Kaynak İşleminde Isı Oluşumu Kaynak tekniklerinin pek çoğunda birleştirme işlemi, oluşturulan kaynak ısısı sayesinde gerçekleştirilir. Kaynak ısısı, hem birleştirilecek parçaların yüzeylerinin hem de ilave dolgu metalinin ergitilmesini sağlar. Kaynak ısısı, kaynak tekniğinin türüne bağlı olarak aşağıda ifade edildiği gibi farklı tarzda oluşturulur. 1) Kaynak ısısı, elektrot ile iş parçası arasında meydana gelen ark sayesinde oluşur. Örneğin, elektrik ark kaynak tekniği. 2) Kaynak ısısı, birleştirilecek parçalardan elektrik akımının geçirilmesi sonucu, iş parçalarının elektrik akımına karşı gösterdiği direnç neticesinde elde edilir. Örneğin, elektrik direnç kaynak teknikleri.
3) Kaynak ısısı, yanıcı ve yakıcı iki gazın bir torç ucunda karıştırılıp yakılmasıyla oluşturulan yüksek sıcaklığa sahip alev sayesinde meydana gelir. Örneğin, oksi-gaz kaynağı. 4) Kaynak ısısı, birleştirilecek parçaların birbirlerine sürtünmeleri sonucu meydana gelir. Örneğin, sürtünme kaynağı. 5) Kaynak ısısı, birleştirilecek parçalar üzerinde patlayıcı patlatılması sonucu meydana gelir. Örneğin, patlamalı kaynak tekniği. 6) Kaynak ısısı, ekzotermik reaksiyonlar sonucu oluşturulur. Örneğin, termit kaynak tekniği.
7) Kaynak ısısı, yüksek enerjiye sahip elektron demetinin hızlandırılarak bir noktaya gönderilmesi sonucu meydana gelir. Örneğin, elektron ışın kaynağı. 8) Kaynak ısısı, belli bir enerjiye sahip atomların enerji düzeylerinin değiştirilmesi sonucu ortaya çıkan ışının belirli bir noktaya odaklanması ile elde edilir. Örneğin, lazer kaynak tekniği. 9) Kaynak ısısı, bir gazı elektrik arkından geçirerek elde edilen iyonlaşmış ışıklı gazın belirli bir noktaya odaklandırılması sonucu elde edilir. Örneğin, plazma kaynak tekniği.
Elektrik arkı, kaynak ısısını oluşturmada en yayın kullanılan metottur. Elektrik arkının sıcaklığı, 5000-20000 C arasındadır. Kaynak ısısı, parçaların birleştirilmesinde gerekli olmasına rağmen, eğer önlem alınmazsa birleştirilen parçalar üzerinde zararlı etkilere de yol açar. Bu zararlı etkilerden bazıları şunlardır: 1) Malzemede bölgesel bir ısıtma sonucu meydana gelen kalıntı gerilmeler, parçaların şekil değiştirmesine sebep olabilir. 2) Isıdan tesiri altında kalan bölge içerisinde sertlik artışı meydana gelmesinden dolayı, çatlama oluşumu söz konusu olabilir. 3) Isıdan tesiri altında kalan bölgenin sünekliğinin azalması sonucu, malzemenin mekanik özellikleri zayıflayabilir. 4) Soğuk şekillendirme ile mukavemeti arttırılmış ve tavlanmış malzemelerin birleştirilmesinde, ısıdan tesiri altında kalan bölgede (ITAB) mukavemet kaybı meydana gelebilir.
Kaynak işleminde ısı girdisi, zaman ve sıcaklık arasındaki ilişkilerin net bir şekilde belirlenmesi oldukça zordur. Çünkü bu ilişkiyi etkileyen pek çok faktör vardır. Bu faktörlerin etkilerini aynı anda değerlendirip, bu ilişkiyi açıklamak çok zordur. Bununla birlikte kaynak parametreleri, kaynak tekniği ve malzeme özellikleri biliniyorsa, kaynak ısı girdisi hakkında bazı tahminler ve hesaplamalar yapılabilir. Kaynak işleminde mutlaka ilave dolgu metalinin ergitilebilmesi için, yeterli ısı miktarının oluşturulabilmesi gerekir. Bir çeliğin birleştirilmesinde meydana gelen kaynak banyosunun sıcaklığı 1930 C cıvarındadır. İlave dolgu metalinin ve birleştirilecek parça yüzeylerinin ergitilebilmesi için mutlaka ilave bir ısıya gerek vardır. Bundan dolayı birleştirme işleminde ısı girdisinin miktarı kontrol altında tutulmalıdır.
