Doç.Dr. Murat VURAL İTÜ Makina Fakültesi EÜT 231 ÜRETİM YÖNTEMLERİ Doç.Dr. Murat VURAL İTÜ Makina Fakültesi

KAYNAK TEKNOLOJİSİNİN ESASLARI Kaynak Teknolojisine Genel Bakış Kaynaklı Bağlantı Kaynak Fiziği Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri 1

Birleştirme ve Montaj’ın Tarifi Birleştirme – kaynak, sert lehimleme, yumuşak lehimleme ve yapıştırma Bu yöntemler, parçalar arasında kalıcı bir birleşim oluşturur. Montaj – (genellikle) mekanik yöntemlerle parçaları birleştirme Bu yöntemlerden bazıları, demontaja izin verirken diğerleri vermez 2

Kaynak İki (veya daha fazla) parça, ısı ve/veya basınç uygulayarak, birbirine temas eden yüzeylerinden birleştirilir. Çoğu kaynak işlemi, herhangi bir basınç uygulanmadan, sadece ısı ile oluşturulur Diğerleri ise, ısı ve basıncın birlikte kullanılmasını gerektirir Bazıları, dış ısı kullanmadan sadece basınçla yapılır Bazı kaynak yöntemlerinde birleştirmeyi gerçekleştirmek için bir dolgu (ilave) malzeme kullanılır 3

Kaynak Niçin Önemlidir? Kalıcı bir bağlantı sağlar Kaynaklı parçalar bir bütün haline gelir Malzeme kullanımı ve fabrikasyon maliyetleri bakımından genellikle en ekonomik yoldur Mekanik birleştirme, genellikle ilave donanım elemanları (örn. cıvata ve somun) ve birleştirilen parçalarda geometrik değişiklikleri gerektirir Bir fabrika ortamıyla sınırlı değildir Kaynak “sahada” da yapılabilir 4

Kaynağın Sınırlamaları ve Sakıncaları Çoğu kaynak işlemi elle uygulanır ve işçilik maliyetleri bakımından pahalıya malolur Çoğu kaynak yönteminde yüksek enerji kullanılır ve bunlar son derece tehlikelidir Kaynaklı bağlantılar kolay bir demontaja izin vermez Kaynaklı bağlantılarda tespiti zor olan kalite hataları bulunabilir 5

Kaynakta Birleştirilen Yüzeyler Birleştirilecek olan, temas halindeki veya yakın şekilde yerleştirilmiş parça yüzeyleri Kaynak, iki metalsel parçanın birbirine temas eden yüzeylerinin yerel olarak birleştirilmesinden oluşur Kaynak genellikle aynı metalden yapılan parçalara uygulanır; ancak bazı kaynak işlemlerinde farklı metaller kullanılabilir 6

Kaynak Yöntemlerinin Türleri Amerikan Kaynak Derneği (AWS) tarafından, 50 kadar birbirinden farklı kaynak yöntemi sınıflandırılmıştır Kaynak yöntemleri iki temel kategoriye ayrılabilir: Eritme kaynağı Katı hal kaynağı 7

Eritme Kaynağı Esas metalleri eriten kaynak yöntemleri Çoğu eritme kaynak işleminde, işlemi tamamlamak ve bağlantının sağlam ve rijit olmasını sağlamak için bir dolgu metali eklenir Dolgu (ilave) metal kullanılmayan bir eritme kaynak işlemi “otojen (kendi kendine eriyen) kaynak” olarak adlandırılır 8

Bazı Eritme Kaynak Yöntemleri Ark kaynağı (AW) – metallerin eritilmesi, bir elektrik ark’ı ile sağlanır Direnç kaynağı (RW) ‑ eritme, basınç altında bir arada tutulan temas halindeki yüzeylerin bir elektrik akımına dirençlerinden oluşan ısı ile sağlanır Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) ‑ eritme, asetilen gibi bir oksi-yanıcı gaz ile sağlanır 9

Ark Kaynağının Esasları Elektrod İlave metal Ark Kaynaklı bağlantı Koruyucu gaz Erimiş banyo Esas metal Penetrasyon Birleştirilecek parçalar (1)Ön görünüş (önce) (2) Enkesit (yandan) görünüş (3) Ön görünüş (sonra) Şekil 30.1 – Ark kaynağının esasları; (1) kaynaktan önce; (2) kaynak sırasında esas metal eritilir ve ilave metal erimiş banyoya katılır; ve (3) bitmiş kaynaklı parça. Ark kaynağının pek çok türü vardır 10

