RAYLARIN YAKMA ALAN KAYNAĞI Şafak TURAN Kaynak Mühendisi TCDD Ray Kaynak Fabrikası ÖZET Yakma alın kaynak yöntemi, elektrik direnç kaynak işleminin bir türüdür. İş parçasından geçen elektrik akımına karşı parçanın gösterdiği direnç sayesinde oluşan ısının, zamana ve basınca bağlı olarak kontrol edilmesi ile yapılan bir kaynak yöntemidir. Alın yüzeyleri merkezlenmiş parçalar bu yöntem ile kısa sürede kaynak edilebilmektedir. Yakma alın kaynak yönteminde kontrol altında tutulması gereken parametreler; akım, basınç ve kaynak süresidir. Yöntem; ilave dolgu malzemesi kullanılmaması, ısıdan etkilenmiş bölgenin dar olması ve farklı malzeme yapılarının kaynatılması açısından oldukça avantajlıdır. Matkap uçları, zincir, tel, şaft, vb. parçaların kaynak işlemlerinin yanında demiryolu sektöründe de son dönemde rayların kaynatılması için sıkça kullanılan bir yöntemdir. Rayların bu yöntemle kaynatılması taşınabilir kaynak makinesi ve sabit kaynak tesislerinde yapılmaktadır. TCDD bünyesinde rayların ve ray makaslarının kaynatılması için iki adet sabit tesis bulunmaktadır. Anahtar kelimeler: Yakma alın kaynağı, elektrik direnç kaynağı, ray kaynağı 1. GİRİŞ Yakma alın kaynağın işleminde temel olarak kontrol edilen akım, basınç, süre olmak üzere üç adet parametre bulunmaktadır. Bu parametreler kaynak edilecek malzemenin yapısına boyutuna göre değişmektedir. Farklı malzemelerin kaynağı, geniş kesite sahip olan ray, şaft gibi yapıların kaynağı bu parametrelerin ayarlanması ile gerçekleştirilir. Bu yöntemde bakır alaşımlı elektrotların kaynak yapılacak malzemelere teması ile yüksek akım altında ark oluşumu ve ortaya çıkan ısı ile malzemelerin kaynak sıcaklığına erişmesi amaçlanır. Demiryolları uygulamalarında kullanılan bu yöntemde raylar hem sahada hem de fabrika ortamında kaynatılabilmektedir. Sabit kaynak tesisinde bu yöntemde genelde olduğu gibi düşük gerilim yüksek akım kullanılmaktadır. Yaklaşık 80000 amper, 24 V kullanılan kaynak işlemi, kendi içerisinde belirli süreçlere ayrılmaktadır. Bu yöntem, temel olarak sürekli yakma ve kademeli yığma (impuls) olmak üzere iki farklı kola ayrılmaktadır. TCDD ray kaynak tesisinde kademeli yığma yakma alın kaynak yöntemi kullanılmaktadır. 69
2. YAKMA ALIN KAYNAK YÖNTEMİ VE RAY KAYNAĞI ÜRETİM SÜREÇLERİ Sabit tesisler için ve mobil kaynak makineleri için ayrı standartlar bulunmaktadır. TCDD Ray Kaynak Fabrikasında EN 14587-1; R 220, R 269Mn, R 350HT kalitesindeki rayların sabit tesisler için yakma alın kaynağı standartına uygun olarak üretim yapılması amaçlanmaktadır. Ray kaynak uygulanması öncesi elektrot temas bölgelerinin ve ray alın yüzeylerinin fırçalanarak temizlenmesi gerekmektedir. İyi bir ark oluşması ve ark geçişinin düzgün bir şekilde sağlanması için bu işlem yapılmaktadır. Fırçalama işlemi gerçekleştirildikten sonra gözle muayene gerçekleştirilerek herhangi bir yüzeysel çatlak olup olmadığı ve ray alın yüzeylerinin düzgünlüğü mastarlar ile kontrol edilerek raylar kaynağa