Kaynak Malzemeleri Ve Çeşitleri
Kaynak, genellikle ısı uygulamasıyla metalik parçaların birleştirilmesinde kullanılan tekniktir. Bu teknik, demiri yararlı şekillere sokma çabaları sırasında keşfedilmiştir.
En ünlü Suriye’nin Şam’ındaki Arap zırhlıları tarafından üretilen CE, 1. bin yılda kaynaklı bıçaklar geliştirildi.
Sert çelik üretmek için demirin karbonlaştırılması işlemi şu anda biliniyordu, ancak elde edilen çelik çok kırılgandı.
İç içe geçmeyi içeren kaynak tekniği yüksek karbonlu malzemeyle nispeten yumuşak ve sert, ardından çekiç dövme – güçlü ve sert bir bıçak üretti.
Modern zamanlarda demir yapım tekniklerindeki iyileşme, özellikle dökme demirin tanıtılması, demirci ve kuyumcuya kaynak yapılmasını sınırladı.
Cıvata veya perçin ile tutturma gibi diğer birleştirme teknikleri, köprülerden ve demiryolu motorlarından mutfak gereçlerine kadar yeni ürünlere yaygın olarak uygulanmıştır.
Modern füzyon kaynak işlemleri, büyük çelik plakalar üzerinde sürekli bir bağlantı sağlama ihtiyacının bir sonucudur.
Perçinlemenin, özellikle kazan gibi kapalı bir kap için dezavantajları olduğu gösterilmiştir.
Gaz kaynağı, ark kaynağı ve direnç kaynağının tümü 19. yüzyılın sonunda ortaya çıktı. Kaynak işlemlerini geniş çapta benimseme konusunda ilk gerçek girişim I. Dünya Savaşı sırasında yapıldı.
1916’da oksiasetilen işlemi iyi gelişti ve daha sonra kullanılan kaynak teknikleri hala kullanılıyor. O zamandan bu yana görülen ana gelişmeler ekipman ve güvenlik konusunda olmuştur.
Bu dönemde tüketilebilir bir elektrot kullanarak ark kaynağı da yapıldı, ancak başlangıçta kullanılan çıplak teller kırılgan kaynaklar üretti.
Çıplak teli asbest ve dolaşık alüminyum bir tel ile sararak bir çözelti bulundu. 1907’de tanıtılan modern elektrot, karmaşık mineral ve metal kaplamalı çıplak telden oluşuyor. Ark kaynağı, gemi taşımacılığı, enerji santralleri, ulaşım ve yapılar için hızlı inşaat araçlarına acil ihtiyaç duyulmasının gerekli geliştirme çalışmalarını teşvik ettiği İkinci Dünya Savaşı’na kadar evrensel olarak kullanılmadı.
1877 yılında Elihu Thomson tarafından icat edilen direnç kaynağı, ark kaynağı ve sacın birleştirilmesi için ark kaynağından çok önce kabul edildi.
1920’lerde zincir yapma ve birleştirme çubukları ve çubuklar için alın kaynağı geliştirilmiştir. 1940’larda füzyon kaynaklarını gerçekleştirmek için tüketilemeyen bir tungsten elektrotu kullanan tungsten atıl gaz işlemi tanıtıldı.
1948’de yeni bir gaz korumalı işlem, kaynakta tüketilen bir tel elektrotu kullandı.
Daha yakın zamanlarda, elektron ışını kaynağı, lazer kaynağı ve difüzyonla bağlanma, sürtünme kaynağı ve ultrasonik birleştirme gibi çeşitli katı faz işlemleri geliştirilmiştir.
Kaynağın Temel İlkeleri
Bir kaynak, basınç uygulanarak veya uygulanmadan ve bir dolgu maddesi kullanımıyla ya da kullanılmadan uygun bir sıcaklığa ısıtılarak üretilen metallerin bir birleşimi olarak tanımlanabilir.
Füzyon kaynağında, bir ısı kaynağı, istenen boyutta bir erimiş metal havuzu oluşturmak ve muhafaza etmek için yeterli ısı üretir. Isı, elektrikle veya bir gaz alevi ile sağlanabilir. Elektrik direnç kaynağı füzyon kaynağı olarak kabul edilebilir, çünkü bir miktar erimiş metal oluşur.
