KAYNAK TEKNOLOJİSİ 1. ULUSAL KONGRESİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası KAYNAK TEKNOLOJİSİ 1. ULUSAL KONGRESİ BİLDİRİLER İRİ KİTABI IJ-IHSIISIIIM TMMOB Makina Mühendisleri Odası Ankara Şubesi Sümer Sokak 36/1 Demirtepe - ANKARA Tel : (0312)

2 GAZ METAL ARK KAYNAĞINDA METAL TRANSFERİ * Behçet GÜLENÇ ** Kutsal TÜLBENTÇİ ÖZET MIG-MAG kaynağı parametre esnekliliği, yüksek verimlilik gibi özelliklere bağlı olarak gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Kaynakta depozite oranı kaynak hızı, koruyucu gaz, tel sürme hızı ve ark voltajı gibi değerler metal transfer formuna bağlıdır. Ergimiş elektrod ucundan kaynak havuzuna metal malzeme aktarımının şekli, arkta oluşacak sıçrama miktarını, işlem kararlılığını, çeşitli konumlarda kaynak yapma imkanını, ana malzemenin nemlendirilmesini, kaynak dikişinin yüzey formunu ve kaynaklı metalinin kalitesi gibi bir çok parametreyi etkiler. ABSTRACT MIG-MAG welding is getting important due to the flexibility of \velding parametres and high effectifness. Many factors such as welding deposition rate, welding speed, shielding gas, wire speed, arc voltage depend on metal transfer forms. The transfer mode of molten metal from electrod tip to welding pool affect the stability of process, possibility of various welding position, amount of scattering, wettability of main material, surface form of vvelding beat and vvelding quality. GİRİŞ Gazaltı kaynağında koruyucu gazdan beklenen iyi bir metal transferi, nüfuziyet, erime genişliği, kaynak geometrisi, kaynak hızı, çatlak, gözenek oluşturması ve düşük maliyettir. Koruyucu gaz cinsinin metal transferine ve ark kararlılığına etkisi büyüktür. CO2 korumalı arkta ark içinde CO2 gazı etkisiyle CO + 1/2O2 şeklinde ayrışır ve ark kökünde yeniden birleşir. Bu reaksiyon ile birlikte metal transfer yönüne ters elektriksel kuvvetler oluşur ve damlaların yönünü değiştirir. Arkın kararlılığını bazen bu kuvvetler Argon veya Argon ağırlıklı gazlarda görülmez. CO2 gazı ile oluşan bu kuvvetler sıçrama ve ark kökü hareketliliğinin nedenidir. Koruyucu gazla birlikte artan akım şiddeti ve serbest tel uzunluğu da arkın kararlılığını ve sıçramaları etkilerken bu durum kaynak metali kazanımı oranını düşürür. Koruyucu gazın seçimi yapılırken maliyet faktörü göz önüne alındığında metal transferinde olacak ka- 69

3 yıplarda göz önüne alınmallıdır. METAL TRANSFER FORMU Ergiyen telden kaynak banyosuna aktarılan metalin davranışına metal transfer formu denir. MIG-MAG kaynağının ark karekteristikleri elektroddan kaynak havuzuna olan metal transfer şekline bağlıdır. Yaygın metal transfer formları Şekil l.'de verilmiştir (1,2,3). METAL TRANSFERİ SPREY TRANSFER SERBEST UÇUŞ 1 PULSE TRANSFER KISA DEVRE GEÇİŞ DAMLA TRANSFER Şekil 1. Metal transfer formları Metal transferinin şekli geniş bir oranda koruyucu gazın terkibi, kaynak telinin bileşimi ve elektrik parametrelerine bağlıdır. Arktaki damla geçişine etki eden diğer faktörler ise; yer çekimi, gaz akımı, plazma basıncı, elektro manyetik güçler, lorentz güçleri, malzemenin buharlaşmasıyla oluşan basınç ve yüzey gerilimidir (1,4,5). Metal geçişine etki eden faktörler Şekil 2'de görülmektedir. Büzülme kuvveti etkisi (Pineli Ellekt) Yüzey gerilimi etkisi Elektrodinamik elki Şekil 2. Elektrodun ucunda oluşan metal damlasına etkiyen kuvvetler ve yönleri (6). Buhar basıncı etkisi Plazma ışınları elkisi Ağırlığın elkisi 70

4 Kısa Devre Geçiş Kısa devre geçiş, genellikle ince elektrodlarla (0,6-1,2 mm) ve düşük akım şiddetinde kısa ark boyu ile kaynak yapıldığında karşılaşılan bir transfer türüdür. Bu durum Şekil 4.a' da görülmektedir. Kısa devre geçişinde ark üreten akım iş parçasına doğru besleme yaptığı için dolgu telini ergitmede yetersizdir. Ark aralığı giderek azalır ve dolgu telinin kısa devre oluşturmasına yol açarak, kaynak banyosuna dalar. Bu esnada akım hızla yükselerek kısa devre, dolgu telinin birazını ayırmak ve arkı yeniden oluşturmak için kesintiye uğrar (Şekil 3). Kaynak yönü Ark boyuna geliş Kısa devre anı Direnç etkisi ile, jj- Isınmış kısım elektrodun ergimesi ı : M Ergiyik kütlenin i ^ kopması Kısa devre başlangıcına dönüş Şekil 3. Kısa devre geçişin şematik gösterilişi (10(. Uygulanan akım şiddeti, ark gerilimi, koruyucu gaz türü ve elektrod metaline bağlı olarak tel ile banyo saniyede 20 ile 200 kez temas halindedir. Kaynak teli ana metale değdiği zaman akım yükselir, tel ucundaki ergimiş metal çevresel baskı ile kopar ve banyoya geçer, bu geçiş sırasında tel ile banyo arasında bir kısa devre meydana gelmektedir (6,7,8). Bu tür transferde küçük ve çabuk soğuyan bir kaynak banyosu oluşur. İş parçasına geçen ısı miktarı çok küçük olduğu için, ince parçaların kaynağında bu tür geçiş avantaj sağlar. Ayrıca dik ve tavan kaynaklannda parçanın küçük olması ve çabuk katılaşması bir avantaj olarak değerlendirilebilir. 71

5 Koruyucu gaz karışımındaki değişiklikler damlacık boyunu ve kısa devre zamanını değiştirir CO2 gazı asal gazlara göre fazla sıçrama yapmasına rağmen yüksek bir nüfuziyet verir. Sıçrama ve nüfuziyeti optimize etmek için CO2 ve Ar karışımları kullanılır. CO2 ile kısa devre geçiş kaynağında ark sürekli gezinir ve kısa devre frekansı sürekli değişir. Bu durum damlacık çapını değiştirip, sıçramayı arttırıp kötü bir kaynak dikişine sebep olur (9). Kısa devre transferi 0,5 mm. ile 2,0 mm. kalınlıklar arasındaki karbon çeliğinin kaynağı şu uygulamalarda kullanılır (1). * Otomobil kaportası * Eksoz sistemleri * Depolama tankları * Çelik silindir borular * Isıtma ve havalandırma boruları Damla Geçiş ( Uzun Ark) Akım şiddeti ve ark gerilimi biraz daha yüksek tutulursa kısa devre geçişi yerine küresel geçiş hali görülür (Şekil 4.b). Bu durumda ark tutuşur tutuşmaz elektrodun ucu ergimeye başlar ve bir damlacık oluşur. Eriyen damlacık irileşir, tel çapını aştıktan sonra elektroddan kopar ve yer çekimi yardımı ile, ark sütunu boyunca ilerleyerek banyoya düşer (1,12). Genellikle kararsız bir ark oluşur, sıçrama fazladır. CO2 'nin koruyucu gaz olarak kullanılması halinde hemen hemen bütün çalışma bölgelerinde küresel geçiş görülür. Diğer koruyucu gazlarda ise çalışma bölgesinin alt kısımlarında görülebilir. Küresel geçişlerde koruyucu gaza az miktarda 02 ilavesi damlacığın yüzey gerilimini düşürerek kopmayı kolaylaştırır. Bu da transfer formunu olumlu yönde etkiler (9,12,13,14). 72 Şekil 4 MIG kaynağında metal transfer tipleri a) Kısa devre - b) Küresel - c,d) Sprey - e) Dönmüş (11).

