Modern Kay Nak 2008

KARABÜK ÜNİVERSİTESİ TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ METAL EĞİTİMİ BÖLÜMÜ

MET 342 MODERN KAYNAK TEKNOLOJİSİ DERS NOTLARI

Öğretim Elemanı: Doç. Dr. Nizamettin KAHRAMAN

Eylül 2007

KARABÜK 

1

1. GİR İŞ İŞ Kaynak tekni ği, pek çok bilimsel ve teknik disiplinleri içerisine alan orijinal bir dü şünce üzerine kurulmuştur. Gelişmesi, uygulay ıcılar ın edindikleri yeni bilgileri, kar şılaştıklar ı yeni problemlere uygulamalar ı sonucu oluşmuştur. Geçen y ıllar sürecinde, kaynak tekni ğinin nasıl değiştiğini gösteren en iyi belirtilerden biri, metal endüstrisinin kaynak yöntemlerine kar şı tutumu olmuştur. Önceleri metaller nas ıl kaynak edilir veya edilmez diye s ınıflandır ılırken, bugün metallerin kaynak kabiliyeti üzerinde durulmaktad ır. Günümüzde metal ve ala şımlar ı piyasaya çıkar ılmadan önce, kaynak edilebilme kabiliyetleri geli ştirilmektedir. Günümüzdeki kostrüksiyonlar i ş verimi ve güvenli ğini arttırmaya, boyutlar ı ve ağırlığı küçültmeye, ayn ı zamanda malzeme ve üretim masraflar ını azaltmaya yöneliktir. Buna paralel olarak birleştirme teknolojisi de geli şmesine rağmen sürekli bir  şekilde yeni problemlerle kar şı kar şıya kalmaktad ır. Gelişen günümüz endüstrisinde ihtiyaç duyulan malzeme özelliklerinin çok  çeşitli olması da farklı özelliklere sahip bu metalsel malzemelerin en uygun biçimde nas ıl  birleştirilebileceği sorusunu ortaya ç ıkarmaktadır. Bu soruya, geli şmekte olan kaynak teknolojisi en iyi cevab ı verebilmektedir. Günümüzde kat ıhal kaynak teknikleri farkl ı metalsel malzemelerin  birleştirilmesinde başar ı ile kullanılabilmektedir. Bugün çok say ıda birleştirme tekniği vardır ve günümüzdeki sorun birle ştirmenin nasıl yapılacağı değil, en iyi birle ştirme yönteminin nas ıl seçilece ğidir. Bronz ça ğı insanı birleştirme yöntemi olarak sadece kama kullanma veya deri şeritle bağlama arasında seçim yapmak zorunda iken, günümüzde bir tasar ım mühendisi, ayn ı derecede uygun dört veya be ş değişik birleştirme tekniğinin olduğu durumlarla kolayl ıkla kar şılaşılabilir. Her yöntemin kendine has özellikleri vardır ve en uygun seçim için birçok hususun de ğerlendirilmesi gerekir. Mukavemet, üretim kolaylığı, maliyet, ömür, korozyon dayan ımı ve görünüş gibi faktörlerin göreceli önemi büyük  ölçüde göz önüne al ınan uygulamaya ba ğlıdır. Birleştirme teknolojisinin tarihçesi, gerçekte bir grup insan kütlesinin tarihidir. Bunlar ın büyük   bir k ısmı ufak tamircilik yapan, bir k ısmı da hayal kuranlard ır desek daha uygun olur. Bütün  bunlar ın hepsi de kendilerine göre bir katk ıda bulunmu şlardır. Bu insanlar, s ık sık kazançl ı olmayan ara ştırmalarla, arkada şlar ının alaylar ına bile maruz kalm ışlardır. Fakat bütün bunlara rağmen neye inanm ışlar ise, onun için sava şan bu insanlar, ufak katk ılar ı ile dünyamıza iyi bir  metal birleştirme usulünü armağan etmişlerdir. Bunlar ın başlıcalar ı ise, lehimleme veyahut da demirci kayna ğı ile yapılan birleştirmelerdir. Günümüzde demirci kayna ğı, pratikte her ne kadar  unutulmuş ise de, orijinal bir metal birle ştirme işlemi olarak nazari itibara al ınabilir. Birinci Dünya Sava şından sonra kaynak teknolojisi ilerlemelerini sa ğlamlaştırmış ve tamir yöntemi olarak kullan ılmasının yanında, üretim arac ı haline de gelmi ştir. Kaynak endüstrisinde önceleri az, sonralar ı da daha çok bir talep görünmeye ba şlandı 1941 ila 1942 y ıllar ı arasında kaynak  endüstrisi % 350 nispetinde fazla bir kapasiteye eri şti. Bu ise, gelece ğin ancak bir k ısmı idi. Türkiye’de kayna ğın gelişmesi 1950’li yıllar ın ortasından itibaren olmu ştur. İstanbul Teknik  Üniversitesi eğitim planına kayna ğı 1951’de almıştır. Makine Malzeme ve İmal Usulleri Enstitüsü, endüstriye ilk kaynak kurslar ını 1955 yılında açmıştır. Ayr ıca, Ankara’da önceleri Yüksek Teknik Ö ğretmen Okulu’nda daha sonralar ı Teknik Eğitim Fakültesi bünyesinde kaynak  eğitimi ile ilgili çeşitli dersler verilmiş ve 2000 y ılında kaynak alan ındaki geli şmeleri duyurmak  ve iletişimi sağlamak üzere Gazi Üniversitesi Teknik E ğitim Fakültesi’nde Kaynak Teknolojisi Derneği kurulmuştur. Endüstride kullan ılan imalat yöntemleri aras ında kaynak, en çok kullan ılan birleştirme tekniklerinden birisidir. Teknolojinin ilerlemesiyle yeni kaynak yöntemleri geli ştirilmiş ve klasik 