Katı faz işlemleri, temel malzemeyi eritmeden ve bir dolgu metal ilavesi olmadan kaynak üretir. Basınç her zaman kullanılır ve genellikle bir miktar ısı sağlanır. Ultrasonik ve sürtünmeli birleştirmede sürtünme ısısı gelişir ve fırın ısıtması genellikle difüzyon yapışmasında kullanılır.
Kaynakta kullanılan elektrik ark, genellikle 10–50 voltta genellikle 10–2,000 amper aralığında yüksek akım, düşük voltajlı bir deşarjdır. Bir ark sütunu karmaşıktır, ancak geniş anlamda, elektronları yayan bir katoddan, akım iletimi için bir gaz plazmasından ve elektron bombardımanı nedeniyle katottan nispeten daha sıcak olan bir anot bölgesinden oluşur. Genellikle bir doğru akım (DC) yayı kullanılır, ancak alternatif akım (AC) yayları kullanılabilir.
Tüm kaynak işlemlerinde toplam enerji girişi, bir eklem üretmek için gerekli olanı aşıyor, çünkü üretilen ısının tümü etkin bir şekilde kullanılamıyor. Verimlilik, sürece bağlı olarak yüzde 60 ila 90 arasında değişmektedir; bazı özel işlemler bu rakamdan oldukça farklıdır. Isı, ana metal boyunca iletilerek ve çevreye yayılarak ısı kaybedilir.
Çoğu metal, ısıtıldığında, atmosferle veya yakındaki diğer metallerle reaksiyona girer. Bu reaksiyonlar kaynaklı bir bağlantının özelliklerine aşırı derecede zarar verebilir. Örneğin metallerin çoğu erimişken hızla oksitlenir. Bir oksit tabakası metalin uygun şekilde bağlanmasını önleyebilir. Oksit kaplı erimiş metal damlacıklar kaynakta tutulur ve eklemi kırılgan hale getirir. Spesifik özellikler için eklenen bazı değerli malzemeler, havaya maruz kaldıklarında öyle hızlı tepki verirler ki, biriktirilen metal başlangıçta olduğu gibi aynı bileşime sahip değildir. Bu problemler akıların ve atıl atmosferlerin kullanımına yol açmıştır.
Füzyon kaynağında akı, metalin kontrollü bir reaksiyonunu kolaylaştırmada ve sonra erimiş madde üzerinde bir örtü oluşturarak oksidasyonu önlemede koruyucu bir role sahiptir. Akılar aktif olabilir ve işlemde yardımcı olabilir ya da etkin değil ve sadece birleşme sırasında yüzeyleri koruyabilir.
Atıl atmosferler akılara benzer koruyucu bir rol oynar. Gaz korumalı metal ark ve gaz korumalı tungsten ark kaynağında inert bir gaz (genellikle argon), torcu çevreleyen bir halkadan sürekli bir akışta akar ve bu havayı arkın etrafından uzaklaştırır. Gaz, metal ile kimyasal olarak reaksiyona girmez, sadece havadaki oksijenle temasını önler.
Metal birleştirme metalurjisi, eklemin işlevsel yetenekleri için önemlidir. Ark kaynağı, bir bağlantının tüm temel özelliklerini gösterir. Üç bölge bir kaynak arkının geçişinden kaynaklanmaktadır: (1) kaynak metali veya füzyon bölgesi, (2) ısıdan etkilenen bölge ve (3) etkilenmemiş bölge.
Kaynak metali, bağlantı sırasında kaynak sırasında eritilmiş olan kısımdır. Isıdan etkilenen bölge, kaynak metaline bitişik, kaynaklanmamış ancak kaynak ısısından dolayı mikro yapı veya mekanik özelliklerinde bir değişiklik geçirmiş bir bölgedir.
Etkilenmemiş malzeme, özelliklerini değiştirmek için yeterince ısıtılmayan malzemedir.
Kaynak metali bileşimi ve donma koşulları (katılaştırır), ek yerinin servis gereksinimlerini karşılama yeteneğini önemli ölçüde etkiler.