Katı Hal Kaynağı Birleşmenin, sadece basınç veya ısı ve basıncın birlikte etkitilmesiyle oluştuğu kaynak yöntemleri Eğer ısı kullanılırsa, sıcaklık kaynak yapılan metallerin erime sıcaklığından düşüktür Katı hal kaynağında ilave metal (dolgu metali) kullanılmaz 11

Bazı Katı Hal Kaynak Yöntemleri Difüzyon kaynağı (DFW) –birleşme, yüksek sıcaklıkta basınç altında bir arada tutulan iki yüzey arasında katı hal kaynağı ile gerçekleştirilir Sürtünme kaynağı (FRW) ‑ birleşme, iki yüzey arasındaki sürtünme ısısı ile gerçekleştirilir Ultrasonik kaynak (USW) ‑ birleşme, basınç altında bir arada tutulan iki parçanın temas halindeki yüzeylerine paralel yöndeki ultrasonik titreşim hareketleriyle oluşturulur 12

Kaynağın Temel Uygulamaları Konstrüksiyon – yapı ve köprüler Boru hatları, basınçlı kaplar, kazanlar ve depolama tankları Gemi yapımı Uçak ve uzay Otomotiv Demiryolları 13

İmalat Ark Kaynağında Kaynakçı ve Yardımcısı Kaynakçı – kaynak tabancasının doğrultusunu veya konumunu elle kontrol eder Genellikle, kaynak yardımcısı denilen ve parçaları kaynaktan önce ayarlayan ikinci bir işçi tarafından yardım edilir Kaynak fikstürleri ve pozisyonerleri, bu amaçla yardımcı olmak için kullanılır 14

İş Güvenliği Konusu Kaynak, çalışan kişiler için son derece tehlikelidir Erimiş metallerin yüksek sıcaklıkları Gaz kaynağında, yanıcı gazlar (Örn. Asetilen) yangın çıkarabilir Çoğu kaynak yönteminde elektrik enerjisi kullanılır; bu nedenle elektrik çarpma riski vardır 15

Ark Kaynağına Özgü Zararlar Arktan yayınan kızılötesi ışınlar insan gözü için tahrip edicidir Kaynakçıların, koyu renkli camı olan özel bir maske takmaları gerekir Koyu renkli cam, tehlikeli radyasyonu durdurur ancak ark sönükken kaynakçının görüşünü engeller Kıvılcımlar, erimiş metal sıçramaları, duman ve gazlar ilave risklerdir Curuftan ve erimiş metalden çıkan tehlikeli gazların uzaklaştırılması için havalandırma gerekir 16

Kaynakta Otomasyon Elle kaynağın sakıncaları nedeniyle ve verimliliği arttırıp kaliteyi yükseltmek için, değişik mekanizasyon ve otomasyon türleri kullanılmaktadır Makinayla kaynak Otomatik kaynak Robotla kaynak 17

Kaynaklı Bağlantı Kaynakla birleştirilmiş parçaların yüzeylerinin veya kenarlarının birleşimi Kaynaklı bağlantı ile ilgili iki konu: Bağlantı türleri Bağlantıları oluşturan parçaları birleştirmek için kullanılan dikiş türleri 18

Beş Birleştirme Türü Alın bağlantı Köşe bağlantı Bindirme bağlantı T- bağlantı Kıvrık alın bağlantı 19

Alın bağlantı Parçalar aynı düzlemde bulunur ve kenarlarından birleştirilir Şekil 30.2 ‑ Beş temel bağlantı türü: (a) alın 20

Köşe bağlantı Köşe bağlantı halindeki parçalar bir dik açık oluşturur ve açının köşe kısmından birleştirilir Şekil 30.2 (b) köşe 21

Bindirme bağlantı Birbirinin üzerine bindirilmiş iki parçadan oluşur Şekil 30.2 (c) bindirme 22

T- bağlantı Parçalardan biri, bir “T” harfi oluşturacak şekilde, diğerine dik konumda yerleştirilmiştir Şekil 30.2 (d) T- 23

Kıvrık Alın Bağlantı Bir kıvrık alın bağlantıdaki parçalar, en az bir kenarlarını ortaklaşa kullanırlar ve bağlantı bu ortak kenardan gerçekleştirilir Şekil 30.2 (e) kıvrık alın 24

Dikiş Türleri Belirtilen bağlantıların her biri kaynakla yapılabilir Diğer birleştirme yöntemleri de anılan bağlantı türlerinden bazıları için kullanılabilir Bağlantı türü ile bunun oluşturulma yolu arasında bir farklılık bulunur – dikiş türü 25

