ÖZET KAYNAK ELEKTRODUNUN YANMA HIZININ TERMODİNAMİK ANALİZİ BALIK ÇELENK, Gülcan Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Vural CEYHUN Temmuz 2006, 113 Sayfa Günümüzde kaynak ile birleştirme yöntemleri endüstride özellikle otomotiv alanında en çok tercih edilen üretim yöntemlerinin başında gelmektedir. Tercih edilmesinin en büyük nedenlerinden malzemenin dayanım özelliklerine çok yakın değerlerin elde edilebilmesi, yöntem çeşitliliği ve uygulamada sağladığı kolaylıklar ilk akla gelenlerdir. Bu yararlarından ötürü kaynaklı birleştirmeler yakın zamanda hızlı bir şekilde gelişmiş ve uygulama alanı artmıştır, gelecekte daha da gelişmiş yöntemler ile üretim imkanı sağlayacak olan üretim yönteminde faydalı olması açısından bu çalışma yapılmıştır. Çalışmanın temel amacı yaygın olarak kullanılmakta olan firmaların elektrodlarının yanma hızlarının termodinamik yaklaşımla hesaplanarak uygulamaya katkı sağlamaktır. Key words: Kaynak, Elektrod, Yanma Hızı
Gülcan ÇELENK BALIK tarafından Yüksek Lisans tezi olarak sunulan Kaynak Elektrodunun Yanma Hızının Termodinamik Analizi başlıklı bu çalışma E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve 15/09/2006 tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri: İmza Jüri Başkanı : Prof.Dr. Vural CEYHUN... Raportör Üye : Prof.Dr. Süleyman KARADENİZ... Üye : Yrd.Doç.Dr. Hüseyin GÜNERHAN...
IV
V ÖZET KAYNAK ELEKTRODUNUN YANMA HIZININ TERMODİNAMİK ANALİZİ BALIK ÇELENK, Gülcan Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Vural CEYHUN Temmuz 2006, 113 Sayfa Günümüzde kaynak ile birleştirme yöntemleri endüstride özellikle otomotiv alanında en çok tercih edilen üretim yöntemlerinin başında gelmektedir. Tercih edilmesinin en büyük nedenlerinden malzemenin dayanım özelliklerine çok yakın değerlerin elde edilebilmesi, yöntem çeşitliliği ve uygulamada sağladığı kolaylıklar ilk akla gelenlerdir. Bu yararlarından ötürü kaynaklı birleştirmeler yakın zamanda hızlı bir şekilde gelişmiş ve uygulama alanı artmıştır, gelecekte daha da gelişmiş yöntemler ile üretim imkanı sağlayacak olan üretim yönteminde faydalı olması açısından bu çalışma yapılmıştır. Çalışmanın temel amacı yaygın olarak kullanılmakta olan firmaların elektrodlarının yanma hızlarının termodinamik yaklaşımla hesaplanarak uygulamaya katkı sağlamaktır. Key words: Kaynak, Elektrod, Yanma Hızı
VI
VII ABSTRACT BURNING SPEED OF WELDING ELECTRODE WITH THERMODYNAMIC ANALYSIS BALIK ÇELENK,Gülcan MSc in Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Vural CEYHUN July 2006, 113 Pages In our days, especially in automotive industry, welding techniques are most preferred methods of manufacturing. Getting produced material properties closer to original material properties, varieties of methods, and the ease of application are the reasons of using this medhods. Because of this reasons welding methods are developed fastly and the application areas increase. The aim of this thesis is calculation of the burning speed of the wide used electrodes with thermodynamic approach. Key words: Welding, Electrode, Burning Speed
VIII
IX TEŞEKKÜR Bu tezin hazırlanmasındaki yardımlarından dolayı Sayın Prof. Dr. Vural CEYHUN a ve Sayın Hayri DOĞRU ya en içten teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca çalışmamda kullanmak üzere elektrod temin eden ve desteklerini esirgemeyen Askaynak Bursa Bölge Temsilcisi Sayın Hakan YENER ve Gedik Kaynak Ege Bölge Temsilcisi Sayın Taner ERDÖL e, manevi desteklerinden dolayı da aileme teşekkürü bir borç bilirim.
X İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖZET ABSTRACT TEŞEKKÜR ŞEKİLLER DİZİNİ TABLOLAR DİZİNİ GRAFİKLER DİZİNİ SEMBOLLER V VII IX XV XVII XX XXII 1.0 GİRİŞ 1 1.1 Tezin Amacı 1 1.2 Kaynak Teknolojisinin Endüstriyel Gelişim Süreci İçinde Konumu Ve Önemi 2 2.0 BAŞLICA ERGİTME KAYNAĞI YÖNTEMLERİ 10 3.0 ELEKTRİK ARK KAYNAĞI 31
XI İÇİNDEKİLER ( DEVAM ) Sayfa No 3.1 Kaynak arkı 31 3.2 Arkın Elektrik Rejimi 33 3.3 Arkın Karakteristiği 36 3.4 Doğru Akım Arkının Kararlılığı 38 3.5 Alternatif Akım Arkının Kararlılığı 39 3.6 Metal Arkının Çalışması 41 4.0 KAYNAK ELEKTRODLARI 43 4.1 Yalnız Arkı Oluşturmak İçin Kullanılan Elektrodlar 43 4.1.1 Karbon Elektrodlar 44 4.1.2 Tungten Elektrodlar 45 4.2 Çıplak Elektrodlar 46 4.3 Özlü Elektrodlar 47 4.4 Örtülü Elektrodlar 47 5.0 ELEKTRİK ARK KAYNAĞININ ÇALIŞMA KARAKTERİSTİKLERİ 49 5.1 KAYNAK AKIMI 49
XII İÇİNDEKİLER ( DEVAM ) SAYFA NO 5.2 Elektrod Örtüsünün Görevleri 51 5.2.1 Kaynak metalinin korunması 51 5.2.2 Arkın kararlılığının sağlanması 52 5.2.3 Dikiş ve yüzey profilinin kontrolü 53 5.2.4 Pozisyon kaynağında kaynak metalinin kontrolü 55 5.2.5 Kaynak metali bileşiminin kontrolü 56 5.2.5.1 Alaşımlandırma 57 5.2.5.2 Oksit giderme 57 5.2.5.3 Kirlenme 59 5.3 Elektrod Örtüsünü Teşkileden Maddeler 60 5.4 Elektrod Örtüsünü Teşkil Eden Maddelerin Görevleri 61 6.0 ÇELİKLERDE KULLANILAN ÖRTÜLÜ ELEKTRODLARIN ÇALIŞMA KARAKTERİSTİKLERİ 62 6.1 Örtü Çeşitleri 62 6.1.1 Asit örtüler 62 6.1.2 Selülozik örtüler 62 6.1.3 Rutil örtüler 63 6.1.4 Bazik örtüler 64 6.1.5 Demir tozu ilavesi 65 6.2 ELEKTRODUN İMALİ 66 6.2.1 Elektrodun çekirdek telleri 67 6.2.2 Örtü kalınlığı 68
XIII İÇİNDEKİLER ( Devam ) Sayfa No 6.2.2.1 İnce örtülü elektrodlar 68 6.2.2.2 Orta kalın örtülü elektrodlar 68 6.2.2.3 Kalın örtülü elektrodlar 68 7.0 BİR KAYNAK ELEKTRODUNUN YANMA HIZINA TERMODİNAMİK YAKLAŞIM 69 7.1 Termodinamik Yaklaşım Ve Analitik Çözüm 70 7.2 Sonuçlar Ve Değerlendirilmeleri 77 8.0 KAYNAKLAR DİZİNİ 112 ÖZGEÇMİŞ 113
XIV ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 1.1 Bernardos kaynak yöntemi 3 1.2 Zerener kaynak yöntemi 4 2.1 Ek kaynak metali kullanılarak veya kullanılmadan gerçekleştirilenergitme kaynağı 11 2.2 Örtülü elektrod ile ark kaynağında ark bölgesi 15 2.3 Örtülü elektrod ile ark kaynağı donanım şeması 16 2.4 Tozaltı kaynak yönteminde kaynak bölgesi 18 2.5 Tozaltı kaynak yöntemi donanım şeması 19 2.6 TIG kaynak yönteminde kaynak bölgesi 20 2.7 TIG kaynak yöntemi donanım şeması 21 2.8 MIG kaynak yönteminde ark bölgesi 22 2.9 MIG kaynak yöntemi donanım şeması 24 2.10 Plazma arkının oluşumu 26 2.11 Elektron ışın kaynağı donanım şeması 27 2.12 Elektro-cüruf kaynak yönteminde kaynak bölgesi 29 2.13 Elektro-cüruf kaynak yöntemi donanım şeması 29
XV ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Şekil Sayfa 3.1 Bir arkın şematik gösterilişi 32 3.2 Bir karbon arkı 32 3.3 Metalsel arkın rejimi 34 3.4 Arkın karakteristiği(u b =f(i) fonksiyonu l 1,l 2 ve l 3 çeşitli ark boylarındaki karakteristikleri göstermektedir.) 36 3.5 Devresine bir R direnci ilave edilmiş arkın karakteristiği 37 3.6 Alternatif besleme akımının sinüsoid eğrisi 40 3.7 Ark akımının seri bağlanmış bir direnç ile değişmesi 40 3.8 Ark akımının bir self ile değişmesi 41 7.1 Yanan bir elektrodun geometrisi 70 7.2 Yanan bir elektrodun ark bölgesindeki sıcaklık değişimi 74