2

kaynak yöntemleri ilerletilmi ştir. Yapılan araştırmalar sonucu elde edilen malzeme gruplar ını işleme ve birleştirmeye yönelik çal ışmalarda buna paralel olarak geli şmiş ve bu doğrultuda metallerin özelliklerini kaybetmeden birbirleriyle birle ştirme gereksinimi ortaya ç ıkmıştır. Bilindiği gibi, günümüzde metal ve metal olmayan birçok malzemenin birle ştirilmesinde değişik  kaynak yöntemleri uygulanmaktad ır. Ayr ıca, kaynak teknolojisi konusundaki geli şmeler  elektronik ve bilgisayar alan ındaki gelişmelerle daha da h ızlanmıştır. Bu günkü teknikte kaynak  yöntemlerinin yayg ın uygulanabilmesi, mikro birle ştirmelerden, yüksek nüfuziyet derinli ği isteklerine kadar ihtiyaçlar ı giderebilmesi nedenine dayand ığı gibi, başlangıçta ortaya ç ıkan  problemlerin büyük çapta çözümlenmi ş olmasına da borçlu bulunmaktad ır. “Modern Kaynak  Yöntemleri” olarak da tan ımlanan bu yeni uygulamalar bir yandan birle ştirilmelerde ön görülen koşullara bağlı olarak seçilip kullan ılmakta, di ğer yandan yeni isteklere göre geli şmelerini sürdürmektedirler. Ancak, bu derece hayati öneme sahip kaynak i şlemleri için kaynak yöntemi seçimi teknik beceri ve bilgisi yeterli olmayan vas ıfsız kişilerce yapılmakta ve sonuçta telafisi olmayan kazalar meydana gelmektedir. Haz ırlanan bu notlarda, konstrüksiyona uygun kaynak  yönteminin seçimi ve bu kaynaklar ın tanıtılması amaçlanmıştır.

3

2. TIG KAYNAK YÖNTEM İ TIG kaynağı; kaynak için gerekli ısı enerjisi bir tungsten elektrod ve i ş parçası arasında oluşturulan ark taraf ından sağlanan ve kaynak bölgesi de elektrodu çevreleyen bir nozuldan gönderilen asal gaz taraf ından korunan kaynak yöntemidir ( Şekil 2.1). Koruyucu bir asal gaz atmosferi altında kaynak yöntemi uygulamas ı ilk defa İkinci Dünya sava şında uçaklarda kullanılan bazı magnezyum ala şımlı parçalar ın birleştirilmesiyle başlamıştır. Çok k ısa bir süre içinde bu yöntemin çe şitli sahalarda kullan ılabilmesi ve di ğer yöntemlerle kaynat ılması zor metal ve alaşımlar ın kaynağı için uygunluğu anlaşılmış ve bugün en çok aran ılan yöntemlerden birisi haline gelmiştir.  Nozul Koruma gazı Dolgu metali

