MIG-MAG KAYNAK YÖNTEMİNDE KULLANILAN KORUYUCU GAZLAR Prof. Dr. Ramazan YILMAZ Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Esentepe Kampüsü, 54187, SAKARYA
KORUYUCU GAZ Koruyucu gazların temel görevi, havada bulunan kaynak açısından zararlı gazların (oksijen, azot vb.) erimiş kaynak metaline girmesini engelleyerek, sağlam bir kaynak dikişi oluşturulmasını sağlamaktır. Bunun yanı sıra koruyucu gazlar, arkın karakteristiğini etkileyerek, kaynak metalinin transfer şeklini belirler, nüfuziyet ve kaynak hızını etkiler, kaynak banyosunu temizler ve kaynak metalinin mekanik özelliklerini belirler. 2
KORUYUCU GAZ 1- Kaynak bölgesini ve ergimiş kaynak banyosunu havadaki gazların zararlı etkilerinden korur. 2- Kaynak arkının düzgün oluşmasını ve kararlılığını sağlar. 3- Metal damla geçiş biçimini kontrol eder. 4- Farklı pozisyonlarda kaynak yapma işlemini kolaylaştırır. 5- İstenilen nitelikte nüfuziyet ve kaynak dikiş profili elde etmeyi sağlar. 3
Kaynak işlemi için gaz seçiminde çeşitli faktörlerin göz önünde bulundurulması gereklidir; Bunlar şu şekilde sıralanabilir: 1- Kaynatılan metal veya alaşımın türü, 2- Ark karakteristiği ve metalin damla geçiş biçimi, 3- Kaynak hızı, 4- Parça kalınlığı, gereken nüfuziyet ve kaynak dikişinin biçimi, 5- Tedarik edilebilirlik ve gazın maliyeti, 6- Kaynak dikişinden beklenen mekanik özelikler. 4
KORUYUCU GAZLAR SOY GAZLAR * ARGON * HELYUM * ARGON + HELYUM KARIŞIMI AKTİF GAZLAR * KARBONDİOKSİT KARIŞIM GAZLAR * ARGON + OKSİJEN * ARGON + KARBONDİOKSİT * ARGON + KARBONDİOKSİT + OKSİJEN * ARGON +HELYUM + KARBONDİOKSİT * ARGON + KARBONDİOKSİT + HİDROJEN 5
ASAL GAZLAR Asal gazlar, kabuklarındaki bütün yerlerin elektronlar ile dolu olması, diğer bir deyimle dış kabuğun kapalı olması dolayısı ile diğer elementlerin atomları ile elektron alışverişinde bulunamazlar; yani kimyasal bir reaksiyon oluşturamazlar. Koruyucu gaz kaynağı yöntemlerinde, asal gaz olarak helium ve argon kullanılır. 6
7
ARGON GAZI Demirdışı metallerin kaynağında %100 oranında kullanılır. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerin kaynağında ark çok kararsız yandığından tek başına kullanılmaz. Parmak şeklinde bir nüfuziyet profili sağlar. Sprey arkı destekler. Arkı başlatmak kolaydır. Karışım koruma gazlarının ana bileşenidir. 8
ARGON Yoğunluk (1,784 kg/m3) * Argon, havadan yaklaşık olarak 1.4 defa yoğundur * Argon havadan ağır olduğu için yatay pozisyonda en iyi korumayı sağlar * Tavan pozisyonunda Helyumdan biraz daha fazla gaz debisine gereksinim duyulur. Isıl İletkenlik (300 K) 17.72 m W m 1 K 1 Argon, Helyuma oranla daha düşük ısıl iletkenliğe sahiptir. Ark sütunu geniş ve sütunun dış kısımlarında sıcaklık daha düşük, merkezinde ise daha yüksektir. Bu nedenle kaynak dikişlerinde nüfuziyet dikişin merkezinde 9 derin kenarlarında ise azdır.