6 Sprey Geçiş Argon ağırlıklı koruyucu gazlarda iş parçasına duşlama şeklinde bir geçiş görülür. Kaynak metalinin iş parçasına bu şekilde taşınımı elektrod ucunun sivrileşmesi ve sivrilen uçtan saniyede birkaç yüzü bulan damlacıkların banyoya geçmesidir (14). Damlacık geçişindeki artış akım seviyesinin artışı ile doğru orantılıdır. Başlangıçta kaynak teli çapında olan damlacık akım arttığında daha küçülecektir (Şekil 4. c,d). Sprey ark yüksek akım şiddetinde oluştuğundan bilhassa kalın parçalann kaynağı için uygundur. Sıçrama çok az olmaktadır. Geniş bir kaynak banyosu oluşur. Özellikle yatay ve oluk pozisyonlarında dolgu ve kaplama pasoları için uygundur (6). Çok yüksek akım seviyesinde ( 400 A., 1 mm. C.Mn' lı tel) kaynak telinin ucu ısıdan dolayı yumuşar ve Şekil 4. e' de görüldüğü gibi döner. Kaynak telindeki dirençten dolayı ısınma artar ve çözünme kolaylaşır. Sprey geçiş için Ar veya Ar + He' ca zengin gaza az miktarda CO2 veya O2 katılması ile ulaşmak mümkündür. Düzgün bir kaynak geçişi sağlamak için CO2 miktarı % 25 'ten aşağı olması gerekir (12). İnce sacların dışında bütün metal ve alaşımlarının kaynağında, kara araçları, yapı çeliği, askeri araçlar, Nikel ve Krom kaplama kaynağında kullanılır (1). Pulse Geçiş ( Darbeli Ark ) Bu yöntemin uygulanabilmesi için özel bir kaynak akım üretecine gerek vardır. Sistemde düzenli olarak oluşturulan darbeler esnasında akımın yükselmesiyle, metal transferini gerçekleştiren bir sprey geçiş tipidir. İki darbe arasında akım düşük olup bu esnada metal geçişi olmaz. Pulse süresince bir veya birkaç damlacık oluşur ve transfer edilir. Pulse frekansı saniyede saykıl arasındadır (7). Frekansın ayarlanması ile istenilen sayıda ve irilikte damlacığın iş parçasına geçmesi sağlanabilir. İnce parçaların sprey transferi ile kaynağında ve tavan kaynağında karşılaşılan güçlükler pulse transfer kullanılarak aşılabilir. Ayrıca paslanmaz çelik kaynağında yüzeydeki oksit filmi pulse sayesinde yırtılır ve çok daha düşük akımlarda püskürtme transferi ile düzgün bir kaynak elde edilir (1,6,9,15). Bu ark türünün çeliklere uygulanmasında koruyucu gaz olarak CO2 kullanılmaz. Zira darbe fazında ark kuvvetleri damla oluşumuna ters yönde etki yapar. Pulse transfer ilk olarak paslanmaz çeliğin ve alüminyum alaşımlarının kaynağının kontrollü kaynağı için geliştirilmiştir. Son gelişmeleri ile; * Yüksek dayammlı çelikler * Kaplama kaynak * Alüminyum gemi kaplamaları ve sütunları 73

7 * Soğuğa dayanıklı tanklar * Nükleer atık depolama tankları *Denizaltı kaplamalarında kullanılmaktadır. ü Düşük akım Kaynak yönü \ 11 Yüksek akım A ~\y A Damla oluğumu 0 Damlanın banyoya geçişi Darbe başlangıcına dönüş Şekil 5 Darbeler anında damlanın oluşumu (10). SONUÇ VE ÖNERİLER Düşük karbonlu çeliklerin MIG-MAG kaynağında koruyucu gaz ile ilgili yaptığımız çalışma ve diğer araştırmalar sonucu şu özellikler tespit edilmiştir [16,17,18]. * Kalın parçaların püskürtme transferinde yapılan kaynaklarda Ar+%15 CO2, Ar+%5 CO2 +%4O2 ve Ar+%4 CO2 +%4O2 karışımları en iyi mekanik özellikleri vermektedir. i * İnce parçaların kaynağında Ar +% 5 CO2 karışımı iyi sonuç vermektedir. [; * % ilavesi damlacık çapını küçültür. * İyi bir ark kararlılığı için oksitleyici bir gaz bileşeninin minumum miktarı gereklidir. (% 5 CO2 veya % 2 O2) * % 7-8 O2 den fazlası yüzey atıklarının artmasına yol açar ve atıkların yüzeye yapışması artar. * Pulse (Darbe) transfer için CO2 15' ten daha az olmalıdır. * Koruyucu gaz % arasında CO2 içerirse sprey transfer mümkün olmaz. i * Artan CO2 yüzdesi ile birlikte sıçrama miktarı artar, buna karşılık daha geniş bir nüfuziyet ilerlemesi görülür. * Değişik metal transfer modunda çalışarak kaynak profili değiştirilebilir. % 8 lik bir CO2 74

8 ilavesi ile, damla geçiş ve pulse (darbeli) akımla çalışmak mümkündür. KAYNAKLAR 1-) Basic Welding Data No. 8 "Shielding Gases" Welding Metal Fabrication July ) NORRISH, J. "Advance Welding Processes" Philadelphia New York ) BENGTSSON, R, BALLİNGALL, I., OLSSON, R. "High Productivity MIG-MAG Welding Proses" Welding Metal fabrication June ) KARADENİZ, S., "Kaynak Makinalan" 1985 SEGEM. 5-) ERGENC, A., "Gazaltı Kaynağında Kullanılan Koruyucu Gazların Kaynak Banyosuna Olan Kimyasal, Fiziksel ve Metalurjik Etkileri" Kaynak Dünyası Sayı 8, 1984, BÖHLER. 6-) TÜLBENTÇİ, K., "MIG-MAG Eriyen Elektrod İle Gazaltı Kaynağı" İstanbul, ) ALTHOUSE, A.D., "Modern Welding" 1992, AWS. 8-) KERANS, W.H., "Welding Handbook" Volume 2, 1978, AWS. 9-) İSDAŞ, O., "G.M.A. Kaynağı ve Koruyucu Gazlar" BOS. 10-) GOURD, L.M., "Principles of Welding Technology" London, ) LUCAS, W., "Shielding Gases For Arc Welding" Part 1, Welding Metal Fabrication, June ) LUCAS, W., "Chousing a Shielding Gas" Part 2, Welding Metal Fabrication July ) ANIK, S., "Kaynak Tekniği" Cilt 2, İ.T.Ü., ) FIERRE, E.R., "Shielding Gases For Welding" Welding Desing Fabrication March ) BENNETS, B., "Effects Of Shielding Gas İn Pulsed MIG Welding" Joining - Materials, June, ) STENBACKA, N., PERSON, K.A., "Shielding Gases For Gas Metal Ark Welding" 1989, AGA SWEDEN. 17-) GÜLENÇ, B., "MIG-MAG Kaynağında koruyucu gaz karışımının kaynak metalinin mekanik özelliklerine etkisi" Doktora tezi G.Ü.F.B.E., 1995, ANKARA. 18-) OLSSON, R., PERSSON, K.A., MACKAY, L.," Gas Selection For İncreased Productivity" Welding & Metal Fabrication, Nov,

9 KATI HAL BİRLEŞTİRMELER İÇİN DİFÜZYON KAYNAĞI Y.Doç. Dr. Adem KURT Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi ÖZET Malzemelerin katı halde birleştirilmeleri teknoljideki önemli gelimelerin sebeplerinden birisidir. Ergitmeli birleştirmelerde malzemelerin birleşme bölgelerinde ergime-katılaşma sırasında bir faz dönüşümünün olduğu bilinmektedir. Bunun sonucu olarak esas metalden farklı yapıda bir bölge meydana gelmektedir. Bu da malzemenin fiziksel,mekanik ve metalutjik özellikleri bakımından farklı bir bölgenin malzemede bulunması demektir. Ayrıca ergime dereceleri birbirlerinden farklı metallerin ve metalle metal olmayan malzemelerin kaynakla birleştirilmeleri ergitmeli yöntemlerle zor hatta mümkün olmamaktadır. Bu çalışmada bunlara, imkan sağlayan katı hal kaynak tekniklerinden biri olan difüzyon kaynağının işlem ve mekanizmaları hakkında bilgi sunulması amaçlanmıştır. ABSTRACT Solid state \velding is due to the one of the reason of development of technology. it is known that in the fusion vvelding, phase transformation happens during the melting and solidification process near the joining area and different microstructure from the main material occurs. This results in different physical and mechanical properties in these two areas. Furthermore, sometimes it is very diffucult or impossible to joint different materails with different melting point. in this study, process and mechanism of one of the solid state process has been analysed. 1. GİRİŞ Bilindiği gibi kaynak denince akla gelen ergitme kaynaklandır, yani elektrik ark veya oksi gaz alevi ile metallerin birleşme bölgelerinde ergitme sağlanıp, sonrada ergiyik haldeki bölgelerin katılaşması ile meydana gelen birleştirmeler anlaşılmaktadır. Kaynaklı birleştirmelerin ağırlıklı çoğunluğu ergitmeli yöntemlerle yapılmakla birlikte bu yöntemlerin mahsurları da yok değildir. Özellikle yüksek kaynak sıcaklığından dolayı meydana gelen faz dönüşümleri ve deformasyon istenmeyen bir durumdur. 77

