KAYNAK METALURJİSİ Prof.Dr. Hüseyin ÇİMENOĞLU İ.T.Ü. Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
BÖLÜM 3 KAYNAK TEKNOLOJİSİ
KAYNAK Malzemenin sınırlandırılmış bölgesini ısı veya basınç altında, yada her ikisini birden kullanarak; bir ilave kaynak malzemesi katarak veya katmadan yapılan birleştirme işlemidir.
Başlıca Kaynak Metodları Kaynak usulleri Basınç kaynağı Ergitme kaynağı Dövme kaynağı Sürtünme kaynağı Direnç kaynağı Gaz ergitme kaynağı Ark kaynağı Elektron demet kaynağı Plazma kaynağı Ergiyen elektrot ile kaynak Ergimeyen elektrot ile kaynak Örtülü metal ark kaynağı Tozaltı ark kaynağı Koruyucu gaz metal ark kaynağı Koruyucu gaz tungsten ark kaynağı Karbon ark kaynağı
Kaynak Türleri EN Kaynak Basınç Kaynağı Ergitme Kaynağı Ocak Kaynağı Punta Kaynağı Elektrik Direnç Kaynağı Dikiş Kaynağı Sürtünme Kaynağı Alın Kaynağı Elektrik Ark Kaynağı Örtü Madde Korumalı Kaynak Ergiyen Elektrot ile Kaynak Oksijen Kaynağı Gazaltı Korumalı Kaynak Termit Kaynağı Toz Sis Korumalı Kaynak Ergimeyen Elektrot ile Kaynak MIG MAG TIG Plazma
Kaynak Türleri ASME Oxyfuel Gas Welding (OFW) Oxyacetylene welding(oaw) Pressure gas welding(pgw) Arc Welding(W) Shielded metal arc welding (SMAW) Gas metal arc welding (GMAW) Gas tugsten arc weldin (GTAW) Flux cored arc welding (FCAW) Submerged arc welding (SAW) Plasma arc welding (PAW) Stud welding (SW) Resistance Welding(RW) Resistance spot welding(rsw) Resistance seam welding(rsw) Projection welding(rpw) Solid State Welding(SSW) Forge welding(fow) Cold welding(cw) Friction welding(frw) Ultrasonic welding(usw) Explosion welding(exw) Roll welding(row) Unique processes Thermit welding(tw) Laser beam welding(lbw) Electroslag welding(esw) Induction welding(fw) Electron beam welding(ebw)
Basınç Kaynağı Malzemenin, genellikle ilave metal katılmaksızın basınç altında bölgesel olarak ısıtılıp birleştirilmesi işlemidir. Basınç kaynağı türleri Dövme kaynağı Sürtünme kaynağı Direnç kaynağı
Dövme kaynağı: Parçanın (a) Oksiasetilen alevi ile veya (b) İndüksiyonla veya (c) Direnç ile ısıtılmasından sonra birleştirilecek olan parçayla birbirine vurulması ile birleşmenin yapılmasıdır. (a) Oksiasetilen alevi ile ısıtma
(b) İndüksiyon ile ısıtma (c) Dirençle ısıtma
Sürtünme kaynağı: Birleştirilecek parçalardan birisinin sabit tutulup diğerinin dönme hareketine maruz bırakılması sayesinde, hareketsiz parçaya kesit alanına dik yönde bir kuvvetin uygulanmasıyla (sürtünmenin arttırılmasıyla) birleşmenin sağlanmasıdır.
Bir sürtünme kaynağının kesiti
İki parçanın sürtünme kaynağı ile birleştirilmesi
Direnç kaynağı: Bu kaynak metodu, iş parçalarının elektrik akımına karşı gösterdiği dirençten sağlanan ısı ve aynı zamanda basıncın uygulanması ile yapılan kaynak işlemidir. Nokta, dikiş ve projeksiyon kaynağı olmak üzere üçe ayrılır.
Nokta kaynağının uygulanmasına ait örnekler
Ergitme Kaynağı Sıcaklık etkisiyle bölgesel olarak ergitilen metalik malzemeye ilave metal katılarak gerçekleştirilen birleştirme işlemidir. Gaz ergitme, ark, elektron demet ve plazma kaynağı olmak üzere dört gruba ayrılır:
Gaz Ergitme Kaynağı: Bu kaynak metodunda kaynak ısısını, yakıcı ve yanıcı gazın oluşturduğu atmosfer sağlar.
