ME220T Tasarım ve İmalat

(1)

ME220T Tasarım ve İmalat

17. Kaynakla Birleştirme Yöntemleri

Mehmet DEMİRKOL

KAYNAK YÖNTEMLERİ

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

Groover, “Fundamentals of Modern Manufacturing”, Bölüm 31

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

2

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

3

Ark Kaynağı

 Elektrod ucunun yakınında bir erimiş metal banyosu oluşturulur

 Elektrod bağlantı boyunca ilerlerken, erimiş metal kendi kanalında katılaşır

Şekil 31.1 - Bir ark kaynak yönteminin temel konfigürasyonu ve elektrik devresi

Elektrod kablosu Kaynak makinası Elektrod pensi

İlave metal (bazen) Elektrod

İLERLEME YÖNÜ

Parça kablosu Parça kıskacı

Erimiş kaynak banyosu Parça

Ark Katılaşmış

kaynak

banyosu AC veya DC

akım üreteci

5

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

6

(2)

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

7

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

8

b. Erimeyen Elektrodlar

 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

9

Arkın Korunması

 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 CO₂gibi koruyucu gazlar veya

 Dekapan katı (veya toz) madde kullanılır

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

11

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)

12

(3)

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

Transformatör (AC) Redresör (çevirici) (DC) Jeneratör (DC)

13

Eriyen Elektrodları Kullanan Ark Kaynak Yöntemleri

 Elektrik ark kaynağı (SMAW)

 Gazaltı ark kaynağı (GMAW-GTAW)

 Özlü telle ark kaynağı (FCAW)

 Tozaltı ark kaynağı (SAW)

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

15

Şekil 31.2 - Bir (insan) kaynakçı tarafından uygulanan örtülü çubuk elektrotla elektrik ark kaynağı

16

Şekil 31.3 - Elektrik ark kaynağı (Shielded Metal Arc Welding=SMAW) İLERLEME YÖNÜ

Eriyen elektrot

Elektrot örtüsü (Dekapan) Curuf

Katılaşmış kaynak metali Erimiş kaynak metali Esas metal

Elektrot örtüsünden koruyucu gaz

17

Elektrik Ark Kaynağında Çubuk Elektrod

 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

18

(4)

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.

22

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 CO₂ 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

23

Şekil 31.4 - Eriyen elektrotla gazaltı ark kaynağı (MIG/MAG kaynağı) (Gas Metal Arc Welding = GMAW))

Makaradan besleme

Koruyucu gaz

Tel elektrot

Nozul

Koruyucu gaz

Katılaşmış kaynak metali İLERLEME YÖNÜ

Erimiş kaynak metali Esas metal

25

Cüruf yok

MIG/MAG Kaynağının Elektrik Ark Kaynağına Göre Üstünlükleri

 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)

26

Şekil 31.5 – MIG/MAG kaynağı için kaynak torcu

27

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

28

(5)

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

Makaradan besleme

Koruyucu gaz Nozul (opsiyonel)

Kılavuz boru (kontak boru) Curuf

Katılaşmış kaynak metali Erimiş kaynak metali

Özlü tel elektrot Dekapan öz

Koruyucu gaz (opsiyonel) Ark

Esas metal

29

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.

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

32

Şekil 31.8 - Tozaltı ark kaynağı (Submerged Arc Welding SAW)

Erimiş toz dekapan Erimiş kaynak metali

Curuf (katılaşmış toz) Katılaşmış kaynak metali Toz dekapanı geri kazanmak için vakum sistemi Eriyen

elektrod

Toz dekapan örtüsü Huniden toz

dekapan

Esas metal

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

34

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)

35

(6)

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

36

Şekil 31.9 - TIG kaynağı

Koruyucu gaz

Gaz nozulu

Elektrodun ucu

Esas metal Koruyucu gaz Tungsten elektrod (erimeyen)

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

40

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

41

Şekil 31.10 - Plazma ark kaynağı

Koruyucu gaz Plazma gazı Tungsten elektrod

Koruyucu gaz

Esas metal Plazma demeti

42

PAK Üstünlükleri ve Sınırlamaları

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

43

(7)

Saplama Ark Kaynağı (Stud Welding = SW)

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

Saplama

Seramik halka

Erimiş kaynak metali Katılaşmış kaynak metali

45

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)

46

Şekil 31.12 - Direnç kaynağı grubunun en yaygın uygulaması olan Nokta (Punta) kaynağındaki bileşenleri gösteren

direnç kaynağı

Kuvvet

Elektrod Kaynak çekirdeği

Saç metal parçalar

Elektrik Akımı

Kuvvet Elektrod

47

Direnç Kaynağının Üstünlükleri ve Sınırlamaları

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

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

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

Elektrot

Kuvvet

Akım Erimiş metal

Kaynak çekirdeği

Nokta kaynak çevrimi

Kuvvet, Akım

Akım

51

(8)

Şekil 31.14 -Mafsal kollu nokta kaynak makinası

Üst kol

Alt kol

Mafsal kolunu harekete geçirmek için pnömatik silindir Elektrodlar

Operatör

ayak pedalı Atölyeden sağlanan

basınçlı hava

52

Direnç Dikiş Kaynağı (Resistance Seam Welding - RSEW)

