak artmıştır.
38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin havada soğutulan malzemesinin hacim kaybı en
fazla çıkarken yağda soğutulan malzemenin ki en az çıkmaktadır. Sertliği daha yüksek olan
suda soğutulmuş malzemede aşınma miktarı beklenilenin tersine yağda soğutulmuş
malzemeden daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Bu durum yüksek sertliğe sahip numunelerde
aşınma deneyi sırasında kopan aşınma partiküllerin deney esnasında aşındırıcı partiküller
olarak görev yaptığı ve daha fazla aşınmanın meydana gelmesine yol açtığı düşünülmektedir.
17
Şekil 8. 41Cr4 ıslah çeliğinin ve 38MnVS6 mikroalaşımlı çeliğin aşınma dayanımı değerleri
4. SONUÇLAR
Bu çalışmada İZELTAŞ A.Ş. firmasında binek araçlar için çeki kancası imalinde
kullanılan 41Cr4 ıslah çeliği yerine ısıl işlem kademesinin ortadan kaldırılarak daha düşük
üretim maliyeti ile 38MnVS6 mikroalaşımlı çeliğinden üretilme potansiyeli araştırılmış olup,
metalurjik ve mekanik özellikleri incelenerek karşılaştırılmıştır. Sonuçlar aşağıdaki gibi
özetlenmiştir:
1. 41Cr4 çeliğinin dövme öncesi ile dövülmüş hali karşılaştırıldığında, dövme işlemi sonrası
malzemenin homojenliğini kaybettiği ve tanelerin yassılaştığı görülmektedir. Malzemedeki bu
heterojenliğin giderilmesi amacıyla üretim esnasında malzeme normalizasyon işlemine tabi
tutulmaktadır. 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin dövme sonrası daha homojen bir yapıya sahip
olduğu görüldüğünden, normalizasyon işleminin gerekli olmadığı düşünülmektedir.
2. 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğin malzemede ferrit yapısını ortaya çıkardığı ve ötektöid
öncesi ferrit fazının tane sınırlarını ağ gibi çevrelediği, soğuma hızı arttıkça içyapının beynit
fazına dönüştüğü tespit edilmiştir. Ayrıca vanadyumun içyapıda vanadyum-karbür çökeltileri
meydana getirdiği görülmüştür.
3. 41Cr4 ve 38MnVS6 çeliklerinin dövme işlemi sonrasında sertlikleri karşılaştırıldığında;
mikro alaşım çeliğinde bulunan vanadyum elementinin oluşturduğu karbürler sonucu
sertliğinin 41Cr4 çeliğine göre 2 kat daha yüksek olduğu ve tokluk değerinin ise yaklaşık 2 kat
daha düşük olduğu gözlemlenmiştir.
4. Dövme işlemi sonrası her iki çeliğin sertlik değerleri artmıştır ve buna bağlı olarak tokluk
değerleri azalmıştır. 38MnVS6 mikro alaşımlı çeliğini soğuma hızına göre sertliği artmakta ve
tokluğunun azalmakta olduğu gözlemlenmiştir.
5. Aşınma deneyi sonucu 38MnVS6 mikro alaşım çeliğinin 41Cr4 çeliğine göre aşınma
dayanımının 2 kat daha yüksek olduğu görülmektedir. Ürünler dövüldükten sonra 38MnVS6
mikro alaşım çeliğinin ıslah işlemine tabi tutulan 41Cr4 çeliğine göre aşınma dayanımı
yaklaşık 1,5 kat daha iyi olduğu tespit edilmiştir.
6. Her ne kadar 38MnVS6 mikro alaşım çeliği yüksek sertlik değerlerine sahip olsa da,
tokluğun düşük olması çeki kancası üretiminde risk oluşturmaktadır. Bu nedenle yazarlar
tarafından tokluğun iyileştirilmesine yönelik farklı oranlarda alaşım elementlerinin etkilerinin
incelenmesi önerilmektedir.
18
TEŞEKKÜR
Bu çalışmada deneme üretimi için imal edilen çeki kancaları İZELTAŞ A.Ş. bünyesinde
gerçekleşmiştir.
KAYNAKLAR
[1] Kimura, T., Kurebayashi, T., “Niobium in Microalloyed Engineering Steels, Wire Rod and
Case Carburized Products”, Proc. Int. Symp. Niobium 2001, Orlando, FL, Vol 1, 801–872,
2001.
[2] Ersoy Erişir, 2010,“Yüksek Mukavemetli Çökelti Sertleşen Çeliklerde Mikroalaşım
Elementleri ve Karbon Miktarının Mekanik Özelliklere ve Mikroyapıya Etkisi”, Doktora Tezi,
Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
[3] Topates, T., “Mikroalaşımlı Çeliklerin Termomekanik İşlemi Sırasında Değişen Proses
Parametrelerin Mikroyapı ve Mekanik Özellikler Üzerine Etkisi, Y.Lisans Tezi, Y.T.Ü.
Metalurji Mühendisligi Ana Bilim Dalı, 1995.
[4] Prof.Dr.Erdoğan Tekin, “Mikro Alaşımlı Çelikler”, Asil Çelik, 2012
[5] Çemtaş Bülteni, “Dövme Amaçlı Mikroalaşımlı Çelikler”, 1996, s.3-4.
[6] Abdullah Çapar, “Dövme Amaçlı Üretilen Mikroalaşım Çeliklerinde Dövme ve Farklı
Soğuma Şartlarının Mikroyapı ve Mekanik Özelliklere Etkisi”, Bilim Uzmanlığı Tezi,
Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Metal Eğitimi Anabilim Dalı, 2005.
[7] Mustafa Aydın, Bilge Demir, Mustafa Acarer, Fatih Hayat, “AISI 5140 Çeliğinin Sürtünme
Kaynağında Mikroyapı ve Mekanik Özelliklerine Tavlamanın Etkisi”, International Iron &
Steel Symposium, 02-04 April 2012, Karabük, Türkiye, 848-854.
[8] Rasouli, D., Sh. Khameneh, A., Akbarzadeh, A., Daneshi, G.H., “Effect of cooling rate on
the microstructure and mechanical properties of microalloyed forging steel”, Journal of
Materials Processing Technology, 206, 92-98,2008
[9] Çalık, A., Düzgün, A., Şahin, O., Uçar, N., “Effect of carbon content on the mechanical
properties of medium carbon steels” Z. Naturforschung A, 2010, 65a, 468-472.
[10] ASM Metals Handbook Volume 1 “Properties and Selection Irons Steels and High
Performance Alloys”.
[11] Ollilainen, V., Kasprzak, W., Hollapa, L., “The effect of slicon, vanadium and nitrogen on
the microstructure and hardness of air cooled medium carbon low alloy steels”, Journal of
Metarials Processing Technology, 2003, 134, pp. 405-412
[12] Ridley, N., Lewis, M. T., Morrison. W. B., “Advances in physical metallurgy and
applications of steels”, 2nd edn, 199, Metal Society, London.. 1982.
19
BİTKİLERDE STRES YANITI
E. Dilşat YEĞENOĞLU 1, Şenay AYDIN 2, Hüseyin YENER1
ÖZET
Yüksek ya da düşük sıcaklıklar, kuraklık veya tuzluluk gibi abiyotik stres faktörleri
dünya üzerinde bitkisel üretimi tehdit etmekte ve üretim kayıplarına neden olmaktadır. Hızlı
nüfus artışı, iklim değişiklikleri, kirlenme gibi nedenlerle bitkilerin karşı karşıya kaldıkları
stres faktörleri artmaktadır.
Bitkilerin stres etmenlerine karşı tepkilerinin moleküler düzeyde anlaşılması tolerans
mekanizmasının çözümlenmesinde aracı olacaktır. Aynı zamanda stresin hücresel düzeyde
yapısının incelenmesi ıslah çalışmalarının oluşturulması ile tarımsal öneme haiz bitkilerin stres
faktörlerine karşı toleranslarının geliştirilmesinde önemlidir.
Bitkiler çevresel stres etmenlerine karşı hücresel düzeyde bir çok yanıt vermektedir ve
bu yanıtlar tolerans, uyum ve sakınma mekanizmaları ile ilişkilidir. Bu çalışmada genellikle
bitkilerin farklı stres etmenlerine karşı verdikleri hücresel yanıt hakkında bilgiler verilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Abiyotik stres faktörleri, bitkisel üretim, hücresel düzeyde stres yanıtı.
PLANT STRESS RESPONSE
ABSTRACT
Abiotic stress factors such as extreme temperatures (heat and cold), high salinity or
drought are threaten to worldwide crop production and they caused yield losses. Rapid
population growth, global warming, changes of climates or pollution in Earth may increase to
stress factors faced by agriculturally important plants.
Understanding the plant responses to stress factors at the molecular level would
mediate to analyze the mechanism of their tolerance. At the same time, the examination of
stress in plants at cellular level may help to build new plant breeding programs with developing
the plant tolerance mechanisms to stress factors in agriculturally important plants.
Plants are provided various responses at cellular level in stress conditions. These responses are
related with the tolerance, acclimation or avoidence mechanism of plants. In this study, the
general knowledge of plant response against some abiotic stress factors at cellular level is
summarized.
Key Words: Abiotic stress factors, plant production, stress response at cellular level.
1
Yrd. Doç. Dr., T.C Celal Bayar Üniversitesi Alaşehir Meslek Yüksekokulu, Alaşehir-Manisa.
[email protected]
2
Prof.Dr., T.C Celal Bayar Üniversitesi Alaşehir Meslek Yüksekokulu, Alaşehir-Manisa
20
1. GİRİŞ
Lichtenthaler (1996) bitkilerde stresi “bir bitkinin gelişmesi, büyümesi veya
metabolizmasını etkileyen herhangi bir olumsuz durum ya da madde” olarak tanımlamıştır
(Kranner ve ark., 2010). Bitkinin yaşamını ve verimliliğini etkileyen stres faktörleri
araştırmacılar tarafından çeşitli şekillerde sınıflandırılmışlardır. Lewitt (1980)’ e göre stres
faktörleri ikiye ayrılmaktadır. Bunlar biyotik yani patojenler, zararlılar gibi canlı faktörler ile
abiyotik stres faktörleridir. Abiyotik stres faktörlerine örnek olarak sıcaklık, su, kuraklık, tuz
stresleri verilebilir. Lichtenthaler (1996) ise stres faktörlerini doğal (sıcaklık, su stresi, viral
etmenler vb) ve antropojenik (ağır metal, ultraviyole ışınlar vb) olarak ikiye ayırmıştır.
Biyotik ve abiyotik faktörlerin neden olduğu stres karşısında bitki hayatta kalabilme ve
yaşamını sürdürebilmek için stres faktörüne bir tepki vermelidir.
Stres karşısında bitki iki çeşit uyum davranışı göstermektedir, bunlar sakınma ve
tolerans mekanizmalarıdır (Osmond ve ark., 1987). Sakınma mekanizmasında stres faktörünün
bitkiye nüfuz etmesinin önlenmesi ya da bu faktörden sakınılması söz konusudur. Bitkiler
morfolojik (stomaların büyüklüğü veya yoğunluğu, kütikül yapısı ve kalınlığı) ile ontojenik
yani stres faktöründen mevsimsel olarak kaçınmayı sağlayan değişikliklerle sakınma
mekanizmasından yararlanmaktadırlar (Edreva, 1998). Tolerans mekanizması ise stres
faktörünün yarattığı stresin elimine edilmesi, azaltılması ya da yarattığı hasarın tamirini
içermektedir. Tolerans mekanizması doku, subsellüler, moleküler ve sub- moleküler düzeyde
gösterilen değişiklikler ile çalışmaktadır (Edreva, 1998).
Stres toleransı bitkinin uygunsuz çevre koşulları ile başa çıkma potansiyelidir (Taiz ve
Zeiger, 2007). Stres faktörlerine tolerans bitkiden bitkiye değişmektedir. Bir bitki için stres
oluşturan bir ortam, başka bir bitkide stres oluşturmayabilir. Stres ekonomik öneme sahip bitki
türlerinde verimliliği etkilediğinden üzerinde en çok çalışılan konulardan biridir. Strese
önceden maruz kalma toleransı etkilemektedir. Eğer bir stres faktörü ile karşılaşıp bitkinin
toleransı artmış ise buna alışma denmektedir (Taiz ve Zeiger, 2007).
Bu çalışmada bitkilerin abiyotik stres faktörlerine karşı verdikleri farklı hücresel
yanıtlar hakkında yapılan çalışmalardan bilgiler derlenerek, bitkilerdeki stres yanıtı
özetlenmiştir.
1.1 Abiyotik Stres Faktörleri ve Stres Yanıtı
Yeryüzünde ki bütün bitkiler yaşamları boyunca çeşitli stres faktörlerine maruz
kalmaktadırlar, bunlardan en fazla karşılaşılanları sıcaklık stresi (yüksek ve düşük sıcaklık),
tuzluluk ve kuraklık stresidir. Örneğin, optimal koşullardan yüksek sıcaklıklar tahıllarda verim
azalması ve kalite düşmesine neden olmaktadır. Gelişimsel dönemlerde ısı stresine bağlı olarak
daha az ya da daha küçük organlar, kısalan yaşam döngüsünde daha düşük miktarda ışık alımı,
karbon özümlemesine bağlı süreçlerde değişiklik bitkilerde en belirgin görülen verim kayıp
nedenleridir (Maestri ve ark., 2002).
Abiyotik stres faktörleri dünyada tahıl üretiminde başarısızlığın nedenlerinden biridir ve
bir çok bitkinin veriminin yarı yarıya azalmasına neden olmaktadır. Bu yüzden abiyotik stres
faktörleri tarımsal üretimin sürekliliğini tehdit eden etmenler arasında görülmektedir (Mahajan
ve Tuteja, 2005).
Tuzluluk, atmosferik karbondioksit miktarında artış, besin maddelerinde dengesizlik,
kirleticiler tarımsal arazilerde önemli değişimlere neden olmaktadır. Abiyotik stres faktörleri
21
tarımsal anlamda dünya çapında üretim ve verimi etkilediği için önemlidir. Günümüzde ekilip
dikilebilen arazilerin % 10’dan daha az miktarının ana çevresel stres faktörlerinden
etkilenmediği tahmin edilmektedir. Yeryüzünde çok geniş toprakların tuzluluktan etkilenmesi
nedeniyle bitkilerde stresin etkisi ve stres yanıtının mekanizmasının incelendiği araştırmalarda
tuz stresinin üzerinde durulduğu görülmektedir (Ashraf, 2009). Ashraf (2009)’ a göre dünya
üzerindeki tarımsal arazilerin % 45’inden fazlası sürekli olarak ya da sıklıkla kuraklık ile karşı
karşıya kalmaktadır ve sulama yapılan arazilerin % 19.5’ u tuzluluktan etkilenmektedir.
Stres faktörleri birbirinden farklı olmalarına rağmen bitkilerde ortak bazı tepkilere neden
olmaktadırlar. Tuzluluk, kuraklık ve soğuk stresi tarafından uyarılan genlerin oluşturduğu stres
yanıtı üzerinde en çok çalışılan konuların başında gelmektedir. Bitkilerin çevresel stres
koşullarına adaptasyonununda bu üç stres tipinde organizma tarafından izlenen karmaşık sinyal
yolakları bulunmaktadır (Zhu, 2001). Maestri ve ark. (2002), hububatlarda sıcaklık stresine
karşı toleransın tek bir gen tarafından etkilenmediğini; toleransı oluşturan farklı bileşenlerin
çeşitli dokularda ve yaşam döngüsünün farklı safhalarında sıcağa tolerans için önemli olan bir
çok gen tarafından belirlendiğini bildirmişlerdir.
Stres ilk olarak hücre membran yüzeyindeki reseptörler vasıtasıyla algılanmakta, sinyal
aktarılarak kalsiyum, ROS (reaktif oksijen türleri), inositol fosfatlar gibi ikincil ulakların
üretimine neden olmaktadır. İnositol fosfat gibi ikincil ulaklar hücre içi kalsiyum düzeyini
ayarlamaktadırlar. Sitolozik kalsiyum miktarındaki değişim kalsiyum bağlayıcı proteinler
tarafından algılanmaktadır. Bu sensör proteinler stres yanıt genlerini ya da bu genleri kontrol
eden transkripsiyon faktörlerini uyarmaktadır. Bu stres genlerinin ürünleri bitkinin
adaptasyonuna ve hayatta kalmasına yardımcı olmaktadır (Mahejan and Tuteja, 2005).
Mikro array çalışmaları sonucunda abiyotik stres etkisiyle uyarılan genlerin iki ana grupta
toplanabileceği ortaya çıkmıştır. Birinci grupta osmolitik biosentez için membran proteinleri
gibi enzimatik ve yapısal proteinler, detoksifikasyon enzimleri (glutatyon S-transferazlar,
hidrolazlar, superoksit dismutazlar ve askorbat peroksidazlar) ve makromoleküler korunma için
diğer proteinler (LEA protein, şaperonlar ve mRNA bağlayıcı proteinler gibi) yer almaktadır.
İkinci grupta ise çeşitli düzenleyici proteinler bulunmaktadır (transkripsiyon faktörleri, protein
kinazlar, reseptör protein kinazlar, ribosomal-protein kinazlar gibi) ve signal transdüksiyon
proteinazlar (fosfoesterazlar ve fosfolipaz C gibi) gen ekspresyonu kaskadında yer alırlar (Dos
Reis ve ark., 2012).