XVI TABLOLAR DİZİNİ Tablo Sayfa 3.1 Optik prometre ile ölçülen arkın anodik krater ve katodik lekesindeki sıcaklıklar (Engel ve Stenböcke e göre) 33 4.1 Karbon elektrodlara uygulanan akım şiddetleri 45 4.2 Tungsten elektrodlara uygulanan akım şiddetleri 46 5.1 Örtüdeki oksijen miktarının yüzey profiline etkisi 54 5.2 Elektrod örtüsünü oluşturan maddeler ve görevleri 62 7.1 Askaynak Rutil elektrodlar yanma hızı sonuçları 79 7.2 Askaynak Bazik elektrodlar yanma hızı sonuçları 80 7.3 Askaynak Selülozik elektrodlar yanma hızı sonuçları 81 7.4 Askaynak Demir Tozlu elektrodlar yanma hızı sonuçları 81 7.5 Askaynak düşük alaşımlı; yüksek dayanımlı çelikler için elektrodların yanma hızı sonuçları 82 7.6 Askaynak Paslanmaz Çelikler için elektrodlar yanma hızı sonuçları 83
XVII TABLOLAR DİZİNİ (Devam) Tablo Sayfa 7.7 Askaynak Demirdışı Metaller için elektrodlar yanma hızı sonuçları 84 7.8 Askaynak Dökme Demir için elektrodların yanma hızı sonuçları 85 7.9 Askaynak Sert Dolgu ve Kaplama elektrodları yanma hızı sonuçları 86 7.10 Böhler Rutil elektrodlar yanma hızı sonuçları 87 7.11 Böhler Selülozik elektrodlar yanma hızı sonuçları 89 7.12 Böhler Bazik elektrodlar yanma hızı sonuçları 90 7.13 Böhler Az Alaşımlı Bazik elektrodların yanma hızı sonuçları 91 7.14 Böhler Özel Bazik elektrodlar yanma hızı sonuçları 92 7.15 Böhler Sıcağa Karşı Dayanıklı elektrodlar yanma hızı sonuçları 92 7.16 Böhler Paslanmaz Çelikler için elektrodların yanma hızı sonuçları 93 7.17 Böhler Nikel Bazlı elektrodlar yanma hızı sonuçları 96 7.18 Böhler Dökme Demirler için elektrodlar yanma hızı sonuçları 96
XVIII TABLOLAR DİZİNİ (Devam) Tablo Sayfa 7.19 Böhler Oluk Açma elektrodları yanma hızı sonuçları 96 7.20 Böhler Sert Dolgu elektrodları yanma hızı sonuçları 97 7.21 Böhler Sert Dolgu elektrodları yanma hızı sonuçları 98 7.22 Böhler Takım Çeliği için elektrodlar yanma hızı sonuçları 98 7.23 Ortalama Teorik ve Gerçekleşen Yanma Sürelerinin karşılaştırılması 110
XIX GRAFİKLER DİZİNİ Grafik Sayfa 7.1 Askaynak Rutil elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 99 7.2 Askaynak Bazik elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 99 7.3 Askaynak Selülozik için akım şiddeti yanma süresi değişimi 100 7.4 Askaynak Demir Tozlu elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 100 7.5 Askaynak Düşük Alaşımlı; yüksek dayanımlı çelikler için elektrodların akım şiddeti yanma süresi değişimi 101 7.6 Askaynak Paslanmaz Çelikler için elektrodların akım şiddeti yanma süresi değişimi 101 7.7 Askaynak Demirdışı Metaller için elektrodların akım şiddeti yanma süresi değişimi 102 7.8 Askaynak Dökme Demir için elektrodların akım şiddeti yanma süresi değişimi 102 7.9 Askaynak Sert Dolgu ve Kaplama elektrodları için akım şiddeti ve yanma yanma süresi değişimi 103 7.10 Böhler Rutil elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 103 7.11 Böhler Selülozik elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 104 7.12 Böhler Bazik elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 104 7.13 Böhler Az Alaşımlı Bazik elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 105 7.14 Böhler Özel Bazik elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 105
XX GRAFİKLER DİZİNİ (Devam) Grafik Sayfa 7.15 Böhler Sıcağa Karşı Dayanıklı elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 106 7.16 Böhler Paslanmaz elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 106 7.17 Böhler Nikel Bazlı elektrodlar için akım şiddeti yanma süresi değişimi 107 7.18 Böhler Dökme Demirler için elektrodların akım şiddeti yanma süresi değişimi 107 7.19 Böhler Oluk Açma elektrodları için akım şiddeti yanma süresi değişimi 108 7.20 Böhler Sert Dolgu Elektrodları için akım şiddeti yanma süresi değişimi 108 7.21 Böhler Takım Çeliği ve Sert Dolgu elektrodları için akım şiddeti yanma süresi değişimi 109 7.22 Böhler Takım Çeliği için elektrodların akım şiddeti ve yanma süresi değişimi 109 7.23. Ortalama Teorik ve Gerçekleşen Yanma Sürelerinin Karşılaştırılması 110
XXI SEMBOLLER Bölüm 3 v k v a v o V I I a I f U R : Katodik gerilim düşümü : Anodik gerilim düşümü : Buharlaşma bölgesindeki yani ark hüzmesindeki gerilim düşümü : Gerilim : Akım şiddeti : Arkın oluşumu sırasındaki akım şiddeti : Çalışma sırasındaki akım şiddeti : Arkın karakteristiği ( U=f(I) : Direnç Bölüm 5 CO : Karbonmonoksit Fe : Demir SiO 2 : Silisyumdioksit C : Karbon Si : Silisyum Mn : Mangan S : Kükürt Cu : Bakır D : Örtü dış çapı d : Tel içi çapı
XXII Bölüm 7 T T b ρ h P A τ ε oranı Ө x l m e : Ortam sıcaklığı : Elektrod malzemesinin ergime sıcaklığı : Yoğunluk : Ortamın ısı taşınım katsayısı : Elektroda verilen net güç : Elektrodun eksenine dik kesit alanı : Yanma süresi : Elektrik arkında açığa çıkan enerjinin elektroda giden kısmının : Sıcaklık değişkeni : Elektrodun dik kesiti : Elektrodun boyu : elektrod kütlesi
1 GİRİŞ 1.1 Tezin Amacı Son elli yıldır kaynak tekniğinde meydana gelen değişmeler, kaynakla birleştirmenin üretimde giderek artan oranda yaygınlaşmasına ve kaynağa uygun yeni çelik türlerinin üretimin kullanımına sunulmasına neden olmuştur. Böylece üretimde çalışan teknik elemanlar giderek artan oranda kaynağın tasarım, imalat ve kontrol problemleri ile yüz yüze kalmışlardır. Kaynak makinalarının göreceli olarak ucuz olması, kaynakçının önemli ölçüde serbest olması ve aynı kaynak makinasıyla sadece elektrod tipini değiştirerek farklı metallerin kaynağının yapılabilmesi özellikle örtülü elektrodlarla ark kaynağının üretimde yaygın biçimde kullanılmasına neden olmuştur. Elektrod seçimi, kaynaklı birleştirmenin tasarımı esnasında yapılır ve her iş için uygun tek bir elektrod mevcut değildir. İş için uygun elektrod çeliğin cinsi ve mekanik özellikleri gibi faktörler gözönüne alınarak seçilir. Elektrod üreticilerinin kataloglarında, ürettikleri her tip elektrod için, bunların hangi sıtandarta göre üretildikleri, hangi tip çelikler için kullanılabilecekleri, kaynak metalinin kimyasal ve mekanik özellikleri, elektrodun kullanılabileceği kaynak pozisyonları gibi tasarımda faydalanılabilecek yararlı bilgiler vardır. Bu tezde ise bu yararlı bilgilere bir yenisini eklemek amaç edinilecek ve en çok kullanılan elektrodların üreticileri olan Askaynak ve Böhler Firma larının elektrodlarının yanma hızları termodinamik yaklaşım ile hesaplanacaktır.
