2. KAYNAK YÖNTEMLERİ 2.1 Kaynaklı bağlantıların tipleri Kaynağın temel özellikleri gözönüne alınırsa, kullanılan bağlantının cinsine bağlı olarak değişen pek çok sayıda kaynak tipinin mevcut olduğu ortaya çıkar. Bununla birlikte ciddi bir araştırma hem kaynakların, hem de bağlantıların gruplara ayrılabileceğini ortaya çıkarır. Böyle bir araştırma dört temel bağlantı tipinin mevcut olduğunu gösterir. Bunlar: Alın, T, Köşe ve Bindirme bağlantılarıdır (Şekil 2.1). Şekil 2.1. Kaynaklı bağlantılara ait örnekler. 19
2.2 KAYNAĞIN OLUŞUMU Kaynağın, çeşitli kaynak standartlarında verilmiş olan tanımını yapmakta yarar vardır. Kaynak; ısı veya basınç veya her ikisi yoluyla metal parçalarının sıvı veya plastik hale getirilmiş yüzeyleri arasında oluşturulan bir birleşmedir. Bağlantı, yük taşıyan sürekli bir metalsel köprüdür. Fakat yüzeylerin sıvı veya plastik hale getirilmesinin gereği henüz açıklığa kavuşturulmamıştır. Bunun anlaşılması için birleşmenin nasıl sağlandığının göz önüne alınması gerekir. Bir kaynak bağlantısında, yeterli mukavemet sadece atomlararası bağ yoluyla oluşturulabilir. Bu nedenle bir kaynak işleminin birinci işlevi birleşme ara yüzeylerindeki atomlar arasında bağlar oluşmasını sağlamaktır. Bu bağların, oluşması için iki şart gereklidir. Birincisi, yüzeyler tam bir temas halinde olmalıdır. Bunun anlamı yüzeylerin atomsal mertebede düzgün olması yani yüzeyler bir araya getirildiklerinde karşılıklı yüzey atomları arasındaki uzaklığın malzeme içindeki atomlar arası uzaklığa (yani 1,24x10-10 m) eşit olmasıdır. Elmas pasta ile yapılan çok hassas parlatmalarda dahi yüzeylerde bu mertebede bir düzgünlük elde etmek mümkün değildir. İkinci olarak, yüzeyler metalürjik olarak temiz olmalıdır. Yüzey üzerinde mevcut olan yağ, boya, rutubet, oksijen veya azot moleküllerinden herhangi biri, tam bir temas sağlansa bile, metal atomları arasında bağ oluşumunu engeller. Sonuçta, bir pratik kaynak sistemi basit atomlar arası bağ oluşturma fikri üzerine kurulmuş ise bu kaynak sisteminin, yüzeyleri tam bir temas haline getirecek ve aynı zamanda da yüzeydeki maddeleri dağıtacak vasıtalara sahip olması kesinlikle gereklidir. 20
2.3 SOĞUK BASINÇ KAYNAĞI Tam temasın sağlanması ve yabancı maddelerin dağıtılmasının bir yolu birbirlerine kuvvet altında bastırmaktır (Şekil 2.5). yüzeyleri Şekil 2.5. Soğuk basınç nokta kaynağı. 21
Basınç altında yüzeyler, yabancı maddeleri parçalayarak ve temiz metal alanlarını tam bir temas haline getirerek deforme olur. Yabancı maddeleri dağıtmak için gerekli basınç, iş parçasının kalınlığında önemli ölçüde azalma meydana getirecek değerlere çıkar. Optimum bağlantı mukavemeti eşik deformasyon değeri olarak bilinen bir seviyede elde edilir. Bunun gerçek değeri kaynaklanan metallere bağlıdır (Tablo 2.1). Tablo 2.1 Kaynak için eşik deformasvon değerleri Metal Eşik deformasyon (Kalınlıkta % azalma) Kurşun 10 Kalay 15 Alüminyum 40 Bakır 45 Demir 65 Genel olarak metal ne kadar yumuşaksa oda sıcaklığında kaynağı başlatabilmek için gerekli deformasyon değeri de o kadar düşüktür. Bu deformasyon kaynak bölgesindeki metali sertleştirir. Soğuk basınç kaynağı, alüminyum kablolar ve iletkenler arasındaki kaynakları yapmak ve tüplere kapak (Şekil 2.6) kaynatmak gibi özel uygulamalarda sınırlı ölçüde kullanılmaktadır. Ancak diğer ticari alaşımların soğuk basınç kaynağı için gerekli olan deformasyon miktarını, malzemeyi hasara uğratmadan gerçekleştirmek genellikle zordur. 22