Dünya üzerinde 800 milyon hektardan fazla alanın tuzluluktan etkilendiği
belirtilmektedir. Tarımsal arazilerde sürekli bir tuzlulaşma söz konusudur ve bu da önceden
verimli alanların giderek verimlerin azalması anlamına gelmektedir. Bu nedenle bitkilerin
tuzluluğa tolerans açısından ıslahı daha da önem kazanmaktadır (Türkan ve Demiral, 2009).
Değişik tuzların toprak ya da suda bitkinin büyümesini engelleyici miktarlarda bulunmasına tuz
stresi adı verilmektedir. Doğada en çok görülen tuz formu NaCl olmasına rağmen, klorürler,
sülfatlar, karbonatlar, bikarbonatlar ve boratlarda toprak ya da suda bulunan tuz tipleridir.
Kurak ve yarı kurak topraklarda bitkisel üretimi sınırlandıran önemli bir tarımsal sorun olarak
ortaya çıkmaktadır. Örneğin, Türkiye topraklarında artan sulama ve drenaj sorunu nedeniyle
önemli bir tuzluluk problemi görülmektedir (Bütüner ve Anaç, 2002).
Tuz stresi bitkilerde çeşitli yan etkilere neden olmaktadır bunlardan biri de ROS yani reaktif
oksijen türlerinin üretilmesidir. ROS hayli reaktif olup, bir çok molekül ile hızlı bir şekilde
etkileşime girmekte ve hücresel düzeyde hasara yol açmaktadır (Ashraf ve ark., 2008). ROS
bitkilerdeki gelişme, büyüme, biyotik ve abiyotik stres faktörlerine yanıt süreçlerinde önemli
bir sinyal rolü oynamaktadır. Plastitler, mitokondriler ve peroksizomlarda ROS üretimi bir
sinyal kaskadının başlamasına neden olmaktadır (Bailey-Serres ve Mittler, 2006). Bir çok ROS
bitkilerde aerobik metobolizmanın bir yan ürünü olarak üretilmektedir. Oluşan ROS türüne
22
göre bazıları yüksek düzeyde toksik olup, farklı enzimatik ve enzimatik olmayan yollarla
detoksifiye edilmektedir. Bitkiler abiyotik stres koşulları altında üretilen ROS’ları detoksifiye
etmek için mekanizmalara sahipken, stres altında olmayan koşullarda da patojenlere karşı
savunma, apoptoz ve stomatal davranış gibi süreçlerin kontrolü için amaca yönelik olarak
belirli düzeylerde ROS üretmektedir (Apel ve Hirt, 2004).
Solunum ve fotosentez gibi aerobik metabolik süreçler kaçınılmaz bir şekilde
mitokondri, kloroplast ve peroksizomlarda ROS üretimine neden olmaktadır (Apel ve Hirt,
2004). Bitkinin normal hayat döngüsü içerisinde bu üretim düşük düzeydedir ve bitkiler düşük
düzeyde ROS ile başa çıkabilmektedirler. Eğer ROS bitkinin üstesinden gelemeyeceği
miktardan fazla üretilmeye başlarsa hücre hasarına yol açabilmektedir (Mittler, 2002).
Tuzluluk ve kuraklığın bitkilerde oksidatif strese neden olduğu bilinmektedir. Bitkiler ROS
zararına tolerans için bazı mekanizmalara sahiptirler. Bunlara örnek olarak antioksidanlar ve
osmotolerantlar verilebilir (Türkan ve Demirkan, 2009). Tablo 1. de bazı reaktif oksijen türleri
ile antioksidanların hücrede yerleşim yerleri verilmiştir (Ashraf, 2009’dan alınmıştır).
Tuzluluk nedeniyle oluşan oksidatif stresin üstesinden gelinmesinde, bitkiler ROS
detoksifikasyonu için antioksidan enzimlerin üretimini artırmaktadır. Bu enzimler süperoksit
dizmutaz, askorbat peroksidaz, katalaz, glutatyon reduktaz ve glutatyon peroksidazdır.
Enzimlerin farklı hücre bölümlerinde beraber çalışmalarıyla ROS oluşumu ve uzaklaştırılması
arasında bir denge sağlanmakta ve hidrojen peroksit miktarı hücre sinyal mekanizması için
yeterli düzeyde tutulmaktadır. Günümüzde antioksidatif sistemlerin kapasitesi ile bitkilerin
abiyotik stres faktörlerinin yol açtığı oksidatif hasarın derecesi arasında bir ilişki olduğu kabul
edilmektedir (Türkan ve Demirkan, 2009).
Sodyum klorür stresinin ana sonuçlarından biri de hücre içi su kaybıdır. Bitkiler tuz
stresi ile hücre içinden su kaybına karşı hiperosmotik toleranslarını artırma amacıyla
sitoplazmalarında bir çok metobolit biriktirmektedirler. Bu metabolitler osmolitlerdir.
Osmolitlerin en yaygın olanları prolin, glisin betain ile mannitol ve sorbitol gibi şeker
alkolleridir (Türkan ve Demirkan, 2009; Dos Reis ve ark., 2012).
Son yıllarda bitkilerin stres toleransında antioksidanların rolünün anlaşılması ve
markır olarak kullanılması çalışmaları farklı araştırıcılar tarafından gerçekleştirilmiştir. Yapılan
araştırmalar tuz stresi ile hücresel düzeyleri artan ROS’lara karşılık bitkilerdeki antioksidan
düzeylerininde arttığını göstermektedir. Yüksek düzeyde antioksidan içeren bitkilerin artmış
tuz toleransına ROS’ların temizlenmesi/detoksifiye edilmesi yoluyla katkıda bulundukları
bildirilmektedir (Ashaf, 2009). Yine bitkilerde gen transferi yoluyla prolin birikme
düzeylerinin arttırılmasına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Benzer şekilde bitkilerde osmotik
stres toleransının geliştirilmesi amacıyla glisin betain biosentezinde rol alan genlere müdahale
çalışmaları yapılmaktadır. Tütünde, bitki glisin betain sentezi ile ilgili iki gene sahip ise, tek
transgen kopyaya sahip olan bitkiden daha tolerant olduğu tespit edilmiştir (Dos Reis ve ark.,
2012).
Kara bitkileri kuraklık ve yüksek tuzluluk dolayısıyla dehidrasyon yani su stresi
yaşamalarına rağmen düşük sıcaklıklarda da su stresi görülmektedir. Su stresi sonunda bitkide
hücresel su kaybı ve turgor basıncında düşme olmakta ve ABA (absisik asit) düzeyi
yükselmektedir. Göründüğü kadarıyla su stresi ABA üretimini tetiklemektedir, bu da çeşitli
genlerin ekspresyonunu uyarmaktadır. Bununla beraber dışarıdan ABA uygulamasında bir çok
genin uyarılmadığı görüldüğünden su stresi esnasında hem ABA bağımlı hem de ABA bağımlı
olmayan iki farklı sinyal mekanizmasının olduğu düşünülmektedir (Shinozaki ve Shinozaki,
1997).
23
Bitkisel organizmalarda diğer canlılar gibi bir stres etmeni ile karşılaştığında hücre
düzeyinde transkripsiyon, translasyon, RNA sentezi gibi işlemleri durdurmakta ya da
minimuma indirmektedir. Bu esnada strese bir yanıt olarak hayli korunmuş bir dizi spesifik
proteinin sentezi uyarılmaktadır. İlk olarak Drosophila da yüksek sıcaklık stresi nedeniyle
tükrük bezlerindeki şişliklerde (puff) görülmesi yüzünden ısı şok proteinleri (heat shock
proteins) olarak adlandırılmasına karşılık sentezi artan bu spesifik protein ailelerinin hücresel
düzeyleri sadece sıcaklık değişimleri ile değil, tüm stres etmenleri karşısında artmaktadır.
Örneğin ağır metal stresi altında bitkilerde 27 kDa’luk bir ısı şok proteini sentezlenmektedir
(Yüce, 1998).
Abiyotik stres genelde protein fonksiyonlarının bozulmasına neden olmaktadır.
Proteinlerin fonksiyonel konformasyonlarının korunması ve doğal olmayan proteinlerin stres
esnasında birikiminin önlenmesi hücrenin hayatta kalmasında önemlidir. Isı şok proteinleri ve
şaperonlar normal hücresel süreçlerde proteinlerin katlanmasında, düzenlenmesinde,
translokasyonu ve degradasyonunda rol almaktadırlar ve stres sırasında normal protein
konformasyonunun yeniden yapılandırılmasıyla bitki hücrelerini korumakta böylece hücresel
homoestazinin devam ettirilmesini sağlamaktadırlar (Wang ve ark., 2004).
2. SONUÇ ve ÖNERİLER
Tarımsal önemli bitkiler yaşam döngüleri boyunca çeşitli abiyotik stres faktörlerine
maruz kalmaktadırlar. Hızlı nüfus artışı, global ısınma, iklim değişiklikleri, kirlenme, yanlış
tarım uygulamaları gibi nedenler bitkilerin karşı karşıya kaldıkları abiyotik stres faktörlerinin
değişmesine, sayılarının artmasına yada şiddetlenmesine neden olmaktadır. Dünyanın pek çok
bölgesinde kuraklık, su stresi, tuz stresi gibi abiyotik stres etmenleri tarım açısından önemli bir
problem oluşturmakta ve üretim ile verim kayıpları yaratmaktadır.
Küresel ısınma ve iklim değişiklikleri, su kaynaklarının yanlış kullanımı, hızlı nüfus
artışı ile çevre kirliliği; tarımsal üretimi etkileyen kuraklık ya da tuzlulaşma gibi problemleri de
beraberinde getirmiştir. Tarımsal uygulamaların yanı sıra bitkisel üretim deseninin tahmin
edilen iklimsel, çevresel değişimlere göre ayarlanması düşüncesini ortaya çıkarmaktadır. Stres
etmenlerine karşı toleranslı çeşitlerin geliştirilmesi tarımda sürdürülebilirliliğin sağlanması
açısından önemli olacaktır.
Bitkilerin stres etmenlerine karşı tepkilerinin moleküler düzeyde anlaşılması tolerans
mekanizmasının çözümlenmesinde aracı olacaktır. Aynı zamanda stresin hücresel düzeyde
yapısının incelenmesi ıslah çalışmalarının oluşturulması ile tarımsal öneme haiz bitkilerin stres
faktörlerine karşı toleranslarının geliştirilmesinde önemlidir.
24
Tablo 1. ROS, antioksidanlar ve yerleşim yerleri (Ashraf, 2009’ dan alınmıştır)
Antioksidan
I. Enzimatik
Organel
Reaktif Oksijen Türleri
Superoksit dismutaz
(SOD) (EC 1.15.1.1)
Kloroplast, Mitokondri,
Sitozol, Peroksizom,
Apoplast
Superoksit
Katalaz (CAT) (EC
1.11.1.6)
Peroksizom, Glioksizom
Hidrojen peroksit
Askorbat peroksidaz
(APX) (EC 1.11.1.11)
Peroksidazlar (POX) (EC
1.11.1.7)
Glutatyon Reduktaz (GR)
(EC 1.6.4.2)
Glutathione peroxidase
(GPX)
(EC 1.11.1.12)
II. Enzimatik olmayan
Glutatyon (GSH)
Askorbik Asit (AsA)
Karotenoidler
Flavonoidler
Glioksizom, Peroksizom,
Apoplast
Vakuol, Sitozol, Hücre
Duvarı
Kloroplast, Sitozol,
Mitokondri
Hidrojen peroksit
Hidrojen peroksit
Glutatyonun indirgenmesi
Sitozol
Hidrojen peroksit, lipid
peroksil radikalleri, organik
hidroperoksit
Apoplast
Hidrojen peroksit, hidroksil
radikal,
singlet oksijen
dehidroaskorbat redüktaz
Apoplast
Kloroplast
Vakuol
25
Hidrojen peroksit, singlet
oksijen
Singlet oksijen
Singlet oksijen, hidroksil,
peroksil radikalleri,
peroksinitrit
KAYNAKLAR
1. Apel, K., ve Hirt, H. 2004. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress, and
signal transduction. Annu. Rev. Plant. Biol. 55:373–399.
2. Ashraf, M., Athar, H.R., Harris, P.J.C. ve Kwon, T.R. 2008. Some prospective strategies
for improving crop salt tolerance. Adv. Agron. 97: 45–110.
3. Ashraf, M. 2009. Biotechnological approach of improving plant salt tolerance using
antioxidants as markers. Biotech. Adv. 27: 84–93.
4. Bailey-Serres, J. ve Mittler, R. 2006. The roles of reactive oxygen species in plant cells.
Plant Physiology (Special Issue on Reactive Oxygen Species, June 2006, Bailey-Serres and
Mittler, Guest Editors). 141(2):311.
5. Bütüner, S ve Anaç, D. 2002. Semiarid koşullarda tuz stresini önleyici teknikler. E.Ü.Z.F
Toprak Bölümü Diploma Tezi. 1-2.
6. Dos Reis, S.P., Lima, A.M. ve de Souza, C.R. 2012. Recent molecular advances on
downstream plant responses to abiotic stress. Int. J. Mol. Sci. 13(7):8628-47.
7. Edreva, A. 1998. Molecular bases of stress in plants. Bitkilerde stres fizyolojisinin
moleküler temelleri sempozyumu, 22-26 Haziran 1998, Bornova, Izmir, E. Ü. Bilim ve
Teknoloji Uygulama ve Araştırma Merkezi, 1-33.
8. Kranner, I., Minibayeva, F.V., Beckett, R.P. ve Seal, C.E. 2010. What is stress? Concepts,
definitions and applications in seed science. New Phytologist, Tansley review. Erişim:
http://www.uibk.ac.at/botany/ecoseed/downloads/new-phytologist-tansley-review-kranner-etal.pdf. 2013.
9. Levitt, J. 1980. Responses of plants to environmental stresses. Vol. 1, Acad. Press, 496.
10. Lichtenthaler, H. K. 1996. Vegetation stress: an introduction to the stress concept in plants.
J. Plant Physiology, 148, 4–14.
11. Maestri, E., Natalya, K., Perrotta, C., Gulli, M., Nguyen, H. ve Marmiroli, N. 2002.
Molecular genetics of heat tolerance and heat shock proteins in cereals. Plant. Mol. Biol., 48:
667-681.
12. Mahajan, S., ve Tuteja, N., 2005. Cold, salinity and drought stresses: An overview; Arch.
Biochem. Biophys. 444 139–158.
13. Mittler, R., 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant Sci., 7:
405-410.
14. Osmond, C.B., Austin, M.P., Berry, J.A., Billings, W.D., Boyer, J.S., Dacey, J.W.H.,
Nobel, P.S., Smith, S.D. ve Winner, W.E. 1987. Stress physiology and the distribution of
plants. BioScience. (3) 7: 38-48.
26
15. Shinozaki, K., ve Yamaguchi-Shinozaki, K. 1997. Gene Expression and Signal
Transduction in Water-Stress Response. Plant Physiol. 115(2): 327–334.
16. Taiz L, Zeiger E. 2007. Bitki Fizyolojisi. Palme Yayıncılık. 591-597.
17. Türkan, I., Demiral, T. 2009. Recent developments in understanding salinity tolerance .
Environmental and Experimental Botany, 67, 2-9
18. Wang, W., Vinocur, B., Shoseyov, O., ve Altman, A. 2004. Trends in Plant Science Vol.9
No.5. 244-252
19. Yüce, S. 1998. Isı şok proteinleri. Bitkilerde stres fizyolojisinin moleküler temelleri
sempozyumu, 22-26 Haziran 1998, Bornova, Izmir, E. Ü. Bilim ve Teknoloji Uygulama ve
Arastırma Merkezi.
20. Zhu, J.K. 2001. Plant salt tolerance. Trends in Plant Sci. 6, 66-71.
27
DESIGNING AN RF CONTROLLED AUTONOMOUS VEHICLE AND
ITS CONTROL SOFTWARE
RF KONTROLLU OTONOM BİR ARAÇ TASARLANMASI VE
YAZILIMININ GELİŞTİRİLMESİ
İlhan TARIMER 1
ÖZET
Bu çalışmada, C++ ortamında, otonom hareket eden bir aracı kablosuz olarak ve
bilgisayar seri portlarıyla kontrol eden bir uygulama ile nesne yönelimli bir yazılım
geliştirilmiş ve fiziksel olarak bir araç gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen yazılım ile araca 4 farklı
hareket yeteneği kazandırılmıştır. Sistemde bilgisayar üzerinden iletişim sağlayan bir kontrol
program kısmı, bilgisayara bağlı bir haberleşme kartı ve araç üzerinde montajlı bir
haberleşme/kontrol kartı bulunmaktadır. Geliştirilen yazılım araca komutları seri portlar, RF
ileticisi, PIC mikrodenetleyicisi, DA motor sürücüsü ve RF alıcı birimi kanalıyla
göndermektedir. Meydana getirilen otonom araç, çapı 100 m olan bir alanda otonom ve
kontrollü olarak çalıştırılmaktadır. Bu aracın özellikle tehlikeli sahalardaki patlayıcıların
bulunmasında kullanılması düşünülmektedir.
Anahtar Kelimeler: RF haberleşmesi, otonom araç, seri port, C++, mikrodenetleyici.
ABSTRACT
In the study, it has been dealt with developing an application that controls an
autonomous vehicle as wireless and computer serial ports and object oriented software has
been prepared in C++ platform. The vehicle has been actualized physically. The software has
been made to the vehicle provided four different actuation capabilities. The system has got a
control program part which provides communication over computer, a communication card
connected to the computer, and a communication/control card on top of the vehicle. The
developed software sends commands to this vehicle via serial ports, RF transmitter, PIC
16F877A microcontroller, DC motor driver and RF receiver units. The developed vehicle is
being operated as autonomous and controllable in a 100 meters diameter area. It is considered
that this vehicle especially would be used in searching explosives at dangerous fields.