10 Gelişmiş makina elamanlarının düşük sıcakhklardaki (metalurjik dönüşümlerin meydana gelemeyeceği) birleştirilme işlemleri, metal bir malzemenin metal olmayan bir malzeme ile birleştirilmeleri katı hal kaynak tekniklerinden birisi ile genellikle de difüzyon kaynak yöntemi ile yapılmaktadır. 2. KATI HAL BİRLEŞTİRMELER / Katı hal birleştirmeler aynı veya farklı iki malzemenin, malzemeler ergitilmeksizin, birleşmenin iki katı yüzey arasında meydana geldiği bir kaynak yöntemidir (1). Katı hal kaynağını sağlayabilmek için birleştirilecek malzemelerin birleştirme yüzeyleri temizlenerek, yüzeyleri aralarında bir bağ olacak kadar birbirlerine yaklaştırıp bir basınç uygulamak gerekmektedir. Katı hal kaynak işlemleri şu şekilde gruplandınlabilir(2). a. Yüksek sıcaklıkta basınç kaynağı b. Soğuk basınç kaynağı I c. Sürtünme kaynağı d. Patlama kaynağı e.ultrasonik kaynak f. Difüzyon kaynağı Burada sıralanan kaynak türlerinden ilk dördü plastik deformasyon kaynağı adı altında da gruplandırılmaktadır(3) Difüzyon Kaynağı Difüzyon kaynağı; birleştirilmek üzere hazırlanmış malzemelerin ergime derecelerinin altında bir sıcaklıkta, malzemede makro deformasyona sebep olmayacak bir basınçta, iki malzeme arasında metalurjik bir bağ oluşuncaya kadar malzeme özelliklerini önemli ölçüde etkilemeyecek bir süre tutulması ile uygulanan bir kaynak metodudur. Sıcaklık, basınç ve zaman difüzyon kaynağının üç önemli parametreleridir. Bunların dışında malzemelerin birleşme yüzeylerinin özellikleri de difüzyon kaynağına doğrudan tesir eden faktörlerdendir. Difüzyon kontrollü birleşme işlemini başlatabilmek için iki yüzey; makro pürüzlülüklerden, kir, yağ ve oksit gibi yüzey kirliliklerinden arındırılmış halde, atomlar arasında bağ oluşumuna imkan verecek bir yakınlıkta olmalıdır. Difüzyon kaynak mekanizması ile ilgili günümüze kadar birçok model sunulmakla beraber genelde üç aşamalı mekanizma kabul görmüştür. 1944'de Kinzel tarafından ilk teorik yaklaşım sunulmuş daha sonra 1965'de Gerken ve Owczarski üç safhalı bir mekanizma ileri sürmüşlerdir. Bu üç aşamalı mekanizma Şekil l'de gösterilmiştir. 1 i. t 78 /.

11 Şekil 1. Difüzyon Kaynağının Üç Aşamalı Mekanizması (4). a. Yüzey pürüzlerinin başlangıç teması b. Birinci aşama deformasyon ve sınır bağ düzeni c. İkinci aşama tane sının göçü ve gözeneklerin yok edilmesi d. Üçüncü aşama hacim difüzyonu ve gözeneklerin elimine edilişi Birleştirilecek yüzeylerin birbirine teması sağlanıp kaynak için gerekli sıcaklık ve zamana ulaşılması ile yüzeyler arasında temas alanı artar. Kaynağın birinci aşamasında yüzeydeki pürüzlülüklerde akma ve sürünme mekanizmaları ile ara yüzeyde büyük bir alanda temas sağlanır. Bu aşamanın sonunda birleşme genelde tane sınırlarında oluşur. Basıncın etkisi ile yüzeydeki oksit kırılarak oksitlerin kırılmış olan noktalanndan atom akışı başlar. İkinci aşamada difüzyon deformasyondan daha önemlidir. Bir çok gözenek bu aşamada tane sının difüzyonu neticesinde kaybolur. Gözenekler tane sının göçü ile birleşme yerinden tane içine geçer ve tane içinde oluşur. Bunlann tane sınırını hareketsiz hale getirme etkisi azdır. Başlangıçta düz olan birleşme çizgisi üçlü noktalarda bir malzemenin diğerine birkaç mikron kadar nüfuz etmesi ile eğrilir. Birleşme sının hareket ederken geride kalan gözenekler tanelerin içerisinde kalır ve burada tane sının ile temaslannı kaybederler. Difüzyon işlemleri bu gibi boşluklan küçülterek ortadan kaldırmaya yardımcı olur (5). Üçüncü aşama birleşmenin tamamlandığı, birleştirilecek parçalar arasındaki atomik bağın tamamlandığı aşamadır. İkinci aşama sonunda tane sınırlarından yok edilemeyip tane içine taşınan gözenekler bu aşamada hacim difüzyonu ile büyük oranda yok edilir. Yok edilemeyen gözenek miktannın oranı kaynak sıcaklığı ile ilişkilidir. 79

12 2.2. Difüzyon Kaynağına Tesir Eden Faktörler Difüzyon kaynağı sıcaklık, basınç, yüzey pürüzlülüğü, kaynak atmosferi ve zamanın tesiri altındadır Sıcaklık Sıcaklık difüzyon kaynağının en önemli parametresidir. Difüzyon parametreleri ve sürünme doğrudan sıcaklığa bağlıdır. Artan sıcaklıkla malzemelerin akma gerilmeleri azaldığından hem ilk plastik deformasyon hem de yüzey pürüzlerinin sürünmesi kolaylaşır. Difüzyonun kinetik teorisi, difüzyon kaynağındaki sıcaklık etkisini sayısal olarak belirlemeyi sağlar. Difüzivite sıcaklığın bir fonksiyonu olarak tanımlanır ve şöyle verilir( 1,4,6,7,8,10). D= Do. exp Q/RT Burada; D; T sıcaklığında difüzyon katsayısı Do; Atomik titreşim frekans faktörü Q; Aktivasyon enerjisi (Jmor' ) R; gaz sabiti ( 8,314 Jmol 1 K 1 ) Difüzyon kaynağında kullanılan sıcaklığın değeri T(0.5 TM dir. Burada TM metalin ergime sıcaklığıdır. Birçok metal ve alaşımı için en iyi difüzyon kaynağı TM arası sıcaklıkta yapılabilmektedir Zaman Kaynak zamanı, kullanılan sıcaklık ve basınca göre değişir. Yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta kaynak süresi kısalır. Eğer birleştirilecek yüzeyler kirli, sıcaklık düşük ise kaynak süresi uzamaktadır. Kaynak sıcaklığı TM alındığında kaynak süresi 100 dakikaya kadar uzatılabilmektedir (9). İyi bir birleşme sağlamak için uygun kaynak zamanı önemlidir. Zaman kısa tutulduğunda iyi bir birleşme elde edilemezken, sürenin gereğinden uzun tutulması da metaller arası bileşik oluşumuna ve tane büyümesine sebep olur. Difüzyon işlemlerinde difüzyon mesafesi x'in kaynak zamanı ile değiştiği aşağıdaki formülde de görülmektedir (4). 80