ARGON İyonlaşma Enerjisi (1520.6 kj/mol ) * Argon Helyuma göre daha düşük iyonlaşma enerjisine sahiptir. Dolayısıyla daha düşük ark voltajı oluşturur. * Düşük gerilimlerde kararlı ark sağlar * Ark kolay başlar Metal Damla Geçiş Biçimi * Argon ve Argonca zengin koruyucu gazlarda damla geçişi, sprey ark biçimindedir. Kullanıldığı Malzemeler * Saf Argon bütün metal ve alaşımların kaynağında kullanılır. 10
ARGON GAZI Argon gazı, içinde oluşan arkın gerilim düşümü diğer koruyucu gazlara nazaran daha azdır, ayrıca argonun ısı iletme kabiliyetinin de zayıf olması nedeni ile ark sütunu daha geniş ve sıcaklığı da özellikle dış kısımlarda düşüktür. Sütunun merkezinde gerek metal buharları ve gerekse damla geçişi dolayısı ile sıcaklık daha yüksektir. Bu bakımdan argon'un koruyucu gaz olarak kullanıldığı kaynak dikişlerinde nüfuziyet dikişin merkezinde derin, kenarlarda azdır. 11
Al ve Cu gibi metallerin kaynağı için uygun olan argon, çelikler halinde, ancak başka gazlarla karıştırılarak kullanıldığında iyi sonuçlar vermektedir. Helium'un havadan çok hafif olması gaz sarfiyatını çok arttırmaktadır. Örneğin; yatay pozisyonda aynı şartlarda argonun yaptığı korumayı sağlamak için 3 misli heliuma gerek vardır. Helium atmosferi, ısıyı iyi ilettiğinden, bu gazın koruyucu gaz olarak kullanılması halinde derin nüfuziyetli kaynak dikişleri elde edilir. Ark geriliminin düşümü de argona nazaran yüksek olduğundan, helium atmosferinde oluşan kaynak arkı daha yüksek enerjilidir. Bu bakımdan ısıyı iyi ileten metallerin kalın kesitlerinin kaynağında ekseriya ön ısıtma gerektirmez. 12
Çeşitli Asal gaz ve karışım gaz atmosferlerinde oluşan ark gerilimi 13
HELYUM GAZI Çoğunlukla paslanmaz ve alüminyum kaynakları için gaz karışımlarına eklenir. Isıl iletkenliği çok yüksektir. Geniş fakat derin olmayan nüfuziyet profili verir. Avrupa da ve Türkiye de üretilemediğinden pahalıdır ve pek tercih edilmez. Argona helyum ilavesi korozyona dirençli uygulamalarda ana malzemelerin incelmesini engellemede etkilidir. 14
. En hafif monoatomik gazlardan birisi olan helyum, argona göre 10 kat daha hafiftir ve bu özeliği ile de kaynak sırasında etkin bir korumanın gerçekleştirilebilmesi için gerekli gaz sarfiyatını atırmaktadır; örneğin yatay pozisyonlarda aynı koşullarda argonun yaptığı korumayı sağlamak için 3 kat helyuma gerek vardır. Helyum atmosferi ısıyı iyi ilettiğinden, bu gazın koruyucu gaz olarak kullanılması halinde derin nüfuziyetli kaynak dikişleri elde edilir. 15
Helyumun iyonizasyon potansiyeli argona nazaran daha yüksek olduğundan, helyum atmosferinde oluşan kaynak arkı daha yüksek enerjilidir. Bu bakımdan ısıyı iyi ileten bakır, alüminyum ve magnezyum gibi metallerin kalın kesitlerinin kaynağında genellikle ön tav gerektirmez. Helyumun koruyucu gaz olarak kullanıldığı TIG veya MIG/MAG kaynağı uygulamalarında daha geniş ve argona nazaran da daha derin nufuziyetli kaynak dikişleri elde edilir; bu olay, yüksek hızda çalışan mekanize kaynak uygulamalarında önemli bir üstünlük olarak karşımıza çıkar 16