Keywords: RF communication, autonomous vehicle, serial ports, C++, micro controller.
SECTION 1. INTRODUCTION
Last decades, increasing applications on wireless data communication are widely
being broad day by day [1]. Some of those applications are given as alarm systems without
cabling, home automation systems, far entrance applications and crane controls without keys,
environmental monitoring, wireless internet applications [3]. Another type of application is
1
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Bilişim Sistemleri Mühendisliği Bölümü
28
thought as autonomous and/or semi-autonomous vehicles controlled without cabling. The
devices such as compasses, depth sensors, directional scanners, thermal sensors and sonar
sensors are used at robots used with aiming security or discovery [4].
A robot is an electromechanical device which is previously programmed or
autonomously. Mobile robots either fulfil the functions wanted by moving without
immobilized to a point. While these functions are being carried out, mobile robots need to have
complex controls and many performance sensors.
A surveillance robot car has been developed in a research [2]. Far distance controlled
vehicles are being used in several applications, such as moving objects, running in dangerous
areas for humans, operating wheelchairs, bomb destruction contrivance, etc [2]. Recently prizewinning competitions are being organized regarding to vehicles without drivers [3]. In a paper
published by some young in researchers, robots manufactured nowadays are mostly used
industry, and thereon big companies, universities and technological institutions are went
breakeven during developing robot technology [4].
An educator has presented a platform of cylindrical and cartesian coordinate robot
manipulators actuated with stepper motors for educational purposes in a work [6]. Lengvenis
and et.all have developed a microcontroller based integral solution for the smart, assistive
mobility hardware [5]. In another work, a robot car which senses limits and surfaces and
controlled by a microcontroller has been designed and realized [7]. It has also realized that a
mine scanning, and detecting robot has developed [10] by means of a research. Proscevicius
and et.all have focused on communications in real time hierarchical levels for the robot to be
controlled [14].
In this study, an autonomous vehicle has been produced and its control software has
been written. It is proposed that the developed system would be used in searching explosives at
dangerous fields.
SECTION 2. THE PHYSICAL STRUCTURE OF THE SYSTEM
In this section, the electronics elements’ functions for the developed autonomous
vehicle are explained. PIC 16F877A microcontroller used in the study is a quite quick, multiple
functioned and completely static processor [13].
ARX–34S RF receiver integrated circuit produced by the firm UDEA [11] transfers
the data which takes it from the communication port to the microcontroller PIC 16F877A. RF
serial communication protocol is valid between the receiver and transmitter modules.
In able to make RF communication, the frequency must be the range of UHF band 433.05 MHz
and 434.79 MHz frequencies; it mustn’t exceed transmitter of 10 mWs [8]. There is a D OUT pin
in RF receiver module. D OUT pin is an out in which the signals are demodulated via taken RF.
The aerial to be used has the same characteristics with the aerial at RF transmitter module.
ARX–34S RF transmitter integrated circuit transfers data which is taken from computer to the
control card [11]. D IN pin at RF transmitter module is used for entering digital data. D IN pin is
an input in which the signals are given via sent RF.
The brushed DC motors used in the study are mounted physically via a driver circuit
to the microcontroller. The PIC used here determines the speed and direction of the motor.
The data is transmitted to medium by encrypted at far control systems. In this way, the other
receiver systems which use same frequency band are not affected from the encrypted signal.
29
The encryption operation can be made in software by using encoder–decoder integrated circuits
and microprocessor.
MAX232 integrated element in the developed circuit adopts the voltage levels of
TTL/CMOS integrated elements by the protocol of EIA–232 to the system [12]. The MAX232
has got 4 voltage converters as 2 receivers and 2 transmitters. They convert voltage levels and
invert them as well. The transmitters within the MAX232 convert voltage levels of EA–232
pins connected to the inputs to 5 V TTL/CMOS voltages. The receivers within the MAX232
convert voltage levels of 5 V TTL/CMOS elements connected to the inputs to EIA–232
voltages.
SECTION 3. THE DEVELOPED VEHICLE AND SOFTWARE
The block diagram of the designed vehicle is given in Figure 3.1.
Figure 3.1. Block diagram of the vehicle.
From the Figure 3.1, it is understood that the system has got two parts as physical and
software. The connection between the host and client sections is established by using the
program written in the study. Some of the program codes which provide the connection
between host and client are given below rows.
#ifndef remoteH
#define remoteH
//-------------#include <Classes.hpp>
#include <Controls.hpp>
#include <StdCtrls.hpp>
#include <Forms.hpp>
#include <ComCtrls.hpp>
#include <ExtCtrls.hpp>
#include <Buttons.hpp>
#include <Menus.hpp>
This program is run between host and client. It is expected that user at client must be
connected to COM1 port of the host computer. Once a connection was established to COM1
port then, the user at client steers the vehicle’s movements.
Communication Card: This card is connected to the serial port of the host computer.
The commands sent from the host computer is transmitted to this card via COM1 port.
Therefore RF transmitter integrated component is functioned, and the commands received from
the serial port are transmitted to the vehicle. The views of the mounted cards are seen in Figure
3.2.
30
Figure 3.2. Assembling the vehicle and the communication card.
Some of the necessary codes which are needed for operating the card are given in
below lines.
#include <vcl.h>
#include <assert.h>
#pragma hdrstop
#include "remote.h"
//------------------------------------------------------------------#pragma package(smart_init)
#pragma resource "*.dfm"
TUK *UK;
HANDLE hSerialPortHandle;
HANDLE hContinuousReadThread
#define KEY_UP
0
#define KEY_DOWN
1
#define KEY_BUFFER
250 /*
#define KEYBOARD_UP
38
#define KEYBOARD_DOWN
40
#define KEYBOARD_LEFT
37
#define KEYBOARD_RIGHT 39
The codes written above provide connection between the computer and the
communication card. During the communication to be established the directional keys
will define which pins of RS232 port must be active. The electronics circuit diagram
of the communication card is given in Figure 3.3.
Fig. 3.3 Electronics circuit diagram of the communication card.
31
This card is supplied by 9 volts. The voltage regulator (7805) in the circuit
provides 5 volts stabilized voltages for the components of the circuit. This card is
placed on the vehicle and it takes current between 7.6 mA and 22.5 mA. The
communication between the transmitter module on RS232 and the control card seen in
Figure 3.4 are provided by 2*433 MHz frequency RF modules over UART protocol.
The receiver–transmitter modules work at 433.92 MHz frequencies.
The USART module of PIC16F877A microcontroller is used for
communicating of RS232 port. For each key touch to keypad of the computer, 1 bit is
obtained. When it is touched to four keys, 4 bits data is obtained. This is realized by
software on the computer. Hence the keypad key data has been by brought to 1 byte
word length by adding 4 bits more to this data. The created value of 1 byte is sent to
serial port of the computer. This data is transferred to an UART signal by MAX232
level shifter on out of serial port, and sent to data pins of RF transmitter module. The
RF module at side of vehicle to be controlled takes the data first and then sends it to
input of microcontroller. The PIC microcontroller combs the data out to its ‘bits’ at
final procedure, and triggers the motor drivers.
Control Card at Vehicle: This card mainly contains RF receiver, PIC16877A
microcontroller and DC motor driver integrated components. There are control card, 2
DC motors and a power supply unit at the vehicle. The electronics circuit diagram of
the control card is given in Figure 3.4. The control card takes information from the
communication card, and moves the vehicle.
Figure 3.4 Control card electronics circuit schematic.
32
Movement of the vehicle is being provided by an information comes to the
microcontroller from RF receiver. The vehicle has got 4 different movement
capabilities (forward, backward, right, and left) in accordance with the information
taken by control card.
The control card is supplied with 5 volts. It is checked continuously by the
PIC microcontroller whether correct data is taken or not from the RF receiver
integrated component. Based on the information from the RF module, the
microcontroller makes the DC motors to run by sending signals to inputs of motor
driver. The connection between host computer and the client is established via the
control program. Then, COM1 serial port is prepared for RF communicating. The
commands sent from the client is transmitted to serial port of the host computer and to
the control card via communication card connected to the serial port. The
microcontroller at control card provides DC motor’s control based on the commands
came, and the vehicle realizes its autonomous movements.
The program which is run within the microcontroller has been written as based
C++ in “MicroC for PICs”. Some of the codes written to the PIC is given in below
rows.
#include <htc.h>
__CONFIG(WDTDIS&XT&UNPROTECT&LVPDIS&BORDIS&MCLREN&PWRTDIS);
bit bitValidData;
bit bitStep;
unsigned char bKeyboardData;
unsigned char bStepperPosition;
void main(void)
{
CMCON=0x07; //1200baud
TRISA&=0xF0;
TRISB&=0x0F;
//Timer0 interrupt 15.26Hz
T0CS=0;
T0SE=0;
PSA=0;
TMR0=128;
T0IE=1;
BRGH=0;
SPBRG=51;
Host–Client Control Software: This is a program written for the vehicle and which
works as two sides, host and client. Some of the program codes ‘objects oriented C++
is given in below rows.
Kod o.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
o.Internal = 0;
o.InternalHigh = 0;
o.Offset = 0;
o.OffsetHigh = 0;
assert(o.hEvent);
hContinuousReadThread=CreateThread(NULL,0,
33
LPTHREAD_START_ROUTINE(ContinuousReadThread), NULL, 0, NULL);
SetThreadPriority(hContinuousReadThread,THREAD_PRIORITY_HIGHEST);
ComboBox1->Enabled=false;
SpeedButton1->Enabled=false;
SpeedButton1->Caption="Bağlandı";
}
}
The codes written above provide the serial port as ‘on’, unless a message is
sent to the user and re–made the port adjustments. The screenshot of project file called
as Project1 and created previously is shown Figure 3.5.
Figure 3.5 Project selection [9].
Far control program has been designed as it would make user to facilitate
utility of itself. The menu bar on the screen has been created as taking into
consideration the alternative uses. Both host and client sides take place together in the
program interface. It has been wanted that both host and client operating processes
ought to be pursued together. Besides, the computer loaded by the program can be
operated either as host or client.
Serial Communication and Ports: The communication with cable between
computer and external devices are carried out with data channels called as ports, such
as serial, parallel, SCSI, USB, PCMCIA. Serial communication is realized in
accordance with the rules as protocols, amongst sides. The information such as how to
pack data, when to start and stop number of bits within a character, are determined
with protocol. Asynchronous serial communication is preferred rather than
synchronous serial communication at far distance communication [8]. The
communication rules of computer and a devices connected to serial port are defined by
software. Serial port permits to make only asynchronous communication since it has
the UART integrated circuit. One of the software routines developed in C++ platform
is given below lines.
case 38:
Shape1->Brush->Color=clLime;
if(Keyboard[bQueue].Key.Detail.Up==KEY_DOWN)
{ bKeyboardProcess=0; return; }
Keyboard[++bQueue].Key.Detail.Up=KEY_DOWN; break;
34
case 40:
eyboard[bQueue].Key.Detail.Down==KEY_DOWN)
Keyboard[++bQueue].Key.Detail.Down=KEY_DOWN; break;
case 37:
if(Keyboard[bQueue].Key.Detail.Left==KEY_DOWN)
Keyboard[++bQueue].Key.Detail.Left=KEY_DOWN; break;
case 39:
if(Keyboard[bQueue].Key.Detail.Right==KEY_DOWN)
Keyboard[++bQueue].Key.Detail.Right=KEY_DOWN;
The interface obtained after running these codes is given in Figure 3.6.
Figure 3.6 The interface screenshot.
All specifications of the components’ on the form and even form itself can be
changed and controlled from the window of Object Inspector. All the changes can be
made by changing the codes as well. Some of the codes which operate the tab of
ComboBox shown in Figure 3.6 are given below.
void __fastcall TUK::ComboBox1Change(TObject *Sender)
void __fastcall TUK::SpeedButton1Click(TObject *Sender)
{
hSerialPortHandle = CreateFile(ComboBox1->Text.c_str(), GENERIC_READ |
GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);
if (hSerialPortHandle == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
Application->MessageBoxA("Seri Port Açılamadı \Uygun Bir Bağlantı Noktasını
Ayarlayın", "Haberleşme", MB_OK + MB_ICONSTOP);
}
else {
lpDCB.BaudRate=CBR_1200;
lpDCB.ByteSize=8;
lpDCB.fParity=NOPARITY;
35
lpDCB.StopBits=ONESTOPBIT;
if (SetCommState(hSerialPortHandle, &lpDCB) == 0)
The screenshot of connection point selection is seen in Figure 3.8.
Figure 3.8 The screenshot of connection point selection
The tabs seen on the screenshot has got the OnKeyDown, OnKeyUp, and
OnClose keys tabs. When to turn the program off, OnClose tab is clicked. In order to
catch the keys pushing OnKeyDown is used; vice versa OnKeyUp is used.
Use of the Autonomous Vehicle: Movement of the vehicle has been provided
by using 2 DC motors mounted to the tires on the vehicle. 2 DC motors are mounted
to the rear tires, and these motors produce forward and backward movements. The
vehicle has also got the redactor mechanism, and the rear tires are connected to the
front tires with help of the redactor mechanism. So, four tires could move easily
during forward and backward movement. The right and left movements of the vehicle
has been provided by the DC motor which is connected to the front tires. The
microcontroller which is placed at the control card has given four different directional
movements for the vehicle. It has seen that the vehicle has been operated via computer
communication within the area of 70 meter radius circle in the test drives of this
autonomous vehicle.
SECTION 4. RESULTS AND RECOMMENDATIONS
In this study, it has been realized that an autonomous vehicle would be run
over a computer serial port and communicated via RF at far. The allowed distance for
running the vehicle would be about 140 meters diameter. A connection with the
computer has been established via the control card by the program loaded to the client.
Hence, information of movements has been sent to the control card at the vehicle from
the communication card connected to the serial port. The control card has steered the
movements of the vehicle in accordance with the information taken. The autonomous
vehicle has been moved by the microcontroller placed in the control card, and
programmed within C++. The communication between the host computer and the
communication card has been made by the created control file via serial port. The used
communication technique amongst communication and vehicle control cards is RF
communication.
As continuation of the application done in the work, it would be recommended
that the vehicle could be operated with adding camera and mechanical arms in such
places where it ought to go there without human in future work. Furthermore, such
device could be used in the places fitted with explosives to take exploratory images.
36
REFERENCES
[1] Ünlü, B., 2007. Controlling a Mobile Robot over Internet, Graduate Thesis, Electrical and
Electronics Faculty, Yıldız Technical University, İstanbul.
[2] Akyol, D., 2011. Surveillance Robot Which Senses Image, Gas Leakage And Humidity By
Wireless Communication, Graduate Thesis, Technical Education Faculty, Muğla University,
Muğla.
[3] Çayıroğlu, İ., Şimşir, M., 2008. Control of a Mobile Robot Driven by PIC And Stepper
Motor via Remote Camera System, Erciyes University, Journal of Institute of Science and
Technology, ISSN: 1012–2354, vol. 1–2, no. 24, pp. 1–16.
[4] Rouanet, P., B´echu, J., and Oudeyer, P.Y., Sept. 27–Oct. 2, 2009. A comparison of three
interfaces using handheld devices to intuitively drive and show objects to a social robot: the
impact of underlying metaphors, The 18th IEEE International Symposium on Robot and Human
Interactive Communication, Conference Publications, p.p.1066–1072, Toyama, Japan.
[5] Lengvenis, P., Maskeliunas, R., Raudonis, V., 2012. Aurdino based Controller for the
Smart Assistive Mobility Hardware, Elektronika Ir Elektrotechnika, ISSN 1392-1215, vol. 18,
no. 9, p.p.75–78.
[6] Altintaş, A., 2010. A New Approach to 3-Axis Cylindrical and Cartesian Type Robot
Manipulators in Mechatronics Education, Elektronika Ir Elektrotechnika, ISSN 1392–1215,
no. 10(106), pp. 151–154.
[7] Erol, M., 2010. Implementing of Microcontroller based Surface and Boundary Sensing
Robot, Graduate Thesis, Technical Education Faculty, Muğla University, Muğla.
[8] http://tr.wikipedia.org/wiki/Seri_port , 10.05.2013.
[9] Bleivik, K. G., “C++ Builder 2010 Professional Getting started”,
http://www.oopschool.com/books/CPB2010.pdf , 10.05.2013.
[10] Dinçer, E., June 2012. “Mine Screening and Detection Robot”, Muğla University,
Technical Education Faculty, Graduate Thesis, Muğla.
[11] http://www.udea.com.tr/eng/default.aspx , 10.05.2013.
[12] http://tr.rsdelivers.com/product/texas-%C4%B1nstruments/max232n/rs232driver-receivermax232n-2t-2r-d%C4%B1p16/1951195.aspx , 10.05.2013.
[13] http://picprogramlama.org/pic16f877a-mikrodenetleyicisi-genel-ozelikleri ,
10.05.2013.
[14] Proscevicius, T., Bukis, A., Raudonis, V., Eidukeviciute, M., 2011. Hierarchical Control
Approach for Autonomous Mobile Robots, Elektronika Ir Elektrotechnika, no.4(110), p.p.101–
104.