Her bir kaynak yönteminde ısı girdi miktarı farklı olduğu için, ısı girdisini kontrol etmek ve en uygun ısı girdi miktarını tespit edebilmek, kaynak yönteminin seçiminde oldukça önemlidir.
Koruyucu gaz kaynak yöntemi ile elektro-curuf kaynak yöntemi karşılaştırıldığında, her iki yöntemde de ısı artış oranı, ulaşılan maksimum sıcaklık değeri, maksimum sıcaklığa ulaşma zamanı ve soğuma hızı birbirinden farklıdır. Koruyucu kaynak yöntemi ile yapılan birleştirmelerde, maksimum sıcaklığa çok kısa zamanda ulaşıldığı ve çok kısa zamanda da metalin soğuduğu görülmektedir. Buna karşılık elektro-curuf kaynak yönteminde ise, maksimum sıcaklığa daha uzun bir zamanda ulaşılır ve metalin soğuma hızı da oldukça yavaştır.
Kaynak Arkı Oluşumu ve Kaynak Bölgesindeki Isı Girdisi Kaynak esnasında malzemeye verilen ark ısısını daha iyi anlayabilmek için elektrik arkı, ark esnasında meydana gelen toplam ark ısı enerjisi ve kaynak esnasında kullanılan ark ısısı hakkında bilgi vermek gerekir. Şekil 1.1 de gösterildiği gibi, elektrik arkında elektrotlar arasındaki gerilim dağılımını; 1) katodik düşüş, 2) anodik düşüş ve 3) ark sütunundaki düşüş olmak üzere üç bölgeye ayırabiliriz. Anot ve katot uçlarına komşu olan bölgeler, soğuk olduğundan gerilim düşüşü hızlıdır. Ark demetinde ise hemen hemen doğrusaldır. Yani gerilim düşüşü çok azdır. Anodik düşüş, katodik düşüşe göre daha büyük olduğundan, anotta ısıya dönüşen enerji daha fazla olmaktadır. Bu nedenle anodun sıcaklığı katoda göre daha yüksektir. Metal arkında, anotta sıcaklık 3600 K (Kelvin = 273 + C) civarında iken katottaki sıcaklık 3000 K seviyesinde olduğu tespit edilmiştir. Anot ve katot arasındaki ark sütununun sıcaklığı ise 5500 K civarındadır.
ark esnasında meydana gelen toplam ark ısı enerjisi (Qt) Kaynak arkının oluşturulmasında yüksek akım şiddeti ve düşük gerilim gereklidir. Elektrotlar arasında (anot ile katot arasında) kaynak gerilimine (V) ve çekilen akım şiddetine (I) bağlı olarak, ark esnasında meydana gelen toplam ark ısı enerjisi (Qt) şu şekilde ifade edilir: Qt (Watt) = V (Volt). I (Amper)
kaynak esnasında kullanılan ark ısısı Kaynak yöntemine bağlı olarak elektrik arkından elde edilen toplam ark ısı enerjisinin (Qt) belli bir kısmı, kaynak esnasında kullanılmaktadır. Buna göre malzemeye verilen yani kaynak esnasında kullanılan ark ısısı şu şekilde ifade edilir: Qe (Watt) = V. I. η Burada; V: kaynak gerilimi (Volt) I : kaynak akımı (Amper) η : ark verimi (sabit katsayı)
Ergitme kaynak yöntemlerinde, arkta oluşan ısı enerjisinin (Qt), kaynak için harcanan ısı enerjisine (Qe) oranına ark verimi [(Qe / Qt) = η] adı verilir. Ark verimi sabit bir değer olup kaynak yöntemlerine göre faklı değer alır. Çeşitli kaynak yöntemlerine ait ark verimi değerleri Çizelge 1.4 de verilmiştir. Çizelgeden de görüleceği gibi, tozaltı kaynağında ark verimliliği %90-100 civarındadır. %1-10 arasındaki verimlilik kaybı ise, kaynak esnasında ergimeden kalan toz miktarına bağlı olan bir kayıptır. TIG yöntemindeki düşük verimlilik ise, elektrot torcundaki ısı kaybı miktarı ile ilişkilidir.