hazır hale getirilir. Kaynak makinesine gelen raylar, makine çeneleri tarafından sabitlenir ve elektrotlar rayın alt ve üst gövdesine temas ettirilir. Burada doğru bir merkezlenme ve sabitleme yapmak, kaynak için son derece önemlidir. İki ray arasında belirli bir kaynak boşluğu bırakılır ve raylar kaynak için hazır hale getirilir. Yaklaşık 80000 amper,bakır alaşımlı elektrotlar üzerinden geçirilir. Birleşecek olan alın yüzeylerin uç kısımları yeterince tavlanıp ergime sıcaklığına ulaştıktan sonra iki ray eksenel yönde hidrolik basınç kullanılarak hareket ettirilir. Temas halindeki raylardan akım geçirilmesi belli aşamalardan oluşmaktadır. Ray temas bölgelerinin tavlama sıcaklığına çıkması için belirli bir sürede akım sürekli geçirilir, daha sonra kademeli olarak akım kesilerek basınç yardımı ile raylar eksenel yönde hareket ettirilir. Buradaki amaç; temas eden yüzeyler ideal bir düzlemde olmadıkları için temas sırasında yüzeylerin az bir noktası birbirine değer bu da elektrik geçiş bölgesini oldukça daralttığından bu noktalarda direnç artışı gerçekleşir. Bu noktalarda sıcaklık, hızla yükselerek ergime noktasına ulaşır. Akımın kademeli olarak kesilmesindeki amaç, akımın farklı noktalardan geçerek homojen bir ergime alanı ve ara yüzey oluşturmaktır. Bu esnada raylar birbirlerinden uzaklaştırıp yakınlaştırılarak ısının bu ara yüzeyde dağılması sağlanır. Ray kesitinin büyüklüğüne göre bu işlem birkaç kez tekrarlanır. Küçük temas yüzeylerinden yüksek akım geçmesi bu bölgelerde metalin az miktarda buharlaşmasına neden olur. Oluşan bu gaz tabakası görece koruyucu bir atmosfer sağlamaktadır. Bu aşamada kullanılan basınç yaklaşık 60 ton civarındadır. Son olarak rayların son yakma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada akım sürekli geçirilerek meydana gelen gaz boşlukları, inklüzyonlar, vb. yapılar dışarı atılır ve yaklaşık 120 ton basınç ile iki ray birbirine doğru itilerek kaynak işlemi gerçekleşir. Bu aşamalardaki süreler rayın türüne göre değişmektedir. S49 ve UIC 60 raylar genellikle kaynatıldığından uygun kaynak sıcaklığı elde edinceye kadar bu aşamaların süreleri ayarlanmaktadır. Kaynak sıcaklığı yaklaşık 1100 o C dir. Sıcaklığın oluşmasını sağlayan dirençler rayların elektrot temas bölgesindeki Rm direnci, malzemelerin dışına taşan kısımlarının Rp direnci ve birbirine temas eden yüzeylerdeki Rc direncidir. Burada etkin olan direnç Rc direncidir. Bu direnç şu faktörlere bağlıdır; Temas halindeki rayların mukavemet, sertlik ve iletkenlik gibi fiziksel özelliklerine Temas halindeki yüzeylere uygulanan basınç miktarı ve türüne Temas yüzeyindeki oksit, cüruf ve yüzey özeliklerine Temas halindeki metallerin sıcaklığına bağlıdır. 70