37
KOLEMANİT VE ÜLEKSİT KONSANTRATÖR ATIKLARIYLA
DÜŞÜK SICAKLIKTA SİYAH RENKLİ BOYAR MADDE ELDESİ
Dr. Lina İsrael İsrail*, Kemal Köseoğlu 1
ÖZET
Bu çalışmada sır üstü siyah boyar madde eldesi üleksit ve kolemanit
konsantratörlerinin katkısıyla gerçekleştirilmiştir. Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , CoO ve bor
konsantreleri ile siyah boya hazırlanmış ve sırın sinterleşmesi incelenmiştir. Ayrıca bu
çalışmada sinterleşmenin yüksek sıcaklıklarda gerçekleştiği siyah boya üretiminin daha düşük
sıcaklıklarda gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Ticari olarak üretilen siyah boyar maddelerin
renk değerleri standart alınarak üretilen boyar maddelerin renk değerleri karşılaştırılmıştır.
Anahtar kelimeler: Siyah boyar madde, üleksit ve kolemanit konsantreleri, sinterleşme, renk.
ABSTRACT
In this study black paints for over-glaze were implemented with the contribution of
ulexite and colemanite concentrates. Black pigment was prepared using Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2,
CoO and boron concantrates and the sintering behavior of the glaze was studied. In addition,
the high sintering temperature of the black paint production was aimed to be produced at lower
temperatures. The color values of the commercial black pigments were taken as standards for
comparing the color values of the produced ones.
Keywords: black paint, ulexite and colemanite concentrates, sintering, color.
1.GİRİŞ
Seramik sırların renklendirilmesinde pigmentler kullanılır. Pigmentler ve özellikle
inorganik pigmentler yüksek ısıda (500-1400°C) kalsine edilmiş metal oksitleridir (Tanışan ve
Turan, 2010, T. Manfredini ve F. Bondioli, 2000, E. Özel, ve diğerleri, 2006). Pigmentler
pişme esnasında sır içerisinde çözünmezler bu nedenle pigmentlerin dayanıklılığını ve boyama
gücünü etkileyen en önemli faktörler boyanın kendi bileşimi, kullanıldığı sırın bileşimi, fırın
sıcaklığı ve pişme atmosferidir. Seramik endüstrisinde çevresel ihtiyaçları karşılayacak koyu
renkli yüksek kaliteli, dayanıklı pigmentlerin üretimine büyük ilgi duyulmaktadır [4, 9].
Fe-Cr oksit içeren siyah pigmentler, saf Cr 2 O 3 ve Fe 2 O 3 in ağırlıkça belli oranlarda
karıştırılıp 1100°C nin üzerinde pişirilmesiyle [16, 10, 11], ikincil hammaddelerden ve
atıklardan da sentezlenebilirler [16, 4, 13]. Özellikle Cr 2 O 3 ve Fe 2 O 3 bileşenlerine çeşitli
oksitlerin (MoO 3 , TiO 2 , MnO 2 ) ilavesiyle kobalt içeren siyah pigmentlere benzer ucuz
pigmentler üretilmiştir.
Pigmentin siyah rengi hammadde tane boyut dağılımı, başlangıç kompozisyonu,
sentezlenme sıcaklığı ve süresine bağlıdır [14]. Özellikle sıvı kristal içinde tane boyutu küçük
1
Yrd. Doç. Dr.,Ege Üniversitesi Ege Meslek Yüksekokulu, Bornova-İzmir
38
pigment partiküllerinin kullanımı dispersiyon içinde pigmentin kararlılık, renk gücü ve
geçirgenlik özelliklerinin gelişmesine yardımcı olur [3, 15].
Kolemanit, boraks ve borik asit içeren sır bileşimleri 900°C de kalsine olurlar ve bu
tür sırlar mat görüntü oluştururlar [6]. Sırlarda B 2 O 3 yumuşama ve erime sıcaklıklarını
düşürür. Yüzey gerilimlerini azaltırken mekanik ve termal özelliklerini geliştirir. Bu sebeple
uygun bir atıkla uygulanacak olan B 2 O 3 in ekonomik, teknik ve çevresel önemi vardır [12].
Bu çalışmanın amacı kolemanit ve üleksit konsantratör atıkları yanında Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2
ve CoO katkıları ile siyah renkli boyar madde üretebilmek ve sinterleşme sıcaklığını düşük
sıcaklığa çekebilmektir.
2. MALZEME VE YÖNTEM
2.1 Malzemeler
Kolemanit ve üleksit konsantreleri Eti Holding A.Ş den, oksitler (Cr 2 O 3 , MnO 2 , CoO
ve Fe 2 O 3 ) Akdeniz Kimyasal ve Boyar Madde Sanayi A.Ş den temin edilmiştir. Tablo 1
kolemanit ve üleksit atıklarının kimyasal bileşimlerini göstermektedir.
Tablo 1. Kolemanit ve Üleksit konsantratör atıklarının kimyasal analizi
Oksitler (%)
SiO 2
B2O3
Al 2 O 3
Fe 2 O 3
MgO
CaO
Na 2 O
K2O
SO 3
Kızdırma kaybı
Kolemanit
39,2
16,8
0,45
0,33
16,05
11,17
2,24
0,19
0,53
13,04
Üleksit
37,03
15,13
0,47
0,22
12,03
3,12
6,96
1,12
0,38
23,54
2.2 Yöntem
Etüvde (Heraus) 110°C de kurutulmuş olan üleksit ve kolemanit konsantratör numuneleri
Maccihine Macine Schmalta değirmenlerinde kuru olarak 3 saat boyunca öğütülmüştür.
FRITSCH Pulverisette titreşimli kuru elek analiz cihazı kullanılarak her iki numunenin elek
analizleri yapılmıştır. Analiz gereği her iki konsantratör numunesinin %74 nün 32 mikronun
altında olduğu görülmüştür (Tablo 2).
Tablo 2. Kolemanit ve üleksit konsantartörlerinin elek analizi
Elek Seti (mikron)
Kolemanit (%)
+600
0,00
-600+300
0,23
-300+150
1,37
-150+125
1,38
-125+100
2,49
-100+63
8,13
-63+45
6,58
39
Üleksit (%)
0,00
0,19
1,20
1,33
2,08
8,04
6,72
-45+32
-32
Toplam
5,74
74,08
100,00
5,55
74,89
100,00
Konsantratör numuneleri ve oksitler Tablo 3 de verilen reçeteler gereği Chiltern
manyetik karıştırıcıda (Şekil 1) distile su ile karıştırılarak siyah renkli boyar madde elde
edilmiştir. Süspansiyon hazırlanırken deflokülant kullanılmamıştır.
Şekil 1. Denemelerde kullanılan Chiltern marka karıştırıcı
Fe-Cr pigmentleri kahverengi oluşturma eğilimindedir. Siyah rengin oluşumu % 6 dan
fazla CoO ve MnO 2 kullanımı ile mümkündür [14, 2]. Uygun siyah renk değerinin [14]
ölçülebilmesi için reçeteler oluşturulmuştur (Tablo 3).
Tablo 3. Siyah boyar madde bileşimleri
1
2
3
4
Cr 2 O 3
16,667
14,06
16,667
14,06
Fe 2 O 3
25,926
21,88
25,926
21,88
Bileşenler (%)
CoO
MnO 2
27,778
11,11
23,44
9,37
27,778
11,11
23,44
9,37
Kolemanit
18,519
31,25
-
Üleksit
18,519
31,25
Siyah renkli sır boyutları 5 cm x 5 cm x 1 cm olan karolara akıtma yöntemiyle
uygulandıktan sonra 1 gece kurumaya bırakılmıştır. Protherm ürünü fırında sırasıyla
1000°,1100° ve 1150°C ler de 2 saat pişirilmiştir. Karoların renk değerleri Ege Seramik A.Ş.
de Erichsen Spectromaster 565-D cihazından okunmuştur (Şekil 2) .
Şekil 2. Erichsen Spectromaster 565-D renk cihazı
40
Sonuçlar, trikromatik renk koordinatları olarak verilmiştir. L, değeri beyazlık
derecesini; a, yeşil ve kırmızı renkleri arasında; b, mavi ve sarı renkleri arasındaki değişimi
ifade eder.
3. BULGULAR VE TARTIŞMA
Tablo 1 ve Tablo 3 de verilen kimyasal analiz değerleri kullanılarak Seger
formülasyonları [7] oluşturulmuştur (Tablo 4). 1 ve 2 numaralı formülasyonlar kolemanit 3 ve
4 numaralı formülasyonlar üleksit içeriklidir.
Tablo 4. Siyah boyar madde reçetelerine ilişkin Seger formülasyonları
1
0,01
Na 2 O
0,01
K2O
0,002
Al 2 O 3
0,276
0,08
CaO
0,216
Cr 2 O 3
0,102
0,17
MgO
0,32
Fe 2 O 3
0,252
0,73
CoO
2
0,024
Na 2 O
0,001
K2O
0,003
Al 2 O 3
0,435
0,133
CaO
0,17
Cr 2 O 3
0,161
0,267
MgO
0,253
Fe 2 O 3
0,199
0,575
CoO
3
0,056
Na 2 O
0,006
K2O
0,002
Al 2 O 3
0,308
0,028
CaO
0,225
Cr 2 O 3
0,109
0,15
MgO
0,333
Fe 2 O 3
0,262
0,76
CoO
4
0,09
Na 2 O
0,01
K2O
0,004
Al 2 O 3
0,497
0,045
CaO
0,182
Cr 2 O 3
0,174
0,243
MgO
0,268
Fe 2 O 3
0,211
0,613
CoO
SiO 2
B2O3
MnO 2
SiO 2
B2O3
MnO 2
SiO 2
B2O3
MnO 2
SiO 2
B2O3
MnO 2
Tablo 5. Siyah renkli boyar maddelerin renk değerlerini, Şekil 3 renk grafiklerini ve Şekil 4
siyah renkli karoların 1000°C çekilmiş fotoğraflarını göstermektedir. Fotoğrafta 1 ve 2
numaralı karolar kolemanit içerikli, 3 ve 4 numaralı karolar üleksit içeriklidir.
Tablo 5. Siyah boyar maddelerin renk değerleri
Sıcaklık
(°C)
Reçete
No:
Renk
değeri
1
2
L
a
b
1000
28,84
0,41
4,63
1100
32,70
-0,30
1150
32,16
-0,59
L
a
3
4
b
L
a
b
L
a
b
29,54 -0,12
4,79
32,40
0,77
5,85
33,11
0,81
6,15
2,94
31,42 -0,18
2,42
35,19
-0,12
2,91
36,21
0,11
2,88
2,01
33,68 -0,23
3,21
35,62
-0,36
1,83
37,74 -1,20
2,65
41
(a)
L1
Renk değerleri
a1
b1
L2
a2
Sinterleşme Sıcaklığı (°C)
b2
(b)
L3
Renk değerleri
a3
b3
L4
a4
Sinterleşme Sıcaklığı (°C)
b4
Şekil 3. Siyah boyar maddelerin renk grafikleri (a) kolemanit (b) üleksit içerikli
Şekil 4. 1000°C de pişirilen siyah renkli karolar
Renk bünyenin yüzeyinden yansıyarak göze ulaşan ışığın bir fonksiyonudur. Renk
duyusu, yansıyan ışığın içindeki baskın dalga boyu ve karışan diğer dalga boylarının miktarı ile
ilgilidir. Pişmiş seramik bünye yüzeyleri, üzerine düşen ışığın bir kısmını soğurur bir kısmını
yansıtır. Nesne yüzeyi gelen beyaz ışığın tümünü yansıtıyorsa beyaz, tümünü soğuruyorsa
siyah görünür. Renk koordinatlarında, bu durum L (lightness) ile ifade edilir [5, 1]. Ticari
siyah pigmentlerin L, a, b değerleri esas alındığında, üretilecek olan bir siyah pigmentin L <33,
a <1 ve b <1 değerlerine sahip olması gerekmektedir [14].
Bir hatta iki oksidin birlikte pişmiş sır üstü boyalarından siyah rengi vermesinin güç
olduğu bilinir. Bu sebeple kobalt-demir-krom bileşimleri kullanılır. 1300°C de kızdırılan bu tür
42
boyalar siyaha yakın lacivert renk verir. Tam bir siyah renk elde etmek için mangan oksit
katkısından yararlanılır [2].
4. SONUÇLAR
Kolemanit içeren 1 ve 2 numaralı boyar maddeler tüm pişirme sıcaklıklarında
sinterleşmiştir ancak 1000 ve 1100°C ler de rengin açıklık ve koyuluk bileşenini gösteren L
değeri 33 değerinden düşüktür. Kırmızı ve yeşil bileşeni ifade eden a değeri tüm pişirme
sıcaklıklarında standartlara uygundur. Sarı ve mavi bileşeni ifade eden b değeri tüm pişirme
sıcaklıklarında yüksektir. Bu durumun CoO ten kaynaklandığı düşünülmektedir.
Üleksit içeren 3 numaralı boyar madde sadece 1000°C pişirme sıcaklığında L ve a
bileşenleri açısından uygun değerler vermiştir. b değeri yine yüksektir. Üleksit katkısının daha
fazla olduğu 4 numaralı boyar maddenin hiçbir renk bileşeni standartlara uygun değerler
vermemiştir.
Sonuç olarak 1300°C de elde edilebilen siyah rengin kolemanit atık katkısı ile
sinterleşme sıcaklığının 1000°C de mümkün olabildiği ancak CoO katkısının fazla olmasından
dolayı b değerinin standartlara göre fazla olduğu tahmin edilmektedir.
Fotoğraflardan da görüleceği üzere, kolemanit katkılı siyah renkli karolar mat üleksit içerikli
karolar parlaktır. Bu durum literatürle de uyumludur [6].
43
KAYNAKLAR
1. Aras, A., Pişme Renginin Oluşumu ve Ölçümü, II. Uluslararası Eskişehir Pişmiş Toprak
Sempozyumu, Bildirileri Kitabı Eskişehir Tepebaşı Belediyesi Yayını, Eskişehir, s 19-38,
2002.
2. Arcasoy A., Seramik Teknolojisi, Marmara Ün. Güzel Sanatlar Fakültesi Seramik Anasanat
Dalı Yayınları No:2, İstanbul,s 252-253, 1983.
3. Cavalcante P.M.T., Dondi M., Guarini G., Raimondo M., Baldi G., Colour Performance of
Ceramic Nano-Pigments, Pigments and Dyes, Cilt: 80., Sayı: 2, 226-232, 2009.
4. Costa G.,Della V.P., Ribeiro M.J., Oliveira A.P.N., Monros G., Labrincha J.A., Synthesis
of Black Ceramic Pigments from Secondary Raw Materials, Dyes and Pigments, Cilt: 77, Sayı:
2, s 137-144, 2008.
5. Karaman S., Yapı Tuğlalarında Renk Oluşumu, KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt:9,
Sayı: 1, s 125-129, 2006.
6. Kartal A., Gürtekin H., Çeşitli Bor Hammaddelerinin Sırın Erime Davranışlarına Etkileri,
4. Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu Bildiriler Kitabı, İzmir, s 48-52, 2001.
7. Köseoğlu K., Bayça S.U., Kolemanit ve Üleksit Atığı katkısı ile daha Düşük Sıcaklıkta
Mavi Renkli Sır Üretimi, 7. Uluslararası Katılımlı Seramik Kongresi, 26-28 Kasım,
Afyonkarahisar, 2008.
8. Manfredini T., Bondioli F.,Inorganic Pigments, Ceramic Industry, Cilt: 150, Sayı: 2, s 5358, 2000.
9. Marinova Y., Hohemberger J.M., Cordoncillo E., Escribano P., Carda J.B.,
Study of Solid Solutions with Perovskite Structure, for Application in
the Field of the Ceramic Pigments, Journal of European Ceramic Society, Cilt: 23, Sayı:2, s
213-220, 2003.
10. Özel E, Turan S., Production and Characterisation of Iron-chromium Pigments and Their
Interactions with Transparent Glazes. Journal of the European Ceramic Society, Cilt:23, Sayı:
20, s 97-104, 2003.
11. Özel E., Turan S., Çoruh S., Ergun O.N., Production of Brown and Black Pigments by
Using Flotation Waste from Copper Slag, Waste Manage and Research., Cilt: 24, Sayı: 2, s
125–133, 2006.
12. Pekkan K., Karasu B., Evaluation of Borax Solid Wastes in Production of Frits Suitable for
Fast Single-Fired Wall Tile Opaque Glass-ceramic Glazes, Bulletin of Materials Science,
Cilt:33, Sayı:2, s 135-144, 2010.
13. Shen L., Qiao Y., Guo Y., Tan J., Preparation of Nanometer-Sized Black Iron Oxide
Pigment by Recycling of Blast Furnace Flue Dust, Journal of Hazardous Materials, Cilt: 177,
Sayı: 3 , s 495-500, 2010.
44
14. Tanışan B., Turan S., Fe-Cr Siyah Seramik Pigment Üretiminde Ferrokrom Kullnımı,
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt: 23, Sayı:
2, s 53-65, 2010.
15. Wu H-T., Lee M-J., Lin H-M., Nano-Particles Formation for Pigment Red 177 via
Continuous Supercritical Anti-solvent Process., Journal of Supercritical Fluids, Cilt: 233, Sayı:
, s 173–82, 2005.
16. Yurdakul H., Turan S., Özel E., The Mechanism for the Colour Change of Iron Chromium
Black Pigments in Glazes Through Transmission Electron Microscopy Techniques, Pigments
and Dyes, Cilt: 91, Sayı: 2, s 126-133, 2011.