Ark kaynağında, kaynak metali dolgu malzemesi artı erimiş olan baz metali içerir. Ark geçtikten sonra kaynak metalinin hızlı bir şekilde soğuması meydana gelir. Tek geçişli bir kaynak, erimiş havuzun kenarından kaynağın merkezine uzanan sütunlu taneler içeren bir döküm yapıya sahiptir.
Bir çoklu kaynakta, bu döküm yapı, kaynak yapılan belirli bir metale bağlı olarak değiştirilebilir.
Kaynağa veya ısıdan etkilenen bölgeye bitişik olan baz metal, bir dizi sıcaklık döngüsüne tabi tutulur ve yapıdaki değişimi, herhangi bir noktadaki tepe sıcaklığı, maruz kalma süresi ve soğutma hızları ile doğrudan ilgilidir.
Baz metal türleri burada tartışılacak kadar sayısızdır, ancak bunlar üç sınıfa ayrılabilir: (1) kaynak ısısından etkilenmeyen malzemeler, (2) yapısal değişiklikle sertleştirilmiş malzemeler, (3) çökeltme işlemleriyle sertleştirilmiş malzemeler.
Kaynak malzemelerde gerilme oluşturur. Bu kuvvetler, kaynak metalinin büzülmesi ve genleşerek ısıdan etkilenen bölgenin büzülmesi ile indüklenir.
Isıtılmamış metal yukarıdakilere bir sınırlama uygular ve büzülme baskın olduğu için, kaynak metali serbest şekilde büzüşemez ve ek yerinde bir gerilme meydana gelir.
Bu, genel olarak artık gerilme olarak bilinir ve bazı kritik uygulamalar için, tüm imalat işleminin ısıl işlemi ile çıkarılması gerekir.
Kalıntı gerilme, tüm kaynaklı yapılarda kaçınılmazdır ve kontrol edilmezse, kaynağın eğilmesi veya bozulması meydana gelecektir.
Kontrol, kaynak tekniği, aparatlar ve demirbaşlar, imalat prosedürleri ve son ısıl işlemle gerçekleştirilir.
Çok çeşitli kaynak işlemleri vardır. En önemlilerinden bazıları aşağıda tartışılmaktadır.
Dövme Kaynak
Ark Kaynağı
Korumalı metal ark kaynağı, bugünün en büyük toplam kaynak hacmini oluşturur.
Bu işlemde metal elektrot ile iş parçası arasında bir elektrik arkı çarpılır. Erimiş metalin minik globülleri metal elektrottan kaynak bağlantısına aktarılır. Ark kaynağı alternatif veya doğru akım ile yapılabildiğinden, bazı kaynak üniteleri daha geniş uygulamalar için her ikisine de uygundur.
Kaynak akımını elektroda iletmek için yalıtımlı saplı bir tutucu veya sıkıştırma cihazı kullanılır. Güç kaynağına bir dönüş devresi, iş parçasına bir kelepçe vasıtasıyla yapılır.
Argon veya helyum gibi inert bir gazla yaydan havadan korunan gaz korumalı ark kaynağı, daha yüksek bir verimle daha fazla malzeme biriktirebildiğinden ve kolayca otomatikleştirilebildiğinden artan bir önem kazanmıştır.
Tungsten elektrot versiyonu, temel alaşımlı levha malzemelerinde önemli uygulamalarını bulur.
Ya doğru ya da alternatif akım kullanılır ve ark içine sıcak ya da soğuk bir dolgu maddesi eklenir.
Karbon dioksit koruyucu gazla birlikte tüketilebilir elektrot gaz metal ark kaynağı çelik kaynak için yaygın olarak kullanılır.
Sprey yay ve kısa devre yay olarak bilinen iki işlem kullanılır. Metal transferi hızlıdır ve gaz koruması zor bir kaynak birikintisi sağlar.
Tozaltı ark kaynağı, gaz siperinin, elektrot etrafına monte edilmiş, böylece ark görünmeyecek şekilde akıtılmış granül bir mineral malzeme ile değiştirilmesi dışında, aşağıdakine benzer.
Plazma kaynağı, sıcak bir plazmanın ısı kaynağı olduğu bir ark işlemidir. Gaz korumalı tungsten ark kaynağı ile bazı benzerliklere sahiptir, ana avantajları daha yüksek enerji konsantrasyonu, gelişmiş ark kararlılığı ve daha kolay operatör kontrolüdür.
