ARK KAYNAĞININ ESASLARI Metallerin birleştirilmesinin, bir elektrod ile parça arasındaki elektrik arkının ısısı ile oluşturulduğu bir ergitme kaynak yöntemidir. Bu yöntemde arkın ürettiği elektrik enerjisi, herhangi bir metali ergitmek için yeterli miktarda sıcaklıklar (~ 5500 C ) oluşturur. Çoğu ark kaynak yöntemlerinde kaynaklı bağlantının hacmini ve dayanımını arttırmak için dolgu (ilave) metal eklenir. Bazı temel yöntemler, arkla kesmede de kullanılmaktadır. Kaynak işlemi esnasında üzerinden kaynak akımının geçmesini sağlayan, iş parçasına bakan ucu ile iş parçası arasında kaynak arkını oluşturan ve gerektiğinde ergiyerek kaynak ağzını dolduran kaynak malzemesine elektrod denir. Elektrik arkı; bir devredeki aralıktan geçen elektrik akım deşarjıdır. Akımın aktığı bir iyonize gaz demeti (plazma) tarafından sürdürülür. Kaynak sırasında hareketli iletken çubuk (elektrod), akım devresini kapatır (tamamlar). Arkın tutuşturulması ve sürdürülmesi için bir akım üreteci gereklidir. Akım üreteci, gerekli yüksek akım şiddetini ve düşük gerilimi sağlar. Uygulamada, ark kaynağında arkı başlatmak için, elektrod parça ile temas haline getirilir ve hemen ayrılarak kısa bir mesafede tutulur. Elektrotla parçanın belirli mesafede tutularak elektron geçişi sağlanmalıdır. Ark oluşturma iki yolla yapılabilir. 1. Vurarak Ark Oluşturma: Birinci yöntem, elektrotun iş parçasına vurulmasıdır. Kaynak işleminin yapılacağı yerden yaklaşık 5 mm. uzaklığa, elektrotun ucu ile vurulur. Vurma şiddeti, elektrot örtüsünün kırılmasına neden olmayacak biçimde olmalıdır. Genelde bu tür ark oluşturma daha çok kullanılmış (ara verilmiş) elektrotlarda kullanılır. Çünkü elektrot metali gizlemiş ve akım geçişini kesmiştir. 2. Sürterek Ark Oluşturma: İkinci yöntemde ise, yine ilk etapta kaynak ile kapanacak bir alana elektrotun ucu sürtülür ve aradaki havanın ısınması, dolayısıyla da arkın oluşması sağlanır. Bu iki yöntemin uygulanışı, iş parçasının cinsine göre farklılık gösterebilir. Elektrotun yakılışı çok kısa bir süreç içerisinde gerçekleştirilir. Elde edilen ark, sonradan kaynağın başlangıç kısmına taşınır.
Hava, normal şartlar altında kötü bir elektrik iletkenidir. Arkın tutuşturulması ve sürdürülmesi için ilk olarak elektrik iletkenliğinin sağlanması gerekir. Bu durum iyonizasyon olarak adlandırılır. Bu durumda elektrod ile parça arasındaki boşlukta bulunan havanın molekülleri ve diğer gazlar, ilk olarak dissosiye (iyonize olma özelliği) olur ve daha sonra da elektronlar ve iyonlar açığa çıkar. Ark içindeki elektronlar ve iyonlar, yük taşıyıcı olarak görev yaparlar. Pozitif ve negatif yük taşıyıcılar, ark içinde kendilerine uygun kutba doğru hareket ederler; diğer bir deyişle elektronlar anoda (pozitif kutba) doğru giderken iyonlar katoda (negatif kutba) doğru hareket eder (Şekil 6). Şekil 6. Ark akım akışı
ARK KAYNAĞI Elektrod ucunun yakınında bir ergimiş metal banyosu oluşturulur. Elektrod bağlantı boyunca ilerlerken, ergimiş metal kendi kanalında katılaşır. Şekil: Bir ark kaynak yönteminin temel konfigürasyonu ve elektrik devresi Güç Kaynağı (Kaynak Makinesi) Güç kaynağının amacı, ana malzemeyle elektrod arasında oluşturulan elektrik arkı için yeterli miktardaki çıkış akımının, akım beslemesini sağlamaktadır. Güç kaynağının imalat prensibi; ark uzunluğunun (kaynak esnasındaki, ana malzeme ile elektrodun ergimemiş ucu arasındaki uzaklık) değişiklik göstermesine rağmen kaynak akımının sabit kalması şeklindedir. Elektrod kaynağının çalışması sabit akım prensibindedir. Güç kaynağından sağlanan akım, kaynak işlemi esnasında operatörün el kontrolündeki elektrod ile ana malzeme arasındaki mesafenin değişmesine göre değişiklik göstermez. Akımın sabit tutulması kararlı bir ark sağlar ve operatörün çalışmasını kolaylaştırır.
kaynakları akım çıkış kutuplama özelliklerine göre ikiye ayrılır: Güç a) Alternatif akım (AC) güç kaynakları: Güç kaynağı akım çıkış karakteristiği sinüs dalga şeklindedir. Zamana göre şiddetini ve yönünü değiştiren bu akım saniyede 50 veya 60 kez tekrarlanır. Transformatörler şebeke akımını, kaynak akımına dönüştüren elektromekanik kaynak makineleridir. b) Doğru akım (DC) güç kaynakları: Güç kaynağı akım çıkış karakteristiği sürekli (sabit) dalga şeklindedir. Bu karakteristik redresör tarafından şebeke alternatif akımının (AC), doğru akıma (DC) çevrilmesiyle edilir. Bu inverter güç kaynaklarının tipik çıkışıdır.
