IML 212 İMAL USULLERİ Doç.Dr. Murat Vural vuralmu@itu.edu.tr http://www.akademi.itu.edu.tr/vuralmu KAYNAK TEKNOLOJİSİNİN ESASLARI Kaynak Teknolojisine Genel Bakış Kaynaklı Bağlantı Kaynak Fiziği Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri 1 Doç.Dr. Murat VURAL 1
Birleştirme ve Montaj ın Tarifi Birleştirme kaynak, sert lehimleme, yumuşak lehimleme ve yapıştırma Bu yöntemler, parçalar arasında kalıcı bir birleşim oluşturur. Montaj (genellikle) mekanik yöntemlerle parçaları birleştirme Bu yöntemlerden bazıları, demontaja izin verirken diğerleri vermez 2 Kaynak İki (veya daha fazla) parça, ısı ve/veya basınç uygulayarak, birbirine temas eden yüzeylerinden birleştirilir. Çoğu kaynak işlemi, herhangi bir basınç uygulanmadan, sadece ısı ile oluşturulur Diğerleri ise, ısı ve basıncın birlikte kullanılmasını gerektirir Bazıları, dış ısı kullanmadan sadece basınçla yapılır Bazı kaynak yöntemlerinde birleştirmeyi gerçekleştirmek için bir dolgu (ilave) malzeme kullanılır 3 Doç.Dr. Murat VURAL 2
Kaynak Niçin Önemlidir? Kalıcı bir bağlantı sağlar Kaynaklı parçalar bir bütün haline gelir Malzeme kullanımı ve fabrikasyon maliyetleri bakımından genellikle en ekonomik yoldur Mekanik birleştirme, genellikle ilave donanım elemanları (örn. cıvata ve somun) ve birleştirilen parçalarda geometrik değişiklikleri gerektirir Bir fabrika ortamıyla sınırlı değildir Kaynak sahada da yapılabilir 4 American Welding Society Doç.Dr. Murat VURAL 3
Kaynağın Sınırlamaları ve Sakıncaları Çoğu kaynak işlemi elle uygulanır ve işçilik maliyetleri bakımından pahalıya malolur Çoğu kaynak yönteminde yüksek enerji kullanılır ve bunlar son derece tehlikelidir Kaynaklı bağlantılar kolay bir demontaja izin vermez Kaynaklı bağlantılarda tespiti zor olan kalite hataları bulunabilir 5 Kaynakta Birleştirilen Yüzeyler Birleştirilecek olan, temas halindeki veya yakın şekilde yerleştirilmiş parça yüzeyleri Kaynak, iki metalsel parçanın birbirine temas eden yüzeylerinin yerel olarak birleştirilmesinden oluşur Kaynak genellikle aynı metalden yapılan parçalara uygulanır; ancak bazı kaynak işlemlerinde farklı metaller kullanılabilir 6 Doç.Dr. Murat VURAL 4
Kaynak Yöntemlerinin Türleri Amerikan Kaynak Derneği (AWS) tarafından, 50 kadar birbirinden farklı kaynak yöntemi sınıflandırılmıştır Kaynak yöntemleri iki temel kategoriye ayrılabilir: Eritme kaynağı Katı hal kaynağı 7 Eritme Kaynağı Esas metalleri eriten kaynak yöntemleri Çoğu eritme kaynak işleminde, işlemi tamamlamak ve bağlantının sağlam ve rijit olmasını sağlamak için bir dolgu metali eklenir Dolgu (ilave) metal kullanılmayan bir eritme kaynak işlemi otojen (kendi kendine eriyen) kaynak olarak adlandırılır 8 Doç.Dr. Murat VURAL 5
