KAYNAK YÖNTEMLERİ Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, Bölüm 31 ME220T Tasarım ve İmalat 17. Kaynakla Birleştirme Yöntemleri Mehmet DEMİRKOL 1. Ark Kaynağı 2. Direnç Kaynağı 3. Oksi-Yanıcı Gaz Kaynağı 4. Diğer Eritme Kaynak Yöntemleri 5. Katı Hal Kaynağı 6. Kaynak Kalitesi 7. Kaynak Kabiliyeti 8. Kaynaklı İmalatta Tasarım 1 Kaynak Yöntemlerinin İki Temel Kategorisi Eritme kaynağı birleştirme, birleştirilecek iki parçanın, bazen bağlantıya ilave metal ekleyerek eritilmesiyle gerçekleştirilir Örnekler: ark kaynağı, direnç nokta kaynağı, Oksi-yanıcı gaz kaynağı Katı hal kaynağı birleştirmeyi oluşturmak için ısı ve/veya basınç kullanılır; ancak esas metallerde erime olmaz ve ilave metal kullanılmaz Örnekler: dövme (demirci) kaynağı, difüzyon kaynağı, sürtünme kaynağı Ark Kaynağı (Arc Welding=AW) Metallerin birleştirilmesinin, bir elektrod ile parça arasındaki elektrik arkının ısısı ile oluşturulduğu bir eritme kaynak yöntemi Arkın ürettiği elektrik enerjisi, herhangi bir metali eritmeye yeterli sıcaklıklar oluşturur ~ 5500 C Çoğu ark kaynak yöntemlerinde kaynaklı bağlantının hacmini ve dayanımını arttırmak için dolgu (ilave) metal eklenir Bazı temel yöntemler, arkla kesmede de kullanılmaktadır 2 3 Ark Kaynağı Elektrod ucunun yakınında bir erimiş metal banyosu oluşturulur Elektrod bağlantı boyunca ilerlerken, erimiş metal kendi kanalında katılaşır Elektrod İLERLEME YÖNÜ Parça Ark İlave metal (bazen) Elektrod pensi Katılaşmış kaynak banyosu Elektrod kablosu AC veya DC akım üreteci Kaynak makinası Elle Ark Kaynağı ve Ark Süresi Elle kaynakta problemler: Kaynak bağlantı kalitesi Üretkenlik Ark Süresi = (Ark süresi) nin (çalışma saati) ne oranı Diğer adı arc-on time Tipik değerler: Elle kaynak ark süresi = % 20 Makinayla kaynakta arttırılmış ark süresi ~ % 50 Erimiş kaynak banyosu Parça kıskacı Parça kablosu Şekil 31.1 - Bir ark kaynak yönteminin temel konfigürasyonu ve elektrik devresi 5 6 1
Ark Kaynak Elektrodlarının İki Temel Türü Eriyen kaynak sırasında tüketilen Aynı zamanda Ark kaynağında ilave metalin kaynağı Erimeyen kaynak işlemi sırasında tüketilmeyen Herhangi bir ilave metalin ayrıca eklenmesi gerekir a. Eriyen Elektrodlar Örtülü elektrod Kaynak çubukları, 22,5 mm den 45 mm ye kadar uzunlukta ve 9,5 mm veya daha küçük çaplıdır ve periyodik olarak değiştirilmeleri gerekir (bitince) Kaynak telleri sık sık kesintilerden kaçınmak üzere, uzun tel boylarına sahip makaralardan sürekli olarak beslenebilir Hem tel hem de çubuk formundaki elektrod, ark içinde tüketilir ve ilave metal olarak kaynağa eklenir 7 8 b. Erimeyen Elektrodlar Arkın Korunması Erimeye dirençli Tungsten den yapılır Kaynak sırasında yavaş yavaş tükenir (buharlaşma temel mekanizmadır) Ayrıca tel şeklindeki bir ilave metalin, kaynak banyosuna sürekli olarak beslenmesi gerekir Ark kaynağındaki yüksek sıcaklıklarda, metaller havadaki oksijen, azot ve hidrojene karşı kimyasal olarak reaktiftir Bağlantının mekanik özellikleri, bu tür reaksiyonlar sonucu ciddi şekilde bozulabilir İşlemi korumak için, tüm ark kaynak yöntemlerinde arkın çevresindeki havadan korunması gerekir Bu amaçla Argon, Helyum ve CO 2 gibi koruyucu gazlar veya Dekapan katı (veya toz) madde kullanılır 9 10 Dekapan (flux) Kaynak sırasında oksitlerin ve diğer kirliliklerin oluşumunu engelleyen veya bunları çözerek uzaklaştıran bir madde Kaynak için koruyucu atmosfer oluşturur Arkı kararlı hale getirir Sıçramayı azaltır Oksitlenmeye izin vermez Değişik Dekapan Uygulama Yöntemleri Toz halindeki dekapanın kaynak işlemine beslenmesi Kaynak sırasında işlem bölgesini örtmek üzere eriyen dekapan maddesiyle kaplanmış çubuk elektrodlar (örtülü çubuk elektrodlar) Dekapanın öz halinde içine doldurulduğu ve elektrod erirken açığa çıkan tüp şeklindeki elektrodlar (özlü elektrodlar) 11 12 2