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

54

Şekil 31.15 - Direnç dikiş kaynağı (RSEW) Disk elektrod

Disklerin arasından geçen parçalar Saç metal parçalar

Disk elektrod

55

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

59

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

Kuvvet

Kaynak çekirdeği Elektrod

Kabartı (Projeksiyon) Saç-metal parçalar

60

Şekil 31.18 - (b) çapraz-tel kaynağı

Çapraz-tel Kaynağı

Üstten görünüş

Kaynak çekirdeği Teller

A-A Kesiti

61

(9)

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

64

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

65

Şekil 31.21 - Tipik bir oksi-asetilen kaynak işlemi (OAW)

C2H2+O2 karışımı

Kaynak üflecinin ucu (bek) Alev

Katılaşmış kaynak metali Erimiş kaynak metali İLERLEME YÖNÜ

İlave çubuk

Esas metal

67

Diğer Eritme Kaynak Yöntemleri

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

76

Elektron Işın Kaynağı (EBW)

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

77

EBW Üstünlükleri ve Eksiklikleri

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

81

(10)

Lazer Işın Kaynağı (LBW)

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

82

Karşılaştırma: LBW ile EBW

 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

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 Fe3O4 tozlarının karışımı

 Yangın bombalarında da kullanılmaktadır

 İlave metal, sıvı metalden elde edilir

 Yöntem birleştirme için kullanılır; ancak kaynağa göre döküm işleminde daha yaygındır

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

Termit reaksiyonundan aşırı sıcak çelik

Curuf Pota Tapa aparatı

Kalıp

Curuf

Kaynak

87

Termit Kaynağı’nın (TW) Uygulamaları

 Demiryolu raylarının birleştirilmesi

 Büyük çelik döküm ve dövme parçalardaki çatlakların tamiri

 Dikiş yüzeyi, sonradan işlemeyi gerektirmeyecek derecede pürüzsüzdür

88

Katı Hal Kaynağı (Solid State Welding)

 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

89

(11)

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

90

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

91

Katı Hal Kaynak Yöntemleri

1. Dövme kaynağı 2. Haddeleme kaynağı 3. Difüzyon kaynağı 4. Patlamalı kaynak 5. Sürtünme kaynağı 6. Ultrasonik kaynak

92

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

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

95

Şekil 31.26 - Haddeleme (Giydirme) Kaynağı (ROW) (CLADDING)

Haddeleme (Giydirme) Kaynağı

Kaynak yapılacak parçalar

Merdane

Dikiş Kaynaklı parçalar

96

(12)

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

97

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

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

99

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

100

Patlamalı Kaynak

Çoğu kez iki farklı metalin birleştirilmesinde, özellikle de büyük yüzeyler halinde bir metalin diğerinin üzerine kaplanmasında kullanılır

Şekil 31.27 - Patlamalı kaynak (EXW): (1) paralel konfigürasyon halinde yerleştirme, ve (2) patlayıcının patlaması sırasındaki

durum

Ateşleyici Aralık

Patlayıcı Tampon Kaplanan tabaka Altlık

Örs Dikiş

Patlama

Kaplanan tabaka Alt tabaka Yüzey filmlerinin fışkırması

101

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

102

(13)

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

Dönen kavrama

Dönmeyen kavrama

Eksenel hareket

edebilir Sürtünme

oluşturmak üzere parçalar temas ettirilir

Eksenel kuvvet uygulanır Kuvvet

uygulanırken dönme durdurulur

Oluşan dikiş

103

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

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

Şekil 31.29 - Ultrasonik kaynak (USW):

(a) Bir bindirme bağlantı için genel ekipman; ve (b) kaynak bölgesinin yakından görünüşü

Kütle

Ultrasonik transdüser

Kaynak yapılacak parçalar

Örs Örs

Sonotrod ucu

Aşağıya doğru kuvvet

Titreşim hareketi Sonotrod ucu

Ultrasonik Kaynağın Uygulamaları

 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

(14)

Kaynak Kalitesi

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

Artık Gerilmeler ve Distorsiyon

 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. Çatlaklar b. Boşluklar c. Katı kalıntılar d. Yetersiz erime

Diğer hatalar

a. 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

Şekil 31.31 - Kaynak çatlaklarının değişik şekilleri

Enine çatlak

Boyuna çatlak Esas metal çatlağı Dikişaltı çatlağı

b. 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

(15)

c. 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 Al₂O₃ yüzey kaplamasına sahip alüminyum gibi belirli metallerin kaynağında oluşan metal oksitlerdir

d. Yetersiz Erime

 Erime azlığı olarak da bilinen, erimenin bağlantının tüm kesitinde oluşmadığı bir kaynak dikişidir

Şekil 31.32 - Yetersiz erimenin değişik şekilleri

Yetersiz erime

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

Şekil 31.33 - (a) Tek V-ağızlı kaynak bağlantısı için istenen dikiş profili

Düzgün profil

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)

Ark Kaynağı Profil Hataları

Yanma oluğu Eksik dolgu Soğuk yapışma

Muayene ve Test Yöntemleri

 Gözle Muayene

 Tahribatsız Değerlendirme (Nondestructive Evaluation)

 Tahribatlı Test

Gözle Muayene

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

(16)

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

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

Kaynak Kabiliyeti

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.