2.2 KAYNAKLI BİRLEŞİMLER

Transkript

1 2.2 KAYNAKLI BİRLEŞİMLER Aynı veya benzer alaşımlı metal parçaların ısı etkisi altında birleştirilmesine kaynak denir. Kaynaklama işlemi sırasında uygulanan teknik bakımından çeşitli kaynaklama yöntemleri bulunmakla birlikte, yapısal sistem elemanlarının kaynakları için elektrik arkı kullanılarak yapılan ergitme kaynakları kullanılır. Eritme kaynakları : Esas metal olarak adlandırılan parçaların kaynaklanacak kısımları ve kaynak metali olarak adlandırılan ilave alaşım (kaynak teli, kaynak elektrodu) erime derecesine (3000 o o ) ısıtılır ve üç parçanın kaynaşması sağlanır. Bu bölgenin soğuması ile birleşim sağlanmış olur. Kaynak için kullanılan kaynak metali de çelik alaşımdan oluşur ve dayanımı birleştirilen parçaların dayanımına eşit veya daha yüksektir. Eritme ısısı için elektrik arkından yararlanılır. Elektrik arkı ile kaynak için elektrod veya kaynak teli, elektrod maşası, kaynak makinesi, kablo ve bağlantı maşası gibi bileşenler kullanılır. Uygulanışı : Elektrod (tel), maşa ve bir kablo ile kaynak makinesinin (-) kutbuna bağlanır. Kaynaklanacak parçalar da bağlantı maşası ve bir kablo ile kaynak makinesinin (+) kutbuna bağlanır. Elektrodun ucu kaynaklanacak bölgeye yaklaştırılınca, elektrod ile kaynaklanacak parçalar arasında bir elektrik arkı meydana gelir. Bu arkın doğurduğu yüksek ısı ( 4000 o C) etkisiyle parçaların kenarları ve elektrodun ucu erime durumuna gelir. Elektrodun ucunda oluşan metal damlaları, yerçekimi ve zıt kutuplar arası elektron akımı etkisiyle kaynak derzini doldurur. Böylece parçalar arasında oluşan kaynak dikişi ile birleşim sağlanmış olur. Ergitme kaynağı şematik gösterimi ( Standart elektrod kaynağı) Esas metaller Kaynak metali Üç metalin kaynaşması 1

2 Elektrik arkı kaynakları aşağıda belirtildiği gibi farklı teknikler kullanılarak yapılabilmektedir. Standart ark kaynağındaki kaynak kalitesini arttırmak amacıyla diğer teknikler kullanılmaktadır. Özellikle gaz altı ve toz altı kaynakları için özel ekipmanlara ihtiyaç duyulmakta bu nedenle çoğunlukla fabrika (atölye) koşullarında yapılmaktadır. 1) Standart Elektrik Arkı Kaynağı (Elektrod Kaynağı) 2) Özlü Elektrodlu Elektrik Arkı Kaynağı 3) Gaz altı Elektrik Arkı Kaynağı 4) Toz altı Elektrik Arkı Kaynağı Gaz altı Elektrik Arkı Kaynağı Ekipmanları Toz altı Elektrik Arkı Kaynağı Ekipmanları KAYNAK TÜRLERİ Yapısal sistemlerde kullanılan kaynaklar yük taşıma mekanizması ve uygulama şekilleri bakımından genel olarak üç ana gruba ayrılmaktadır. Bu kaynaklar bir birleşim içerisinde birlikte de kullanılabilir. Bu durumda her biri için ayrı hesap yapılır. Kaynaklar ile ilgili teknik şartlar TS EN (2008) şartnamesinde verilmiştir. a) Küt kaynaklar b) Köşe kaynaklar c) Dairesel ve oval dolgu kaynaklar a) Küt kaynaklar: Genellikle aynı düzlemde bulunan iki elemanı birleştiren kaynaklar küt kaynak olarak isimlendirilir. Ancak, iki farklı düzlemde bulunan elemanlarda da küt kaynak uygulaması yapılabilir. Küt kaynak Küt kaynak iç yapısı Küt kaynak örneği 2

