ELEKTROM ISINI Ile KAYMAK Prof. Dr. Selahaddin ANİK Yrd. Doç. Dr. Murat VURAL İTÜ MAKİNA FAKÜLTESİ 11 KASIM 1993
Elektron Işın Kaynağının Diğer Kaynak Yöntemleri Arasındaki Yeri Kaynak tekniğinde, asetilen alevi, ark ve elektrik direnci ile ısıtma, sürtünme ve laser ışını gibi, hemen hemen yıllardan beri kullanılan birçok ısı merobaınm yanında elektron ışını da yerini almıştır. Belirtilen bu ısı mernbalanyîa elektron ışınının bu çerçeve içerisinde bir karşılaştırılması yapılmaktadır. Kaynak usullerinin, kullanılma alanlarıyla çok yakından ilişkisi olduğundan, ark ve laser ^mma göre, en önemli özelliklerin gerçekie^csı sınırlanmıştır. Elektron ışınının en dar kesit çapı 0.1 ila 0.5 mm'dir. Işın odağında yüksek bir güç yoğunluğu var olup. yaklaşık olarak lu W^rrf^dir ve tabancadan 1 metre uzaklığa kadar çalışma mesafesine sahiptir. Isı rnembaı olarak elektron ışınının en önemli üstünlüğü, gaz alevi ve elektrik arkına göre, kaynak yerlerinde 10.000 kat daha yüksek bir ısı konsantrasyonunun clât edilmesidir(tabio 1). Arkın plazma taneciklerinin enerjisi, yalnızca iş parçasının yüzeyinde bıraktığı ve bununla birlikte iç bölgelerin ısıtılmasında her yönden gelişen bir ısı dağılımına ayrıldığı için yarım daire şeklinde bir erime bölgesi oluşur. Elektron ışını altında, kaynak yerinin kuvvetli bir şekilde ısınmasıyla ortaya çıkan yüsek buhar basıncı, eriyikte, elektronların enerjisini bırakmadan önce iş parçasının derinliklerine nüfuz edebildikleri bir kanalın oluşurrfuna yol açar. Oluşan erime bölgesi, derinliği ortalama genişliğe oranı, 25/1'e kadar ulaşan dar bir kama şekline sahiptir (Şekil 1). Kaynağın bir işlemle yapılabilmesine bağlı olarak, çabuk soğuma ile, klasik kaynakta ortaya çıkan ve arzu edilmeyen metalurjik bir çok olay, olumlu yönde değişikliğe uğrar. Çabuk soğumada tane büyümesi düşüktür. TABL01: Kaynak ısı membalarının güç yoğunlukları 2 ^ Kaynak yöntemi 3üç yoğunluğu (W/cm ' Plastik malzeme kaynağı Gaz (asetilen) kaynağı Elektrik direnç (nokta) kaynağı Elektrik ark kaynağı TIG/WIG kaynağı M!G Kaynağı Plazma kaynağı Elektron ışın kaynağı Laser tşını ile kaynak 1.000 5.000 10.000 10.000 5x10 5 10 6 10 7 10 B io 10 -V-
Kaynak Ağzı Hazırlama Bakımından Elektron Işın ve Ergitme Kaynağının Karşılaştırması Elekron ışmı ile yapılan kaynakta, birleştirilecek parçalar I-Alın şeklinde hazırlanır ve ilave metal kullanmadan kaynak yapılır. Derin nüfuziyetten dolayı, erimiş banyonun akmaması için altlık kullanılmaz. Tablo T de, kaynak ağzı hazırlama açısından elektron ışını ile ve ergitme usulüyle kaynak kıyaslamalı şekilde gösterilmektedir. Kaynak Parametreleri Açısından Karşılaştırma Belirli bir uygulama için uygun