Kaynaklı Tasarım İmalat Aliminyum ve Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Alüminyum; • pirinçle lehimleme, • lehimleme, • yapıştırma, • mekanik bağlama veya • Kaynak ile uygun malzeme kullanılarak veya başka metallerle, kullanılacak uygun tekniklerle birleştirilebilir. Alaşım cinsi, birleşim özellikleri, dayanıklı malzeme, görünüş ve maliyet, birleştirme işleminin seçimini belirleyici faktörlerdir. Alüminyumu birleştirmek için, her işlem belirli avantajlara ve sınırlamalara sahiptir.• Al. ağırlıkta hafiftir, bununla birlikte Al’un bazı alaşımları yumuşak çeliğin sertliğini aşan değerlikte sertliktedir. Sıfır altı sıcaklıklarda sünekliliğini korur, korozyona yüksek dayanımda olup toksik değildir. Al, yüksel elektriksel ve yüksel ısıl iletimi olduğu kadar ısı ve ışık için yüksek yansıtma kabiliyetine de sahiptir. Manyetik değildir. • Al, imalat açısından kolaydır. Dökülebilir, haddelenir, ezilebilir, çekilebilir, bükülerek aynı zamanda dövülebilir, çekiçlenir veya ekstrüzyon tekniği ile şekillendirilebilir. Pek çok çeşitli şekilde kalıptan geçirilebilir. Al parçaları, kolay ve hızlı olarak tezgahlarda işleme önemli faktörlerdir. Al, mekanikte, elektro-mekanikte, kimyasal veya boya kaplamada geniş olarak kullanım alanı bulabilmektedir.• Yüksek ısı iletimi (çelikle kıyaslandığında) eritme kaynağı için, yüksek miktarda ısı girdisini zorunlu kılar. Kalın bölgeler, ön ısıtmaya ihtiyaç duyabilir. Direnç nokta kaynağında, Al’un yüksek ısı ve elektrik iletiminde, çelik kaynağındakinden daha yüksek akım, daha kısa kaynak süresi ve kaynak değişkenlerinin daha dikkatli kontrolüne ihtiyaç vardır. • Al, magnetik olmadığı ve ark tutuşması görülmediği için doğru akımla kaynak yapıldığı zaman, diğer metallerin kaynak işlemlerinde destek elemanı ve altlık olarak kullanılabilir. • Al ve alaşımları, açık havada bırakılırsa, mikron mertebesinde ateşe dayanıklı oksit tabakası geliştirir. Bu doğal oksit tabakası, koruyucu atmosfer ya da uygun koruyucu ortamla, ark kaynağı, sert lehimleme veya lehimleme süresince, oksijenle ilişkisi kesilmesi durumunda oluşumu engellenebilir. Yüksek sıcaklıklardaki ısıl işlemlere veya nemli ortama maruz kalma alüminyum oksit tabakasının belirgin bir şekilde kalın olmasına ve birleştirme tekniği açısından, öncelikle bu tabakanın giderilmesini zorunlu kılar.? Al. oksit yaklaşık 2037°C’de erir ve kaynaktan önce kimyasal veya mekanik bir şekilde birleştirme bölgesinden uzaklaştırılmalıdır. Al alaşımlarının birleşimi ve erime bölgesi, bileşim işleminin seçiminde öncelikle göz önünde tutulur. Alüminyuma uygulanan elektrolitik işlemler sonucunda yoğun oksit kaplama meydana gelmesi nedeniyle (anodik işlem-örneğin pencere, kapı profilleri gibi); eritme kaynağı, sert lehimleme veya lehimleme öncesi bu oksit tabakasının çıkarılması gerekir. Bu oksit sadece birleşme yerinden değil, aynı zamanda birleşme bölgesinden de uzaklaştırılmalıdır. Anodik kaplama 400 volt veya fazlasına direnç gösterebilir, bu yüzden kaynak işlemi, arkla, alüminyum yüzey üzerinden başlatılmaz.Dövülmüş Al alaşımları Isıl Gşlenemez Alüminyum Alaşımları Isıl işlem görebilir Al alaşımları Dökme Alaşımlar• Alüminyum Alaşımları: • Dövülmüş Al alaşımları için kullanılan semboller: • Dövme alüminyum alaşımlarını belirlemek için atanmış dört rakam sisteminde ilk rakam, aşağıda gösterildiği gibi alaşım grubunu belirtir. • Alüminyum, 99.0% ve daha büyük 1XXX • Başlıca alaşım elementlerine göre: • Bakır 2XXX • Manganez 3XXX • Silisyum 4XXX • Magnezyum 5XXX • Magnezyum ve silisyum 6XXX • Çinko 7XXX • Diğer elementler 8XXX • Kullanılmayan seriler 9XXXAlaşım Seri No: % Alaşım Elementleri Tipik Uygulama Alanları Cu Mn Mg Cr 1060 99.60 % min. Al. Kimyasal i ş l em malzemesi, depo, boru 1100 99.00 % min. Al. Mimari ve dekoratif uygulamalar, mobilya, derin çek m e p arçaları 1350 99.50 % min. Al. Elektriksel iletim teli, kablo ve otobüs p arçal arı 3003 0,12 1,2 - - Seri 1100 ’ d e n fazla d ay an ı m a i h t i y aç olan uygulamalarda. G ı d a ve i ş l em elle k u l l a n ı l a n malzemeler, kimyasal ve petrol t an k l arı 3004 - 1,2 - 1,0 Seri 3003’ d en fazla d ay an ı m ı olan s aç metal 5005 - - 0,8 - Elektrik iletici ve mimari uygulamalar. 