3 b) Köşe Kaynaklar: İki çelik elemanı aralarındaki açı 60 o -120 o olacak şekilde birleştirilen kaynaklar köşe kaynak olarak isimlendirilir. İki eleman arasındaki 60 o den küçük olursa kaynaklar kısmi penetrasyonlu (nüfuziyetli) küt kaynak olarak değerlendirilir. Köşe kaynak Köşe kaynak iç yapısı Köşe kaynak örneği c) Dairesel ve oval dolgu kaynaklar: Birleşim elemanlarında bırakılan dairesel veya oval deliklere dolgu yapmak suretiyle birleşim sağlayan kaynaklardır. Bu tür kaynakların kullanımı kısıtlıdır. Bindirmeli birleşimlerde ve çok parçalı yapma elemanların birleşimlerinde parçaların ayrılmasını ve burkulmasını önlemek amacıyla kullanılabilir. Dairesel dolgu kaynak Oval dolgu kaynak Dairesel dolgu kaynak örneği 3

4 KÜT KAYNAKLARIN ÖZELLİKLERİ Küt kaynaklar levha kalınlıklarına bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılmakta ve kaynağın birleştirilen elemanlara nüfuziyetine bağlı olarak ikiye ayrılmaktadır. i) Tam penetrasyonlu küt kaynak : Elemanlar tüm kalınlık boyunca bağlanır. ii) Kısmi penetrasyonlu küt kaynak : Elemanların kalınlığının belirli bir kısmı bağlanır. Tam penetrasyonlu küt kaynaklar, ilgili şartname kurallarına uygun yapıldığında dayanımları esas metallerden fazla olduğu için hesapla doğrulanmasına gerek yoktur. Ancak esas metalde gerekli kontroller yapılmalıdır. Kısmi penetrasyonlu küt kaynakların ise hesapla doğrulanması gerekmektedir. Tam penetrasyonlu küt kaynak Kısmi penetrasyonlu küt kaynak Küt kaynak için esas metallerde kaynak ağzı adı verilen hazırlık yapılır. Kaynak ağzı olarak hazırlanan şekiller küt kaynak tipini (adını) belirler. Yaygın bazı küt kaynak tipleri aşağıda gösterilmiştir. I tipi I/2 V tipi K tipi V tipi X tipi J tipi ½ V küt kaynağı V küt kaynağı 2 adet J tipi U tipi 2 U tipi 4

5 Küt kaynakda etkin kalınlık, uzunluk ve alan Tam penetrasyonlu küt kaynakda etkin kalınlık: a= t min t min = en ince levha kalınlığıdır t 1 < t 2 a= t 1 Kısmi penetrasyonlu küt kaynakda etkin kalınlık : Kısmi penetrasyonlu küt kaynak kalınlığı aşağıdaki Tablo 13.1 e göre belirlenir. Kalınlıklar Tablo 13.3 de verilen değerlerden az olamaz. Eğrisel yüzeyli elemanların küt kaynakları için kalınlık Yönetmelikte (ÇYTYK-2016) verilen özel kurallar ile belirlenir. h h a = h a = h-3mm 5

6 Küt kaynakta etkin uzunluk (L e ) : Uygulanan kaynağın uzunluğuna eşittir. L e Küt kaynakta etkin alan A we : Etkin kaynak uzunluğu ile kalınlığın çarpımına eşittir. Birleşimdeki tüm kaynak uzunlukları için ayrı ayrı hesaplanıp toplanır. A we = a*l e Gerektiği durumlarda kaynaklardaki gerilmeleri hesaplamak amacıyla aynı kaynak alanının atalet momenti, mukavemet momenti gibi büyüklüklerde kullanılabilir. L e x x Kaynak kesiti a Kaynak atalet momenti : 3 a (Le) Iwx 12 Kaynak mukavemet momenti : W wx a (Le) 6 2 6

7 KÖŞE KAYNAKLARIN ÖZELLİKLERİ Köşe kaynaklar genellikle kaynak ağzı hazırlığı yapılmadan uygulanır. Aşağıda gösterildiği gibi iki taraftan veya tek taraftan kaynak yapılabilir. Köşe kaynak üçgen sembolü ile gösterilir. Küt kaynakda etkin kalınlık, uzunluk ve alan Köşe kaynakda etkin kalınlık : Köşe kaynağında etkin kalınlık (a) olarak, kaynak en kesitlerinin içine çizildiği düşünülen ikizkenar üçgenin yüksekliği esas alınmaktadır. Köşe kaynaklarda etkin kaynak kalınlığı (a) (a = b) Köşe kaynakların minimum kalınlıkları Yönetmelikte (ÇYTYK-2016) koşulları sağlamalıdır. verilen aşağıdaki Köşe kaynak kalınlıkları ayrıca t eleman kalınlığı olmak üzere aşağıdaki koşulu da sağlamadır. t 6 mm ise t > 6 mm ise a max = 0.7*t a max = 0.7*(t - 2mm) 7

