KAYNAK YÖNTEMLERİ EÜT 231 ÜRETİM YÖNTEMLERİ. Kaynak Yöntemlerinin İki Temel Kategorisi. Ark Kaynağı (Arc Welding=AW) Elektrik Arkı Nedir?

(1)

EUT 231 Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

EÜT 231 ÜRETİM YÖNTEMLERİ

Doç.Dr. Murat VURAL İTÜ Makina Fakültesi

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

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 EUT 231 Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

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

Elektrik Arkı Nedir?

Elektrik arkı = bir devredeki aralıktan geçen elektrik akım deşarjı

 Akımın aktığı bir iyonize gaz demeti (plazma) tarafından sürdürülür

 Ark kaynağında arkı başlatmak için, elektrod parça ile temas haline getirilir ve hemen ayrılarak kısa bir mesafede tutulur

Elektrot kablosu

Kaynak makinası Elektrot pensi

İlave metal (bazen) Elektrot

İLERLEME YÖNÜ

Parça kablosu Parça kıskacı

Erimiş kaynak banyosu Parça

Ark Katılaşmış

kaynak

banyosu AC veya DC akım üreteci

Şekil 31.1 - Bir ark kaynak yönteminin temel konfigürasyonu

ve elektrik devresi ₅

Ark Kaynağı

 Elektrot ucunun yakınında bir erimiş metal banyosu oluşturulur

 Elektrot bağlantı boyunca ilerlerken, erimiş metal kendi kanalında katılaşır

(2)

Elle Ark Kaynağı ve Ark Süresi

 Elle kaynakta problemler:

 Kaynak bağlantı kalitesi

 Üretkenlik

 Ark Süresi = (Ark süresi)’nin (çalışma saati)’ne oranı

 Diğer adı “ark-on time”

 Tipik değerler:

Elle kaynak ark süresi = % 20

Makinayla kaynakta arttırılmış ark süresi ~ % 50

Ark Kaynak Elektrotlarının İki Temel Türü

 Eriyen – kaynak sırasında tüketilen

 Ark kaynağında ilave metali oluşturur

 Erimeyen – kaynak işlemi sırasında tüketilmeyen

 Herhangi bir ilave metalin ayrıca eklenmesi gerekir

7

Eriyen Elektrotlar

 Eriyen elektrotların biçimi

(Örtülü elektrot olarak da bilinen) Kaynak çubukları, 22,5 cm’den 45 cm’ye kadar uzunlukta ve 9,5 mm veya daha küçük çaplıdır ve periyodik olarak değiştirilmeleri gerekir

Kaynak telleri, sık sık kesintilerden kaçınmak üzere, uzun tel boylarına sahip makaralardan sürekli olarak beslenebilir

 Hem tel hem de çubuk formundaki elektrot, ark içinde tüketilir ve ilave metal olarak kaynağa eklenir

Erimeyen Elektrotlar

 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

Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

Arkın Korunması

 Ark kaynağındaki yüksek sıcaklıklarda, metaller havadaki oksijen, azot ve hidrojene karşı kimyasal olarak reaktifdir

Bağlantının mekanik özellikleri, bu tür reaksiyonlar sonucu ciddi şekilde bozulabilir

İşlemi korumak için, tüm ark kaynak yöntemlerinde arkın çevresindeki havadan korunması gerekir

Argon, Helyum ve CO2gibi koruyucu gazlar

Dekapan

Dekapan

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

(3)

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)

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 (DC) Jeneratör (DC)₁₃

Eriyen Elektrodları Kullanan Ark Kaynak Yöntemleri

 Elektrik ark kaynağı (SMAW)

 Gazaltı ark kaynağı (GMAW-GTAW)

 Özlü telle ark kaynağı (FCAW)

 Elektrogaz kaynağı (EGW)

 Tozaltı ark kaynağı (SAW)