İçköşe (Dolgu) Dikişi Köşe, bindirme veya T-bağlantıların oluşturduğu levha kenarlarını doldurmak için kullanılır Kesiti yaklaşık bir dik üçgen şekline getirmek için dolgu (ilave) metali kullanılır Ark ve oksi-yanıcı gaz kaynağında en yaygın dikiş türüdür En az kaynak ağız hazırlığı gerektiren dikiş türüdür 26

İçköşe Dikişleri Şekil 30.3 ‑ Değişik içköşe dikiş formları: Kaynak bağlantısı Şekil 30.3 ‑ Değişik içköşe dikiş formları: (a) tek taraflı içköşe bağlantısı; (b) tek taraflı dış köşe bağlantısı; (c) çift içköşe dikişli bindirme bağlantı; ve (d) çift içköşe dikişli T- bağlantı Kesikli çizgiler, orijinal parça kenarlarını göstermektedir 27

Alın Dikişleri Kaynak nüfuziyetini sağlamak için genellikle parça kenarlarının (kaynak ağzı) şekillendirilmesini gerektirir Ağız hazırlığı, parça imalat maliyetini yükseltir Alın dikişleri, tek veya çift taraftan kare veya açılmış V, U ve J ağızları içerir Çoğu alın bağlantıyla yakından ilgilidir 28

Alın Dikişleri Kaynak bağlantısı Şekil 30.4 ‑ Bazı alın dikişleri: (a) kare alın dikişi, tek taraftan; (b) tek taraftan ağız açılmış alın; (c) tek V-alın dikişi; (d) tek taraftan U- alın dikişi; (e) tek taraftan J‑alın dikişi; (f) daha kalın parçalar için çift taraftan V-alın dikişi. Kesikli çizgileri orijinal kaynak kenarlarını göstermektedir 29

Şekil 30.5 ‑ (a) tapa kaynağı ve (b) delik kaynağı Tapa ve Delik Kaynağı İki parçayı eriterek birleştirmek için, üstteki parçada bir veya birkaç delik veya tapa açıp, daha sonra ilave metalle bu deliğin veya tapanın doldurulduğu kaynak dikişi Tapa kaynağı için üst parçada açılan tapa Delik kaynağı Üst parçada açılan delik (a) (b) Şekil 30.5 ‑ (a) tapa kaynağı ve (b) delik kaynağı 30

Direnç Nokta Kaynağı İki saç veya levhanın yüzeyleri arasında, küçük bir erimiş kesit Bindirme bağlantılar için kullanılır Çoğu direnç kaynağıyla yakından ilgilidir Nokta kaynağı İki saç parça Kısmi kesit Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Şekil 30.6 ‑ (a) Nokta kaynağı 31

Direnç Dikiş Kaynağı Bir direnç dikiş kaynağı, direnç nokta kaynağına benzer ancak iki saç parça arasında az yada çok erimiş bir kesit içermesiyle ayrılır Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Dikiş kaynağı Bindirme kısmı Saç metal parçalar Şekil 30.6 ‑ (b) dikiş kaynağı 32

Flanş Kaynağı ve Yüzey Kaplama Yüzey kaplama kaynak dikişi İki saç metal parça (a) (b) Şekil 30.7 ‑ (a) flanş kaynağı; ve (b) yüzey kaplama kaynağı 33

Kaynak Fiziği Eritme, kaynakta birleşimi sağlayan en yaygın araçtır Eritmeyi oluşturmak için, temas eden yüzeylere yüksek yoğunlukta bir ısı enerjisi uygulamak gerekir, böylece oluşturulan sıcaklık esas metallerin (ve kullanılmışsa ilave metalin) yerel olarak erimesine yol açar Metalurjik nedenlerden dolayı, minimum enerjiyle ancak yüksek ısı yoğunluklarıyla eritme tercih edilir 34

Isı Yoğunluğu Birim yüzey başına parçaya aktarılan güç (güç yoğunluğu), W/mm2 Eğer güç yoğunluğu çok düşükse, ısı parça içine iletilir ve erime oluşmaz Eğer güç yoğunluğu çok fazlaysa, yerel sıcaklıklar, etkilenen bölgedeki metali buharlaştırır Kaynağın gerçekleştirilebildiği, pratik bir ısı yoğunluğu aralığı mevcuttur 35