45
OTONOM RÜZGÂR TÜRBİNLERİNDE BULANIK MANTIKLA
KANAT AÇI KONTROLÜ UYGULAMASI
Özer KESTANE 1, Ali Murat ATEŞ 2
ÖZET
Bu çalışmada, otonom bir rüzgâr türbini için mikrodenetleyici kontrollü bir modül
tasarlanmıştır. Tasarlanan ünite, bulanık mantıkla rüzgâr türbininin kanat açısını ayarlayarak,
devir sayısını ve çıkış gücünü kontrol etmektedir. Ayrıca bu ünite, sistemdeki aküler
dolduğunda ya da jeneratör bobinleri olması gerekenden fazla ısındığında türbinin kanat
açılarını, yüksek rüzgâr hızlarında dahi dönmeyecek şekilde ayarlayarak, türbinin enerji
üretimini kesmesini sağlar. Tasarlanarak uygulanan modül sayesinde, türbin çıkışındaki
frenleme amaçlı kullanılan yük direncine ihtiyaç kalmamıştır. Aynı zamanda, gerektiğinde,
türbinin yüksek rüzgâr hızlarında dahi güvenli bir şekilde enerji üretimine devam ederek
aküleri şarj etmesi sağlanmıştır.
Yapılan kontrol kartı sayesinde, küçük güçlü otonom rüzgâr türbinlerinde, maliyette
küçük bir fark ile frenleme amaçlı kullanılan yük dirençlerine gerek kalmamış, jeneratör
bobinlerinin gereğinden fazla ısınarak yanması ya da yüksek rüzgâr hızlarında türbinin
kontrolsüz kalarak kalıcı zararlar alma ihtimalleri ortadan kaldırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: rüzgâr türbini, kanat açı kontrolü, bulanık mantık, mikrodenetleyici
BLADE PITCH ANGLE CONTROL APPLICATION BY USING
FUZZY LOGIC IN AUTONOMOUS WIND TURBINES
ABSTRACT
In this study, a microcontroller module was designed for an autonomous wind turbine.
The designed unit controls the number of rotations by regulating the turbine’s wing angle.
Moreover, when batteries in the system are full or when generator bobbins get warmer than
they should do, it helps the turbine cut energy production by regulating the turbine’s wing
angles so that they do not turn, even at high wind speeds. Thanks to the module designed and
implemented, there was no need for the load resistance used for the purpose of braking at the
turbine exit. We also ensured that the turbine charged the batteries by continuing energy
production safely at high wind speeds.
In conclusion, in turbines where wing angle control was applied, load resistance used
for the purpose of braking was not needed anymore with a small difference in costs, and we
also eliminated the possibility of generator bobbins’ burning as a result of overheating.
Keywords: Wind turbine, blade pitch kontrol, fuzzy logic, mikrocontroller
1
2
Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir Meslek Yüksekokulu, Buca, 35160, İZMİR, [email protected]
Celal Bayar Üniversitesi, Eğitim Fakültesi, Demirci, 45900, MANİSA, [email protected]
46
1. GİRİŞ
Günümüzde enerji üretimi konusundaki çalışmaların çoğu, çevreyi daha az kirletecek,
insana ve doğaya daha az zarar verecek kaynaklara yönelmektedir. Rüzgâr da bu enerji
kaynaklarından biridir. Dünyada rüzgâr gücünden yararlanılarak üretilen enerjinin kullanımı
giderek artmaktadır. Ülkemizde de bu konuya verilen önem her geçen gün artmakla beraber
dünyadaki artışı yakalayabilmek önemli ölçüde ar-ge çalışmaları yapmayı gerektirmektedir.
Dünyada, yenilenebilir kaynaklardan enerji elde etmek amaçlı yapılan çalışmaların büyük
kısmı, sistemlerin verimliliğini arttırmaya ya da maliyetlerini düşürmeye yöneliktir. Yapılan bu
çalışmanın ana konusu, ülkemizde rüzgâr enerjisinden elde edilen verimi yükseltmeye
çalışırken rüzgâr enerjisi çevrim sistemlerinin güveliğini arttırmaya yönelik tasarım
geliştirmektir.
Rüzgâr enerjisi dünyada çok eski zamanlardan beri kullanılan enerjilerden birisidir.
İnsanlar bu enerjiyi yüzyıllar boyu su pompaları ve tane öğütme işlemlerinde kullanmışlardır.
Ancak 1900’lü yılların başında rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretimi fikri ortaya çıkmış
olup bu konuda o dönemlerden günümüze oldukça mesafe alınmıştır (Pattel 1999). Gelişen
teknoloji ile birlikte rüzgâr türbinlerinden elektrik enerjisi üretim maliyetleri geçmiş yıllara
oranla oldukça düşmüştür. Bu durum, insanları, çevreye ve insan hayatına etkileri korkunç
boyutlara ulaşan fosil yakıt kullanımından yavaş yavaş vazgeçerek, temiz ve yenilenebilir
enerji kullanımına doğru yönlendirmektedir.
Temiz ve yenilenebilir enerji kaynakları arasında, kurulum ve işletim maliyetleri göz
önüne alındığında, rüzgâr enerjisi ve güneş enerjisi, diğer kaynaklara göre, biraz daha ön plana
çıkmaktadır. Yapılan araştırmalar dünya rüzgâr enerjisi potansiyelinin 53000 TWsaat/yıl
civarında olduğunu göstermektedir (European Wind Energy Association and Greenpeace
2004). Dünyada rüzgâr enerjisi kullanımında son yıllarda önemli miktarlarda artış olmuş ve
2011 yılı sonu itibariyle kurulu rüzgâr güç kapasitesi 238,351 MW mertebesine ulaşmıştır
(GWEC 2011). Türkiye’deki rüzgâr santrali kurulu gücü 2012 sonu itibariyle 2290MW
kapasiteye ulaşmış (Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu 2013) olmasına rağmen, ülkemizin
rüzgâr enerjisi teknik potansiyelinin 83000MW (Bayrakçı ve Delikanlı 2007) olduğu
düşünülürse, kapasitemizin ancak %2 kadarını kullandığımız görülmektedir. 2005 yılında
çıkarılan “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına
İlişkin Kanun” dan sonra rüzgâr enerjisi çevrim santrallerinin sayısı hızla artmaya başlamıştır.
Elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanılan rüzgâr enerjisi çevrim sistemleri, rotor
çaplarına ve nominal çıkış güçlerine göre mikro, küçük, orta ve büyük güçlü olmak üzere 4
sınıfa ayrılırlar (Tablo 1).
Tablo 1. Rüzgâr Türbinlerinin Sınıflandırılması
Ölçek
Mikro
Küçük
Orta
Büyük
Rotor Çapı (m)
3 ’den küçük
3 – 12
12 – 45
45 ’den büyük
Nominal Güç (kW)
0.05 – 2
2 – 40
40 – 1000
1000 ’den büyük
Genellikle orta ve büyük güçlü türbinler şebekeye paralel çalıştırılırken mikro ve
küçük güçlü türbinler ise otonom olarak çalıştırılır. Orta ve büyük güçlü rüzgâr enerjisi çevrim
sistemleri imalatını yapabilmek için öncelikle mikro ve küçük güçlü rüzgâr türbinleri ile ilgili
47
ar-ge çalışmalarını üst seviyelere çıkartmak gerekmektedir. Ülkemizde üretimi yapılan mikro
ve küçük güçlü rüzgâr enerjisi çevrim sistemlerinin büyük çoğunluğu amatör imalatçılar
tarafından yapılmakta ve ar-ge çalışmaları genellikle alt seviyelerde kalmaktadır. Rüzgâr
enerjisine yapılan büyük yatırımlar ise tamamı yurtdışından gelen sistemlerin ülkemizde
montajından ileriye gidememektedir. Bu durum, ülkemizde henüz teknolojik altyapının tam
oluşmadığını göstermekte ve rüzgâr enerjisinin kullanılması konusunda ar-ge çalışmalarının
arttırmasını gerekli kılmaktadır.
Otonom bir rüzgâr enerjisi çevrim sisteminin blok diyagramı Şekil 1’de
görülmektedir. Türbin çıkışındaki frekansı ve genliği değişen alternatif akım, bir doğrultucu
yardımıyla doğru akıma çevrilerek akülerin şarj edilmesi sağlanır. Aynı zamanda akülerden
beslenen bir inverter yardımıyla da doğru akım, genliği ve frekansı sabit alternatif akıma
çevrilerek alıcıların beslenmesi sağlanır.
Bu tür sistemlerde rüzgâr hızı çok yükseldiğinde ya da aküler tam dolduğunda devreye
giren kontrol ünitesi yardımıyla, türbinin jeneratör çıkışı frenleme yükü adı verilen, kısa
devreye yakın (türbin çıkış voltajı ve gücüne göre değişmekle beraber genellikle 5-10Ω
civarında) bir yük direncine yönlendirilerek rotor durdurulmaya çalışılır. Türbinin bir direnç
aracılığı ile ani durdurulması türbin kanatlarına ve jeneratör mekaniğine ani olarak aşırı yük
binmesine sebep olur. Mikro türbinlerde, dönen rotoru dirençle durdurmak mümkündür. Fakat
türbinin çıkış gücü arttıkça, dönen rotorun ataleti de artar. Bu durumda frenleme (yük)
direncinin jeneratör çıkışındaki yüksek akıma dayanabilmesi için gücü de yüksek değerli
seçilir. Doğal olarak rotoru durdurmak amacıyla yük direnci devreye sokulduğunda tüm
elektriksel devreler ve kablolar aşırı ısınarak zorlanır. Aynı zamanda türbinin tüm mekanik
aksamı da aşırı derecede yüklenir. Bu durum kalıcı hasarlara sebep olabilir, ya da türbinin
efektif kullanım ömrünü azaltarak daha çabuk arızalanmasına sebep olur.
Şekil 1. Otonom Rüzgâr Türbini Blok Diyagramı (Çetin 2006)
48
Rüzgâr hızının, dolayısıyla türbin devir sayısının çok yüksek olduğu durumlarda,
kontaktörle ya da elektronik kontrol elemanları yardımıyla devreye giren yük direnci, türbinin
durdurulması için yeterli gelmeyebilir ve türbin frenlenemez. Hatta bazı durumlarda kontrol
elemanları ya da yük direnci yanarak açık devre olur ve jeneratör çıkışında herhangi bir yük
kalmadığı için, türbin devri kontrolsüz bir şekilde artmaya devam ederek geri dönüşü olmayan
hasarlara sebep olabilir.
Büyük güçlü rüzgâr türbinlerinde, frenleme yükü kullanılamayacağı için, kanat açısı
kontrolü yöntemi ile en yüksek çıkış gücü elde edilebilmekte ve türbinin istenildiği zaman
frenlenmesi kolaylıkla sağlanabilmektedir. Fakat küçük güçlü rüzgâr türbinlerinin kanatları
sabit olduğu için kanat açı kontrolünün uygulanamadığı vurgulanmıştır (Tan ve Islam 2004).
Büyük güçlü rüzgâr türbinlerinde, kanat açısını kontrol eden mekanizmanın arızalanması
durumunda tüm kontrol mekanizması devre dışı kalmaktadır. Bu durumun önüne geçmek için
bireysel kanat açı kontrolü yöntemi ile kanatların her biri için ayrı bir PID kontrol ünitesi
tasarlanmıştır. Simülasyon sonucunda kanatların arıza yapma ihtimali büyük oranda azaltılmış
ve kanatlardan birisinin olası arızasında sistemin çalışmaya devam etmesi sağlanmıştır
(Hongwei, Yonggang ve Wei 2006). Rüzgâr türbinlerinin tasarımında, kanatlara binen dinamik
yük önemlidir. Kanatlara binen dinamik rüzgâr yükünü ölçmek için her kanada birer tane
eğilme momenti sensörü ile birlikte her kanadın açısını ayarlamak için birer tane servo motor
kullanılan bir tasarım yapılmıştır. Her sensörden gelen veriye dayalı olarak, kanat açıları
birbirinden bağımsız bir şekilde, kapalı-çevrim (closed-loop) kontrol ünitesi tarafından
ayarlanan sistemin simülasyon sonuçlarına göre uygulanabilir olduğu görülmüştür. (Xingjia, et
al. 2008). Diğer bir çalışmada da yapay sinir ağı ile rüzgâr türbininin kanat açısı kontrolü
simülasyonu yapılmıştır. 14m/s rüzgâr hızına kadar kanat açısı 0° tutulmuş, rüzgâr hızı artmaya
devam ettiği sürece kanat açısı arttırılarak sistem çıkışında sabit bir güç elde edilmesi
amaçlanmıştır (Özer ve Yılmaz 2005). Küçük güçlü türbinlerde de, değişen rüzgâr hızları
karşılığında kanat açısını kendiliğinden değiştirmek için esnek kanatlar önerilmiştir (MacPhee
ve Beyene 2011).
Bu çalışmada, küçük güçlü otonom rüzgâr türbinleri için bulanık mantık bir kontrol
kartı tasarımı yapılarak türbin çıkış gücünün ve türbin devir sayısının istenilen aralıkta
tutulması sağlanmıştır.
2. BULANIK MANTIK
Bulanık mantık, ilk olarak 1965 yılında Lofti Asker Zadeh tarafından yayınlanan
“Fuzzy Sets” isimli makalede ortaya atılmıştır (Zadeh 1965). Giderek uygulama alanı
genişleyen bu konuda, üniversite çevrelerinde ve sanayide birçok araştırma ve çalışma
guruplarına rastlamak mümkündür (Altaş 1999). Bulanık mantık, Aristo mantığında bulunan
evet – hayır (var – yok, doğru – yanlış, 1 – 0) gibi kesin kurallar yerine, günlük hayatta
kullandığımız düşünce yapısını ifade eden matematiksel bir düşünme yöntemidir. Bu düşünce
tarzının temelinde de doğru ve yanlış değerlerin belirlendiği Bulanık Küme Kuramı (Fuzzy Set
Theory) bulunur. Burada yine geleneksel mantıkta olduğu gibi 1 – 0 değerleri vardır (Odabaş,
Pehlivan ve Cinal 2009). Ancak bulanık mantıkta, kümenin her bir elemanı 0 ile 1 arasında bir
üyelik derecesine sahiptir ve bir eleman aynı anda birden fazla kümeye ait olabilir. Günlük
hayatımızda kullandığımız ([uzun kısa], [uzak yakın], [güzel çirkin], [sıcak soğuk] gibi)
sınıflandırmaların çok büyük bir kısmı bulanıktır. Bu tür sınıflandırmalarda kesin “evet” ya da
“hayır” demek mümkün değildir. Bu sebeple her zaman ara değerler de kullanılarak sonuca
ulaşılmaya çalışılır. Örneğin bir cismin hızı yorumlanırken sadece hızlı ya da yavaş olarak
belirtilmekle kalmayıp ne kadar hızlı ya da ne kadar yavaş olduğu da söylenir.
49
Şekil 2’de Aristo mantığına göre, Şekil 3’te de bulanık mantığa göre, elemanların
kümelere üyelik değerleri verilmiştir. Şekillerden de anlaşıldığı üzere Aristo mantığına göre bir
kümenin bittiği yerde hemen diğer küme başlamaktadır. Buna göre 14,9km/s hızla hareket eden
bir cisim çok yavaş olarak nitelendirilmekte fakat 15,1km/s hızla hareket eden cisim ise yavaş
olarak nitelendirilmektedir. Oysa günlük hayatta kullandığımız bulanık mantıkta ise bu kadar
kesin çizgiler bulunmamaktadır. Aynı hızlar bazı durumlar için çok yavaş kümesine dâhil
edilirken bazı durumlarda ise yavaş kümesine dâhil edilebilir.
Şekil 2. Klasik (Aristo) mantığına göre kümelere üyelik değerleri
Şekil 3. Bulanık mantığa göre kümelere üyelik değerleri
Kontrol uygulamaları genellikle çok girişlidir ve aynı anda çok sayıda parametrenin
tasarlanıp ayarlanmasını gerektirirler. Bu da uygulamayı zorlaştırır ve kontrol işleminin
yavaşlamasına sebep olur. Bulanık mantık tabanlı bir denetleyicide ise, çok sayıda tekil giriş
“eğer – ise” (if – then) ifadeleri ile kontrol edilerek, uygulamanın basitleşmesi ve kontrolün
hızlanması sağlanır. Bununla birlikte, birçok giriş değeri “ve” (and) ifadeleri ile birleştirilerek
çıkış büyüklüğüne yansıması sağlanabilir (Altaş 1999).
Genellikle matematik modelleri tam olarak üretilemeyen ya da bilinen yöntemlerle kontrol
edildiğinde verimli sonuçlar alınamayan sistemler bulanık mantık kullanılarak denetlenirler. Bu
tür sistemlerin modellenmesinde o alanda uzman kişilerden ve mevcut verilerden yararlanılır.
Bulanık kontrol sistemlerinin temelinde dört birim bulunur (Hacımurtazaoğlu 2013).
1.
2.
3.
4.
Bulanıklaştırma (fuzzification) birimi
Bilgi tabanı (knowledge base)
a. Veri tabanı (data base)
b. Kural tabanı (rule base)
Sonuç çıkarım birimi (inference engine)
Berraklaştırma (durulaştırma) birimi (defuzzification)
Bulanık mantık kontrolcünün blok diyagramı Şekil 4’de görüldüğü gibidir.
50
Şekil 4. Bulanık Mantık Kontrolcünün Blok Diyagramı
Bulanıklaştırma birimi, giriş değişkenlerini ölçüp, değerler üzerinde ölçek değişikliği
yaparak değerlerin bulanıklaştırılmasını sağlar. Bulanıklaştırılmış olan bu veriler sonuç çıkarım
biriminin girişine uygulanır. Bu birimde, bulanıklaştırma biriminden gelen büyüklükler, veri
tabanında depolanmış olan değerler ve kural tabanında depolanmış, if – then – else şeklindeki
mantıksal önermeler kullanılarak değerlendirilir. Önermelerin sonucunda elde edilen bulanık
çıktılar, berraklaştırma biriminde tekrar bir ölçek değişikliğine uğratılarak gerçek sayılara
dönüştürülürler.