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 YTL’ye elde edilebilir

15

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

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

Eriyen elektrot

Elektrot örtüsü Curuf

Katılaşmış kaynak metali

Erimiş kaynak metali Esas metal

Elektrot örtüsünden koruyucu gaz

17

(4)

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

Yüksek akım seviyeleri, örtünün erken erimesine neden olabilir

TS 563- EN 499’a göre Örtülü Elektrotlar

19

Örtülü Çubuk Elektrot Seçimi

Kaynak Parametrelerinin Etkileri

21

Elektrik Ark Kaynağının Uygulamaları

 Çelikler, paslanmaz çelikler, dökme demirler ve bazı belirli demirdışı alaşımlarda kullanılır

 Alüminyum ve alaşımlarında, bakır alaşımlarında ve titanyumda hiç veya nadiren kullanılır.

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 CO₂gibi aktif gazlardan (MAG) oluşur

 Koruyucu gaz ve çıplak tel elektrot, kaynak banyosu üzerindeki curuf örtüsünün oluşmamasını sağlar – curufun elle taşlanmasına veya temizlenmesine ihtiyaç duyulmaz

(5)

MIG/MAG Kaynak Donanımı

Koruyucu gaz Akım üreteci Şasi kablosu Parça Tel makarası

(Çelik tellerin dışı bakır kaplıdır)

Hortum paketi Torç

Tel Elektrod Ark Tel besleme motoru

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

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

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

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 İLERLEME YÖNÜ

Koruyucu gaz (opsiyonel) Ark

Esas metal

29

(6)

Elektrogaz Kaynağı (Electrogas Welding = EGW)

Ya özlü tel elektrot ya da ilave koruyucu gazlı çıplak tel olabilen bir sürekli eriyen elektrot ve erimiş metali tutan kalıplama pabuçlarını kullanır

 Özlü tel elektrot kullanıldığı zaman ve dışarıdan gaz beslenmediği zaman, özlü tel elektrotla ark kaynağının özel bir türü haline gelir

 Dış bir menbadan koruyucu gazlı çıplak tel elektrot kullanıldığında ise, MIG/MAG kaynağının özel bir türü haline gelir.

Şekil 31.7 - Özlü tel elektrod kullanan elektrogaz kaynağı:

(a)görünüşü basitleştirmek için kalıplama pabucu çizilmemiş önden görünüş, ve (b) Her iki tarafta kalıplama pabuçları

gösterilen yan görünüş

Özlü tel elektrot besleme

Hareketli kaynak kafası (yukarı)

Hareketli pabuç (her iki tarafta) Soğutucu su girişi

Su çıkışı Erimiş curuf

Erimiş kaynak metali Katılaşmış kaynak metali Esas

parça

31

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

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

elektrot

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

Tozaltı Ark Kaynağı Uygulamaları

(7)

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)

TIG Kaynağı

(Gas Tungsten Arc Welding = GTAW)

Erimeyen bir Tungsten elektrod ve arkın korunması için bir soy (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 elektrot (erimeyen)

TİG KAYNAĞI

TIG Kaynağının Uygulanması

Elektrodun tutuluşunun önden ve

yandan görünüşü Kaynağın yapılışı sırasında torcun

tutuluşu ³⁸ EUT 231 Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

TIG Kaynağının Uygulamasına Örnek

Uzay mekiğinin kaynakla imal edilen dış yakıt tankları. 2219 alüminyum alaşımından oluşturulan bu tankların imalinde hem TIG hem de plazma

ark kaynağı kullanılmaktadır. ₃₉

(8)

TIG Kaynağının Üstünlükleri ve Eksiklikleri

 Üstünlükleri:

Uygun uygulamalar için yüksek kaliteli kaynaklar

İlave metal ark’ı oluşturmadığından sıçrama oluşmaz

Curuf olmadığından kaynaktan sonra temizleme gerekmez veya çok az gerekir

 Eksiklikleri:

Eriyen elektrot kullanan ark kaynaklarına göre genellikle daha yavaş ve daha pahalıdır

