MAGNEZYUM ALAġIMLARININ TIG KAYNAK ÖZELLĠKLERĠ

Transkript

1 T.C. MARMARA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ MAGNEZYUM ALAġIMLARININ TIG KAYNAK ÖZELLĠKLERĠ Erhan ERATICI YÜKSEK LĠSANS TEZĠ METAL EĞĠTĠMĠ ANA BĠLĠM DALI METAL EĞĠTĠMĠ PROGRAMI DANIġMAN Yrd. Doç. Dr. Memduh KURTULMUġ ĠSTANBUL 2011

2 T.C. MARMARA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ MAGNEZYUM ALAġIMLARININ TIG KAYNAK ÖZELLĠKLERĠ Erhan ERATICI ( ) YÜKSEK LĠSANS TEZĠ METAL EĞĠTĠMĠ ANA BĠLĠM DALI METAL EĞĠTĠMĠ PROGRAMI DANIġMAN Yrd. Doç. Dr. Memduh KURTULMUġ ĠSTANBUL 2011

3 TEġEKKÜR Tez konumun seçiminde ve araştırmalarım süresince; hiçbir fedakârlıktan kaçınmayarak, yakın ilgi, teşvik ve yardımlarını her zaman yanımda hissettiğim, yapıcı tenkitleri ile çalışmalarımı yönlendiren tez danışman hocam Yrd. Doç Dr. Memduh Kurtulmuş a en içten minnet ve şükranlarımı sunarım Deneysel çalışmalarda katkı sağlayan, bilgi ve tecrübelerini paylaşmaktan çekinmeyen değerli bölüm başkanımız Sayın Prof. Dr. A. İrfan YÜKLER e teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca bugüne kadar maddi ve manevi olarak desteklerini benden esirgemeyen aileme sonsuz sevgi ve şükranlarımı sunarım. Temmuz 2011 Erhan ERATICI i

4 ĠÇĠNDEKĠLER SAYFA ÖNSÖZ. i ĠÇĠNDEKĠLER ii ÖZET v ABSTRACT. vi KISALTMALAR. viii ġekġlller.... ix TABLOLAR.... xii BÖLÜM I. GĠRĠġ VE AMAÇ 1 I.1 GĠRĠġ.. 1 BÖLÜM II. GENEL BĠLGĠLER 3 II.1 TIG KAYNAĞI II.1.1 TIG Kaynağı Genel Özellikler. 3 II.1.2 TIG Kaynağında Kullanılan Ekipmanlar II TIG Torcu II Gaz Nozul.. 7 II Gaz Lens II Kaynak Elektrodları II Elektrod Bileme Açısı II Tungsten Elektrodun Bilenmesi II.1.3 TIG Kaynağında Kullanılan Koruyucu Gazlar II Argon Gazının Avantaj ve Dezavantajları II Helyum Gazının Avantaj ve Dezavantajları ii

5 II TIG Kaynağında Kökün Korunması İçin Gazlar II.1.4 TIG Kaynağında Kullanılan Kaynak Makinaları II Jeneratör ve Alternatör Tipi Kaynak Makinaları II Transformatör-Redresör Tipi Kaynak Makinaları II Fazlı Redresör Tipi Kaynak Makinaları II Transformatör Tipi Kaynak Makinaları II Kontrol Üniteleri II.1.5 TIG Kaynağında Elektrodun Tutuşturulması II Elektrodun Parçaya Teması ile Tutuşturma II Yüksek Frekans Girişimi ile Tutuşturma II Yüksek Gerilim İmpulslarıyla Tutuşturma II Doğru Akımla Tutuşturma Alternatif Akımla Kaynak II Alternatif Akımla Arkın Tutuşturulması II.1.6 Krater Doldurma Tertibatı II.1.7 Akım Türü ve Kutuplama Şekli II.1.8 TIG Kaynağında Kaynak Ağzı Şekilleri ve Kaynak Ağzı Hazırlığı.. 27 II.1.9 TIG Kaynak Yönteminin Uygulama Alanları II.1.10 TIG Kaynak Yönteminin Avantaj ve Dezavantajları II.1.11 TIG Kaynağındaki Hatalar II Tungsten Kalıntılarının Nedenleri II Oksit Kalıntılarının Nedenleri II Gözenek Oluşumunun Nedenleri II Krater Çatlaklarının Nedenleri II Birleşme Hatalarının Nedenleri II.2 MAGNEZYUM II.2.1 Magnezyum Metalinin Genel özellikleri II.2.2 Magnezyum Alaşımları ve Standartları II.2.3 Magnezyum Alaşımlarının Kullanım Alanları II.2.4 Alaşım Elementlerinin Magnezyum Alaşımlarına Etkisi II Aluminyum II Çinko II Mangan II Kalay iii

6 II Kurşun II Silisyum II Titanyum II Zirkonyum II Kalsiyum II Demir II Bakır II Yitriyum II Gümüş II Stronsiyum II Toryum II Toprak Alkali Elementler II.2.5 Magnezyum Alaşımlarının Üretimi II.2.6 Magnezyum Alaşımlarının Mekanik Özellikleri II.2.7 Magnezyum Alaşımlarının Korozyon Özellikleri II Korozyon Davranışı II.2.8 Magnezyum Alaşımlarının Kaynak Özellikleri II.2.9 Magnezyum Alaşımlarında A-TIG Kaynak Uygulaması 74 KAYNAKLAR. 76 EKLER. 79 ÖZGEÇMĠġ. 82 iv

7 ÖZET MAGNEZYUM ALAġIMLARININ TIG KAYNAK ÖZELLĠKLERĠ Magnezyum en düşük özgül ağırlığa sahip metal olduğu için magnezyum alaşımları mükemmel özgül dayanıma sahiptir. Bu alaşımların dökümü, talaş kaldırılması, sıcak şekillendirilmesi, titreşim söndürme kabiliyeti ve geri kazanım özellikleri çok iyidir. Bu metalin maliyeti yüksek, oda sıcaklığı sünekliği, korozyon direnci ve aşınma direnci çok düşüktür. Bu ve sürünme direnci handikaplarından dolayı tüketimi ve üretimi çok azdır. Magnezyum alaşımlarının son yıllardaki ekonomik krizler ve ticaretin globalleşmesi otomotiv sektöründe magnezyumun kullanımını arttırmıştır. Bu artışın önümüzdeki yıllarda da artarak devam etmesi beklenmektedir. Magnezyum alaşımlarına halen bakım onarım kaynak uygulamaları yapılmaktadır. Bu alaşımların tüketiminin gelişmesi için ucuz ve kaliteli seri üretim kaynak yöntemlerine ihtiyaç vardır. Halen magnezyum alaşımlarına TIG ve lazer kaynağı yaygın olarak uygulanmaktadır. Yeni kaynak yöntemleri uygulamaları için çalışmalar yapılmaktadır. Magnezyum alaşımlarının TIG kaynağında porozite ve sıcak çatlak en çok karşılaşılan kaynak hatalarıdır. Ayrıca magnezyum alaşımlarının TIG kaynağında sınırlı nüfuziyet derinliği önemli bir handikap oluşturmaktadır. TIG kaynak yönteminde kaynak parametrelerini uygun seçmek suretiyle kaynak hataları önlenebilmektedir. Kaynak nüfuziyetini arttırmak için flaks kullanımı büyük kazançlar elde etmeye yaramıştır. Magnezyum alaşımlarının TIG kaynağı sırasında kaynak parametrelerinin (akım şiddeti, kaynak ilerleme hızı, gerilim ve polarite) dikiş boyutu ve kaynak hata oluşumu üzerindeki etkileri incelenmiştir. TIG kaynağı sırasında kullanılan flaksın kimyasal bileşimi, konsantrasyonu ve tane boyutunun dikiş nüfuziyet üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Temmuz 2011 Erhan ERATICI v

8 ABSTRACT PROPERTIES OF MAGNESIUM ALLOYS TIG WELDING Magnesium is the lightest of all the engineering materials, having a density of 1.74 g/cm 3. It is lighter than aluminium and over four times lighter than iron. This low density makes magnesium and its alloys attractive for the industry. This low density causes excellent static specific strength and very good specific stiffness. The high specific strength of magnesium alloys is a safety advantage against steels and other light weight materials. The specific stiffness of the magnesium alloys is a little bit less than steel but higher than light weight materials. Commercial die cast magnesium alloys have better damping properties than steels and aluminium alloys. Coupled with low weight and inertia, this reduces vibration and resonance in moving components. Most magnesium alloys have very good castability and uniformity of properties in various section thicknesses and can be cast by all current casting processes. Most of the common magnesium alloy components are produced by high pressure die casting processes. Magnesium alloys can be machined faster than any other engineering metal. Magnesium components and scraps can be recycled to the same high purity and quality standards as primary alloys. Magnesium alloys are easily rolled, extruded or forged at elevated temperatures. Several drawbacks have limited the growth of magnesium usage in the industry. The key factor that inhibits the massive use of magnesium is its relatively high price. Magnesium has a hexagonal closed packed (HCP) lattice, therefore pure magnesium and its cast alloys have limited ductility at the room temperature. Magnesium and its alloys are extremely susceptible to galvanic corrosion, which can cause severe pitting in the metal resulting in decreased mechanical stability and an unattractive appearance. Magnesium alloys have insufficient creep resistance for many desirable applications. The hardness of magnesium alloys are very low therefore adhesion and abrasive wear reactions easily happen in these alloy components. Today TIG is the main welding process for magnesium alloys, especially for the removal and repair of casting defects. TIG has some handicaps. Porosity and hot cracks are the most important weld defects. Weld speed is very low in TIG welding. vi

9 The welds have small weld penetration. Using activating fluxes in TIG welding increased the weld penetration depth. The disadvantages of conventional TIG process have caused attention to be drawn toward Nd: YAG laser welding and laser-tig hybrid welding processes. July 2011 Erhan ERATICI vii

10 KISALTMALAR TIG DAEN DAEP AWS DIN DC AC D ASTM MIG AA ITAB TS EN : Tungsten Inert Gas : Doğru Akım Elektrod Negatif : Doğru Akım Elektrod Pozitif : American Welding Society : Deutsches Institut für Normun : Direct Current : Alternative Current : Elektrod capı : American Society for Testing and Materials : Metal Inert Gas : Alternatif Akım : Isının Tesiri Altındaki Bölge : Türk Standartları : European Norm viii

11 ġekġller SAYFA NO ġekil II.1 TIG Kaynağı ġekil II.2 TIG Kaynak Yönteminin Şematik Gösterimi. 4 ġekil II.3 Su Soğutmalı Bir TIG Kaynak Ekipmanının Temel Elemanları... 5 ġekil II.4 Bir TIG Kaynak Torcunun Parçaları... 6 ġekil II.5 Normal Gaz Nozul ve Gaz Lensli Gaz Nozul. 7 ġekil II.6 Koruma Gazı Akışı. 8 ġekil II.7 DC Kaynak İçin Bilenen Tungsten Elektrod Örneği.. 11 ġekil II.8 Noktalı Açı ve Kaynak Havuzu Arasındaki Bağıntı ġekil II.9 Yatay Elektrod Ucu. 11 ġekil II.10 AC Kaynak İçin Tungsten Elektrod ġekil II.11 Tungsten Elektrodun Bilenmesi ġekil II.12 Elektrodun Parçaya Teması İle Tutuşturma ġekil II.13 Yüksek Gerilim İmpulslarıyla Tutuşturma ġekil II.14 Alternatif Akımda Yüksek Gerilim İmpulslarıyla Tutuşturma. 22 ġekil II.15 Krater Doldurma Tertibatının Şeması ġekil II.16 Akım Türü, Kutup Türü Ve Elektrod Formuna Bağlı Olarak Nüfuziyet Formları ġekil II.17 Alternatif Akımla TIG Kaynağında Doğrultma Etkisi ġekil II.18 TIG Kaynağında Meydana Gelen Hatalar ġekil II Yılları Arasında Avrupa ve ABD Otomobillerinde Magnezyum Kullanımı ġekil II Yılında Avrupa da Magnezyumun Kullanım Alanları ġekil II.21 AZ91D Magnezyum Alaşımı, %10 Karbon Fiber İçeren Polikarbonat Plastik Kompozitin, Al 6061-T4 Alaşımının ve Qste550tm İnce Taneli Çeliğin Özgül Dayanımlarının Mukayesesi ix

12 ġekil II.22 Otomobil Üretiminde Mg Alaşımından Dökülmüş Parçalar ġekil II.23 AZ91 Alaşımı Döküm Parçaları ġekil II.24 AM Alaşımı Döküm Parçaları ġekil II.25 WE43 Alaşımından Dökülmüş Helikopter Vites Kutusu ġekil II.26 Li Katkılı Mg Alaşımı Döküm Parçaları ġekil II.27 Mg-Al Denge Diyagramı ġekil II.28 Mg-Zn Denge Diyagramı ġekil II.29 Mg-Mn Denge Diyagramı ġekil II.30 Mg-Sn Denge Diyagramı ġekil II.31 Mg-Pb Denge Diyagramı ġekil II.32 Mg-Si Denge Diyagramı ġekil II.33 Mg-Ti Denge Diyagramı ġekil II.34 Mg-Zr Denge Diyagramı ġekil II.35 Mg-Ca Denge Diyagramı ġekil II.36 Mg-Fe Denge Diyagramı ġekil II.37 Mg-Cu Denge Diyagramı ġekil II.38 Mg-Y Denge Diyagramı ġekil II.39 Mg-Ag Denge Diyagramı ġekil II.40 Mg-Sr Denge Diyagramı ġekil II.41 Mg-Th Denge Diyagramı ġekil II.42 Mg Döküm Parçalarda Parça Ağırlığının ve Parça Üretim Sayısının Üretim Maliyetine Etkisi ġekil II.43 AZ91B Döküm Alaşımı ve AZ31B Ekstrüzyon Alaşımının Maliyetlerinde Üretim Metodunun Etkisi ġekil II.44 QE22A-T6 Kum Döküm Alaşımında Sıcaklığın Çekme Deney Sonuçlarına Etkisi ġekil II.45 Çentiksz QH21A-T6 Kum Döküm Alaşım Parçasında Sıcaklığın Yorulma Özelliklerine Tesiri ġekil II.46 Magnezyum Alaşımları İçin S-N Eğrisi ġekil II.47 QE22A-T6 Kum Döküm Alaşımı Sürünme Özelliklerinin Sıcaklıkla Değişmesi ġekil II.48 Alaşım Elementlerinin Korozyon Oranına Etkileri ġekil II.49 %3 Nacl Çözeltisindeki Mg-6A1-0.2Mn Alaşımınını Korozyon Oranına Demir Ve Çinkonun Etkisi x

13 ġekil II.50 M1A, AZ61A, ve A10 Magnezyum Alaşımlarında Sıcaklığın Korozyon Üzerindeki Etkileri ġekil II.51 Magnezyumun Korozyonunda Elektrokimyasal Reaksiyonlar ġekil II.52 A-TIG Kaynak Uygulaması ġekil II.53 Kullanılan Tozun Cinsine Bağlı Olarak Kaynaklarda Nüfuziyet Değişimi xi