Ark Kaynağındaki Akım Üreteçleri Doğru akım (DC) veya Alternatif akım (AC) AC makinaları satın alma ve işletme bakımından daha ucuzdur ancak genellikle demir esaslı metallerle sınırlıdır DC ekipman tüm metallerde kullanılabilir ve genel olarak ark kontrolü için daha avantajlıdır Eriyen Elektrodları Kullanan Ark Kaynak Yöntemleri Elektrik ark kaynağı (SMAW) Gazaltı ark kaynağı (GMAW-GTAW) Özlü telle ark kaynağı (FCAW) Tozaltı ark kaynağı (SAW) Transformatör (AC) Redresör (çevirici) (DC) Jeneratör (DC) 13 14 Elektrik Ark Kaynağı (Shielded Metal Arc Welding = SMAW) Dekapan ve koruma sağlayan kimyasallarla kaplı bir ilave metal çubuktan oluşan bir eriyen elektrot kullanır Bazen Örtülü elektrot kaynağı olarak da adlandırılır Güç üreteci, bağlantı kabloları ve elektrot pensi birkaç bin TL ye elde edilebilir Şekil 31.2 - Bir (insan) kaynakçı tarafından uygulanan örtülü çubuk elektrotla elektrik ark kaynağı 15 16 Elektrik Ark Kaynağında Çubuk Elektrod İLERLEME YÖNÜ Elektrot örtüsünden koruyucu gaz Esas metal Eriyen elektrot Elektrot örtüsü (Dekapan) Curuf Erimiş kaynak metali Katılaşmış kaynak metali İlave metalin bileşimi genellikle esas metale yakındır Örtü, bir silikat bağlayıcıyla bir arada tutulan, oksit, karbonat ve diğer katkılarla karıştırılmış toz halindeki selülozdan oluşur. Kaynak çubuğu, akım üretecine bağlı elektrod pensi tarafından sıkıştırılır Örtülü çubuk elektrotla kaynağın zayıflıkları: Çubukların periyodik olarak değiştirilmesi gerekir (bitince) Yüksek akım seviyeleri, örtünün erken erimesine neden olabilir Şekil 31.3 - Elektrik ark kaynağı (Shielded Metal Arc Welding=SMAW) 17 18 3
Elektrik Ark Kaynağının Uygulamaları Çelikler, paslanmaz çelikler, dökme demirler ve bazı belirli demir dışı alaşımlarda kullanılır Alüminyum ve alaşımlarında, bakır alaşımlarında ve titanyumda hiç veya nadiren kullanılır. Eriyen Elektrotla Gazaltı Ark Kaynağı (MIG/MAG Kaynağı) (Gas Metal Arc Welding = GMAW) Elektrot olarak çıplak bir eriyen metal tel kullanır ve ark, dış bir koruyucu gazla korunur Tel, bir makaradan kaynak tabancasına (torch) sürekli ve otomatik olarak beslenir Koruyucu gazlar, alüminyum için Argon ve Helyum gibi soy gazlardan (MIG), çelik kaynağı için CO 2 gibi aktif gazlardan (MAG) oluşur Koruyucu gaz ve çıplak tel elektrot, kaynak banyosu üzerindeki curuf örtüsünün oluşmamasını sağlar curufun elle taşlanmasına veya temizlenmesine ihtiyaç duyulmaz 22 23 MIG/MAG Kaynağının Elektrik Ark Kaynağına Göre Üstünlükleri Tel elektrot Nozul Koruyucu gaz Makaradan besleme Esas metal Koruyucu gaz İLERLEME YÖNÜ Erimiş kaynak metali Cüruf yok Katılaşmış kaynak metali Şekil 31.4 - Eriyen elektrotla gazaltı ark kaynağı (MIG/MAG kaynağı) (Gas Metal Arc Welding = GMAW)) Sürekli tel elektrot sayesinde daha iyi ark süresi Elektrik ark kaynağında (EAK) çubukların periyodik olarak değiştirilmesi gerekir EAK na göre ilave tel elektrodun daha iyi kullanımı EAK nda çubuk elektrodun koçan kısmı kullanılamaz Yüksek yığma hızları Curuf uzaklaştırma problemi ortadan kalkar Kolayca otomatikleştirilebilir (Otomasyona uygun) 25 26 Özlü Telle Ark Kaynağı (Flux-Cored Arc Welding = FCAW) Çubuk elektrodun sınırlamalarının üstesinden gelmek için örtülü çubuk elektrotla ark kaynağının geliştirilmiş hali Elektrot, özünde dekapan ve diğer katkı maddeleri (örn. Deoksidanlar ve alaşım elementleri) içeren sürekli bir eriyen tüptür İki türü: Kendinden gaz korumalı FCAW Öz, koruyucu gaz içeren bileşenleri de barındırır İlave gaz korumalı FCAW Dış bir koruyucu gaz uygulanır Şekil 31.5 MIG/MAG kaynağı için kaynak torcu 27 28 4