HELYUM Yoğunluk (0,1787 kg/m3) * Helyum ise, havanın yoğunluğunun 0.14 katıdır * Helyumun havadan hafif olması nedeniyle yatay pozisyondaki gaz sarfiyatı Argona göre 3 kat daha fazla olur. * Tavan pozisyonunda ise Argona göre daha az gaz debisine gereksinim duyulur. Isıl İletkenlik (300 K) 151.3 m W m 1 K 1 Helyum Argona oranla çok daha yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir Ark sütunundaki sıcaklık dağılımı homojendir. Helyum daha derin ve geniş bir dikiş oluşturur. 17
HELYUM İyonlaşma Enerjisi (2372.3 kj/mol ) * Helyum Argona göre daha yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir. Dolayısıyla daha yüksek ark voltajı oluşturur. * Metale daha çok ısı verdiğinden nüfuziyet artar. * Yüksek ısı sayesinde akışkanlık artacağından yüksek kaynak hızı sağlar. Metal Damla Geçiş Biçimi * İri damlalı ark geçişi oluşturur. Bu nedenle Helyum arkı Argon arkına göre daha fazla sıçramaya ve daha kötü kaynak dikişi görünümüne sebep olur. Kullanıldığı Malzemeler * Saf Helyum, Bakır ve Alüminyum alaşımlarının kaynağında kullanılır. 18
19
ARGON- HELYUM KARIŞIMLARI Argon ve helyum karışımları hem argonun hem de helyumun en üstün özeliklerini bir arada elde edebilmek amacı ile geliştirilmiş ve bu sayede nufuziyet ve ark kararlılığı optimize edilmiştir; helyuma %25 argon eklenmesi ile saf argon haline göre daha derin nufuziyet ve saf argon halinden daha üstün ark kararlılığı bir arada elde edilebilmektedir. Uygulamada, bu iki gazın %80 He ve %20 Ar dan, % 75Ar+% 25He a kadar çok değişik karışımları ile karşılaşılmaktadır. 20
KARBONDİOKSİT (CO2) Karbondioksit renksiz, kokusuz ve özgül ağırlığı 1,997 kg/m 3 olan bir gazdır. Havadan takriben 1,5 misli daha ağırdır. Basınçlı tüplerde kullanılır. Karbondioksit tüpleri 15 C'de takriben 65 atmosferde doldurulur. Bu şartlarda tüpün ihtiva ettiği gaz sıvı haldedir. Kullanma sırasında sıvı haldeki karbondioksit gaz haline geçer. 21
Tüp içinde karbondioksitin çok büyük bir kısmının sıvı halde bulunması nedeni ile hiçbir zaman bu tüpler eğik veya yatay durumda kullanılmamalıdır; karbondioksit tüpleri daima kullanma esnasında dik durumda tutulmalıdır. Birçok aktif gazın kaynakta koruyucu gaz olarak kullanılmaya uygun olmamalarına karşın, karbondioksit sağladığı çok sayıda üstünlük dolayısı ile az alaşımlı ve sade karbonlu çeliklerin Gazaltı kaynağında çok geniş çapta bir uygulama alanı bulmuştur. 22
Karbondioksitin çeliklerin kaynağında sunduğu avantajlar derin nüfuziyet, daha yüksek kaynak hızları ve düşük kaynak maliyeti olarak sıralanabilir. Karbondioksit ile düşük akım şiddetleri ve ark gerilimlerinde kısa ark ile yüksek akım değerlerinde ise uzun ark damlalı metal geçişi ile kaynak yapmak mümkün olabilmektedir. Karbondioksit atmosferi altında yapılan, diğer bir deyimle koruyucu gaz olarak karbondioksit, kullanılan kaynak yöntemine Metal Activ Gas kelimelerinin baş harflerinden faydalanılarak MAG adı verilmiştir. 23
Karbondioksit, argon gibi mono atomik elementel bir gaz olmadığından, arkın yüksek sıcaklığında karbon monoksit ve oksijene ayrışır. Serbest kalan oksijen kaynak banyosundaki elementlerle birleşir; ark sütunu içinde ionize olan gaz kaynak banyosuna doğru gelir ve bir miktarı tekrar karbondioksit haline geçer ve dolayısı ile ayrışma esnasında almış olduğu ısıyı tekrar verir ve bu da dikişte nüfuziyetin artmasına neden olur. Banyo içinde demiroksit ayrıca mangan ve silisyum tarafından redüklenir. Mangan ve silisyum kaybı kaynak telinin bileşimi tarafından karşılanır. Bu bakımdan çeliklerin kaynağında MIG yöntemi için üretilmiş teller MAG yönteminde kullanılamaz. 24