Daha iyi ark stabilitesi, eklem hizalamasına daha az hassasiyet ve yay uzunluğu değişimini ifade eder. Çoğu plazma kaynak ekipmanında, iyonize bir gaz akışı oluşturmak ve ana arkın başlamasına izin vermek için önce ikincil bir ark vurulmalıdır.
Bu ikincil yay, ya yüksek frekanslı ya da doğrudan temaslı bir başlatmayı kullanabilir. Su soğutma, küçük bir delikten zorlanan yüksek enerjiler nedeniyle kullanılır.
İşlem mekanizasyona uygundur ve hızlı üretim oranları mümkündür.
Termokimyasal İşlemler
Böyle bir işlem gaz kaynağıdır. Bir zamanlar metal ark kaynak işlemlerinde önem olarak eşit olarak sıralanmıştır, ancak şimdi özel bir sac üretim alanı ile sınırlıdır ve muhtemelen endüstrideki sanatçılar tarafından da kullanılmaktadır.
Gaz kaynağı, yoğun ve yakından kontrol edilen bir alev sağlamak için oksijende asetilen yakılarak sağlanan ısı ile bir füzyon işlemidir.
Bağlantıya soğuk bir dolgu teli şeklinde metal eklenir. Baz metal oksidasyonunu önlemek için genellikle nötr veya azaltıcı bir alev istenir.
Kıta işçiliği ile çok iyi kaynaklar üretilebilir, ancak kaynak hızları çok düşüktür. Akılar, eklemin oksitle kirlenmesini önlemede yardımcı olur.
Başka bir termokimyasal işlem, alümotermik (termit) birleşmedir. Hem demir hem de demir dışı metaller için başarıyla kullanılmıştır, ancak birincisi için daha sık kullanılmaktadır.
İnce bir şekilde bölünmüş alüminyum ve demir oksit karışımı, yaklaşık 2.800 ° C’de (5.000 ° F) aşırı ısıtılmış bir sıvı metal üretmek için ateşlenir.
Reaksiyon, yükün boyutuna bakılmaksızın 30 saniye ila 2 dakika içinde tamamlanır.
İşlem, dikdörtgenler ve yuvarlaklar gibi büyük, kompakt kesitler içeren bölümleri birleştirmek için uygundur. Sıvı metal içermek için bir kalıp kullanılır.
Direnç kaynağı
Nokta, dikiş ve projeksiyon kaynağı, bağlantı için gerekli ısının, eklemin elektriksel direnci ile arayüzde üretildiği direnç kaynağı işlemleridir.
Kaynaklar, her birine birer iki elektrot aracılığıyla eklemi uygulanan kuvvete sahip düşük voltajlı, yüksek akımlı bir güç kaynağı kullanılarak nispeten kısa bir sürede (tipik olarak 0.2 saniye) yapılır.
Spot kaynaklar, üst üste binen sacdan düzenli aralıklarla yapılır. Eklem gücü, kaynakların sayısına ve büyüklüğüne bağlıdır. Dikiş kaynağı, bir dizi üst üste binme lekesi veya kesintisiz bir dikiş oluşturmak için elektrik akımının art arda bağlantıya darbeli olduğu kesintisiz bir işlemdir.
Bu işlem, punta kaynağının yetersiz olduğu kapları veya yapıları kaynak yapmak için kullanılır. Direnç makinesinde kaynaklanacak parçalardan biri, kaynak döngüsü sırasında eritilen bir çıkıntı oluşturmak üzere çukurlandığında veya bastırıldığında bir çıkıntı kaynağı oluşturulur. İşlem, önceden belirlenmiş birçok noktaya tek seferde kaynak yapılmasını sağlar.
Bu işlemlerin tümü, sürekli kalite kontrolüyle çok yüksek üretim oranlarına sahiptir.
Direnç kaynağındaki en modern ekipman, istenen özelliklere uymayan herhangi bir kaynağı kendiliğinden düzeltmek için eksiksiz geri besleme kontrol sistemleri içerir.