Makaradan besleme Özlü tel elektrot Dekapan öz İLERLEME YÖNÜ Koruyucu gaz (opsiyonel) Ark Esas metal Koruyucu gaz Nozul (opsiyonel) Kılavuz boru (kontak boru) Curuf Katılaşmış kaynak metali Erimiş kaynak metali Elektrogaz Kaynağı (Electrogas Welding = EGW) Ya özlü tel elektrod ya da ilave koruyucu gazlı çıplak tel olabilen bir sürekli eriyen elektrot ve erimiş metali tutan kalıplama pabuçlarını kullanır Özlü tel elektrod kullanıldığı zaman ve dışarıdan gaz beslenmediği zaman, özlü tel elektrodla ark kaynağının özel bir türü haline gelir Dışarıdan koruyucu gazlı çıplak tel elektrod kullanıldığında ise, MIG/MAG kaynağının özel bir türü haline gelir. Şekil 31.6 - Özlü telle ark kaynağı. Dışarıdan sağlanan koruyucu gazın varlığı veya yokluğu, iki tür oluşturur: (1) koruyucu gaz bileşenleri sağladığı kendinden gaz korumalı, ve (2) dış koruyucu gazların kullanıldığı ilave gaz korumalı 29 30 Tozaltı Ark Kaynağı (Submerged Arc Welding = SAW) Arkı koruyan toz haldeki bir dekapan ile sürekli, eriyen çıplak tel elektrod kullanır Tel elektrod bir makaradan otomatik olarak beslenir Bir huniden yerçekimi etkisiyle arkın önüne yavaşça beslenen toz dekapan, sıçramaları, kıvılcımları ve radyasyonu önleyecek şekilde arkı tamamen örter Huniden toz dekapan İLERLEME YÖNÜ Esas metal Erimiş toz dekapan Eriyen elektrod Toz dekapan örtüsü Erimiş kaynak metali Toz dekapanı geri kazanmak için vakum sistemi Curuf (katılaşmış toz) Katılaşmış kaynak metali Şekil 31.8 - Tozaltı ark kaynağı (Submerged Arc Welding SAW) 32 33 Tozaltı Ark Kaynağı Uygulamaları Yapısal çelik profillerin imalatı (Örn. I-profiller) Büyük çaplı boruların, depolama tanklarının ve basınçlı kapların dikişleri Ağır makine imalatı için kaynaklı parçalar Çoğu çelikler (Yüksek C-çelikleri hariç) Demirdışı metallere uygun değildir Erimeyen Elektrod Kullanılan Ark Kaynak Yöntemleri Tungsten Inert Gaz (TIG) Kaynağı (Gas Tungsten Arc Welding = GTAW) Plazma Ark Kaynağı (Plasma Arc Welding = PAW) Karbon Ark Kaynağı (Carbon Arc Welding = CAW) Saplama Kaynağı (Stud Welding = SW) 34 35 5
TIG Kaynağı (Gas Tungsten Arc Welding = GTAW) Erimeyen bir Tungsten elektrod ve arkın korunması için bir soy yani asal (inert) gaz kullanır Tungsten in erime sıcaklığı = 3410 C Avrupa da, "WIG kaynağı" olarak da adlandırılır Bir ilave metal de kullanılabilir Kullanıldığında, ilave metal çubuk veya tel halinde kaynak banyosuna ayrıca beslenir Uygulamaları: alüminyum ve paslanmaz çelik en yaygınıdır Tungsten elektrod (erimeyen) İLERLEME YÖNÜ Koruyucu gaz Esas metal Koruyucu gaz Gaz nozulu Elektrodun ucu Katılaşmış kaynak metali Erimiş kaynak metali 36 Şekil 31.9 - TIG kaynağı 37 TIG Kaynağının Üstünlükleri ve Sınırlamaları Üstünlükleri: Uygun uygulamalar için yüksek kaliteli kaynaklar İlave metal ark ı oluşturmadığından sıçrama oluşmaz Curuf olmadığından kaynaktan sonra temizleme gerekmez veya çok az gerekir Sınırları: Eriyen elektrot kullanan ark kaynaklarına göre genellikle daha yavaş ve daha pahalıdır Plazma Ark Kaynağı (PAK) (Plasma Arc Welding = PAW) Sınırlanmış bir plazma arkının kaynak bölgesine yönlendirildiği, TIG kaynağının özel bir şekli Tungsten elektrot, yüksek hızlı bir inert gaz (Argon) demetinin, yoğun sıcak bir ark demeti oluşturmak üzere ark bölgesine odaklandığı bir nozul içinde kullanılır PAW içindeki sıcaklıklar, küçük çaplı ve yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir plazma jetinin oluşturduğu sınırlanmış ark sayesinde 28,000 C ye ulaşır 40 41 PAK Üstünlükleri ve Sınırlamaları Tungsten elektrod Plazma gazı Koruyucu gaz İLERLEME YÖNÜ Koruyucu gaz Plazma demeti Katılaşmış kaynak metali Esas metal Erimiş kaynak metali Şekil 31.10 - Plazma ark kaynağı Üstünlükleri: İyi ark kararlılığı Ark kaynağına göre daha iyi nüfuziyet kontrolu Yüksek ilerleme (kaynak) hızları Mükemmel dikiş kalitesi Hemen tüm metallerin kaynağında kullanılabilir Sınırlamaları Yüksek ekipman maliyeti Diğer ark kaynak yöntemlerine göre daha büyük torç boyutu bazı bağlantı konfigürasyonlarına ulaşmayı zorlaştırma eğilimi taşır 42 43 6