Kaynağın hemen sonrasında meydana gelen kaynak çapağı makine tarafından sıyrılarak kaynak diğer işlemlere hazır hele getirilir. Burada uygun sıcaklıkta sıyırma işlemi yapmak ray yüzeyinde çatlak oluşumunu önlemek için önemli bir parametredir. 3. RAY SINIFLARI VE KAYNAKLANAN RAYLARIN TANIMLANMASI Demiryollarında kullanılan ray sınıfları içerdikleri alaşım elementi miktarına ve boyutlarına göre değişmektedir. Alaşım elementi miktarı rayın sertlik, dayanım, yorulma dayanımı, aşınma özelliklerine etki etmektedir. Boyut ve şekil olarak farklı uygulama sahalarında kullanılan raylar; metro, konvansiyonel hat, hızlı tren hatlarında kullanılmaktadır. TCDD bünyesinde genellikle S49 ve UIC 60 lık raylar kullanılmaktadır. Kalite standardı olarak ise genellikle R260, R260Mn kalite ray çeliği kullanılmaktadır. Son dönemde mantarı sertleştirilmiş raylar, ısıl işlem görmüş ray çelikleri gibi çalışmalar da yapılmaktadır. Tablo 1. Ray sınıfları Ülkemizde demiryolu uygulamalarında kaynaklanan raylar genellikle S49 ve UIC 60 lık raylardır. UIC 60 rayı boyut olarak daha büyüktür. Dayanımın istendiği ve hızlı tren hatları, yük hatları gibi işletme yoğunluğunun olduğu hatlarda bu ray türü tercih edilmektedir. Kesit farklılığından dolayı bu rayların yakma alın kaynağı ile kaynatılması prosedürü de farklıdır. 71
Şekil 1. S49 E1 Rayı Şekil 2. UIC 60 Ray Profili 72
4. KAYNAK SONRASI YAPILAN İŞLEMLER VE KALİTE KONTROL Rayların alın kaynakları sonrası yapılan kalite kontrol deneyleri şunlardır: Görsel muayene Kaynak sonrası yüzeyde oluşabilecek çatlak, hasar, geometrik düzensizlik, sıyırma bıçaklarının izleri ve elektrot temas yüzeylerinde termal bir hasar olup olmadığını belirlemek için göz ile kontrolü yapılır. Kaynağın sıyrılma miktarının ölçülmesi Kaynaklanmış durumlardaki tüm kaynaklarda sıyırmadan sonra şişirilme değeri ölçülmelidir. Bölge Kaynakta sıyrılmış şişirmenin konumu İzin verilen en fazla şişirme (mm) 1 Ray Mantarı 2 1+ Ray Mantarı Alt Bölgesi 2,5 2 Ray Gövdesi 2 3 Ray Tabanı 1,5 Ray tabanının sabit tesislerde taşlanması için taban taşlama makinesi bulunmaktadır. Tabanın taşlanmasına oluşabilecek gerilim yığılmalarına karşı ayrıca önem verilmelidir. 73
Kaynak doğrululuğunun ölçülmesi Yakma alın kaynağında basınç ile sıcaklık bir arada kullanıldığı için kaynaklı ray dizisinin doğrultularında sapmalar olabilir. Hassas hidrolik presler ve lazer ölçüm yöntemleri kullanılarak doğrultudaki bu sapmalar düzeltilir. Standartta verilen doğrultma kaynaklanmış rayın izin verilen maksimum değerleri şu şekildedir; Raydaki kademenin konumu İşlem yüzeyinin boylamsal merkez noktası üzerinde dik olarak İşlem yüzeyinin 14 mm altında hizalanmış yüzü veya kenarı üzerinde yatay olarak Ray tabanının kenarı üzerinde yatay olarak En fazla izin verilen kademe (mm) 0,5 mm 0,5 mm 2,0 mm Açıklama Not: Kademe= Ix-yI mm. A İşlem yüzeyi B Uçlu mastar C Kaynak şişirme merkez hattı Manyetik parçacık veya sıvı penetrant muayenesi Görsel muayene sonrasında kaynak bölgesinde, EN 1290 a göre manyetik parçacık muayenesi veya EN 571-1 e göre sıvı penetrant muayenesi yapılmalıdır. Muayene edilmiş alanda herhangi bir çatlak veya yüzey kusuru olmamalıdır. Böyle bir durumda kaynak geçersiz sayılır. 74