14 TABLOLAR SAYFA NO Tablo II.1 Tungsten Elektrodların Kimyasal Bileşimleri ve Renk Kodları... 9 Tablo II.2 Çeşitli Metallerin TIG Kaynağı İçin Önerilen Koruyucu Gazlar ve Elektrodlar Tablo II.3 TIG Kaynak Yönteminde Akım Türünün Kaynak Özelliklerine Etkisi.. 25 Tablo II.4 TIG Kaynağı İçin Uygun Kaynak Ağzı Detayları. 29 Tablo II.5 TIG Kaynağında Meydana Gelen Tungsten Kalıntılarının Nedenleri Tablo II.6 TIG Kaynağında Meydana Gelen Oksit Kalıntılarının Nedenleri Tablo II.7 TIG Kaynağında Meydana Gelen Gözenek Oluşumunun Nedenleri Tablo II.8 TIG Kaynağında Meydana Gelen Krater Çatlaklarının Nedenleri 37 Tablo II.9 TIG Kaynağında Meydana Gelen Birleşme Hatalarının Nedenleri Tablo II.10 Alaşım Elementleri ve Kısaltmaları Tablo II.11 Mg Alaşımlarının Standartları ve Bileşimleri Tablo II.12 Magnezyum Alaşımları İçin Kullanılan Temper İşaretleri ve Anlamları Tablo II.13 Mg Alaşımlarında Oluşan İntermetalik Fazlar ve Çözünebilirlikleri.. 47 Tablo II.14 Bazı Magnezyum Alaşımlarının Ortalama Kimyasal Bileşimleri ve Tipik Oda Sıcaklığı Mekanik Özellikleri Tablo II.15 Mg Alaşımlarının Sürünme Mukavemetlerinin Sıcaklıkla Değişmesi Tablo II.16 %3-6 Nacl İçeren Çözeltide Magnezyumun Pratik Olarak Ölçülen Korozyon Potansiyeli Tablo II.17 Magnezyum Alaşımlarının Kaynak Kabiliyet Özellikleri Tablo II.18 Mg Alaşımlarının TIG ve MIG Kaynaklarında Kullanılan Tellerin Kimyasal Bileşimleri xii

15 Tablo II.19 Magnezyum Alaşımlarının Gaz Korumalı Ark Kaynağında Uygulanabilir Malzeme Kalınlık Aralıkları Tablo II.20 Mg Alaşımları İçin Tavsiye Edilen Maksimum Öntavlama Sıcaklıkları.. 72 Tablo II.21 Magnezyum Alaşımlarının Manuel TIG Kaynakları İçin Tavsiye Edilen Kaynak Şartları xiii

16 BÖLÜM I I.1 GĠRĠġ Günümüzde enerji kaynaklarının ve ekolojik dengenin korunması otomotiv sektörünü yakıt tüketiminde zorunlu kısıtlamalara götürmektedir. Bu amaçla araç lastiklerinde sürtünmenin azaltılması, ağırlıkta azalma, motor ve transmisyon verimliliğinin artırılması, araç ön alanının küçültülmesi ve aerodinamik tasarım gibi yaklaşımlar üzerine çalışılmaktadır. Örneğin araç ağırlığında yaklaşık 100 kg lık bir azalma ile 100 km de 0.5 litre bir yakıt tasarrufu sağlanmaktadır. Ağırlıktan 40 kg lık azalma, atmosfere verilen eksoz gazlarında da azalma sağlamaktadır. Yakıt tüketimini azaltmak için, otomotiv endüstrisinin mutlaka hafif, aynı zamanda da güvenilir malzeme kullanması zorunludur. Bu kapsamda özellikle otomobil üretiminde ağırlıktan azalma üretici firmaların en önemli hedefi haline gelmiştir. Otomotiv endüstrisinin Magnezyum (Mg) kullanımındaki artış geçen 10 yıl içerisinde her yıl %15 olarak gerçekleşmiştir. Bu artışın önümüzdeki 10 yıl içerisinde %12 lik oranla artmaya devam edeceği beklenmektedir. Malzeme seçiminde düşük ağırlık kadar önemli olan geri dönüşebilirlik dünya hammadde ve enerji kaynaklarının korunması için etken bir faktör haline gelmiştir. Mg günümüzde konstrüksiyon malzemesi olarak kullanılan metalik malzemeler içinde en hafif olanıdır. Ağırlık olarak Mg, Alüminyum (Al) dan %36, Demir (Fe) ve çelikten %78 daha hafiftir. Avrupa Birliği nin hedefi otomobillerinde kullanılacak malzemelerin, 2015 yılına kadar %95 geri dönüşebilir malzemelerden üretimidir. Japonya da ise yeni otomobillerde 2015 yılına kadar %95 geri dönüşebilir malzeme kullanımı zorunlu hale getirilmiştir. Japon taşıtlarında bugün Mg çok hızlı bir şekilde yerini almaktadır. Amerika Birleşik Devletleri nde de otomobil üretiminde Mg kullanımı artarak gelişmektedir. Bu konudaki gelişmeler Alman otomobilleri için de geçerlidir. 1

17 Mg, yoğunluğu ve buharlaşma özellikleri bakımından plastiklere benzetilirken, bu malzeme bir metalin mekanik özelliklerine sahiptir. Ayrıca Mg, mühendislik plastiklerine göre çok daha rijit ve çok daha fazla geri dönüşümü mümkün bir malzemedir. Mg un önemli alaşım grupları Mg-Al, Mg-Zn ve Mg-toprak alkali metalleri olarak gruplandırılır. Ama en geniş spektrum Al ve Zn grubudur. Mg alaşımlarının mekanik ve döküm özelliklerini geliştirmek amacıyla çok az miktarda Ca, Sr, Ba veya Sb, Sn, Pb ve Bi katılarak mikro alaşımlandırma yapılmaktadır. Yüksek sıcaklık uygulamaları için geliştirilen yeni Mg alaşımlarında nadir olarak toprak metalleri kullanılmaktadır. Yüksek mukavemet/ağırlık oranı gibi iyi mekanik özelliklerine rağmen, elektrokimyasal olarak oldukça aktif bir metal olmasından kaynaklanan kötü korozyon özellikleri, Mg ve alaşımlarının herhangi bir koruma uygulanmadan kullanılmalarını sınırlandırmaktadır. Mg bu sektördeki gelişimi, malzemenin birleştirme ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Birleştirme yönteminin gelişimi malzeme türünün kullanım alanlarını da geliştirmektedir. Mg alaşımlarının kaynağında birçok kaynak yöntemi kullanılmakta olup bunlardan en yaygın olarak kullanılanları Lazer ve TIG kaynak yöntemleridir. Bu çalışmada ise Mg alaşımlarının TIG kaynak yöntemiyle kaynaklı birleştirmeleri üzerinde çalışılma yapılması planlanmıştır. [10] TIG kaynağı; kaynak için gerekli ısı enerjisi bir tungsten elektrod ve iş parçası arasında oluşturulan ark tarafından sağlanan ve kaynak bölgesi de elektrodu çevreleyen bir nozuldan gönderilen asal gaz tarafından korunan kaynak yöntemidir. Bu kaynak yönteminde yüksek kalitede düzgün yüzeyli ve kusursuz kaynak dikişleri elde edilebilir. Magnezyum alaşımlarının TIG kaynak işlemlerinde genellikle koruyucu gaz olarak argon, helyum ya da bunların karışımları kullanılır [4]. Magnezyum alaşımlarına halen bakım onarım kaynak uygulamaları yapılmaktadır. Bu alaşımların tüketiminin gelişmesi için ucuz ve kaliteli seri üretim kaynak yöntemlerine ihtiyaç vardır.. Magnezyum alaşımlarının TIG kaynağında porozite ve sıcak çatlak en çok karşılaşılan kaynak hatalarıdır. Ayrıca magnezyum alaşımlarının TIG kaynağında sınırlı nüfuziyet derinliği önemli bir handikap oluşturmaktadır. TIG kaynak yönteminde kaynak parametrelerini uygun seçmek suretiyle kaynak hataları önlenebilmektedir. Kaynak nüfuziyetini arttırmak için flaks kullanımı büyük kazançlar elde etmeye yaramıştır. 2

18 BÖLÜM II GENEL BĠLGĠLER II.1 TIG KAYNAĞI II.1.1. TIG Kaynağı Genel Özellikler TIG kaynağı, esas olarak bir ark kaynağı şeklidir. Özellikle alüminyum, magnezyum, titanyum gibi hafif metallerin kaynağına uygundur döneminde geliştirilen bu yöntem, günümüzde önemli bir kaynak yöntemi olarak geçerli hale gelmiştir [1]. Şekil II.1 de esas metal ile tungsten elektrod arasında oluşturulan TIG kaynak arkı gösterilmektedir. ġekil II.1 TIG Kaynağı [3] 3

19 TIG kaynak yöntemi için elektrik akımı, su ve gaz'ın her an sağlanması ve kontrol edilmesi gerektiğinden bu yöntemde kullanılan donanım, ark kaynağında kullanılanlara göre daha karmaşık ve pahalıdır. Yöntem yaygın olarak TIG adıyla anılır. TIG kaynağı, elektrik ark kaynak yönteminin daha ileri bir aşamasıdır. Bu prosesin tam adında Tungsten kelimesi, arka elektrik akımını iletmeyi sağlayan erimeyen elektrodu, Inert kelimesi, diğer elementlerle kimyasal olarak birleşmeyen bir gazı ve Gaz kelimesi de, erimiş banyo ve arkı örten, kaynak bölgesini çevreleyen havayı uzak tutan malzemeyi simgeler. Bu kaynak yöntemi, Heliarc veya Argonarc olarak da anılmaktadır. TIG yöntemiyle, genellikle diğer kaynak yöntemleriyle oluşturulan kaynaklara göre daha üstün özellikte dikişler elde edilir. TIG kaynağında ark, tungsten elektrod ile parça arasında serbestçe yanar. Koruyucu gaz, argon, helyum veya bunların karışımından oluşur [8]. Şekil II.2 de TIG kaynağının prensip şemasını gösterilmektedir. Enerji üretecinin bir kutbu tungsten elektroda diğeri parçaya bağlıdır. Ark, sadece bir elektrik iletkeni ye ark taşıyıcısı olan tungsten elektrod (sürekli elektrod) ile parça arasında yanar. İlave malzeme, kural olarak akım yüklenmemiştir; kaynak bölgesine yandan veya önden, ya elle sevk edilen çubuk veya ayrı bir sevk aparatından sevk edilen tel formundadır. Tungsten elektrod ile erimiş banyo ve ilave metalin erimiş haldeki ucu, atmosferden, elektrodun bulunduğu bir koruyucu gaz memesinden elektrodla eşeksenli olarak beslenen bir inert koruyucu gaz ile korunur [1]. ġekil II.2 TIG kaynak yönteminin şematik gösterimi [4] 4

20 TIG kaynağında en yaygın koruyucu gaz olarak Argon kullanılır. Elektrodun tatminkâr şekilde korunabilmesi için koruyucu gazın saflık derecesi en az % 99,95 olmalıdır. Kural olarak 200 bar basınç altındaki 10 Nm3 'lük çelik tüplerde satılır. Hafif metallerde geniş ve derin nüfuziyet nedeniyle son yıllarda Argon/Helyum karışımlarının kullanılmasına doğru bir eğilim mevcuttur [4]. Şekil II.3'de TIG kaynak ekipmanın temel elemanları gösterilmektedir. ġekil II.3 Su soğutmalı bir TIG kaynak ekipmanının temel elemanları [3] II.1.2 TIG Kaynağında Kullanılan Ekipmanlar TIG kaynağı için gerekli donanım ve malzeme, içinden gaz geçen ve koruyucu gazı ark çevresine yönlendiren bir meme ile erimeyen bir tungsten elektrod içeren bir elektrod tutucusu veya torç; bir koruyucu gaz tüpü, bir basınç düşürme manometresi (basınç regülâtörü) ve akış ölçer (debimetre); bir elektrik akımı üreteci ve bazı makinelerde bir soğutma suyu devresinden oluşur [1] II TIG Torcu Bir TIG torcu, özel olarak tasarlanmış bir elektrod tutucusudur. Torç, çeşitli boyutlarda tungsten elektrodları kolaylıkla kullanabilecek tarzda imal edilmiş olup koruyucu gazın akışını yönlendirecek, değiştirilebilen bir gaz memesi ile donatılmıştır. Torçların bazıları hava soğutmalıdır ancak su soğutmalı torçlar daha yaygın şekilde kullanılmaktadır. Şekil II.4 de bir TIG kaynak torcunun temel elemanları gösterilmektedir [3]. 5

21 ġekil II.4 Bir TIG kaynak torcunun parçaları [3] Hava Soğutmalı TIG Kaynak Torcu Hava soğutmalı torçlarda, soğutma torcun dış kısmından hava yardımı ile iç kısmından ise akan koruyucu gaz tarafından gerçekleştirilir, bu neden ile bunlar gaz soğutmalı torçlar adı ile de anılırlar [1]. Su Soğutmalı TIG Kaynak Torcu Su soğutmalı TIG kaynak torcu, bir tutamak, bir elektrod tutucusu, koruyucu gazı ark'a ileten bir ortam, elektrik akımını ark' a ileten bir iletken ve soğutma suyunu torç kafasına ileten bir hortumdan oluşur. Su soğutmalı torçta su, torç kafasını, kontak borusunu ve elektrodu soğutur. Ayrıca diğer yöntemlere göre daha hafif olan kaynak akım kablosunu da soğutur. Eğer kaynak akım kablosu, sürekli bir soğutma suyu akışı ile soğutulmazsa, akım taşıyorken ısınır ve hatta yanabilir. Koruyucu gaz tüpünün çıkışına takılı olan basınç regülatöründen geçen koruyucu gazın bir hortumdan sonra torç kafasına ve kontak borusuna gelene kadar izlediği yolu göstermektedir. Gaz daha sonra, kendisini tungsten elektrodun çevresinden seramik memeye ve oradan da çalışma bölgesine ileten kontak borusu tutucusu çevresindeki bir seri delikten akar. Bu memenin çapı ve boyu, kullanılan elektrodun boyutlarına, akım tipine, kaynak edilen malzemeye ve kullanılan koruyucu gaz türüne bağlı olarak değişir [1]. 6