13 Burada; x= C (Dt)" 2 x; difüzyon mesafesi D; T sıcaklığında difüzyon katsayısı t; zaman C, bir sabit Kaynak Basıncı Birleştirilecek yüzeyler arasında temasın sağlanması ve atomik difüzyon için kimyasal potansiyel farkı oluşturmada basınç gereklidir. Uygulanan basınç parçaların makro deformasyonunun altında olmalıdır. Basınç ile yüzey pürüzlerinin plastik akışı kolaylaşırken yüzeyde çözünemeyen oksit filimleri kırılarak iki yüzey arasında atom akışı sağlanır. İyi bir birleşme sağlanabilmesi için basıncın izostatik uygulanmasında büyük fayda vardır. Kaynak basıncı her malzeme için farklılık gösterir. Litaratürlerde çeşitli malzemeler için uygulanan kaynak basıncı 27 MPa ile 41 MPa arasında verilmektedir (7). Daha düşük basınçlarda da birleştirme sağlamak mümkündür. V.I. Movchan ve L.G. Pedan bronzu çeliğe MPa basınçta birleştirmişlerdir (11). Bu makalenin yazan da toz metal bronzu düşük karbonlu çeliğe 15 MPa sabit basınçta difüzyon kaynağı ile birleştirmiştir(12) Yüzey Durumu Yüzey pürüzlülüğü, yüzey filimleri ve yüzey artıkları kaynak kalitesine tesir eden etkenlerdir. Yüzey pürüzleri genellikle kaynağın birinci aşamasında birleşmeye olumsuz etki yapar. Yüzeylerin tam temasa ulaşmasında pürüzlülük bir engeldir. Yüzeyin yüzeye temas süresini uzatır. Genelde bir metal yükseklik ve dalga boyu küçük olan pürüzlülüğe sahiptir. Difüzyon kaynağında özellikle dalga boyu uzun olan pürüzler önemlidir. Bu durumdaki yüzeylerin birleştirilmesi için çok yönlü basınç ve uzun zamana ihtiyaç duyulur. Şekil 2'de bir yüzeyin pürüzlülüğü, oksit tabakası ve uygulanan basınç ile kırılan oksit tabakası görülmektedir. 81

14 Oksitler Z Şekil 2. Metal yüzey pürüzlülüğü ve kırılmış oksit tabakası. Etkili bir kaynak için engelleyici yüzey filmleri genellikle oksit tabakalarıdır. Yüzeylerin oksitten korunması için kaynak ortamı vakum veya indirgeyici olmalıdır. Oksit filminin bozulup dağılması iki şekilde olur. Birisi kaynak sırasında metal içinde oksitlerin erimesi şeklinde, diğeri ise oksit filmlerinin toparlanması veya yuvarlaklaşmasıdır. Oksit fılimleri titanyum, tantalyum, kolombiyum, zirkonyum ve diğer arayer elementleri içerisinde son derece iyi eriyebilirler. Eğer, oksit metal içerisinde çözünemiyorsa bozunma hareketi oksitin yuvarlaklaşması şeklinde olur. Oksit filimlerinin bozunması ile ilgili her iki olay da difüzyonu gerektirir. Metal içindeki çözünüm, arayer atomlarının difüzyonu ile oluşur. Yuvarlaklaşma ise ince oksit filminin fazla miktardaki yüzey enerjisinden dolayı meydana gelir. X kalınlığındaki bir oksitin erime zamanı X2/D ile orantılıdır. Burada, D difüzyon katsayısıdır. Eğer oksit çok ince ise, küreleşme çok çabuk oluşur. Yüzey pürüzlülüğü, 0.4 mm'den küçük olan yüzeyler difüzyon kaynağı uygulamalarında iyi sonuçlar vermektedir (9) Kaynak Ortamı Difüzyon kaynağında en önemli problem kaynak sırasında yüzeylerin oksitlenmesidir. Bu olumsuzluğu gidermek için kaynak koruyucu atmosfer altında yapılmalıdır. Bu amaçla ya vakum veya soygaz ortamında çalışılır. Soygaz olarak Helyum, Argon ve Azot kullanılabilir. Hidrojen de Oksijen miktarını azaltmak amacıyla kullanılmakla beraber Ti, Zr, Ta gibi bazı alaşımlarda hidrat oluşturmaktadır. Kararlı okside sahip metallerde 1.3xlO 3 Pa'dan daha fazla bir vakum kullanılmaktadır(l). 82

15 3. SONUÇ İleri teknoljler gerektiren endüstriyel uygulamalarda katı hal kaynaklarının kullanılması, malzemelerin üretim sonrası sahip olduklan metalurjik ve mekanik özellikleri korumasına imkan vermektedir. Katı hal birleştirme tekniklerinden biri olan difüzyon kaynağıda bu özellikleri sağlamasının yanı sıra ergime sıcaklıkları farklı metallerin ve metal/metal olmayan malzemelerin (metal/seramik gibi) birleştirilmelerini mümkün kılan bir birleştirme tekniğidir. Aynca birleşme alanının zamandan bağımsızlığı ayrı bir avantajdır. Kaynak için uygun şartlar sağlandığında birleşme bölgesinin mukavemeti malzemenin mukavemetine yakın değer vermektedir. Difüzyon kaynağı günümüzde uzay ve uçak sanayiinde ve özellikle titanyum alaşımlannın birleştirilmesinde basan ile uygulanmaktadır. KAYNAKLAR 1. ORHAN,N., Difüzyon Kaynağı İçin Yeni Bir Model ve Dublex Alaşımlara Uygulanması, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ, FITZPATRICK, G. A., BROUHTON,T., Diffusion Bonding Aeroengine Components, Defence Science Journal , MEAHARA,Y.,KOMİZO,Y.,LANGDON,T.G.,Principles of Superplastic Diffusion Bonding, Materials Science and Technology 4, , SCHWARTZ,M.M., PAULONIS,D.F., Diffusion Welding and Brazing, Welding Handbook, V MURRAY. W.MAHONEY, Cliff C.BAMBTON, Fundamentals of Diffusion Bonding, ASM Handbook,V6. 6. ASKELAND,D.R., The Science And Engineering of Materials, SALEHI;M:T:;Isostatic Diffusion Bonding of Some Superplastic Alloys, UMIST,Manchester 8. OĞUZ,B., Sert Lehimleme Sf. 64,İstabbul, DUNKERTON, S. B., Solid Stade Processes For Dissimilar Metal Welding, Repinted from The Welding Ins.Research Bultetin V ,U.K 10. MANAS C, Structure Of Matter. Science of Engineering Materials, Indian Ins.Of Science, Banglone, MOVCHAN, V.I., PEDAN,L.G.,GAIDAMAKIN,V.S. Structural Features of the Transition Layer Formed in Diffusion Welding of Bronze to Steel, Metal Science Heat Tretment V.29.pp , KURT, Adem, Toz Metalden Üretilen Bronz Yatağın Düşük Karbonlu Çeliğe Difüzyon Kaynağı İle Birleştirilmesi, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,

16 ÖRTÜLÜ ELEKTROT, GAZALTI, TOZ ALTI, ÖZLÜ TEL İLE YAPILAN KAYNAK YÖNTEMLERİNDE MALİYET ANALİZİ Mustafa GÜLŞAN Makina ve Kaynak Mühendisi ENKON Mühendislik LTD. ŞTİ./ANKARA Kaynağın maliyeti, kaynak yönteminin seçimine karar vermekte önemli bir faktördür. Her bir yöntemin kendi aralarında avantaj ve dezavantajları vardır. Bu yazımda kaynakta ekonomikliği örneklerle açıklamaya çalışacağız. Kaynakta ekonomiyi etkileyen en önemli faktörler; yöntem, dolgu hızı, kullanılan sarf malzemelerinin verimi, kaynak hazırlık zamanı, kullanılan malzemelerin fiyatları baz alınarak karşılaştırma yapılacaktır. A- KAYNAKTA MALİYET HESABI Maliyet hesabı dört (4) ana faktörden oluşur: 1- İşçilik ve idari giderler. 2- Kullanılan elektrot tutarı 3- Kullanılan koruyucu gaz ve kullanılan toz tutan. 4- Kullanılan elektrik tutarı. 1- İŞÇİLİK VE İDARİ GİDERLER İşçilik giderleri, kaynak maliyeti için en önemli fiyat faktörüdür. İşçilik ve idari giderler işletmelerde genel olarak birlikte kullanılır. Genel giderler normal olarak vergiler, servis ücretleri, bakım hizmetleri, amortismanlar gibi faktörlerden oluşmaktadır. Her işletmede işçilik saati ve genel giderler değişken olduğu için her işletme maliyet hesaplarında kendi gerçekleşen değerlerini kullanmalıdır. İşçilik maliyetlerinin hesaplanmasında en önemli faktör, operasyondaki ark zamanının toplam kaynak zamanında oranı olan "operatör faktörü"dür. Proses (Yöntem) Örtülü Elektrod (Bazik) (Demir Tozu) Gazaltı Özlü tel Toz altı Operatör Faktörü (OF) X TABLO I 85