Bazı Eritme Kaynak Yöntemleri Ark kaynağı (AW) metallerin eritilmesi, bir elektrik ark ı ile sağlanır Direnç kaynağı (RW) - eritme, basınç altında bir arada tutulan temas halindeki yüzeylerin bir elektrik akımına dirençlerinden oluşan ısı ile sağlanır Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) - eritme, asetilen gibi bir oksi-yanıcı gaz ile sağlanır 9 Ark Kaynağının Esasları Elektrod Ark Koruyucu gaz İlave metal Erimiş banyo Kaynaklı bağlantı Esas metal Penetrasyon Birleştirilecek parçalar (1)Ön görünüş (önce) (2) Enkesit (yandan) görünüş (3) Ön görünüş (sonra) Şekil 30.1 Ark kaynağının esasları; (1) kaynaktan önce; (2) kaynak sırasında esas metal eritilir ve ilave metal erimiş banyoya katılır; ve (3) bitmiş kaynaklı parça. Ark kaynağının pek çok türü vardır 10 Doç.Dr. Murat VURAL 6
Katı Hal Kaynağı Birleşmenin, sadece basınç veya ısı ve basıncın birlikte etkitilmesiyle oluştuğu kaynak yöntemleri Eğer ısı kullanılırsa, sıcaklık kaynak yapılan metallerin erime sıcaklığından düşüktür Katı hal kaynağında ilave metal (dolgu metali) kullanılmaz 11 Bazı Katı Hal Kaynak Yöntemleri Difüzyon kaynağı (DFW) birleşme, yüksek sıcaklıkta basınç altında bir arada tutulan iki yüzey arasında katı hal kaynağı ile gerçekleştirilir Sürtünme kaynağı (FRW) - birleşme, iki yüzey arasındaki sürtünme ısısı ile gerçekleştirilir Ultrasonik kaynak (USW) - birleşme, basınç altında bir arada tutulan iki parçanın temas halindeki yüzeylerine paralel yöndeki ultrasonik titreşim hareketleriyle oluşturulur 12 Doç.Dr. Murat VURAL 7
Kaynağın Temel Uygulamaları Konstrüksiyon yapı ve köprüler Boru hatları, basınçlı kaplar, kazanlar ve depolama tankları Gemi yapımı Uçak ve uzay Otomotiv Demiryolları 13 Doç.Dr. Murat VURAL 8
Doç.Dr. Murat VURAL 9
İmalat Ark Kaynağında Kaynakçı ve Yardımcısı Kaynakçı kaynak tabancasının doğrultusunu veya konumunu elle kontrol eder Genellikle, kaynak yardımcısı denilen ve parçaları kaynaktan önce ayarlayan ikinci bir işçi tarafından yardım edilir Kaynak fikstürleri ve pozisyonerleri, bu amaçla yardımcı olmak için kullanılır 14 İş Güvenliği Konusu Kaynak, çalışan kişiler için son derece tehlikelidir Erimiş metallerin yüksek sıcaklıkları Gaz kaynağında, yanıcı gazlar (Örn. Asetilen) yangın çıkarabilir Çoğu kaynak yönteminde elektrik enerjisi kullanılır; bu nedenle elektrik çarpma riski vardır 15 Doç.Dr. Murat VURAL 10
Ark Kaynağına Özgü Zararlar Arktan yayınan kızılötesi ışınlar insan gözü için tahrip edicidir Kaynakçıların, koyu renkli camı olan özel bir maske takmaları gerekir Koyu renkli cam, tehlikeli radyasyonu durdurur ancak ark sönükken kaynakçının görüşünü engeller Kıvılcımlar, erimiş metal sıçramaları, duman ve gazlar ilave risklerdir Curuftan ve erimiş metalden çıkan tehlikeli gazların uzaklaştırılması için havalandırma gerekir 16 Kaynaklı İmalatta İş Güvenliği Doç.Dr. Murat VURAL 11
Kaynaklı İmalatta İş Güvenliği Kaynakta Otomasyon Elle kaynağın sakıncaları nedeniyle ve verimliliği arttırıp kaliteyi yükseltmek için, değişik mekanizasyon ve otomasyon türleri kullanılmaktadır Makinayla kaynak Otomatik kaynak Robotla kaynak 17 Doç.Dr. Murat VURAL 12
Kaynakta Otomasyon Kaynaklı Bağlantı (Birleşim) Kaynakla birleştirilmiş parçaların yüzeylerinin veya kenarlarının birleşimi Kaynaklı bağlantı ile ilgili iki konu: Bağlantı türleri Bağlantıları oluşturan parçaları birleştirmek için kullanılan dikiş türleri 18 Doç.Dr. Murat VURAL 13