2 Önemi 1.2 Kaynak Teknolojisinin Endüstriyel Gelişim Süreci İçinde Konumu Ve İnsanoğlu günümüzden yaklaşık 3500 yıl kadar önce, iki metal parçasını sıcak veya soğuk halde çekiçleyerek kaynak edip birleştirmeyi gerçekleştirmiştir. Demirci kaynağının, özellikle orta bronz devrine ait bu tür örneklerine dünyanın çeşitli müzelerinde rastlanılmaktadır. Batılı tarihçiler, demirci kaynağı yardımı ile demirin M.Ö. 1400 yıllarında Ön Asya da yaygın bir şekilde birleştirildiğini yazmaktadırlar. Mısır Firavunları için yapılmış orjinal metal işleri üzerinde de, bu tür birleştirmeler ile lehim bağlantılarının izleri görülmektedir. Lehimleme ile birleştirme tarihinin demirci kaynağından çok daha eskilere dayandığı konusunda bütün tarihçiler uyum içindedir. Roma Çağında metal işçiliği çok gelişmiştir; bu çağa ait pek çok eser üzerinde bu tür birleştirmeler görülmektedir. Roma medeniyetinde metal işçiliğine çok büyük önem verilmiştir; ateş tanrısı Vulkan aynı zamanda demircilik ve metal işçiliğinin de tanrısı olarak kabul edilmiştir. Bütün endüstrileşmiş ülkelerde demirci kaynağı hemen hemen tarihe karışmıştır. Kaynak yöntemlerinin endüstriyel uygulamaları ise, 19. yüzyılın ikinci yarısında başlamıştır. Oksijenin endüstriyel çapta eldesi, özellikle tamir işlerinde oksi-asetilen kaynağının yaygınlaşmasını sağlamıştır. Elektrik arkının 18. yüzyılın son yıllarında
3 Volta tarafından keşfedilmesine karşın bu enerjinin kaynakta uygulama alanı için 19. yüzyılın son çeyreğini beklemek gerekmiştir. El ile yapılan elektrik kaynağının tarihçesine baktığımızda başlangıçta üç ayrı yöntem karşımıza çıkar. Bunların en eskisi (1885) Bernardos Kaynak Yöntemi dir. Bernardos karbon bir elektrod ile iş parçası arasında ark oluşturmuş ve oksi-asetilen kaynağında olduğu gibi bir tel elektrod kullanarak kaynak yapmıştır. Daha sonra 1889 yılında Zerener, geliştirdiği yöntemde, elektrik arkını iki karbon elektrod arasında oluşturmuş ve iki elektrod arasında bulunan manyetik bir bobin yardımı ile de arkın parçaya doğru üflenmesini sağlamıştır. Bu yöntemde de ayrıca bir kaynak teline ihtiyaç vardır. Şekil 1.1 Bernardos kaynak yöntemi [2]
4 Yine, 1889 yılında Slavianoff bugünkü elektrik ark kaynağının özünü oluşturan yöntemi geliştirmiştir. Slavianoff Yöntemi nde karbon elektrod yerine, çıplak metal bir elektrod ile iş parçası arasında ark oluşturulmakta ve ark sıcaklığında ergiyen elektrod kaynak ağzını doldurmaktadır. Şekil 1.2 Zerener kaynak yöntemi [2] Ancak bu yöntemler ile elde edilen kaynak dikişleri, havadaki oksijen ve azotun olumsuz etkilerinden korunmadığı için, düşük mekanik özelliklere sahip olmaktadır. Kaynak banyosunu havanın olumsuz etkilerinden korumak; ancak, İsveçli Oscar Kjelberg in 1904 senesinde ilk örtülü elektrodu geliştirmesi sonucunda mümkün olabilmiştir. Bu büyük buluş, kaliteli ve güvenceli kaynaklı birleştirmelerin yapılabilmesine olanak sağladığından Birinci Dünya Savaşı ndan sonra, kaynak tekniği, ilerlemesini sağlamlaştırmış ve tamir yöntemi olmanın yanında, üretim aracı haline de gelmiştir.
5 Bu yıllar özellikle, ark ve gaz kaynağının birbirleri ve diğer birleştirme yöntemleri ile mücadele ettiği yıllardır. Bu iki taraflı mücadeleyi kazanmak çabasından zamanla işbirliği doğmuştur. 1920 ler, 1930 lar ve 1940 larda örtülü elektrodların ve alternatif akımla yapılan kaynağın gelişmeleri ile elktrik ark kaynağı zirveye doğru tırmanmaya başlamıştır. Örtülü elektrodların geliştirilmesi, elektrik ark kaynağının itibarını arttırmış ve bütün metallerin kaynağı için yeni tekniklerin gelişmesine yol açmıştır. Bilinen yöntemlerin geliştirilmesi ve yeni yöntemlerin bulunması yolunda yapılan araştırmalar ve çabalar sonucunda son elli yıl içinde sayılamayacak derecede gelişme kaydedilmiştir. Kaynak konusundaki bu hızlı gelişmeyi savunma ve uzay endüstrisinin istemleri teşvik etmiştir. Örneğin; iki dünya savaşı arasında kalın saçların, gemi ve tank zırhlarının kaynak edilebilmesi için tozaltı yöntemi geliştirilmiştir. İkinci Dünya Savaşı esnasında, uçaklarda kullanılan alüminyum-magnezyum alaşımlarının kaynağında karşılaşılan sorunlar TIG yönteminin gelişmesine ve yaygınlaşmasına yardımcı olmuştur. Soygaz koruması altında yapılan TIG kaynak yöntemi ile bugün bütün metal ve alaşımları kaynak yapmak mümkün hale gelmiştir.
6 MIG diye adlandırılan ergiyen elektrod ile soygaz altında kaynak yöntemi, birçok alanda TIG yönteminin yerini alarak, işlemin hızlanmasına otomatikleşmesine olanak sağlamıştır. MAG diğer bir deyimle Aktif Gaz altında ergiyen elektrod ile kaynak, son yıllarda büyük gelişme göstermiş, az alaşımlı çeliklerin kaynağında diğer yöntemlere karşı büyüyen bir rakip haline gelmiştir. Günümüzdeki konstrüksiyonlar iş verimi ve güvenliğini arttırmaya, boyutları ve ağırlığı küçültmeye, aynı zamanda malzeme ve üretim masraflarını azaltmaya yöneliktir. Buna paralel olarak birleştirme teknolojisi de sürekli bir şekilde yeni problemler ile karşı karşıya kalmaktadır. 1950 li yıllarda geliştirilen ilginç bir kaynak yöntemi de, patlayıcı maddeler yardımı ile farklı metal levhaların birbirleri ile birleştirilmesi işlemidir. Her ne kadar patlayıcı maddeler ile şekil verme teknolojisi ile ilgili patentler 1900 yıllarına uzansa da bu yöntem yeni yeni uygulama alanına girmektedir. Yine aynı yıllarda geliştirilen bir diğer yöntem de ultrasonik kaynak yöntemidir. Bugün ultrasonik titreşimler yardımı ile ince metal ve termoplastik folyolar, entegre devrelerin çıkış telleri kolaylıkla kaynak edilebilmektedir. Elektro-curuf kaynağı 1960 dan bu yana ağır parçaların dik pozisyonda kaynağında uygulanan en yaygın yöntemdir. Bu yöntemin ortaya çıkması sonucu daha ince sacların dik pozisyonda kaynağı için yeni bir yönteme ihtiyaç duyulmuş ve yapılan çalışmalar sonucu elektro-curuf yönteminin adaptasyonu ile koruyucu gaz altında özlü elektrodlar kullanılarak gerçekleştirilen yeni bir yöntem geliştirilmiştir.