17 Operatör faktörü % 25 den %50 e hatta %75'e kadar yükselen bir aralıkta değişir. Tablo I de köşe kaynakları için operatör faktörleri gösterilmektedir. Bir diğer faktörde dolgu oranıdır. Dolgu hızı, ilerleme, işçilik genel gider maliyetlerini dolayısıyla üretim maliyetini etkiler. İşletmelerde, İŞÇİLİK+GENEL GİDERLER=ADAM SAAT olarak alınır. Aşağıdaki formülde işçilik maliyeti gösterilmektedir (TÜKETİLEN ELEKTROD MİKTARI* ADAM SAAT) İŞÇİLİK MALİYETİ = BİRİM ZAMANDA YAPILAN DOLGU* OF 2- ELEKTROD MALİYETİ Faktörlerden birisi yapılacak kaynağın şekli ve ölçüsüne bağlı olan dolgu ağırlığıdır. Diğer bir faktör ise elektrodun tipine ve ölçüsüne bağlı olan elektrodun kg. fiyatıdır. Örtülü elektrodlann fiyatlan kendi aralarında biri diğerine göre daha pahalıdır. Küçük çaplı tellerin fiyatları extra tel çekme işçiliği gerektirdiğinden büyük çaplı tellere göre daha pahalıdır. Üçüncü ve önemli faktörlerden birisi ise elektrodun dolgu verimidir. Dolgu verimi, satın alınan brüt kg. Elektrodun gerçekleşen kaynak dolgu miktarına oranıdır (1) Kaynak malzemesi doğu verimi ortalaması; Örtülü elektrod 0.65 Özlü tel 0.82 Gazaltı 0.92 Tozaltı 1.00 (2) Operatör Faktörü = Ark Zamanı / Toplam Çalışılan Zaman (Kaynakçı Faktörü) Özlü tel elektrodların dolgu verimi elektroda göre büyük, fakat tozaltı ve gazaltı yöntemlerinde kullanılan elektrodlann verimine göre daha düşüktür. Bunun nedeni telin içinde koruyucu madde (gaz ve örtü maddesi) bulunmasıdır. Özünde gaz bulunmayan (cürufu teşkil eden örtü bulunan) tellere göre %85 - % 95 daha yüksektir. Metal özlü teller ise %95 - %98 verime sahiptirler. Daha dolgu verimine neden olan sıçrantı, özlü tellere göre daha fazladır. CO2 gazı, CO2 + Ar gazı sıçrantılan (CO2+AR+O2) gazına göre daha fazladır. Aşağıdaki elektrod fiyatının belirlenmesinde kullanılan formüllerden bir tanesidir. ELEKTRODUN AĞIRLIĞI * ELEKTRODUN kg. FİYATI ELEKTROD FİYATI = ELEKTRODUN DOLGU VERİMİ ELEKTROD FİYATI = ARK ZAMANI * TELHIZI * TELİN mt. AĞIRLIĞPKg/TL (TEL) 86

18 3- GAZ MALİYETİ Koruyucu gazın maliyeti, gazın fiyatına, cinsine, akış hızına ve ark zamanına bağlıdır. Gazsız özlü tellerde gaz maliyeti olmadığından gaz sarfiyatı göz önüne alınmaz. CO2 ucuz olması nedeniyle en çok kullanılan koruyucu gazdır. Koruyucu gazın maliyet formülü aşağıda verilmiştir. KORUYUCU GAZ = ARK ZAMANI * GAZ AKIŞ HIZI * GAZIN m3 FİYATI 4- ELEKTRİK MALİYETİ üçük bir faktördür, genel giderler içindede değerlendirilebilir. Ancak büyük miktarlarda kaynak yapıldığında önem kazanır. Elektriğin maliyet fiyatı; kaynak akımı, kaynak voltajı, kullanılan makinanın verimi (tam kasul edilir) ve elektriğin kw/h bedeli yardımıyla bulunur. Güç kaynağı boşta çalıştığı zamanlar toplam tüketim içinde çok küçük bir yüzdeye sahip olduğundan dikkate alınmaz. AKIM * VOLTAJ * ARK ZAMANI * ELEKTRİĞİN kw/h BEDELİ ELEKTRİK MALİYETİ = GÜÇ KAYNAĞININ VERİMİ (TAM KABUL EDİLİR) KAYNAĞIN UZUNLUĞU * PASO SAYISI ARK ZAMANI = İLERLEME HIZI İşletmelerde 1 kg. Kaynak yapmak için yaklaşık kw/h elektrik enerjisine ihtiyaç vardır. YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Özlü tel ile kaynak yönteminin avantajları; dolgu hızı, operatör faktörü, v.s. gibi faktörler bu kaynak yöntemini örtülü elektroda göre daha ekonomik yapmaktadır. Ancak ekipmanlarının daha detaylı örtülü elektrod kaynak makinalanna göre daha pahalıdır. Örtülü elektrod kaynak makinalannda tel besleme ünitesi ve gaz koruyucu sisteme ihtiyaç olmadığından ekipmanı basit ve ucuzdur. Eğer işletmelerde gazaltı kaynak makinaları mevcut ise, yeni yatırım yapmaya gerek duyulmadan bunlarla özlü tel ile gazaltı kaynak yöntemi yapılabilir. Zira özlü tel, örtülü elektrodların kullanıldığı yerlerde ve çelik yapı konstrüksüyonlarda başarıyla kullanılabiliyor. Bu yöntemin bir başka avantajıda usta bir gazaltı kaynakçısı çok az bir eğitimle kaynak yöntemini öğrenebilir. Kaynak yöntemlerinin karşılaştırmalarını aşağıdaki verilerin ışığında yapalım. Bir işletmenin verileri aşağıdaki gibi tespit edilmiş olsun: 1-RUTİL ELEKTROD (E6013) 4.0) USD/kg. BRÜT 87

19 i 2- KULLANILAN TEL CİNSİ SG2 1.2 USD/kg 3- KULLANILAN ÖZLÜ TEL E71T USD/kg. BRÜT 4- KULLANILAN TEL CİNSİ EL USD/kg 5- İŞLETMENİN YILLIK TÜKETİMİ 60 TON 6- OPERATÖR FAKTÖRÜ (OF): GAZALTI 0.5 TOZALTI 0.5 ELEKTROD 0.3 / ÖZLÜ TEL KAYNAK DOLGU METALİNİN VERİMİ : ELEKTROD 0.60 ÖZLÜ TEL 0.85 GAZALTI TELİ 0.95 TOZALTI TELİ BİRİM ZAMANDA YAPILAN DOLGU MİKTARI: ELEKTROD 1.7 kg/saat ÖZLÜ TEL 4.5 kg/saat GÖZALTI TELİ 4.0 kg/saat / TOZALTI TELİ 7.0 kg/saat 9-1 kg. TEL İÇİN GAZ SARFİYATI: m kg. TOZALTI KAYNAK TELİ İÇİN TOZ TÜKETİMİ : 0.8 kg toz / kg kaynak 11 - Karışım Gaz : 3 USD/M kg TOZ (ortalama) : 1.2 USD/Kg 13-ADAM SAAT : 8 USD 14- YILLIK ÜRETİM (çelik yapı) : 5000 LE 7000 TON (Yıllık sarf malzeme tüketimi kg) / AS * YILLIK TÜKETİM (kg) ELEKTROD (TL/kg) * TÜKETİLEN ELEKT. MİK. (kg) KAYNAK MALİYETİ = + OF * BİRİM ZAMANDAKİ DOLGU ELEKTRODUN VERİMİ ÖRTÜLÜ ELEKTROD KAYNAK YÖNTEMİNDE MALİYET; İşletmede yıllık tüketilen kg kaynak malzemesinin tümünün elektrodla yapıldığı takdirde işletmeye maliyetini hesaplayalım. 8 * * / KAYNAK MALİYETİ (ÖRTÜLÜ ELEKTROD) = + - = USD 0.3 * KAYNAK ZAMANI (ÖRTÜLÜ ELEKTROD) = = AS 0.3*