Şayet doğru akım (DC) güç kaynağı kullanılıyorsa, bundan sonraki sınıflandırma kaynak edilecek malzemenin kutuplama şekline göredir. i) Düz kutuplama: Bu kutuplamada kaynak kablosu ve elektrod pensesi güç kaynağının negatif (-) çıkışına, şase kablosu ve şase pensesi güç kaynağının pozitif (+) çıkışına bağlanır. Elektrik arkı, ısının malzeme üzerinde yoğunlaşarak ergimesini (2/3 ısı ana
malzemede) sağlar. Böylelikle elektrod ergiyerek kaynak ağzını doldurur ve ana malzemeye nüfuz eder. ii) Ters kutuplama: Bu kutuplamada kaynak kablosu ve elektrod pensesi güç kaynağının pozitif (+) çıkışına, şase kablosu ve şase pensesi güç kaynağının negatif (- ) çıkışına bağlanır. Elektrik arkı ısının elektrod ucunda yoğunlaşmasını (2/3 ısı elektrodda) ve ergimesini sağlar. Elektrod çeşidine göre akım karakteristiği alternatif akım (AC) veya doğru akım (DC) ve doğru akımda kutuplamalar değişir. Yanlış akım karakteristiği veya kutuplamalarda; elektrodun tutuşturulamaması, ark kararlılığının sağlanamaması veya kaynak kalitesinin uygun olmaması gibi problemler yaşanır. Arkta akımın ve gerilimin değişimi, arkın karakteristik eğrisi ile gösterilir. Düşük akım bölgesinde (Ayrton Bölgesi) artan akımla gerilim çok fazla düşerken, kaynağa uygun Ohm bölgesinde ark geriliminin artmasıyla akım da artar (Şekil 7). Uzun bir ark, kısa arka göre aynı akım şiddetinde ancak daha yüksek gerilimde yanar. Şekil 7. Ark karakteristiği Ark Boyu Mesafesi Ark boyu, kaynak esnasında ergimiş kaynak banyosunun yüzeyi ile elektrod telinin ucu arasındaki uzaklıktır. Ark boyu uzadıkça ark gerilimi de yükselir (Şekil 7). Ark boyunun uzaması, yani ark geriliminin artması geniş ve yaygın bir kaynak dikişinin ortaya çıkmasına neden olur ve ark üfleme tehlikesi artar; ark boyunun daha fazla artması düzgün olmayan, çok az nüfuziyetli kaynak dikişine ve aşırı sıçramaya neden olur. Normal olarak bazik karakterli elektrodlar hariç, bütün örtülü elektrod türlerinde ark boyu, elektrot tel çapı kadar,
bazik elektrodlarda ise tel çapının yarısı kadar tutulmalıdır. Ark Boyu Kısa Olursa; elektrot çoğu kez iş parçasına yapışır. Dikiş çok dar ve yüksek olur. Ayrıca arkı da kesebilir (Şekil). Ark Boyu Uzun Olursa; önce, kaynak sırasında düzensiz çıtırtılı ses çıkar. Ergimiş metal sıçramaları aşırı ölçüde olur. Dikişin yüzeyi düzensiz ve dikiş fazla geniş olur. Ayrıca arkın oluşması kesilebilir (Şekil). Şekil: Kısa ark boyu aralığı, elektrot çapından küçük olduğunda oluşur. Şekil: Uzun ark boyu aralığı, elektrot çapından büyük olduğunda oluşur.
Manyetik Ark Üflemesi Burada akım, elektroddan ark yoluyla parçaya geçer ve parça kutuplama klemensine doğru ilerler. Akım taşıyan her iletkenin çevresinde olduğu gibi arkın çevresinde de bir manyetik alan oluşur. Bu manyetik alan kaynak sırasında ergimiş haldeki metali etkiler. Manyetik alan ark bölgesinde bükülür ve başka bir yöne doğru genişler (Şekil 8). Azalan manyetik kuvvet hatları yoğunluğunun bulunduğu bu alanda ark, bir saptırma etkisiyle karşılaşır. Bu olaya ark üflemesi denir. Ark üflemesi kaynak esnasında yetersiz birleşme kusuruna neden olur. Şekil 8. Çevresindeki manyetik alan nedeniyle arkın sapması Diğer bir manyetik sapma nedeni, demirin manyetik iletkenliğinin havanınkinden daha fazla olmasıdır. Büyük ferromanyetik demir kütleleri, bu nedenle arkı kendisine çeker (Şekil 8-b). Aynı durum, ferromanyetik bir sacın kenarının kaynağı sırasında da gerçekleşir (Şekil 8-c). Bu durumda ark içeriye doğru sapar. Arkın sapması nedeniyle birleşme hataları oluşabilir. Bu nedenle kaynakçının elektroda uygun bir eğim vererek ark sapmasını doğrultması gerekir.
Parça kutup klemensinin ark üzerindeki etkisi de aşağıdaki durumlarda olduğu gibi pozitif yönde kullanılabilir: a) Cürufun yeteri kadar kalın olmadığı yüksek kaynak hızlarında, parça kutup klemensi uzaklaştırılmalıdır. b) Kaynak banyosu ve cürufun birlikte akma tehlikesinin olduğu düşük kaynak hızlarında parça kutup klemensine doğru kaynak yapılmalıdır. c) Büyük demir kütlelerin çekme etkisi, kütlelerin uygun şekilde yerleştirilmesiyle giderilebilir. Alternatif akımla kaynakta üfleme etkisi, doğru akımla kaynağa göre oldukça düşüktür. Ağır üfleme koşulları altında alternatif akımın kullanılması tavsiye edilir. Örneğin çok telli tozaltı kaynağı gibi uygulamalarda, tellerin tümü doğru akımla kaynak yapıyorsa, arkın üfleme etkisi, her bir arkın kendi etkisi nedeniyle şiddetlenebilir. Böyle durumlarda, iki telli tozaltı kaynağında, öndeki telin doğru akımla arkadaki telin alternatif akımla yüklenmesi uygun olacaktır. Üç telli uygulamalarda ise, öndeki tel doğru akımla ortadaki ve arkadaki tellerin alternatif akımla yüklenmesi üfleme etkisinin şiddetini oldukça azaltır.