3. YÖNTEM
Kanat açı kontrolü bulunan bir rüzgâr türbininin çalışma bölgeleri ve kanat açı kontrol
stratejisi Şekil 5’te verilmiştir. Rüzgâr türbininin elektrik üretimine başladığı rüzgâr hızına
(cut-in) kadar, kanat açısı 90o’de tutulur. Cut-in rüzgâr hızından türbinin anma çıkış gücüne
ulaştığı rüzgâr hızına (rated) kadar olan aralıkta kanat açısı sürekli azaltılarak 10o’ye kadar
düşürülür. Bu rüzgâr hızından sonra türbinin kontrolsüz olarak devir sayısının artmasını
engellemek ve çıkış gücünü sabit tutmak amacıyla rüzgâr hızı arttıkça kanat açısı da tekrar
arttırılmaya devam edilir. Türbinin koruma amacıyla elektrik üretiminin sonlandırıldığı rüzgâr
hızında (cut-out) ise kanat açısı tekrar 90o yapılarak türbinin dönmesi durdurulur.
Şekil 5. Türbinin çalışma bölgelerine göre kanat açı kontrol stratejisi (Senjyu, et al. 2006)
Bu çalışmada, türbin çıkış gücü, bulanık mantık algoritmasıyla, kanat açısının
değiştirilmesi yöntemi kullanılarak kontrol edilmiştir. Tasarlanan kontrol ünitesine giriş olarak
türbin bobinlerinin sıcaklığı, çıkıştaki bataryanın voltajı, türbin devir sayısı ve kanat açısı
bilgileri verilmiştir. Kanat açı kontrol uygulaması yapılan otonom rüzgar türbininin
parametreleri Tablo 2’deki gibidir.
51
Tablo 2. Rüzgar Türbininin Parametreleri
Çıkış Gücü
Rotor Çapı
Hub Yüksekliği
Nominal Rüzgar Hızı
Nominal Devir Sayısı
Akü Voltajı
5 kW
4m
15 m
14 m/s
375 d/dk
48 VDC
Sistemde kullanılan devir sensörünün üyelik fonksiyon eğrisi Şekil 5’te verilmiştir.
Şekil 6. Devir Sensörünün Üyelik Fonksiyon Eğirisi
Devir sensörüne ait DD (Devir Düşük), DO (Devir Orta) ve DY (Devir Yüksek) üyelik
fonksiyonları;
1
𝐷𝐷 = �(375 − 𝑛)/(375 − 350)
0
𝑛 < 350
350 ≤ 𝑛 < 375
375 ≤ 𝑛
1
𝐷𝑌 = �(375 − 𝑛)/(375 − 350)
0
𝑛 < 350
350 ≤ 𝑛 < 375
375 ≤ 𝑛
0
1 − (375 − 𝑛)/(375 − 350)
𝐷𝑂 = �
(400 − 𝑖)/(400 − 375)
0
𝑛 < 350
350 ≤ 𝑛 < 375
375 ≤ 𝑛 < 400
400 < 𝑛
şeklindedir. Aynı şekilde sıcaklık sensörü için SD (Sıcaklık Düşük), SO (Sıcaklık Orta), SY
(Sıcaklık Yüksek) ve jeneratör çıkışındaki batarya sisteminin voltaj değerleri için AD (Akü
Düşük), AO (Akü Orta) ve AY (Akü Yüksek) üyelik fonksiyonları çıkarılarak bu
fonksiyonlardan üretilen üyelik fonksiyon eğrileri Şekil 7’de verilmiştir.
52
Şekil 7. Jeneratör Sıcaklığı ve Akü Voltajlarının Üyelik Fonksiyon Eğrileri
Uygulaması yapılan kontrol kartının blok diyagramı Şekil 8’ da verilmiştir. Sistemde
türbin devri için endüktif yaklaşım sensörü, jeneratör bobin sıcaklığı için analog çıkışlı sıcaklık
sensörü, batarya voltajını ölçmek için gerilim sensörü ve kanat açısını algılamak için de döner
manyetik kodlayıcı sensör kullanılmıştır.
Şekil 8. Kontrol Kartı Blok Diyagramı
Sistem, birer saniye aralıklarla jeneratör bobinlerinin ısısını, akülerin voltajını ve
türbin devirsayısını ölçerek olması gereken kanat açısını hesaplar. Hesaplanan kanat açısı,
18F452 mikrodenetleyicisinin eepromu üzerinde depolanır. Mikrodenetleyici içerisinde 200ms
aralıklarla devreye giren bir alt program aracılığıyla türbin kanatlarının açısı okunarak, kanat
açısında, hesaplanan açıdan sapma olup olmadığına bakılır. Eğer istenen açıdan sapma varsa
mikrodenetleyici, motor sürücüsüne gerekli olan sinyali göndererek kanatların istenen açıya
gelmesini sağlar.
Sensörlerden algılanan değerler mikrodenetleyici içindeki bulanık mantık alt programı
ile yorumlanarak istenen çalışma şartlarının dışına çıkıldığında türbin kanatlarının açısı 90o
yapılarak türbinin kendi kendini frenlemesi sağlanır. Türbin tekrar devreye girmeden önce
sensörlerden gelen ölçüm değerlerinin normal çalışma şartlarına dönmesi beklenir. Ölçülen
değerler, sisteme daha önceden parametrelerle verilmiş olan bekleme zamanı kadar zaman
sonra tekrar okunur ve halen şartlar devam ediyorsa kanatları açarak türbinin tekrar dönmeye
başlamasını sağlar. Tasarlanarak uygulanan kontrol kartının resmi Şekil 9’da verilmiştir.
53
Şekil 9. Kontrol Kartı
Kontrol ünitesinde bulunan 18F452 mikrodenetleyicisinin eepromu içinde, jeneratör
ısısı, akü voltajı ve devir sayılarının en düşük ve en yüksek değerleri parametre olarak
depolanmıştır. Bu bilgilerin yanında zamanlama değerleri de parametre olarak tanımlanmıştır.
Bu parametreler RS-232 seri iletişim protokolü kullanılarak bir bilgisayar yardımıyla istenildiği
anda okunabilmekte ve değiştirilebilmektedir. Ayrıca, türbinin o andaki kanat açısı, jeneratör
bobinlerinin sargı sıcaklığı, rotor devir sayısı ve akü gerilimi değerleri alınabilmektedir.
Kontrol kartında kullanılan yazılım MikroPascal dili kullanılarak yazılmış ve akış diyagramı
Şekil 11’ da verilmiştir.
Kontrol kartı, kanat açı kontrol motoru ve sensörler bağlandıktan sonra türbinin
gövdesi Şekil 10’de verilmiştir. Sistemde kanat açıları türbinin ekseninden geçen bir mil
üzerinden tek bir motorla ayarlanmaktadır. Bu sayede sistemin maliyeti küçük güçlü
türbinlerde uygulanabilirliğini sağlamaktadır.
Şekil 10. Sensörler ve kontrol kartı montajı yapıldıktan sonra 1,5kWm’lık türbinin gövdesi
54
Şekil 11. Kullanılan Yazılımın Akış Diyagramı
55
4. BULGULAR
Tasarlanan kontrol devresi üç farklı rüzgâr türbini üzerinde test edilmiştir. Test için
kullanılan ilk türbin 5kWm (mekanik 5kW) çıkış gücüne sahiptir ve üretici firmanın test
sahasında (İzmir - Bornova) kurulmuştur (Şekil 12). Türbin çıkışındaki akülerin voltajı 48V ve
türbinin en yüksek devir sayısı 400d/dk.’dır. Test için kullanılan ikici türbin 1.5kWm çıkış
gücüne sahiptir ve Aydın ili, Söke ilçesinde bir resmi kurumun bahçesinde kurulmuştur (Şekil
13). Türbin çıkışındaki aküler 24V ve türbinin en yüksek devir sayısı 550d/dk.’dır. Üçüncü
türbin Çanakkale ili sınırları içinde özel bir şahsa ait çiftlik evinin bahçesindedir (Şekil 14). Bu
türbin de İzmir Bornova’daki türbinle aynı özelliklere sahiptir. Her üç türbinde de aynı kontrol
kartı farklı parametreler ile çalıştırılmaktadır.
Şekil 12. İzmir Bornova’da kurulan 5kWm’lık test türbini
Şekil 13. Aydın Söke’de kurulan 1.5kWm’lık test türbini
56
Şekil 14. Çanakkale'de kurulan 5kWm'lık test türbini
Çanakkale’de kurulmuş olan 5kWm çıkış gücüne sahip rüzgâr türbininin çıkış gerilim
ve akım değerleri, 2 farklı günde ölçülerek ortalamaları alınmıştır. Yapılan ölçümlere göre
rüzgâr hızına bağlı türbin çıkış gerilimi (Akü uçlarından ölçülen) ve akülere aktarılan akım
değerleri Tablo 3’te verilmiştir.
Tablo 3. Rüzgar hızına bağlı türbin çıkış gerlimi ve akımı
Rüzgâr Hızı
(m/s)
0,00
1,12
1,88
2,65
3,41
4,18
4,94
5,71
6,47
7,24
8,00
8,77
9,53
10,30
11,06
11,83
12,59
13,36
14,12
Akü Gerilimi
(V)
50,33
50,73
51,00
51,24
51,42
51,58
51,71
51,87
52,13
52,42
52,80
53,15
53,51
53,77
53,85
53,97
53,80
53,74
52,98
57
Çıkış Akımı
(A)
0,09
0,17
0,40
0,72
1,05
3,21
5,42
8,78
13,95
18,78
23,00
29,59
34,64
41,15
52,64
55,16
62,11
69,83
75,24
14,89
15,65
16,42
17,18
17,95
53,21
52,83
53,08
53,39
52,57
75,23
75,31
72,65
73,96
72,79
Bu değerlere göre, rüzgâr hızına bağlı türbin çıkış gücü grafiği Şekil 15’teki gibidir.
Türbin Çıkış Gücü (W)
5000,00
W
4000,00
3000,00
2000,00
1000,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
Rüzgar Hızı (m/s)
Şekil 15. Rüzgâr hızına bağlı türbin çıkış gücü
Çanakkale’de kurulmuş olan 5kWm’lık rüzgâr türbininin 2012 Nisan ve Mayıs
aylarında 35m/s rüzgâr hızına ulaşan fırtına sırasında kanat açısını 16o’de tutarak elektrik
üretimine devam ettiği gözlemlenmiştir.
5. SONUÇ ve ÖNERİLER
Çalışmada, bulanık mantık kullanarak türbin kanat açı kontrolü gerçekleştirilmiş ve
sahada test edilerek sonuçları değerlendirilmiştir. Gerçekleştiren kontrol ünitesinin
parametreleri, rüzgâr türbin sisteminin kurulduğu lokasyonun rüzgâr rejimi, türbinin çıkış gücü
ve devir sayısına göre istenildiği anda yeniden ayarlanabilmektedir.
Uygulanan modül sayesinde, türbin çıkışındaki frenleme amaçlı kullanılan yük
direncine ihtiyaç kalmamıştır. Direnç ile durdurma yönteminde karşılaşılan ani frenleme
sonucunda oluşan darbeden, türbin mekanik aksamı, kanatlar ve elektrik aksamı korunmuş
olmaktadır. Ayrıca türbin bobinlerindeki ısı sürekli olarak takip edildiği için jeneratör
bobinlerinin gereğinden fazla ısınarak yanması ihtimalinin de önüne geçilmiştir.
Uygulama sayesinde, türbinin yüksek rüzgâr hızlarında da güvenli bir şekilde enerji
üretimine devam ederek aküleri şarj etmesi sağlanmıştır.
Kanat açısı kontrolü ekstra bir maliyet artışı getirmekle birlikte, seri üretim
aşamasında bu maliyetin daha da azalacağı düşünülebilir. Geleneksel sistemlerde bulunan
58
kontaktör, fırça ve yük direnci gibi elemanlarda meydana gelen arızaların sisteme verdiği
zararların maliyeti kanat açısı kontrolü ile gerçekleştirilen sistemlere göre daha yüksek
olmaktadır.
İleride yapılacak çalışmalarda kontrol algoritması geliştirilerek çıkışta elde edilen elektriksel
gücün arttırılması sağlanabilir.
59
KAYNAKLAR
[1] Altaş, İsmail H. «Bulanık Mantık: Bulanıklılık Kavramı.» Enerji, Elektrik, Elektromekanik3e, no. 62 (1999): 80-85.
[2] Bayrakçı, C. H., ve Kamil Delikanlı. «Türkiye'de Rüzgar Enerjisi ve Potansiyel Belirleme
Çalışmaları.» Mühendis ve Makina 48, no. 569 (2007): 78-80.
[3] Çetin, N. S. Şebeke Bağlantısız PM Generatörlü Rüzgar Türbinlerinin YSA İle Sistem
Optimizasyonu. İzmir, Türkiye: Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.
[4] Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu. «Türkiye'deki Rüzgar Projelerinin Gelişimi.» 10 01
2013. http://www.epdk.gov.tr/documents/elektrik/yek/epd_yek_ruzgarprojeleriningelisimi.xls
(01 30, 2013 tarihinde erişilmiştir).
[5] European Wind Energy Association and Greenpeace. «Wind Force 12.» Belgium, 2004.
[6] GWEC. Global Wind Statistics. Brussels, Belgium: Global Wind Energy Council, 2011.
[7] Hacımurtazaoğlu, Murat. «Bulanık Mantık ile Manyetik Kilit Uygulaması.» Akademik
Bilişim 13. Antalya, 2013.
[8] Hongwei, Liu, Lin Yonggang, ve Li Wei. «Study on Control Strategy of Individual Blade
Pitch-Controlled Wind Turbine.» Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent
Control and Automation. Dalian, China, 2006.
[9] MacPhee, David, ve Asfaw Beyene. «A flexible turbine blade for passive blade pitch
control in wind turbines.» IEEE Power Engineering and Automation Conference (PEAM), 196199. Wuhan, China, 2011.
[10] Odabaş, Coşkun, İhsan Pehlivan, ve Doğan Murat Cinal. «Bulanık Mantık İle Güneş
Enerjisi Uygulaması.» 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09). Karabük,
Türkiye, 2009.
[11] Özer, Zafer, ve A. Serdar Yılmaz. «Rüzgar Türbinlerinin Kanat Açılarının Yapay Sinir
Ağı Tabanlı Denetimi.» III. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu (YEKSEM). Mersin,
2005.
[12] Pattel, M. R. Wind and Solar Power Systems. Newyork: Doktora Tezi, Merchant Marine
Academy Kings Point, 1999.
[13] Senjyu, Tomonbu, Ryosei Sakamoto, Naomitsu Urasaki, Toshihisa Funabashi, Hideki
Fujita, ve Hideomi Sekine. «Output power leveling of wind turbine generator for all operating
regions by pitch angle control.» IEEE Transactions on Energy Conversion 21, no. 2 (2006):
467 - 475.
[14] Tan, Kelvin, ve Syed Islam. «Optimum Control Strategies in Energy Conversion of
PMSG Wind Turbine System Without Mechanical Sensors.» IEEE Transactions on Energy
Conversion 19, no. 2 (2004): 392-399.
60
[15] Xingjia, Yao, Wang Xiaodong, Xing Zuoxia, ve Liu Yingm. «Individual Pitch Control for
Variable Speed Turbine Blade Load Mitigation.» IEEE International Conference on
Sustainable Energy Technologies ICSET, 769-772. Singapore, 2008.
[16] Zadeh, Lofti Asker. «Fuzzy Sets.» Information and Control, no. 8 (1965): 338 - 353.
61
METALLERE SOĞUK METAL TRANSFERİ (CMT)
KAYNAĞININ UYGULANMASI
Hülya DURMUŞ 1, A.Ozan İrizalp 2
ÖZET
Bu çalışmada; Fronius tarafından geliştirilmiş olan soğuk metal transfer kaynağı
(CMT), alüminyum-galvanizli sac çiftinin birleştirilebilirliği için incelenmiştir. Sonuç olarak
1050 Alüminyum sac ile galvanizli çelik sacın birleştirilmesinde kaynak kalitesinin diğer
ergitme yöntemlerine göre daha iyi olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Alüminyum, Galvanizli Sac, Soğuk Metal Transfer Kaynağı
(CMT).
ABSTRACT
In this study, which was developed by Fronius cold metal transfer welding, joining of
aluminum-galvanized sheets were examined. The quality of welding in joining of 1050
aluminum and galvanized steel sheets have been found to be better according to other smelting
processes.
Keywords: Aluminum, Galvanized sheet, Cold Metal Transfer Welding (CMT)
1. GİRİŞ
1.1. CMT Kaynağının Tanımı ve Özellikleri
CMT, 2004 yılında Fronius firması tarafından geliştirilen CMT (Soğuk Metal
Transferi) işlemi hem kaynak ekipmanları hem de kaynak uygulamaları ile ilgili olarak, kaynak
teknolojisinde bir devrimdir (fronius.com; Rosado et al, 2008; Gungor et al, 2014).CMT işlemi
şimdiye kadar bilinmeyen tamamen yeni bir süreç değildir, bununla birlikte gazaltı kaynak
(MIG) sınırlarını genişlettiğinden yeni bir uygulama alanı açmaktadır (Rosado et al, 2008;
Gungor et al, 2014).