7 Bu yöntem ile 15 mm. kalınlığa kadar olan parçaları dik pozisyonda hızlı ve emniyetli bir biçimde kaynak yapmak mümkün olmuştur. Kaynak teknolojisinde son yıllarda oldukça yaygınlaşan bir yenilik de sürtünme kaynağıdır. Yöntemle ilgili ilk patentler 1900 lü yıllarda alınmış olmasına karşın yöntem ilk olarak 1959 yılında Leningrad da çeşitli işletmelerde ve bazı makina bakım tesislerinde uygulanmaya başlanmıştır. Bugün sürtünme kaynağı çeşitli endüstri dallarında çok geniş bir imalatçı kitlesi tarafından kullanılmaktadır. Son yıllar içerisinde gelişen yeni bir kaynak yöntemi de döner hareketli arklarla yapılan birleştirmelerdir. Bu yöntemde, parçalar çok kısa bir süre içerisinde alın alına kaynak yapılabilmektedir. Yöntemin sürtünme kaynağına rakip olacağı düşünülmektedir. Katı faz bağlantısı olarak bilinen difüzyon kaynağı, son yıllarda A.B.D. de ve Rusya da yapılan uzun araştırmaların konusu olmuştur. Difüzyon kaynağının kullanıldığı başlıca önemli iki yer nükleer ve uzay endüstrileridir. Son yıllarda ortaya çıkan ilginç gelişmelerden en önemlisi, elektron ışını ile kaynak metalini tavlamak ve ergitmek fikri olmuştur. Elektron ışını ile metal kaynağını uygulayan ve bunu açık bir şekilde ortaya koyan ilk araştırıcı Fransız Atom Enerjisi Komisyonundan Dr. J. A. Stor olmuştur.
8 Elektron ışını ile yapılan kaynağın ilk pratik uygulamaları nükleer reaktör, roket ve uçak yapımı gibi, tekniğin yeni açılan alanlarında kendini göstermiştir. Burada kullanılan özel malzemelerin kaynağı, şimdiye kadar alışılmış yöntemler ile tatmin edici bir şekilde yapılamadığından, elektron ışını uygulanmış ve çok iyi sonuçlar alınmıştır. Elektron ışını ile kaynakta en büyük dezavantaj, kaynak işleminin vakumda yapılmasıdır ( 10-1 10-6 Torr). Düşük vakumlu elektron ışını ile kaynak, kısa sürede özellikle otomotiv endüstrisinde uygulama alanı bulmuştur. İnsanoğlunun uzayda daha fazla yol alması ve diğer gezegenlerde bilimsel istasyonlar kurabilmesi için çok gelişmiş birleştirme yöntemlerine gereksinimi vardır. Şüphesiz elektron ışını ile kaynak, uzay boşluğunda kullanılacak yöntemlerin başında gelir. Uzayda, bir uzay gemisinden enerji sağlayarak çalıştırılmak üzere dizayn edilen bir cihazla, yaklaşık 7 mm. kalınlığında titanyum ile alüminyum ve diğer metallerin kaynakla birleştirilmesi Rus bayan kozmonot Svetlana Savitzkaya tarafından gerçekleştirilmiştir. Lazer teknolojisinin hızla gelişimi, lazer ışınının, metallerde ve plastik malzemelerde birçok imalat sorununun çözümü için olanaklar doğurmuştur. Lazer, elektronik ve elektrik endüstrisindeki ince tel veya levha kaynağında, ultrasonik kaynak yöntemine bir rakip olarak ortaya çıkmıştır.
9 Son yıllarda, kaynak tekniği alanında önemli araştırma konularından bir tanesi de kaynak işleminin otamasyonudur. Kaynak tekniği, değişik kullanma alanları nedeni ile, amaca uygun birbirinden farklı kaynak yöntemlerine ve bunun sonucu olarak da farklı otomasyon türlerine ihtiyaç duymaktadır. Kaynakta ekonomikliği sağlamanın yanında, bir kalite yükselmesini de gerçekleştiren bu otomatlar, gelişmeye devam etmektedirler.
10 2.0 BAŞLICA ERGİTME KAYNAĞI YÖNTEMLERİ Kaynak, birbirinin aynı veya farklı iki veya daha fazla metalik veya termoplastik parçayı ısı, basınç veya her ikisini birden kullanarak aynı türden bir malzeme katarak ya da katmadan birleştirmektir. Lehimleme ise, esas malzeme ergimeden gerçekleştirilen bir birleştirme yöntemidir. Metallerin lehimlenmesinde birleştirilecek metalik parçaların arasındaki boşluğu doldurmak için katılan lehim malzemesi, esas metalden daha düşük bir sıcaklıkta ergir. Metal kaynağı yöntemleri uygulanan enerjinin şiddeti ve türüne göre ergitme kaynağı, basınç kaynağı, soğuk basınç kaynağı olmak üzere sınıflandırılabildiği gibi, işlemin amacına göre de birleştirme ve doldurma kaynağı olarak iki grup altında da incelenebilir. Ergitme kaynağı, metalik malzemeyi yalnız sıcaklığın etkisi ile yerel olarak ek kaynak metali ile birlikte ergitip birleştirmektir. Basınç kaynağı, metalik malzemeyi ek kaynak metali kullanmadan ısıtmadan ya da ısıtarak basınç altında birleştirmektir. Ergitme kaynağında, kaynak sıcaklığı birleştirilen malzemenin ergime sıcaklığından daha yüksektir; buna karşın basınç kaynağında metal ergimeden kaynak gerçekleştirilir.
11 Şekil 2.1 Ek kaynak metali kullanılarak veya kullanılmadan gerçekleştirilen ergitme kaynağı [2] Birleştirme kaynağı, iki veya daha fazla parçayı çözülemez bir bütün haline getirmektedir. Doldurma kaynağı ise, bir iş parçasının hacmindeki eksikliği tamamlamak veya hacmini büyütmek, ayrıca korozif veya aşındırıcı etkilere karşı korumak amacıyla, üzerine sınırlı olarak belirli özelliklere sahip malzeme yığmaktır. Kaynağın bize sağladığı kolaylıkları anlamak açısından perçin ve döküm ile karşılaştırılması uygun olacaktır. Kaynak ile perçinin mukayesesi: Kaynak ile yapılan bir birleştirmenin perçinli bir bağlantıya göre birçok üstünlüğü bulunmaktadır;
12 1- Kaynak ağırlık ve işçilikten tasarruf sağlar. Ağırlıktan sağladığı tasarruf % 10 ile % 30 arasındadır. A.B.D. de 1916 ve 1918 seneleri arasında kaynak ile imal edilen gemiler, perçin ile imal edilenlere göre % 21 lik bir çelik tasarrufu sağlanmıştır. 2- Kaynak ile perçine göre daha iyi bir sızdırmazlık elde edilmektedir. 3- Kaynaklı birleştirmelerin mukavemeti perçinli bağlantılarınkinden daha yüksektir. Perçinde esas malzemenin mukavemetine erişilemezken, kaynakta ise esas malzemenin mukavemetine % 100 erişilebilinir. 4- Kaynak ile daha kolay ve ucuz konstrüksiyonlar yapılmaktadır. 5- Gemi inşaatında kaynak, perçine nazaran gemi direncini azaltmaktadır. Kaynak ile dökümün mukayesesi: 1- Kaynakta model masrafı yoktur. 2-6 mm. den ince parçaların dökümünün zor olmasına karşın kaynakta 6 mm. den ince parçalarla yapılan konstrüksiyonlar bir zorluk oluşturmaz. 3- Kaynak tamiratta üstünlük sağlar. Kırılan veya aşınan parçaların kaynak ile kısa zamanda eski haline getirilmesi mümkündür. Dökümde ise yenisini dökmek gerekir. 4- Çeliğin döküm işleminde pratikte birçok zorlukla karşılaşılır, fakat kaynak işleminde bu durum sözkonusu değildir. 5- Kaynak döküme nazaran ağırlıktan da tasarruf sağlar. 6- Çok sayıda yapılan imalatta döküm üstünlük sağlar.