KAYNAK AMPER AYARI: Kaynakta en çok değişikliğin yapıldığı kısım, akım ayarlarıdır. Kaynak makineleri 10-600 A arasında kaynak akımı üretebilirler. İşte kaynak akımının ayarlanması, bu değerler içerisinde mümkündür. Doğal olarak ayar aralığı, makinenin cinsine göre farklılıklar gösterir. Büyük ve güçlü makinelerde üst sınır olarak 600 Amper verilirken, daha küçük makinelerde bu değer daha aşağılara kadar düşebilir. Mühim olan kaynak makinesinin beklenen akım ayarlarında gerçek değerlere ulaşması ve bu aralığın kademeli olarak elde edilmesidir. Böylece değişik çapa sahip elektrotlar ile değişik kalınlığa sahip metallerin kaynağı gerçekleşmektedir. Elektrik ark kaynak makineleri, aldığı elektriğin voltunu düşürüp amperini yükseltirler. Elektrod çekirdek kısmının her bir milimetresi için 40 Amperlik değer herkes tarafından kabul görmüştür. Buna göre 3,25 mm çapındaki bir elektrotun kaynaklı birleştirmede kullanılması sırasında akım ayarının, 40x3,25= 130 Amper olması önerilir. Ancak bu değerlerin örtü çeşidine göre farklılıklar gösterdiği, aksi belirtilmedikçe bu formüle sadık kalınması gerektiği gözardı edilmemelidir. Tablo 1 de parça kalınlığı ve elektrot çapına göre seçilecek kılavuz değerler verilmiştir. Tablo.1: Parça kalınlığı ve elektrot çapına göre amper ayarı yapımı Elektrod Çapı Parça Kalınlığı (mm) Oksit Elektrod Bazik Elektrod Rutil Elektrod 2,5 3 80-120 80-110 50-80 3.25 4-6 110-160 100-150 75-115 4 6 150-220 140-200 115-160 5 6-8 190-300 200-260 130-220 6 8-10 250-380 220-370 180-250 7 10 280-440 220-370 200-300
3. Ark Kaynağında Malzeme Geçişi Ark kaynak elektrodları iki şekildedir: Ergiyen kaynak sırasında tüketilen; böylece ark kaynağında ilave metal oluşumu vardır. Ergimeyen kaynak işlemi sırasında tüketilmeyen; herhangi bir ilave metalin ayrıca eklenmesi gerekir. Ark içinde kaynak ilave malzemelerinin geçişi damlalar şeklinde gerçekleşir. Damlanın elektrod ucundan ergimesi ve kopması, değişik kuvvetlerin etkisi altında meydana gelmektedir. ERGİYEN ELEKTRODLARIN BİÇİMİ: (Örtülü elektrod olarak da bilinen) Kaynak çubukları, 22,5 mm den 45 mm ye kadar uzunlukta ve 9,5 mm veya daha küçük çaplıdır ve periyodik olarak değiştirilmeleri gerekir. Kaynak telleri, sık sık kesintilerden kaçınmak üzere, uzun tel boylarına sahip makaralardan sürekli olarak beslenebilir. Hem tel hem de çubuk formundaki elektrod, ark içinde tüketilir ve ilave metal olarak kaynağa eklenir. Şekil. Ergiyen elektrodla ark kaynağında üç metal transfer modu
Arkta Metal Transferi Malzeme geçişi, her kaynak yönteminde ve bir yöntem içinde örtü, toz veya koruyucu gaz türüne göre farklılıklar gösterir. Asit veya rutil örtülü çubuk elektrodlar halinde damlalar, elektrod örtüsünün iç kraterindeki elektrodun sıvı ucunda yapışık gaz patlamaları şeklinde gerçekleşir (Şekil 9).
Şekil 9. İçten patlamalı damlalar. Bazik örtülü elektrodlarda malzeme geçişi iri damlalıdır ve belirli zaman aralıklarında, elektrod ucu ile ergimiş kaynak banyosu arasında kısa devre oluşur (Şekil 10). Kısa devrenin çözülmesi, damlanın elektrodun ucundan emilmesini sağlayan ergimiş banyonun yüzey gerilimi tarafından gerçekleştirilir. Şekil 10. Kısa devrede damla geçişi Benzer bir malzeme geçişi MAG-kısa ark kaynağında görülür. Şekil 11'de gösterilen kısa devre sırası, düzenli aralıklarla tekrarlanır. Damla büyüklüğü ve damla frekansı, malzeme ve koruyucu gaz türüne bağlıdır. Şekil 11. Kısa arkta devre çevrimindeki aşamalar. a) elektrod ucunda bir damla oluşur. b) kısa devrenin parça tarafındaki ergimiş banyoda başlaması c) sıvı elektrod malzemesi akar d) sıvı köprü incelir
e) ark tekrar tutuşur. MIG/MAG kaynağında üst güç bölgesi, her bir koruyucu gaz türüne göre uzun ark veya sprey ark şeklinde gerçekleşebilir. Sprey arkta malzeme geçişi, esas olarak Pinch etkisi altında meydana gelir. Pinch etkisi, elektromanyetik bir kuvvettir. Şekil 12'de gösterildiği gibi, çevredeki manyetik alanın radyal bileşeni, damlayı büzer ve kopmaya zorlar. Yeteri kadar şiddetli Pinch etkisi, fiziksel olarak sadece inert gazlar veya argonca zengin karışım gazlar halinde oluşur. Karbondioksit veya CO 2 ce zengin karışım gazlar halinde, bu yüzden iri küresel taneli, bazen kısa devreli de olabilen malzeme geçişli uzun ark oluşur. Şekil 12. Pinch etkisinin şeması ELEKTRİK ARK KAYNAĞI Elektrik ark kaynağı gönümüzde MIG/MAG kaynağından sonra en yaygın uygulamaya sahip kaynak yöntemidir. Bu yöntemde ark, ergiyen bir çubuk elektrod ile iş parçası arasında yanar. Ark ve kaynak banyosu, havanın zararlı etkilerinden, elektrod tarafından sağlanan gazlar ve/veya cüruf ile korunur. Şekil 13'de elektrik ark kaynağının prensip şeması verilmiştir. Hem ark taşıyıcı hem de kaynak ilave malzemesi olarak görev yapan çubuk elektrod, elektrod pensesi ile kaynak kablosu aracılığıyla akım üretecinin bir kutbuna bağlanır. Diğer kutup, parça kablosu ve parça klemensi aracılığıyla iş parçasına tutturulur. Elektrik ark kaynağında hem doğru hem de alternatif akım kullanılabilir.