Oksi-asetilen kaynağının uygulanması
Ark Kaynağı: Isı kaynağı, birleştirilecek parçaların yüzeylerini bölgesel olarak ergiten, katottan yayınan elektronların yüksek hızda anodu bombardıman etmesi neticesinde meydana gelen elektrik arkıdır. Doğru akım veya alternatif akım kullanılır.
Ark Kaynağında Kullanılan Elektrotlar Elektrot Ergimeyen elektrotlar Ergiyen elektrotlar Örtüsüz elektrotlar Örtülü elektrotlar Çıplak elektrotlar Özlü elektrotlar
Ergimeyen Elektrotlar Bu elektrotlar elektrik arkını meydana getirirler. Kaynak ağzını doldurmak için ilave metal (kaynak teli veya çubuğu) kullanılır. Bu tip elektrotlar karbon, grafit veya tungstenden imal edilir. Karbon ve grafit elektrotlar sadece doğru akım kaynağında, tungsten elekrotlar ise hem alternatif akım hem de doğru akım kaynağında kullanılırlar. Ergimeyen elektrotlar ile yapılan ark kaynağına örnek olarak tungsten elektrot ile yapılan koruyucu gaz tungsten ark kaynağı (TIG) ve karbon elektrot ile yapılan karbon ark kaynağı verilebilir.
Ergiyen elektrotlar Bu tür elektrotlar ark oluşumunun yanısıra kaynak yapılırken erir ve kaynak ağzını doldurur. Örtüsüz ve örtülü elektrotlar olmak üzere iki gruba ayrılır. 1- Örtüsüz elektrotlar: Bu elektrotların dış yüzeyleri çıplak olup çıplak ve özlü elektrotlar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Çıplak elektrotlar: Bu elektrotlarla kaynak yapılırken, dikişi havanın etkisinden korumak mümkün değildir. Kaynak sırasında bünyeye başta azot ve oksijen olmak üzere bir takım gazlar girer. Bu nedenle kaynak sırasında CO 2 ve He gibi koruyucu gazlar kaynak bölgesine püskürtülür. Çıplak elektrotlarda Mn, Cr, Mo ve Ni gibi mukavemeti ve korozyon direncini arttırıcı elementler bulunur. Özlü elektrotlar: Bir nevi çıplak elektrot olmasına rağmen iç kısmında (özünde) kaynak sırasında yanarak kaynak dikişini koruyucu gaz atmosferi oluşturan CaF 2 ve CaCO 3 gibi flakslar bulunur.
2- Örtülü elektrotlar: Bu tip elektrotlarda çıplak telin üzerini bir flaks tabakası örter. Bu örtü kaynak esnasında erimiş metali atmosferin etkisinden korur. Elektrot örtüsünün sağladığı faydalar; Kaynak metalinin korunması Ark kararlılığı Yüzey profilinin kontrolü Kaynak metali pozisyonu kontrolü Kaynak metali bileşiminin kontrolü
Çeşitli sınıflardaki malzemelerin kaynağında kullanılan örtülü elektrotlar için gerekli elektrot telleri Kaynak elektrotu Düşük karbonlu çelikler için örtülü elektrot Yüksek mukavemetli çelikler için örtülü elektrot Az alaşımlı çelikler için örtülü elektrot Paslanmaz çelikler için örtülü elektrot Dökme demirler için örtülü elektrot Demir dışı malzemeler için örtülü elektrot Elektrot teli Düşük karbonlu çelik Düşük karbonlu çelik Düşük karbonlu çelik veya az alaşımlı çelik Düşük karbonlu çelik veya paslanmaz çelik Düşük karbonlu çelik veya dökme demir veya demir dışı malzeme Demir dışı metal
Örtülü elektrotların sınıflandırılması 1- Asidik örtülü elektrotlar: Elektrot örtüsünde fazla miktarda oksit ve silikatlar bulunur. Yukarıdan aşağıya doğru kaynak durumu hariç her pozisyon için kullanılabilir. Bu tür elektrotlar hem doğru akımda hem de alternatif akımda kullanılabilirler. Sünekliğinin yüksek, mukavemetinin düşük olması nedeniyle genel olarak çok yaygın kullanılmazlar. 2- Selülozik örtülü elektrotlar: Elektrot örtüsünde yandığı zaman gaz haline geçen organik maddeler bulunur. Örtü ağırlığının % 30 unu selüloz oluşturur. Kaynak esnasında organik maddelerin ayrışması arkın etrafında hidrojen ortamının oluşmasına neden olur. Kaynak metalinin hidrojen içeriği çok yüksek olduğundan bu elektrotların yüksek mukavemetli çeliklerde kullanılması tavsiye edilmez. Bu elektrotlar doğru akımda veya alternatif akımda kullanılabilirler.her pozisyonda özellikle de yukarıdan aşağıya doğru dikey dikişlerde uygulanabilirler.
