ELEKTRON IŞIN KAYNAĞI

ELEKTRON IŞIN KAYNAĞI 1

Elektron ışın kaynak yöntemi (Electron beam welding) ergitme ve katı hal kaynak yöntemleri ile elde edilemeyen mekanik ve mikroyapı özelliklerin elde edilmesi için kullanılan bir ileri kaynak teknolojisidir. Elektron ışın kaynak teknolojisinde düşük ısı girdisi ve elde edilen kaynak mukavemetleri dikkatleri bu kaynak yönteminin kullanımına yöneltmiştir. Yöntemin pahalı olması endüstrideki kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Elektron ışın kaynak yöntemi, ileri teknolojili kaynak yöntemi olup, ilk olarak 1950'lerin sonunda nükleer endüstrisiyle birlikte havacılık sanayinde kullanılmaya başlamıştır. Bu yöntemle gerçekleştirilen kaynaklı birleştirmelerde diğer yöntemlere göre daha yüksek kalite ve güvenilirlik sağlanmış ve üretim maliyetlerini azaltmış dolayısıyla tüm sanayi parçalarının birleştirilmesinde kullanılmaktadır. 2

Elektron ışın kaynağı, elektronların yüksek vakum altında hızlandırılmaları sonucu kazandıkları kinetik enerji kullanılarak gerçekleştirilen bir kaynak yöntemidir. Elektron ışın kaynağı yoğunlaştırılmış ve yönlendirilmiş elektron demetinin sahip olduğu enerjinin metallerin ergitilerek kaynak edilmesini sağlayan bir işlemdir. Elektron demetinin sahip olduğu kinetik enerjinin kaynak yapılacak parçaların küçük bir bölgesinde yoğunlaştığı için, kaynak bölgesinde enerji yoğunluğu 108 W/cm 2 değerine erişebilmektedir. Bu ışın ile üniteden 1 m uzağa çalışma olanağı vardır. Bu yöntemde kaynak işlemi yüksek vakum, düşük vakum ve vakumsuz ortamda yapılmaktadır. Kaynak vakumsuz ortamda yapılacaksa iş parçası ile tabanca arasındaki mesafe çok az olmalıdır. Kirlenmeyi önlemek amacıyla da yüksek ilerleme hızı ve koruyucu gaz kullanılmalıdır. 3

Elektron ışınlan özel olarak tasarlanmış bir kaynak makinesinde (elektron ışın tabancası) 10-5 torr değerindeki yüksek vakumda üretilir. Kaynakta, odaklanmış ışın demeti, vakum altında ışık hızının yaklaşık % 60'ı kadar hızlandırılarak metal yüzeyine çarptırılır. Kinetik enerjinin % 99'unu metal atomlarını harekete geçirerek bırakan elektronlar, o bölgede kaynak ısısını oluştururlar. Elektron ışın kaynak tezgahında, elektronlar 150.000 km/s'den daha yüksek hızda elektron tabancasından fırlatılırlar. Elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak, elektron ışını istenilen yere odaklanır ve dar bir elektron ışın demeti elde edilir. Elde edilen bu ışın kaynak edilecek yere yönlendirilir. 4

Kaynak tekniğinde kullanılan ısı kaynaklanın güç yoğunlukları 5

Elektron ışın kaynağı ile kaynak yapılacak parçalar genellikle ilave metal kullanılmaksızın birleştirilirler ve birleştirilecek iki parçanın arasındaki boşluğun 10-2 mm'den daha fazla olmaması gerekmektedir. Elektron ışın kaynağında kaynak dikiş formu diğer yöntemlere göre farklıdır. Bu yöntemde, kaynak dikişinin ortalama (derinlik/genişlik) oranı yüksektir (25/1). Bu durum, kalın parçaların tek pasoda kaynak yapılmasını sağladığı gibi kaynak banyosunun küçük olmasına neden olmaktadır. Bunun sonucu kaynak yapılan parçanın birim uzunluk başına ısı girdisi diğer kaynak yöntemlerine göre düşüktür. Dolayısıyla dar kaynak bölgesi, daha az distorsiyon ve hatasız kaynak imkanı ortaya çıkmaktadır. 6