Şekil 13. Elektrik ark kaynağının çalışma prensibi Elektrodlar ve Elektrod Tutucu Kaynak işlemi esnasında üzerinden kaynak akımının geçmesini sağlayan, iş parçasına bakan ucu ile iş parçası arasında kaynak arkını oluşturan ve gerektiğinde ergiyerek kaynak ağzını dolduran kaynak malzemesine elektrod denir. Elektrodları ergiyen ve ergimeyen tip diye önce iki ana gruba ayırmak mümkündür. a) Ergiyen tip elektrodlar: Örtülü elektrodlar Çıplak elektrodlar (MAG kaynağında kullanılan masif kaynak telleri) Özlü elektrodlar b) Ergimeyen tip elektrodlar Bu tip elektrodlar kaynak esnasında ergiyerek kaynak ağzını doldurmazlar. Sadece ucu ile iş parçası arasında kaynak arkı oluşur.
Doldurulması gereken bir kaynak ağzı varsa, oksi-asetilen kaynak yöntemin de olduğu gibi ark içinde ergiyen bir kaynak teline ihtiyaç vardır. Elektrik ark kaynak yönteminde kullanılan elektrodlar; kaynağın gayesine göre de iki ana gruba ayrılır. Bunlar: a) Birleştirme kaynağı elektrodları b) Dolgu kaynağı elektrodları Birleştirme kaynağında kullanılacak elektrodlarda: - Yüksek dayanma mukavemeti - Tokluk, süneklilik Dolgu kaynağında kullanılacak elektrodların özellikleri ise: - İstenen yüzey sertliğini verebilmeli - Aşınmaya dayanıklı olmalı Kaynak yöntemlerinin çoğunluğunda elektrik arkı ergime için gerekli ısıyı sağlarken bir flux-dekapan da koruma ve temizleme ve bunlarla birlikte metalürjik kontrol işlevlerin yerine getirir. Flux korumalı ark kaynağının en yaygın şekli, elle metal-ark kaynağıdır. Bu örtülü elektrod çekirdek ve örtü gibi iki kısımdan oluşur: 1. Çekirdek: Kaynak metalini teşkil eden bu orta silindirik kısımdan arkı meydana getiren akım geçer. Çekirdek metal iletken çubuktur aynı zamanda ergiyerek kaynak ağzını dolduran ilave metaldir. Çekirdek olarak kullanılan malzeme ana malzemeye bağlıdır. Karbonlu çelikler için çekirdek malzemesi düşük karbonlu çeliktir. Kaynak sırasında çekirdek örtüden önce ergir. 2. Örtü: Değişik kalınlıkta, çekirdekle tamamen eşmerkezli olması gereken bu kılıf taşıyıcı maddeler (kalsiyum karbonat, Rutil vs.), aktif maddeler (ferro - alaşımlar) ve bağlayıcı vazifesi gören silikatların kompleks bir karışımından meydana gelir. Örtünün bileşiminde genellikle bulunan sodyum ve potasyum tuzları, metalik oksitler, karbonatlar vs. gibi maddelerin iyonlaştırıcı etkisi elektrod ucu ve kaynak edilecek parça arasında, yani anodla katod arasında, alternatif, akım geçişini çok kolaylaştırır. Tutuşturma esnasında aradaki hava tabakası kaynak makinesinin E 0 boşta gerilimi tarafından "delinir".
Her elektrod tipi kendine özgü bir iyonlaşma potansiyeline, yani E t tutuşma gerilimine sahiptir. Arkın kararlılığını sürdürecek şekilde ergime sürekliliğinin temin edilmesi için; E 0 >E t olmalıdır. Bu itibarla örtü, arkın kararlılığını temin etmenin yanı sıra alternatif akımda 40-80 voltluk, doğru akımda da 40-50 voltluk bir boşta çalışma geriliminin kullanılmasını mümkün kılar. Örtüyü teşkil eden malzemeler, anodla katod arasındaki toplam enerji dağıtımını etkiler. Anodla katod arasında ark enerjisine eşit şekilde bölecek her malzeme veya karışım elektrodun alternatif akımda kullanılma imkânlarını artırır. Örtü bir çok özellik bakımından elektrodun en önemli kısmıdır. Ana fonksiyon olarak kaynak banyosunu atmosferin kötü etkisinden korur. Örtü, gaz haline geçerek kaynak bölgesinde atmosferin yerini alır, böylelikle kaynak banyosunu ve elektrodun ucundaki ergiyen bölgeyi atmosferin kötü etkisinden korur. Ergiyerek kaynak banyosunun üzerini kaplayarak yüzer ve katılaşır. Kaynak metalinin karakteristiklerine göre örtü tipinin seçimi önemlidir. Örtü bazen metal parçacıklarını da içerir, bunlar ergiyerek kaynak banyosuna geçer ve kaynak banyosuna geçen metal miktarı artmış olur. Bu elektrodlar yüksek verimli elektrodlar olarak adlandırılır. Ergimiş metali istenmeyen kirliliklerden (elementlerden) temizleme özelliği vardır. Örtü içinde, malzeme içindeki istenmeyen elementlerle bileşke oluşturarak cürufa geçen elementler vardır. Böylece kaynak banyosu istenmeyen elementlerden temizlenmiş olur.
