Plazma Arkının Tarihi Gelişimi

20. yuzyılın başlarında, varlığı görülebilen ancak el ile tutulamayan gaz biçimindeki oluşumlara eski Yunanca bir kelime olan “plazma” adı verilmistir. Plazma’nın anlamı “var olan” veya “oluşturulan”dır [104, 105].

Bu konudaki çalışmalar, 1909 yılında Schonherr‟ in bir gazın dönel hareketinin basıncından yararlanarak arkı dengeleyen bir cihazı geliştirmesiyle başlar. Bu sistemde, içinde ark oluşturulmuş bir tüpe teğetsel bir doğrultuda bir gaz üflenmektedir, bu gazın hareketinin oluşturduğu merkezkaç kuvveti nedeni ile eksenel doğrultuda düşük bir basınç

yaratılarak, tüpün ekseninde bulunan ark dengelenmiş ve bu sistem sayesinde birkaç metre uzunluklara varan ark oluşturabilmek olanağı doğmuştur. Schonherr‟ in geliştirdiği bu cihaz, ark üzerine yapılan çalışmalara öncülük etmiştir.

Plazmanın bir ısı kaynağı gibi kullanımının ortaya çıkması, 1911‟ de Mathers' in patenti ile olmuştur. Su girdabı tarafından ark kolunun dengelenmesiyle elektrik ark kaynağı Gerdien ve Lotz tarafından incelenmiştir [106-108].

Ark sıcaklığının daha da yükseltilmesi amacına yönelik araştırmalar sonucunda, 1922 yılında Gerdien ve Lotz, su yardımı ile arkı dengeleyen bir cihaz geliştirmişlerdir. Bu cihazda tüpün iç cidarında teğetsel olarak hareket eden su, bir uçtan enjekte edilmekte ve diğer uçtan dışarı atılmaktadır. Tüpün içinde iki karbon elektrod arasında oluşturulan ark bu su ile soğutularak büzüldüğünden Schonherr‟ in cihazına nazaran daha yüksek bir akım yoğunluğuna ve sıcaklığına ulaşılmıştır. Bu cihaz içinde, arkın tüple bir teması bulunmamakta ve tüp cidarı ile ark arasında, bir su zarfı bulunmaktadır. Bu olay, arkın su ile soğutularak büzülmesi prensibinin temelini oluşturmuştur. Bu cihaz yardımı ile Gerdien ve Lotz, 30.000 A/cm2’lik bir akım yoğunluğuna erişebilmişlerdir [109].

1928 yılında Amerikalı fizikci Langmuir, bir ark boşalmasının göz alıcı parlaklıktaki gaz sutununu “plazma” olarak adlandırmıstır [104-109].

Daha sonra bu konu üzerine çalışan Burnhorn, Meacker ve Peters aynı prensibten hareket ederek ark eksenin de 50.000 K‟ lik bir sıcaklık oluşturmuşlardır. Ancak; Gerdien ve Lotz‟ un yönteminin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar sırasında araştırıcılar, gaz memesi ve tungsten elektrod arasındaki aralığın daraltılması sonucunda soy gazın hızının artmasının ark sıcaklığını yükselttiğini fark ettiler. Bu yüksek sıcaklıktaki arkın ısıttığı hızlı soy gaz akımının, parça üzerine doğru yönlendirildiğinde metali kestiği görüldü.

Plazmanın yüzey işlemleri ortamında kullanılması konusunda yöntemin temelleri bu süre içerisinde Bernhard Berghaus [110,111] tarafından kazandırılmıştır.

1953’de Dr. Robert Gage, refrakter malzemelerin ark yardımıyla eritilmesi üzerine yaptığı çalışmalarda, normal bir gaz alevi ile uzun bir elektrik arkı arasındaki benzerliğe dikkatleri çekti. Arkın hız ve ısı yoğunluğunun kontrolü üzerine yapılan bu çalışmalar, ilk modern plazma ark torcunun gelişmesine olanak sağladı. İlk endüstriyel plazma arkı ile kesme torcu, 1957 yılında Linde tarafından tanıtıldı. Aynı yıl Dr. Robert Gage (Union Carbide), yöntemin patentini aldı [112].

