Soygazlar

Dış kabuklarındaki tüm yerleri elektronlarla dolu olan soygazlar diğer elementlerin atomlarıyla elektron alışverişinde bulunmazlar yani kimyasal reaksiyona girmezler.

2.1.1 Argon

Argon soy (inert) tek atomlu bir gazdır ve sıvı metaller içinde çözülmez. Yoğunluğu havadan yüksek olduğundan özellikle yatay pozisyonlarındaki kaynak işlemlerinde çok etkin bir koruyucu örtü meydana getirerek kaynak banyosunu çok iyi şekilde korur. Argon ve argon içeren gaz karışımları, düşük iyonizasyon potansiyeline (15,7 eV) sahip olmaları nedeniyle hem koruyucu gaz hem de kök gazı olarak uygun özellikleri göstermektedirler. Düşük iyonizasyon potansiyeli ile arkın kolay başlamasını ve istikrarlı şekilde sürdürülmesini teşvik etmektedir. Argonun iyonizasyon potansiyelinin helyuma göre daha düşük olması, çalışma akımında ark geriliminin daha düşük olmasını sağlayacağından özellikle ince parçaların kaynağında helyuma tercih edilmesini sağlamaktadır. Ana malzeme çarpılmasının (distorsiyon) kontrol edilmesi gereken uygulamalarda da tercih edilmektedir. Argonun ısı iletme kabiliyetinin düşük olması nedeniyle ark sütunu daha geniş ve dış kısımlardaki sıcaklık da daha düşük olmaktadır. Sütunun merkezinde metal buharları ve damla geçişi dolayısıyla sıcaklık daha yüksek olduğundan, nüfuziyet dikişin merkezinde derin ve kenarlarında daha az olmaktadır. Al ve Cu gibi hafif metallerin kaynağı için uygun olan saf argon, çeliklerin kaynağında başka gazlarla karıştırılarak karışım gazı şeklinde kullanıldığında daha iyi sonuçlar vermektedir. Titanyum ve tantalyum gibi bazı metallerin kaynağında, argon gazındaki en küçük bir safiyetsizlik bile kaynak dikişinde oksit, nitrür ve gözenek oluşmasıyla sonuçlanabilmektedir.

2.1.2 Helyum

En hafif tek atomlu gazlardan olan helyum da argon gibi kimyasal olarak soydur ve diğer element veya bileşiklerle etkileşime girmemektedir. Helyum, A.B.D. ve B.D.T.’nda

26

kolay ve ekonomik olarak doğalgazdan ayrıştırılarak temin edilmektedir. Argona kıyasla 10 kez daha hafif (0,178 g/l) olan helyum ile kaynak esnasında etkin bir koruma sağlanabilmesi için daha yüksek bir debiyle kaynak bölgesine beslenmesi gerekmektedir ki bu da maliyeti artırmaktadır. Helyumun iyonizasyon enerjisi (24,5 eV) argona kıyasla daha yüksektir ve bu nedenle helyum ile daha yüksek ark gerilimi elde edilir ve de ark daha yüksek enerjiye sahip olmaktadır. Şekil 2.1’de saf argon, saf helyum ve argon+%5 oksijen gaz karışımı için akım şiddeti değerlerine karşılık gelen ark gerilimi değerlerine ait grafik verilmektedir. Helyumun ısı transfer katsayısı yüksek olduğundan, kaynak dikişinde daha derin nüfuziyet elde edilmekte ve kaynak kesit alanı büyümektedir [48]. Yüksek kaynak banyosu sıcaklığına bağlı olarak ergimiş metalin viskozite ve ıslatma kapasitesi özellikleri de gelişmektedir.

Yüksek enerjiye ve ısıl iletkenliğe sahip helyum atmosferi mevcudiyetinde, bakır, aluminyum ve magnezyum gibi hafif metallerin kalın kesitlerinin kaynağında ön ısıtma gerekmemektedir. Derin nüfuziyet, yüksek hızla çalışan mekanize kaynak uygulamalarında önemli bir üstünlüktür ancak yüksek maliyeti nedeniyle helyum, sıklıkla argon veya argon karışımları ile kombine edilerek karışımın tüm performansı arttırılırken maliyetini düşürmek için kullanılmaktadır.

Darbeli akım MIG kaynağında ise saf helyum küresel metal transferi meydana getirdiğinden ve damlacık transferi için eşik seviyesi 500A’den daha yüksek seviyelere çıktığından dolayı uygun olmamaktadır [49].

27

Şekil 2. 1 Çeşitli soy ve karışım gaz atmosferlerinde meydana gelen ark gerilimi [1]

2.2 Aktif Gazlar

Diğer elementlerin atomlarıyla elektron alışverişi yapabilen yani kimyasal reaksiyona giren gazlardır. Bu gazlar kimyasal reaksiyonda oksitleyici, redükleyici vb. karakter gösterebilirler.