CMT (Cold Metal Transfer), soğuk metal transferi anlamına gelmektedir. Kaynak
açısından "soğuk" kavramı elbette görecelidir. Ancak, bu yeni yöntemde birleştirilecek iş
parçaları ve daha da önemlisi kaynak bölgeleri geleneksel gaz altı kaynağına oranla "daha
soğuk" olacaktır. Bu yöntem; düşük ısı girdisi, düşük distorsiyon ve yüksek hassaslık gibi
avantajları da beraberinde getirmektedir. Ancak bu, gaz metal ark kaynağı (GMAW)
teknolojisinde otomatik ve robot destekli uygulamalar için ayırt edici özelliklerinden yalnızca
biridir. Kullanıcılar için sağlanan diğer önemli imkânlar arasında; yüksek kaliteli kaynak
dikişleri, çapaksız olması, 0,3 mm'den itibaren ince plakaları kaynatabilmesi ve galvanize
sacları kaynatma, ayrıca çeliği alüminyumla birleştirme imkânı da vermektedir (fronius.com).
Endüstride kullanılan kaynaklı ürünlerin analizleri ince sac metallerin kaynağı ile ilgili önemli
1
Yrd.Doç.Dr., CBÜ Mühendislik Fakültesi, Malzeme Mühendisliği Bölümü, Muradiye- Manisa.
[email protected]
2
Mak. Müh., CBÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Muradiye -Manisa.
62
paylaşımlarda bulunmaktadır. Kaynak esnasında kaynakta ve ana metallerdeki sıcaklık
değişimleri, hem kaynaklı ürünün boyutsal ve biçimsel hassasiyetine hem de malzeme
karakteristikleri ve iç gerilmelere etki etmektedir ki bu, özellikle kaynak çarpılmalarının ya da
deformasyonlarının güçlükle kontrol edildiği ince sac metal ürünlerde büyük önem arz
etmektedir (Talalaev et al, 2012; Veinthal et al, 2012).
1.2. CMT Kaynağının Prensipleri
CMT kaynağı, iş parçasına artık ısının azaltılmış olarak verildiği ve neredeyse
çapaksız bir kaynak dikişinin elde edildiği tam dijital, mikro-işlemci kontrollü bir inverter
kaynak yöntemidir (Hasselberg, 2009). CMT kaynağındaki başlıca yenilik, tel hareketinin
kaynak işlemine ve tüm prosesin kontrolüne entegre edilmesidir (Feng et al., 2009). Kısa
devrenin oluşmasından sonra, dijital proses kontrolü hem güç kaynağını keser hem de ergiyik
damlanın ayrılmasını kolaylaştırmak için dolgu telini mekanik olarak geri çeker (Feng et al.,
2009; Yang et al., 2013; Hasselberg 2009). Tel hareketi yüksek frekansta meydana gelir ve
saniyede yaklaşık yetmiş kezlik bir frekans ile gerçekleşir (≙ 70 Hz) (Talalaev et al, 2012;
fronius.com). Tel geri çekme hareketi kısa devre esnasında eriyik metal damlacığının
ayrılmasına yardımcı olur, böylelikle dolgu metali kaynak banyosuna elektromanyetik gücün
yardımı olmaksızın aktarılabilir (Şekil 1) (Feng et al., 2009). Elektrik enerjisinin ısıya
dönüşmesi belirleyici bir özellik olup, bazen ark kaynağının önemli bir yan etkisidir.
Neredeyse akımsız damlacık transferi ile CMT yöntemi oluşan ısı miktarını büyük oranda
düşürür. Ayrıca, kısa devrenin kontrollü devamsızlığı düşük kısa devre akımını da beraberinde
getirir. Güç kaynağındaki kesinti sebebiyle; ark, ark süresi boyunca yalnızca birleştirilecek
malzemelere ısı gönderir (fronius.com).
Şekil 1. CMT işleminde telin geri çekilme hareketiyle metal transferi (fronius.com).
Şekil 2, yüksek hızlı fotoğraf kullanarak CMT tel çekilme sürecinin devrini gösterir.
Burada dikkat edilmesi gereken arklanma periyodunun kısa süresidir (toplam çevrim süresinin
yaklaşık 1/3’ü -14.31ms -) (Hasselberg, 2009).
Şekil 2. CMT çevriminin gerçek zamanlı hızlı fotoğraflanmış görüntüsü (Hasselberg, 2009).
63
Ark işlemi sırasında, elektrottan iş parçasına metal transferi sadece elektrot kaynak
banyosuyla temas halinde iken kısa bir sürede gerçekleşir, bu sebeple “kısa devre transferi”
olarak adlandırılır. Metalin ark aralığı boyunca taşındığı bilinmelidir (Hasselberg, 2009).
Tipik bir kısa devre transferi için metal aktarımında meydana gelen olayların sırası
akım ve voltaja göre Şekil 3’te verilmiştir. Tel, kaynak metaline dokunduğunda akım artar
(Şekil 2’de (A), (B), (C), (D) noktaları). Elektrot ucundaki ergiyik metal D ve E noktalarında
oluşarak bir ark başlatır (Şekil 2’de (E) ve (F) noktaları). Burada akım artış hızının elektrotu
ısıtması ve metal aktarımını sağlaması için yeterli büyüklükte olması gerekir. Son olarak ark
oluştuğunda, tel bir sonraki kısa devreye doğru (G) ileriye beslenirken, tel uç kısmından erir.
Ergiyik metal damlası tel ana metale dokununcaya kadar ayrılmaz (Hasselberg, 2009).
Şekil 3. Kısa devre metal transferinin akım-voltaj değerine bağlı olarak şematik
gösterimi (Hasselberg, 2009).
CMT yöntemi, kısa arka veya daha çok bu arkın sistematik devamsızlığına
dayanmaktadır. Ortaya çıkan sonuç "sıcak-soğuk-sıcak-soğuk" olarak değişen bir düzendir. Bu
"sıcak-soğuk" işlemi ark basıncını büyük oranda azaltır. Elektrot, normal kısa arkta kaynak
banyosuna daldırılırken hasar görür ve yüksek akımda aniden erir. Bunun aksine, CMT
yönteminde geniş bir yöntem penceresi vardır ve yüksek stabilite elde edilir. Bu, kaynak
torcunun yönünün aniden değiştirildiği durumlarda önemlidir (fronius.com).
1.3. CMT Kaynak Yönteminin Diğer Kaynak Yöntemlerine Göre Avantajları
1.3.1. Dijital işlem regülasyonu
Tel hareketi doğrudan işlem regülasyonuna bağlanmıştır. Dijital işlem regülasyonu
olası bir kısa devreyi algılamakta ve geri çekme yoluyla damlacık transferini desteklemektedir.
Tüm işlem dijital olarak yönetiliyor olması, geleneksel kısa ark kaynağı ile arasındaki birinci
önemli farktır (fronius.com).
1.3.2. Düşük Isı Girdisi
Malzeme geçişinin neredeyse yok denecek kadar az bir akımla gerçekleşiyor
olmasıdır. Tel tamamen otomatik olarak ileri doğru hareket eder ve kısa devre oluştuğunda
tekrar geri çekilir. Arkın kendisi bu sayede yanma evresinde çok kısa bir süre için ısı uygular
ve bunun ardından ısı uygulaması hemen düşürülür (fronius.com).
1.3.3. Daha Az Çapak
Telin geriye doğru hareketi, kısa devre sırasında damlacık transferini destekler. Kısa
devre kontrol edilir ve kısa devre akımı düşük tutulur. Sonuç olarak, çapaksız malzeme
transferi elde edilir (Şekil 4). Titiz damlacık transferi, her kısa devreden sonra hemen hemen
64
aynı miktarda ilave metal eritilmesini garantiler. Tüm bu farklar, şimdiye kadar ancak zahmetli
bir şekilde gerçekleştirilebilen uygulamaları: Sıçramasız kaynak ve lehim dikişleri, çelik ile
alüminyum kaynak bağlantıları, 0,3 mm'den itibaren olan levhaların kaynatılabilmesini (hatta
alın kaynağı geometrisi ile kaynak banyosu altlığı olmadan v.s) mümkün kılmaktadır
(fronius.com).
Şekil 4. MIG kısa devre ark yöntemi (a) ve CMT yöntemi (b) ile oluşan çapak
miktarının kıyaslanması (fronius.com)
1.3.4. Kararlı Ark
CMT teknolojisi, sadece düşük bir ısı girdisi ile çalışan bir kaynak ve lehim çözümü
sunmakla kalmamakta, karşı konulamayacak bir avantajı da beraberinde getirmektedir: Hiçbir
şekilde istikrarını bozmayan stabil bir ark. Geleneksel metal gazaltı kaynağında işlem
parçasının yüzeyi ve kaynak hızı, ark stabilitesini hassas bir şekilde etkileyebilir. CMT ile ark
uzunluğu mekanik olarak algılanmakta ve ayarlanmaktadır. Yani işlem parçasının yüzey
özellikleri ne olursa olsun veya ne kadar hızlı kaynak yapılmak istenirse istensin ark stabil
kalır. Böylece, bu kaynak yöntemi her yerde ve her pozisyonda uygulanabilmektedir. Çünkü
yeni bir sistem ancak doğru kullanıldığı takdirde mantıklıdır (fronius.com).
1.3.5. Entegre Tel Hareketi
Bu yenilikçi yöntemin hayata geçirilebilmesi için yeni sistem bileşenlerinin
geliştirilmesi gerekmektedir. Tel beslemede de, yeni teknolojik yollara başvurulmuştur. İki tel
sürücü tesis edilmiştir. Burada öndeki sürücü teli, saniyede 70 defaya kadar ileri-geri
oynatırken, arkadaki sürücü ise teli itmektedir. Her iki sürücü de, dijital olarak
ayarlanmaktadır. Öndeki sürücü yüksek düzeyde dinamik AC servo motora sahiptir. Bu sürücü
doğru bir tel sevkini ve sabit presleme basıncını sağlamaktadır (fronius.com).
Burada torç hortum paketinin sürücü ünitesinden ayrılabilmesi son derece yeni bir gelişmedir.
Bu sayede robot kullanımında TCP'nin (tool center point) tekrar ayarlanması gerekmeden hızlı
bir değişim mümkün kılınmıştır. Ayrıca, iki sürücü arasında bunları birbirinden ayıran ve tel
için ek depolama kapasiteleri sağlayan tel tamponu bulunmaktadır. Bu tampon sayesinde, telin
güç kullanılmadan hareket etmesi sağlanmıştır. Tel tamponunda spiral değişimi de son derece
kolaydır: Açılır, spiral çıkartılır, yenisi yerleştirilir, kapatılır ve kullanıma hazırdır
(fronius.com).
2. ÇELİK/ALÜMİNYUM METAL ÇİFTLERİNİN CMT KAYNAĞI
Aluminium ve çeliğin birleştirilmesi bu iki malzemenin termo-fiziksel özelliklerindeki
büyük farklılıklar ve özellikle de yüksek sıcaklıklarda oluşan kırılgan Al-Fe metallerarası
bileşikleri sebebiyle büyük bir problemdir (Cao et al, 2013). Kaynak işlemi esnasında, düşük
ısı girdisi önemli bir faktördür ve kırılgan metallerarası bileşiklerin (Fe 2 Al 5 ve FeAl 3 gibi)
oluşumuyla doğrudan bağlantılıdır çünkü metallerarası bileşiklerin oluşturduğu tabaka
yayınımla kontrol edilebilmektedir (Cao et al., 2013; Yang et al, 2013; Zhou & Lin, 2014). Bu
65
kırılgan tabaka alüminyum/çelik kaynağının mekanik performansını etkilemektedir.
Dolayısıyla, daha iyi performansa sahip birleştirmeler elde etmek için daha düşük ısı girdisi
tercih edilmektedir (Zhou & Lin, 2014). Bu durumda, modifiye edilmiş bir MIG kaynağı
prosesi olarak Fronius firması tarafından icat edilen soğuk metal transferi (CMT) kaynağı,
alüminyumun çelikle birleştirilmesi için çok uygun olan düşük ısı girdisini ve daha az çapak
oluşumunu sağlamaktadır (Feng et al, 2009; Zhou & Lin 2014).
Cao ve arkadaşları (2014), kalınlıkları 1.0 mm olan AA6061T6-Galvanizli Yumuşak
Çelik saclarını soğuk metal transferi yöntemiyle başarılı bir şekilde birleştirmişlerdir ve CMT
işleminin ITAB özelliklerinde meydana gelen bozulmayı ve metaller arası bileşiklerin
oluşturduğu tabakanın kalınlığını azalttığını bildirmişlerdir.
Lin ve arkadaşları (2013), alüminyum ve çinko kaplı çeliğin bindirme kaynağında
CMT yöntemini kullanarak kayma dayanımlarını araştırmışlardır. Çalışmaları sonucunda çinko
kaplaması bulunmayan bir çelik yüzeyinde ıslatılabilirliğin düşük olduğunu ve ergiyik haldeki
alüminyumun çelik yüzeyine yayılamadığını tespit etmişlerdir. Bu durum birleşme uzunluğunu
azaltarak kayma dayanımını düşürmüştür. Buna karşın çinko kaplı çelik numunelerde,
çinkonun ıslatılabilirliği olumlu yönde etkileyerek kayma dayanımının da arttığını
göstermişlerdir.
3. ALÜMİNYUM ALAŞIMLARININ CMT KAYNAĞI
3.1. Alüminyum Alaşımlarının Kaynağında Karşılaşılan Zorluklar
Alüminyum ve alaşımlarının kaynağının çelikten farklı olmasını sağlayan bir dizi
özellik vardır. Bunlar;
a.
Yüzeyde bulunan alüminyum oksit tabakası,
b.
Yüksek ısıl iletkenlik,
c.
Yüksek ısıl genleşme katsayısı,
d.
Ergime sıcaklığına yaklaştıkça renk değişimi göstermemesi olarak
sıralanabilir (Karadağ, 2011).
Bu özellikler, alüminyum kaynağı açısından dikkat edilmesi gereken ve kaynak
kalitesini etkileyen en önemli faktörlerdir. Aslında alüminyum ve alaşımları, ergitme kaynak
yöntemlerinden olan gaz ergitme kaynağı ve örtülü elektrot ile ark kaynağı yöntemleri
kullanıldığında sınırlı olarak kaynak edilebilirken, gaz altı kaynak yöntemlerinin ortaya
çıkması daha kaliteli bağlantıları oluşturmasına imkan tanımıştır (Karadağ, 2011).
Alüminyum ve alaşımları doğal olarak yüzeye sıkı tutunan ve 2060 ºC sıcaklıkta
eriyen bir oksit tabakası ile kaplıdır. Ana malzemenin eritilmesi sırasında film halinde
kalıntılar oluşturarak, dayanımı düşüren bu tabakanın giderilmesinde iki yol izlenebilir
(Karadağ, 2011).
a. Gaz kaynağında alüminyum oksit, dekapan madde (flux) yardımıyla çözülerek
erime sıcaklığı alüminyumunkinden düşük olan ve sıvı metal üzerinde yüzen cürufa
dönüştürülür. Yüksek kimyasal aktiviteleri ve buna bağlı olarak yarattıkları korozyon tehlikesi
nedeniyle, kaynak işleminin bitiminde dekapan artıklarının özenle temizlenmesi zorunludur
(Aran, 1995).
b. Argon veya Helyum altındaki koruyucu gaz kaynağında (TIG, MIG), oksit
tabakası genellikle ısıl iyonlaşmaya dayalı bir mekanizmayla giderilir. Söz konusu temizleme
66
olayının etkinliği için iş parçası (-) kutba bağlanmalı veya alternatif akım kullanılmalıdır.
Böylece Ar+ iyonlarının kaynak banyosuna çarpmasıyla oksit tabakası parçalanır (Aran, 1995).
Alüminyum alaşımlarının kaynak dikişlerinde rastlanabilecek çatlaklar hemen hemen
sadece sıcak yırtılma sonucu, yani soğuma sırasında katılaşma aralığı geçilirken meydana gelir.
Kaynak işleminde ısı girdisinin fazlalığı soğuma süresinin uzamasına ve böylece çatlama
eğiliminin artmasına yol açar (Aran, 1995).
Alüminyum ve alaşımlarının kaynağında ve kaynak sonrasında pek çok problemle
karşılaşılır (Kaluç, 2005). Bunlar;
a. Gaz gözenekleri,
b. Oksit kalıntıları ve oksit tabakası,
c. Sıcak çatlak veya sıcak yırtılma,
d. Kaynak metali ve ITAB da mukavemet düşmesi,
e. Ergime eksikliği,
f. Korozyon direncinde azalma,
g. Elektrik direncinde azalma.
Gözenek, kaynak metalinde çözünen gaz nedeniyle oluşur ve katılaşma sırasında
kaynak metalinde hapsolarak kalan gaz boşlukları oldukça önemli bir problemdir. Bunların
bulunması kesitin azalmasına, mekanik değerlerinin düşmesine ve zorlanmalar sırasında çentik
etkisi oluşturup bağlantının kırılmasına neden olur. Kaynaktan önce oksit tabakasının
temizlenmesi, gözenek oluşumunu azaltmaktadır (Kaluç, 2005).
3.2. Alüminyum Alaşımlarının CMT Kaynağı
Literatürde alüminyum alaşımlarının CMT kaynağının kolaylıkla yapılabildiği ve
başarılı sonuçlara ulaşıldığı tespit edilmiştir. Bu çalışmalardan bazıları aşağıda özetlenmiştir.
Pickin ve Young (2006), 3 mm kalınlığındaki AA 6111 alüminyum alaşımlarını CMT
ile başarılı bir şekilde birleştirmişlerdir ve CMT kaynak işlemi sayesinde alüminyum parçaların
kolay bir şekilde kaynağı sağlanmıştır.