22 Elektrik akımı, su soğutmalı kaynak kablosu içinden torç kafasına, kontak borusu tutucusuna, kontak borusuna ve nihayet tungsten elektroda ulaşır. Elektrod ucunda ark oluşturulur, parçaya geçer ve parça üzerindeki kutuplama aparatı üzerinden kaynak makinesine döner [1]. Elektriğin torçtan parçaya akışı şeklindeki tanımlama, elektrodun negatif veya doğru kutuplanması halinde (Doğru Akım Elektrod Negatif = DAEN) geçerlidir. Eğer ters kutuplama kullanılırsa (Doğru Akım Elektrod Pozitif = DAEP) elektrod bunun tersi yönde akar [1]. TIG kaynak torçlarına takılan gaz memeleri, torcun biçimine, türüne, kapasitesine, hava veya su soğutmalı olmasına, kullanılan gaz debisine ve kaynak yerine göre değişik çap ve türde olabileceği gibi değişik malzemelerden de üretilmiş olabilir. Endüstride kullanılan gaz nozullarını, malzemeleri açısından dört gruba ayırabiliriz: seramik gaz nozulları, metal gaz nozulları, saydam gaz nozulları, çift gaz akışlı gaz nozulları [7]. II Gaz Nozul Gaz nozulun görevi koruma gazını kaynak alanına iletip atmosferik havanın kaybolmasını sağlamaktır. Gaz nozul TIG torcuna vidalanmıştır böylece gerektiğinde değiştirilmesi mümkündür. Genelde seramik bir malzemeden yapılmıştır ve ısıya da dayanıklıdır. Gaz nozulun ebatı genelde orifisin iç çapı ile belirtilir 1/16 [7]. Şekil II.5 te TIG kaynağında kullanılan nozullar gösterilmektedir. ġekil II.5 Normal gaz nozul ve gaz lensli gaz nozul [7] 7

23 II Gaz Lens Bir diğer gaz nozul cinsi de gaz lensidir ve koruma gazının tel olukları içinden geçip gaz akışının daha uzun mesafede daha sabit ve düzgün olmasını sağlayan bir sisteme sahiptir. Uzun gaz akışının avantajı elektrotun daha uzun çıkıntıya sahip olması ve böylece kaynakçının daha güzel bir görüntü sağlayabilmesidir. Gaz dağıtıcı ile koruma gazı sarfiyatı da azaltılabilir [7]. Şekil II.6 da TIG kaynağında gaz lenslerinin kullanımıyla koruyucu gaz akışının değişimi gösterilmektedir. ġekil II.6 Koruma gazı akışı [7] II Kaynak Elektrotları TIG kaynak yöntemi ile diğer elektrik ark kaynağı yöntemleri arasındaki en önemli fark, ek kaynak metalinin elektrot tarafından sağlanmaması ve elektrotun sadece ark oluşturma görevini üstlenmiş olmasıdır; bu bakımdan burada, erime sıcaklığı 3500 C civarında olan tungsten, elektrot malzemesi olarak seçilmiştir. Yüksek erime sıcaklığının yanı sıra tungsten çok kuvvetli bir elektron yayıcıdır ve yayınan elektronlar ark sütunu içinde kuvvetli bir elektron akımı oluşturur ve ark sütunundaki atomları iyonize ederek, arkın kararlılığını sağlar [6]. Günümüz endüstrisinde ticari saflıktaki tungsten (% 99.5 W) ile toryum, zirkonyum ve lantanyum ile alaşımlandırılmış elektrotlar kullanılmaktadır. Uygulamada karşılaşılan TIG kaynak elektrotlarını, saf tungsten elektrotlar, alaşımlı elektrotlar ve çizgili elektrotlar olmak üzere üç grup altında toplamak mümkündür. TIG kaynak elektrotları, AWS A5.12 ile DIN de bileşimlerine göre sınıflandırılmış ve bunları birbirlerinden kolaylıkla ayırt edebilmek için de renk kodları kullanılmıştır. Tablo II.1 de tungsten elektrodların kimyasal bileşimleri ve renk kodları gösterilmektedir. 8

24 Tablo II.1 Tungsten elektrodların kimyasal bileşimleri ve renk kodları [2] DIN de TIG kaynak elektrotlarının çapları (0,5), (1,0), (1,6), (2,0), (2,4), (3,0), (3,2), (4,0), (5,0), (6,0), (6,4) ve (8,0) mm boyları ise 50, 75, 150, 175 mm olarak belirlenmiştir. AWS A5.12 de ise elektrotların çapları (0,01), (0,02), (0,04), (1/16), (3/32), (1/8), (5/32), (3/16), (1/4) inç boyları ise 3, 6, 7, 12, 18 ve 24 inç olarak saptanmıştır. Yedi inçten daha uzun olanlar sadece mekanize ve otomatik kaynak yöntemlerinde kullanılırlar. Uygulamada elektrot çapı, elektrotun maksimum akım yüklenebilme kapasitesi göz önüne alınarak seçilmelidir, bu değere yaklaşıldığında arkın ısı yoğunluğu artmakta, daha stabil bir ark ile nüfuziyeti fazla, dikiş yüksekliği az bir kaynak dikişi elde edilebilmektedir [2]. II Saf Tungsten Elektrotlar Saf tungsten elektrotlar alternatif akımda alüminyumun kaynağında tercih edilirler. Bu elektrotlar iyi bir elektron emisyon özeliğine sahip olmalarına karşın, toryum alaşımlılara nazaran daha düşük akımda yüklenme kapasitesine sahiptirler, kirlenmeye ve oksitlenmeye daha yatkındırlar. Tungsten elektrot gerektiğinden daha düşük bir akım şiddeti ile yüklendiğinde, ark elektrotun uç kısmında gezinmeye başlar. Gerektiğinden daha yüksek bir akım şiddeti ile çalışıldığında elektrotun uç kısmı erime başlar ve bir sıvı tungsten damlacığı oluşur ve de kaynak sırasında bu damlacık oldukça yüksek bir frekans ile titremeye başlar. Bu esnada da tungsten zerrecikleri arkı izleyerek veya buhar halinde kaynak metaline geçer. Akım şiddetinin çok yükselmesi arkın stabilizesinin bozulmasına neden olur ve bu durumda tungsten kaynak metaline zerrecikler veya buhar halinde değil oldukça iri 9

25 damlalar halinde geçmeye başlar. İdeal akım şiddetinde elektrotun uç kısmında erimiş tungsten bir yarım küre şeklinde görülür [2]. II Alaşımlı Tungsten Elektrotlar Bileşiminde % 1 2 toryum oksit (ThO 2 ) içeren tungsten elektrotlar saf tungsten elektrotlara göre daha yüksek bir akım yüklenme kapasitesine, iyi bir elektron yayınımına, daha uzun bir kullanma ömrüne, kirlenmeye oksitlenmeye karşı daha büyük bir dirence, daha kolay bir tutuşmaya ve daha kararlı bir ark oluşturma özeliğine sahiptirler. Toryum - Oksit miktarının % 4 e kadar yükselmesi ile ark karakteristikleri daha da iyi bir duruma getirilebilir. Toryum - Oksit ile alaşımlanmış tungsten elektrotlar da, saf tungsten elektrotlar gibi sinterleme ile üretilir. Tungsten tozları ve toryum oksit tozları belirli bir oranda karıştırıldıktan sonra preslenerek şekil verilir ve sinterlenerek elektrot elde edilir. Toryum - Oksit alaşımlı tungsten elektrotlar, normal akım yüklenme kapasitelerinde erime göstermezler, aşırı bir akım ile yüklendiklerinde, saf tungsten elektrot halinde olduğu gibi erimiş tungsten damla halinde kaynak banyosuna geçmez, burada sadece elektrotta hızlı bir boy kısalması görülür. Bu olay alaşımlı elektrot halinde aynı elektron emisyonu yoğunluğunda sıcaklığın saf tungsten elektrottan daha düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Toryum - Oksit elektrotlardan daha iyi özelliklere sahip olan, seryum oksit (CeO 2 ) içeren elektrotlar çizgili tungsten elektrotlar diye bilinirler. Gövdeleri saf tungstenden yapılmış ve gövde üzerinde bulunan çizgi şeklindeki kanalcıkları ise toryum oksit ile doldurulmuştur. Saf tungsten elektrotun alternatif akım ile kullanma halindeki ark stabilizesi ile toryum oksit alaşımlı elektrotların akım yüklenme kapasitesini ve arkın kolay tutuşma özeliğini bir arada sağlamaktadırlar. Seryum elektrotun tüm kesitinde üniform olarak dağılmamış, elektrot üzerinde çizgi gibi görünen açılmış kanalcıklar içine doldurulmuştur [2]. II Elektrod Bileme Açısı TIG kaynakta iyi sonuç alınmasının başka bir şartı da tungsten elektrotun doğru bir şekilde bilenmiş olmasıdır. DC ve negatif polariteyle kaynak yaparken elektrot noktası daha dar ve daha derin nüfuziyet profili sağlanması için daha konsantre bir arka sahip olunabilmesi açısından konik olmalıdır. Şekil II.7 de DC akım ile kaynak için bilenen tungsten elektrod gösterilmektedir. Aşağıdaki başparmak kuralı tungsten elektrot çapı ve onun bilenmiş nokta uzunluğu arasındaki ilişkiyi gösterir. 10

26 Küçük noktalı açı dar kaynak havuzu ve daha büyük noktalı açı daha geniş kaynak havuzu sağlar [7]. ġekil II.7 DC kaynak için bilenen tungsten elektrod örneği [7] Noktalı açının aynı zamanda kaynak derinliğinin nüfuziyeti üzerinde de etkisi vardır [7]. Şekil II.8 de noktalı açı ve kaynak havuzu arasındaki bağıntı gösterilmektedir. ġekil II.8 Noktalı açı ve kaynak havuzu arasındaki bağıntı [7] 0.5 mm çaplı yatay bir alan elde etmek için elektrotun ucunu köreltmek tungsten elektrotun ömrünü uzatır. Şekil II.9 da tungsten elektrodun ucunun en uygun nasıl köreltileceği gösterilmektedir [7]. ġekil II.9 Yatay elektrod ucu [7] 11

27 AC TIG kaynağı için tungsten elektrot kaynak sırasında yuvarlanır çünkü kaynak sırasında oldukça fazla yüklenir ve daha yarım globular bir forma sahip olur [7]. Şekil II.10 da AC kaynak için uygun tungsten elektrod örneği gösterilmektedir. ġekil II.10 AC kaynak için tungsten elektrod [7] II Tungsten Elektrodun Bilenmesi Elektrodu bilerken ucu bileme diskinin yönünde olmalıdır. Böylece bileme izleri elektrotun uzunluk yolunda bulunacaktır. Elektrotların ekstra iyi bilenmesini sağlamak için elektrotların bilenmesi için elektrot bileme makinasına sahip olmak gerekir. Böyle makinalar çok iyi bileme izleri oluşmasını sağlayan yönlendirici elmas örtülü diske sahiptir. Genelde bu makinalar elektrotlar için ayarlanabilen bileme açısı ve böylece düzgün bileme sağlayan bir gerece sahiptir. Bu makinalar ayrıca, sağlık için çok zararlı olan tungsten tozunu filtre ederler [7]. Şekil II.11 de TIG kaynağında tungsten elektrodun uygun şekilde bilenmesi gösterilmektedir. ġekil II.11 Tungsten elektrodun bilenmesi [7] 12

28 II.1.3 TIG Kaynağında Kullanılan Koruyucu Gazlar TIG kaynak yönteminde koruyucu gaz kullanmanın tek amacı kaynak sırasında, kaynak banyosunu ve erimeyen tungsten elektrodu havanın olumsuz etkilerinden korumaktır. TIG kaynak yönteminde kullanılan koruyucu gazlar, helyum ve argon veya bunların karışımı gibi asal gazlar olup, kimyasal bakımdan nötr karakterde, kokusuz ve renksiz mono atomik gazlardır. Bunlar kimyasal olarak nötr bir karakter taşır ve diğer elemanlarla birleşmez, her ikisi de renksiz ve kokusuz birer gaz olup, yanmazlar. Hafif metal ve alaşımlarının kaynağında bulunan argonun çok saf olması istenir[9]. Mesela, gibi içerisinde bulunan az miktardaki su buharı, oksijen ve azot kaynağının kalitesine tesir eder. Oksijen ve azotu az olan argon temiz ve parlak bir kaynak dikiş yüzeyi verir. Eğer azot ve oksijen miktarı sınır üzerinde bulunursa, yapılan kaynakta dikişin yüzeyi ve geçiş bölgeleri gri kahverengi veya mat bir durum alır. Argon gazı atmosfer basınç altında tüplere doldurularak nakledilir. Tüpün muhtevası, tüpün büyüklüğüne göre 6-9 m 3 'dür. Argon, oksijen gibi kaynak basıncına özel basınç düşürme manometreleriyle düşürülür. Argon miktarı, yine tüp üzerinde bulunan ve basınç düşürme manometresiyle birlikte takılan özel aletlerle ölçülür. Bu da ayrıca otomatik kumanda cihazına bağlıdır [10]. Argon gazının iyonizasyon enerjisi 15,78 ev tur, helyum gazının ise 24,58eV tur. Yani helyum gazı ile oluşan ark daha yüksek enerjiye sahip bir ısı kaynağı olmaktadır. Hızlı kaynaklarda veya kalın parçalarda, derin nüfuziyet için helyum gazı tercih edilir. Argonda ısıyı kontrol altına almak daha kolaydır. Elle yapılan TIG kaynaklarında argon gazı tercih edilmelidir. Otomatik tezgâhlarda elde edilebilen hızlı kaynaklarda helyum kullanılabilir. Ostenitik krom-nikel, paslanmaz çelik, bakır ve nikel alaşımları ile titanyum ve alaşımları normalde argonla kaynaklanır, yüksek nüfuziyet isteyen uygulamalarda helyum tercih edilebilir. Alüminyum ve alaşımları, magnezyum ve alaşımları ile karbon çeliklerinin TIG kaynağında çok özel uygulamaların dışında argon daha iyi netice verir. Argonun helyuma göre bir üstünlüğü de arkın daha kolay başlamasıdır [3]. Kaynak sırasında koruyucu gazlar kaynak bölgesine bir ısı katkısında bulunmasalar da, ısı girdisini bir dereceye kadar etkilerler. TIG kaynak yönteminde koruyucu gaz olarak kullanılan asal gazlar veya bunların karışımı kaynak sırasında kızgın durumda bulunan tungsten elektrod ve erimiş kaynak banyosu ile bir reaksiyon oluşturmazlar, kaynak metalinin kalitesine olumsuz bir etkide 13