Kuvvet, Akım Saplama Seramik halka Saplama Ark Kaynağı (Stud Welding = SW) Direnç Kaynağı (Resistance Welding = RW) Birleştirmeyi oluşturmak için ısı ve basıncı birlikte kullanan bir eritme kaynak yöntem grubu Isı, kaynak yapılacak bağlantıda elektrik akımının geçişine gösterilen dirençle üretilir Temel RW yöntemi = direnç nokta kaynağı (RSW) Erimiş kaynak metali Katılaşmış kaynak metali Şekil 31.11 Saplama ark kaynağı (SW): (a) saplama yerleştirilir; (b) akım tabancadan akar ve saplama, ark ve erimiş banyo oluşturmak üzere çekilir; (c) saplama erimiş banyo içine daldırılır, ve (d) katılaşma tamamlandıktan sonra seramik halka uzaklaştırılır 45 46 Elektrik Akımı Kuvvet Kuvvet Elektrod Kaynak çekirdeği Saç metal parçalar Elektrod Şekil 31.12 - Direnç kaynağı grubunun en yaygın uygulaması olan Nokta (Punta) kaynağındaki bileşenleri gösteren direnç kaynağı Direnç Kaynağının Üstünlükleri ve Sınırlamaları Üstünlükleri: İlave metal gerekmez Yüksek üretim hızlarına erişilebilir Mekanizasyonu ve otomasyonu kolaydır Operatör beceri seviyesi, ark kaynağına oranla daha düşüktür İyi tekrarlanabilirlik ve güvenilirlik Sınırlamaları Yüksek ilk ekipman maliyeti Çoğu direnç kaynağı için bindirme bağlantılarla sınırlı 47 49 Direnç Nokta (Punta) Kaynağı (Resistance Spot Welding - RSW) Bir bindirme bağlantıda temas eden yüzeylerin eritildiği direnç kaynak yöntemi, karşılıklı elektrotların yerleştirilmesiyle sağlanır Bir seri nokta kaynağı kullanarak saç metallerin birleştirilmesinde kullanılır Saç metalden imal edilen otomobil, ev aletleri ve diğer ürünlerin seri imalatında yaygın şekilde kullanılır Tipik bir araç gövdesinde ~ 5,000 nokta kaynağı vardır Tüm dünyada yıllık otomobil üretiminde on milyonlarca nokta kaynağı yapılmaktadır 50 Elektrot Kuvvet Akım Şekil 31.13 - (a) Nokta kaynak çevrimi, (b) Sıkıştırma kuvveti ve çevrimdeki akımın grafiği (1) elektrodlar arasına yerleştirilen parçalar, (2) elektrodların kapatılması, kuvvetin uygulanması, (3) akımın akışı, (4) akımın durdurulması, (5) elektrodların açılması, kaynaklı parçanın çıkarılması 51 Erimiş metal Nokta kaynak çevrimi Akım Kaynak çekirdeği 7
Direnç Dikiş Kaynağı (Resistance Seam Welding - RSEW) Elektrodlar Operatör ayak pedalı Alt kol Üst kol Mafsal kolunu harekete geçirmek için pnömatik silindir Atölyeden sağlanan basınçlı hava Bir bindirme bağlantı boyunca bir seri üstüste binmiş nokta kaynakları üretmek üzere dönen disk elektrodlar kullanır RSEW sızdırmaz bağlantılar üretebilir Uygulamaları: Yakıt depoları Egzoz susturucuları Diğer değişik saç metal kaplar Şekil 31.14 -Mafsal kollu nokta kaynak makinası 52 54 Saç metal parçalar Disk elektrod Disklerin arasından geçen parçalar Direnç Kabartı (Projeksiyon) Kaynağı (Resistance Projection Welding - RPW) Birleşmenin, parçalar üzerindeki bir veya birkaç küçük temas noktasında oluştuğu bir direnç kaynak yöntemi Birleştirilecek parçaların tasarımıyla belirlenen temas noktaları, kabartılardan, çıkıntılardan veya parçaların yerel arakesitlerinden oluşabilir Disk elektrod Şekil 31.15 - Direnç dikiş kaynağı (RSEW) 55 59 Çapraz-tel Kaynağı Kuvvet Üstten görünüş Elektrod Saç-metal parçalar Kabartı (Projeksiyon) Kaynak çekirdeği Teller Kaynak çekirdeği A-A Kesiti Şekil 31.17 - Direnç kabartı kaynağı (RPW): (1) işlemin başlangıcında, parçalar arasındaki temas kabartılardadır; ve (2) akım uygulandığında, kabartılarda, nokta kaynağındakine benzer kaynak çekirdekleri oluşur Şekil 31.18 - (b) çapraz-tel kaynağı 60 61 8