2.4. SICAK BASINÇ KAYNAĞI Metaller kaynak işlemi sırasında ısıtılırsa, artan sıcaklıkla eşik deformasyon değeri azaldığından, kaynak işlemi çok daha kolay ve başarılı bir şekilde gerçekleşir. Bu nedenle çok sayıda sıcak basınç kaynağı yöntemi geliştirilmiştir. Bunların en eskisi demirci kaynağı olup yaklaşık M.Ö. 1400 yıllarından beri demirciler tarafından kullanılmaktadır. Bu yöntemde, birleştirilecek olan dövülebilir demir veya çelik çubuklar 1350 C ye kadar ısıtılırlar. Bu sıcaklıkta yüzey üzerindeki demir oksitler erir ve birleştirilecek elemanlar beraberce çekiçle dövüldükleri zaman, sıvı haldeki bu oksitler bağlantı yerinden sıkıştırılarak atılırlar. Bundan, sonra, bağlantı soğuk basınç kaynağına göre daha düşük deformasyon seviyelerinde oluşur. Demirci kaynağı günümüzde daha ziyade süsleme işlerinde kullanılmaktadır. Ancak kaynak oluşturmayı kolaylaştırmak için elemanı ısıtma prensibi, sıcak basınç kaynağının çok sayıdaki modern yöntemlerinde de kullanılmaktadır. Burada temel amaç, ara yüzeyleri eşik değerinin %25'lere düştüğü sıcaklığa yükseltmektir; bu nedenle de ısıtma yönteminin ne olduğu çok önemli değildir. Sıcak metal soğuk basınç kaynağındaki halinden çok daha plastik olduğu için sıcak basınç kaynağında gerekli kuvvet daha küçüktür; bu nedenle çelik gibi sert metallerde kaynak oluşturmak mümkündür. Soğuk basınç kaynağının aksine kaynak bölgesindeki malzeme sertleşmez. Sıcak basınç kaynağı için bağlantıyı ısıtmada kullanılan çeşitli metotlardan en başarılı olan üçü; gazla ısıtma, dirençle ısıtma ve endüksiyonla ısıtmadır. 23
24
2.5. SÜRTÜNME KAYNAĞI Katı hal kaynağı (basınç kaynağı) alanındaki en başarılı uygulama sürtünme kaynağında meydana gelmiştir. Birleşme, basınçla birlikte sürtünme ısısıyla oluşturulan bir katı hal kaynak yöntemidir. Uygulamaları: Şaft ve borusal parçalar Otomotiv, uçak, ziraat makineleri, petrol ve doğal gaz hatlarında. Avantajları; Uygun yapıldığında, temas yüzeylerinde ergime oluşmaz. Normal olarak ilave metal, dekapan veya koruyucu gaz kullanılmaz. İşlem dar bir ITAB oluşturur. Farklı metallerin birleştirilmesinde kullanılabilir. Ticari işlemlerde geniş çapta kullanılır; otomasyona ve seri üretime uygundur. Sınırları: Parçalardan en az biri dönel olmalıdır. Yığma çapağı genellikle uzaklaştırılır. Yığma, parça boylarını kısaltır (tasarım aşamasında dikkate alınması gerekir). 25
Sürtünme kaynağı (FRW): (1) dönen parça, temas yok; (2) sürtünme ısısı üretmek üzere parçalar temas haline getirilir; (3) dönme durdurulur ve eksenel basınç uygulanır; ve (4) kaynak oluşturulur. 26