8 Köşe kaynakta etkin uzunluk (L e ) : Uygulanan kaynağın iki ucundan (a) kadar krater boyu çıkarılarak elde edilir. Ayrıca uygulanan uzunluğa bağlı olarak değişim gösterir. L = Uygulanan kaynak uzunluğu 2*a L 150*a ise L e = L 150*a < L 400*a ise L e = *L = (L/a) *a < L ise L e = 250*a Belirlenen etkin uzunluk : L e 40 mm ve 6*a olmalıdır. Aksi halde a=l e /6 alınır. Zayıf bölge Zayıf bölge a a L e Krater boyları Köşe kaynakların uygulaması ile ilgili başka konstrüktif kurallar da bulunmaktadır. Bunların bazıları aşağıda verilmiştir. 8

9 Köşe kaynakta etkin alan A we : Etkin kaynak uzunluğu ile kalınlığın çarpımına eşittir. Birleşimdeki tüm kaynak uzunlukları için ayrı ayrı hesaplanıp toplanır. A we = a*l e KAYNAKLARDA HESA ESASLARI Kaynaklı birleşimlerin karakteristik dayanımları, yükleme şekline bağlı olarak kaynaklarda oluşacak kopma, ezilme ve kayma sınır durumlarına bağlı olarak belirlenir. Kaynak için yapılan sınır durum kontrolünün birleştirilen esas metaller için de yapılması gerekmektedir. Bu bölümde sadece kaynak karakteristik dayanımları anlatılmıştır, esas metal karakteristik dayanımları elemanların tasarımı bölümünde (3. Bölüm) anlatılacaktır. A we etkin kaynak alanına sahip kaynaklı birleşimin karakteristik dayanımı R nw aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. R nw = F nw * A we F nw : Kaynak metali karakteristik gerilmesidir. Tüm kaynak türleri için aşağıdaki ifade ile belirlenir. F nw = 0.60 *F E F E : Kaynak metali karakteristik çekme dayanımıdır. Kaynak metali özelliklerinin içeren TS EN ISO 2560 dan alınır. Kaynak Metalleri için Mukavemet özellikleri Sınıflandırma Çekme mukavemeti (F E ) N/mm 2 Akma mukavemeti N/mm 2 Uzama % E E E E E E E E5516-N E5516-3N E5518-N Kaynaklı birleşimin tasarım dayanımı = * R nw ifadesi ile belirlenir. katsayısı kaynak türüne ve etkiye kuvvete bağlı olarak Yönetmelikten (ÇYTYK-2016) alınır. 9

10 Köşe kaynağın kesme kuvveti dışında yüklemelerde karakteristik dayanımı Kaynak ekseni ile belirli bir açı yaparak ağırlık merkezine etkiyen kuvvet durumunda ; Kaynak metali karakteristik gerilmesi : F nw = 0.60*F E *(1+0.5*sin 1.5 ) A-A Kesiti A A IE 10

11 Kuvvetin eksenine dik ve paralel etkidiği kaynak grubu olması durumunda; Kaynak metali karakteristik dayanımı aşağıdaki değerlerin büyüğü olarak alınır. R nw = R nwl + R nwt R nw = 0.85*R nwl + 1.5*R nwt R nwl : Eksene paralel yük etkisindeki köşe kaynakların toplam karakteristik dayanımı R nwt : Eksene dik yük etkisindeki köşe kaynakların toplam karakteristik dayanımı R nwt R nwl Kesit 11