3- Rutil örtülü elektrotlar: Elektrot örtüsünün büyük bir kısmını (yaklaşık % 35) titandioksit oluşturur. Bu oksit curuf oluşumunun yanı sıra ark kararlılığını sağlar. Rutil örtülü elektrotlar en yaygın olarak kullanılan ve genel istekleri karşılayan elektrot türüdür. Flaks ajanlarının ilavesiyle bütün pozisyonlarda kaynağa elverişli elektrotlar üretilebilir. Kaynak metalinin hidrojen miktarı yüksek olup yüksek mukavemetli çeliklerin kaynağında problem yaratabilir. 4- Bazik örtülü elektrotlar: Örtüsünde büyük miktarda CaF 2 ve CaCO 3 gibi kalsiyum bileşikleri bulunur. Bu tip elektrotlar düşük hidrojen karakterli olup özellikle yüksek mukavemetli çelikler için uygundur. Bazik elektrotların mekanik özellikleri diğer elektrotlardan daha üstündür. Bu tip elektrotlar bütün kaynak pozisyonlarına uygundur ve hem doğru akım hem de alternatif akımda kullanılabilirler. 5- Demir tozlu elektrotlar: Elektrot örtülerinin büyük bir kısmını demir tozu oluşturur. Elektrot örtülerine demir tozu ilave edilerek elektrot verimi % 100 ün üzerine çıkarılabilir. Örtüde demir tozu bulunması curufun oksijen içeriğini arttırmakta ve kaynak yüzeylerinin düzgün olmasını sağlamaktadır.
Örtülü Elektrot Ark Kaynağı El ile yapılan elektrik ark kaynak yöntemidir. Kaynak kalitesi kaynakçının belirli bir düzeyde yetişmiş olmasına bağlıdır. 6 mm den kalın çaplı elektrotların kullanılması ve kaynak hızının belirli bir değerin üzerine çıkması kaynakçının kaynağa hakimiyetini güçleştirir.
Örtülü Elektrot Ark Kaynağı
Örtülü Elektrot Ark Kaynağı
Ark Kaynağında Kullanılan Elektrotlar
Ergiyen elektrotlar ile yapılan kaynak işlemlerine ait örnekler
Ergiyen elektrotlar ile yapılan kaynak işlemlerine ait örnekler
Koruyucu Gaz Metal Ark Kaynağı Kaynak bölgesinin koruyucu gaz atmosferi altında bulunduğu bu kaynak yönteminde kaynak ısısı, ergiyen elektrot ile iş parçası arasında oluşan ark ile sağlanır. Gaz metal ark kaynağında, daha kararlı ark ve daha az çapaklanma sağladığı için genellikle doğru akım kullanılmaktadır. Kaynak, soy gaz atmosferi (Ar, He veya ikisinin karışımı) altında yapılırsa bu yönteme MIG (Metal Inert Gas), CO 2 gibi soy gaz grubuna dahil olmayan aktif gaz atmosferi altında yapılırsa MAG (Metal Active Gas) olarak isimlendirilir. Çeliğin MIG kaynağında Ar gazına oksijen ve CO 2 karıştırılmaktadır.
Koruyucu Gaz Metal Ark Kaynağı
Koruyucu Gaz Metal Ark Kaynağı Koruyucu gaz metal ark kaynağının genel görünümü
Koruyucu Gaz Metal Ark Kaynağı Koruyucu gaz metal ark kaynağının uygulanması
Koruyucu gaz atmosferine bağlı olarak metallerdeki nüfuziyet durumları
Çeliklerin kaynağında MAG yönteminin MIG yöntemine göre üstünlükleri: CO 2, Ar gazına nazaran daha ucuzdur. Aynı hacimli tüplere Ar gazına nazaran 3 misli daha fazla CO 2 konur. Dolayısıyla nakliye maliyeti daha düşüktür. MAG kaynağında MIG kaynağına nazaran daha derin bir nüfuziyet sağlanır. MAG kaynağında daha yüksek kaynak hızıyla çalışılabilir. MAG kaynağında oluşan ultraviyole ışınlar MIG kaynağına nazaran daha zayıftır. Bu nedenle daha açık renkli kaynak maske camları ile çalışılır.