TIG-PLAZMA - ELEKTRON IŞINI KAYNAK GEOMETRİLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI 7

Tam yoğun malzemelerin elektron ışın kaynağında yüksek derinlik/genişlik oranı kaynak dikişinde gözenek ve kök kısmında boşluk oluşumuna neden olmaktadır. Toz metalürjisi ile üretilmiş parçalarda bu durum büyük problemlere neden olabilir. Ayrıca ışınların odaklandığı bölgede yüksek sıcaklığın etkisiyle alaşım elemanlarının buharlaşması ortaya çıkabilir. Bu durum kaynak bölgesinde kimyasal kompozisyon farklılıklarına neden olmaktadır. 8

Elektron ışın kaynağının oluşum safhaları 9

Elektron ışın kaynak makineleri: Elektron ışın kaynak makineleri genel olarak, elektron ışın kaynak için uygulanan basınca göre üçe ayrılmaktadır. 1) Yüksek vakumlu (10-6 _10-3 Torr) 2) Orta vakumlu (10-3 -25 Torr) 3) Vakumsuz (Kaynak atmosferik basınçta) gerçekleşir. Her üç tür elektron ışın kaynak sisteminde de elektron tabancası, kontrollü güç kaynağı, bir veya çoklu vakum pompası sistemi ve diğer ekipmanlar ile birlikte kullanılır. 10

Yüksek vakumlu elektron ışın kaynağı: Elektron ışın kaynağı, elektron ışınları havada kolaylıkla saptıkları için ilk olarak vakumda yapılmıştır. Yüksek vakumlu sistemde, iş parçasından 662 mm'ye kadar elektron ışınları toplatılabilmektedir. Yüksek vakumla kaynatılabilecek malzeme kalınlığı yaklaşık 150 mm civarındadır. Bu yöntemde iş parçasının olduğu bölgede basınç 10-6 - 10-4 torr aralığındadır. Burada hem ışın hem de kaynatılacak malzeme bu vakum içerisindedir. Basınç odası, ideal bir birleşme için çevrenin oksijen ve hidrojeninden korunmak için kullanılır. Bu tür kaynaklar genellikle nükleer sanayii, uçak sanayi, uzay sanayi, füze yapımı, elektronik sanayii ve jet motoru parçalarının kaynağında kullanılır. Zirkonyum ve titanyum gibi oksijen ve hidrojene ilgisi fazla olan metallerin, vakumsuz veya orta vakum üzerindeki basınç ortamlarında kaynatılması gerekir. Yüksek vakumlu elektron ışın kaynağı ile yapılan bir kaynakta, kaynak genişliğinin kaynak nüfuziyetine oranının 50/1' e ulaştığı cihaz üreticisi firmalar tarafından belirtilmektedir. 11

Orta-kısmi vakumlu elektron ışın kaynağı: Orta vakumda ışın kaynak yönteminde, genelde 75x1O -3 torr kaynak çalışma basıncı uygulanır. Işının üretildiği tabanca ünitesi, yüksek vakumda olduğu gibi 10-5 -10-4 torr basınç aralığında tutulur. Buradaki basınç bir difüzyon pompası ile sağlanır. Mekanik tipteki bir pompa istenen kaynak basıncının son kısmi vakumunu gerçekleştirecek şekilde ayarlanır. Orta vakumlu sistemde iş parçası- tabanca mesafesi 300 mm civarındadır. Bu yöntem ile kaynatılabilecek parça kalınlığı 50 mm'dir. Bu yöntemin en önemli avantajı pompa gücünün azaltılmış olmasıdır. Orta vakumda elektron tabancası ile iş parçası odası küçük bir delik ile birbirinden ayrılmıştır. 12

Yüksek vakum kaynağı ile karşılaştırıldığında, orta vakumda kaynağın en önemli avantajı, kaynak için kısa süreli bir vakumlama yapılmasıdır. Bu da genel amaçlı bir ünite için genellikle 40 sn'yi geçmez ve özellikle özel tasarlanmış üniteler için en kısa pompa vakum süresi 5 sn'den daha fazladır. Buna göre yöntem minimum hacimli bir ünite kullanarak kütle parça üretimlerine uygundur. Üretilen parça boyutuna bağlı olarak elle kumanda edilen cihazlarda yaklaşık olarak saatte 60 parça, otomatik kontrollü makinalarla 600-1500 civarında parça üretilmektedir. 13