Güngör ve arkadaşları (2014), 6mm kalınlığında CMT kaynaklı 5083-H111 ve 6082T651 Al alaşımlarının mikroyapı özelliklerini ve mekanik davranışlarını araştırmışlardır.
Çalışmada, aynı ve farklı malzemeler kullanılarak CMT kaynağı yapılmış ve çekme, sertlik,
yorulma testleri ve mikroyapıları incelenmiştir. CMT ile birleştirilmiş numunelerin çekme testi
sonuçları sürtünme karıştırma kaynağı ile birleştirilmiş numunelerin çekme test sonuçlarına
yakın çıkmıştır.
Cao ve arkadaşları (2013), Mg AZ31B’i Al A6061 T-6’ya birleştirmek için 1,6 mm
çapında Al4047 tel kullanarak CMT kaynağı yapmışlardır. CMT işleminin en önemli
özelliğinin, işlemin genel denetiminin olması ve tel hareketinin birleşme süreciyle
bütünleşmesi olduğunu söylemişlerdir. Telin geri çekme hareketi kısa devre sırasında damlacık
ayırmaya yardımcı olur, böylece metal elektro-manyetik kuvvetin yardımı olmaksızın kaynak
havuzuna aktarılmaktadır. Sonuç olarak, ısı girişi düzgün bir şekilde kontrol edilebilir ve
metaller arası bileşikler en aza indirgenmektedir. CMT kaynaklı Mg AZ31B-Al A6061-T6
bağlantılarının mukavemetini arttırmak için, özellikle zengin Mg içeriğine sahip intermetalikler
(γ-Al12Mg17)’in oluşumunu azaltmak gerektiği sonucuna varmışlardır.
67
4. DENEYSEL ÇALIŞMA
Çalışmada, 1050 alüminyum ve 1314 galvanizli çelik saclar CMT kaynağı ile
birleştirilmişlerdir (Tablo 1-2). Deneysel çalışmalar için sac malzemeler 150x100x1,5 mm
ebatlarında kesilerek hazırlanmıştır. Kaynak işleminde CMT yöntemi kullanılmıştır (Şekil 5).
Kaynak hızı 3,5 m/dk’dır.
Şekil 5. CMT yöntemiyle birleştirilmiş alüminyum-galvanizli çelik saclar.
Tablo 1. 1050 Alüminyum sacın bileşimi (% ağ).
Tablo 2. 1314 Galvanizli Sac bileşimi. (% ağ).
4.1. Numune Hazırlama
Öncelikle kaynaklı numunelerin başlangıç ve bitiş kısmından 20 mm kesilerek
atılmıştır. Kalan kısımdan 3’er adet çekme, 3’er adet eğme, 2’şer adet mikrosertlik ve 1 adet
mikroyapı numuneleri kesilmiştir.
4.2. Gözle Muayene
Farklı metaller kullanılarak yapılan birleştirmeler, yüzey kusurlarının tespiti için gözle
muayeneye tabi tutulmuşlardır. Yapılan muayene sonucunda, kaynak yüzeyinde çatlak, yetersiz
nüfuziyet ve çökme gibi kaynak hatalarının bulunmadığı tespit edilmiştir (Şekil 6).
Şekil 6 . Kaynak kesitinin ve kaynak dikişinin stereo mikroskop görüntüsü.
68
4.3. Eğme Testi
İki destek üzerine serbest olarak yerleştirilen daire veya dikdörtgen kesitli bir deney
parçasının ortasına bir kuvvet uygulandığında meydana gelen şekil değişimine eğme denir.
Standartlarda (TS 282 EN 910) eğme deneyinin yapılışının sebebinin; kaynaklı birleştirmenin
yüzeyindeki veya yakınındaki sünekliliğini ve/veya birleştirme yüzeyinde veya yüzeye yakın
kusurların mevcut olup olmadığını değerlendirmek için yapıldığı belirtilmektedir.
Eğme deney numuneleri TS 282 (EN 910)’da belirtilen şartlara göre hazırlanmıştır
(Şekil 7). 3 adet eğme deneyi numunesi hazırlanmıştır.
Test oda sıcaklığında, 1 mm/dk eğme hızında gerçekleştirilmiştir.
Test sonucunda ortalama kaynaklı numunede 140 N/mm2 eğme gerilmesi
bulunmuştur.
Şekil 7. (a) Eğme testi numunesi. (b) Eğme testi sonucu numune görüntüsü.
Eğme testi kaynak çizgisi üzerinden hem de ters yüzeyden yapılmıştır. Eğme testi
sonucunda bindirme yapılan kısmın açıldığı ve testin sona erdiği görülmüştür. Test ITAB
bölgesindeki çatlakla son bulmuştur.
4.4. Mikrosertlik Testi
Mikrosertlik değerleri, CMT kaynaklı numunenin kesitinden belli aralıklarla yapılan
ölçümler ile tespit edilmiştir. Ölçümler FUTURE TECH FM700 DIJITAL Mikrosertlik Cihazı
(Şekil 8), Vickers ucu kullanılarak 10 g yük 15 s uygulanarak yapılmıştır. Mikrosertlik
ölçümleri Şekil 9’da gösterildiği gibi ana metal-ITAB-kaynak metali bölgelerini içine alacak
şekilde alınmıştır (Şekil 10).
69
Şekil 9. Uygulanan
mikrosertlik ölçümünün şematiği.
Şekil 8. Mikrosertlik cihazı.
250
GALVANİZLİ
Sertlik (HV1)
200
150
KAYNAK
100
50
0
AA105
0
2
4
6
8
10
12
Mesafe (mm)
Şekil 10. CMT kaynaklı parçanın sertlik değişimi.
Sertlik alüminyum tarafında düşük çıkarken galvanizli saca doğru ITAB bölgesinden
başlayarak artmıştır.
4.5. Metalografik İnceleme
Kaynak bölgelerinin mikro yapılarını incelemek amacıyla, numuneler 1,520x30 mm
boyutlarına getirilerek enine kesitleri alınmıştır. Kaynaklı numunelerin mikro yapı incelemesi
için Nikon marka metal mikroskobu ve makro yapı incelemesi için Nikon marka stereo
mikroskopta incelemeleri yapılmıştır. Mikroyapı incelemeleri için, her bir numuneye, ön
hazırlık aşamasında, 400, 600, 800 ve 1200 numara zımpara ile zımparalanmış ve elmas pasta
ile parlatma işlemi yapılmıştır. Dağlama sıvısı olarak Keller ve Nital kullanılmıştır.
Mikroyapı sonucunda ITAB, ana metallerin farklı mikro yapıları tespit edilmiştir
(Şekil 11-13). Kaynak metalinin eşeksenli tanelerden meydana geldiği görülmüştür (Şekil 11a).
Galvanizli çelik-AA1050A kaynak çiftinde, AA1050A ana malzemesi ile temas halinde olan
kaynak metalinde tanelerin yönlenerek büyüdüğü gözlenmiştir (Şekil 11b). Bununla birlikte
galvanizli çelikle temas eden kaynak metalinin eşeksenli tanelere sahip olduğu görülmüştür
70
(Şekil 12). Kaynak metalinin ana metallere yakın bölgelerde gösterdiği mikroyapısal farklılığın
temel sebebi alüminyum ile çeliğin farklı ısı iletim katsayılarına sahip olmalarıdır.
b
AA1050
ITAB
Kaynak metali
Şekil 11. a) Kaynak Metali Mikroyapı görüntüsü, b) AA1050/Kaynak Metali
Şekil 12. 1314 Galvanizli Sac- Kaynak Metali görüntüsü.
Güvenilir bir kaynaklı bağlantı elde edebilmek için intermetalik bileşik tabakasının
kalınlığının 10 µm kritik değerini aşmadığı kontrol edilmelidir (Cao et al., 2013). Bu çalışmada
da galvanizli çelik-kaynak metali arayüzeyinde 3,296 µm kalınlığında kırılgan
intermetaliklerin oluştuğu görülmüştür (Şekil 13).
Galvanizli
Kayna
k
İntermetali
k tabaka
Şekil 13. İntermetalik Tabaka Kalınlığı
71
5.6. Çekme Testi
Deneylerde kullanılan çekme cihazı Shimadzu marka olup 10 ton yükleme
kapasitesine sahiptir. Çekme testleri oda sıcaklığında ve 1 mm/dk çekme hızında
gerçekleştirilmiştir (Şekil 14).
Şekil 14. Çekme Cihazı.
Çekme Dayanımı
(MPa)
Çekme testi sonucunda kaynaksız Al 1050’ nin çekme dayanımından daha düşük
çekme dayanımı tespit edilmiştir (Şekil 15). Kopmanın ITAB’ dan olduğu görülmüştür.
Mikroyapıdaki değişmelerin buna sebep olduğu düşünülmüştür.
80
60
40
20
0
Al
Al-Galv. Sac
kaynaklı
Malzeme
Şekil 15 . Kaynaklı ve kaynaksız Al sacın çekme dayanımı karşılaştırması.
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
1. Kaynaksız alüminyuma gore Galvanizli sac ile kaynak edilmiş 1050 alüminyum sacın
çekme dayanımı düşmüştür.
2. Sertlik değerleri galvanizli saca doğru kaynak metalinden başlayarak artmıştır.
3. Kaynak metalinin kesitinde ve kaynak çizgisinde üstten gözle muayenede gözenek, çatlak
ve çapak tespit edilmemiştir.
4. Alüminyum kaynağında kullanılan diğer ergitme kaynaklarına göre daha iyi bir kaynak
yüzeyi elde edilmiştir.
5. Güvenilir bir kaynaklı bağlantı elde edebilmek için intermetalik bileşik tabakasının
kalınlığının 10 µm kritik değerini aşmaması gerekmektedir. Bu çalışmada da galvanizli çelikkaynak metali arayüzeyinde 3,296 µm kalınlığında kırılgan intermetaliklerin oluştuğu
görülmüştür.
6. CMT Farklı metallerin kaynağında özellikle sac malzemelerin kaynağında kullanılabilecek
bir yöntemdir.
72
KAYNAKLAR
1. Fronius International GmbH/Ar-Ge Merkezi Thalheim/Avusturya. http://www.fronius.com/
2. T. Rosado, P. Almeida, I. Pires, R. Miranda, L. Quintino, Innovations In Arc Welding, 5º
Congresso Luso-Moçambicano de Engenharia, Maputo, 2-4 Setembro 2008,
3. B. Gungor, E. Kaluc, E. Taban, A. SIK, Mechanical and microstructural properties of
robotic Cold Metal Transfer (CMT) welded 5083-H111 and 6082-T651 aluminum alloys,
Materials & Design, Volume 54, February 2014, Pages 207–211.
4. R. Talalaev, R. Veinthal, A. Laansoo, M. Sarkans, Cold metal transfer (CMT) welding of
thin sheet metal Products, Estonian Journal of Engineering, 2012, 18, 3, 243–250
5. J. Feng, H. Zhang, P. He, The CMT short-circuiting metal transfer process and its use in thin
aluminium sheets welding. Materials & Design, 30(5) 2009, 1850–1852
6. S. Yang, J. Zhang, J. Lian, Y. Lei, Welding of aluminum alloy to zinc coated steel by cold
metal transfer. Materials & Design, 49, 2013, 602–612.
7. T. P. Hasselberg, A Feasibility Study of “Cold Metal Transfer” – Gas Metal Arc Welding
(CMT-GMAW) Nickel Base Superalloy Inconel 718™, Master thesis, Rensselaer Polytechnic
Institute, Hartford, Connecticut, April 2009.
8.R. Cao, G. Yu, J.H. Chen, P.C. Wang, Cold metal transfer joining aluminum alloys-togalvanized mild steel. Journal of Materials Processing Technology, 213(10) 2013, 1753–1763
9. Y. Zhou, Q. Lin, Wetting of galvanized steel by Al 4043 alloys in the first cycle of CMT
process. Journal of Alloys and Compounds, 589, 2014, 307–313.
10. R. Cao, Q. Huang, J.H. Chen, Pei-Chung Wang, Cold metal transfer spot plug welding of
AA6061-T6-to-galvanized steel for automotive applications, Journal of Alloys and Compounds
585 (2014) 622–632
11. J. Lin, N. Ma, Y. Lei, H. Murakawa, Shear strength of CMT brazed lap joints between
aluminum and zinc-coated steel, Journal of Materials Processing Technology 213 (2013) 1303–
1310
12. A., Karadağ, Alüminyum Alaşımlarının TIG Kaynağında Kaynak Parametrelerinin Dikiş
Geometrisine ve Mekanik Özelliklere Etkisi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,
Yüksek Lisans Tezi, 2011.
13. A., Aran, Ş., Güleç, Malzeme Bilgisi Cilt II, 1995.
14. E., Kaluç, E., Taban, Alüminyum ve Alüminyum Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti, Metal
Dünyası, 143: 154-162, 2005.
15. C.G. Pickin, K. Young, Evaluation of cold metal transfer (CMT) process for welding
aluminium alloy, Sci Technol Weld Joining, 11, (5), (2006), pp. 583–585.
16. R. Cao, B.F. Wen, J.H. Chen,Pei-Chung Wang, Cold Metal Transfer joining of magnesium
AZ31B-to-aluminum A6061-T6, Materials Science and Engineering: A, Volume 560, 10
January 2013, 256–266.
73
T.C. CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ
SOMA MESLEK YÜKSEKOKULU TEKNİK BİLİMLER DERGİSİ
YAZIM KURALLARI VE YAYIN İLKELERİ
-
Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu Soma MYO Teknik Bilimler
Dergisi, Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu tarafından yılda iki kez
yayımlanır. Dergide, Meslek Yüksekokulları Teknik Programlarında yeralan anabilim
dallarıyla ilgili konularda özgün ve nitelikli çalışmalar, yabancı dillerden Türkçe’ye çeviriler
ve güncel tez özetleri yayımlanabilir.
Dergiye gönderilen eserlerde aranacak yayın ilkeleri ve yazım kuralları aşağıdaki gibi
belirlenmiştir.
1-) Dergiye gönderilen yazı ve makaleler daha önce hiçbir yerde yayımlanmamış ve
yayın hakları verilmemiş olmalıdır.
2-) Dergide yayınlanacak yazı ve makaleler Türkçe, İngilizce, Fransızca ve
Almanca’dan herhangi biriyle yapılabilir. Ancak Türkçe hazırlanan çalışmalarda Türk Dil
Kurumunun belirlediği kurallar esas alınmalıdır. Çalışmanın başında Türkçe başlık ve en fazla
200 sözcükten oluşan Türkçe ve İngilizce özet ile en fazla 10 tane anahtar sözcük verilmelidir.
3-) Dergide yayımlanacak çalışmaların biçim sırası
Türkçe başlık
Özet
Anahtar sözcükler
İngilizce özet
İngilizce anahtar sözcükler
Metin
Kaynaklar
Ekler
şeklinde olmalıdır.
4-) Çalışmanın başlığı sol üst kenardan 6 cm. aşağıdan yazılmalıdır. Başlığın sağ alt
tarafına yazar veya yazarların adları akademik ünvanlarla birlikte yazılmalı çalıştığı kurum,
iletişim ve elektronik posta adresleri ise adların yanına konulacak dipnot işaretleriyle sayfa
altına verilmelidir. Eğer çalışma başka bir kurumdan destek aldıysa başlık yanına verilecek
dipnotla sayfa altına ilgili kurum yazılmalıdır.
5-) Dergiye gönderilecek yazı ve makaleler MS Word programında yazılmış olarak
diskette ve üç kopya olarak gönderilmelidir.
6-) Çalışmalar ekleriyle birlikte 15 sayfayı geçmemelidir.
7-) Metin yazımı A4 boyutundaki kağıda tek aralıklı olarak times new roman tur
karakteriyle 10 punto, dipnot ve açıklamalar 8 punto ile yazılmalıdır. Başlıklar 12 punto koyu,
özet ve dipnotlar tek ara ile yazılmalıdır. Sayfa boyutları sol 5 cm, sağ 4 cm, üst 7 cm ve alt 5
cm. olacak şekilde ayarlanmalıdır.
8-) Metin içindeki alıntı ve aktarma yoluyla kullanılan kaynaklar; parantez sistemine
göre soyadı, yılı ve sayfası olacak şekilde metin içinde cümle bitiminde gösterilmeli ve ayrıca
kaynakçada da yer almalıdır. Açıklama ve diğer dipnotlar numaralandırma esasına göre metnin
sonuna eklenmelidir.
9-) Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu Soma MYO Teknik
Bilimler Dergisi ulusal hakemli bir dergidir. Dergiye gönderilen yazı ve makaleler ilgili
alandaki en az iki hakeme gönderilir. Oy birliği sağlanamazsa üçüncü bir hakeme gönderilerek
sonuca karar verilir. Yazı ve makalelerin içeriğinden yazarlar ve hakemler sorumludur.
10-) Yazı ve makalesi yayımlanan her yazara derginin ilgili sayısından 1 adet
gönderilir. Ayrıca telif ücreti ödenmez.
11-) Dergi yayın ilkelerine, yazım kurallarına ve bilimsel araştırma yöntemlerine
uygun olmayan yazı ve makaleler yayın kurulunca dikkate alınmaz.
74

Soma Meslek Yüksekokulu - Celal Bayar Üniversitesi

Transkript

Benzer belgeler

bilecik üniversitesi akademik özgeçmiş formu

EK - 4A - Ahi Evran Üniversitesi

Makaleyi Yazdır - Selçuk Teknik Online Dergi

En yüksek seviyede şekil verme tekniği

Kişisel Bilgiler Eğitim

Animal Planet - Doğan Egmont

Doç. Dr. Nilsun SARIYER - Nuh Naci Yazgan Üniversitesi