29 bulunmamalarına karşın, kaynak hızına ve kaynaklı bağlantının kalitesine önemli etkide bulunurlar [4]. Ostenitik krom-nikelli paslanmaz çeliklerin TIG kaynağında Ar çok tercih edilir. Ar a hidrojen eklenmesi ile kaynak hızı ve nüfuziyet artar, bunun yanı sıra daha temiz ve kaliteli dikişler elde edilmiş olur. Mekanize kaynak işlemlerinde, özellikle yüksek kaynak hızları istendiği durumlarda He, He+Ar veya Ar+H 2 karışım gazları önerilir. Örneğin; sürekli boru kaynaklarında da He+Ar veya Ar+H 2 koruyucu gazları saf Ar'a tercih edilir, zira yüksek kaynak hızlarında üstün özeliklere sahip kaynak dikişlerinde yanma oluğu tehlikesi azalır. Hatta incelemeler sonucu, He ca zengin gazlar, örneğin % 80 He+% 20 Ar veya % 5H 2 eklenen Ar+He karışımları (% 70He+%25Ar+%5H 2 ) kullanılması halinde çeliğin üretiminden gelen bileşim değişimlerinden kaynaklanan nüfuziyet farklılıkların da giderildiği saptanmıştır [4]. Koruyucu gaz tüketimi ve dolayısıyla ayarlanması gereken gaz debisi; 1- Malzemenin kalınlığından, 2- Esas metalden, 3- Elektrot çapından, 4- İlave tel çapından etkilenir. Ayrıca bu değerlerden, kaynak banyosunun büyüklüğü, ısının tesiri altındaki bölge, kaynak hızı, torcun hareketleri ve kaynak ağzının şekli ve çevredeki hava hareketleri (rüzgâr vs.) nedeniyle sapmalar ortaya çıkabilir. Koruyucu gaz tüketimi, akış miktarının bağlı olduğu gaz memesinin çapı tarafından belirlenir. Tablo II.2 de çeşitli metallerin TIG kaynağı için önerilen koruyucu gazlar ve elektrodlar gösterilmektedir [8]. 14

30 Tablo II.2 Çeşitli metallerin TIG kaynağı için önerilen koruyucu gazlar ve elektrodlar [4]. Metalin Türü Kalınlığı Akım Türü Elektrod Türü Koruyucu Gaz Tüm Kalınlıklar W veya WT Ar veya Ar-He AA DAEN Alüminyum Kalın Parçalar WT Ar veya Ar-He DAEP İnce Parçalar WT veya WZ Ar Bakır ve Bakır Tüm Kalınlıklar WT Ar veya Ar-He AA DAEN Alaşımları İnce Parçalar W veya WZ Ar Magnezyum Tüm Kalınlıklar W veya WZ Ar AA DAEP Alaşımları İnce Parçalar WZ veya WT Ar Nikel Alaşımları Tüm Kalınlıklar DAEN WT Ar Yalın Karbonlu Tüm Kalınlıklar DAEN WT Ar veya Ar-He ve Az Alaşımlı İnce Parçalar AA W veya WZ Ar Çelik Tüm Kalınlıklar DAEN WT Ar veya Ar-He Paslanmaz Çelik İnce Parçalar AA W veya WZ Ar Titanyum Tüm Kalınlıklar DAEN WT Ar II Argon Gazının Avantaj ve Dezavantajları Düşük ark gerilimi sonrası ısı girdisinin azalması, 1.5 mm den ince parçaların elle kaynağında büyük avantaj sağlar. Alüminyum ve alaşımları gibi yüzeyi refrakter bir oksit tabakası ile kaplı malzemelerin kaynağında temizleme etkisi daha şiddetlidir. Arkın tutuşması daha kolaydır. Ark daha sakin ve daha atabil yanar. Havadan ağır olması nedeniyle daha az koruyucu gaz ile daha etkin bir koruma sağlar. Dik ve tavan kaynaklarında gaz sarfiyatının fazla olmasına karşın ısı girdisinin azlığı sonucu oluşan daha ufak kaynak banyosuna kaynakçının kolaylıkla hâkim olabilmesine olanak sağlar. Otomatik kaynak işlerinde hızın yükselmesi, gözenek oluşumuna neden olur. Farklı metallerin kaynağında daha iyi sonuçlar alınır. 15

31 II Helyum Gazının Avantaj ve Dezavantajları Yüksek ark gerilim sonucu oluşan daha sıcak ark, ısı iletkenliği yüksek malzemeler ile kalın parçaların kaynağında daha iyi sonuçlar verir. Yüksek ısı girdisi ve yüksek kaynak hızı, daha dar bir ITAB oluşturur ve bunun sonucu olarak kaynaklı bağlantının mekanik özellikleri iyileşir. Böylece çarpılma ve kendini çekmeler azalır. Havadan çok daha hafif olması sonucu koruyucu gaz sarfiyatı yüksektir ve torcun memesinden çıkan gaz akımı hava hareketlerine hassastır Otomatik kaynak işlemlerinde yüksek kaynak hızlarında karşılaşılan gözenek ve yanma çentikleri oluşumu kontrol altına alınabilir. Otomatik kaynak işlemlerinde yüksek kaynak hızlarında karşılaşılan gözenek ve yanma çentikleri oluşumu kontrol altına alınabilir. Havadan daha hafif olması sonucu tavan kaynaklarında daha iyi koruma sağlar ve bu yüzden altlık olarak kullanımı uygundur. Günümüzde TIG kaynak yöntemleri diğer kaynak yöntemlerine göre birçok avantaj sağladığından daha çok tercih edilmektedir. TIG kaynak yönteminin en önemli üstünlüğü olan ısı girdisinin ve ergiyen ilave kaynak metali miktarının birbirinden bağımsız olması bu yöntemin çok ince parçalara uygulanabilmesini sağlamakta, kök pasoların çekilmesinde ve tamir işlerinde kaynakçıya büyük kolaylıklar getirmektedir [8]. II TIG Kaynağında Kökün Korunması İçin Gazlar İç köşe dikişlerinde ve alın dikişlerinin dolgu (ara) ve kapak pasolarında TIG kaynak torcunun sağladığı koruyucu gaz akışı, oksidasyondan korumada yeterli bir atmosfer oluşturur. Ancak örneğin boru hatlarının ve basınçlı kapların kaynağı gibi uygulamalarda, paslanmaz çeliklerde, kökün korozyon dayanımının sağlanması gereken durumlarda, kökün bir banyo emniyeti olmadan (altlıksız) kaynağı halinde bu koruma yeterli gelmez. Bu gibi durumlarda kaynak ağzının kök tarafından da bir gaz koruması gerekir. Genellikle ara ve kapak pasolarının çekilmesi sırasında, kök paso yüksek sıcaklığa çıktığından ve oksitlendiğinden, alt yüzeyden korumanın sürdürülmesi gerekir. Kök tarafından koruma, ya gaz korumasıyla (argon, N2 16

32 veya bu iki gazın H2 ile karışımı) veya her iki taraftan iki torç ile aynı anda kaynak yaparak sağlanır. En çok kullanılan kök koruma gazı, TS EN 439'a göre F2 grubunu oluşturan ve şekillendirici gaz olarak adlandırılan N2-H2 karışımıdır (% N2, kalanı H2) [1]. II.1.4 TIG Kaynağında Kullanılan Kaynak Makinalar TIG kaynağında düşey statik karakteristikli kaynak makinaları (akım üreteçleri) kullanılır. Bu nedenle prensip bakımından, elektrik ark kaynağında kullanılan makinalar TIG kaynağında da kullanılabilir. TIG kaynağında, elektrik ark kaynağına kıyasla devrede kalma süresindeki kesiklikler çok daha az sayıda olduğundan, uygun kuvvette akım üreteçlerinin seçimi çok önemlidir. TIG kaynağı hem alternatif hem de doğru akımla yapılabildiğinden, ya kaynak transformatörleri ya da redresörleri kullanılır. Hem doğru hem de alternatif akım veren bileşik makineler da mevcuttur. Günümüzde TIG kaynağında, çok düşük akımlarla çalışılabildiğinden, akım üreteçlerinin hassas şekilde ayarlanabilmesi (ince ayar) gerekir. Düşey karakteristikli kaynak makinelerinde akım şiddeti, makina üzerinde başka bir karakteristik eğrisi seçilerek ayarlanır. Bu şekilde aynı ark boyunda ark gerilimi de bir miktar yükselmiş olur; ancak kaynakçı bunu, elektrod ile parça arasındaki mesafeyi değiştirerek daha iyi etkileyebilir. Çalışma noktası, ayarlanan makina karakteristik eğrisi ile arkın karakteristik eğrisinin kesişme noktasıdır. Bir kaynak makinanın ayar bölgesi makinanın ayarlanabilen en düşük ve en yüksek ayar eğrileriyle arkın karakteristik eğrisinin kesişim noktasında elde edilir. Modern transistorlu kaynak makinalarında her bir uygulama için kademesiz ayarlama ve kaynak datalarının ön programlanması da mümkündür. Ayrıca akım impulslu olarak da ayarlanabilmektedir [11]. II Jeneratör ve Alternatör Tipi Kaynak Makinaları Jeneratör tipi kaynak makinaları, ya bir elektrik motoru ile (fabrika veya atölyede kullanmak için) veya bir içten yanmalı (gazyağı, benzin veya mazotlu) bir motorla (arazi de kullanmak için) tahrik edilirler. Jeneratör tipi kaynak makinaları genellikle elektrik ark kaynağı için kullanılır. Ancak koruyucu gaz veya yüksek frekans aygıtları adapte edilerek TIG kaynağında da kullanılabilir. Jeneratör tipi kaynak makinalarından çoğunlukla doğru akım elde edilir. Ancak bu makinalardan, yapılacak bazı dizayn değişiklikleriyle hem alternatif hem de doğru akım elde 17

33 edilmesi mümkündür. Alternatör tipi kaynak makinaları da yine TIG kaynağına adapte edilebilirler. Bu makinalardan da genelde alternatif akım elde edilir [11]. II Transformatör-Redresör Tipi Kaynak Makinaları TIG kayağı metodunda transformatör-redresör tipi kaynak makinaları motorjeneratör tipi kaynak makinalarına nazaran çok daha fazla ve yaygın olarak kullanılan makinalardır. Bu makinelerden hem alternatif hem de doğru akım alınabilir. Alternatif akımı üreten tek fazlı transformatör, alternatif akımı doğru akıma çeviren bir redresörle bağlantılıdır. Dolayısıyla TIG kaynağında bu tip kaynak makinalarıyla değişik cins metallerin kaynağı mümkün olmaktadır. Ayrıca bu makinelerin programlanabilir tipleri çok daha fazla ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Makina üzerindeki bir kol ile veya düğme ile ya redresör devreye sokularak doğru akım alınır ya da transformatör devreye sokularak alternatif akım alınır. Bu seçimi kaynakçının kendisi, yapılacak kaynağın cinsine göre yapar. Bunları statik tip (döner parçaları olmadığından) kaynak makinaları diye de isimlendirebiliriz [11]. Transformatör-redresör tipi kaynak makinalarının çeşitli büyüklükte tipleri vardır. Bu makinaların motor-jeneratör tipi kaynak makinalarına göre bazı üstünlükleri vardır. Bunlar; 1. Sessiz çalışır. 2. Boşta çalışma sarfiyatı düşüktür. 3. İşlem (kaynak işlemi) maliyeti düşüktür. 4. Bakım masrafları azdır. 5. Döner parçaları yoktur. II Üç Fazlı Redresör Tipi Kaynak Makinaları Bu tür kaynak makinelerinde tek fazlı transformatör redresör tipi kaynak makinalarının devrelerinde az da olsa görülen dengesizlikler üç fazlı girişten dolayı giderilmiştir. Ancak bu kaynak makinalarından genellikle doğru akım elde edilmektedir ve bir anahtar yardımıyla da hem ters kutuplama (elektrod pozitif) hem de doğru kutuplama (elektrod negatif) yapılabilmektedir. Üç fazlı redresör tipi kaynak makinalarının programlanabilir tipleri de mevcuttur. En kararlı ve en düzgün ark bu makinalarla elde edilmektedir [11]. 18

34 II Transformatör Tipi Kaynak Makinaları Bu tip kaynak makineleri TIG kaynağının çok az kullanıldığı bazı küçük veya orta büyüklükteki işyerlerinde genellikle ark kaynağı için kullanılır ancak gerektiğinde gaz sistemi ve mümkün olursa yüksek frekans cihazı da adapte edilerek TIG kaynağında da kullanılabilir. Ancak bu makinalardan sadece alternatif akım alınabildiğinden genellikle alüminyum ile magnezyum TIG kaynağı için uygun olabilir [11]. II Kontrol Üniteleri Çoğu durumda kaynak akımının çalışılan noktada veya kaynak yaparken değiştirilmesi gerekmektedir. Bu gibi durumlarda gerek elle gerekse ayakla çalışan uzaktan kumandalı cihazlar avantaj sağlamaktadır. Kaynak sırasında her bir fonksiyonun değiştirilebilmesini mümkün kılan kontrol cihazları mevcuttur. Bu cihazlar ya makineden ayrı veya makinenin içinde entegre bir ünite şeklindedir [1]. Basit bir cihazın aşağıdaki fonksiyonları yerine getirmesi gerekir: a. Akım rölesini çalıştırmalıdır. b. Elektrod tutuşturucuyu çalıştırmalıdır. c. Koruyucu gaz ventilini açıp kapatabilmelidir. d. Krater doldurma tertibatını çalıştırmalıdır. Bu fonksiyonlar, ya iki (iki zamanlı) ya da dört kademede (dört zamanlı) görev yapacak formdadır. Kaynak makinası, toplam kaynak işlemi süresince açık kaldığından, elektrod, bir koruyucunun devreye sokulmasıyla ve çıkarılmasıyla akım yüklenir ya da yüklenmez. Tutuşturma için gereken yüksek frekanslı gerilim veya yüksek gerilim impulsları da kaynak akımıyla birlikte devreye sokulur. Kayıplardan kaçınmak için koruyucu gaz da sadece esas kaynak işlemi sırasında akmalıdır. Diğer taraftan tutuşturma sırasında da tungsten elektrodun tatminkâr şekilde korunması gerekir. Bu durum, kaynağın başlangıcından kısa bir süre önce, koruyucu gaz akışını kontrol eden magnet ventilin gaz akışını serbest bırakması ile sağlanır. Diğer taraftan, katılaşmakta olan metal banyosu ve henüz tavlı haldeki elektrod ucu da arkın sönmesinden sonra kısa bir süre daha korunmak zorundadır. Bu işlem ise, arkın sönmesinden sonra koruyucu gazın birkaç saniye daha akması ile sağlanır. Eski cihazlarda bu işlem bir endüktans bobini ve art akış kabı ile sağlanmaktaydı [1]. Modern TIG kaynak makinelerinde magnet ventili bir zaman rölesiyle donatılmıştır. İstenen art akış süresi bu sayede ayarlanabilmektedir. İki zamanlı 19

35 kontrol sisteminde esas fonksiyonlar olan koruyucu gazın açılıp kapatılması komutları ve akımın açılıp kapatılma komutlarının her ikisi birlikte kumanda edilir. Yani akım başladığı anda gaz akışı başlar ve akım kesildiğinde gaz akışı da durur. Modern cihazlar ise çoğunlukla dört zamanlıdır [1]. 1. Zaman: Tetiğe basılır ve basılı tutulur, önce koruyucu gaz akmaya başlar (ön akış süresi ayarlanabilir), yardımcı tutuşturma başlar, ark düşük akım şiddetiyle tutuşur (ayarlanabilir) - ark tutuşmadığında, koruyucu gaz ve yardımcı tutuşturma tekrar kapanır (tasarruflu kumanda). 2. Zaman: Tetik bırakılır, ayarlanan kaynak akımı sürer, 3. Zaman: Tetiğe tekrar basılır ve basılı tutulur, akım ayarlanabilen bir zaman içinde sürekli olarak azalır 4. Zaman: Tetik bırakılır, akım kesilir, koruyucu gaz, ayarlanabilen bir süre daha akar. II.1.5 TIG Kaynağında Elektrodun Tutuşturulması Tungsten elektrod ile parça arasında bir arkın oluşturulması gerektiğinde, bu aralığın elektriksel bakımdan iletken hale getirilmesi gerekir. Arkın tutuşturulması sırasında oluşan yüksek sıcaklık sayesinde, koruyucu gaz elektriksel bakımdan iletken hale gelir [1]. II Elektrodun Parçaya Temasıyla Tutuşturma Şekil II.12 TIG kaynağında ark oluşturma yöntemlerinden, elektrodun parçaya temas ettirilmesiyle tutuşturulmasını gösterilmektedir. ġekil II.12 Elektrodun parçaya teması ile tutuşturma [7] 20