Oksi-Yanıcı Gaz Kaynağı (Oxy-Fuel Gas Welding = OFW) Oksijenle karıştırılmış değişik yanıcı gazları yakan eritme kaynak yöntemleri OFW, bu grubun üyeleri arasında temel farkı oluşturan değişik gaz türlerini kullanır Oksi-yanıcı gaz, ayrıca metal levhaları ve diğer parçaları kesmek ve ayırmak için alevle kesme işleminde de kullanılır En önemli OFW yöntemi oksi-asetilen kaynağıdır Oksi-asetilen Kaynağı (Oxy-Acetylene Welding - OAW) Asetilen ve oksijenin yanmasıyla elde edilen yüksek sıcaklıkta bir alevle yapılan eritme kaynağı Alev bir üfleç ile yönlendirilir Bazen ilave metal kullanılır Bileşimi esas metale benzemelidir İlave çubuk, yüzeyleri temizlemek ve oksitlenmeyi önlemek için çoğunlukla dekapanla kaplıdır 64 65 Diğer Eritme Kaynak Yöntemleri İLERLEME YÖNÜ İlave çubuk Esas metal C 2 H 2 +O 2 karışımı Kaynak üflecinin ucu (bek) Alev Erimiş kaynak metali Katılaşmış kaynak metali Şekil 31.21 - Tipik bir oksi-asetilen kaynak işlemi (OAW) Ark, direnç veya oksi-yanıcı gaz kaynağı olarak sınıflandırılamayan eritme kaynak yöntemleri Eritme için ısıyı üretecek farklı teknolojiler kullanır Uygulamaları da tipik olarak farklıdır Yöntemler arasında: Elektron ışın kaynağı Lazer ışın kaynağı Termit kaynağı 67 76 Elektron Işın Kaynağı (EBW) EBW Üstünlükleri ve Eksiklikleri Kaynak için gerekli ısının, parça yüzeyine yüksek hassasiyette odaklanmış ve yönlenmiş yüksek yoğunlukta elektron demeti ile sağlandığı eritme kaynak yöntemi Elektron ışın tabancalarının işletimi: Elektronları ivmelendirmek için yüksek gerilim (örn., tipik olarak 10 ila 150 kv tipik) Işın akımları düşüktür (miliamper olarak ölçülür) EBW de güç değil güç yoğunluğu fazladır Vakum altında gerçekleştirilir Üstünlükleri: Yüksek kalitede dikişler, derin ve/veya dar profiller Sınırlı ITAB, düşük ısıl distorsiyon (çarpılma) Yüksek kaynak hızları Dekapan veya koruyucu gaz gerekmez Eksiklikleri: Yüksek ekipman maliyeti Hassas ağız hazırlığı ve hizalama gerekir Vakum kamarası gerekir Güvenlik konusu: EBW x-ışınları üretir 77 81 9
Lazer Işın Kaynağı (LBW) Karşılaştırma: LBW ile EBW Birleştirmenin, bağlantı üzerine odaklanmış, yüksak yoğunlukta ve koheran ışık ışını ile sağlandığı eritme kaynak yöntemi Laser = "light amplification by stimulated emission of radiation" LBW normal olarak, oksitlenmeyi önlemek için koruyucu gaz altında yapılır Genellikle ilave metal kullanılmaz Küçük alanda yüksek güç yoğunluğu sayesinde LBW genellikle küçük parçalara uygulanır LBW için vakum kamarası gerekmez LBW de x-ışınları yayınmaz Lazer ışınları, optik mercek ve aynalarla odaklanabilir ve yönlendirilebilir LBW, EBW nin derin kaynaklarını ve yüksek derinlik/genişlik oranlarını oluşturamaz Maksimum LBW derinliği = ~ 19 mm, oysa EBW derinliği = 50 mm 82 84 Termit Kaynağı (TW) Birleşme için gerekli ısının, termit in kimyasal reaksiyonundan sağlanan aşırı ısımış erimiş metalle üretildiği eritme kaynak yöntemi Termit = Tutuşturulduğunda egzotermik bir reaksiyon oluşturan, Al ve ince Fe 3 O 4 tozlarının karışımı Yangın bombalarında da kullanılmaktadır İlave metal, sıvı metalden elde edilir Yöntem birleştirme için kullanılır; ancak kaynağa göre döküm işleminde daha yaygındır Termit reaksiyonundan aşırı sıcak çelik Tapa aparatı Kalıp Curuf Pota Curuf Kaynak 86 Şekil 31.25 - Termit kaynağı: (1) Termit in tutuşturulması; (2) potanın dökülmesi, aşırı ısınmış metal kalıba akar; (3) metal, kaynaklı bağlantıyı oluşturmak üzere katılaşır 87 Termit Kaynağı nın (TW) Uygulamaları Katı Hal Kaynağı (Solid State Welding) Demiryolu raylarının birleştirilmesi Büyük çelik döküm ve dövme parçalardaki çatlakların tamiri Dikiş yüzeyi, sonradan işlemeyi gerektirmeyecek derecede pürüzsüzdür Parça yüzeylerinin birleştirilmesi için: Sadece basınç, veya Isı ve basınç Eğer hem ısı hem de basınç kullanılıyorsa, tek başına ısı parça yüzeylerini eritmeye yeterli değildir Bazı SSW yöntemleri için, zaman da bir faktördür İlave metal kullanılmaz Her bir SSW yöntemi, temas yüzeylerinde bağ oluşturmak için kendi özgün yöntemine sahiptir 88 89 10