Çizelge 1.4 Çeşitli kaynak yöntemlerine ait ark verimi değerleri Kaynak Yöntemi Ark verimi (η) Elektrik kaynağı ark Ark verimi (η) BS EN 1011 standardına göre 0,7 0,85 0,8 TIG 0,22 0,48 0,6 MIG/MAG (çıplak ve özlü tel) Tozaltı kaynağı (tek elektrotlu) 0,66 0,75 0,8 0,90 0,99 1,0 Plazma 0,6
Isı girdisi Kaynak işlemi, hareketli bir ısı membaı şeklinde düşünüldüğünde, ısı girdisinin hesaplanmasında kaynak hızının da dikkate alınması gerekir. Kaynak hızının dikkate alındığı ısı girdisi şu şekilde ifade edilir: H V. I..60 S H : Kaynak ısı girdisi (Joul/mm) V : Kaynak gerilimi (Volt) I : Kaynak akımı (Amper S : Kaynak hızı (mm/dakika) η : ark verimi (sabit katsayı)
ÖRNEK 1.1 Düşük karbonlu bir çelik levha küt alın şeklinde MIG yöntemiyle birleştirilmiştir. Birleştirme işleminde kaynak akımı 250 amper ve kaynak gerilimi 35 volt olduğuna göre, kaynak esnasında kullanılan ark ısısını hesaplayınız. Ark verimi (η), 0,7 dir. ÇÖZÜM 1.1 Q e (Watt) = V. I. η Q e = 35. 250. 0,7 Q e = 6125 Watt
ÖRNEK 1.2 Düşük alaşımlı bir çelik levha küt alın şeklinde TIG yöntemiyle birleştirilmiştir. Birleştirme işleminde 120 amper kaynak akımı ve kaynak gerilimine bağlı olarak arak esnasında meydana gelen toplam ark ısı enerjisi 7440 watt tır. TIG yönteminin bu birleştirme esnasındaki ark verimi(η) 0,3 olduğuna göre, kaynak esnasında kullanılan ark ısısını hesaplayınız. ÇÖZÜM 1.2 Q t (Watt) = V. I 7440 = V. 120 V = 62 Volt Q e (Watt) = V. I. η Q e = 62. 120. 0,3 Q e = 2232 Watt
ÖRNEK 1.3 Çelik bir levha küt alın şeklinde tozaltı kaynak yöntemiyle birleştirilmiştir. Birleştirmede kaynak esnasında kullanılan ark ısısı 8201,5 watt olduğuna göre, ark esnasında meydana gelen toplam arak ısı enerjisini hesaplayınız. Tozaltı kaynağında ark verimi (η) 0,94 dür. ÇÖZÜM 1.3 Q Q e t 8201,5 Q t 0.94 Q t = 8725 Watt
ÖRNEK 1.4 2,5 mm kalınlığındaki 312 östenitik paslanmaz çelik bir levha, TIG ve plazma kaynak yöntemleri kullanılarak birleştirilmek isteniyor. TIG kaynak yönteminde kaynak akımı 125 amper, kaynak gerilimi 12 volt ve kaynak hızı 260 cm/dak ölçülüyor. Plazma kaynak yönteminde ise kaynak akımı 75 amper, kaynak gerilimi 18 volt ve kaynak hızı 340 mm/dak ölçülüyor. Her iki yönteme ait kaynak ısı girdisini hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. TIG yöntemi ve plazma kaynağı için ark verimi 0.6 alınacaktır. ÇÖZÜM 1.4
TIG kaynak yöntemi için kaynak ısı girdisi şu şekilde hesaplanır: H V. I..60 S 12.125.0,6.60 260 207,6Joul / mm Plazma kaynak yöntemi için kaynak ısı girdisi şu şekilde hesaplanır: H V. I..60 S 18.75.0,6.60 340 142.9Joul / mm
Yorum: Plazma kaynak yöntemi ile paslanmaz çeliğin birleştirilmesinde, TIG kaynak yönteminden hem çok daha hızlı hem de kaynak bölgesine daha az ısı girdisi sağlayarak kaynak işlemini gerçekleştirmek mümkün olduğu görülmektedir. Böylece plazma kaynak tekniği sayesinde, kaynak bölgesinde daha az gerilim oluşumu, daha az çarpılma ve aşırı ısının oluşturacağı zararlı etkenlerin minimuma indirilmesi sağlanabilmektedir.