Beş Birleştirme Türü 1. Alın birleşim 2. Köşe birleşim 3. Bindirme birleşim 4. T- birleşim 5. Kıvrık alın birleşim 19 Alın birleşim Parçalar aynı düzlemde bulunur ve kenarlarından birleştirilir Şekil 30.2 - Beş temel birleşim türü: (a) alın 20 Doç.Dr. Murat VURAL 14
Köşe birleşim Köşe birleşim halindeki parçalar bir dik açık oluşturur ve açının köşe kısmından birleştirilir Şekil 30.2 (b) köşe 21 Bindirme birleşim Birbirinin üzerine bindirilmiş iki parçadan oluşur Şekil 30.2 (c) bindirme 22 Doç.Dr. Murat VURAL 15
T- birleşim Parçalardan biri, bir T harfi oluşturacak şekilde, diğerine dik konumda yerleştirilmiştir Şekil 30.2 (d) T- Kıvrık Alın Birleşim Bir kıvrık alın birleşimdeki parçalar, en az bir kenarlarını ortaklaşa kullanırlar ve bağlantı bu ortak kenardan gerçekleştirilir Şekil 30.2 (e) kıvrık alın Doç.Dr. Murat VURAL 16
Dikiş Türleri Belirtilen birleşimlerin her biri kaynakla yapılabilir Diğer birleştirme yöntemleri de anılan birleşim türlerinden bazıları için kullanılabilir Birleşim türü ile bunun oluşturulma yolu arasında bir farklılık bulunur dikiş türü İçköşe (Dolgu) Dikişi (Fillet weld) Köşe, bindirme veya T-bağlantıların oluşturduğu levha kenarlarını doldurmak için kullanılır Kesiti yaklaşık bir dik üçgen şekline getirmek için dolgu (ilave) metali kullanılır Ark ve oksi-yanıcı gaz kaynağında en yaygın dikiş türüdür En az kaynak ağız hazırlığı gerektiren dikiş türüdür Doç.Dr. Murat VURAL 17
İçköşe Dikişleri Kaynak bağlantısı Şekil 30.3 - Değişik içköşe dikiş formları: (a) tek taraflı içköşe bağlantısı; (b) tek taraflı dış köşe bağlantısı; (c) çift içköşe dikişli bindirme bağlantı; ve (d) çift içköşe dikişli T- bağlantı Kesikli çizgiler, orijinal parça kenarlarını göstermektedir Alın Dikişleri (Butt weld) Kaynak nüfuziyetini sağlamak için genellikle parça kenarlarının (kaynak ağzı) şekillendirilmesini gerektirir Ağız hazırlığı, parça imalat maliyetini yükseltir Alın dikişleri, tek veya çift taraftan kare veya açılmış V, U ve J ağızları içerir Çoğu alın bağlantıyla yakından ilgilidir Doç.Dr. Murat VURAL 18
Kaynak bağlantısı Alın Dikişleri Şekil 30.4 - Bazı alın dikişleri: (a) kare alın dikişi, tek taraftan; (b) tek taraftan ağız açılmış alın; (c) tek V-alın dikişi; (d) tek taraftan U- alın dikişi; (e) tek taraftan J-alın dikişi; (f) daha kalın parçalar için çift taraftan V-alın dikişi. Kesikli çizgileri orijinal kaynak kenarlarını göstermektedir Tapa ve Delik Kaynağı İki parçayı eriterek birleştirmek için, üstteki parçada bir veya birkaç delik veya tapa açıp, daha sonra ilave metalle bu deliğin veya tapanın doldurulduğu kaynak dikişi Üst parçada açılan delik Delik kaynağı Tapa kaynağı için üst parçada açılan tapa (a) (b) Şekil 30.5 - (a) tapa kaynağı ve (b) delik kaynağı Doç.Dr. Murat VURAL 19