Katı Hal Kaynak Yöntemlerinde Başarı Faktörleri Başarılı bir katı hal kaynağı için temel faktörler, iki yüzeyin Çok temiz Atomsal bağa izin verecek derecede çok yakın fiziksel temas halinde olması gerekir Katı Hal Kaynak Yöntemlerinin Eritme Kaynak Yöntemlerine göre Üstünlükleri Eğer erime olmazsa, ITAB da oluşmaz; böylece bağlantı çevresindeki metal başlangıçtaki özelliklerini sürdürür Çoğu katı hal kaynak yöntemi, ayrı noktalar veya dikişler şeklinde değil, temas eden arayüzeyin tamamını birleştiren kaynaklı bağlantılar oluşturur Bazıları, izafi erime sıcaklıklarını ve eritme kaynağında ortaya çıkan diğer problemleri göz önüne almadan farklı metalleri birleştirmek için kullanılır 90 91 Katı Hal Kaynak Yöntemleri 1. Dövme kaynağı 2. Haddeleme kaynağı 3. Difüzyon kaynağı 4. Patlamalı kaynak 5. Sürtünme kaynağı 6. Ultrasonik kaynak 1. Dövme Kaynağı (Forge Welding = FW) Birleştirilecek kısımlarının sıcak dövme işlem sıcaklığına kadar ısıtıldığı ve daha sonra çekiç veya benzer aletlerle birbirine dövüldüğü kaynak yöntemi İmalat teknolojisinin gelişiminde tarihsel öneme sahip İşlemin geçmişi, demircilerin iki metal parçayı kaynak yapmayı öğrendiği M.Ö. 1000 e kadar dayanır Günümüzde bazı türleri hariç ticari önemi yoktur 92 93 2. Haddeleme Kaynağı (Roll Welding = ROW) Birleşmeye yeterli basıncın, dış ısı ile veya olmadan, merdaneler aracılığıyla uygulandığı katı hal kaynak yöntemi Parçaların işlemden önce ısıtılıp ısıtılmadığına bağlı olarak, dövme veya soğuk kaynağın özel bir hali Eğer dış ısı yoksa, soğuk haddeleme kaynağı (Cladding-Giydirme) Eğer ısı uygulanıyorsa, sıcak haddeleme kaynağı Kaynak yapılacak parçalar Haddeleme (Giydirme) Kaynağı Şekil 31.26 - Haddeleme (Giydirme) Kaynağı (ROW) (CLADDING) Merdane Dikiş Kaynaklı parçalar 95 96 11
Haddeleme Kaynağının Uygulamaları Korozyon direnci için paslanmaz çeliğin alaşımsız veya düşük alaşımlı çelik üzerine giydirilmesi Sıcaklık ölçümü için Bimetallik şeritler U.S. Darphanesi için"sandviç" metal paralar 3. Difüzyon Kaynağı (Diffusion Welding = DFW) Genellikle kontrollü bir atmosferde, difüzyon ve birleşimin oluşmasına yeterli süre ısı ve basınç kullanan katı hal kaynak yöntemi Sıcaklıklar 0.5 T m Yüzeylerdeki plastik deformasyon minimumdur Birincil birleşme mekanizması katı hal difüzyonudur Sınırlamalar: difüzyon için gereken süre, birkaç saniyeden birkaç saate kadar uzayabilir 97 98 Difüzyon Kaynağının Uygulamaları Uzay ve nükleer endüstrilerde yüksek dayanımlı ve refrakter metallerin birleştirilmesi Benzer ve farklı metallerin birleştirilmesinde kullanılabilir Farklı metallerin birleştirilmesi için, esas metallere difüzyonu arttırmak için, aralarına farklı bir metalden dolgu tabakası yerleştirilebilir 4. Patlamalı Kaynak (Explosive Welding = EXW) Yüksek hızlı patlamanın iki metal yüzeyi hızla birleştirilmesini sağladığı katı hal kaynak yöntemi İlave metal kullanılmaz Dış ısı uygulanmaz Difüzyon oluşmaz zaman çok kısadır Metaller arasındaki bağ, dalgalı bir arayüzeyle sonuçlanan mekanik kilitlenmeyle beraber metalurjiktir 99 100 Ateşleyici Aralık Patlamalı Kaynak Çoğu kez iki farklı metalin birleştirilmesinde, özellikle de büyük yüzeyler halinde bir metalin diğerinin üzerine kaplanmasında kullanılır Patlayıcı Tampon Kaplanan tabaka Altlık Örs Dikiş Patlama Kaplanan tabaka Alt tabaka Yüzey filmlerinin fışkırması 5. Sürtünme Kaynağı (Friction Welding = FRW) Birleşmenin, basınçla birlikte sürtünme ısısıyla oluşturulduğu katı hal kaynak yöntemi Uygun yapıldığında, temas yüzeylerinde erime 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 Şekil 31.27 - Patlamalı kaynak (EXW): (1) paralel konfigürasyon halinde yerleştirme, ve (2) patlayıcının patlaması sırasındaki durum 101 102 12