Flaks Özlü Ark Kaynağı Bu kaynak yöntemi prensip olarak koruyucu gaz metal ark kaynağına benzer. Kullanılan elektrot dıştan bakıldığında çıplak tel gibi görünse de özünde (iç kısmında) flaks bulundurur. Kaynak sırasında kaynak bölgesi elektrot özünde bulunan flaksın yanması sonucu ortaya çıkan gazlar ile veya bu gazlara ilave olarak CO 2 veya CO 2 +Ar gibi koruyucu gazlar ile korunur.
endiliğinden Korumalı Flaks Özlü Ark Kaynağı
Gaz Korumalı Flaks Özlü Ark Kaynağı
Tozaltı Ark Kaynağı Kaynak ısının, ergiyen çıplak veya örtülü elektrot ile iş parçası arasında meydana gelen ark ile oluştuğu kaynak yöntemidir. Kaynak, kaynak bölgesine dökülen toz yığınının altında gerçekleştirilir.
Tozaltı Ark Kaynağı Tozaltı ark kaynağının genel görünümüne ait örnekler
Tozaltı ve elektrik ark kaynak yöntemlerinin elektrik enerji bilançoları.
Tozaltı ark kaynak yönteminin avantajları 1- Yüksek ergitme gücüne sahiptir. 2- Derin nüfuziyetli kaynak dikişleri elde edilir. 3- Sıçratma ve elektrot artığı kaybı yoktur. 4- Elektrik enerjisinin büyük bir kısmı kullanıldığından verim çok yüksektir. 5- Otomatik makinelerle çalışıldığından, kaynak hızı yüksektir. Usta işçiye gerek yoktur. İşçilikten kaynaklanan hatalara rastlanmaz.
Tozaltı ark kaynak yönteminin dezavantajları 1- Flaksa gerek vardır. 2- Kaynak sırasında flaks büzülmeye maruz kalacağı için bu durum kaynak süreksizliklerine neden olur. 3- İyi bir kaynak kalitesi elde etmek için ana metal homojen olmalı, üzerinde yağ bulunmamalıdır. 4-5 mm nin altındaki kalınlıklar için kullanılamaz. 5- Kaynak, genellikle yatay pozisyon için uygundur. 6- Kısa dikişler için makinenin ayarlanması için kaybedilen süre gözönüne alındığında ekonomik değildir.
Gaz Tungsten Ark Kaynağı TIG (Tungsten Inert Gas) olarak isimlendirilen bu yöntemde kaynak arkı ergimeyen bir tungsten elektrot ile iş parçası arasında oluşmakta; ark, elektrot ve kaynak bölgesi asal gaz atmosferi (Ar, He veya Ar+He) ile korunmaktadır. Kaynak işlemi sırasında kaynak ağzını doldurmada, ilave bir kaynak metaline (kaynak teli veya çubuğuna) gerek vardır. TIG kaynağında alternatif akım kullanılır ve 6 mm den ince saclar her pozisyonda kaynaklanabilir.
Gaz Tungsten Ark Kaynağı
Gaz Tungsten Ark Kaynağı
Gaz Tungsten Ark Kaynağı Gaz tungsten ark kaynağının uygulanmasına ait örnekler
Elektron Demet Kaynağı: Yoğunlaştırılmış ve yönlendirilmiş elektron demetinin sahip olduğu enerjiyle, metaller ergitilerek kaynak edilmesini sağlayan bir işlemdir. Elektron demetinin sahip olduğu kinetik enerji kaynak yapılacak parçaların küçük bir bölgesinde yoğunlaştığı için, kaynak bölgesinde enerji yoğunluğu 10 8 W/cm 2 değerine erişebilmektedir. Kaynak işlemi vakum altında (10-4 torr) basınçta yapılır. Bu durum zor birleştirilen metallerin bile kaynaklanmasına olanak sağlamaktadır.
Plazma Kaynağı: Plazma kaynağı harcanmayan tungsten ( veya tungsten alaşımlı) elektrot kullanılan bir kaynak yöntemidir. Plazma hali yüksek sıcaklıklarda iyonlaşmış gaz kullanımıyla elde edilir. Böylece bu gaz elektrik iletkenliğine sahip olmuş olur. Diatomik bir gazın basınç altında sıkıştırılmasıyla plazma arkı elde edilir. Elde edilen enerji atomların ayrışmasına neden olur. Atomlar elektronlarını kaybederler ve pozitif iyonlar haline gelirler. Bu iyonlar çok kararsızdır ve hemen güçlü bir egzotermik reaksiyon meydana getirerek tekrar birleşirler. Bu reaksiyon sonucunda ısı açığa çıkar. Plazma ark kaynaklarında ısı 8000-25000. C a kadar çıkabilir.