Kaynak Bölgesindeki Sıcaklık Dağılımı Kaynaklı birleştirme esnasında meydana gelen ısı enerjisi, birleştirilecek metalin ergimesine sebep olur ve levha içerisinde yayınır. Kaynak işlemi esnasında hem kaynak metalinin hem de ısının tesiri altında kalan bölgenin (ITAB) özelliklerini önceden tahmin edebilmek ve sıcaklığın birleştirilecek metal özelliklerine yaptığı etkiyi değerlendirebilmek için kaynak işlemi esnasında meydana gelen ısınma ve soğuma şartlarının bilinmesi gerekir.
Malzeme özelliklerini belirleyen en önemli ısıl işlem parametreleri; (a) ısınma hızı, (b) ulaşılan maksimum sıcaklık derecesi, (c) maksimum sıcaklıkta kalma süresi ve (d) soğuma hızıdır. Bu parametrelerin bütününe endüstriyel anlamda ısıl çevrim adı verilir. Kaynak işlemi endüstriyel anlamda kullanılan ısıl işlem uygulamalarında farklıdır. Bu parametreleri, kaynak işlemi esnasında kontrol altına almak da çok zordur. Kaynak işlemi esnasında ısınma hızının kaynak bölgesi üzerinde önemli etkiye sahip olmadığı tespit edilmiştir. Maksimum sıcaklıkta kalma süresinin çok dar olması nedeniyle, kaynak işleminde çok fazla dikkate alınmayabilir. Bu iki parametrenin dışında kalan ve kaynak işlemi esnasında birleştirilecek metal özelliklerini etkileyen en önemli parametreler, ulaşılan maksimum sıcaklık derecesi ve soğuma hızıdır. Kaynak işleminde önemli olan bu iki parametre, kaynakta ısıl çevrim olarak adlandırılır.
Kaynak işlemi esnasında, sıcaklığın ana metalin ergime sıcaklığına hatta daha da üzerine çıkması gerekir. Fakat ana metalin ergime sıcaklığının üzerine ne kadar çıkılması gerektiğini bilmek oldukça önemlidir. Verimli bir birleştirme için ana metalin ergime sıcaklığının çok üzerlerine çıkmamak gerekir. Elektron ışın demeti veya lazer ışını ile oldukça yüksek sıcaklıklara çıkmak mümkündür. Dolayısıyla bu yöntemlerde ısı girdi miktarını ayarlamak suretiyle hem kaynak işlemi hem de kesme işlemi yapmak mümkündür. İnce metalik bir levhanın birleştirilmesi esnasında ısı girdi miktarı çok fazla olursa, metal aşırı ısınır ve çok hızlı ergime olur ve metal delinebilir. Ana metalde ulaşılacak maksimum sıcaklık, ısı giriş ve ısı kaybı miktarları arasındaki ilişkiye bağlıdır. Isı giriş miktarı, ısı kaybı miktarından daha fazla ise, metal ısınmaya devam eder ve birleştirilecek metal yüzeylerinin ergitilmesi gerçekleşir.
Soğuma hızı, kaynak sıcaklığından oda sıcaklığına düşüş hızını ifade eder. Soğuma hızı mutlaka kontrol edilmelidir. Soğuma hızı, ısı transferine, ısı kaybı miktarına, kaynak yöntemine, ana metalin ısıl iletkenliği gibi faktörlere bağlıdır. En önemli noktalardan bir tanesi, kaynak öncesi ana metalin sıcaklığıdır. Kaynak öncesi ne kadar yüksek bir ön tavlam sıcaklığına çıkılırsa, soğuma hızı o kadar yavaş olur. Kaynak sonrası çatlama, sert bölge oluşumunun önüne geçebilmek için, soğuma hızının yavaş olması gerekir. Çünkü sert bölge oluşumu metalin sünekliğini azaltır. Soğuma hızını azaltmak için uygulanan bir yöntem, birleştirilen parçaların fırında soğutulmasıdır.