Kaynak Yöntemleri Arasında Bazı Karşılaştırmalar Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) geniş ısı miktarları üretir, ancak bu ısı geniş bir alana dağıldığından ısı yoğunluğu göreceli olarak düşüktür Oksi-asetilen gazı, OFW gazlarının en sıcak olanıdır; 3500°C’lik bir maksimum sıcaklığa ulaşır Ark kaynağı, yerel sıcaklıkları 5500 ila 6600C’ye ulaşan, dar bir alanda yüksek enerji üretir 36

Değişik Kaynak Yöntemleri için Yaklaşık Güç Yoğunlukları Kaynak yöntemi W/mm2 Oksi-yanıcı gaz 10 Ark 50 Direnç 1,000 Laser ışını 9,000 Elektron ışını 10,000 37

Güç Yoğunluğu Yüzeye giren enerjinin buna karşı gelen yüzey alanına oranı: burada PD = güç yoğunluğu, W/mm2 ; P = yüzeye giren enerji, W ; ve A = enerjinin girdiği yüzey alanı, mm2 38

Eritme için Birim Enerji Birim hacim metali eritmek için gerekli ısı miktarı Sembolü Um Aşağıdakilerin toplamından oluşur: Katı metali erime sıcaklığına yükseltmek için gerekli ısı Hacimsel özgül ısıya bağlıdır Metali erime sıcaklığında, katıdan sıvı faza dönüştürmek için gerekli ısı Eritme ısısına bağlıdır 39

Kaynakta İki Isı Transfer Mekanizması Tüm girdi enerjisinin kaynak metalini eritmekte kullanıldığına dikkat ediniz Isı transfer etkinliği f1 – menbada üretilen toplam ısının parça tarafından alınan gerçek ısıya oranı Eritme etkinliği f2 – eritme için kullanılan, parça yüzeyinden alınan ısı kısmı; kalanı parça metaline iletilir 40

Kaynağa Uygun Isı Hw = f1 f2 H burada Hw = kaynağa uygun net ısı; f1 = ısı transfer etkinliği; f2 = eritme etkinliği; ve H = kaynak yönteminin ürettiği toplam ısı 41

Isı Transfer Etkinliği f1 Menbada üretilen toplam ısıya göre parça yüzeyinde üretilen ısı kısmı Kaynak yöntemine ve güç menbaının (örn. Elektrik enerjisi) parça yüzeyinde kullanılabilir ısıya dönüşme kapasitesine bağlıdır Oksi-yanıcı gaz kaynak yöntemi göreceli olarak daha az etkindir Ark kaynağı göreceli olarak daha etkindir 42

Eritme Etkinliği f2 Isının, parça yüzeyinde eritme için alınan kısmı; kalanı parça metali içine iletilir Kaynak yöntemine bağlıdır ancak metalin ısıl özelliklerinden, bağlantı konfigürasyonundan ve parça kalınlığından da etkilenir Alüminyum ve bakır gibi yüksek ısıl iletkenliğe sahip metaller, temas alanından ısının hızlı dağılması nedeniyle kaynakta problem oluştururlar 43

Enerji Denge Denklemi Hw = Um V burada Hw = işleme verilen net ısı enerjisi, J; Um = metali eritmek için gerekli birim enerji, J/mm3 ve V = eritilen metal hacmi, mm3 44

Tipik Eritme Kaynaklı Bağlantı Kaynak arayüzeyi Erimiş bölge Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) Etkilenmemiş esas metal bölgesi Erime bölgesindeki kolonsal yapı Kaynak arayüzeyine yakın ITAB’da iri taneler Kaynak arayüzeyinden uzakta ince taneler Orijinal soğuk şekil değiştirmiş taneler Şekil 30.8 ‑ Tipik bir eritme kaynaklı bağlantının kesiti: (a) Bağlantıdaki temel bölgeler, ve (b) tipik tane yapısı 45

Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri İlave metalin katıldığı tipik eritme kaynak bağlantısı aşağıdakilerden oluşur: Erime bölgesi Kaynak arayüzeyi Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) (Heat affected zone = HAZ) Etkilenmemiş esas metal bölgesi 46

Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) Metal, erime sıcaklığının altında ancak katı metalde mikroyapısal değişikliklere neden olmaya yeterli sıcaklıklara maruz kalmıştır, Kimyasal bileşimi esas metalle aynıdır, ancak bu bölge, özellikleri değişecek ve yapısı dönüşecek şekilde ısıl işlem görmüştür ITAB’daki mekanik özelliklere etkisi genellikle olumsuzdur, ve kaynak hasarının en çok oluştuğu yer burasıdır 47