12 UYGULAMA Aşağıda gösterildiği gibi düğüm levhasının profile kaynaklı birleşimi yapılacaktır. a) Birleşimde tam penetrasyonlu küt kaynak (1/2 V) kullanılması halinde birleşimin karakteristik dayanımını belirleyiniz. b) Birleşimde a= 5mm kalınlığında kısmi penetrasyonlu küt kaynak (1/2 V) kullanılması halinde birleşimin karakteristik dayanımını belirleyiniz. c) Birleşimde çift taraflı a= 5mm kalınlığında köşe kaynak kullanılması halinde birleşimin karakteristik dayanımını belirleyiniz. d) Her bir durum için tasarım dayanımlarını belirleyiniz. Verilenler: rofil ve düğüm levhası malzemesi: S235 (esas metaller) Kaynak metali : E5518-N3 IE A A-A kesiti 200 mm t=10.8 IE t=10 Düğüm levhası t=10 Çözüm: A Kaynak eksenine dik çekme sınır durumu kontrol edilmelidir. Küt /Köşe kaynak kalınlıkları kontrol edilmelidir. a) Tam penetrasyonlu küt kaynak durumu Esas metal : S235 F u = 360 N/mm 2 (ÇYTYK-2016) Kaynak metali : E5518-N3 F E = 550 N/mm 2 (TS EN ISO 2560) 200 mm b b b-b kesiti t=10 12

13 F u < F E olduğundan esas metal kopma sınır durumu kritiktir. Kaynağın kontrol edilmesine gerek yoktur. Buna göre; Esas metal karakteristik dayanımı: R n = 200*10*360 = N = 720 kn b) Kısmi penetrasyonlu küt kaynak durumu (a=5mm) 200 mm b b 10 a=5 b-b kesiti Kaynak kalınlığı kontrolü : 6 < t=10 mm < 13 old. a min = 5 mm = a= 5 mm uygundur. A we = a*l e = 5 * 200 = 1000 mm 2 Kaynak metalinin karakteristik çekme gerilmesi dayanımı: F nw = 0.60 * F E = 0.60*550 = 330 N /mm 2 13

14 Kaynak metalinin karakteristik çekme dayanımı : R nw = F nw * A we = 330*1000 = N = 330 kn Esas metal kopma sınır durumu için kontrol : (Kaynakla bağlı olan enkesit için kontrol edilir) R n = 200*5*360 = N = 360 kn > 330 kn olduğu için Birleşimin karakteristik dayanımı R n = R nw = 330 kn dur. c) Çift taraflı köşe kaynak durumu (a=5mm) 200mm a=5 b b b-b kesiti Kaynak kalınlığı kontrolü: Minimum kaynak kalınlığı kontrolü: 6 < t=10 mm < 13 old. a min = 3.5 mm < a= 5 mm uygundur. Maksimum kaynak kalınlığı kontrolü: t = 10 mm > 6 mm old. a max = 0.7*(t - 2mm) = 0.7*(10-2)= 5.6 mm > a = 5mm uygundur Etkin kaynak boyu hesabı: L = 200 2*a = 200-2*5 = 190 mm L= 190 mm < 150*a = 150*5 = 750 mm old. L e = L = 190mm Etkin kaynak alanı : A we = 2*a*L e = 2*5*190 = 1900 mm 2 Kuvvet kaynak eksenine 90 o lik açı ile etkimektedir. Bu nedenle; 14

15 Kaynak metali karakteristik gerilmesi : F nw = 0.60*F E *(1+0.5*sin 1.5 ) = 0.60*550*(1+0.5*sin ) = 330*(1.5)=495 N/mm 2 Kaynak metalinin karakteristik çekme dayanımı : R nw = A we * F nw = 1900*495 = N = kn d) Tasarım dayanımları Tam penetrasyonlu küt kaynak durumu: = 0.75 Tasarım dayanımı = *R n = 0.75*720 = 540 kn (Çekme elemanı ÇYTYK-2016) Kısmi penetrasyonlu küt kaynak durumu: Kaynak metali için : = 0.80 Esas metal için : = 0.75 Kaynak metali için Tasarım dayanımı = *R nw = 0.80*330 = 264 kn Esas metal için Tasarım dayanımı = *R n = 0.75*360 = 270 kn > 264 kn old. Birleşim için Tasarım dayanımı = 264 kn Köşe kaynak durumu: = 0.75 Kaynak metali için Tasarım dayanımı = *R nw = 0.75*940.5 = kn (Not: Esas metal kontrolü yapılmamıştır) 15