Bu yöntemde kullanılan kaynak makinesi biri motor tarafından tahrik edilen, diğeri sabit olan iki ayna ile donatılmış büyük bir tornaya benzer (Şekil 2.10). Birleştirilecek iki parça aynalara bağlanır ve bunlardan biri döndürülür (Şekil 2.11). Bu dönen parçanın kesiti dairesel olmalıdır; ancak sabit aynada bulunan parça kesiti benzer olabilir veya olmayabilir (Şekil 2.10). Şekil 2.10. Tipik sürtünme kaynağı makinesi. Dönen ayna kaynak hızına ulaştığında parçalar hafif bir eksenel yük uygulayarak temas haline getirilir. Parçaların karşılıklı yüzeyleri birbirlerine sürtündüğünden, bu sürtünme nedeniyle üretilen ısı yerel sıcak plastik bölge oluşturur. Eksenel yük etki yaptığı sürece ısının üretilmesi devam eder ve sonuçta tüm ara yüzey uniform bir sıcaklığa ulaşır. Aynı anda plastik metal çevreden dışarıya doğru bağlantı yüzeyinde mevcut olan oksitleri de taşıyarak akmaya başlar. Yeterli ısıtma oluştuktan sonra parçaların göreceli hareketi aniden durdurulur ve eksenel yük arttırılır. Sonuçta, talaş kaldırma yoluyla yok edilebilen bir metal çapağa sahip dövme basınç alın kaynağı elde edilir (Şekil 2.12). Kaynak zamanı kısa olup 20 ilâ 100 saniye mertebesindedir. 27
Şekil 2.11. Sürtünme kaynağı aşamaları Bu kaynak türünde en önemli parametreler şöyledir; Sürtünme süresi Sürtünme basıncı Yığma süresi Yığma basıncı Devir 28
29
Şekil 2.13 Ağır vasıtada dövme tekerlek poyrasının aks muhafazasına sürtünme kaynağı. Şekil 2.14 (a). Radyal sürtünme kaynağında bağlantı düzeneği, hareket ve kuvvetler 30
Kaynak Sonrası Birleşme Bölgesinde Meydana Gelen Yapısal Bozunumun Şematik Gösterimi 31
Örnekler: Sürtünme kaynağı makinelerindeki gelişmelere bağlı olarak silindirik olmayan parçaların da bu yöntemle birleştirilebilmesi mümkün hale gelmiştir. Dikey olarak yapılan Sürtünme kaynağı na örnek. Boru kaynağı ve diğer örnek 2 Detaylı Kaynak için: http://www.key-to-metals.com/article51.htm 32
Sürtünme Karıştırma Kaynağı Bu kaynak yöntemi, alın alına sabitlenmiş iki levhaya yüksek devirde dönen kademeli bir karıştırıcı ucun daldırılarak kaynak yapılmak istenen uzunluk boyunca belirli bir hızda ilerletilmesinden ibarettir. Bu metot ile yapılan birleştirmelerde, mükemmel bir birleştirme mukavemeti elde etmek mümkün olduğu gibi, oldukça düşük bir malzeme çarpılması söz konusudur. Ucu özel olarak imal edilmiş silindirik kademeli bir karıştırıcı ucun, dönmekte olan bir karıştırıcısı yavaşça birleşme hattı üzerine bastırılır. Karıştırıcı ucun boyu istenilen kaynak derinliği ile aynıdır. Dönen karıştırıcının ucu işlenen yüzeye temas ettiği zaman meydana gelen sürtünme, karıştırıcının ucun temas ettiği noktayı aniden ısıtır ve böylece malzemenin mekanik direnci azalır. Uygulanan kuvvet altında karıştırıcı uç malzemeyi, karıştırıcı uç omzu da izlenen yüzeye temas edinceye kadar karıştırıcı uç ve onun hareket ettiği yönde zorlanmakta ve yerinden oynatmaktadır. İşlemde, dönen karıştırıcı ucun meydana getirdiği sürtünme ısısı, karıştırıcı ucu etrafında ve karıştırıcı omzu altında yumuşamış bir metal tabakası oluşturur. Kaynatılacak parçaların veya karıştırıcının ileriye ve geriye hareket etmesi halinde yumuşamış olan metal karıştırıcı ucun ön yüzü tarafından kaldırılır ve karıştırıcı ucun mekaniksel dönüşü yönünde ve bastırma hareketi ile karıştırıcı ucun arkasından dönerek sürüklenir. 33