Vakumsuz elektron ışın kaynağı: Elektron ışın kaynağı hakkındaki son çalışmalarda, vakumsuz elektron ışın kaynak yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemde yalnızca elektron ışın tabancası vakum ortamında çalışır. İş parçası hava atmosferinde, vakumsuz bir ortamdadır. İş parçasına atmosfer basıncında kaynak yapılır. Yüksek ve orta vakumlu kaynaklarda vakum ile koruma sağlanırken, bu yöntemde kaynak korumasızdır. Vakumsuz elektron ışın kaynağı ünitesi yatay ve düşey olarak montaj edilip kullanılabilir. Bu sistemde, iş parçası ile elektron ışın tabancası arasındaki mesafe sınırlı olmak zorundadır. Ünitenin ışın gücü seviyesi 35 kw'dan daha büyüktür. Maksimum kaynatılabilecek parça kalınlığı 50 mm kadardır. Işının % 90 ı verimli olarak kullanılır. Vakumsuz elektron ışın kaynağı ile üretilen parça sayısı, orta vakumlu ve yüksek vakumlu kaynak yöntemleri ile üretilenden daha fazladır. Bu avantajı, kaynak tabancası ve kaynak odasının her bir parça için vakumlanması gereken süre ve işçilikten dolayıdır. 14

Parçalar tek başına atmosfer şartlarında kaynak yapıldığında, pratik olarak vakumsuz işlemde çalışma uzaklığı, 9-22 mm gibi bir oranla sınırlandırılır. Bu çalışma aralığı helyum gibi koruyucu gazlar ile korunduğunda 25-50 mm civarındadır. Bu yüzden bir çok ticari vakumsuz elektron ışın kaynak üniteleri helyum korumalı olarak kullanılırlar. Bu da elektron ışınlarının havadaki yayınımını azaltır. Orta vakumlu ile vakumsuz elektron ışın kaynağı karşılaştırıldığında, orta vakumlu kaynak yönteminde kaynak odası ve vakum pompası ihtiyacı nedeni ile parça boyutu sınırlıdır. Ayrıca ışın demeti sapması ve titreşimi vakumsuz yöntemde olmadığından, orta vakumiuda bu bir dezavantajdır. 15

Elektron ışını ile kaynak makinası 3 temel elemana sahiptir. Bunlar; a) Kontrollü elektron ışını oluşturan bir tabanca, b) Gerekli pompa ile donatılmış bir vakum ünitesi, c) Işını bağlantı çizgisi boyunca veya iş parçasını tabanca altında hareket ettiren bir ünite. Ayrıca, bunların dışında elektron ışın kaynak makinesi, katot, anot, kontrol elektrodu, odaklama bobini, ışın saptırma sistemi ve ışın doğrultma ünitelerinden oluşmaktadır. Günümüzde, refrakter ve nadir metallerin, yüksek sıcaklık ve korozyona dayanıklı alaşımların ile çeliklerin kaynağında bu yöntemin kullanılmasında büyük deneyim kazanılmıştır. Bugün elektron ışın cihazları büyük metal kütüklerden, elektronik mikro devrelere kadar tüm elemanların kaynağında rahatlıkla kullanılmaktadır. Yöntem özellikle nükleer, havacılık, füze ve otomotiv endüstrilerinde yaygın ve avantajlı şekilde kullanılmaktadır. Ancak tek ve büyük dezavantajı vakum kamarası gerektirmesidir. 16

17

Elektron ışın kaynağı, herhangi bir ergitme kaynağı ile kaynatılması güç olan parçaların birleştirilmesinde kullanılır. Bu kaynak yöntemi ile tungsten, molibden, tantalyum, tutya, titanyum, berilyum ve zirkonyum gibi malzemelerin kaynakları yapılabilir. Elektron ışın kaynağının diğer geniş bir kullanma alanı da özellikleri birbirinden farklı olan iki veya daha çok malzemelerin birbirlerine kaynatılmasıdır. Örneğin, alüminyum, paslanmaz çelik ve bakır üst üste konularak bu yöntem ile kaynatılabilir. 18