ELEKTROD ÖRTÜ MALZEMELERİ Bir elektrodun kaynak karakteristikleri tümüyle bu örtünün bileşiminin etkisi altındadır. Yığılan kaynak metali miktarı, kaynak dikişinin nüfuziyeti ile bir dereceye kadar da bileşimi, bu örtü bileşimi ile kontrol altında alınabilir. Kaynak dikişinin formu, konkav veya konveksliği, yüzey düzgünlüğü gibi özelikler yine örtü bileşimi değiştirilerek istenen yönde ayarlanabilmektedir. Elektrod örtüsünün sağladığı yararları şu şekilde sıralayabiliriz; Arkın tutuşmasını ve oluşumunu kolaylaştırır. Kaynağın hem doğru hem de alternatif akımla yapılmasını sağlar, Ergiyen metal damlalarının yüzey gerilimlerine ve viskozitelerine etkiyerek, gerek tavan ve gerekse düşey kaynaklarda çalışmayı kolaylaştırır, Koruyucu bir gaz atmosferi oluşturarak kaynak dikişini atmosferin olumsuz etkilerinden korur, Kaynaktan sonra dikişin üzerini bir cüruf tabakası ile örterek dikişin yavaş soğumasını sağlar, Erimiş kaynak banyosunu deokside eder. Gerektiği hallerde kaynak dikişini alaşımlandırır. Elektrod örtüsünü oluşturan maddelerin türleri oldukça karışıktır. Bugün artık elektrod örtüsü, babadan oğula geçen ve sır olarak saklanan sanat olmaktan çıkmış, çelik üretim yöntemleri ile yakından ilgili bir bilim dalı haline gelmiştir. Ancak, her örtü formülü gerek üretim ve gerekse kaynak teknolojisi yönünden en az aşağıdaki gereksinimleri sağlayabilmelidir. Üretim kolaylığı, Depolama ve taşıma uygunluğu, Kaynak karakteristiği, Cürufun kolay temizlenmesi, Kaynak metaline metalürjik olarak etkimesi. Elektrod standartları, elektrodun kullanılma karakteristiğini, kaynak metalinin mekanik özeliklerini ve bazen de kaynak metalinin analiz sınırlarını belirtir. Elektrod örtüsü formülü ise üreticiye bırakılmıştır. Günümüzde, bazen alaşımlı kaynak dikişleri elde etmek için, alaşımlı tel yerine normal tel ve alaşım elementi içeren bir örtü kullanmak çok daha ekonomik olmaktadır. Bu tür örtülü elektrodlara sentetik elektrod adı verilmektedir.
ÖRTÜ TÜRLERİ TS EN 499'a göre dört temel örtü türü vardır. Bunlar selülozik, asit, rutil ve bazik'tir. Şekil 16, bu örtülerin bileşimlerini ve damla geçiş türlerini vermektedir. Şekil 16. Önemli örtü türlerinin analizleri ve damla geçişleri Esas örtü türleri yanında TS EN 499 'da bazı karışım örtü türleri de tanımlanmaktadır: A B C R RR RC RA RC Asit örtülü Bazik örtülü Selülozik örtülü Rutil örtülü Kalın rutil örtülü Rutil selülozik örtülü Rutil asit örtülü Rutil bazik örtülü Günümüzde örtülü çubuk elektrodlar kullanılmakta olup, çıplak örtüsüz elektrodlar terk edilmiştir. Elektrodlar mekanik veya hidrolik tahrikli ekstrüzyon preslerinde üretilirler. Bağlayıcı olarak camsuyu kullanılır. Presten çıkan elektrodlar bir kurutma fırınında kurutulur. Elektrodların örtüleri ince, orta kalın veya kalın olabilir. İmalat işlerinde piyasada en çok tercih edilen elektrot 350 mm boyuna sahip olandır. Elektrotun bölümleri şekilde görülmektedir.
Rutil Tip Elektrodlar Bu tip elektrodlarla çok kolay kaynak yapılabildiğinden geniş bir kullanım alanına sahiptir. Bu yüzden acemi kaynakçı elektrodu diye de anılırlar. Elektrodun örtüsünün büyük bir kısmını Rutil (titandioksit) teşkil eder. İnce, orta ve kalın örtülü olarak imal edilirler. Kaynak yaparken ergiyen metalin geçişi örtü kalınlığına göre değişir. Elektrodun örtüsü kalınlaştıkça ergiyen metalin geçişi ince damlalar halinde olur ve kaynak metalinin mekanik özellikleri de yükselir. Kaynak dikişinin mekanik özellikleri bir çok yapı çeliği için uygun seviyededir ancak yüksek çekme dayanımlarına ulaşmak mümkün değildir. Örtü kurutulabilir, ancak içinde daima örtüyü bir arada tutan kimyasal olarak bağlı su bulunur. Eğer bu su giderilirse örtünün bağları hasar görür. Kaynak metalinin yayınabilir hidrojen içeriği yüksek olup, bu değer yüksek mukavemetli çelikler için kabul edilebilen sınırların üzerindedir. Rutil tip örtülü elektrodların özellikleri: - Kaynak işlemi kolaydır. - Çok yönlü kullanım imkanına sahiptir. - Yumuşak bir arkla yanar ve sıçraması azdır. - Yukarıdan aşağı hariç her pozisyonda kaynağa müsaittir. - AC ve DC kaynak makinelerinde uygulanabilir. - Kaynak dikişinin görünümü güzel olur ve cüruf kendiliğinden kalkar. - Rutubete karşı hassas değildir. - Dikiş metali dövülebilir. - St42 ye kadar olan genel yapı çeliklerin kaynağında kullanılabilir. NOT: Kalın malzemelerin kaynağında, kök pasoda bazik tip elektrodun kullanılması tavsiye edilir.