2.2.1 Karbondioksit (CO2)

Bazı gazaltı kaynak uygulamalarında tek başına kullanılan reaktif, renksiz, kokusuz, yoğunluğu 1,977 g/l olan bir gazdır. Pekçok aktif gazın kaynakta koruyucu gaz olarak kullanılmasının uygun olmamasına karşın, sunduğu çok sayıda üstünlük nedeniyle karbondioksitin yalın karbonlu ve az alaşımlı çeliklerin kaynağında kullanılması geniş çapta uygulama alanı bulmuştur. Bu üstünlüklerin arasında, derin nüfuziyet, daha yüksek kaynak hızlarına ulaşma ve düşük maliyet sayılabilir. Karbondioksit, tek atomlu ve soy bir gaz olmadığından dolayı yüksek ark sıcaklığında karbonmonoksit ve oksijene ayrışmaktadır; ark sütununda iyonize olan gazlar kaynak banyosuna gelmekte ve bir miktar gaz tekrar karbondioksit haline geçmektedir ve böylece ayrışma esnasında alınan ısı geri verilmektedir ki bu da dikişteki nüfuziyeti artırmaktadır. Serbest kalan oksijenin bir kısmı ise kaynak banyosundaki elementlerle ve özellikle demirle reaksiyona girmektedir. Banyo içindeki demiroksit, mangan ve silisyum ile

28

redüklenmektedir. Kaynak banyosundaki bu dezoksidanların kaybı kaynak teli bileşimi ile karşılanmalıdır. Koruyucu gazdaki CO2’in diğer bir dezavantajı ise kaynak metalinin karbon kapmasıdır [1], [48], [50].

Şekil 2. 2 MIG-MAG kaynağında CO2 atmosferinde oluşan reaksiyonlar [51]

2.2.2 Oksijen

Hava yaklaşık %21 oranında oksijen içermektedir ve endüstriyel kullanım için oksijen havadan elde edilmektedir. Bunun için hava emilmekte, temizlenmekte, birçok kez yoğunlaştırılmakta ve basınç altında sıvı hale getirildikten sonra yaklaşık -200C’da soğutulmaktadır [51].

Oksijen doğrudan arkın ve kaynak banyosunun korunmasında kullanılan bir gaz değildir ve diğer temel koruyucu gazlara katılarak karışım halinde kullanılmaktadır [46]. Oksijen, nadir elementler ve soygazlar dışında tüm elementlerle bileşik oluşturmaktadır ve yanmayı kuvvetli şekilde desteklemektedir. Bazı soygaz karışımlarına, kaynak banyosunun akışkanlığını arttırmak ve bunun yanında kaynak arkının stabilitesini arttırmak için küçük miktarlarda oksijen katılmaktadır [2]. Paslanmaz çeliklerin kaynağında, argonla beraber yüzde bir ila iki oranında oksitleyici bir bileşen (örneğin oksijen veya karbondioksit) kullanmak alışılagelmiştir. Elektron yayımı (emisyonu) oksit içeren alanlarda meydana geldiğinden, arka yakın bölgelerde sürekli oksit içeren alanlar oluşturmak için küçük miktarlarda oksijen veya karbondioksit ilave etmek

29

gerekmektedir. Bu bölgelerde sürekli bir oksit tabakası mevcut olduğundan ve ark, elektron yayımı sonrası kırılan oksit tabakaları arasında devamlı şekilde atlamak zorunda olmadığından, saf argon, saf helyum veya bunların karışımlarının meydana getirdiği arka kıyasla daha istikrarlı bir ark elde edilmektedir. Arkın stabilize edilmesinde oksijen, karbondioksite kıyasla 2-3 kat daha etkilidir.

Koruyucu gaza O2 ve CO2 ilavesi ergimiş metal damlacıklarının yüzey gerilimini düşürmektedir ve bu, sprey modunda çalışan arkı stabilize etmektedir. Ayrıca argona kıyasla ana metalin ıslatılma özelliği iyileşmektedir [50].

Oksijen ve karbondioksit ilavesinin dezavantajları ise oksitli bir kaynak yüzeyi meydana getirmeleri ve ana malzemede alaşım elementlerinin oksidasyon kayıplarına neden olmalarıdır. Oksidasyon kayıpları açısından O2, CO2’e göre on kat daha etkilidir [48].

2.2.3 Azot

Yüksek sıcaklıklar dışında soy olarak değerlendirilebilen bir gazdır. Ark kaynağı sıcaklıklarında, bazı metallerle (örneğin, aluminyum, magnezyum, çelik ve titanyum) etkileşime girebilmektedir; bundan dolayı birincil koruyucu gaz olarak kullanılmamaktadır. Bazı kaynak uygulamalarında (örneğin bakır) diğer gazlarla birlikte ve plazma kesmede geniş olarak kullanım alanı bulmaktadır.

2.2.4 Hidrojen

Bilinen en hafif elementtir ve yanıcı bir gazdır. Oksijen veya hava ile belirli konstrasyonlarda karıştırıldığında patlayıcı karışımlar meydana gelebilmektedir. Hidrojen genellikle, ana malzemeye olan ısı girdisini arttırmak veya kesme ve oyma içeren operasyonlar için soygazlara ilave edilmektedir. Bazı malzemeler hidrojen kaynaklı kirlenmelere çok duyarlı olduğundan, kullanım alanı, paslanmaz çeliklerin birleştirilmesi ve plazma kesme ve oyma gibi özel uygulamalar ile sınırlı kalmaktadır [2].

30