Direnç Nokta Kaynağı İki saç veya levhanın yüzeyleri arasında, küçük bir erimiş kesit Bindirme bağlantılar için kullanılır Çoğu direnç kaynağıyla yakından ilgilidir Kısmi kesit Nokta kaynağı İki saç parça Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Şekil 30.6 - (a) Nokta kaynağı Direnç Dikiş Kaynağı Bir direnç dikiş kaynağı, direnç nokta kaynağına benzer ancak iki saç parça arasında az yada çok erimiş bir kesit içermesiyle ayrılır Dikiş kaynağı Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Bindirme kısmı Saç metal parçalar Şekil 30.6 - (b) dikiş kaynağı Doç.Dr. Murat VURAL 20
Flanş Kaynağı ve Yüzey Kaplama Flanş kaynağı Yüzey kaplama kaynak dikişi (a) İki saç metal parça (b) Şekil 30.7 - (a) flanş kaynağı; ve (b) yüzey kaplama kaynağı Kaynak Dikiş Terimleri Doç.Dr. Murat VURAL 21
Kaynak Fiziği Eritme, kaynakta birleşimi sağlayan en yaygın araçtır Eritmeyi oluşturmak için, temas eden yüzeylere yüksek yoğunlukta bir ısı enerjisi uygulamak gerekir, böylece oluşturulan sıcaklık esas metallerin (ve kullanılmışsa ilave metalin) yerel olarak erimesine yol açar Metalurjik nedenlerden dolayı, minimum enerjiyle ancak yüksek ısı yoğunluklarıyla eritme tercih edilir Isı Yoğunluğu Birim yüzey başına parçaya aktarılan güç (güç yoğunluğu), W/mm 2 Eğer güç yoğunluğu çok düşükse, ısı parça içine iletilir ve erime oluşmaz Eğer güç yoğunluğu çok fazlaysa, yerel sıcaklıklar, etkilenen bölgedeki metali buharlaştırır Kaynağın gerçekleştirilebildiği, pratik bir ısı yoğunluğu aralığı mevcuttur Doç.Dr. Murat VURAL 22
Kaynak Yöntemleri Arasında Bazı Karşılaştırmalar Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) geniş ısı miktarları üretir, ancak bu ısı geniş bir alana dağıldığından ısı yoğunluğu göreceli olarak düşüktür Oksi-asetilen gazı, OFW gazlarının en sıcak olanıdır; 3500 C lik bir maksimum sıcaklığa ulaşır Ark kaynağı, yerel sıcaklıkları 5500 ila 6600 C ye ulaşan, dar bir alanda yüksek enerji üretir Değişik Kaynak Yöntemleri için Yaklaşık Güç Yoğunlukları Kaynak yöntemi W/mm 2 Oksi-yanıcı gaz 10 Ark 50 Direnç 1,000 Laser ışını 9,000 Elektron ışını 10,000 Doç.Dr. Murat VURAL 23
Güç Yoğunluğu Yüzeye giren enerjinin buna karşı gelen yüzey alanına oranı: P PD A burada PD = güç yoğunluğu, W/mm 2 ; P = yüzeye giren enerji, W ; ve A = enerjinin girdiği yüzey alanı, mm 2 Eritme için Birim Enerji Birim hacim metali eritmek için gerekli ısı miktarı Sembolü U m Aşağıdakilerin toplamından oluşur: Katı metali erime sıcaklığına yükseltmek için gerekli ısı Hacimsel özgül ısıya bağlıdır Metali erime sıcaklığında, katıdan sıvı faza dönüştürmek için gerekli ısı Eritme ısısına bağlıdır Doç.Dr. Murat VURAL 24
Kaynakta İki Isı Transfer Mekanizması Tüm girdi enerjisinin kaynak metalini eritmekte kullanıldığına dikkat ediniz 1. Isı transfer etkinliği f 1 menbada üretilen toplam ısının parça tarafından alınan gerçek ısıya oranı 2. Eritme etkinliği f 2 eritme için kullanılan, parça yüzeyinden alınan ısı kısmı; kalanı parça metaline iletilir Kaynaktaki Isı Transfer Mekanizmaları Doç.Dr. Murat VURAL 25
Kaynağa Uygun Isı H w = f 1 f 2 H burada H w = kaynağa uygun net ısı; f 1 = ısı transfer etkinliği; f 2 = eritme etkinliği; ve H = kaynak yönteminin ürettiği toplam ısı Isı Transfer Etkinliği f 1 Menbada üretilen toplam ısıya göre parça yüzeyinde üretilen ısı kısmı Kaynak yöntemine ve güç menbaının (örn. Elektrik enerjisi) parça yüzeyinde kullanılabilir ısıya dönüşme kapasitesine bağlıdır Oksi-yanıcı gaz kaynak yöntemi göreceli olarak daha az etkindir Ark kaynağı göreceli olarak daha etkindir Doç.Dr. Murat VURAL 26