KARBONDİOKSİT (CO2) Karbondioksit gazı aktif ve oksitleyici bir bir gaz olup, yoğunluğu 1,98 kg/m3 dür. Bu gaz kullanıldığında Gazaltı Kaynak Yöntemi MAG adını almaktadır. Çeliklerde derin nüfuziyet sağlar. Maliyeti nispeten düşüktür. Düşük akım şiddeti ve ark gerilmelerinde kısa ark damla geçişi ile kaynak yapılabilir. Yüksek akım değerlerinde uzun ark damla metal geçişi ile kaynak yapılabilir. Et kalınlığı ince malzemelerde delinme, yanma gibi kaynak hatalarına sebep olabilir. Karbon dioksit, yüksek ark sıcaklığında karbon monoksit ve oksijene ayrışır. Serbest kalan oksijenin bir kısmı kaynak banyosundaki elementlerle birleşir. Diğer bir kısmı da kaynak banyosunda tekrar CO2 haline geçer. Böylece ayrışma esnasında almış olduğu ısıyı tekrar verir. Böylece nüfuziyetin artmasına sebep olur. Kaynak bölgesi içerisinde kimyasal reaksiyon neticesinde Mangan ve Silisyum kaybı oluşur. Bu kayıp kullanılan kaynak telinin bileşimi tarafından karşılanır. Bu nedenle çeliklerin kaynak işleminde MIG yöntemi için üretilen kaynak telleri MAG yönteminde kullanılması tavsiye edilmez. MAG kaynak işlemi esnasında bir miktar alaşım elementi oksidasyon ile kaybolduğundan, dikişin üzerinde çok ince kahverengimsi renkte bir çapak oluşmasına sebep olur. Bu da fırça 25 yardımıyla kolayca temizlenebilir.
GAZIN DEPOLANMASI: Karbondioksit tüpleri 15 C de yaklaşık 65 atmosferde doldurulur. Tüp içerisindeki CO2 sıvı halde olup, tüpün üst kısmında 1/3 lük bölümünde buharlaşmış CO2 gaz halinde bulunur. Kullanım sırasında tüpün bu kısmındaki gazın basıncı düştükçe, sıvı CO2 den buharlaşarak basınç normale döner. PROBLEM: Sıvı CO2 gazının buharlaşması esnasında tüp, daima bir buharlaşma ısısına ihtiyaç duyar. Eğer çok fazla gaz tüpten çekilirse, tüp içerisindeki sıcaklığın düşüşünden dolayı, sıvı CO2 zerrecikleri, CO2 karına dönüşür. Bu kar, gaz çıkış borusunu ve dedentörü tıkayabilir. ÇÖZÜM: Sürekli 12 litre/dakika dan daha fazla debilerde CO2 gazı çekilmesi gerekiyorsa, birden fazla tüpün manifold ile bağlanarak kullanılması tavsiye edilir. Soğuk iklim şartlarında CO2 gaz zerreciklerinin tıkanıklığa sebep olmaması için, tüp çıkışına ISITICI takılır. DİKKAT! Tüp içerisindeki CO2 in büyük bir kısmı sıvı halde bulunduğu için, tüpler eğik veya yatay konumda kullanılmamalıdır. Tüpler daima dik pozisyonda tutulmalıdırlar. 26
CO 2 atmosferinde oluşan reaksiyonlar 27
NİÇİN KARIŞIM GAZLAR KULLANILIR? Saf halde Argon, Helyum veya Karbondioksit gazlarının koruyucu gaz olarak kullanılması, bazı metal ve alaşımlarında istenen kaynak dikiş özelliklerini sağlamada yetersiz kalmaktadır. Karışım gazlarının kullanılmasının amacı: * Parça kalınlığına göre istenilen nüfuziyetin sağlanması, * Malzeme cinsine göre kaynak ark kararlılığının daha düzenli olmasının sağlanmasını, * Kaynak hızının arttırılması, * Kaynak kalitesi ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi, * Sıçrama probleminin en aza indirilmesi. 28