13 Ergitme kaynağı, ısıtma enerjisinin türüne ve kaynak bölgesinin havanın olumsuz etkilerinden korunma şekline göre, birbirlerinden farklılık gösteren çeşitli yöntemler uygulanarak gerçekleştirilir. Günümüz endüstrisinde en sık uygulanan ergitme kaynağı yöntemleri şunlardır: Gaz ergitme kaynağında, kaynak için gerekli ısı, bir yanıcı gaz ve yakıcı gaz olan oksijenin oluşturduğu alev tarafından sağlanır. Şalüma veya üfleç diye adlandırılan bir yakıcıya, yanıcı gaz ve oksijen iki ayrı hortum tarafından iletilir; üfleçte bu gazlar istenen oranda karışır ve üfleçin bek kısmından dışarı çıkar ve burada yanarak kaynak alevini oluşturur. Kaynak alevi gerek iş parçası ve gerekse de ek kaynak metalini ergitecek güçtedir. Ek kaynak metali gerektiğinde bir tel çubuk halinde kaynak bölgesine kaynakçı tarafından sokulur. Günümüzde, genellikle yanıcı gaz olarak asetilen kullanıldığından bu yönteme oksiasetilen kaynağı adı da verilir. Her tür metal ve alaşımının kaynak edilebildiği bu yöntem gerek yavaşlığı ve gerekse de yetişmiş personel gereksinimi nedeni ile bugün sadece tamir işlerinde uygulama alanı bulmaktadır. Bütün kaynak yöntemlerinde işlemi gerçekleştirmek için bir kaynak enerjisine, bu enerjiyi sağlayan ve kaynak bölgesine taşıyan bir donanıma, kaynak ağzını doldurmak için bir ek kaynak metaline gereksinme vardır.
14 Kaynağın üç temel elemanı diye isimlendirebileceğimiz bu unsur elektrik ark kaynağında, ark kaynak makinası ve kaynak elektrodu tarafından sağlanmaktadır. Ayrıca kaynakçıyı korumak, kaynatılan parçaları birarada tutabilmek, kaynak pozisyonunu ayarlayabilmek ve çalışma koşullarını kolaylaştırabilmek için bir takım yardımcı araç ve gereçlere gerek vardır. Elektrik ark kaynağında kaynak için gerekli ısı, elektrik arkı tarafından sağlanmaktadır. Kaynak ağzını doldurmak için gerekli ek kaynak metalinin katılma biçimi ve kaynak bölgesinin havanın olumsuz etkilerinden korunma biçimine göre çok çeşitli ark kaynak yöntemleri geliştirilmiştir. Günümüzde en yaygın biçimde kullanılan ergitme kaynağı yöntemleri elektrik ark kaynağı yöntemleridir. Örtülü elektrod ile ark kaynağında ark, iş parçası ve ergiyen elektrod arasında yanar ve bu şekilde ergiyen elektrod aynı zamanda kaynak metali haline geçer. Elektrod örtüsü de aynı anda yanarak ergir. Bu esnada açığa çıkan gaz ark bölgesini korur ve oluşan cüruf da kaynak bölgesini örterek kaynak bölgesinin havanın tesirinden korunmasını sağlar.
15 Şekil 2.2. Örtülü elektrod ile ark kaynağında ark bölgesi. [2] Ayrıca elektrod örtüsüne katılan alaşım elementleri yardımı ile, kaynak dikişini alaşımlandırarak, istenen özelliklerde kaynaklı birleştirme elde edilebilmektedir. Örtülü elektrod ile elektrik ark kaynağı, ark kaynak yöntemleri içinde en basit, en popüler ve en üniversal özelliğe sahip olan yöntemdir. Bu yöntem uygulamada, demir esaslı veya demir dışı metal ve alaşımlarının kaynağında 1,2 mm. den daha kalın parçalara, her kaynak pozisyonunda uygulanabilmektedir.
16 Şekil 2.3. Örtülü elektrod ile ark kaynağı donanım şeması. [2] Kaynak için gerekli koşullardaki elektrik akımı, bu iş için geliştirilmiş bir kaynak akım üreteci tarafından sağlanır; akım kablolar yardımı ile iş parçası ve elektrod pensesine iletilir. Kaynakçı elektrodu penseye takar ve iş parçasına deydirerek arkı oluşturur. Arkın başlatılması, yanması, boyunun ayarı, söndürülmesi, kaynak hızı ve ergiyen elektrod metalinin kaynak ağzını doldurması için gerekli manipülasyonlar tamamen kaynakçı tarafından yapılır; bu yöntemde kaynağın kalitesine kaynakçının el becerisinin etkisi çok önemlidir. Kaynak sonrasında dikiş üzerinde oluşan cüruf yine kaynakçı tarafından temizlenir. Örtülü elektrod kullanılarak el ile yapılan elektrik ark kaynağında teknik donanım kadar kaynakçının bilgisi ve el becerisi de büyük bir önem taşır. Kaynak işlemini hızlandırmak, kaynakçının dikişin kalitesine etkisini ortadan kaldırabilmek konusunda yapılan çalışmalar sonucunda iki ayrı yoldan gidilerek, bugün tozaltı ve gazaltı diye adlandırdığımız kaynak yöntemleri geliştirilmiştir.
17 Tozaltı kaynak yöntemi, ilk defa 1933 yılında A.B.D. de bulunmuş ve 1937 yılından itibaren de Avrupa da uygulanmaya başlanmıştır.bu kaynak yönteminde ark, bir mekanizma tarafından otomatik olarak kaynak bölgesine gönderilen çıplak tel ile iş parçası arasında oluşur ve bir kanaldan devamlı olarak üzerine gelen özel bir toz altında yanar. Ark, bir toz örtüsü altında kaldığından etrafa ışınım yapmaz ve bu şekilde ark enerjisinin büyük bir kısmı ( yaklaşık % 64 ü ) doğrudan doğruya kaynak için sarfedilmiş olur ve toz örtüsü kaynak banyosunu atmosferin olumsuz etkilerinden korur. Tozaltı kaynak yönteminde, tel elektroda, uç kısmına yakın bir yerden ve özel bir bakır kontakt tarafından akım verildiğinden, çok yüksek akım şiddetlerine çıkmak mümkündür. Bu bakımdan, tozaltı kaynak yöntemi çok güçlü bir kaynak yöntemidir ve bir paso ile takriben 85 ve iki paso ile 180 mm. ye kadar kaynak yapabilme olanağı sağlar. Akım şiddetinin yüksekliği büyük bir kaynak banyosu oluşturur ve tahmin edilemeyecek derecede derin bir nüfuziyet sağlar.
18 Şekil 2.4. Tozaltı kaynak yönteminde kaynak bölgesi. [2] Bu önemli avantajlara sahip tozaltı kaynak yönteminin de bazı dezavantajları vardır ki, bunlar uygulama alanını sınırlandırmaktadırlar; bu yöntem ince saclar için elverişli değildir, el ile kullanılmak üzere geliştirilmiş donanım iyi sonuç vermemiştir, bu bakımdan otomatik kullanımı gerekli olduğundan parçanın şekli ilerletme tertibatının yörüngesine uygun olmalıdır. Tozaltı kaynak yöntemi, ancak yatay kaynak dikişleri için uygundur, her ne kadar bugün özel bir tertibatla dik ve korniş kaynağı yapabilme olanağı elde edilmiş ise de, tavan kaynaklarını bu yöntem ile birleştirebilme olanağı yoktur; boru kaynağında ancak boru döndürüldüğü takdirde bu yöntemle kaynak yapmak mümkün olmaktadır ve kısa dikişler halinde makinanın ayarlanması için kaybedilen zaman gözönüne alındığında ekonomik olmaktadır.
19 Şekil 2.5. Tozaltı kaynak donanımı şeması. [2] Tozaltı kaynak yöntemi ile sadece çeliklerin kaynatılabilmesi; araştırıcıları, diğer endüstriyel metal ve alaşımların kaynağı için de otomatik bir yöntem geliştirmeye zorlamıştır. Tungsten Inert Gas kelimelerinin ilk harflerinden oluşmuş TIG kelimesi ile adlandırılan bir yöntemde kaynak için gerekli ısı enerjisi bir Tungsten elektrod ve iş parçası arasında oluşturulan ark tarafından sağlanmakta ve kaynak bölgesi de elektrodu çevreleyen bir lüleden, bir asal gaz ( Helyum veya Argon ) tarafından korunmaktadır.