Bazik Tip Elektrodlar Bir ülkede bazik tip elektrod tüketim oranı, o ülkenin "makine imalat endüstrisi" seviyesinin önemli bir göstergesidir. Gelişmiş, endüstrileşme sürecini tamamlamış ülkelerde bu oran %50'nin üzerindedir. Günümüz teknolojisinde karşılaşılan en önemli sorunlardan bir tanesi gevrek kırılmadır. Gevrek kırılmaya karşı en dayanıklı kaynak dikişleri bazik tip elektrodlarla elde edilir. Özellikleri: - Yüksek mukavemetli kaynak dikişleri verir. - Mekanik özellikleri diğer tiplere nazaran daha üstündür. - Sıcak ve soğuk çatlamaya meyli yoktur. - Değişken yüklere maruz ve yüksek mukavemet aranan yerlerde kullanılır. - Dikişe cüruf girme ihtimali zayıftır. - DC Kaynak makinelerinin (+) kutbunda yanar. - Cürufun oksijen içeriği düşük olduğundan uzaklaştırılması zordur. Kullanılırken dikkat edilecek hususlar: 1. Bazik tip elektrodların örtüsü rutubete karşı çok hassastır. Bu bakımdan bu tip elektrodlar kullanılmadan önce 2 veya 3 saat süreyle 300-350 ºC de kurutulduktan sonra yakılmalıdır. Bu sayede yayılabilir hidrojen içeriği 10 ml/100 gr seviyesine düşürülebilir. 2. DC Kaynak makinelerin da yakılması daha uygundur. 3. Bazik tip elektrodların yakılması özel bir tecrübeyi gerektirir. Uygulama Alanları: - Dinamik zorlamalar etkisinde kalan çelik konstrüksiyonlar. - Makine parçaları - Gemi inşa endüstrisi - Basınçlı kap ve kazan üretimi - Boru hatları ve çinko kaplı saclar. Kaynak Edilen çelikler: - Yapı çelikleri: st33, st37, st44, st42 - İnce taneli çelikler: ste255, ste355, ste420, wste255, wste355, wste420 - Kazan saçları: HI, HII, HIII, 17Mn4 - Boru çelikleri: ste2107, den ste360.7 ye kadar - Makine yapım çelikleri: st50, st60, c55, ck55 - Boru çelikleri: st35.8, st45.8, st52.4 - Gemi sacları: A, BD, E - Dökme çelikler: GS-38, GS-45, GS-52, GS-60, GS-62
Selülozik Tip Elektrodlar Selülozik elektrodların örtü formülünün %30 kadarını selüloz ve diğer organik maddeler oluşturur. Bunların ark içinde yanması CO ve CO 2 koruyucu gazlarını oluşturur. Ark güçlüdür, nüfuziyet diğer Elektrodlara oranla fazladır. Organik maddelerin tam yanması için su yardımına gerek vardır, bu nedenle selülozik elektrodların örtüsünde % 5 e kadar bir nem oranı aranır. Bu nem ihtiyacı elektrodun depolanmasında bir avantaj oluşturur, tekrar fırınlamak gerekmez, hatta zararlı olabilir. Selülozik elektrodlar güçlü ark nedeniyle, yukarıdan aşağı dahil, her pozisyonda rahat kaynak yaparlar, derin nüfuziyet de güçlü bir kaynak dikişi oluşturur. Ancak bu elektrodların kaynağı sıçramalıdır ve çok duman çıkarır, kaynağın hareleri de kaba olur. Kök pasosu ustalık gerektirir. Selülozik elektrodlar açık havada gemi inşa sanayi ve petrol boru hatları (pipe-line) kaynaklarında güvenle kullanılır. Özellikle röntgen kontrolü istenen kaynaklarda tercih edilir. NOT: Selülozik tip elektrodlar D.C. Kaynak makinelerinin (+) kutbunda yakılmalıdır. Kök paso kaynakların da elektrodun (-) kutupta yakılması tavsiye edilir.