Elektron Tabancası: Elektron ışını ile kaynaktaki ticari donanımlar içinde çeşitli tipte tabancalar kullanıma sunulmuştur. Ancak bunların hepsi televizyon cihazlarında bulunan termo iyonik valfler ve katod ışını tüplerindeki prensiplere benzer prensiple çalışmaktadır. Elektron ışın kaynağı, elektron akışını kontrole yardımcı olan, kap şeklindeki bir elektroda monte edilmiş, ısıtılmış bir tungsten flamandır. Anot merkezinde delik bulunan bir disk şeklindedir. Anottaki delikten çıkan elektronlar aynı doğrultuda hareket etmezler ve bu nedenle elektron ışını, tepesi anotta ve tabanı iş parçası üzerinde olan bir koni şeklini almaya çalışır. 19

20

Elektron ışını tabancası; katot (filament), yönlendirme bobini (kontrol elektrodu) ve Anottan oluşur. Katot yüksek ergime sıcaklığına sahip malzemelerden (Tungsten veya Tantalyum) yapılır. Bu yüksek yayınımlı malzemeler; tel, şerit veya levha şeklinde üretilir. Bu malzemelerin elektron yayabilmesi için 2500 C'ye kadar ısıtılması gerekir. Katot'tan çıkan elektronlar anot ve katot arasındaki voltaj farkı sayesinde yüksek hıza ulaşırlar. Anot ve katot arasındaki voltaj azaltılıp çoğaltılarak elektronların hızı da ayarlanabilir. Hızlanan elektronlar anot içerisinden geçerler. Daha sonra elektronlar, elektron ışını düzeltme sisteminden geçerler. Burada manyetik mercekler vasıtasıyla elektron ışının çapı düşürülür ve iş parçasının kaynak yapılacak yerine çok ince ve küçük çaplı bir ışın odaklanmış olur. Küçültülmüş ışın çapı ile enerji yoğunluğu artar ve iş parçası üzerine gönderilir. Elektromanyetik saptırma bobinleri vasıtasıyla, elektron ışınlarına esneklik kazandırılır. Böylece ışın istenildiği şekilde yönlendirilir. 21

Vakum odası: Elektronlar, havada gönderilecek olursa, hava içinde mevcut oksijen ve azot atomları ile çarpışmaları nedeniyle enerjilerini yitirirler. Işının herhangi bir mesafe kat etmesi için 0,013 ila 1,3 N/mm 2 arasındaki basınçta ve vakum içinde çalışması gerekmektedir. Bu oda iş parçası ve tabancayı alacak büyüklükte olmalıdır. Elektron ışınları iş parçası yüzeyine çarptığında bir kısmı X ışınlanna dönüştüğünden odadaki X ışınlarının çalışanlara zarar vermemesi için de oda kurşun astar ile kaplanmalıdır. 22

Elektron ışın kaynağının diğer kaynak yöntemlerine göre bazı üstünlükleri mevcuttur. Bunlar: Kaynak edilen parçada fıziksel ve metalürjik değişmeler yok denecek kadar azdır. Kaynak işlemi yüksek hızda, daha dar bir alanda ve yüksek nüfuziyet elde edecek şekilde yapılmaktadır. Kaynağın yapılışı, fazla işçilik gerektirmediğinden dışarıdan optik ve otomatik kumanda sistemleri ile çok yakından kolaylıkla kontrol edilebilmektedir. Birleşme alanı oldukça temiz ve yüksek kalitededir. Temizleme işlemine gerek duyulmaz. Kaynak edilen parçalarda kaynak çekmesi yok denecek kadar azdır. Özellikle birbirinden farklı malzemeler üst üste konulmak suretiyle kaynak edilebilir. Diğer kaynak yöntemleri ile birleştirilemeyen malzemeler bu yöntem ile kolaylıkla birleştirilebilmektedir. Önemli ve pahalı parçalarda meydana gelen dar yerlerdeki çok küçük çatlaklar bu yöntem ile kaynak yapılarak onarılabilmektedirler. 23