5050 - - 1,4 - Seri 2003 ve 5005 ’e benzer fakat daha da y an ı k l ı m ü k em m el cilalama (bitirme) ö zel l i k l er i 5052,5652 - - 2,5 - Seri 5050 ’ d en daha y ü k s ek d ay an ı m a i h t i y aç olan s aç metal u y g u l am al arı n d a. Depolama t an k l a rı , v a p u r , aletler. A l aş ı m 5652 H 2 O 2 servisi i çi n k u l l an ı m l ard a daha uygundur. 5083 - 0,7 4,4 0,15 Deniz araç g ereçl eri , tanklar, yanmaz b as ı n ç k an al l arı. 5086 - 0,45 4,0 0,15 Deniz araç g ereçl eri , tanklar, tankerler, kamyon p arçal arı 5154,5254 - - 3,5 0,25 Yanmaz b as ı n ç k a n al l ar ı , tankerler. A l aş ı m 5254 H 2 O 2 servisi i çi n k u l l an ı m l ard a daha uygundur. 5454 - 0,8 2,7 0,12 Y ap ı s al uygulamalar ve tanklarda y ü k s ek servis s ı ca k l ı ğ a d ay an ı m i çi n 5456 - 0,8 5,1 0,12 Y ap ı l ar , tanklar, yanmaz b as ı n ç kanallar, deniz araç g ereçl eri Tablo 1.2 Is ıl İş le nem e z Döv me A la ş ım la rın Bile ş im le ri ve Uy gula ma la rı• Alüminyum ve alaşımlarının kaynağı, normal çeliğin kaynağına göre daha zor ve sorunludur. Bunun için malzemeyi ve özelliklerini (fiziksel ve metalurjik) çok iyi tanımak ve ona göre önlemler almak gerekir. • Alüminyum ve alaşımlarının kaynak kabiliyetine aşağıdaki etkenler tesir eder. Bunlar sırasıyla; A - Saf Alüminyum 658°C gibi düşük bir sıcaklıkta (ergimesine) rağmen, yüzeyindeki oksit tabakası (Al 2 0 3 ) 2050°C gibi yüksek bir sıcaklıkta ergir. • Alüminyumun oksijene karşı ilgisi fazla olduğundan, yüzeyinde hemen 0,01 mikron kalınlığında Al 2 0 3 oluşur ve bu oksit tabakası aynı zamanda yüzeye kimyasal bileşiklere karşı bir dayanıklılık kazandırır. Ancak kaynak işlemini zorlaştırır. Kaynak yapılırken yüzeyde bulunan Al 2 0 3 tabakasının ergitilmesine çalışılır; bundan çok daha düşük sıcaklıkta ergiyen Alüminyum dökülür ve kaynak çubuğundan düşen damlalar, kaynak yapılacak esas metal ile birleşemez. Onun için kaynaktan önce bu tabakanın iyice temizlenmesi ve kaynak sırasında böyle bir tabakanın oluşmaması için önlemler almak gerekir.B - Alüminyum ve alaşımlar yüksek, bir ısı iletim katsayısına sahiptir. Bunun için kaynak yerinin de ısı yoğunluğunu sağlamak için daha fazla ısı girdisine ihtiyaç vardır. diğer taraftan, alüminyum ve alaşımları, çeliğe nazaran daha geniş bir bölge ısının tesiri altında kalır. Ayrıca saf alüminyumda yüksek ısı iletimi dolayısıyla ergimiş kaynak banyosu soğuyup çabuk katılaştığından, dikişte gözenekler oluşur. C - Yüksek elektrik iletkenlik nedeniyle elektrik direnç kaynağında sorunlar ortaya çıkmaktadır. (Q = R I 2 t) D - Yüksek ısıl genleşmeden ötürü, kaynak sırasında meydana gelen distorsiyonlar (çarpılmalar ve kendini çekmeler) büyük olur. Bu nedenle gerekli önlemler alınmadığı zaman, gerilme çatlakları oluşur.E - Alüminyum ve alaşımları doğal olarak sert, soğuk şekil verilerek sertleştirilmiş veya çökelme sertleşmesine tabi tutulmuş durumda bulunur. Bunların kaynak kabiliyeti farklılıklar gösterir. F - AlMn, AlSi, AlCu ve AlMg gibi katılaşma aralığı geniş olan alaşımlarda sıcak çatlamanın oluşumuna eğilimi vardır. Sıcak çatlaklar genellikle solidus (katılaşma) çizgisinin (eğrisinin) üzerinde ve katılaşma aralığında meydana gelir. Bunun için katılaşma aralığı dar olan alaşım grupları seçilmelidir. Ayrıca çatlamaya karşı hassas olmayan