4.Elektrot Paketlerinin Üzerindeki Bilgilerin İncelenmesi Elektrot paketlerinin üzerinde elektroda ait bilgilerin tümü bulunmaktadır. Firmalar ayrıca üretimini yaptıkları elektrotların özel ad ve numaralarının bulunduğu kataloglar çıkararak kaynakçıya elektrotlar hakkında geniş bilgiler vermektedir. Ancak bilgilerin çoğu eğitimli bir kaynakçının anlayabileceği rakamsal ifadeler ile anlatıldığı için bu sembol ve ifadeleri bilmek gerekir. Bu kapsamında rutil elektrotlar kullanılacaktır. Sembol ve rakamsal ifadelerin anlamı aşağıda TS 563 e göre verilmiştir, dikkatle inceleyiniz! TS 563 E 51 32 RR 3 TSE Numarası Elle yapılan elektrik ark kaynağı Mekaniksel özellikleri (çekme dayanımı, akma dayanımı, % uzama paket üzerinde verilir) açıklayan tanıtım sayısı Darbe dayanımı (Paket üzerinde ısı ve vurma enerjisi verilir) Elektrot örtü tipini açıklayan sembol Asit örtülü (İnce-kalın)-------------------------A Rutil örtülü (İnce-orta)--------------------------R Rutil örtülü (Kalın)----------------------------RR Rutil -Asit (Kalın)---------------------------AR Bazik örtülü (Kalın)------------------------------B Selülozik örtülü (Orta)----------------------------C Rutil- Selülozik örtülü (Orta)----------------R(C) Rutil- Selülozik örtülü (Kalın)-----------[RR(C)] Bazik örtülü (Rutilkatkılı-kalın)-------------B(R) Rutil- Bazik örtülü (Kalın)---------------[RR(B)] Elektrod örtü tipi numarası (1 den 12 ye kadardır numara arttıkça örtü kalınlığı artar)
Yukarıda kısa gösterilişi verilen Elektrot TS 563 e göre ifade edilmiştir. Elektroda ait sembollerin ve rakamların anlamları paket üzerinde verilir. Sıra ile verilen rakamların neye karşılık geldiğini bilmek yeterlidir. Aşağıda bir firmaya ait elektrot etiketi görülmektedir: Etikette verilen bilgileri dikkatle inceleyin, TS 563 E 51 32 RR 8 le ifade edilen rakamsal değerlerin karşılığını etiket üzerinde bulunur. Üretici firmanın elektroda verdiği özel ad Kullanıldığı yerler ve özellikleri: Her türlü makine, vagon, gemi, tank kazan yapımında demir doğrama işlerinde karoseri şasi, çelik mobilya ve çelik konstrüksiyon işleri ile boru kaynaklarında kullanılır. Her pozisyonda kaynak yapmaya elverişlidir. TİP : Rutil TS 563 : E 51 32 RR 8 DIN1913 : E 51 32 RR 8 ISO2560 : E 51 3 RR 22 Dikişin Mekaniksel Özellikleri: Akma dayanımı : 480 N/mm 2 Çekme dayanımı : 550 N/mm 2 Çentik dayanımı : 0 C de 60 j : -20 C de 40 j Uzama (L=5d) : % 25 Kaynak edilebilen çelikler: Elektrotla kaynak edilebilen çelikler belirtilir. ADRES: Üretici firma adı ve üretim yeri Amerikan ASTM-AWS A 233 normuna göre örtülü yumuşak çelik elektrodları başta E harfi "elektrod" olmak üzere dört rakama işaretlenir. İlk iki rakam kaynak edilmiş halde kaynak metalinin (kaynak dikişinin) 1000 psi cinsinden (1000 psi = 0,703 g/mm 2 ) asgarî kopma mukavemetini, üçüncü rakam, elektrodun başarı ile kullanılabileceği kaynak pozisyonlarını ifade eder: Exxlx bütün pozisyonlarıexx2x de sadece yatay ve yatay köşe kaynaklarını gösterir. Dördüncü rakam da örtü tipini ve uygun akım karakteristiklerini verir. Bunlar aşağıdaki tabloda sıralanmıştır.
ÖRTÜLÜ ELEKTROD ARK KAYNAĞI : Örtülü elektrod ark kaynağı sahip olduğu avantajları nedeniyle metallerin birleştirilmesinde en çok kullanılan kaynak yöntemidir. Avantajları: 1. Örtülü elektrod ark kaynağı açık ve kapalı alanlarda uygulanabilir. 2. Elektrod ile ulaşılabilen her noktada ve pozisyonda kaynak yapmak mümkündür. 3. Diğer kaynak yöntemleri ile ulaşılamayan dar ve sınırlı alanlarda kaynak yapmak mümkündür. 4. Kaynak makinesinin güç kaynağı uçları uzatılabildiği için uzak mesafedeki bağlantılarda kaynak yapılabilir. 5. Kaynak ekipmanları hafif ve taşınabilir. 6. Pek çok malzemenin kimyasal ve mekanik özelliklerini karşılayacak örtülü elektrod türü mevcuttur. Bu nedenle kaynaklı birleştirmeler de ana malzemenin sahip olduğu özelliklere sahip olabilir. Dezavantajları : 1. Örtülü elektrod ark kaynağının metal yığma hızı ve verimliliği pek çok ark kaynak yönteminden düşüktür. Elektrodlar belli boylarda kesik çubuklar şeklindedir, bu nedenle her elektrod tükendiğinde kaynağı durdurmak gerekir. 2. Her kaynak pasosu sonrasında kaynak metali üzerinde oluşan cürufu temizlemek gerekir. Elektrodun anma çapı elektrot çekirdeğinin kesitine karşılık gelir ve piyasada o çapa göre anılır. Piyasada bulunan elektrotlar anma çapı ve elektrot boyu: Elektrod çapı: 2-2.50-3.25-4- 5-6 mm, Elektrod boyu: 250 350 450 mm dir
5. Kaynak Tekniği Elektrod, kaynakçı tarafından tam izole edilmiş kaynak pensesine takılır. Seçilen elektrod pensesinin, uygulanacak akım şiddeti büyüklüğüne uygun olması gerekir. Akım şiddeti (amperaj), akım üretecinde uygun karakteristik eğrisi seçilerek ayarlanır. Ark gerilimi, kaynakçı tarafından ark boyu tespit edilerek ayarlanır. Burada ark boyu arttıkça ark gerilimi artar. Arkın tutuşturulması, elektrod ile iş parçası arasında kısa devre oluşturularak sağlanır. Daha sonra elektrod hemen yukarıya uygun ark boyuna kaldırılır ve ark tutuşturulmuş olur. Bu tutuşturma işlemi, hiçbir zaman kaynak ağzı dışında yapılmamalı ve kaynağa devam edildiğinde hemen üzerinden geçilecek bir noktada yapılmalıdır. Bazik elektrodlar gibi başlangıç gözeneği eğilimli elektrodlar halinde tutuşturma işlemi, bir önceki pasonun bittiği yerin birkaç milimetre önünde yapılmalı ve ark hemen başlangıç noktasına getirilmelidir. Böylelikle ilk damlaların düştüğü tutuşturma yeri tekrar eritilmiş olur ve başlangıç gözeneklerinin bertaraf edilmesi sağlanır.