Elektron Işın Kaynak Yönteminin Kullanım Alanları Elektron ışın kaynağının potansiyel kullanım alanlarına genel olarak; uzay sanayii, uçak sanayii, Otomotiv endüstrisi, elektronik ve bilgisayar endüstrisi, spor malzemeleri, gemi sanayii, roket ve füze yapımı vb alanları sayılabilir. Elektron ışın kaynağı katalitik konvertörlerde, Dökülmüş alüminyum manifoltlarda, direksiyon kolunda, senkronize dişlilerde, kranklarda, vb yerlerde kullanılmaktadır. Yine bu kaynak yöntemi ile düşük, orta ve yüksek karbonlu çelikler, takım çelikleri, ısı dirençli alaşımlar, refrakter metaller, alüminyum ve alaşımları, bakır ve alaşımları, magnezyum ve alaşımları, titanyum ve alaşımları, zirkonyum ve alaşımları, farklı metallerin kaynağı ve diğer bir çok malzemenin kaynağı mümkün olmaktadır. Hemen hemen bütün metaller elektron ışın kaynağı yöntemi ile kaynatılabilir. Genellikle kaynatılan malzemeler süper alaşımlar, refrakter malzemeler, reaktif malzemeler ve paslanmaz çeliklerdir. 24

a-tig kaynağı b-mikro plazma kaynağı c-plazma kaynağı d-elektron ışını kaynağı Saç kalınlığına bağlı olarak kaynak hızı değişimi 25

Yöntemin avantajları Elektron ışın kaynağında verim çok yüksektir, çünkü elektrik enerjisi doğrudan ışına dönüştürülür. Derinlik-genişlik oranı çok yüksek olduğundan, kalın parçalar tek pasoda kaynaklanabilir. Nüfuziyete ve uzunluğa bağlı olarak ısı girdisi ark kaynağına göre çok düşük olduğundan parça üzerinde dar bir kaynak bölgesi ve bunun sonucu olarak düşük çarpılma ve dar bir ITAB oluşur. Vakum ortamından dolayı, kaynak bölgesindeki oksijen ve azot kirlenmesi minimuma indiriimiş olur. Vakum ortamında ışının istenilen yere doğrultulabiimesi sayesinde normalde ulaşılamaz noktaları kaynaklamak mümkündür. Yüksek ergitme hızı ve ısı konsantrasyonundan dolayı kaynak süresi düşer, verim ve üretim hızı artar. I dikişi alın kaynaklarında belli bir kalınlık aralığı için dolgu malzemesi kullanmaksızın tek pasoda kaynatmak mümkündür. Toplam üretimde zamandan ve maliyetten avantaj sağlar. Refrakter malzemelerin kaynağı yapılabilir. 26

Yöntemin dezavantajları Yüksek maliyet gerektirir. Derinlik-genişlik oranlarının fazla olduğu birleştirmeler için malzeme hazırlığında hassasiyet çok yüksektir. Yüksek katılaşma hızlarından dolayı çatlamalar olabilir. Yüksek ve orta vakumlu kaynaklarda, vakum ortamının tüm konstrüksiyonu içine alacak kadar büyük olması gerekir. Ve ortam büyüdükçe vakum için gereken zaman da artar. Elektron ışını, manyetik ortamdan etkilendiğinden kaynak bölgesinin yakınlarında manyetik özellik göstermeyen malzemeler kullanılmalıdır. Tüm elektron ışın kaynağı tiplerinde personelin radyasyona maruz kalmayacak şekilde radyasyon koruması sağlanmalıdır. Vakumsuz kaynaklarda, atmosferdeki ozon ve diğer zehirli gazlan uzaklaştıracak şekilde yeterli havalandırma sağlanmalıdır. Vakum odası, malzeme dizaynı veya tasarımını kısıtlar. 27

Kaynak ağzı hazırlama açısından Elektron ışın- ergitme kaynağı karşılaştırma 28

29

30

31

32

33