20 Şekil 2.6. TIG kaynak yönteminde kaynak bölgesi. [2] Kaynak için ek kaynak metali, gerektiğinde, oksi-asetilen yönteminde olduğu gibi, tel halinde kaynakçı tarafından kaynak bölgesine sokulur. Koruyucu gaz olarak bir soy gaz kullanılması sonucunda, kaynak esnasında sıvı metal havanın olumsuz etkilerinden çok iyi derecede korunur ve bu bakımdan, bu yöntem özellikle havanın oksijeninden şiddetle etkilenen hafif metal alaşımları ve paslanmaz çelikler için çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Koruyucu gaz oalrak Avrupa da ve ülkemizde en fazla argon, ABD lerinde ise helyum, helyum-argon karışımları kullanılmaktadır.
21 Şekil 2.7. TIG kaynak donanımı şeması. [2] TIG kaynak yöntemi çok geniş bir uygulama alanına sahiptir, demir esaslı alaşımların kaynağında ve endüstride karşılaşan demir dışı metal ve alaşımların çok büyük bir kısmının kaynatılmasında başarı ile kullanılabilmekte ve bütün kaynak pozisyonlarında sağlıklı sonuçlar alınabilmektedir. Bu yöntem ince levhaların kaynağında çok başarılı sonuçlar vermesinin yanısıra kalın parçalara da kolayca uygulanabilmektedir. Bu yöntemde kaynak süresince kaynakçı kaynak banyosunu çok iyi bir biçimde görebilmekte, dolayısı ile de kontrol altında tutabilmektedir; banyo üzerinde cüruf olmayışı da dikişte cüruf kalma tehlikesini ortadan kaldırmaktadır.
22 Önceleri sadece doğru akım ile kullanılan bu yöntem, yüksek frekans stabilizasyon sisteminin geliştirilmesi ile alternatif akım ile de uygulanabilir hale gelmiştir. Yapılan araştırmalar sonucu, ilk defa ABD de alüminyum ve alaşımlarının sonra da sırası ile yüksek alaşımlı çeliklerin, bakır ve alaşımlarının, karbonlu çeliklerin kaynağında uygulanmış olan MIG ( Metal Inert Gas ) kaynak yönteminde de ark, helyum veya argon gibi asal bir gaz atmosferi altında yanar; bu yöntemin TIG yönteminden farkı, arkın iş parçası ve kaynak metali gereksinimini karşılayan bir elektrod arasında oluşturulmasıdır. Şekil 2.8. MIG kaynak yönteminde ark bölgesi. [2] Ergiyen elektrod ile gazaltı kaynağı çok geniş bir uygulama alanına sahiptir, çok ince levhalar hariç, her kalınlıktaki demir esaslı ve demir dışı metal ve alaşımların kaynağında uygulanabilmektedir.
23 Bu yöntemin uygulaması çok basittir, operatör hiçbir zorlukla karşılaşmaz; toprak kablosunu iş parçasına bağlayıp, torçun ucundaki tel elektrodu kaynak ağzına değdirmek yeterli olmaktadır, zira sistem uygun ark boyunu, kendisi otomatik olarak sabit tutmaktadır. Uygulama kolaylığı nedeni ile bütün demir dışı metal ve alaşımlarının kaynağında çok popüler ve aranılan bir yöntem haline gelen MIG yönteminin sade karbonlu ve az alaşımlı çelikler için uygulama alanı bulamamasına asal gazın pahalılığı neden olmuştur. Bilindiği gibi sade karbonlu ve az alaşımlı çeliklerin örtülü elektrod ile kaynağında ark bölgesi, örtünün yanması veya ayrışması sonucu CO 2 tarafından havanın olumsuz etkilerinden korunmaktadır; bu olaydan hareket edilerek CO 2 in koruyucu gaz olarak kullanıldığı ilk denemeler iyi sonuç vermemiş, çok fazla sıçrama ve dikişte aşırı porozite ile karşılaşılmıştır. Araştırmalar bunun nedeninin CO 2 in safiyetsizliği ve içerdiği rutubet olduğunu ortaya koymuştur.
24 Şekil 2.9. MIG kaynak donanımı şeması. [2] 1950 li yılların başında özellikle otomobil endüstrisinde, tam otomatik olarak çalışan, yüksek ergime güçlü, çok hızlı sadece yatay pozisyonda çalışabilen, CO 2 koruyucu gazlı kaynak makinaları kullanılmaya başlanmıştır; bu yöntemde sadece yatay pozisyonda çalışılabilme olanağı ve fazla miktarda sıçrama araştırmacıları bu doğrultuda çalışmalara yöneltmiştir. CO 2 gibi aktif bir koruyucu gaz altında bu kaynak yöntemine Metal Active Gas kelimelerinin baş harflerinden yararlanılarak MAG adı verilmiştir.
25 Son yıllarda geliştirilen, darbeli akım yönteminde, kaynak akımı, ayarlanan frekansta bir alt ve bir üst değer arasında değiştirilerek iş parçasına aktarılan ısı girdisi minimumda tutularak, özellikle ince parçalarda çarpılma azaltılmıştır. Endüstrileşmiş ülkelerde en popüler yarı otomatik kaynak yöntemlerinden olan MIG MAG son yıllarda ülkemizde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle paslanmaz çeliklerin kesilmesinde yaygın biçimde kullanılan plazma arkı, temel olarak TIG kaynak yönteminin bir uzantısı olup, bu yöntemde TIG kaynağının konik şekildeki arkı çeşitli düzenlemelerle büzülerek ince silindirik hale getirilmiştir. Bir plazma ark üfleci, ucunda küçük bir deliği bulunan meme ile bu memenin merkezindeki tugsten bir elektroddan oluşmuştur. Plazma gazı, bu iç içe geçmiş dairesel meme ile elektrod arasından geçerek delikten dışarı çıkar. Elektrod ile meme ( transfer olmamış ark ) veya iş parçası ( transfer olmuş ark ) arasında ark sütunu meydana geldikten sonra, basınçlı plazma jetinin oluşturulması için iyonize olan gaz delikten dışarı püskürtülür. Meme çok iyi soğutulduğundan ark içe doğru büzülür. Böylece ark sütununun sıcaklığı 10000 20000 o K arasında bir dereceye yükselir. Plazma arkı ile kaynak, kesme, rendeleme, oluk açma, doldurma ve hatta tavlama işlemleri yapılabilir. Özellikle oksi-asetilen yöntemi ile kesilemeyen seramikler, alüminyum, bakır ve alaşımları, paslanmaz çelikler rahatlıkla plazma arkı ile kesilebilir malzemelerdir.
26 Şekil 2.10. Plazma arkının oluşumu. [2] Elektron ışın kaynağı, elektronların yüksek vakum altında hızlandırılmaları sonucu kazandıkları kinetik enerji kullanılarak gerçekleştirilen bir kaynak yöntemidir. Elektronlar, metal yüzeyine çarptıkları zaman enerjilerinin büyük bir kısmı ısıya dönüştüğünden metal ergir. Bu, nedenle elektron ışın kaynağı uygun biçimde odaklanmış ve ergime sağlayacak kadar enerji kazandırılmış ( hızlandırılmış ) elektron ışınının metale çarparak, durmaya zorlanması prensibine dayanır. Günümüzde, refrakter ve nadir metallerin, yüksek sıcaklık ve korozyona dayanıklı alaşımların ve çeliklerin kaynağında bu yöntemin kullanılmasında büyük deneyim kazanılmıştır.
27 Bugün elektron ışın cihazları büyük metal kütüklerden, elektronik mikro devrelere kadar tüm elemanların kaynağında rahatlıkla kullanılabilmektedir. Yöntem özellikle nükleer, havacılık, füze ve otomotiv endüstrilerinde yaygın ve avantajlı şekilde kullanılmaktadır. Ancak tek ve büyük dezavantajı vakum kamarası gerektirmesidir. Şekil 2.11. Elektron ışın kaynağı donanım şeması. [2] Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiotion kelimelerinin baş harflerinden oluşan LASER ışını ile kaynak, kesme ve işleme; konsantre edilmiş enerji ışınlarının ( elekron ışın, plazma jet vs. ) kullanılma tekniklerinden bir tanesidir. Alışılmış kaynak yöntemlerinin kullanılamadığı durumlar için geliştirilmiş bir kaynak yöntemidir. Aslında bir ergitme kaynak yöntemi olan Laser Kaynağı nda güç yoğunluğu, malzeme kuvvetle buharlaşmadan ergiyecek şekilde ayarlanmalıdır.