bir kaynak yönteminin seçiminde, genel olarak aşağıdaki noktalara göre değerlendirme yapılır: a-bağlantı için gerekli olan teknolojik kalite özellikleri (statik ve dinamik mukavemet, şekil değiştirme kabiliyeti, korozyona dayanıklılık, bir ön ve son tavlama şartı gibi). b'ozellikle şekil ve boyut gibi konstrûktif şaftlar (büzülmeler, kendini çekmeler, çarppılmalar ve kaynat; yerinin ulaşılabilirtiği). Ç'Uygulamanm usul tekniği bakımından ekonomikliği (yatınm maliyeti, işletme ücretleri, enerji, bakım ve onanm, ilave metal). Tablo 3'de, elektron ışını ile kaynak, yukarıda belirtilen seçim kriterleri ve kaynak parametreleri açısından, TIG/MIG ve elektrik direnç kapak yöntemleri ile karşılaştınlmıştır. Tablo 2: Kaynak ağzı hazırlama bakımından elektron ışın ve ergitme kaynağının karşılaştırması -la.-
94
95
Otomotiv Sanayinde Elektron Işın Kaynağının Uygulamaları A N I K, Prof.Dr. j.t.ü. Makina Faküfîesi Makina Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalı Başkan ail GEDDEMELÎ.Ögr.Gör.Dr., İ.T.Ü. Makina FakflftesiKonströkslyon Anabilim Dalı M u r a t V Ü D A L, Arş.Gör., İ.T.Ö. Makina Fakültesi Makina Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalı Belirli bir uygulama için uygun bir yöntem seçilmesinde aşağıdaki kriterler gözönünde bulundurulur: a- Bağlantı için gerekli olan teknolojik kalite b~ Özdlikk şekil ve boyut git i konstrüktifkoşullar c- Uygulanan yöntemin tekniği bakımından ekonomikliği Bu düşünceler, yüksek yoğunluktaki enerji membaının kaynak tekniğinde kullanılması konusundaki araştırın alan teşvik etmiştir. Laser ışını ile elde edilen sonuçlar, ince ve hassas kaynak işleri için dzel bir uyum göstermesine rağmen, kalın kesitlerde, günümüzde herhangi bir işleme imkanı tanımamaktadır. Buna karşılık elektron bombardımanı (ışını) için 100 mm. den kaim kesitlerde geniş bir uygulama alanı açılmıştır. Elektron ışını ile yapılan kaynağın ilk pratik uygulaması, reaktör tekniği, roket ve uçak inşası gibi, tekniğin yeni açılan alanlarında kendini göstermiştir. Burada kullanılan özel malzemelerin işlenmesi, şimdiye kadar alışılmış vasıtalarla tatmin edici bir şekilde yapılamamış ve parçaların şekillendirilmesi, genellikle zor mümkün olmuştur (Şekil 1). Kaynak İçin Isı Mentbaı Olarak Elektron Işını Kaynak tekniğinde elektron ışını, asetilen alevi, ark ve elektrik direnci ile ısıtma, sürtünme ve laser işim gibi, hemen hemen yıllardan beri kullanılan birçok ısı membaının yanında yerini almıştır. En dar elektron ışınının kesitinin çapı 0.1 ila 1.5 mm'dir. Işının odağında yüksek bir güç yoğunluğu mevcut olup, yaklaşık olarak 10 W/cm 'dir ve tabancadan 1 metre uzağa kadar çalışma mesafesine sahiptir.