36 Bu şekilde tutuşturmada kaynak metalinde tungsten kalıntıları oluşabilir. Elektrod alaşımlanır ve dolayısıyla ark kararsızlaşır. Bakırdan bir yardımcı levha üzerinde tutuşturmayla tungsten kalıntılarından kaçınılabilir. Bu yöntem sadece doğru akımda mümkündür. Yeni bir tutuşturma tekniği de "kaldırılan ark ile (liftarc) tutuşturma" dır. Bu yöntemde çok düşük akım şiddeti yüklenen tungsten elektrod parça ile temas etmektedir. Dolayısıyla tutuşturma noktasında tungsten kalıntısı olmamaktadır. İlk önce elektrodun biraz yukarıya kaldırılmasıyla zayıf bir ark yakılmakta, daha sonra da kumanda tertibatındaki özel bir anahtar yardımıyla akım şiddeti tam gücüne ayarlanmaktadır [1]. II Yüksek Frekans Girişimi ile Tutuşturma Temassız tutuşturma, elektrodun parçaya temasıyla tutuşturmanın dezavantajlarından kaçınmayı mümkün kılar. Bu yöntem, hem doğru ve hem de alternatif akımla kaynakta mümkündür. Ancak alternatif akımda kaynakta bu tutuşturmanın, akımın yarı dalgası arasındaki her sıfırdan geçişte etki etmesi gerekir. Yüksek frekans girişimi ile tutuşturmada, tungsten elektrod ile parça arasında, gaz akışını önceden iyonize eden ve bu şekilde arkın temassız bir şekilde tutuşturulmasını sağlayan bir yüksek frekans üretecinin oluşturduğu birkaç MHz'lik frekanstaki ve yeterli yükseklikteki bir gerilim oluşmalıdır. Yüksek frekanslı tutuşturmanın kullanımı halinde, akım devresine bir yüksek frekans empedansı dahil edilmeli ve bu sırada yüksek frekansın sadece elektrod ile parça arasında akması ve kaynak makinesine yüksek frekanslı bir akım sıçramasından kaçınılması gerekir. Bu olduğu takdirde, tek tek sargılar arasındaki gerilim sıçraması yoluyla tahrip olabilir. Tutuşturucu devredeyken yüksek frekans nedeniyle yakında bulunan radyo ve televizyon alıcılarının bozulması da mümkündür. Bu tip arızaların tamiri çok masraflıdır [1]. II Yüksek Gerilim İmpulslarıyla Tutuşturma Yukarıda söz edilen dezavantaj, yüksek gerilim impulslu makinalarda yoktur. Bu tip makineler 50 Hz veya daha düşük frekanslı ve birkaç bin voltluk bir gerilimli impulslar üretir [1]. Şekil II.13 de TIG kaynağında yüksek gerilim impulslarıyla tutuşturma gösterilmektedir. 21

37 ġekil II.13 Yüksek gerilim impulslarıyla tutuşturma [7] II Doğru Akımla Tutuşturma-Alternatif Akımla Kaynak Son yıllarda alternatif akımla kaynakta, önce doğru akımla tutuşturma yapılmakta ve tutuşturmadan hemen sonra otomatik olarak alternatif akıma geçilmektedir [1]. II Alternatif Akımda Arkın Tutuşturulması Alternatif akımda ark, her sıfır geçişinde söner. Bu nedenle tıpkı başlangıçtaki yüksek gerilim impulslarıyla temassız tutuşturmada olduğu gibi, her yarı dalgada yeniden tutuşturulması gerekir. Alüminyum sadece alternatif akımla kaynak yapılır. Elektrodun pozitif kutuplandığı sırada alüminyumun yüksek sıcaklıkta eriyen oksit tabakası parçalanır. Bu süre kısa olduğundan tungsten elektrod aşırı yüklenmez [1]. Şekil II.14 de alternatif akım ile kaynak ta yüksek gerilim impulslarıyla tutuşturma gösterilmektedir. ġekil II.14 Alternatif Akımda Yüksek Gerilim İmpulslarıyla Tutuşturma [1] 22

38 II.1.6 Krater Doldurma Tertibatı Ark altında en son katılaşan sıvı haldeki banyo, dikişin diğer kısımları gibi tatminkâr bir şekilde ilave malzeme ile doldurulamayabilir. Dikiş ucunda arkın banyo üzerine etkiyen statik basıncıdan dolayı bir derinleşme meydana gelir. Dolayısıyla sıvı malzeme kenarlardan çekilir. Ayrıca sıvı metalin soğuması sırasında hacminin küçülmesi nedeniyle uç kraterde büzülme sonucu bir lunker oluşur. Ayrıca bir uç krater lunkerinde çoğu kez karşılaşılan katılaşma çatlaklarına da dikkat edilmelidir. [1]. Uç kraterindeki hata bölgeleri, eritilerek giderilemeyecek derecede derinse, kaynağa tekrar başlamadan önce taşlanması gerekir. Bu durumda modern TIG kaynak makinelerinde, kaynağın sonunda, istenen bir krater şekli sağlanmak için krater doldurma tertibatı devreye girerek, TIG kaynağı için tipik bir durum olan, akımın kademesiz şekilde yavaş yavaş azalması sağlanır. Bu tür bir akım azalması için basit bir prensip şeması Şekil II.15' te gösterilmiştir. ġekil II.15 Krater Doldurma Tertibatının Şeması [1] Kaynak işleminin sonunda torçtaki düğmeye basılmasıyla ilk önce kaynak akım devresindeki bir direnç devreye kademeye girerek kaynak akımını düşürür. Belirli bir süre sonra bir zaman rölesi kaynak akımını keser. Bu kesilme iki veya daha fazla kademede de gerçekleşebilir ancak modern makinelerde kademesizdir. Kaynak işleminin sonunda akımın kesilmesi, banyonun derinliğinin azalmasına yol açar, yani önden arkaya doğru kademeli bir katılaşma başlar. Aynı anda ark basıncı da, banyo üzerine biraz daha ilave metal ulaşmasını sağlayacak şekilde devam eder. Bu şekilde pasonun ucu (krater) dolar ve yüzeyde daha sonradan bir taşlama veya tekrar eritmeyi gerektiren muhtemel hata bölgeleri oluşmamış olur [1]. 23

39 II.1.7 Akım Türü ve Kutuplama Şekli Akım türü ve kutuplarına, her şeyden önce nüfuziyet formunu etkiler [5]. Şekil II.16 da bu durumu şematik olarak gösterilmektedir. a- Doğru akım (negatif kutup) b- Doğru akım (pozitif kutup) c- Alternatif akım d- Sivri uçlu elektrod e- Küt uçlu elektrod ġekil II.16 Akım Türü, Kutup Türü ve Elektrod Formuna Bağlı Olarak Nüfuziyet Formları [5] Kural olarak TIG kaynağında doğru akımla kaynak yapılır. Bunun bir istisnası, alüminyum, magnezyum ve bunların alaşımları gibi hafif metaller ve ayrıca pirinç ve berilyum bakırı gibi bakır alaşımları alternatif akımla kaynak yapılır. Negatif kutup soğuk kutuptur; bu nedenle kaynak sırasında tungsten elektrodun akım yüklenebilirliği ve dayanıklılığı pozitif kutuplanmasına göre negatif kutuplanması halinde çok daha yüksektir. Alternatif akımda kullanım halinde tungsten elektrodun akım yüklenebilirliği, doğru akımda negatif kutuplanmadaki değerine erişemez ancak pozitif kutuplanmaya göre birkaç kat daha yüksektir [5]. Alternatif akımla kaynakta elektrodun yüklenebilirliği, filtre kondansatörün kullanılıp kullanılmadığından da etkilenir. Akım devresindeki filtre kondansatörün görevi, daha sonra açıklanacaktır. Aşağıdaki ipuçlarımda farklı kutup türlerinde tungsten elektrodun akım yüklenebilirliği verilmiştir. Yüksek sıcaklıkta eriyen oksit tabakası içeren malzemelerde katı oksit tabakası, kaynak banyosunun akmasını ve damlaların üzerine düştüğü paso ile birleşmesini engeller. Yaklaşık 2050 C' lik erime sıcaklığıyla alüminyum oksit, eritme kaynağında çok zor parçalanan bu oksitlerden biridir. Gaz eritme kaynağında veya lehimlemede kullanılan dekapanlarla bu oksit 24

40 tabakası uzaklaştırabilmektedir ancak ilave bir masraf yapılmasını gerektirir. TIG kaynağında bu tabakanın uzaklaştırılması, arktaki yük taşıyıcılarla sağlanır. Yük taşıyıcılar, elektronlardan ve elektronların ayrılmasıyla oluşan pozitif yüklü gaz iyonlarından oluşur. Elektronlar büyük hızlarda hareket eder ancak kütlelerinin küçüklüğü nedeniyle kinetik enerjileri azdır. Bu nedenle sadece iyonlar, esas malzeme yüzeyine çarptıklarında yüzeydeki oksit tabakasını parçalamak için yeterli enerjiye sahiptir. Tablo II.3 te arktaki yük taşıyıcıların hareketleri şematik olarak gösterilmektedir. Elektronlar katottan anoda doğru yer değiştirir ve burada çarpma sonucu ısı üretir. İyonlar ise ters yönde hareket eder. Ancak iyonların kinetik enerjisi, sadece elektrod anod ve parça da katod olduğunda kaynak banyosunun yüzeyi üzerine uygulanabilir. Fakat bu şekilde temizleme etkisi önemli oranda düşük olur çünkü pozitif kutuplanmış elektrodun kuvvetli şekilde ısınması, akım şiddetini zayıflatır [1]. Tablo II.3 TIG Kaynak Yönteminde Akım Türünün Kaynak Özelliklerine Etkisi [2] Alternatif akımın kullanılması ile bu durumun iyi bir ortalaması elde edilir. Kutbun değişmesi, sırasıyla, elektrod pozitif kutup olduğunda oksit tabakasının parçalanmasına (katodik temizleme) ve elektrod negatif kutup olduğunda da tekrar soğumasına imkân sağlar. Bu nedenle iki yarı dalga, temizleme yarı dalgası ve soğutma yarı dalgası olarak adlandırılır. Bu bağlamda banyo yüzeyinin oksitten yeterli sekide temizlemesi ve elektrodun dayanma süresinde önemli bir artış sağlanır. 25

41 Başka bir teori, temizleme etkisini şöyle açıklamaktadır: elektrod pozitif kutup olduğunda erimiş banyodan çıkan elektronlar, oksit tabakasını parçalar. Ancak bu teoriye karşı, elektronların çıkış enerjisinin düşüklüğü nedeniyle, bunların alttaki metalden değil mevcut oksit tabakasından çıktığı söylenmektedir [2]. Alüminyumun kaynağında alternatif akımın kullanımı, başka bir problem daha çıkarır. Alüminyumun (erime sıcaklığı 658 C, buharlaşma sıcaklığı 2270 C) tungsten (erime sıcaklığı 3350 C, buharlaşma sıcaklığı 4800 C) ile ark içinde birleşik olarak iletim oluşturması, bir doğrultma etkisi doğurur. Daha önce de açıklandığı gibi elektronlar ya termik emisyon veya alan emisyonu yoluyla yayının izafi olarak düşük akım şiddeti ve gerilimde yapılan TIG kaynağında alan emisyonu nispeten zayıftır ve termik emisyon daha güçlü olup metallerde artan sıcaklıkla yükselir ve 3500 C 'nin üzerinde sıçrama gösterir. Bu sıcaklıklara sadece tungsten elektrod halinde ulaşılabilir; ancak buharlaşma sıcaklığı 3500 C' nin altında olan alüminyum halinde ulaşılamaz. Dolayısıyla parçanın negatif kutuplanması sırasında soğuk erimiş banyoya oranla elektrod negatif kutuplandığında sıcak elektrod da önemli oranda elektron çıkışı meydana gelir. Bu nedenle pozitif yarı dalganın küçülmesi durumu veya başka bir ifadeyle Şekil II.17' de gösterildiği gibi negatif bir doğru akım bileşeni oluşur. Bu doğrultma etkisi, TIG kaynağında sadece alüminyumda değil daha küçük kütleli olmak üzere çeliklerin kaynağında da meydana gelir. Burada da daha yüksek sıcaklığa ulaşan elektrod, daha fazla elektron yayar [1] ġekil II.17 Alternatif Akımla TIG Kaynağında Doğrultma Etkisi [1] 26

42 Doğru akım bileşeni, çoğu kez zararlı yönde etkir. Temizleme etkisi zayıflar ancak aynı zamanda ark daha keskin ve kararsız yanar; bu nedenle koruyucu gaz debisinin arttırılması gerekir. Doğru akım kısmı, bir ön manyetikleşmeye yol açarak kaynak makinesinin ısınmasına neden olduğundan trafo sarımlarına da zarar verir. Doğrultma etkisinin olumsuzluğu akım devresinin uygun bir yerinde, doğru akım bileşenini filtreleyen bir kondansatörün (filtre kondansatör) kullanılmasıyla engellenebilir. Özellikle alüminyum malzeme halinde, elektrod çap seçiminde daima ayarlanan kaynak akımını göz önünde bulundurulması gerekir. Bu özellikle alternatif akımda önemlidir. Doğru akımla kaynakla (elektrod negatif kutupta) bazen daha kalın elektrodlar da kullanılabilir, bu durumda her şeyden önce tekrar tutuşma emniyeti kötüleşebilir [1]. II.1.8 TIG Kaynağında Kaynak Ağız Şekilleri ve Ağız Hazırlığı TIG kaynağında kullanılan kaynak ağız şekilleri standartlaştırılmıştır. Bu bölümde DIN 8551 Kısım 1 ve DIN 8552 Kısım 1' deki ağızlar gösterilmiştir. Ancak şurası belirtilmelidir ki, TIG kaynak yöntemi, ilave metalin kullanılmaması gereken ve parça kenarlarının arkla eritilerek birleştirileceği kaynak dikişleri için özellikle uygundur. Bu uygulama türleri, standart ağız formlarından kıvrık alın kaynağı ve kıvrık bindirme alın kaynağı ' nı oluşturmaktadır. Bunun dışında köşe birleştirmedeki ve üç sacın birleştirilmesindeki içköşe dikişleri ve hafifçe çöküklüğün zararsız olduğu özel durumlar ve de l-dikişleri de bu kapsama girmektedir. l-birleştirmeler, 3 veya 4 mm' ye kadar ön alın mesafesinin hiç veya çok az olduğu çeliklerde tek taraftan kaynak edilir. Alüminyum malzemelerde kalınlık 5 mm' ye kadar çıkabilir. Daha kalın saçlar ( yaklaşık 8 mm' ye kadar) çift taraftan kaynak edilmelidir. Bu durumda saçlar arasında kalınlığın yarısı kadar bir aralık bırakılmalıdır. S- pozisyonunda (aşağıdan yukarıya) çift taraftan kaynak işleminde, yoğunlaşan ısı girdisi nedeniyle özellikle alüminyum ve bakırda mutlaka bir aralık bırakılmalıdır.8 veya bazen 10 mm' nin üzerindeki parça kalınlıkları durumunda esas olarak ağızlara eğiklik verilmesi ve Y- veya çift Y-şeklinde hazırlanması gerekir [1]. Ağız açısı çeliklerde 60, alüminyumda 70 olmalıdır. Kök alın yüksekliği çeliklerde 2 ila 4 mm ve bazen 6 mm' ye kadar, alüminyumda ise 2-3 bazen 4 olmalıdır. Ancak V-ve çift V-dikişlerinde ağız kenarlarının uçları düz kırılabilir, bu nedenle kök alın yüksekliği pratikte O' dan başlar. Daha kalın parçalarda bu dikiş formları ve U ve 27

