Kaynak Bölgesinin Sınıflandırılması Prof. Dr. Hüseyin UZUN Kaynak yöntemleri ile birleştirilen bir malzemenin kaynak bölgesinin mikroyapısı incelendiğinde iki ana bölgenin var olduğu görülecektir: 1) Ergime bölgesi (kaynak metali) ve 2) Isı Tesiri Altında kalan Bölge (ITAB)
Prof. Dr. Hüseyin UZUN ITAB ın genişliği çeşitli faktörlere bağlı olarak değişir. Kaynak yöntemi, paso sayısı, kaynak ağzı şekli ve dizaynı ITAB ın genişliğini az veya çok etkileyen faktörlerden bir kaçıdır.
Ergitme kaynak teknikleri ile oluşan ITAB ın genişliği, katı hal kaynak teknikleri kullanılarak yapılan kaynak işleminde oluşan ITAB genişliğinden daha büyüktür. Prof. Dr. Hüseyin UZUN Ergime sınırı Kaynak metali Ergime sınırı Ana metal Ana metal Ana metal Ana metal ITAB Ergime sınırı (a) Ergitme Kaynak yöntemi (b) Katı hal kaynak yöntemi
Prof. Dr. Hüseyin UZUN Ayrıca ITAB genişliğini kaynak yönteminin farklılığı da belirler. Örneğin, elektrik ark kaynak tekniğinde meydana gelen ITAB, lazer ile kaynak yapılan aynı malzemenin ITAB ından çok daha geniştir. Kısacası ITAB genişliği, kaynak işlemi esnasındaki ısı girdisi miktarına bağlı olarak değişmektedir.
Prof. Dr. Hüseyin UZUN Ark kaynağı Yüksek frekans kaynağı (Bakır 443) Sürtünme kaynağı Elektrik ark, yüksek frekans ve sürtünme kaynak yöntemleri ile elde edilen kaynak kesitleri
Çeşitli kaynak yöntemlerine ait kaynak kesitleri Prof. Dr. Hüseyin UZUN TIG kaynağının kesiti (Koruyucu gaz %100 Ar) TIG kaynağının kesiti (Koruyucu gaz %75 Helyum + % 25 Ar) Plazma kaynağının kesiti C 2 O lazer kaynağının kesiti Elektron ışın kaynağının kesiti
Kaynak bölgesi incelendiğinde, ısının farklı bir şekilde dağıldığını ve bu dağılıma bağlı olarak farklı özelliklere sahip bölgelerin oluştuğunu görürüz. Isı dağılımının parça üzerinde farklılık göstermesi elbette o bölgelerdeki mikroyapı özelliklerini değiştirecektir. Farklı mikroyapı özelliklerine sahip kaynak bölgesi, ana metal özellikleri ile karşılaştırıldığında değişik mekanik ve korozyon özelliklerini sergilediği görülecektir. Dolayısıyla iyi bir kaynak birleştirmesi arzu ediliyorsa kaynak bölgesi özelliklerinin ana metal özelliklerine yakın olması gerekir. Bunu sağlamanın ilk kuralı kaynak işlemindeki ısı girdisinin düşük tutulması ve ITAB genişliğinin mümkün olduğunca dar olmasının temin edilmesidir.
Isıtılan bir metalin mikroyapı ve özelliklerinin değiştiğini biliyoruz. Kaynak işleminde de metalin ısıtılması hatta ergitilmesi söz konusudur. Sonuçta yüksek sıcaklığa maruz kalan metalin mikroyapısı, hatta kimyasal bileşimi ve mekanik özellikleri elbette değişecektir. Bu değişikliklere sebep olan etkenler ne kadar iyi tahlil edilebilirse ona göre önlemler, dizaynlar, kaynak yöntemleri ve malzeme seçimleri o kadar isabetli olur. Malzemelerin kaynak kabiliyeti bu etkenlerin incelenmesi ve sonuçlara göre gerekli önlemlerin alınmasına katkıda bulunan bir bilim dalı niteliğindedir.
Kaynak metalinin kimyasal içeriği de birleştirilmiş olan ana metale benzemez. İlave dolgu metali (elektrot) ile ana metalin karışımından meydana geldiği için, kaynak metalinde farklı bir kimyasal içerik ortaya çıkar. Kaynak banyosu içerisindeki yüksek sıcaklık, kimyasal reaksiyonlara sebep olacağı için bazı elementlerin yanması nedeniyle miktarlarının azalması söz konusudur. Örneğin, basınçlı bir kazan imalatında kullanılan %0.25 C içeren alaşımlı bir çelik levhanın kaynak işleminden sonra, katılaşan kaynak metalinin %0.1 C içerdiği tespit edilmiştir. Yani karbon içeriği azalmıştır. Fakat yüksek sıcaklık mukavemeti veya korozyon direnci istenilen bir konstrüksiyon imalatı için kullanılan alaşımlı çeliğin, birleştirilmesi sonucu oluşan kaynak metalinin ana metal ile benzer kimyasal içeriğe sahip olması arzu edilir. Dolayısıyla bu arzu doğrultusunda kaynak metodu ve ilave dolgu metali (elektrot) seçilmelidir.