Eğme deneyi F Kuvvet 1 Dikey kesit 2 Kaynak 3 Taşıyıcı Ray Profili Asgari eğme deney sehimi (mm) Kabul ve üretim için asgari eğme deney kuvveti (kn) R220,R260 ve R260Mn sınıfı R350HTsınıfı R220 sınıfı R260, R260Mn ve R350HTsınıfı 60E1 60E2 1 500 1 600 56E1 20 20 1 230 1 330 55E1 1 200 1 300 54E1 1 230 1 330 54E2 1 170 1 270 54E3 1 080 1 180 52E1 25 22 1 100 1 200 50E6 1 070 1 170 50E3 1 060 1 160 49E1 950 1 050 46E1 910 1 010 30 25 46E2 930 1 030 Eğme deneyi belirli iniş hızlarında uygulanan kuvvet neticesinde istenilen dayanım ve esneme değerlerine göre yapılır. Eğme deney numunesinde kırılma olmaksızın en az kuvvet ve sehime ulaştığı zaman deney durdurulabilir. Kaynak kırık yüzeyi incelemesi için deney numunesi kırılıncaya kadar devam ettirilir. 75
Şekil 3. Eğme Deneyine Ait Test Numunesi Sertlik deneyi R220, R260 ve R260Mn için ray sertlikleri kaynak sonrasında şu şekilde olmalıdır; a) En az sertlik P-30HV 30 dan daha düşük olmamalıdır b) En fazla sertlik P+60 HV 30 dan fazla olmamalıdır P sertlik taramasında ölçüldüğü gibi ana rayın ortalama sertliğidir. (R 260 kalite bir çeliğin ortalama sertlik değeri 260-300 HBW değerindedir). Grafik Örnek sertlik taraması 76
Mikro yapı Kaynaklı bölgenin ilgili standartında tarama alanlarına göre alınan numunelerde kaynak bölgesinde perlitik bir yapı gözlemlenir. R260 Mn kalitesindeki çelikte kaynak dikişinde tane sınırlarında ferrit oluşumu gözlemlenebilir. Bunun dışında yapıda martenzit, beynit gibi yapıların yanı sıra tane sınırlarında sementit oluşumu istenmez. Tane sınırlarında R200 ve R220 kalite çeliği hariç tane sınırlarında izin verilen ferrit miktarı. Ana malzemeye göre kaynak dikişinde tane sınırlarında gözlemlenen ferrit yapısı. ITAB bölgesinden ana malzemeye gidildikçe tane büyümesi gözlenir. 77
Yorulma Deneyi Kaynaklanmış ray için deney düzeneği aşağıdaki gibi olup, yorulma deneyinde ortalama 5 milyon çevrim dayanıklılığı beklenmektedir. 14587-1 standardına göre merdiven yorulma deneyi ve geçmiş son deney yöntemi olmak üzere 2 tip yorulma deney yöntemi bulunmaktadır. TCDD bünyesinde son deney yöntemi kullanılmaktadır. UIC 60 rayı için 190 MPa ve maksimum yükün %10 değeri olan 19 MPa olacak şekilde gerilme değerleri ayarlanır. Deney numunesi 5 milyon devirden daha az sürede herhangi bir deney parçası koparsa, işlem ret edilmelidir. 1 Dikey kesit 2 Kaynak 3 Taşıyıcı İç açıklık (W) en az 150 mm olmalıdır. Dış açıklık (L) iç açıklığı, ray boyu (H) nu en az iki katı kadar aşmalıdır ve iç açıklığa neredeyse simetrik olmalıdır. Ray Kaynağı Tesis ve Personel İhtiyacı Sabit tesislerde rayların kaynatılması birkaç adımdan oluştuğundan her aşama için 2 operatör çalıştırılması uygundur. Kaynak işleminde çalıştırılan personel sayısı; Yapılan İşlem Personel Sayısı Kaynak alın yüzeylerinin fırçalanması 2 Ray makine sioperatorü 2 Kaynakların doğrultulması 2 UT ve Kalite Kontrol 2 Yükleme, boşaltma, vinç işlemleri 4 2 Mühendis, 1 Teknik amir 3 TOPLAM 12 78
Ray kaynağına ait örnek resimler 79
80