KARIŞIM GAZLAR Ark atmosferinin karakteri, kullanılan çeşitli gaz ve gaz karışımlarına bağlı olarak değişir. He ve Ar karışımları koruyucu gaz olarak yukarıda belirtilmiş olan özelikleri karışım oranına göre gösterirler. Argon gazına az miktarda Oksijen, çeşitli oranlarda CO 2 ilave ederek karışım gazlar elde edilir. Argon, helium gibi asal gazların oluşturdukları ark atmosferinin nötr bir karakter göstermesine karşın, argon gazına oksijen veya karbondioksit gibi aktif gazların karıştırılmasıyla ark atmosferine oksitleyici bir karakter kazandırılabilir. Hidrojen gazının karıştırılması halinde ise redükleyici bir gaz atmosferi oluşur. 29
Argon'a oksijen veya karbondioksit gazlarının karıştırılması ile oluşan ekzoterm bir reaksiyon sonucunda kaynak banyosunun sıcaklığı yükselir ve yüzey gerilimi zayıflar, böylece kaynak banyosunun akıcılığı yükseltilmiş ve gazı giderilmiş olur. Ayrıca, koruyucu gazın oksijen içermesi düşük akım yoğunluklarında da ince taneli ve kısa devresiz damla geçişinin (Sprey ark) oluşmasına yardımcı olur. Çeliğin MIG kaynağında argon gazına oksijen ve karbondioksit karıştırılmaktadır. Böylece oksijen kolay eriyen oksitlerin oluşumunu hızlandırarak, eriyen elektrot telinden düşen damlaların yüzey gerilimini zayıflatmakta ve ince taneli bir metal geçişi sağlamaktadır. 30
OKSİJEN Bir oksitleyicidir ve erimiş kaynak havuzundaki elementlerle reaksiyona girerek oksitler oluşturur. Argon ile dengelenen karışıma az miktarda oksijen (1-5 %) eklenmesi ile iyi bir ark kararlılığı ve çok düzgün kaynak dikişi görünümleri elde edilebilir Dolgu malzemelerine eklenen deoksidantlar ile oksijenin okside edici etkisi giderilir. Kaynak havuzundaki oksidasyonun etkilerini azaltmak için uygun alaşımlı elektrot kullanılmalıdır. 31
HİDROJEN Paslanmaz çelikler ve nikel alaşımlarının kaynağı sırasında argon korumasına çok az miktarlarda (1-5%) eklenir. Isıl iletkenliği yüksek olduğundan kaynak havuzu sıvılaşır ve daha hızlı kaynak yapmak mümkün olur. 32
AZOT Atmosferin %78'ini oluşturan azot iki temel özelliğiyle, birçok endüstride yoğun olarak kullanılan bir gazdır. Azot birçok malzemeye karşı soy olup, sıvı halde oldukça soğuktur. Normal koşullar altında, kimyasal olarak reaksiyona girmez. Azot atmosferi altında yanma reaksiyonlarının yanı sıra birçok kimyasal reaksiyonun gerçekleşmesi engellenebilir. ostenitik krom- nikelli paslanmaz çeliklerin kaynağında kök koruma gazı olarak kullanılmasının yanısıra Ar, He, CO 2 karışım gazları içinde az miktarda katılarak kullanımı vardır. Plazma arkı oluşturma da karışım gaz içinde kullanılır. 33
ARGON + CO 2 En çok kullanılan gaz karışımıdır. Dört transfer modunda da argon CO 2 karışımları kullanılır. Hadde pullu çeliklerin kaynağında Ar+CO 2 karışımları kullanılır. Paslanmaz çeliklerin darbeli arkla kaynağında CO 2 miktarı %4 ü geçmemelidir. Eksenel ve darbeli sprey transfer modunda CO 2 yüzdesi %18 den az olmalıdır. CO 2 yüzdesi arttıkça ısı girdisi artar ve kaynak yaparken ana malzemenin delinme riski yükselir. Kısa devre transferi CO 2 /Ar kombinasyonlarının kullanıldığı düşük ısı girdili bir yöntemdir. Bu yöntemden faydalanmak için CO 2 yüzdesi %20 veya daha fazla olmalıdır. 34