İş parçaları, bir pozisyoner veya fikstür düzeneğinde kaynak yapılacakları pozisyona getirilmiyorsa, kaynaktan önce çoğunlukla puntalanmaları gerekir. Puntalamada tekrar tutuşma özelliği iyi olan elektrodlar kullanılmalıdır. Bu tür elektrodlar öncelikle R, RR ve RC türündedir. Punta dikişleri, esas kaynak sırasında kırılmayacak derecede kalın olmalıdır. ince saçlarda distorsiyondan (çarpılma, kasılma, büzülme vs. şeklindeki şekil bozuklukları) kaçınmak için sadece nokta şeklinde puntalama yapılmalıdır. Şekil 17 de elektrod hareketleri, parçaların pozisyonlarına göre verilmiştir. Şekil 17.Elektrik ark kaynağında parça pozisyonuna göre elektrod hareketleri DİKİŞ ÇEKME Kaynak akımının meydana getirdiği ark, iş parçası yüzeyindeki kaynak nüfuziyetinden etkilenen bölgenin ergimesine neden olur. Bu arada elektrotun ergimesiyle, elektrot metali ve parçanın nüfuziyetten etkilenen bölgesindeki ergimiş kütle birleşir. Bu birleşmede elektrot metali ergiyerek o bölgede bir kaynak metalinin oluşmasına neden olur. Kaynak metalinin büyük çoğunluğu, elektrot çekirdek metalinden meydana gelmiştir. Arkın ilk başlangıcında meydana gelen kaynak metali, sıcaklığın etkisiyle akışkan bir hâldedir ve buna kaynak banyosu adı verilir. Elektrot iş parçasının üzerinde tutuşturulup sürekli aynı yerde tutulursa, kaynak banyosu gittikçe büyür ve çevreye yayılır. Elektrot kaynak yönünde ilerletilirse kaynak banyosu da bu harekete uygun olarak ilerleyecektir. Kaynak banyosunun ölçülerini belirleme görevi kaynakçıya verilmiştir. Kaynakçı, bu ölçülerde değişiklikler yapabilir. Bir bakıma elektrot iş parçasının neresine tutulursa kaynak banyosu, dolayısıyla da kaynak metali yığılması orada meydana gelecektir (Şekil ).
Şekil: Elektrik Ark Kaynak Bölgesi Elektrotun yakılması için sürtme ya da vurma uygulanabilir. Her iki uygulamada da yakılma işlemi, dikiş başlangıç noktasında gerçekleştirilmez. Genellikle başlangıç noktasının 5-10 mm uzağında, sonradan kaynak dikişi ile örtülecek bir alan, bu işlem için uygundur. Bu kısımda ark meydana getirildikten sonra dikişin başlangıcına taşınır. Bu işlem yapılırken elektrot ile iş parçası arasındaki aralığın, gereğinden bir miktar fazla tutulması sağlanmalıdır. (Şekil.3.2) Şekil 3.2 : Elektrotun Yakılması Aşamaları Elektrotun kaynak dikişlerinin bitiminde de anî olarak ve dik bir biçimde çekilmesi, krater boşluklarına yol açar. Anî elektrot çekmenin kaynak dikişi bitimlerinde yol açtığı bir başka sorun, dikişin bitim yerlerinde diğer bölgelere göre daha az şişkinliğe sahip olmasıdır. Şekil 3.3:Dikiş Bitiminde Elektrota Verilecek Hareket
Şekil 3.4: Dikiş Bitim Yerinde Yapılan İlerleme Hızı Elektrot hareketleriyle kaynak banyosunun biçimi, kaynak metalinin miktarı ayarlanabilir. Bu işlemlerden biri, elektrotun belli bir düzen içerisinde ilerletilmesi olup, buna kaynak hızı (ilerleme hızı ) adı verilir. Kaynak hızı, kaynak dikişinin nüfuziyetini ve biçimini etkiler. Kaynağın iş parçasında etkili olması ve düzgün bir kaynak yüzeyi elde etmek önemlidir. Bu sebeple, elektrot hızı ile yanma hızı orantılı olmalı ve elektrot, yaklaşık 150 mm/dak olacak şekilde bir hızla ilerlemelidir. Bu hız düz dikiş çekmek için belirlenmiş olup yapılan kaynak çeşidi, kaynatılacak parça kalınlığı ve elektrot çapı ile akım ayarına göre değişir.
ELEKTRİK ARK KAYNAĞINDA KAYNAK HATALARI Elektrik ark kaynağında görülen en önemli kaynak hataları, yanma oluğu, cüruf kalıntıları, gözenek ve uç krater lunkeridir. Yetersiz nüfuziyet veya kökte ergime azlığı gibi hatalar, yönteme özgü olmayıp kaynakçının becerisiyle ilgilidir. Benzer şekilde çatlak oluşumu da malzemeyle yakından ilgilidir. Şekil 18 de bazı temel hataların nedenleri açıklanmaktadır. Şekil 18. Kaynak dikiş hataları ve muhtemel nedenleri