TİG ve MİG Kaynak Yöntemleri Kaynak Dikişi Karşılaştırması

Ekleme: Yrd.Doç.Dr. Sunal Ahmet PARASIZ, Sakarya Üniversitesi, Mak. Müh.Böl., 2016

TİG MİG

Plazma Ark Kaynağı (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

Şekil 31.10 - Plazma ark kaynağı

Koruyucu gaz Plazma gazı Tungsten elektrod

Koruyucu gaz

Esas metal Plazma demeti

42

Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

PAW Üstünlükleri ve Eksiklikleri

İyi ark kararlılığı

Ark kaynağına göre daha iyi nüfuziyet kontrolu

Yüksek ilerleme (kaynak) hızları

Mükemmel dikiş kalitesi

Hemen tüm metallerin kaynağında kullanılabilir

 Eksiklikleri:

Yüksek ekipman maliyeti

Diğer ark kaynak yöntemlerine göre daha büyük torç boyutu – bazı bağlantı konfigürasyonlarına ulaşmayı zorlaştırma eğilimi taşır

(9)

Diğer Ark Kaynak ve İlgili Yöntemler

 Karbon ark kaynağı – erimeyen bir karbon (grafit) elektrodun kullanıldığı yöntem

 Saplama kaynağı – saplama veya benzer çubukların esas metale birleştirildiği yöntem

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

EUT 231 Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 Üretim Yöntemleri –Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi)

SAPLAMA ARK KAYNAĞI UYGULAMALARI

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)

Şekil 31.12 - Direnç kaynağı grubunun en yaygın uygulaması olan nokta kaynağındaki bileşenleri gösteren direnç

kaynağı

Kuvvet

Elektrod

Kaynak çekirdeği Saç metal parçalar Akım

Kuvvet Elektrod

47

(10)

Direnç Nokta Kaynağındaki Bileşenler

 Kaynak yapılacak parçalar (genellikle saç metal)

 Karşılıklı iki elektrot

 Parçaları elektrotlar arasında sıkıştırmak için basınç uygulama aparatları

 Belirli bir süre için kontrollü bir akım uygulayabilen güç üreteci

Direnç Kaynağının Üstünlükleri ve Eksiklikleri

İlave metal gerekmez

Yüksek üretim hızlarına erişilebilir

Mekanizasyonu ve otomasyonu kolaydır

Operatör beceri seviyesi, ark kaynağına oranla daha düşüktür

İyi tekrarlanabilirlik ve güvenilirlik

 Eksiklikleri:

Yüksek ilk ekipman maliyeti

Çoğu direnç kaynağı için bindirme bağlantılarla sınırlı

49

Direnç Nokta 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

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

Şekil 31.14 -Mafsal kollu nokta kaynak makinası

Üst kol

Alt kol

Mafsal kolunu harekete geçirmek için pnömatik silindir Elektrotlar

Operatör

ayak pedalı Atölyeden sağlanan

basınçlı hava

Direnç Kaynağında Kaynak Hataları

a) Şönt (kaçak) akım; b) Saç kalınlığının değişmesi; c) Saçların aralık

(11)

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

Şekil 31.15 - Direnç dikiş kaynağı (RSEW) Disk elektrod

Disklerin arasından geçen parçalar Saç metal parçalar

Disk elektrod

55

Şekil 31.16 - Disk elektrod tarafından üretilen farklı dikiş türleri: (a) üstüste binmiş noktalardan oluşan, geleneksel direnç dikiş

kaynağı Disk elektrot

Saç metal parçalar

Üstüste binmiş kaynak çekirdekleri

Şekil 31.16 - Disk elektrot tarafından üretilen farklı dikiş türleri: (b) disk elektrotla nokta kaynağı

Tek tek kaynak çekirdekleri

57

Şekil 31.16 - Disk elektrod tarafından üretilen farklı dikiş türleri:

(c) sürekli direnç dikişi Sürekli kaynak dikişi

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