Flaş kaynağı, birleştirilecek parçaların kelepçelendiği, uçların yavaşça bir araya getirildiği ve daha sonra bir yay veya parlamaya neden olacak şekilde çekildiği bir direnç kaynağı işlemidir.
Eklem alanının tamamı ısınana kadar yanıp sönme veya arklanma devam eder; Parçalar daha sonra bir arada zorlanır ve bağlantı kurulup soğuyana kadar basınç korunur.
Boru üretiminde düşük ve yüksek frekanslı dirençli kaynak kullanılır.
Bir borudaki uzunlamasına bağlantı, kenarları dayanaklı şekilde sıkılmış metalden yapılır.
Kaynak ısısı, işin içinden geçen akım ve borunun rulolardan geçtiği hız tarafından yönetilir. Bu işlemde dakikada 60 metre (200 feet) kaynak hızı mümkündür.
Elektron-Kiriş Kaynağı
Soğuk kaynak
Sürtünme Kaynağı
Lazer kaynak
Difüzyon Bağları
Bu tür bir bağlanma, kayda değer bir süre için uygulanan basıncın yüksek bir sıcaklıktaki etkisine dayanır.
Genel olarak uygulanan basınç, yüzde 5 deformasyona neden olmak için gerekli olandan daha az olmalıdır, böylece işlem bitmiş makine parçalarına uygulanabilir.
İşlem en çok havacılık endüstrisinde, aksi takdirde yapılamayan malzemeleri ve şekilleri birleştirmek için kullanıldı – örneğin çok kanatlı kanallar ve bal peteği yapımı.
Çelik, birkaç dakika içinde 1.000 ° C’nin (1.800 ° F) üzerinde difüzyonla bağlanabilir.
Ultrasonik kaynak
Ultrasonik birleştirme, bir örs ve titreşimli bir sonda veya sonotrot arasında kaynaklanacak iki parçanın sıkıştırılmasıyla sağlanır.
Titreşim, arayüzdeki sıcaklığı yükseltir ve kaynağı üretir. Ana değişkenler sıkıştırma kuvveti, güç girişi ve kaynak süresidir. İnce teller üzerinde 0.005 saniyede ve 1.3 mm (0.05 inç) kalınlığında malzemeyle 1 saniyeye kadar bir kaynak yapılabilir.
Spot kaynaklar ve sürekli dikiş kaynakları iyi güvenilirlikle yapılır. Uygulamalar, entegre devrelere, transistörlü kutulara ve alüminyum kutu gövdelerine kurşun bağlamada kapsamlı kullanımı içerir.
Patlayıcı Kaynak
Metallerin Kaynak Yapılabilirliği
Karbon ve düşük alaşımlı çelikler kaynaklı konstrüksiyonda en yaygın kullanılan malzemelerdir. Karbon içeriği büyük ölçüde düz karbonlu çeliklerin kaynaklanabilirliğini belirler; yüzde 0.3’ün üzerinde karbonda sağlam bir bağlantı sağlamak için bazı önlemler alınmalıdır. Düşük alaşımlı çelikler genellikle toplam alaşım içeriğinin yüzde 6’nın altında olduğu şeklinde kabul edilir. Mevcut birçok çelik sınıfı vardır ve nispi kaynak kabiliyeti değişkendir.
Alüminyum ve alaşımları da genellikle kaynak yapılabilir. Bununla birlikte, alüminyum üzerindeki çok sarsıcı bir oksit filmi, iyi metal akışını önleme eğilimindedir ve gaz kaynağı için uygun akışkanlar kullanılır. Füzyon kaynağı, oksidin ark hareketi ile uzaklaştırılmasını sağlamak için gaz-tungsten ark işlemini kullanırken alternatif akımda daha etkilidir.
Bakır ve alaşımları kaynak yapılabilir, ancak bakırın yüksek termal iletkenliği kaynağı zorlaştırır. Zirkonyum, niyobyum, molibden, tantal ve tungsten gibi refrakter metaller genellikle gaz-tungsten ark işlemi ile kaynaklanır. Nikel, birleştirme için en uyumlu malzemedir, kendine kaynaklanabilir ve çeliklerin, paslanmazların ve bakır alaşımlarının farklı metal kaynaklarında yaygın olarak kullanılmaktadır.