Eritme Etkinliği f 2 Isının, parça yüzeyinde eritme için alınan kısmı; kalanı parça metali içine iletilir Kaynak yöntemine bağlıdır ancak metalin ısıl özelliklerinden, bağlantı konfigürasyonundan ve parça kalınlığından da etkilenir Alüminyum ve bakır gibi yüksek ısıl iletkenliğe sahip metaller, temas alanından ısının hızlı dağılması nedeniyle kaynakta problem oluştururlar Elektrik Ark ve Tozaltı Ark Kaynaklarının Karşılaştırılması Isı Transfer Etkinliği f 1 Eritme Etkinliği f 2 Doç.Dr. Murat VURAL 27
Enerji Denge Denklemi H w = U m V burada H w = işleme verilen net ısı enerjisi, J; U m = metali eritmek için gerekli birim enerji, J/mm 3 ve V = eritilen metal hacmi, mm 3 Tipik Eritme Kaynaklı Bağlantı Kaynak arayüzeyi Erimiş bölge Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) Etkilenmemiş esas metal bölgesi Erime bölgesindeki kolonsal yapı Kaynak arayüzeyine yakın ITAB da iri taneler Kaynak arayüzeyinden uzakta ince taneler Orijinal soğuk şekil değiştirmiş taneler Şekil 30.8 - Tipik bir eritme kaynaklı bağlantının kesiti: (a) Bağlantıdaki temel bölgeler, ve (b) tipik tane yapısı Doç.Dr. Murat VURAL 28
Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri İlave metalin katıldığı tipik eritme kaynak bağlantısı aşağıdakilerden oluşur: Erime bölgesi Kaynak arayüzeyi Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) (Heat affected zone = HAZ) Etkilenmemiş esas metal bölgesi Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) Metal, erime sıcaklığının altında ancak katı metalde mikroyapısal değişikliklere neden olmaya yeterli sıcaklıklara maruz kalmıştır, Kimyasal bileşimi esas metalle aynıdır, ancak bu bölge, özellikleri değişecek ve yapısı dönüşecek şekilde ısıl işlem görmüştür ITAB daki mekanik özelliklere etkisi genellikle olumsuzdur, ve kaynak hasarının en çok oluştuğu yer burasıdır Doç.Dr. Murat VURAL 29
ITAB Doç.Dr. Murat VURAL 30
Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) (Heat Affected Zone=HAZ) Kaynak Hataları Çatlaklar Boşluklar Katı kalıntılar Düzgün olmayan şekil veya kabul edilemez dış görünüş Yetersiz erime Diğer hatalar Doç.Dr. Murat VURAL 31
Kaynak Çatlakları 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 Enine çatlak Dikişaltı çatlağı Boyuna çatlak Esas metal çatlağı Şekil 31.31 - Kaynak çatlaklarının değişik şekilleri Doç.Dr. Murat VURAL 32
Boşluklar 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 Katı Kalıntılar 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 Doç.Dr. Murat VURAL 33
Yetersiz Erime 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 Düzgün profil Şekil 31.33 - (a) Tek V-ağızlı kaynak bağlantısı için istenen dikiş profili Doç.Dr. Murat VURAL 34
Ark Kaynağındaki Kaynak Hataları Yanma oluğu Eksik dolgu Soğuk yapışma 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) Doç.Dr. Murat VURAL 35