Ark 

Kaynak yönü

Esas metal Kaynak metali

Kaynak havuzu

Şekil 2.1. TIG kayna ğının prensibi. Bu yöntemde kaynak edilen parça ile erimeyen elektrod (Tungusten ve / veya ala şımlar ı) arasında oluşturulan bir elektrik ark ı kaynak için gerekli s ıcakl ığı sağlar. Atmosferin kaynak   bölgesine olan olumsuz etkilerine mani olabilmek için banyo ve elektrod kaynak esnas ında bir  asal gaz ak ımı ile örtülür. İlave TIG kayna ğında başlangıçta helyum daha sonralar ı ise argon gaz ı kullanılmaya başlamıştır. Hafif metal ve ala şımlar ının kaynağında kullanılan argon gaz ının çok  saf olması gerekir. Aksi taktirde gaz içerisinde bulunabilecek su buhar ı, oksijen ve azot gibi safiyetsizlikler kayna ğın kalitesini düşürür. TIG kaynağı paslanmaz çelik, alüminyum, magnezyum, bak ır ve diğer demir dışı metaller gibi kaynak i şlemi zor olan metallerin  birleştirilmesinde yaygın olarak kullan ılmaktadır. Tel kullanıldığı hallerde, tel kaynak bölgesine aynı oksi asetilen kayna ğında olduğu gibi verilir. Şekil 2.2’de TIG kayna ğı ile elde edilmiş bir  kaynak diki şi görülmektedir.

Şekil 2.2 Kaynak diki şi fotoğraf ı

4

TIG Kaynak Donan ımı Bir TIG kaynak donan ımı şu k ısımlardan oluşur: • Kaynak hamlac ı diye de adland ır ılan bir kaynak torcu. • Kaynak ak ım ve kumanda şalter kablosunu, gaz hortumunu ve gerekti ğinde soğutma suyu giriş ve çık ış hortumlar ını bir arada tutan metal spiral takviyeli, torç ba ğlantı paketi. • Kaynak ak ımının, gaz ak ışının ve gerekti ğinde soğutma suyunun devreye giri ş ve çık ışını, ark ın tutuşmasını ve alternatif ak ım ile çalışma halinde ark ın sürekliliğini sağlayan devreleri de bünyesinde toplayan kumanda dolab ı. • Kaynak ak ım üreteci. • Üzerinde basınç düşürme ventili ve gaz debisi ölçme tertibat ı bulunan koruyucu gaz tüpü.

TIG Kaynak Torcu TIG kaynak yönteminde torç, i ş parçası ile ucundaki tungsten elektrot aras ında kaynak için gerekli olan elektrik ark ını oluşturabilmek için, ak ım kablosundan ald ığı ak ımı elektroda iletmek, koruyucu gaz ı kaynak banyosunun üzerini örtecek biçimde sevk etmek görevlerini yerine getirmek için geliştirilmiş bir elemandır.

(a)

(b)

Kaynak yönü

Soğutma su girişi

Elektrikli düğme Gaz geçişi Dolgu metali

Tungsten elektrod Koruma gazı Ark  Katılaşmış kaynak  metali

Dolgu metali

Koruyucu gaz tüpü

AC veya DC Ak ım üreteci

Torç

İş parçası Ayak pedalı (seçmeli)

Atık  su

Ergimiş kaynak metali

Şekil 2.3.(a) TIG kaynak torcu şematik, (b) TIG kaynak donanımı Bir TIG torcunun çekirdek k ısmını erimeyen tungsten elektrodun tutucusu olu şturur. Bu parça genel olarak üzerinde boylamas ına yar ıklar bulunan ve bir taraf ı konik bir kovandır ve elektrod yüksüğü adı ile de anılır. Her büyüklük ve türdeki torçlar için kullan ılan çeşitli boyutlardaki tungsten elektrodlar ın boyutlar ına uygun farklı iç delik çaplar ında, dış boyutlar ı aynı olan elektrod tutucular ı üretilmiştir, diğer bir anlatımla her çaptaki elektrod için ayr ı bir elektrot tutucusu vardır. Elektrot tutucusu, elektrot tutucusu kovan ı diye adland ır ılan bir parçanın içine girer ve bu  parça da özel bir somun ile torç gövdesine tespit edilir. Torç gövdesinin uç k ısmına tak ılan koruyucu gaz nozulu çe şitli çaplarda üretilir, ayn ı torca gaz gereksinimine ve kaynak i şlemine göre çeşitli büyüklüklerde gaz nozulu tak ılabilir. Genel olarak koruyucu gaz debisi artt ıkça, gaz nozulu çapı da büyür. Uygulama yerine ve kullan ılan ak ım şiddetine göre çe şitli tip torçlar geliştirilmiştir; su ve hava ile soğutulan tipleri mevcuttur, genellikle 100 A kadar olanlar hava, daha yüksek ak ım şiddetine çalışanlar ise su ile so ğutulurlar.