Dönen kavrama Kuvvet uygulanırken dönme durdurulur Dönmeyen kavrama Eksenel hareket edebilir Oluşan dikiş Eksenel kuvvet uygulanır Sürtünme oluşturmak üzere parçalar temas ettirilir Şekil 31.28 - 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 Sürtünme Kaynağının İki Türü 1. Sürekli tahrikli sürtünme kaynağı Parçalardan biri, sabit parçaya doğru, ara yüzeyde sürtünme ısısı oluşturmak üzere sabit dönme hızında döndürülür Uygun ısıl işlem sıcaklığında dönme durdurulur ve parçalar birbirine bastırılır 2. Atalet sürtünme kaynağı Dönen parça, önceden saptanmış bir hızda dönen bir volana bağlıdır Volan tahrik sisteminden ayrılır ve parçalar birbirine bastırılır 103 104 Sürtünme Kaynağının Uygulamaları ve Sınırları Uygulamaları: Şaft ve borusal parçalar Endüstriler: otomotiv, uçak, ziraat makinaları, petrol ve doğal gaz Sınırları: Parçalardan en az biri dönel olmalıdır Yığma çapağı genellikle uzaklaştırılır Yığma, parça boylarını kısaltır (tasarım aşamasında dikkate alınması gerekir) 6. Ultrasonik Kaynak (Ultrasonic Welding = USW) İki parçanın bir arada tutulduğu ve birleştirmek üzere ara yüzeye ultrasonik frekansta titreşimsel kayma gerilmeleri uygulandığı katı hal kaynak yöntemi Titreşim hareketi, teması sağlamak üzere yüzeylerde mevcut tabakaları kırar ve metalürjik bağ oluşturur Yüzeyler ısınmasına rağmen sıcaklıklar T m nin çok altındadır İlave metal, dekapan veya koruyucu gaz kullanılmaz Genellikle alüminyum ve bakır gibi yumuşak metallerin bindirme tipi bağlantısıyla sınırlıdır Ultrasonik Kaynağın Uygulamaları Sonotrod ucu Kütle Örs Ultrasonik transdüser Kaynak yapılacak parçalar Sonotrod ucu Aşağıya doğru kuvvet Titreşim hareketi Örs Elektrik ve elektronik endüstrisi için tel terminalleri ve bağlantıları (lehimlemeye ihtiyacı ortadan kaldırır) Alüminyum saç metal panellerin birleştirilmesi Güneş panellerinde boruların saçlara kaynağı Otomotiv endüstrisinde küçük parçaların birleştirilmesi Şekil 31.29 - Ultrasonik kaynak (USW): (a) Bir bindirme bağlantı için genel ekipman; ve (b) kaynak bölgesinin yakından görünüşü 13
Kaynak Kalitesi Artık Gerilmeler ve Distorsiyon Yeterli dayanımda ve hata içermeyen, kabul edilebilir bir kaynaklı bağlantı elde edilmesiyle ve bağlantının kalitesini ispat etmesi için kullanılan muayene ve test yöntemleriyle ilgilidir Konu başlıkları: Artık gerilmeler ve distorsiyon Kaynak hataları Muayene ve test yöntemleri Eritme kaynağı sırasında yerel bölgelerde hızlı ısıtma ve soğuma, kaynaklı parçada artık gerilmelere neden olan ısıl genleşme ve büzülmelere yol açar Bu gerilmeler sırasıyla distorsiyon ve çarpılmalara neden olur Kaynak sırasındaki durum karmaşıktır zira: Isıtma çok yereldir Bu bölgelerde esas metallerde erime olur Isıtma ve erimenin konumu hareket halindedir (en azından ark kaynağında) Kaynak Hataları a. Kaynak Çatlakları a. Çatlaklar b. Boşluklar c. Katı kalıntılar d. Yetersiz erime Diğer hatalar Kaynak dikişinde veya kaynağa bitişik esas metalde, ayrılma türü süreksizlikler Metalde dayanımı önemli oranda düşüren bir süreksizlik olduğundan, ciddi hata Büzülme sırasında yüksek sınırlama ile birleşik, kaynağın gevrekliği veya düşük sünekliği nedeniyle oluşur Genel olarak bu hatanın tamir edilmesi gerekir b. Boşluklar Dikişaltı çatlağı Enine çatlak Boyuna çatlak Esas metal çatlağı Dökümdeki hatalara benzer iki hata türü: 1. Gözenek kaynak metalinin katılaşması sırasında sıkışan gazların oluşturduğu küçük boşluklar Atmosferik gazlar, kaynak metalindeki kükürt veya yüzey kirlilikleri neden olur 2. Büzülme boşlukları katılaşma sırasındaki büzülmenin oluşturduğu boşluklar Şekil 31.31 - Kaynak çatlaklarının değişik şekilleri 14