43 çift-u dikişleri TIG kaynağıyla nadiren tam olarak doldurulabilir. Bu nedenle çoğu durumda kalın saçların kaynağında TIG kaynağı sadece kökün kaynağında kullanılır [5]. Alüminyumun tek taraftan kaynağında, kök tarafının yüzeyinde sık sık hafif ve çizgi şeklinde bir içeri çöküklük görülür. Bundan kaçınmak için kök alnının dış kenarlarına pah verilmelidir. Bir I-dikişinin alın kenarındaki oksit tabakasına, ark tarafından ulaşılamaz ve özellikle dikişin alt kısmında bu tabaka dağıtılamaz. Bu nedenle bu tabaka, oksitin erime sıcaklığı esas metalinkinden çok daha yüksek olduğundan, kaynak metalinde ayrı bir tabaka olarak kalır. Alt kenarda pah kırılması halinde, kaynak banyosu oksit tabakasını içine emer ve dikiş alt kenarında dağıtır. Hatayı gidermek için oksit çentiğinden dolayı kaynak dikişi zorlamalara dayanamadığında kaynak dikişi sökülmeli ve yeniden kaynak yapılmalıdır [5]. Tablo II.4 de çelik, alüminyum ve magnezyum gibi malzemelerin TIG kaynağında en önemli ağız şekillerini gösterilmektedir. Ağızların açılması, alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde alevle kesme yöntemiyle, paslanmaz çelik ve demirdışı metaller gibi özel malzemelerde ise plazmayla kesme yöntemiyle yapılır. İnce malzemeler makasla da kesilebilir. U veya çift U-ağız hazırlanacak kalın saçlarda ise çoğunlukla talaşlı imalat yöntemleriyle ağız hazırlanır [5]. 28

44 Tablo II.4 TIG kaynağı için uygun kaynak ağzı detayları [5] 29

45 II.1.9 TIG Kaynak Yönteminin Uygulama Alanları Bu yöntem genellikle hafif metallerin birleştirilmesinde kullanılır. Çeşitli büyüklükteki torçlarla 15 mm ye kadar kalınlıktaki parçaları kaynatmak mümkündür. Bu yöntemde yukarıdan aşağıya doğru dikey ve tavan kaynaklarının da uygulanması mümkündür. Yüksek miktarda çinko ihtiva eden bronzlar, titanyum alaşımları, zirkonyum, uranyum gibi kaynak kabiliyetleri zayıf metaller de bu yöntemle gözeneksiz olarak kaynatılabilir [4]. TIG kaynak yönteminin kullanıldığı önemli alanlar şunlardır: 1- Her çeşit alüminyum konstrüksiyonlar; mutfak takımları, boru tesisatları, tanklar, taşıt imalatı, teleferik kabinleri, gemi inşaatı v.s. 2- Paslanmaz çelikler; kimya ve gıda sanayinde kullanılan cihazlar, buzdolabı, boru tesisatı, tıbbi aletler, ısı eşanjörleri, tanklar, gaz ve buhar türbinleri, meme donanımları, uçak motorları, kaynatma kazanları, çamaşır makineleri v.s. 3- Dezokside edilmiş bakır ve alaşımları; kimya endüstrisinde ve elektroteknikte kullanılan bakır donanımlar v.s. 4- Sert tabaka dolgu kaynağı; subapların oturma yüzeyleri, aşınan parçaların doldurulması v.s. 5- DKP çelik saclar; karoseri işleri, çok ince saclarla yapılan konstrüksiyonlar, uçak inşaatı v.s. 6- Özel işler; transformatör sacları, çinko kaplı saclar, atom reaktörlerini inşasında kullanılan çeşitli parçaların imalatı v.s. II.1.10 TIG Kaynak Yönteminin Avantaj ve Dezavantajları TIG kaynak yönteminin avantajları şunlardır; 1- Bütün metal ve alaşımları kaynatılabilir. Paslanmaz çelikler, ısıya mukavim çelikler dökme demir ve çelik, alüminyum, magnezyum, bakır ve alaşımları, titanyum, nikel, molibden, niyobyum, tungsten gibi. 2- Bu yöntemle yapılan kaynaklarda mukavemet ve kalite bakımından mükemmel dikişler elde edilir. 3- Dekapana ihtiyaç yoktur. 4- Kaynak dikişleri genellikle kaynaktan sonra olduğu gibi kullanılır. 5- Çok küçük alanın ısıtılması ve ısının sürekli transferi dolayısıyla diğer yöntemlere göre çarpılmalar daha azdır. 30

46 6- Tungsten elektrodla dikişte çok az bir karbür ayrışması meydana gelir. 7- Her çeşit birleştirme şekli uygulanabilir; yatay, dik ve tavan pozisyonlarında kaynak yapılabilir. 8- Kaynak torcu hafiftir ve dolayısıyla rahat bir çalışma olanağı sağlar. 9- Bu yöntem sayesinde ayrı cins metalleri ve alaşımları birbirleriyle kaynatmak mümkündür. 10- TIG kaynak yönteminde genellikle koruyucu gaz olarak Argon kullanılır. 11- Kaynak dikişi üzerinde cüruf yoktur [4]. TIG kaynak yönteminin dezavantajları ise şunlardır: 1- TIG kaynağının metal yığma hızı diğer ark kaynak yöntemlerine göre düşüktür. 2- Kalın kesitli malzemelerin kaynağında ekonomik bir yöntem değildir. 3- Koruyucu gaz gerekir. 4- Kirliliğe hassastır bu yüzden yüzey temizliği gerektirir. 5- Açık havada zor kullanılır. 6- Kimyasal yapı düzeltilemez [6]. II.1.11 TIG Kaynağındaki Hatalar TIG kaynağında, diğer kaynak yöntemlerinde rastlanan, sertleşme çatlakları, dikiş altı çatlakları vs. gibi malzemeye bağlı hatalar değil, yöntemin uygulanması sırasında kaynakçının etkileyebildiği hatalar görülür. Şekil II.18 de TIG kaynağında meydana gelebilecek muhtemel hatalar ve nedenleri verilmiştir [1]. Kaynak dikişlerindeki hataların oluşumunu etkileyen faktörler; DikiĢ hazırlığı: Ağız formu, Ağız ölçüleri, Kaynak bölgesinin temizliği Cihaz ayarları: Gerilim / akım şiddeti, Cihazın karakteristiği, Koruyucu gaz miktarı Kaynak torcunun sevk ve idaresi: Kaynak hızı, Pasoların birbirine binme mesafesi ve zigzag hareketleri, kaynak torcunun ayarları (torç eğimi),elektrod ile parça arasındaki mesafe (torç mesafesi). 31

47 ġekil II.18 TIG kaynağında meydana gelen hatalar [1] Şekilde de görüldüğü gibi kaynak öncesinde ve kaynak sırasında gerekli önlemlerin alınmamasıyla birçok kaynak hatası meydana gelmektedir. Meydana gelen bu hatalar kaynak yüzeyinde yada kaynak içerinde meydana gelebilir. Eğere alınan tüm önlemlere karşı herhangi bir sebepten dolayı yineden kaynakta hata meydana geliyorsa uygun bir yöntemle bu hatalar kaynak bölgesinden temizlenir. 32

48 II Tungsten Kalıntılarının Nedenleri TIG kaynağında en çok karşılaşılan hatalardan biri de tungsten kalıntılarıdır. Bu hata genellikle elektrodun kaynak banyosuna teması ile meydana gelmektedir. Tablo II.5 de TIG kaynağında meydana gelen tungsten kalıntılarının nedenleri gösterilmektedir [1]. Tablo II.5 TIG kaynağında meydana gelen tungsten kalıntılarının nedenleri [1] Tungsten kalıntıları kaynak dikiş bölgesinde çentik olarak etki eder. Yüzey bölgesinde ise korozyona neden olur. Sıcak tungsten elektrodun kaynak banyosuna değmesi. Sıcak tungsten elektrodun kaynak teline Değmesi. Alternatif akımda tungsten elektrodun aşırı yüklenmesi. Tungsten elektrodun doğru akımda aşırı yüklenmesi (Elektrod negatif kutupta). 33

49 II Oksit Kalıntılarının Nedenleri TIG kaynağında oksit kalıntıları genellikle kulanılan ilave telden yada malzeme yüzeyinde bulunan kir, pas vb. maddelerden dolayı kaynak bölgesinde bulunmaktadır. Kaynak öncesi gerekli önlemlerin alınmasıyla bu hataların oluşması ortadan kaldırılır. Tablo II.6 da TIG kaynağında meydana gelen oksit kalıntılarının nedenleri gösterilmektedir [1]. Tablo II.6 TIG kaynağında meydana gelen oksit kalıntılarının nedenleri [1] Kaynaktan önce oksitlerin fırça ya da taşlama ile uzaklaştırılmaları gerekir. Ağız metalsel saflıkta değil. Oksit taşıyan kaynak teli. Her pasodan sonra yetersiz fırçalama. Sıcak kaynak telinin hareketleri sırasında koruyucu gaz akış bölgesinin dışına çıkartılması. Kök alnı çok yüksek olan yetersiz veya uygun olmayan kaynak ağzı. Kök bölgesinde oksidasyon. Özellikle düşük ve yüksek alaşımlı çeliklerde kök koruyucu gazla koruma. 34

50 II Gözenek Oluşumunun Nedenleri TIG kaynağında gözenek en çok karşılaşılan hatalardan biridir. Bu hatalar genellikle kullanılan gazlardan yada dış atmosferin etkisiyle meydana gelmektedir. Gaz korumasının yetersiz olması yada açık ortamda kaynak yapılması gözenek oluşumunun başlıca sebepleridir. Tablo II.7 de TIG kaynağında meydana gelen gözeneklerin nedenleri gösterilmektedir [1]. Tablo III.7 TIG kaynağında meydana gelen gözenek olumunun nedenleri [1] Yetersiz miktarda koruyucu gaz Aşırı miktarda koruyucu gaz nedeniyle koruyucu gaz örtüsünün girdaplı olması Koruyucu gaz örtüsünün 1 m/s nin üzerinde rüzgâr hızı nedeniyle bozulması Çok küçük gaz memesi Gaz memesi çapı = Kaynak banyosunun genişliğinin 1.5 katı Çok büyük torç mesafesi 35

51 Torcun çok düşük tutulması nedeniyle havanın emilmesi Su ile soğutulan torçlarda sızdırmazlıkların kötü olması sonucu koruyucu gaz içine su girmesi Kaynak dikişi bölgesinde toz, kir, yağ, koruyucu tabaka veya boya tabakası olması Koruyucu gaz akışının girdaplı olması ve bozulmuş gaz memesi nedeniyle havanın emilmesi 36

52 II Krater Çatlaklarının Nedenleri Tablo II.8 de TIG kaynağında meydana gelen krater çatlaklarının nedenleri gösterilmektedir [1]. Tablo II.8 TIG kaynağında meydana gelen krater çatlaklarının nedenleri [1] Kaynak akım şiddetinin çok yüksek olması Kaynak hızının çok düşük olması Kaynak bölgesinin ilave metalle yeteri oranda beslenememesi II Birleşme Hatalarının Nedenleri Tablo II.9 da TIG kaynağında meydana gelen birleşme hatalarının nedenleri gösterilmektedir [1]. Tablo II.9 TIG kaynağında meydana gelen birleşme hatalarının nedenleri [1] Yanlış ağız hazırlığı Çok küçük ağız açısı Kök alın yüksekliğinin fazla olması Kök aralığının kök yüksekliğine oranı çok küçük Kaynak hızının yüksek olması ve torcun merkezden kaçık tutulması nedeniyle meydana gelen yetersiz ergimeler Uygun olmayan kaynak paso düzeni 37

53 II.2 MAGNEZYUM II.2.1 Magnezyum Metalinin Genel Özellikleri Mg, yapısal uygulamalarda kullanılabilecek en hafif metaldir. Element ilk olarak Sir Humphrey Davey tarafından 1808 yılında keşfedilmiştir. Yer kabuğunun %2.7 sinde ve okyanusların %0.13 ünde bulunması sebebiyle Mg, yer kabuğunda yaygın olarak bulunan ve Periyodik Tabloda IIA grubunda yer alan toprak alkali elementtir. Saf Mg un mekanik ve fiziksel özellikleri aşağıda verilmiştir [12]. Simgesi : Mg Atom numarası : 12 Atom ağırlığı : 24,312 g/mol Ġyon değerliği : +2 Kaynama noktası : 1090 C Ergime noktası : 650 C Yoğunluğu : l,74 g/cm 3 Elektron düzeni : 3s 2 Kristal yapısı : Hekzagonal sıkı paket Çekme Dayanımı : Mpa Young Modülü : 45 GPa Çekme (katı-sıvı) : 4,2 % Atom hacmi : 14,0 (atom ağırlığı/yoğunluk) Özgül ısısı : 0,25 cal/g C Isı iletkenliği : 156 W/m K, s.cm. C (oda sıcaklığında) Elektrik iletkenliği : 22,4 m/(_ mm2)(oda sıcaklığında) Kaynama ısısı : 32,517 kal/atomgram Mg metali magnezit (MgCO3), karnolit (K2MgCl4.6H2O), veya dolomit MgCa (CO3)2 cevherlerinden, tuz depozitlerinden, doğal yeraltı ve yapay tuzlu sulardan ya da deniz suyundan üretilir. Mg üretimi iki şekilde yapılır. Birincisi ergimiş magnezyum klorürün(mgcl2) indirgenme prensibine göre; elektrolizi, dolomitten 38