20 Bir yılda 250 iş günü olduğunu kabul edelim, günlük çalışma süresi 9 saat ise 52 adet kaynakçıya ihtiyaç vardır. Aynı miktardaki kaynak özlü tel ile yapılırsa; ÖZLÜTEL KAYNAK YÖNTEMİNDE MALİYET 8 * * KAYNAĞIN MALİYETİ (ÖZLÜ TEL) = + = USD 0.5 * GAZ MALİYET (0.250 * * 3) = USD KAYNAK ZAMANI (ÖZLÜ TEL) = = AS 0.5 * 4.5 Bu işin yapılması için ise 12 kaynakçıya ihtiyaç vardır. Özlü tel ile kaynak yapıldığında; = USD tutarında ekonomiklik sağlanacaktır. Başka bir ifadeyle, = as * 8 = USD Tasarruf edilecektir. Bu ifadelerdende anlaşılacağı üzere, özlü tel ile kaynak yapmak elektroda göre çok daha ucuzdur. GAZALTI KAYNAK YÖNTEMİNDE MALİYET 8* * KAYNAĞIN MALİYETİ (GAZALTI) = + = USD 0.5 * MALİYET = * ( * * 3) = USD KAYNAK ZAMANI (GAZALTI) = = AS 0.5*4 Bu işin yapılması için 13 kaynakçıya ihtiyaç vardır. Gazaltı kaynak yönteminde kaynak metalinin ucuz ve verimli olması, daha uzun zamanda yapılmasına rağmen toplam maliyette özlü tel kaynak yönteminden % 37 daha ucuzdur. Rakamların gösterdiği gibi elektroda göre çok daha ekonomiktir. TOZALTI KANAK YÖNTEMİNDE MALİYET * * 1 KAYNAK MALİYETİ (TOZALTD = ( * 0.8 * 1.2) = USD 0.5 *

21 KAYNAK ZAMANI (TOZALTI) = * 7 = AS Bu iş için bu yöntemle 8 kaynakçıya ihtiyaç vardır. Tozaltı kaynak yöntemi en ekonomik yöntem olmasına karşılık, ekipman yatırımı en pahalı olan yöntemdir. Her kaynak yönteminin avantaj ve dezavantajları olduğunu belirtmiştik, bu işletmede tüketilen kg sarf malzemesinin tümünün örtülü elektrod, tozaltı veya özlü tel ile yapmak mümkün olmayacaktır. Kaynak yöntemlerininbirbirlerine ekonomikliğini daha çarpıcı bir şekilde ortaya koymak için tüketilen sarf malzemeleri eşit alınmıştır. İşletmelerde bu mümkün olmayabilir, ama kaynak maliyetini imalat içindeki yapını 1 kabul edersek bu birimin kendi içindeki örtülü elektrodla yapılan kaynak payını ne kadar aşağı çekersek işletme o kadar tasarruf edecektir. GAZ MALİYETİ TOZ MALİYETİ ADANM SAAT 0.75 USD/kg KAYNAK 0.96 USD /kg KAYNAK 8.0 USD ALINMIŞTIR Kaynakta maliyeti etkileyen en önemli faktör kaynak yönteminin seçimine bağlı olduğunu söylemiştik. Bunları şöyle sıralayabiliriz: 1- TOZALTI İLE YAPILAN KAYNAK 2- GAZALTI İLE YAPILAN KAYNAK 3- ÖZLÜ TEL İLE YAPILAN KAYNAK 4- ÖRTÜLÜ ELEKTROD İLE YAPILAN KAYNAK 5- KAYNAK MALİYETLERİ TABLOSU ELEKTROD TİPİ AWS 5.1 E 6013 AWS5.1 E 7018 AWS 5.21 E 71 T-5 AWS 5.20 E70T-1 AWS5.18 E70S6 AWS5.17 EL 12 ÇAPI BOYU 2.5/ /350 4/450 5/ / /350 4/450 5/ ELEKTROD KG/USD DOLGU VERİMİ OPERATÖR FAKTÖRÜ ' DOLGU KG/SAAT MALİYET USD/KG TOPUM Gaz+Toz dahil MALİYET

22 KAYNAK FAKTÖRLERİNİN BİRLEŞİMLERİNİN DEĞİŞTİRİLMESİ Aşağıda kaynak konusu ile ilgili bir çauşma yer almaktadır. Verilen üretim faktörleri miktar olarak değiştirilmemiş, sadece miktarların daha etkin kullanımı açısından vardiyalı çalıştırılacağı varsayılarak, çelik yapı üretimindeki kaynak maliyetlerinin karşılaştırılması yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda işletmede gerçekleşen değerler kullanılmıştır. Ortalama ana giderin fiyatı: İŞÇİLİK 8 USD/SAAT GAZALTI TELİF ELEKTROD 1.2 USD/kg 2.5 USD/kg (ortalama) TOZALTI TELİ 1.0 USD/KAYNAK (ortalama) TOZALTI TOZU MİX GAZ 0.96 USD/Kg KAYNAK (ortalama) 0.75 USD/Kg KAYNAK (ortalama) Ortalama birim zamanda yapılan dolgu değerleri: TOZALTI KAYNAĞI : 2.25 kg/saat GAZALTI KAYNAĞI : 1.50 kg/saat ELEKTROD KAYNAĞI : 0.40 kg/saat Faktör birimlerine göre kaynak maliyetini aşağıda tablo halinde gösterelim. A- İŞLETMEDEKİ MEVCUT DURUM FAKTÖR BİRLEŞİMİ 2TOZALTI 8 GAZALTI 28 EL KAY. ORTALAMA BİRİM KAYNAK 2.25 Kg. 1.5 Kg. 0.4 Kg. kg/saat 0.73 TOPLAM KAYNAK 4.5 Kg. 12 Kg Kg. kg/gün 27.7 BİLEŞİM YÜZDESİ % 16.3 % 43.3 %40.4 %100 TOPLAM İŞÇİLİK TOPLAM MALZEME (USD) TOPLAM MALİYET (USD) Kg KAYNAK MALİYETİ (USD) B - GAZALTI VE TOZALTI KAYNAK MAKİNALARININ VARDİYALI ÇALIŞMASI HALİNDE FAKTÖR BİRLEŞİMİ 4 TOZALTI 16 GAZALTI 18 EL KAY. BDUM KAYNAK 2.25 Kg. 1.5 Kg. 0.4 Kg. TOPLAM KAYNAK 9 Kg 24 Kg 7.2 Kg BİLEŞİM YÜZDESİ % 22.3 % 59.7 TOPLAM İŞÇİLİK TOPUM MALZEME (USD) TOPLAM MALİYET (USD) Kg KAYNAK MALİYETİ (USD) ORTALAMA %

23 Tablolardan görüldüğü gibi üretim faktörlerinde yapılan değişiklikler maliyetlerde çok büyük fiyat farkları ortaya çıkartmaktadır. Tablodan göründüğü gibi faktör bileşimindeki yeni üretim tekniğindeki değişiklik % 25 oranında değişiklik sağlamaktadır. Bunu rakamlarla ifade etmek gerekirse, saatte 40.2 kg kaynak yaklaşık 7500 Ton imalat kapasitesinin ihtiyacını eleman almadan karşıhyabilecektir. Zira ortalama dolgu miktarı 0.73 kg saatten 1.05 kg ma çıkmıştır. Bu aynı zamanda 13.4 USD olan kg kaynak maliyetini Tozaltı ve Gazaltı kaynaklarım etkin kullanmakla USD ye düşmesini, bir diğer değişle yıllık 7500 Ton imalat yapıldığı ve bu imalatın % 1.1 luk kısmının kaynak ağırlığı olduğunu kabul edersek kg başına 1.71 USD olan tasarruf, firmaya kaynak maliyetinde yıllık *.015=112500*1.71USD= USD ekonomi sağlamaktadır. NOT : 14/02/1997 Tarihli fiyat listesi baz alınarak değerler yaklaşık olarak USD ye çevrilmiştir. Her firmanın adam saatleri o firmaya göre değişkenlik gösterir burada ortalama bir değer alınmıştır. Sarf malzemelerin verimleri ise üretici firmalara göre değişkenlik gösterebilir. 92