Kaynak ısı membaı x min Kaynak yönü Sıcaklık dağılım çizgisi sınırı y r x Ergime bölgesi x ma Kaynak levhası x Noktasal ısı membaına dayanılarak oluşturulan şematik kaynak modeli
Kaynaktaki ısı dağılımı, kalın parçalarda üç boyutlu olup, ince parçalarda ise iki boyutludur. (a) İki boyutlu ısı dağılımı (2D) (b) Üç boyutlu ısı dağılımı (3D) (c) İki buçuk boyutlu ısı dağılımı (2.5D)
Rosenthal ın geliştirdiği üç boyutlu ısı dağılım denklemi (kalın parçalar) şu şekildedir: T T o 2 H r e rx 2
Rosenthal ın geliştirdiği iki boyutlu ısı dağılım denklemi (ince parçalar) şu şekildedir: T T o H 2d e x 2 K o r / 2 Burada; T o : Ön tavlama sıcaklığı, (oda sıcaklığında 23 C alınacak), ( C) T : Sıcaklık dağılım çizgisi üzerinde ulaşılan maksimum sıcaklık değeri ( C) r : Sıcaklığı bulunmak istenen nokta ile ısı membaı merkezi arasındaki mesafe (m); üç boyutlu denklem için, r = (x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2 alınır. İki boyutlu denklem için, r = (x 2 + y 2 ) 1/2 alınır. λ : Isı iletim katsayısı (Jm -1 s -1 C -1 ) H : kaynak ısı girdisi (Joul/m) υ : Kaynak hızı (m/s) d : Malzeme kalınlığı (m) α : Isıl yayınım katsayısı (m 2 s -1 ) K o : İkinci tip sıfırıncı mertebe düzeltilmiş Bessel fonksiyonu x : x ekseninde (kaynak ekseni) sabitlenmiş bir noktadan sıcaklığı bulunmak istenen noktaya olan uzaklık y : y ekseninde sabitlenmiş bir noktadan sıcaklığı bulunmak istenen noktaya olan uzaklık z : z ekseninde sabitlenmiş bir noktadan sıcaklığı bulunmak istenen noktaya olan uzaklık
İki boyutlu ve üç boyutlu sıcaklık dağılım denklemleri ile tespit edilen sıcaklık dağılım alanı Şekil 1.4 de gösterilmektedir. Şekilde de görüleceği gibi, aşırı kaynak ısı girdisinin varlığı durumunda ve birleştirilen levhanın ısıyı verimli bir şekilde yayması halinde, aşırı dik bir sıcaklık dağılım profili oluşacaktır. Bu sıcaklık profili ark etrafındaki sıcaklık dağılımını gösterir. Profilin en üst tepe noktası ark sıcaklığını ifade eder.
İnce ve kalın levhalardaki sıcaklık dağılım profilleri (a) ince levha (b) kalın levha
Değişik kaynak yöntemlerine ait kaynak dikişi kesit alanının büyüklüğü hakkında elde edilen tahmini ve deneysel sonuçlar karşılaştırılması
Kaynak ısı dağılımını etkileyen faktörler Kaynak bölgesindeki ısı dağılım profilinin geometrik şeklini etkileyen en önemli faktörler şunlardır: (1)malzeme özellikleri, (2) kaynak hızı, (3) birleştirilecek levha kalınlığı, (4) katılaşma aralığının büyüklüğü
t y t o y t d Q T T 2 2 2 2 2 1 4 / 1 2 2 2 1 exp / 2
Sıcaklığın 800 C den 500 C ye düşmesi için geçen süre ( t 8/5 ), birleştirilecek levhanın kalınlığı ve malzemenin özelliklerine bağlı olarak değişir. Andrichen ve Kas, sıcaklığın 800 C den 500 C ye düşmesi için geçen süreyi ( t 8/5 ), şu şekilde ifade etmiştir: 2 1 Q e 1 1 t8 / 5 2 4c d 2 500 T 800 o To Burada; T o : Ön tavlama sıcaklığı, (oda sıcaklığında 23 C alınacak), ( C) T : Sıcaklık dağılım çizgisi üzerinde ulaşılan maksimum sıcaklık değeri ( C) Q e : Kaynak esnasında kullanılan ark ısısını (Watt) (Q e = V. I. η) λ : Isı iletim katsayısı (Jm -1 s -1 C -1 ) d : Malzeme kalınlığı (m) c : Özgül ısı ( kj/kgc) ρ : Yoğunluk (kg/m 3 ) υ : Kaynak hızı (m/s) α : Isıl yayınım katsayısı (m 2 s -1 )
SORU: 5 mm kalınlığındaki çelik bir levha, TIG yöntemi kullanılarak birleştiriliyor. Kaynak akımı 80 amper, kaynak gerilimi 12 volt ve kaynak hızı 120 mm/dak ölçülüyor. Birleştirme işleminden önce, 100 C bir ön tavlama yapılıyor. Ark verimi 0.6 alınacaktır. Çeliğin yoğunluğu 7830 kg/m3, özgül ısısı 0.67 kj/kg- C ve ısı iletim katsayısı 42 W/m- K dir. Kaynak bölgesinin 800 C den 500 C ye düşmesi için geçen süreyi ( t8/5) hesaplayınız.