50

delikten geçerken büzülmekteydi. TIG kaynağı için kullanılan alışılmış tesisata, arkın başlatılmasını sağlayacak bir pilot ark devresi ile bir plazma gazı donanımı eklenmişti. Bu tür kesme torcu 1970‟ 1ere kadar patenti nedeni ile Dr. Gage‟ nin tekelinde kaldı. Dr. Gage‟ nin buluşunu takip eden yıllarda plazma arkının yüzey işleme ve kaynakta kullanılabilirliği üzerine çalışmalar yapılırken (1961-1963) kesilen kenarların kalitesinin geliştirilmesi, torç kullanım ömrünün uzatılması, kesme hızının yükseltilmesi konusunda yoğun araştırmalar yapıldı. I960‟ lı yılların ortalarında Titan III-C roketi imali, doğru kutuplama plazma ark kaynağının A.B.D.‟ de en önemli uygulamalarından biri olmuştur. Önceleri TIG ile kaynatılmış olan kısımlarda, Linde plazma cihazları kullanılarak kaynak süresi yarı yarıya azaltılmıştır. 1962‟ de Thermal Dynamics Corp., James Browning‟ in patenti altında geliştirdiği çift gazlı ve ters kutuplamalı plazma ark yöntemini alüminyumun kaynağına uyguladı. Kaynak bölgesini koruma görevini yapan bu ikinci gaz, aynı zamanda plazma nozulunun soğutulma görevini de üstlenmişti. Bunun yanısıra, dip kısmı olmayan bir fincan biçimindeki koruyucu gaz nozulu, plazma nozulunu çevreleyerek bunun iş parçası ile kısa devre yaparak ikincil ark oluşturma tehlikesini de ortadan kaldırdı. Bu buluş, kesilen yüzeylerin kalitesinin ve kesme hızının yükselmesine olanak sağladı. Sciaky, 1967‟ de değişken kutuplamalı kare dalgalı TIG kaynak akım üreteçlerini piyasaya sundu. Bu iki olay, plazma yöntemlerinin gelişmesine büyük katkılarda bulundu. I960‟ ların sonuna doğru Boeing, bu iki önemli buluşu, değişken kutuplamalı akım üretecini plazma anahtar deliği tekniği ile birleştirerek değişken kutuplamalı plazma ark kaynak yöntemini geliştirdi. Koruyucu gazın plazma nozulunu soğutarak kesme kalitesini ve kullanım ömrünü artırması araştırmacıları plazma nozulunun daha iyi soğutulması için koruyucu gaz yerine suyun kullanılabilirliği konusunda çalışmalara yönlendirdi. 1968 yılında Hypertherm firmasından Richard Couch, su enjeksiyon sistemli bir plazma kesme torcunun patentini aldı. Burada, su torca radyal olarak enjekte edilerek daha iyi bir plazma nozulu soğutulması ve daha yüksek bir kesme hızı elde edildi. Değişken kutuplamalı plazma ark kaynağının parlak bir gelecek göstermesi üzerine Boeing, Hobart‟ a çok tatminkar sonuçlar veren bir akım üreteci geliştirterek üretimini sağladı [109].

1978’de NASA‟ nın büyük gelişmeler gösteren bu önemli yöntemi inceleyerek, uzay mekiğinin alüminyum kısımlarının kaynağında uygulanabilirliğini ve TIG yönteminin yerinin alabileceğini açıklaması üzerine yöntem, ticari olarak büyük bir başarı kazandı. Yöntemin farklı kalınlıklara uygulanması halinde, parametrelerin uyum programları

geliştirildi ve bu şekilde değişken kutuplamalı plazma ark kaynağı uzay programlarında önemli bir role sahip oldu. İlk uygulama yıllarında kararlı plazma arkı ancak, 500 A akım şiddetlerinde elde edilebildiğinden yöntem, sadece mekanize sistemler yardımıyla kullanılabilirken 1979‟ 1ara doğru 0.1 A akım şiddetlerinde dahi kararlı bir ark oluşturabilen mikro-plazma yöntemi gibi sistemlerin geliştirilmesi plazma el torçlannın yaygınlaşmasını sağladı. Endüstri, plazma ark ile kesme yöntemine çok çabuk alıştı ve sağladığı üstünlüklerden ötürü yoğun bir biçimde kullanmaya başladı. Günümüzde, kesme kalitesi çok daha geliştirilmiş olan plazma ark kesme yöntemleri gene son yıllarda uygulama alanına girmiş olan lazerle kesme yöntemi ile yarışmaktadır [109].