54 kimyasal yollarla çökeltme ve arıtma yöntemleridir. İkincisi doğrudan tuzlu sulardan elde dilen magnezyum oksidin (MgO) termal redüksiyonu ile üretimidir. Mg alaşımlarında tane inceltici etkisi ile ilgili 1938 yılındaki önemli buluşlar ve Manganezin (Mn) Mg-Al-Zn alaşımlarının korozyona karsı direncini artırabilecek etkilerinin 1925 yılında keşfedilmesi, Mg un yapısal uygulamalarda kullanılmasını teşvik etmiştir. Şekil II.19 da yılları arasında Avrupa ve ABD otomobillerinde Mg kullanımı gösterilmiştir [12]. ġekil II Yılları Arasında Avrupa ve ABD Otomobillerinde Magnezyum Kullanımı [12] II. Dünya Savası sırasında Mg a olan talep yükselmiştir. Yalnızca A.B.D. de üretim 1943 yılında, 1938 yılındaki üretim rakamının 8 katından biraz yüksek olan ton a ulaşmıştır. Yapısal uygulamalar savaş esnasında askeri amaçlı kullanımlarla, hava taşıtları öncelikli olmak üzere sınırlıydı. Bunun tipik uygulamaları motor parçaları, uçak iskeletleri ve iniş takımlarıdır. Sekil III.1 de görüldüğü gibi son 16 yılda Avrupa ve A.B.D de Mg kullanımı oldukça artmıştır yılında Avrupa da yaklaşık 20 bin ton, A.B.D. de 30 bin ton olan Mg kullanımı 2007 yılına gelindiğinde Avrupa da 200 bin ton A.B.D. de ise 100 bin ton seviyelerine yükselmiştir. Sekil II.20 de ise 2001 yılında Avrupa da Mg metalinin kullanım alanlarını göstermektedir [12]. 39

55 ġekil II yılında Avrupa da Mg un kullanım alanları ( ton) [12] 2001 yılında en büyük kullanım alanı ton/yıl ile Al-alaşımlandırma, ton/yıl ile basınçlı döküm, ton/yıl ile kükürt giderme işlemi, ton/yıl ile de küresel dökme demir ve dövme ürünleri yapımıdır [12]. II.2.2 Magnezyum Alaşımları ve Standartları Mg alaşımları ASTM (A275) standart sistemi tarafından belirlenmiştir. Yöntem iki harfle birlikte iki rakamı kapsamaktadır. İki harf; iki en büyük elemanına verilmiş olan harf kısaltması, rakamlar ise bu alaşımların en yakın tam sayıya yuvarlanmış yüzdelik dilimleridir. Tablo II.10 da yaygın bir şekilde kullanılan alaşım elementleri tek harfle listelenmiş şekilde verilmiştir [17,18]. Tablo II.10 Alaşım elementleri ve kısaltmaları [17,18] Harf A B C D E H J K L M Q S W X Z Element Al Bi Cu Cd RE Tr Sr Zr Li Mn Ag Si Yi Ca Zn Örnek AZ91 alaşımının açıklaması aşağıda verilmektedir. A - Al yi yani Mg den sonra alaşımdaki en fazla elementi ifade eder. Z - Zn yi yani 2.olarak en fazla kullanılan elementi ifade eder. 9 - Alaşımdaki Al oranının yaklaşık 8,6-9,4 arasında olacağını ifade eder. 1- Alaşımdaki Zn oranının yaklaşık 0,6-1,2 arasında olacağını ifade eder. 40

56 Magnezyum alaşımları ASTM B 93/B 93M ve ASTM B94 de göre standartları Tablo II.11 de gösterilmiştir [28].. Tablo II.11 Mg alaşımlarının standartları ve bileşimleri [23] Magnezyum alaşımlarına uygulanan plastik şekillendirmeler ve ısıl işlemler temper işaretleri ile gösterilir. Kullanılan temper işaretleri ve anlamları Tablo II.12 de gösterilmiştir. Bu temper işaretleri Amerikan normunda Alüminyum alaşımları için kullanılan işaretlerin aynısıdır. Örneğin AZ91-T6 alaşımında T6 terimi parçayı çözeltiye alma ısıl işlemi ve suni yaşlandırma ısıl işlemi uygulandığını gösterir [15] Tablo II.12 Magnezyum alaşımları için kullanılan temper işaretleri ve anlamları [15] Temper ĠĢareti ĠĢaretlerin Anlamları F Üretildiği halde O Tavlanmış H10, H11 Düşük oranda deformasyon sertleşmesi yapılmış H23, H24,H26 Pekleşme yapılmış ve kısmen tavlanmış T4 Çözeltiye alma ısıl işlemi yapılmış T5 Suni olarak yaşlandırılmış T6 Çözeltiye alma ısıl işlemi yapılmış ve suni olarak yaşlandırılmış T8 Çözeltiye alma ısıl işlemi yapılmış ve soğuk şekillendirme yapıldıktan sonra suni olarak yaşlandırılmış 41

57 Magnezyum alaşımlarında bazen iki harf ve iki rakamdan sonra bir harf daha olabilir. Bu üçüncü harf o bileşimde kaçıncı alaşımın oluşturulduğunu gösterir. Örneğin AZ91C alaşımında bulunan C harfi %9Al, %1Zn içeren üçüncü alaşımı ifade eder. AZ81A daki sondaki A harfi belirtilen bileşimdeki ilk alaşımı tanımlar. II.2.3. Magnezyum Alaşımlarının Kullanım Alanları Magnezyum metalinin saf halde kullanılması çoğu diğer metallerde olduğu gibi dayanımının düşük olmasından dolayı mümkün değildir. Bu durum, değişik alaşımların üretilmesini gerektirmiştir. Mg alaşımlarının da en önemli özelliği hafifliktir. Bu açıdan bazı Mg alaşımlarının özgül çekme dayanımı, Al ve çeliğin özgül çekme dayanımından daha büyüktür. Şekil II.21 de Mg nin bu üstün özelliği görülmektedir. Magnezyum düşük yoğunluğundan dolayı çelik, Alüminyum ve Plastik kompozit malzemeden daha yüksek özgül mukavemete sahip olduğu görülmektedir. Bundan dolayı bugün elektronik, savunma, havacılık ve uzay sanayinde yaygın olarak Mg alaşımları kullanılmaktadır [12]. ġekil II.21 AZ91D Magnezyum alaşımı, %10 karbon fiber içeren polikarbonat plastik kompozitin, Al 6061-T4 alaşımının ve QStE550TM ince taneli çeliğin özgül dayanımlarının mukayesesi [25,26] 42

58 Otomotiv ve uzay-uçak sanayilerindeki ağırlık tasarrufuna yönelik arayışlarda Mg metali düşük yoğunluğu ile mühendislik uygulamaları açısından en hafif yapısal metal olarak ön plana çıkar. Günümüzde de Mg alaşımlarına olan en büyük ilgi otomotiv sektöründen gelmektedir. Bunun başlıca nedeni, hafif Mg alaşımlarının kullanımı ile araç ağırlığında yapılan azalmanın yakıt ekonomisi sağlaması ve bunun sonucu olarak gaz emisyonlarının da azaltılabilecek olmasıdır. Özellikle otomotivde hafif metalik malzemelere yöneliş sadece günümüzün otomobilleri ile ilgili değildir. Güneş enerjisi, elektrik veya hidrojen gibi alternatif enerji kaynakları ile çalışacağı öngörülen geleceğin otomobillerinde hafiflik bugünküne kıyasla çok daha önemli bir gereksinimdir. Önümüzdeki yıllarda binek otomobillerde ulaşılması planlanan yakıt tüketimi 3 litre/100 km gibi zorlu bir hedeftir ve bunun için otomobil ağırlığında yaklaşık %30 luk bir azalma gerekmektedir [12]. Mg un Al ve çelikle karşılaştırıldığında yüksek fiyatlı olmasına rağmen, net şekle yakın döküm parçalar üretildiğinden otomobillerde kullanımı giderek artmaktadır yılına kadar Mg alaşımlarının otomotiv ve elektronik endüstrisinde kullanımı %350 artması beklenmektedir [24]. Mg-Al-Zn (AZ91) alaşımları, çoğunlukla otomobil parçalarının dökümü için kullanılır. Diğer Mg alaşımlarıyla karşılaştırıldığında; AZ91 Mg alaşımı daha iyi döküm, daha iyi akma dayanımı özellikleri göstermektedir. Şekil II.22 de otomobil parçalarında Mg alaşımının kullanımı gösterilmiştir. Bu şekilden de görüldüğü üzere Mg alaşımları otomobillerin hemen her kısmında kullanılmaktadır. ġekil II.22 Otomobil üretiminde Mg alaşımından dökülmüş parçalar [25] 43

59 Mg döküm alaşımlarının gelecekte daha geniş kapsamlı kullanılabileceğine dair en iyi örneklerden biri de BMW firmasının yeni ürettiği Mg-Al kompozit motor bloğudur. Bu, Mg alaşımlarının yüksek sıcaklık motor uygulamasındaki ilk kullanımıdır [24]. Mg-Al-Mn esaslı alaşımlar (AM20, AM50, AM60) iyi uzama ve darbe dayanımlarına sahiptirler. Toprak elementleri içeren AS41, AS21 (Mg-Al-Si- Mn) ve AE42 (Mg-Al-Re) alaşımları artan sıklıkla, Mg-Al-Mn ve Mg-Al-Zn-Mn alaşımlarından daha yüksek sürünme dayanımıyla karakterize edilen aktarma parçaları imali için kullanılır. AZ serisi alaşımlar otomobil, havacılık, bilgisayar, kamera ve mobil telefonlarda kullanılır. Şekil II.23 te AZ91 alaşımından üretilmiş döküm parçalar görülmektedir. ġekil II.23 AZ91 alaşımı döküm parçaları [29] Mg alaşımlarında AM serisi alaşımlar yüksek toklukları ve enerji absorblama özellikleri bakımından özellikle direksiyon, tekerlek, otomobil koltuk iskeleti yapımında kullanılır. Şekil II.24 de AM alaşımından dökülmüş parçalar görülmektedir [30,31,32]. 44

60 ġekil II.24 AM alaşımı döküm parçaları [31,32,33] AE42 alaşımları 200 ºC nin üzerindeki servis koşullarında, transmisyon elemanı ve motorlarda kullanılır [30]. Şekil II.25 te WE43 alaşımından dökülmüş helikopter vites kutusu görülmektedir. ġekil II.25 WE43 alaşımından dökülmüş helikopter vites kutusu [22] Süper hafif Mg-Li esaslı alaşımlar bilgisayar elemanı olarak plastik ve diğer benzer malzemelerin yerine kullanılabilmektedir. Şekil II.26 da Li esaslı Mg alaşımından dökülmüş kamera ve cep telefon kutusu görülmektedir [28]. 45

61 ġekil II.26 Li katkılı Mg alaşımı döküm parçaları [28] II.2.4 Alaşım Elementlerinin Magnezyum Alaşımlarına Etkisi Magnezyum da diğer metaller gibi nadiren saf halde kullanılır. Malzemenin dayanım özelliklerinde belirli gelişmeler sağlamak için Mg a alaşım elementleri katılarak döküm veya dövme ürünler elde edilmektedir. Bazı Magnezyum alaşımlarının ortalama kimyasal bileşimleri ve tipik oda sıcaklığı mekanik özellikleri Tablo III.4 de görülmektedir [15]. Mg HSP yapıya sahiptir ve sahip olduğu tane çapı da çok fazla sayıda elementle katı çözünebilirliğe müsaade eder. Mg yapısal bir malzeme olarak kullanıldığında Al, Be, Ca, Cu, Fe, Mn, Ni, Si, Ag, Sn, Zn ve Zr gibi ana elementler ile Na, K, Li alkali ve Ce, Ln, Y, Nd gibi toprak elementleri (RE) katılarak alaşımlandırılır. Bu elementlerin biri veya birkaçı ile alaşımlandırıldığı zaman alaşımlar genellikle yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip olur. Mg alaşımları için katı eriyik sertleşmesi ve çökelti sertleşmesi iki önemli sertleştirme mekanizmalarıdır. Hume-Ruthery kuralına göre; eğer çözünen ve çözen atomların atomik çapları arasındaki fark %14-15 i aşarsa, katı çözelti oluşmayabilir. Ayrıca, katı çözelti oluşturabilmek için iki elementinde aynı kristal yapıya sahip olması gerekir. Tablo II.13 te ikili Mg alaşımlarında oluşan katı intermetalik fazlar ve çözünebilirlik verileri verilmiştir [12]. 46

62 Tablo II.13 Mg alaşımlarında oluşan intermetalik fazlar ve çözünebilirlikleri [22] II Aluminyum Mg esaslı alaşımlarda Al, en fazla kullanılan alaşım elementidir. Al katkısı alaşımın çekme dayanımını, sertliğini ve katılaşma zamanını artırmakta, fakat sünekliğini ve darbe dayanımını azaltmaktadır. Ergiyiğin dökülebilirliğini geliştirmesinin yanı sıra Mg un katı çökelti dayanımını ve döküm alaşımlarının mikro gözeneklerini azaltır. Alaşıma eklenen Al miktarı %6 yı aştığında, alaşımın ısıl işlem kabiliyeti artar. Katı eriyik sertleşmesi ve çökelti sertleşmesi ile oluşan Mg 17 Al 12 intermetaliği düşük sıcaklıklarda ( 120 ºC) oluşarak alaşımın dayanımını geliştirir [17,32]. Şekil II.27 de Mg-Al denge diyagramı görülmektedir. ġekil II.27 Mg-Al denge diyagramı [19] 47

63 II Çinko Zn, tane sınırlardaki ötektik miktarını artırarak, alaşımın katılaşma sıcaklığını düşürmektedir. Korozyon özelliklerinde Cu ın kötü etkisini yok etmek için Zn ilave edilmektedir. Zn, çökelti sertleşmesi sayesinde ortam sıcaklıklarında sertliği, dayanımı ve aynı zamanda ergiyiğin akıcılığını artırmakla birlikte, tane sınırlarına çökelmesi ile sıcak yırtılma oluşturduğu için %2 ile sınırlıdır. Ayrıca Zn alaşımın çekme mukavemetini artırır [17,27]. Şekil II.28 de Mg-Zn denge diyagramı görülmektedir. ġekil II.28 Mg-Zn denge diyagramı [19] II Mangan Alaşıma ilave edilen Mn daha çok korozyon direncini artırmak için % arasında kullanılır. Mn ın Mg alaşımlarında, korozyon direncine etkisi fazladır. Fe- Mn çökeltilerinde, Fe in kontrolü için Mn kullanılır. Mn, Mg alaşımlarının sürünme direncini geliştirir ve Fe in etkisini azalttığı için, korozyonu engeller. Fakat Mg alaşımlarının dayanımında Mn ın etkisi azdır [32]. Şekil II.29 da Mg-Mn denge diyagramına göre Mn, Mg içersinde %3.4 e kadar sıcaklığa bağlı olarak katı eriyik oluşturabilmektedir. 48