5

TIG Kaynağı Ak ım Üreteçleri Günümüzde TIG kaynak yönteminde ak ım üreteci olarak transformatör ve redressör türleri  jeneratör ve alternatörlere nazaran çok daha yayg ın bir kullanma alanına sahiptir. Redresörler, ak ımı kaynak gerilimine ayarlayan bir transformatör ve bu ak ımı doğrultan bir redresörden oluşmuşlardır, bu neden ile hem do ğru ak ım hem de alternatif ak ım üreten bu tür üreteçler ile her  tür metal ve alaşımın kaynağını yapmak mümkün olabilmektedir. Cihaz üzerindeki bir  şalter  yardımı ile kaynak ak ımı ister transformatör ç ık ışından, istenir ise de redresör ç ık ışından alınabilir; redresör çık ışından ak ım çekme halinde, bir ba şka şalter yardımı ile düz kutuplama (torç negatif kutupta) veya ters kutuplama (torç pozitif kutupta) ba ğlantılar ından bir tanesi seçilebilir; bu seçimi kaynakç ı kaynak yapaca ğı metal ve alaşımın türüne göre belirler. Günümüzde geli şmiş TIG kaynak redresörleri bir de darbeli ak ım üretecek biçimde dizayn edilmişlerdir. Darbeli ak ım doğru ak ımın şiddetinin iki sınır değer arsında öngörülen frekansta değişmesidir. Bu şekilde ak ımın üst sınır değerinin nüfuziyeti ele edilebilmekte ve ayn ı zamanda ortalama ak ım şiddetinin ısı girdisi parçaya uygulanmaktad ır bu bak ımdan daha çok D.A.E.N. ile çalışmada tercih edilen darbeli ak ım pozisyon kaynaklar ında çok iyi sonuçlar vermektedir. Kural olarak TIG kaynak usulünde alüminyum, magnezyum gibi ala şımlar ın kaynağında alternatif ak ım (AC), bak ır ın kaynağında ise sadece do ğru ak ım (DC) kullanılır, diğer  malzemelerin kayna ğında ak ım cinsinin hissedilir bir tesiri olmamakla birlikte genelde DC ak ımı kullanılır. Negatif kutup so ğuk kutuptur ve bu nedenle kaynak s ırasında tunsten elektrodun ak ım yüklenebilirliği ve dayanıklığı pozitif kutuplamasına göre negatif kutuplanmas ı halinde çok daha yüksektir. Alternatif ak ımda kullanım halinde tungsten elektrodun ak ım yüklenebilirliği, doğru ak ımda negatif kutuplamadaki de ğerine erişemez ancak pozitif kutuplamaya göre birkaç kat daha yüksektir. Yüksek sıcaklıkta ergiyen oksit tabakas ı içeren malzemelerde kat ı oksit tabakası, kaynak   banyosunun akmas ını ve damlalar ın üzerine düştüğü paso ile birle şmesini engeller. Yakla şık  2050 oC’lik ergime sıcaklığıyla alüminyumoksit, ergitme kayna ğında çok zor parçalanan oksitlerden biridir. TIG kayna ğında bu oksit tabakas ının uzaklaştır ılması arktaki yük taşıyıcılarla sağlanır. Yük taşıyıcılar, elektronlardan ve elektronlar ın ayr ılmasıyla oluşan pozitif yüklü gaz iyonlar ından oluşur. Elektronlar büyük bir h ızla hareket eder ancak, kütlelerinin küçüklü ğü nedeniyle kinetik enerjileri azd ır. Bu nedenle sadece iyonlar, esas malzeme yüzeyine çarptıklar ında oksit tabakas ını parçalamak için yeterli enerjiye sahiptir. DA elektrod negatif  E      l      e     k     t      r     o     n   

    n    o     y          İ

DA elektrod pozitif 

    n    o     y          İ

E      l      e     k     t      r     o     n   

 AA (dengeli)