28 Laser in birçok elde ediliş türü vardır; kaynak ve kesme için Katı Hal Laser ı ve Gaz Laser ları kullanılmaktadır. Laser, günümüzde elektronik, saat, hassas cihaz ve tıp endüstrisi dallarında yaygın olarak kullanılmakta olup gelişen otomasyon teknikleri sayesinde de otomotiv endüstrisinde de uygulama alanına girmiştir. Elektro cüruf kaynağı, kalın parçaların dik pozisyonda birleştirilmesinde uygulama alanı bulmuş güçlü bir kaynak yöntemidir. Bu yöntemde, elektrod olarak aynen tozaltı ve MIG MAG yöntemlerinde kullanılanlara benzer türde tel elektrodlar kaynak banyosu üzerindeki sıvı cürufa dalar ve ergir; gerekli sıcaklık yükselmesi cürufun elektrik akımına gösterdiği direnç nedeni ile oluşur.
Şekil 2.12. Elektro-cüruf kaynak yönteminde kaynak bölgesi. [2] 29
30 Şekil 2.13. Elektro-cüruf kaynak donanım şeması. [2] Yukarıda genel olarak kaynak yöntemlerinden bahsedilmiştir. Sonraki bölümde ise elektrik ark kaynağıdan kapsamlı bir bir biçimde bahsedilecektir. [2]
31 3.0 ELEKTRİK ARK KAYNAĞI Elektrik ark kaynağının tarihçesine bir önceki bölümde değinilmişti, bu bölümde ise elektrik ark kaynağının özelliklerinden bahsedilecektir. 3.1 Kaynak Arkı Modern fiziğe göre ark, kızgın bir katottan yayılan elektrodların, yüksek bir hızla anodu bombardıman etmesi sonucunda meydana gelir. Bu bombardıman, çarpma sonunda nötr moleküllerin, iyonize olmasına sebeb olduğundan, kuvvetli bir sıcaklık yükselmesi sağlamaktadır. Böylece elektrik enerjisine dönüşmektedir. Yapılan araştırmalara göre toplam enerjinin % 85 i ısı ve % 15 i de ışık enerjisine dönüşmektedir. Pratikteki kaynak arkının gücü 0,3 ile 160 kw. ve ısı eşdeğeri de 70 ile 40 000 Cal / s arasında değişir. Ark tarafından elde edilen ısı enerjisi ark hüzmesi, katodik leke ( negatif elektrodun ucundaki kızgın noktaya katodik leke denir ) ve anodik krater ( pozitif elektrodun ucundaki krater şeklindeki oyuk ) arasında dağılır. Kararlı bir arkda ark hüzmesi tarafından üretilen ısı, ark aralığı tarafından etrafa verilen ısı ile aynı miktardadır.
32 Şekil 3.1. Bir arkın şematik gösterilişi. [1] Şekil 3.2. Bir karbon arkı. [1] Kaynak esnasında elektrodun aşınması katodik leke tarafından ( genellikle kaynakta elektrod negatif kutba bağlanır ) üretilen ısı ile olur. İş parçası da anodik krater tarafından elde edilen ısı ile ısınır. Etrafa verilen ısı kaybı da ark hüzmesi tarafından üretilen ısı ile dengelenir. Optik prometre ile ölçülen arkın anodik krater ve katodik lekelerindeki sıcaklıklar Tablo 3.1 de verilmiştir.
33 Tablo 3.1 Optik prometre ile ölçülen arkın anodik krater ve katodik lekesindeki sıcaklıklar ( Engel ve Stenböck e göre ) [1]. Elektrodlar Gaz Anadik kraterin sıcaklığı o C (t a ) Katodik lekenin sıcaklığı o C (t k ) Karbon Hava - Azot 3900-2300 3200-2100 Bakır Hava - Azot 2150-2150 1900-1900 Alüminyum Hava 3100 3100 Tungsten Hava 3950 2700 Nikel Hava Azot 2180-2180 2100-2100 3.2 Arkın Elektrik Rejimi Arkın uçlarındaki gerilim ve arka tatbik edilen akım şiddeti, ohm kanununda olduğu gibi basit bir oran ile değişmez. Aksine bu iki etkenin değişmesi ters yönde olur. I akım şiddeti arttıkça uçlardaki V gerilimi önce hızla ve daha sonra yavaş bir şekilde düşer.
34 Şekil 3.3. Metalsel arkın elektrik rejimi. [1] Belirli bir ark boyu için akım şiddeti arttırıldıkça, belirli bir değerde ark rejiminin pek fazla değiştiği ve sessiz haldeki arkın ıslık sesi çıkarmaya başladığı ve elektrodlar arasındaki gerilim farkının akım şiddetine bağlı olmadığı görülür. Bu durumda rejim kararsız olmuştur. Kararlı ark şartları için uçlardaki gerilimin aşağıdaki üç gerilimin toplamına eşit olması gerekir: v k = Katodik gerilim düşümü v a = Anodik gerilim düşümü v o = Buharlaşma bölgesindeki yani ark hüzmesindeki gerilim düşümü, V = v k + v a + v o ( volt ). (1)
35 Katodik ve anodik gerilim düşümleri arkın uzunluğuna bağlı değildir. Yalnız elektrodun cinsine göre değişir. Bu takdirde belirli bir metalsel ark için : v k + v a = C te = a (V) (2) şeklinde yazmak mümkündür. Buhar bölgesindeki gerilim düşümü ( v o ), ark uzunluğu ile doğru ve akım şiddeti ( I ) ile ters orantılıdır. Şöyle ki : l v o = a (3) I Buna göre metalsel bir arkın uçlarındaki gerilimi için şeklinde yazılabilir. l V = a + a (4) I Mesela, 1 cm. uzunluğundaki bir arkta demir elektrod için V = 11 + 5500 I 1 şeklinde yazılır. Şimdi 4 mm. çapındaki bir elektrod ile yapılan elektrik ark kaynağında 140 amperle çalışılırsa, l = 0,5 cm. olarak alındığında : V = 11-5500.0,5 140 = 30 Volt elde edilir. Bu değer uygulamada da aynıdır.
36 Ark boyu arttıkça gerilim de artar. Örneğin; l 0,5 cm. iken 1 cm. olursa uçlardaki gerilim 30 dan 49 volta çıkar. Bu değişiklik kaynak dikişinin kalitesine etki eder. Genel olarak anodik gerilim düşümü, katodik gerilim düşümünden büyük olduğundan katoda nazaran anotta ısıya dönüşen enerji miktarı daha fazla olacak ve dolayısıyla da sıcaklık derecesi daha çok yükselecektir. 3.3 Arkın Karakteristiği Bir arkın karakteristiği yani u = f ( I ) fonksiyonu Şekil 3.4 deki gibi bir hiperbol şeklindedir. Buradaki parametre ark boyudur. Ark boyu arttıkça hiperbolün orjinden uzaklığı da artar. Şekil 3.4. Arkın karakteristiği ( U b =f (I) fonksiyonu l 1, l 2 ve l 3 çeşitli ark boylarındaki karakteristikleri göstermektedir.). [1]
37 Şekil 3.5. Devresine bir R direnci ilave edilmiş arkın karakteristiği. [1] Ark devresine bir R direnci ilave edilirse, karakteristik değişir ve Şekil 3.5 deki durumu alır. 3.4 Doğru Akım Arkının Kararlılığı Metalsel bir arkın sabit gerilim altında çalışma kararlılığını sağlamak için yeter bir direnç seri olarak bağlanmakta ve çoğunlukla da dirence, akımın hızlı değişimlerine karşı koyacak bir self ilave etmek gerekmektedir. Arkı oluşturmak için iki elektrod arasında kısa devre yapılmakta ve böylece katodik kızgın lekenin oluşumu sağlanmaktadır. Arkın kolay oluşabilmesi için başlangıçta çalışma esnasındakine nazaran daha yüksek bir besleme gerilimine ihtiyaç duyulmakta ve bu gerilim de doğru akımda 40 ile 70 volt arasında bulunmaktadır. Böylece arkın oluşumu sırasındaki ( I a ) akım şiddeti, çalışma sırasındaki ( I f ) akım şiddetinden daha büyük olmaktadır.