64 ġekil II.29 Mg-Mn denge diyagramı [19] II Kalay Sn, Mg dan daha düşük ergime sıcaklığına sahip ve Mg dan daha az akıcılığı olan bir elementtir. Mg a ilave edilen Sn, alaşımın sünekliliğini artırır, sıcak işlem sırasında da alaşımın çatlama eğilimini azalttığı için aynı zamanda alaşımın işlenebilirliğini de artırmaktadır. Sn içeren alaşımda Mg 2 Sn intermetalik faz oluşumu soğuma hızına bağlıdır. Yüksek soğuma hızlarında çubuk tipi Mg 2 Sn partiküllerin gözlenmesi Mg matrisi ile birlikte olur [12]. Şekil II.30 da Mg-Sn denge diyagramı görülmektedir. ġekil II.30 Mg-Sn denge diyagramı [19] 49

65 II Kurşun Alaşıma ilave edilen Pb iyi bir çözünürlüğe sahip olduğundan, yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 460 ºC) %45 e kadar Pb çözünmekte ve ayrı faz olarak ortaya çıkmamasının yanı sıra Mg17Al12 intemetalik fazını da inceltmektedir [12]. Şekil II.31 de verilen Mg-Pb denge diyagramı incelendiğinde alaşım sıcaklığı azaldıkça α+mg 2 Pb fazının oluştuğu gözlenmektedir. ġekil II.31 Mg-Pb denge diyagramı [19] II Silisyum Mg alaşımlarına eklenen Si, alaşımın yüksek sıcaklıklarda dayanımını artırmaktadır. Eğer alaşımda Fe de varsa Si, Mg alaşımlarının korozyona karşı direncini azaltır. Si atomları Mg matrisi içerisinde, oda sıcaklığında katı halde Mg 2 Si intermetalik fazını oluşturur. Kuma dökümlerde oluşan Mg 2 Si fazı basınçlı dökümlerde oluşana göre yavaş soğumadan dolayı kabadır ve bu da alaşımı kırılgan yapmaktadır [12]. Şekil II.32 de Mg-Si denge diyagramı verilmiştir. 50

66 ġekil II.32 Mg-Si denge diyagramı [19] II Titanyum Alaşıma ilave edilen Ti, az da olsa tane inceltici görevi yapar ve Mg içinde çok az çözünürlüğe sahiptir. Hızlı katılaşma ile Mg alaşımları üretilirse Ti un çözünürlük miktarı artırılabilir [12]. Şekil II.33 de Mg-Ti denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.33 Mg-Ti denge diyagramı [19] II Zirkonyum Alaşıma ilave edilen Zr, Mg alaşımlarında tane inceltici olarak kullanılır. Zr, oda sıcaklığında mekanik özellikleri geliştirir. Zn, RE ve Th içeren Mg alaşımlarında Zr tane inceltici olarak kullanılmaktadır. Zr, toprak elementleriyle birlikte kullanıldığında dökülebilirliği geliştirir [17,27]. Şekil II.34 de verilen Mg- 51

67 Zr denge diyagramından da görüldüğü üzere Zr un katı eriyik oluşturma oranı %1.2 civarındadır. ġekil II.34 Mg-Zr denge diyagramı [19] II Kalsiyum Ca un, Mg içerisinde maksimum çözünebilirliği 565 ºC de %1.34, 200 ºC de ise yaklaşık %0 dır. İntermetalik bileşim olan Mg2Ca un ergime noktası 715 ºC ye ulaşır. Mg da Ca sınırlı çözünebilirliği ile katı eriyik sertleşmesine etkisi sınırlıdır. Mg alaşımlarına %1 oranında katılan Ca alaşımın sürünme direncini geliştirmesinin yanı sıra sıcak yırtılmalara karşı olan eğilimi artırır. Ayrıca, az da olsa ergiyik metalin oksidasyonunu azaltmaktadır [12]. Şekil II.35 de Mg-Ca denge diyagramı görülmektedir. ġekil II.35 Mg-Ca denge diyagramı [19] 52

68 II Demir Mg un çelik kalıplarla kuvvetli reaksiyona girmesini artırır. Korozyon özelliklerini büyük oranda azaltır. Mg alaşımlarında Fe içeriği % aralığını geçmemelidir [12]. Şekil II.36 da Mg-Fe denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.36 Mg-Fe denge diyagramı [19] II Bakır Cu, dökülebilirliği iyileştirir. Mg alaşımlarında Cu miktarı %0.05 i aştığında korozyon özelliklerine zararlı olmaktadır. Bununla birlikte Cu alaşımın yüksek sıcaklıklara dayanımını artırır [12]. Şekil II.37 de Mg-Cu denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.37 Mg-Cu denge diyagramı [19] 53

69 II Yitriyum Y, Mg alaşımlarının dayanımını artırır. Diğer toprak elementleriyle birlikte kullanıldığında 300 ºC sıcaklıklara kadar gerilme ve sürünme özelliklerini geliştirir. Ayrıca Y, Mg da yüksek çözünürlüğe sahiptir (%12.5) ve azalan sıcaklıkla birlikte çözünürlük de azalmakta ve çökelti sertleşmesi oluşmasına sebep olmaktadır [27]. Şekil II.38 de Mg-Y denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.38 Mg-Y denge diyagramı [19] II Gümüş Ag elementi katkısı Mg alaşımlarının sertliğini geliştirir, ancak Ag nin pahalı oluşundan dolayı kullanımı sınırlıdır [12]. Şekil II.39 da Mg-Ag denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.39 Mg-Ag denge diyagramı [19] 54

70 II Stronsiyum Sr un mikro gözeneklerin dağılmasında etkisi vardır ve Mg alaşımlarının porozite eğilimini azaltır. Mg alaşımına %2 Sr ilavesi ile alaşımın mekanik özellikleri ve korozyona direnci artmaktadır [12]. Şekil II.40 da Mg-Sr denge diyagramı verilmiştir. ġekil II.2.40 Mg-Sr denge diyagramı [19] II Toryum Alaşıma ilave edilen Th, Y da olduğu gibi, 300 ºC sıcaklıklara kadar gerilme ve sürünme özelliklerini geliştirir. Dökülebilirliği iyileştirir, mikroporozite eğilimini azaltır ve Zn ile birlikte kullanıldığında kaynak edilebilme kabiliyetini geliştirir [12]. Şekil II.41 de Mg-Th denge diyagramından Th yaklaşık %0.49 oranında katı eriyik yaparken, %7.05 değerinde ötektik oluşturduğu görülmektedir. 55

71 ġekil II.41 Mg-Th denge diyagramı [19] II Toprak Alkali Elementler (RE) RE elementleri yüksek ısı dayanımını ve sürünme direncinin artırdığını ve döküm porozitesini azalttığı araştırmalar sonucunda bilinmektedir [17]. RE elementleri dökülebilirliği iyileştirir ve Mg alaşımlarında mikroporoziteyi azaltır. Oda sıcaklıklarında ve yüksek sıcaklıklarda alaşımda katı eriyik ve çökelme sertleşmesi yaparlar. Bu elementler, dayanım özelliklerini iyileştirir ve yükselen sıcaklıklarda alaşımların iyi sürünme dirençleri sayesinde kararlı çökeltileri matriste ve tane sınırlarında dağılır. II.2.5 Magnezyum Alaşımlarının Üretimi Endüstriyel olarak hem döğme hem de döküm Mg alaşımları üretilmektedir. Endüstri için önemli olan alaşımlar ve bunların oda sıcaklığı özellikleri Tablo II.14 de görülmektedir. Döğme alaşımları sıcak haddeleme, ekstrüzyon ve dövme yöntemiyle üretilmektedir [15]. Döğme alaşımlarının oda sıcaklık süneklikleri (% uzama değeri) ve sertlikleri çok düşük olduğu Tablo II.14 de görülmektedir. 56

72 Tablo II.14 Bazı Magnezyum alaşımlarının ortalama kimyasal bileşimleri ve tipik oda sıcaklığı mekanik özellikleri [15] Kimyasal BileĢim Çekme Akma Uzama Sertlik AlaĢım Al Mn Th Zn Zr Diğer MPa MPa % HRB Kum ve Sürekli Döküm AM100A-T AM63A-T AZ81A-T AZ91C-T T EZ33A-T RE HK31A-T HZ32A-T K1A-F QE22A-T Ag 2.1Di QH21A-T Ag 2.1Di ZE41A-T RE ZE63A-T RE ZH62A-T ZK51A-T ZK61A-T ZK61A-T Kokil Döküm AM60A-F AS41A-F Si AZ91A B-F Ekstrüze Çubuk AZ10A-F AZ21X1-F AZ31B C-F AZ61A-F AZ80A-T HM31A-F

73 M1A-F ZK21A-F ZK40A-T ZK60A-T HaddelenmiĢ Levha AZ31B-H HK31A-H , HM21A-T PE Döküm alaşımlarının üretiminde çok sayıda döküm yönteminden faydalanılmaktadır. Bu alaşımların da sünekliği ve sertliklerinin düşük olduğu Tablo II.14 de görülmektedir. Halen dünya da üretilen Mg parçalarının çoğu döküm yöntemiyle üretilmektedir. Parçanın ağırlığı ve üretim sayısı üretim maliyetini etkilemekte olduğu Şekil II.42 de görülmektedir. Üretim yapılan döküm yönteminin de maliyet üzerinde etkili olduğu Şekil II.42 de görülmektedir. Üretilen parça sayısının artmasıyla birlikte parça başına düşen maliyet azaltmaktadır. Şekil II.43 de ise ekstrüzyon ve döküm üretim yöntemlerinin üretim maliyet karşılaştırması yapılmıştır. Şekil de A harfi ile ifade edilen parçada talaş kaldırma işlemi de üretim maliyetine ilave edilerek maliyet analizi yapılmıştır [15]. ġekil II.42 Mg döküm parçalarda parça ağırlığının ve parça üretim sayısının üretim maliyetine etkisi [15] 58

74 ġekil II.43 AZ91B döküm alaşımı ve AZ31B ekstrüzyon alaşımının maliyetlerinde üretim metodunun etkisi [15] II.2.6 Magnezyum Alaşımlarını Mekanik Özellikleri Magnezyum alaşımlarının mekanik özellikleri alaşımdaki elementlerin cinsine, elementlerin oranına, uygulanan ısıl işleme ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişiklik gösterir. QE22A-T6 kum döküm alaşımında parça sıcaklığının çekme deney sonuçları üzerinde etkisi Şekil II.44 de görülmektedir. Parçanın sıcaklığı arttıkça akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve elastisite modülü azalmaktadır. Bu arada süneklik artış göstermektedir. Mg alaşımların da sıcaklık ile çekme mukavemeti düştüğünden parçanın yorulma mukavemetinde de düşme olduğu Şekil II.44 de görülmektedir. Çeliklerde 500 C üzerine çıkınca yorulma mukavemetinde belirgin düşme görülmektedir. Ama Şekil II.45 de 250 C sıcaklıkta malzeme yorulma mukavemetinin yarıya indiği görülmektedir. Mg parçalarının üretim yöntemi de yorulma dayanımı üzerinde etkili olduğu Şekil II.46 da görülmektedir. Genel olarak döğme alaşımlarının yorulma dayanımı döküm alaşımlarından daha yüksek olmaktadır [21]. 59

75 (a) (b) (c) ġekil II.44 QE22A-T6 kum döküm alaşımında sıcaklığın çekme deney sonuçlarına etkisi (a) Mukavemet üzerindeki etkiler (b) Elastisite modülü üzerindeki etkiler ve (c) Süneklik üzerindeki etkiler [14] 60

76 ġekil II.45 Çentiksiz QH21A-T6 kum döküm alaşım parçasında sıcaklığın yorulma özelliklerine tesiri [14] ġekil II.46 Magnezyum alaşımları için S-N eğrisi [21] 61

77 Mg alaşımlarının yetersiz kaldığı bir özellik de sürünme özelliğidir. Sıcaklık arttıkça bu alaşımlarını sürünme özelliklerinde hızlı bir düşüş gözlenmektedir. Tablo II.15 de magnezyum alaşımlarının sürünme mukavemetlerinin sıcaklıkla nasıl değişiklik gösterdiği gösterilmektedir [15]. Şekil II.47 de QE22A-T6 kum döküm alaşımında sürünme özelliklerinin sıcaklıkla nasıl değiştiği gösterilmektedir. Tablo II.15 Mg alaşımlarının sürünme mukavemetlerinin sıcaklıkla değişmesi [15] Sürünme Mukavemeti, MPa AlaĢım 205 C 315 Döküm AlaĢımları -T EZ33A-T HK31A-T HZ32A-T ZH52A-T Döğme AlaĢımları ZK60A-T5 7 - HM31A-F AZ31B-H HK31A-T HM21A-T

78 ġekil II.47 QE22A-T6 kum döküm alaşımı sürünme özelliklerinin sıcaklıkla değişmesi [14] Tablo II.14 de görüldüğü gibi Mg alaşımlarının sertlikleri çok düşüktür. Bu nedenle bu malzemelerin aşınma özellikleri abrasif aşınma başta olmak üzere çok düşüktür. Yaşlanma sertleştirilmesi yapılan malzemelerde bile sertliğin çok az artması önemli bir handikap teşkil etmektedir [14]. II.2.7 Magnezyum Alaşımlarının Korozyon Özellikleri 1.8 gr/cm³ yoğunluğu ile magnezyum alaşımları en hafif konstrüksiyon malzemesidir. Otomobil üretiminde, portatif aletlerde, bilgisayarlarda, uçak ve diğer hafif makine üretiminde önemli avantajlara sahiptir. Malzeme seçiminde, magnezyum alaşımlarının korozyon özelliklerinin belirlenmesi için farklı malzemelerin korozyon davranışları dikkate alınır. Şekil II.48 de %3 NaCl çözeltisindeki magnezyum alaşımında bulunan alaşım elementlerinin korozyon oranlarına etkileri görülmektedir. Şekil II.49 da ise %3 NaCl çözeltisindeki Mg- 63

79 6A1-0.2Mn alaşımının korozyon oranına demir ve çinkonun etkileri gösterilmektedir. Demir, nikel ve bakır gibi ağır metallerin magnezyumun korozyon hızı üzerindeki negatif etkisi çok uzun zamandır bilinmektedir. Ancak bunun pratik uygulaması daha yeni olmakla birlikte, 1980 li yıllarda alaşımların korozyon dayanımı konusunda önemli gelişmeler olmuştur. Son yıllarda yeni, korozyon dayanımı yüksek ve aynı zamanda deformasyon kabiliyeti olan alaşımlar geliştirilmiş ve otomobillerde kullanılmaya başlanmıştır [12]. ġekil II.48 Alaşım elementlerinin korozyon oranına etkileri [13] ġekil II.49 %3 NaCl çözeltisindeki Mg-6A1-0.2Mn alaşımının korozyon oranına demir ve çinkonun etkisi [13] 64