Elektrik ark kaynağı ile yapılan birleştirme esnasında meydana gelen kaynak banyosu şematik gösterilmesi
Kaynak Banyosunun Katılaşması ve Mikroyapı Oluşumu Kaynak metali oluşumunun, küçük çaptaki bir döküm işlemine benzediğini daha önce ifade etmiştik. Kaynak metalinin katılaşma işlemi, *önce çekirdek oluşumu, *sonra bu çekirdeğin etrafında kristalleşme meydana gelmesi ve *bu kristallerin büyümesi aşamalarını içerir.
Kristallerin büyümesi, ergime sınırına hemen hemen dik olacak şekilde meydana gelir. Kristaller, çam ağacı görünümünde olan ve dendrit adı verilen hacimsel şekilde büyümeye devam eder. Bu kristal büyüme işlemine dentritik büyüme adı da verilir. Dendritler kaynak dikişi merkezine doğru katılaşarak büyürken, dendrit kolları adı verilen katılaşma kollarının oluşması ve bunların büyümesi ile katılaşma devam eder. Yan yana katılaşarak büyüyen dendrit kolları arasında sıvı metal havuzcukları oluşur. Bu havuzcuklar, dendrit kollarının birbirleri ile birleşmesi sonucunda tamamen katılaşır. Bu işlem tüm katılaşma sona erinceye kadar devam eder. Kaynak banyosu içerisinde dentritik kristal büyümesi tamamlandıktan sonra, kaynak dikişinin merkezine doğru uzanan ve ergime sınırına hemen hemen dik bir pozisyonda olan çubuksu düzlemsel taneler meydana gelir.
Katılaşma esnasında kristalleşme cepheleri, kaynak banyosu içerisinde bulunan kalıntıları veya metal olmayan fazları, dikişin orta kısmına doğru ötelerler. Böylece kaynak dikişinin merkezinde segregasyon bölgesi adını verdiğimiz bir bölge oluşur. Segregasyon bölgesinin tokluk değerleri düşüktür. Bu nedenle kaynak dikişinin en zayıf bölgesini oluşturur. Çoğunlukla sıcak çatlaklar diye adlandırılan kaynak hatalarının oluştuğu bölgedir. Segregasyon bölgesine sahip olan kaynak dikişleri düşük mukavemete sahiptirler. Kaynak banyosu büyüdükçe ve kalıntı madde miktarları arttıkça, segregasyon bölgesi daha fazla belirginleşir ve dikişi daha da zayıflatır.
Kaynak Banyosunun Katılaşma Modelleri Kaynak banyosunun katılaşma hızı (R), kaynak hızı (υ) ile Cos Ө çarpımına eşittir. Ө açısı, kaynak yönü ile kaynak banyosunun katılaşma yönü arasındaki açıdır. R = υ Cos Ө
G/R oranı azaldığı zaman, kaynak banyosu içerisindeki katılaşma modeli dendritik kristalleşme eğilimindedir. Eğer katılaşma zamanı artarsa (G/R)-1/2, dendritikler arası mesafenin de arttığı görülür. Katılaşma zamanı daha da artarsa debdritler bir noktada çekirdekleir ve yapı eşekseli olur.
Kaynak dikişinin tane yapısı üç önemli faktöre bağlıdır: (1) kaynak banyosunun kimyasal içeriği, (2) katılaşma parametresi (G/R) ve (3) kaynak banyosunun şekli. Şekil 4.9 da kaynak dikişindeki tane yapısı oluşumunun kaynak hızı ve ısı girdisine bağlı olarak nasıl değiştiği gösterilmektedir. Bu diyagram TIG yöntemi ile birleştirilen 1.5 mm kalınlığındaki düşük karbonlu bir çeliğe aittir.
En düşük kaynak hızlarında (örneğin 2 mm/sn) ve katılaşma parametresinin (G/R) yüksek değerlerinde, kaynak dikişinin merkezi kısmı boylamasına uzanan eksenel tanelerden oluşur. Kaynak banyosu ise hemen hemen daire yakın bir geometrik şekildedir (4.10 a). Kaynak hızı arttığında (örneğin 3 mm/sn) uzamış geometrik şekle sahip bir kaynak banyosu oluşur (4.10 b). Ergime sınırına yakın taneler, kaynak banyosunun arka kısmında büyüyen taneler tarafından bloke edildikleri için, kaynak dikişinin gelişi güzel dağınık tane yapısı görülür. Daha yüksek kaynak hızlarında (örneğin 8 mm/sn), kaynak banyosu uçurtma şekline benzetilir. Tane yapısı ise balık kılçığına benzetilir. Bazen kısmı eş eksenli taneler gözükür (4.10 e).
Şekil 2.7 Kristal büyümesi, Q açısının sıfır olduğu kayak merkezinde (Şekil 2.6 da A ile gösterlen yer) en hızlıdır. Q açısının 90 olduğu yerde de en yavaştır (şekilde B ile gösterilen yer). Bu durum kaynak metalinin mikro yapısı ve tokluğu üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Şekil 2.7 (a) ve (b) de iki farklı kaynak hızında elde edilen kristal büyüme modları gösterilmektedir. Düşk kaynak hızındaki kristal büyümesi düzenli ve simetriktir (a). Fakat kaynak hızı arttırıldığında, sıcaklık dağılım profili değişmeye başlar. Kristal büyümesinin yönü, kaynak hızına bağlı olarak değişir ve kaynak merkezinde, kaynak dikişi tokluğunun düşmesine sebep olacak bir segregasyon hattı oluşacaktır. Bu ise kaynaklı konstrüksiyonlarda arzu edilmeyen bir kaynak hatasıdır.