c. Katı Kalıntılar d. Yetersiz Erime Katı kalıntılar kaynak metalinde sıkışmış metal dışı malzemeler En yaygın türü, dekapan kullanılan ark kaynak yöntemlerinde oluşan curuf kalıntılarıdır Katılaşma sırasında, kaynak metalinin yüzeyinde yüzmek yerine dikişin içinde sıkışırlar Kalıntıların diğer şekli, normal halde Al 2 O 3 yüzey kaplamasına sahip alüminyum gibi belirli metallerin kaynağında oluşan metal oksitlerdir Erime azlığı olarak da bilinen, erimenin bağlantının tüm kesitinde oluşmadığı bir kaynak dikişidir Yetersiz erime Şekil 31.32 - Yetersiz erimenin değişik şekilleri Ark Kaynağında Kaynak Profili Kaynaklı bağlantı, dayanımı en yüksek değere çıkarmak ve yetersiz erime veya nüfuziyet azlığından kaçınmak için istenen belirli bir profile sahip olmalıdır Ark Kaynağı Profil Hataları Yanma oluğu Eksik dolgu Soğuk yapışma Düzgün profil Şekil 31.33 - (a) Tek V-ağızlı kaynak bağlantısı için istenen dikiş profili Şekil 31.33 - Farklı kaynak hataları içeren aynı bağlantı: (b) esas metalin bir kısmının eriyerek uzaklaştığı yanma oluğu; (c) dikişin seviyesinin, bitişiğindeki esas metal yüzeyinin altında olduğu eksik dolgu; and (d) kaynak metalinin bağlantıdan esas metal yüzeyine aktığı ancak erimenin oluşmadığı soğuk yapışma (taşma) Muayene ve Test Yöntemleri Gözle Muayene Gözle Muayene Tahribatsız Değerlendirme (Nondestructive Evaluation) Tahribatlı Test En yaygın kullanılan kaynak muayene yöntemi İnsan denetçi, kaynaklı bağlantıyı aşağıdakiler açısından gözle muayene eder Boyutsal özelliklere uygunluk Ondülasyon Çatlaklar, boşluklar, yetersiz erime ve diğer yüzey hataları Sınırlamalar: Sadece yüzey hataları tespit edilebilir İç hatalar tespit edilemez Kaynak denetçisi, ilave testlere gerek olup olmadığını saptamalıdır 15
Gözle Muayenede Tespitler Dikiş boyut hataları Dış görünüş hataları Kırma testi ile dikiş kesitindeki hatalar Tahribatsız Değerlendirme Testleri (Non-Destructive Evaluation = NDE) Ultrasonik test yüksek frekanslı ses dalgaları numuneye yönlendirilir, böylece süreksizlikler (çatlaklar, kalıntılar), ses iletimindeki kayıplarla tespit edilir Radyografik test muhtemel iç hataların fotografik filmini elde etmek için x-ışınları veya gama radyasyonu Sıvı penetran ve fluoresan penetran testleri yüzeye açılan çatlak veya boşluk gibi küçük hataların tespit yöntemleri Manyetik parçacık testi (ferromanyetik malzemeler) parçadaki manyetik alanın bozulması sayesinde, yüzey altı hataları ortaya çıkaracak şekilde demir tozunun kümelenmesi Tahribatlı Deneyler Kaynak Kabiliyeti Kaynağın, ya deney sırasında ya da deney numunesi hazırlarken tahrip edildiği deneyler Mekanik deneyler amaç, çekme deneyi, kesme deneyi, eğme vs. gibi geleneksel deneylerle aynıdır Fark, deney numunesinin kaynaklı bağlantı içermesidir Metalürjik deneyler, metalik yapının, hataların, ITAB ın genişliğinin ve özelliklerinin ve benzer noktaların incelenmesi için kaynağın metalürjik numunelerinin (örn. fotomikrografi) hazırlanmasını içerir Bir metal veya metaller kombinasyonunun, uygun şekilde tasarlanmış bir yapı haline kaynak edilmesi ve sonuçta oluşturulan kaynaklı bağlantı(lar)ın, planlanan serviste tatminkar şekilde hizmet etmesi için gerekli metalürjik özelliklere sahip olma kapasitesi İyi kaynak kabiliyeti aşağıdaki özelliklerle tanımlanır: Kaynak yönteminin uygulanma kolaylığı, Kaynak hatalarının olmaması, Kaynaklı bağlantıda kabul edilebilir dayanım, süneklik ve tokluk. 16