Sonuç olarak, karıştırıcı uç birleşme hattı içine girdikçe oluşan sürtünme birleşme yüzeylerini ısıtarak metali yumuşak hale çevirmekte, takiben birleşme hattını ezerek oksit filmini kırmakta, yumuşak metali karıştırarak birbirine birleştirmekte ve ileriye hareketi ile geride kalan birleşimin soğuyarak katı hal kaynağı oluşturmaktadır. Birleştirme karakteristiklerini etkileyen başlıca dört faktör vardır. Karıştırıcı ucun profili Çevresel hızı İlerleme hızı Karıştırıcı ucun batma derinliği Bunlardan ilk üçü rahatlıkla kontrol edilebilir. Ucun batma derinliği kritik olup, kontrolü zordur. Batma derinliğinin kaynak boyunca sabit olması gerekir. Fakat özellikler uzun levhaların birleştirilmesinde işlemlerinde yüzeylerin çok düzgün olmaması durumunda bunu sağlamak mümkün olmayabilir. 34
Uygulama örnekleri: 35
Patlamalı Kaynak Yöntemi İş parçalarının kontrollü patlamanın etkisi ile iş parçalarının ergime olmaksızın birbirine çarpmasıyla oluşturulan katı-hal kaynaklardır. Patlamanın etkisiyle parçaların ulaştığı hızlarda çarpma sonucu metalik bağ oluşur. Bu bağ,dalgalı bir ara yüzeyle sonuçlanan mekanik kilitlenmeyle beraber metalürjiktir. Dolgu malzemesi kullanılmadan yapılır. Patlamayla birlikte kaynak ilerler. Fazla deformasyon görülmez. İlave metal kullanılmaz. Dış ısı uygulanmaz. Difüzyon oluşmaz, zaman çok kısadır. Çoğu kez iki farklı metalin birleştirilmesinde, özellikle de büyük yüzeyler halinde bir metalin diğerinin üzerine kaplanmasında kullanılır. Başlıca üç temel bileşeni vardır; Ana malzeme Kaplama metali Patlayıcı İşlem : Ana malzeme ile kaplama metali sabit ve birbirlerine paralel yerleştirilirler. Birbirleri arasında belirlenmiş bir aralık bırakılır. Patlamanın etkisi ile kaplama metali eğilir ve mesafe boyunca hızlanarak ana malzemeye çarpar ve kaynak oluşturulmuş olur. Patlayıcı granüller formda olur ve kaplama metalinin üzerine eşit miktarda dağıtılır. Patlayıcı ile kaplama metalinin arasına yüzeyi aşınmalardan koruyacak tampon yüzey kullanılabilir. 36
37
Patlamalı Kaynak Parametreleri: Çarpma hızı Çarpma açısı Kaplama metalinin hızı Çarpma malzemede plastik akmaya sebep olur ve aynı zamanda oluşan jet ara yüzeyi temizleyerek kuvvetli metalürjik bağ oluşmasını sağlar. Yöntemin Kapasitesi: Karbon çeliklerinin paslanmaz çeliklere veya ergitme kaynağı veya difüzyon kaynağı ile yapılması metalürjik olarak uygun olmayan alüminyumun veya titanyumun çelik ile birleştirilmesi bu yöntemde mümkündür. Bu yöntemle birleştirilebilecek yüzey büyüklüğü 6.5 cm 2 ile 37 m 2 nin üzerine kadar değişebilir. Ana malzeme sabit durduğundan kalınlık sınırı yoktur. Ancak kaplama metalinin kalınlık aralığı 0.25 ile 31.8 mm arasındadır. Bu yöntem ile birleştirilecek malzemeler yeterli dayanım ve sünekliğe sahip olmalıdır. Örneğin %5-6 arası süneklik ve çentik darbe enerjisi 13,6 J veya üzeri olmalıdır. 38