38 Arkın kararlılığı üzerinde rol oynayan birçok etken mevcuttur. Bunların başlıcalarını şöyle sıralayabiliriz : a- Metallerin iyonlaşma gerilimi, b- Metallerin termo iyonik kabiliyeti, c- Metallerin ısı geçirgenliği. Metallerin iyonlaşma gerilimi ile termo iyonik gerilimi ne kadar düşük olursa, ark da o oranda kararlı olur. Diğer taraftan metalin ısı geçirgenliği arttıkça katodik yayınma azalmakta ve dolayısıyla da arkın kararsızlığı artmaktadır. Örneğin, bakır, pirinç, fosforlu ve alüminyum bronzlarında arkı oluşumu güçlük arzeder. Bu gibi hallerde arkın kararlılığını sağlamak ve tutuşmayı da kolaylaştırmak üzere elektordun örtüsüne uygun maddeler katılır ve böylece iyonlaşma gerilimi, termo iyonik kabiliyeti ve ısı geçirgenliği istenen değerde tutulmuş olur. 3.5 Alternatif Akım Arkının Kararlılığı Arkın, ancak elektron içeren bir kızgın katod sayesinde ve çarpma neticesi nötr molekülleri iyonize etmek için, elektronların içinde yeter derecede hız alabilecekleri, kuvvetli bir elektriksel alan meydana getiren bir katodik gerilim düşümü ile sağlanabileceğini daha önce belirtilmişti. Arkı besleyen akım çok kısa bir süre için kesilse ve yeniden ilk gerilim tatbik edilse ark yanmaz.
39 Elektrodu temas ettirerek arkı yeniden teşvik etmek gerekir. Fakat akımın kesilme süresi boyunca katod yeter derecede soğumamış ise, ark, gerilim uygulanınca tekrar oluşur. Bütün bunlar, hep yeni yönde tatbik edildiği yani bir kutup değişmesinin olmadığı hal için kabul edilmiştir. Fakat akımın kesilmesi sırasında bir kutup değişmesi olursa, problem karışık bir hal alır. Arkın yeniden oluşumu için katod olan anodun elektron yayınlamaya yetecek bir sıcaklıkta olması gerekmekte ve eğer sıcaklık daha düşükse yön değişimi meydana gelmemektedir. Arkın, devresine seri bir direnç bağlanmış sinüsoidal gerilimli bir alternatif akım kaynağı tarafından beslendiğini ve elektronların kızgın durumlarını korumak için bir ısı volanına sahip bulunduklarını farzedelim. Ark, ancak bir asgari ± E geriliminde oluşacaktır. (Şekil 3.6). Besleme gerilimi, kararlılık gerilimi olan ± E den düşük ise, sönme aa, bb, dd periyotlarında oluşacaktır. Gerilimlerin E den yüksek olduğu a b, b d, d e periyotlarında kararlılık olacaktır. Pratikte, bu teorik şekil birçok sebebler dolayısıyla gerçekleştirilememektedir. Bunlar : a- Gerilimin kararsızlığı, b- Sönme periyotlarında elektrodların soğumasıdır.
40 Şekil 3.6. Alternatif besleme akımının sinüsoid eğrisi. [1] Sinüsoidler, geometrik şekillerini kaybetmekte I ve E eğrileri zamana bağlı olarak Şekil 3.7 ve 3.8 de görülen gidişi takip etmektedir. Bu tarz eğriler ossilograflar tarafından çizilmektedir. Eğer devrede seri halde bir direnç bulunuyorsa (Şekil 3.7) sönme süresi gayet iyi tespit edilebilmekte ve arkın yeniden teşekkülünde bariz bir gerilim tepesi göze çarpmaktadır. Devrede bir self endüksiyonunun bulunması halinde (Şekil 3.8) sönme süresi önemli derecede küçülür ve gerilim tepesi de daha az belirir. I = f ( t ) akım eğrisi bir sinüsoit şekline yaklaşmakta arkın kararlılığı artmaktadır. Şekil 3.7. Ark akımının seri bağlanmış bir direnç ile değişmesi. [1]
41 Şekil 3.8. Ark akımının bir self ile değişmesi. [1] 3.6 Metal Arkının Çalışması Elektrod metalinin kaynak yapılacak parçaya ergimiş metal damlacıkları halinde nakli, arkı çok kısa bir an için kısa devre yapmakta ve kraterdeki ergimiş metal ile temas etmektedir. Bu esnada kraterdeki metalin yüzey gerilimi damlanın kaynak parçasına devredilmesini sağlamaktadır. Her damlanın elektroddan kaynak yapılan parçaya geçişi hakiki bir kısa devre yapmakta dolayısıyla da gerilim birden düşmekte ve akım şiddeti önemli derecede artmaktadır. Damlanın geçiş süresi 1/100 saniye mertebesindedir. Damla geçtikten sonra ark yeniden oluşmakta ve bir gerilim tepesi vererek arkasından normal karakteristiklerini kazanmaktadır. Her damlanın geçişinde bu olay bir defa tekrarlanır. Kısa devre akımı çok yüksek bir değer alırsa, ark teper ve yeni akım şiddetinin aldığı yüksek değer karşısında metal damlaları müthiş bir gürültü ile patlar.
42 Özel olarak kaynak arkında statik ve dinamik kararlılığı ayırd etmek gerekir. Statik kararlılık bir R direncinin bağlanması ile arttırılır. Bu R direncine tekabül eden IR gerilimi yardımıyla U = f ( t ) eğrileri üzerinde çalışma karakteristikleri tesbit edilir. Fakat kaynak makinasına bağlı olan bu statik kararlılık memnuniyet verici bir çalışma için yeterli değildir. Arkın uzunluğu, akımın frekansı, elektrod metalinin ve örtünün cinsi gibi etkenlere bağlı olan bir dinamik kararlılık lazımdır.
43 4.0 KAYNAK ELEKTRODLARI mümkündür. Elektrik ark kaynağında kullanılan elektrodları genel olarak iki grupta toplamak 1- Yalnız arkı oluşturmada kullanılan elektrodlar 2- Hem arkın oluşumunda hem de ilave metal olarak kullanılan elektrodlar. 4.1 Yalnız Arkı Oluşturmak İçin Kullanılan Elektrodlar Bu elektrodlar, ya parça ile aralarında ya da iki elektrod arasında arkı meydana getirir ve ayrıca kaynak ağzını doldurmak için bir ilave metal ( kaynak teli veya çubuğu ) kullanılır. Eğer ağızlar, ince saclarda olduğu gibi kıvrık bir şekilde hazırlanmış ise, ayrıca bir kaynak teline ihtiyaç yoktur. Kaynak tekniğinde bu elektrodar başlıca iki gruba ayrılır: a- Karbon Elektrodlar b- Tungsten Elektrodlar.
44 4.1.1 Karbon Elektrodlar Genellikle dairesel kesitli olan karbon elektrodlar üç cinstir. Amorf, grafit ve elktrografit elektrodlar. Amorf elektrodlar toz haline getirilmiş kok, grafit veya antrasit kömürlerinin bir yapıştırıcı madde ile birlikte yüksek basınç altında preslenmesi neticesinde elde edilir. Yapıştırıcı madde olarak daha ziyade sıcak katran kullanılır. Presleme işleminden sonra fırında kurutulur. Tamamen dolu amorf çubuklara homojen karbon elektrod adı verilir. Ayrıca fitilli amorf elektrod adı verilen diğer bir cins elektrod tipi daha vardır. Bu fitilli çubukların özü su camı ve asit borik olup, arkın muntazam ve sakin yanmasını sağlar. Grafit ve elektro-grafit çubuklar yalnız grafit kömüründen imal edilir. Daha toz ve sıkı bir yapıya sahiptir. Bunlar amorf elektrodlardan daha yüksek akım şiddeti ile yüklenir. Ömürleri de amorf çubuklardan daha uzundur. En ucuzları amorf ve en pahalıları da elektrografit elektrodlardır. Çapları 3 ile 30 mm. ve boyları da 200 ile 1000 mm. arasındadır. Her üç tipe uygulanan akım şiddetleri Tablo 4.1 de verilmiştir.