Oluşan erime bölgesinin derinliğinin, ortalama genişliğe oranı: 25/1*e kadar olan bir kamanın şekline sahiptir (Şekil 3). Oluşum mertebesindeki folyelerden, 100 mm kalınlığın üzerindeki levhalara kadar, kaynak yapılabilen saç kalınlıklarına, başka hiçbir usul ile erişilemez. Odaklanmış elektron ışının yüksek güç yoğunluğu, birkaç santimetre mertebesindeki iş parçalarının, alışılagelmişin tersine olarak birçok pasoda değil, bir işlemede kaynak yapılabilme imkanım verir. Burada erişilebilen kaynak hızları, diğer birleştirme ususlerinden çok daha yüksektir; elektron ışını ile kaynak, özellikle toplam kaynak süresinin azlığı bakımından kendini gösterir. Kaynak Ağızlarının Hazırlanması Isı membaı olarak elektron ışınının en önemli üstünlüğü, gaz alevi ve elektrik arkına karşılık, kaynak yerinde 10.000 misli daha yüksek bir ısı konsantrasyonunun elde edilmesidir (Şekil 2). Arkın, plazma taneciklerinin enerjisi, yalnızca iş parçasının yüzeyinde bıraktığı ve bununla birlikte iç bölgelerin ısıtılmasında her yönden gelişen bir ısı dağılımına ayrıldığı için yarım daire şeklinde bir erime bölgesi oluşur. Elektron bombardımanı altında, kaynak yerinin kuvvetli bir şekilde ısınmasıyla etkili olan yüksek buhar basma, eriyikte, elektronların enerjisini bırakmadan önce, iş parçasının derinliklerine kadar nüfuz edebildikleri bir kanalın oluşumunu sağlar. Elektron ışını ile yapılan kaynakta, birleştirilecek parçalar I-Alm şeklinde hazırlanır ve ilave metal kullanmadan kaynak yapılır. Derin nüfuziyetten dolayı erimiş banyonun akmaması için altlık kullanılmaz. Bu nedenle tüm kaynak datalan, akmi (fışkırmış) veya yetersiz erimiş bir kaynak dikişi elde etmemek için parçaya iyice iletilmelidir. İsının birleşme yerlerini etkilemeden geçmemesi ve aralığın erimiş hacimle tamamen doldunüabilmesi için iki parça arasındaki aralığın 1/100 mm'den fazla olmaması gerekir. Bu dar tolerans, freze veya taşlama suretiyle itinalı bir şekilde ağızların hazırlanmasını gerektirir. Uygulamada, hassas parçalar için bu husus daima gözönünde tutulmalıdır. -«18-
0 2 4 6 Sac kalınlığı Elektron Işınlarının Üretimi Elektron ışınlarının üretimi, 10 torr'dan daha küçük bir yüksek.vakuma bağlıdır. Vakumdan istenenler, malzeme - kaynak tekniği açısından, çalışma kamarasında çok farklıdır. Belli başlı çelikler ve nikel, bakır, alüminyum gibi bazı demir dışı metaller için 10" ila 10~ 3 torr 5 luk hassas vakum ve koruma etkisi bakımından da kullanılan gazların, yüksek derecedeki saflığı yeterlidir. Diğer taraftan, kimyasal bakımdan aktif metallerin kaynağı için de, yüksek vakumlu ( 10~ torr'a kadar) donanımlar arzu edilir. Diğer kaynak usullerine nazaran kapalı bir hücrede (kamara'da) çalışma zor unluğu, özellikle dezavantaj olarak görülür. Kaynak Metalürjisi Açısından Özellikler Elektron ışını ile kaynakta, metaîurjik işlemleri, aşağıdaki tipik özellikler etkiler: û- Çok yüksek hızlı ısınma ve soğuma çevrimi b- Metal, erime bölgesinde kısmen buhar haline (fauna) geçer e- Pratik olarak, erimiş banyoda bir gaz absorbsiyonu veya etkisi yoktur. Mesela oksidasyon gibi Dikişin her iki tarafındaki ani sıcaklık düşümü, ısının tesiri altındaki bölgeyi gayet dar olarak sınırlar. Kaynağın bir işlemle yapılabilmesine bağlı olarak, çabuk soğuma ile, klasik kaynakta ortaya çıkan ve arzu edilmeyen metaîurjik birçok olay, olumlu yönde etkilenir. Çabuk soğumada tane büyümesi düşüktür. Yüksek derecede eriyen metallerde kaynak yerinin elektron bombardımanıyla çabuk ısınması ve bunu takiben de hızlı soğuması, özellikle avantaj oluşturur. Bu tip malzemeler, yeniden kristalleşme özelliklerinin önemli ölçüde kötüleşmesine yolaçan iri tane oluşumuna eğilim gösterirler. Alçak ve yüksek alaşımlı, dönüşme sertleşmesiyle sertleşen % 0.2 Clu çeliklerde, martenzitik sert bir yapı oluşur. Şekillendirme Esasları ve Otomotiv Sanayindeki Uygulamaları Elektron ışını île kaynaktan, katı cisimleri aşan bir nüfuziyet elde edildiği için, T-birleştirmelerde, ulaşılması zor yerlerde, kaynak yapma olanakları ortaya çıkar. Elektron ışın kaynağının otomotiv sanayine ait örnekleri, diğer sayfalarda verilmiştir. (Şekil 5-Şekil 28)