ULTRASONİK KAYNAK İş parçaları basınç altında bir arada tutulurken uygulanan yüksek frekanslı vibrasyon enerjisi ile kaynak dikişi oluşturulur. Bu kaynak yöntemi ile ergime olmadan metalürjik bağ oluşturulur. Yüksek frekanslı elektrik enerjisi, mekanik vibrasyona dönüştürülür ve coupler (sonotrode) ile vibrasyon iş parçasına iletir. Frekans 20 ile 60 Hz arası olmaktadır. Şekil: Arayüzeyde sürtünme hareketi ile ultrasonik kaynak Ultrasonik kaynak işleminde, teğetsel sürtünme ile arayüzeyin izafi hareketi oluşturulur. Büyük bir deformasyon yoktur ve proses, folyoların ve elektronik bileşenlerin bindirme kaynağına uygundur. Ultrason kaynağı, monometalik ve bimetalik malzemelerde kullanılır. Plakaların, folyoların ve tellerin bindirme kaynaklarında uygulanabilen bir kaynak yöntemidir. Ultrason kaynağının en önemli uygulamaları minyatür elektronik parçalar üzerindedir. Transistörlerin, diyodların ve diğer yarı iletken cihazların üzerine ince alüminyum ve altın bakır teller birleştirilir. 39
40
2.6. ERGİTME KAYNAĞININ PRENSİPLERİ 2.3'den 2.5'e kadar ki kısımlarda tanıtılan tüm kısıtlamaları vardır. basınç kaynağı sistemlerinin bazı Soğuk basınç kaynağında başarılı bir bağlantı oluşturmak için çok büyük bir miktarda deformasyona ihtiyaç vardır. Diğer taraftan sürtünme kaynağı makineleri çok küçük parçaların birleştirilmesinde kullanılanlar hariç çok büyük ve pahalıdırlar. Muhtemelen en kritik sınırlama şekil ve boyuttan kaynaklanandır. İmal edilen yapılarda çoğu kez uzun levhaların ve saçların birleştirilmesi için de kaynak işleminin kullanılması gerekir. Bu tip birleştirmeler çok büyük dövme kuvvetleri gerektireceğinden, basınç kaynağına uygun değildirler. Bu yükü iletecek çenelerin tasarlanmasında ve oluşabilecek deformasyonlan barındırmada problemler yaratır. Bu tipten bağlantılar için bir başka kaynak yöntemi kullanılmalıdır. Geçen yüzyılın sonlarına doğru endüstriyel gelişimin hızını sürdürmek için yeni üretim teknikleri icat etmeye çalışan mühendisler, kontrollü ergime kullanarak iyi kaynakların yapılabileceğini keşfetmişlerdir. Ergitme kaynağının prensiplerini, bir metal levha yüzeyi üzerindeki küçük bir alanın ergimesini göz önüne alarak anlayabiliriz (Şekil 2.15). Katı metal ergime sıcaklığına ulaştığında; levha yüzeyi üzerinde mevcut olan oksit filmleri parçalanır veya demir ve bakırda olduğu gibi ergimiş metale karışır ya da alüminyumda olduğu gibi yüzey üzerinde yüzer. Bu, daha önce bahsedilen metalürjik olarak temiz yüzeye ulaştığımız anlamına gelir. 41
Birleşme çizgisinde iki bölge mevcuttur. Bunlardan biri, ısınmış olmakla birlikte metallerin karakteristik yapısı olan düzenli kafes yapısını hala muhafaza eden ana metaldir. Parlatılmış ve dağlanmış metal yüzeyinin mikroskop alanda etüdü ağ şeklinde oluşmuş bir yapının varlığını ortaya çıkarır. Bunlar, içinde atomların düzenli bir şekilde dizildiği (kafes yapısı) tanelerin sınırlarıdır. Tane sınırları atomların diziliş doğrultularının yön değiştirdiği sınırlardır. Şekil 2.15 sadece iki boyutlu bir modeli göstermekte olup gerçekte atomlar her üç doğrultuda da uniform olarak düzenlenirler. Şekil 2.15 Ergimiş banyonun oluşumu 42