    n    o     y          İ

E      l      e     k     t      r     o     n   

Kaynak havuzu

Derin ve dar nüfuziyet Yüzeydeki oksit temizlenmez

Sığ ve geniş nüfuziyet Yüzeydeki oksit temizlenir 

Şekil 2. 4. TIG kayna ğında arkta yük ta şıyıcılar ın üç farkl ı hareketi

Orta nüfuziyet Yüzeydeki oksit temizlenir 

6

Şekil 2.4’de arktaki yük ta şıyıcılar ın hareketleri şematik olarak verilmi ştir. Elektronlar katottan anoda doğru yer de ğiştirir ve burada çarpma sonucu ısı üretilir. İyonlar ise ters yönde hareket eder. Ancak iyonlar ın kinetik enerjisi, sadece elektrod anod ve parça da katod oldu ğunda kaynak   banyosunun yüzeyi üzerine uygulanabilir. Fakat bu şekilde temizleme etkisi önemli oranda düşük olur. Çünkü pozitif kutuplanm ış elektrodun kuvvetli bir  şekilde ısınması, ak ım şiddetini zayıflatır. Alternatif ak ım kullanılması ile bu durumun iyi bir ortalamas ı elde edilebilir. TIG Kaynak Yönteminde Kullan ılan Kaynak Makineleri Tüm ark kaynak yöntemlerinde, kaliteli bir kaynak diki şi eldesi ancak kararl ı bir ark ile gerçekleşebildiğinden, kaynak makinesinin seçimine özen göstermek gereklidir, TIG kaynak  yönteminde, ark ın kararlılığı, kutuplama ve ak ım türü diğer ark kaynak yöntemlerinden daha etkin bir biçimde kaynak diki şinin kalitesini etkiledi ğinden bu konuda daha büyük özen göstermek gereklidir. TIG kaynak yönteminde, kaynat ılan malzemenin türüne göre hem alternatif ak ım hem de do ğru ak ım kullanıldığından, modern kaynak makineleri her iki tür ak ımı da gerekti ğinde sağlayabilecek türde tasarlanm ışlardır. TIG kaynağında kullanılan redresörler, ak ımı kaynak  gerilimine ayarlayan bir transformatör ve bu ak ımı doğrultan bir doğrultmaçtan oluşmuşlardır. Son yıllarda inverterler TIG kaynak yönteminde yayg ın bir uygulama alan ı bulmuştur; bu ak ım üreteçleri daha hafif oluklar ı gibi daha stabil bir ark olu şturduklar ından pek çok kullan ıcı taraf ından tercih edilmektedirler.

TIG Kaynağında Yardımcı Elektrik Donanımları: 1-Yüksek Frekans Üniteleri : Yüksek frekans cihazlar ının TIG kaynak usulünde şu faydalar ı vardır: a) Alternatif ak ımda, bilhassa pozitif yar ım sayk ıllar ın ba şlangıcında, sıf ır peryodlar ında ark ın ateşlenmesine yardım eder ve bu suretle yüksek bo şta çalışma gerilimi ihtiyacını ortadan kaldır ır. b) Tungsten elektrod ile parça aras ında fiziksel temasa lüzum kalmadan ark ın ateşlenmesini sağlar. 2) Kaynak Kontaktörleri : Kontaktörler kaynak yap ılmadığı anlarda torçda boşta çalışma gerilimi  bulunmasını önleyerek operatörü kaynak ak ımına kar şı tedric ederler. 3) Otomatik Argon Ekomösörü: Bu cihazlar bir otomatik zaman rölesi gibidir; K ızıl derecede tavlı tungsten elektrodun havada oksitlenmesini önlemek için kaynaktan sonra asal gaz gönderme süresin hassas olarak ayarlamaya yararlar.

TIG Kaynak Elektrodlar ı TIG kaynak yöntemi ile di ğer elektrik ark kayna ğı yöntemleri arasındaki en önemli fark, ek  kaynak metalinin elektrod taraf ından sağlanmaması ve elektrodun sadece ark olu şturma görevini üstlenmiş olmasıdır; bu bak ımdan burada, erime s ıcaklığı 3500°C civar ında olan Tungsten, elektrod malzemesi olarak seçilmi ştir. Yüksek erime sıcakl ığının yanı sıra tungsten çok kuvvetli  bir elektron yayıcıdır ve yay ınan elektronlar ark sütunu içinde kuvvetli bir elektron ak ımı oluşturur ve ark sütunundaki atomlar ı iyonize ederek, ark ın kararlılığını sağlar. Günümüz endüstrisinde ticari safl ıktaki tungsten (% 99.5 W) ile toryum, zirkonyum ve lantanyum ile alaşımlandır ılmış elektrodlar kullanılmaktadır. Uygulamada kar şılaşılan TIG kaynak 

7

elektrodlar ını, saf tungsten elektrodlar, ala şımlı elektrodlar ve çizgili elektrodlar olmak üzere üç grup altında toplamak mümkündür. TIG kaynak elektrodlar ı, AWS A5.12 ile DIN 32528'de  bileşimlerine göre sınıflandır ılmış ve bunlar ı birbirlerinden kolaylıkla ayırt edebilmek için de renk  kodlar ı kullanılmıştır. Çizelge 2.1. Tungsten elektrodlar ın kimyasal bileşimleri ve renk kodlar ı (DIN 32528) İşareti Malzeme No. Oksit İçeriği Katışk ılar % W 2.6005