35
36
ARGON + O 2 Ar+CO 2 karışımlarından daha düşük akım şiddetlerinde eksenel sprey transfer ile kaynak yapmaya olanak sağlar. Damlacık boyutları daha küçük ve kaynak havuzu daha akışkandır. İnce malzemeler üzerinde hızlı kaynak yapmaya çok uygundur. Hem paslanmaz çeliklerin hem de karbon çeliklerinin kaynağında Argon + Oksijen karışımlarından faydalanılabilir. 37
ÜÇLÜ KORUMA GAZLARI Üç tip gazdan oluşan karışımlar karbon çeliği, paslanmaz çelik ve sınırlı durumlarda nikel alaşımları için popülerdir. Karbon çeliği üzerinde kısa devre ile kaynak yaparken Argon ve CO2 gazlarına %40 He ilavesi daha geniş bir nüfuziyet profili sağlar. Daha geniş nüfuziyet profili ve yan cidarlara daha iyi işleme, yetersiz nüfuziyet eğilimini azaltır. Paslanmaz çelikler için üçlü koruma gazları oldukça yaygındır. 38
Sprey iletim için koruma gazları METAL KORUYUCU GAZ ÜSTÜNLÜKLERİ Alaşımsız Çelikler Paslanmaz Çelikler Düşük Alaşımlı Çelikler %75 Ar + %25 CO2 %75 Ar + %25 CO2 Argon + %5-10 CO2 %90 He + %7,5 Ar + %2,5 CO2 %60-70 He + %25-35 Ar +%4,5 CO2 %75 Ar + %25 CO2 3 mm kalınlıklara kadar, yüksek kaynak hızları; en az çarpılma ve sıçrama 3 mm den kalın; en az sıçrama; temiz kaynak görüntüsü; düşey ve tavan pozisyonlarında iyi bir banyo kontrolü Daha derin nüfuziyet; daha yüksek kaynak hızı Korozyon direnci üzerinde kötü bir etkisi yok; ısı tesiri altındaki bölge dar; yanma oluğu yok; en az çarpılma En az reaktivite; mükemmel tokluk; mükemmel ark kararlılığı, ıslatma özelliği ve dikiş profili; çok az sıçrama Orta derecede tokluk; mükemmel ark kararlılığı, ıslatma özelliği ve dikiş profili; çok az sıçrama 39
Kısa devre iletim için koruma gazları METAL KORUYUCU GAZ ÜSTÜNLÜKLERİ Alaşımsız Çelikler Argon + %1-5 O2 Arkın kararlılığını arttırır; daha akışkan ve kontrol edilebilir bir kaynak banyosu oluşturur; iyi bir birleşme ve dikiş profili sağlar; yanma oluğunu en az düzeye indirir; saf argona oranla daha yüksek kaynak hızına olanak sağlar. Argon + %3-10 CO2 İyi bir dikiş profili; sıçramayı en az düzeye indirir; soğuk kaynak olasılığını azaltır; pozisyon kaynağına uygun değildir. Düşük Alaşımlı Çelikler Argon + %2 O2 Yanma oluğunu en az düzeye indirir; iyi bir tokluk sağlar Paslanmaz çelikler Argon + %1 O2 Argon + %2 O2 Arkın kararlılığını arttırır; daha akışkan ve kontrol edilebilir bir kaynak banyosu oluşturur; kalın paslanmaz çeliklerde yanma oluğunu en az düzeye indirir. İnce paslanmaz çeliklerde %1 O2 li karışıma oranla iyi ark kararlılığı ve birleşme sağlar. 40
41
MIG-MAG Kaynak yönteminde kullanılan koruyucu gazlar 42
Not: X= Kullanılabilir (X) = Şartlı kullanılabilir. 43
44
Argon, Helyum ve CO2 atmosferinde oluşan ark ve dikişin formu 45
Dikiş formu ile nüfuzîyetin, çeşitli gaz karışımlarındaki durumu 46
Kaynaklar Tülbentçi, Kutsal, MIG-MAG Eriyen Elektrod İle Gaz Altı Ark Kaynağı. Gedik holding 1990, İstanbul. Anık, S., Vural, M. Gaz altı ark kaynağı Gedik yayın no:3, İstanbul Anık, Selahaddin, 100 Soruda Kaynak Teknolojısı El Kitabı, Birsen Yayınevi, 1993, İstanbul 47