İkinci bölge, kafes yapısının artık mevcut olmadığı ve içinde atomların düzensiz şekilde hareket ettiği ergimiş bir banyodur. Bu kısım soğumaya bırakılırsa katılaşma başlar ve katı/sıvı metal ara yüzeyinden merkeze doğru tabakalar halinde ilerliyormuş gibi görünür (Şekil 2.16). Soğuma devam ettikçe ısı levhanın kütlesi yoluyla iletilerek uzaklaştırıldığından ilk defa bu bölgedeki atomlar sabit yere tutunurlar. Ara yüzeydeki katı atomları, katılaşan sıvıdaki atomların bağlanabildiği ve bu sayede kafes düzlemlerini ergimiş banyoya doğru ilerleten boş bağlara sahiptirler. Böylece daha fazla atomun bağlanabileceği bir çıkıntı oluşur, bu yolla katılaşma sınırı kaynak banyosuna doğru ilerler. Şekil 2.16. Katılaşmanın ve dendiritlerin oluşumunun safhaları Çok geçmeden atomlar bu çıkıntıların yanlarına doğru eklenmeye başlarlar ve bunun sonucunda katı metalde yana doğru bir büyüme (dallanma) meydana gelir ve bu durum komşu katı metal bölgelerinin bir sınırda karşılaşmalarına kadar devam eder. Bu dallanmış katı metale "dendirit" adı verilir ve her bir dendirit katılaşan kaynak 43
banyosunda bir "tane" oluşturur. Bu dendiritik şekil bir kere oluştuktan sonra katı/sıvı arayüzeyi testere dişi profiline benzer bir hal alır ve tüm sıvı metal katılaşıncaya kadar banyonun merkezine doğru gelişerek ilerler. Başlangıçta ergitilmiş olan hacim, şimdi birbirlerine tane sınırlarından bağlanmış dendirit taneleri topluluğundan ibarettir. Komşu dendiritlerin karşılaştığı yerlerde kafes düzlemleri birbirleriyle açı yaparlar ve birleşme yeri katı metalden devam eden tane sınırını oluşturur. Sadece bir noktanın eritilmesiyle gerçekleştirilen yerel bağ, uygulamada çok sınırlı olarak kullanılır. İmalatın çoğunda bağlantı hattının tüm uzunluğu boyunca birleşmeye gerek duyulur. Isı membaını bağlantı hattı boyunca hareket ettirerek bu ihtiyaca kolaylıkla çözüm bulunabilir. Bu yolla birbiri üzerine binmiş bir dizi banyo üretilir, kaynak banyosunun sürekli önünde ergime arkasında ise katılaşma meydana gelir. Bu tip bir kaynak banyosu tamamen dairesel olmayıp ön cephesi yuvarlak arka cephesi de eliptik şekle sahiptir (Şekil 2.17). Şekil 2.17. Kaynaklı bağlantıda ergime ve katılaşmanın meydana gelişi. 44
Isı membaının ileriye doğru hareket etmesi ile levhaya doğru olan ısı üretiminin, banyonun arka cephesindeki sıcaklığı metalin katılaşma sıcaklığına düşürmesi sonucunda, katılaşma banyonun arka cephesinde meydana gelir. Tane büyümesinin mekaniği, dendiritlerin yukarıya ve kaynak ekseni doğrultusunda ileriye doğru yönlenmeleri dışında, sabit dairesel banyo için daha önce açıklanmış olana benzerdir (Şekil 2.18). Şekil 2.18. Hareket doğrultusuna yönlenmiş taneleri gösteren dağlanmış kaynak kesiti. 45
46