24 KAYNAK TEKNOLOJİSİNDE YENİ NESİL AKIM ÜRETEÇLERİ: İNVERTERLER Kutsal TÜLBENTÇİ 1, Erdinç KALUÇ 2 ÖZET Kaynak teknolojisindeki en son gelişmelerden bir tanesi hatta en önemlisi inverter türü kaynak akım üreteçlerinin uygulamaya girmiş olmasıdır. İnverterler, daha önceleri uçak endüstrisinde, güç kaynağı uygulamalarında, kontrol devrelerinde doğru akım üretiminde kullanılmaya başlanmış ve kazanılan deneyimler bunların kaynak endüstrisinde de güç kaynağı olarak kullanılmasına olanak vermiştir. Bu bildiride, son yıllarda gelişmeler kaydeden ve ülkemiz pazarına ithal yolu ile girmekte olan ve de kullanımı yaygınlaşan inverter türü kaynak akım üreteçleri, alışılmış akım üreteçleri ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İnverterlerin seçiminde ve kullanımında dikkat edimesi gereken hususlar ele alınarak, uygulayıcı mühendislere rehber olacak bilgiler aktarılmıştır. 1. GİRİŞ Ark kaynak yöntemlerinde, yöntemin gerektirdiği tür akım şiddeti, gerilim ve volt-amper karakteristiğinde elektrik akımı gerekir ve bu bakımdan da her kaynak yöntemi için farklı tür ve büyüklükte akım üreteci geliştirilmiştir. Kaynak için gerekli koşullardaki elektrik akımı işyerinde özel bir generatör tarafından üretilebildiği gibi, şebeke akımının dönüştürülmesi ile de elde edilebilir. Elektrik ark kaynağında kullanılan akım üreteçlerinin işlevleri kaynak arkı için gerekli elektrik enerjisini sağlamanın yanısıra her akım üretecinin uygulanan kaynak yöntemine göre, aşağıda belirtilmiş olan önemli koşullan da yerine getirmesi gerekir. Şebeke gerilimini, sınırlandırılmış boşta çalışma gerilimine çevirmek(şebeke tarafından beslenen kaynak makinalan). 1 Prof. Dr.-Müh., İ. T. Ü. Kimya- Metalürji Fakültesi, Metalürji Müh. Bölümü, Ayazağa/ISTANBUL 2 Doç. Dr.- Müh., Kaynak Teknolojisi Araştırma, Eğitim ve Uygulama Merkezi, KOCAELİ 93

25 Kaynak akım şiddeti ayar donanımına sahip olmak ve çalışma anında ayarlanmış kaynak akım şiddetini sabit tutmak. Boşta çalışma gerilimi ayarına sahip olmak. Çalışma anında kararlı bir ark oluşunca boşta çalışma gerilimini, olabildiğince kısa bir zaman biriminde ark gerilimine düşürmek. Kaynak akım üreteçlerinin V-I karakteristiği, örtülü elektrod ile yapılan elektrik ark kaynağı ve TIG kaynağında kullanılan akım üreteçlerinde düşey, MIG- MAG kaynağında kullanılan akım üreteçlerinde ise yatay karakteristikli olmaktadır. Düşey karakteristikli akım üreteçlerinde ark geriliminin önemli bir büyüklükte değişmesine karşın akım şiddetindeki değişim çok azdır. Bu olay ark boyunun kaynakçı tarafından ayarlandığı örtülü elektrod ile ark kaynağı ve TIG kaynağında çok önemli bir özeliktir, kaynakçının el hareketleri nedeni ile ark boyunda bir değişme olduğu zaman erime gücünde meydana gelen değişim çok azdır ve bu da düzgün kaynak dikişi eldesi için çok önemli bir etkendir. Ark boyunun kaynak donanımı tarafından ayarlandığı ve sabit tutulduğu MIG-MAG yönteminde bu karakteristiğe sahip bir akım üreteci kullanıldığında ark boyunun değişmesi yani ark geriliminin değişmesi sonucu ark boyunu sabit tutabilmek için ark boyundan kumanda alan bir elektronik tertibat yardımı ile tel sürme tertibatının motor devri değiştirilir. Diğer bir anlatım ile bu tür bir akım üreteci kullanıldığında ark boyunun, değişimi tel sürme motorunun hızının değiştirilmesi ile ark boyu sabit tutulur. Bu sistem hem pahalıdır ve hem de çok hızlı değildir, ancak tel ilerleme hızının yavaş olduğu kalın çaplı tel elektrod hali için uygundur. MIG-MAG yönteminde genelde ince tel (0.8, 1.0, 1.2 ve 1.6 mm) elektrod kullanıldığından bu kumanda sistemi yavaş kalmakta ve iyi sonuç vermemektedir; bu sistem 2.5 mm'den daha kalın çaplı tel ARK KARAKTERİSTİKLERİ BÖLGESİ ARK KARAKTERİSTİKLERİ BÖLGESİ V z DÜŞEY KARAKTE- RİSTİK (a) i (b) Şekil 1.- Kaynak akım üreteçlerinde volt-amper karakteristikleri. 94

26 elektrodlann kuluanıldığı otomatik kaynak sistemlerinde, tozaltı kaynak yönteminde ve elektro cüruf kaynak yönteminde uygun sonuçlar vermektedir. Sabit gerilimli diye de adlandırılan yatay karakteristikli kaynak akım üreteçlerinde ark geriliminin dolayısı ile de ark boyunun az bir miktarda değişmesine karşın akım şiddetinde yani erime gücünde değişim çok daha şiddetlidir. Bu tür kaynak akım üreteçlerinde iç ayar diye adlandınlan ve hiçbir ek donanım gerektirmeden kendinden oluşan bir ark boyu ayan vardır. Bu akım üreteçlerinde ark gerilimi ve tel ilerleme hızı ve buna bağlı olarak da akım şiddeti ayarlanır. Bu tür makinalarda tel ilerleme motoru, seçilmiş sabit bir devirde döner, yani tel hızı sabittir. Kaynak sırasında herhangi bir nedenle ark boyu uzadığı zaman Şekil 2'de görüldüğü gibi akım şiddeti büyük miktarda azalır. Buna bağlı olarak da ergiyen tel miktarı azalır ve bu sırada tel sürme devam ettiğinden ark normal boyuna döner; aksi halde, yani ark boyunun kısalması halinde ise akım şiddeti sürekli artar, ergiyen tel miktan da buna bağlı olarak artacağından neticede ark boyu normale döner. Bu kaynak yönteminde görüldüğü gibi ark boyunun ayarlanması yan otomatik kaynak ha- Kaynak doğrultusu = Şekil 2.- Sabit gerilimli akım üretecinde ark boyunun kaynak süresince sabit kalması (Al) 95

27 linde dahi, kaynakçının kişisel el becerisine bırakılmamıştır. Ark boyu kaynak akım üretecinin yatay karakteristiği sayesinde kendinden ayarlanmaktadır. Sabit gerilimli diye adlandırılan bu kaynak akım üreteçlerinde, gerilimin tamamen sabit tutulmasına olanak olmadığı gibi aynı zamanda sakıncalıdır. Zira, böyle bir üreteçte elektrod iş parçasına temas ettiğinde gerilim düşecek ve akım şiddeti sonsuz yükselecektir ve bu da elektrod ucunda ani bir patlamaya ve şiddetli sıçramaya neden olur; bu bakımdan bu tür kaynak akım üreteçlerinde her 100 amper için azami 7 Volt kadar ark gerilimi düşümüne izin verilir; bu değer kaliteli üreteçlerde 2 ila 5 V arasındadır. Elektrik ark kaynağında büyük bir çoğunlukla düşey ve yatay karakteristikli kaynak akım üreteçleri kullanılır. Ark kaynak yöntemlerinde en çok doğru akım kullanılmasına karşın alternatif akımın da kullanıldığı uygulamalar vardır. Kutuplama olarak elektrod pozitif veya negatif kutba bağlanabilir. Alüminyum ve alaşımlarının kaynağında banyo üzerinde oluşan oksit tabakasının parçalanabilmesi için elektrodun kesinlikle pozitif kutba (ters kutuplama) bağlanması gereklidir. Diğer metal ve alaşımlarının özellikle çeliklerin kaynağında her iki kutuplama türü kullanılabilirse de, çok daha derin bir nüfuziyet sağladığından uygulamada genellikle ters kutuplama tercih edilir; doğru kutuplama çok nadir olarak, nüfuziyetin çok az olmasının gerekli olduğu hallerde kullanılır. 2. ARK KAYNAK YÖNTEMLERİNDE KULLANILAN AKIM ÜRETEÇLERİ 2.1. Motor generatör türü akım üreteçleri Bu tür kaynak akım üreteçleri, bir kuvvet makinası tarafından tahrik ettirilerek, kaynak için gerekli elektrik akımını üretirler. Kaynak generatörleri tahrik biçimine göre elektrik motoru tahrikli veya şantiyelerde, elektrik akımının bulunmadığı yerlerde kullanılmak üzere geliştirilmiş, dizel veya benzin motoru tarafından tahrikli türler olarak geliştirilmişlerdir. Generatör ile üretilen akım doğru akımdır. Bunlar genellikle hem yatay hem de düşey karakteristik ile çalışabilecek biçimde tasarlanırlar ve bu şekilde özellikle boru hatlarının kaynağında hem örtülü elektrod ile elektrik ark kaynağı ve hem de MIG-MAG yönteminde kullanılabilirler. Bu özellik şantiyelerde büyük bir kolaylık sağlamaktadır. Kaynak generatörlerinin bakım giderlerinin yüksek ve ömürlerinin kısa olması, maliyetlerinin pahalılığı, verimlerinin düşüklüğü (%45-65), boşta çalışma tüketimlerinin yüksekliği en önemli sınırlamalarıdır. Buna karşın, kaynakta doğru akım kullanımının tüm üstünlüklerine sahiptirler. 96

28 2.2. Alternatif akım kaynak üreteçleri Alternatif akım kaynak makinaları transformatörlerdir. Endüstride kısaca kaynak trafosu diye adlandırılırlar. Kaynak transformatörleri alternatif akımın gerilimini değiştirdiğinden bunlara gerilim değiştirici de denir. Bunlar kaynak generatörleri gibi yeni bir akım üretmektedirler. Kaynak transformatörleri saclardan oluşmuş bir demir çekirdek ile bu çekirdeğe sarılı iki sargıdan oluşur. İnce tel sargıya şebekeden akım gelir ve kalın tel sargıdan da kaynak akımı çıkar. Kaynak transformatörleri trifaze şebekenin yalnız iki fazına bağlıdır ve şebeke akımını kaynak akımına çevirirler. Kaynak devresindeki yani sekonder taraftaki akımın cinsi de alternatiftir. Transformatörü kaynağa hazır duruma getirmek için çalışma şalterini açmak yeterlidir. Transformatörlerde dönen parça yoktur, bundan dolayı da herhangi bir aşınma söz konusu değildir. Kaynak transformatörlerinin boşta çalışma gerilimi en çok 70V'dur. Alternatif akım, doğru akıma nazaran daha tehlikeli olduğundan, transformatörlerin boşta çalışma gerilimlerinin generatörlerinkinden daha küçük olmasına dikkat edilir. Bunlar, bazı tür örtülü elektrodlar ile, TIG ve tozaltı kaynak yöntemlerinde uygulama alanı bulur Redresör türü akım üreteçleri Kaynak işlemi için gerekli doğru akım, alternatif akımı düzelterek doğru akıma çeviren redresör adı verilen cihazlar ile gerçekleştirilir. Normal şebekeye bağlanan bu cihazların monofaze ve trifaze akım ile çalışanları vardır. Trifaze akım ile çalışan üreteçler gerek daha kararlı bir kaynak arkı oluşturmaları ve gerekse de şebekeyi dengeli bir şekilde yüklemeleri nedeni ile tercih edilirler. Kaynak redresörleri iki ana parçadan oluşmuşlardır; bunlardan birincisi bir kaynak transformatörü olup, doğrudan şebeke akımına bağlanır ve görevi şebeke akımını kaynak için gerekli özelikteki akıma çevirmektir; yani gerilimi düşürür ve akım şiddetini yükseltir. İkincisi ise, alternatif akımı doğru akıma çeviren bir doğrultmaçtır. Kaynak redresörleri kaynakta doğru akım kullanmanın sağladığı bütün üstünlüklere sahip olmalarının yanısıra, generatörlere nazaran boşta çalışma tüketimlerinin azlığı, verimlerinin yüksekliği, uzun ömürleri ve bakım giderlerinin düşüklüğü ve gürültüsüz çalışmaları gibi önemli üstünlüklere de sahiptirler Sinerjik darbeli akım üreteçleri İyi bir nüfuziyetin, buna karşın parçaya ısı girdisinin sınırlı tutulmasının gerekli olduğu durumlarda, darbeli doğru akım yöntemi uygulanır. Darbeli doğru akım (pulsed direct current) ile alternatif akımı birbirlerine karıştırmamak gerekir; darbeli doğru akım halinde, seçilen 97

29 akım şiddeti önceden saptanmış iki değer arasında, arzu edilen bir frekansta değişmektedir. Bu sistemin üstünlüğü tel elektroddan ergiyen damlaların kaynak banyosuna geçişinin temel ve darbe akım şiddetine göre iki farklı hızda gerçekleşmesidir. Darbe akımı sırasında, tepe akımında, kaynak metali hızlı bir biçimde erir ve kaynak banyosuna sprey ark biçiminde taşınır; bunu takibeden temel akım peryodunda elektrod ucunun erimesi azalır hatta gerekirse hiç erimemesi sağlanır ve kaynak banyosuna da ısı girdisi azalır ve bu sırada banyo kısmen katılaşmaya başlar; temel akım şiddeti arkın sönmeyeceği bir değerde tutulduğundan arkın yeniden tutuşturulması sorunu ortadan kalkar. Bu şekildeki bir ark ile her pozisyonda kaynak yapmak kolaylaşmış olur. Bu türde imal edilen ilk akım üreteçlerinde ya frekans ya da temel ve darbe akımı şiddetleri ayar edilebilmekte idi; bugün güç elektroniği yardımı ile frekans, te- ' ' (D Şekil 3.- MIG-MAG kaynağında darbeli akımın değişimi. mel akım şiddeti, darbe akım şiddeti ile bunların sürelerini birbirlerinden bağımsız olarak ayarlayabilen akım üreteçleri geliştirilmiş ve artık günümüz endüstrisinde, her akım darbesinde kaynak banyosuna tek bir damla kaynak metali transfer eden MIG-MAG kaynak donanımları uygulama alanına girmiştir İnverter tipi kaynak akım üreteçleri Kaynak teknolojisindeki en son gelişmelerden bir tanesi hatta en önemlisi inverter türü akım üreteçlerinin uygulamaya girmiş olmasıdır. Inverterler daha önceleri uçak endüstrisinde, güç kaynağı uygulamalannda ve kontrol devrelerinde doğru akım üretiminde kullanılmaya başlanmış ve kazanılan deneyimler bunların kaynak endüstrisinde de güç kaynağı olarak kullanılmasına olanak vermiştir. 98

30 Alışılmış kaynak akım üreteçlerinde, şebekeden çekilen A.A. doğrudan bir transformatöre girer, burada akımın frekansı değişmez sadece gerilimi ayarlanır ve bu akım redresörde doğrultulur ve flitre edilerek kaynak için gerekli koşullarda doğru akım elde edilir ve kontrol devreleri de çıkış akımından aldıkları sinyalleri giriş kontrol sinyalleri (akım üretecinin ayar değerleri) ile karşılaştırarak redresör çıkışını ayar eder. İnverterler de ise, şebekeden çekilen A.A. önce bir redresöre girer ve doğru akım haline dönüştürülür ve bu akım Chooper diye adlandırılan özel bir cihazda yüksek frekanslı A.A. haline dönüştürülür; kaynak işlerinde kullanılan inverterlerde bu frekans Hz mertebesindedir. Bu yüksek frekanslı A.A. transformatör gerilimi kaynak için uygun değere indirilir ve buradan çıkan akım aynen alışılmış redresörlerde olduğu gibi bir redresörde doğrultulur ve bir flitreden geçirilerek kaynak için gerekli koşullarda doğru akım elde edilir. Sonuç olarak, gerek alışılmış akım üreteçlerinde ve gerekse de inverterlerde şebeke akımı kaynak için gerekli koşullardaki doğru akıma dönüştürülmüş olur, ama burada inverterin sağladığı çok önemli üstünlükler vardır. Transformatör I Doğrultmaç I I Alışılmış Kaynak Akım Üreteçleri 100 V ' Trifaze ölçme ve Kontrol Giriş i Doğrultmacı i formatör j Doğrultmacı! İnverter Akım Üreteçleri 460 V Trifaze 50 Hz A.A. 600 V Monofaze 20KHz A.A. 80 V Monofazej 20KHz! 60 V I A.A. j D.A. [ I Şekil 4.- Alışılmış akım üreteçleri ve inverter türü akım üreteçlerinin prensip şemalarının karşılaştırılması. Transformatörlerin büyüklüğü A.A.'in frekansı ile ters orantılıdır; frekans büyüdükçe transformatör küçülür. Aynı akım gücündeki bir normal redresör ve inverter karşılaştınldığında, inverterin ağırlık olarak % 25 ve boyut olarak ta %33 daha küçük olduğu görülür. 99