ilave kaynak malzemesinin (tel veya elektrot) kullanılması gerekir.G - Gözenekler ise aşağıdaki hallerde oluşur: ? Temiz olmayan yüzeyler, kaynak telleri, rutubetli argon ve rutubetli ortamdan ileri gelen hidrojenin sebebiyet verdiği gözenekler. ? Yüksek kaynak hızı (özellikle MIG kaynağında) ? Hatalı hamlaç (torç) tutuluşu ve hareketi (koruyucu gaz akımında türbülans oluşturur ve sakin olmayan bir ark meydana gelir. ? Kaynak cihazındaki arızalar (MIG kaynağında telin ilerlemesinin arızalı oluşu gibi) ? Oksijen ve azot alüminyumla bileşikler oluşturur. Bu bileşenler (Nitrürler) gözeneklerin meydana gelmesine sebep olur.H - Saf alüminyumun bileşiminde bulunan Fe, Si ve Mn gibi elementler, saf alüminyuma nazaran biraz daha fazla kaynak çatlaklarının oluşumuna sebebiyet verirler. Alüminyum alaşımlarında çatlama tehlikesi alaşım tiplerine ve içerdikleri alaşım elemanlarının miktarına bağlıdır. AlMg alaşımların çatlama eğilimi, bileşimine krom ve manganez katılırsa düzelmektedir. Bunun için AlMg4,5Mn alaşımı, kaynaklı konstrüksiyonlar için daha uygundur. Aynı şey AlMn için de söylenebilir. Diğer taraftan, konstrüksiyonlarda kullanılan sertleşebilir AlZnMg alaşımlarında, kaynak işleminde çatlama tehlikesini ortadan kaldırmak için birleşime az miktarda zirkonyum katılır. (AlZnMgl ZrO)I - Alüminyum ve alaşımlarının mukavemetleri, alaşımlandırılarak, soğuk şekil verilerek veya ısıl işlem ile yükseltilir. Soğuk şekil değiştirilerek mukavemeti yükseltilmiş alüminyum kaynağında ısının tesiri altındaki bölgedeki mukavemet düşer. Bu şekilde mukavemeti düşen bölgelerin konstrüksiyonda az zorlanan kısımlara getirilmesine çalışılır. Alaşımlandırılma genellikle Mn, Mg, Si, Cu.. gibi elemanlarla olur ve böylece mukavemet yükselir. Bu grup alüminyum alaşımlarının kaynağında aynı (eş) alaşımlı kaynak ilave malzemesi kullanılırsa, kaynak dikişinin mukavemetinde pek bir düşme olmaz. AlCuMg, AlMgSi ve AlZnMg ısıl işlemle sertleştirilen alaşımlardır. AlCuMg alaşımı çatlama eğilimine sahiptir. Nadiren ergitme kaynağı yapılır. Özellikle elektrik direnç nokta kaynağı uygulanır. AlMgSi alaşımı kaynak edilir ve akabinde tavlanarak yaşlandırılır. Kaynak işleminde özellikle S-AlSi5 alaşımları kaynak ilave malzemesi olarak kullanılır. AlZnMg alaşımı yaşlandırılmış olarak kullanılır. Çökelme sertleşmesi için uygulanan sıcaklık 450 ila 480°C arasındadır. Kaynaktan sonra yavaş soğutulursa gerekli uygun çökelme sağlanacağından, sertleşme etkisi de sağlanmış olur.Alüminyumun tavsiye edilen ark ile birleştirme yöntemleri çeliğinki ile benzerdir. ? Genelde kullanılan yöntemler: TIG, MIG, Örtülü Elektrot, Direnç Nokta, Direnç Dikiş, Elektron Işın, Plazma yöntemleri kullanılır. ? MIG kaynağı 3 mm’nin üzerindeki kalınlıklar ve her pozisyon için geçerlidir. ? TIG Kaynağı: ? TIG kaynağında, ilave metal ark tarafından doğrudan eritilmez onun yerine erimiş ana metal tarafından eritilir. Elektrot, işlem sırasında torçtan ayrıca verilen asal gaz ile dış ortamdan korunur. Kaynak bölgesini dış ortamdan ayırmaya yarayan bu koruyucu gaz genelde helyum, argon veya iki gazın karışımı olabilir. Bu gaz kalkanı aynı zamanda erimiş bölgenin yakınındaki erimemiş metali de korur. Kaynak bölgesi metali ilave metal ile ana metal karışımı olabileceği gibi sadece ana metal eriyiği de olabilir. Kaynak metalinin kullanımı her durumda gerekmeyebilir.? Alternatif Akım ile kaynak ? Oksit kaldırma işlemi tam periyotta, sadece akım geçişinde elektrot pozitif iken gerçekleşir. Bu yarım periyodu garanti altına almak için ya kaynağın kısa devre akımı yeterince yüksek olmalıdır. Ark’ı başlatmak üzere elektrotu parçaya değdirmeden oluşturabilmek için yüksek frekans sistemi kullanılmalıdır. ? Yüzeydeki alüminyum oksit tabakası, ark hareketi ile yüzeyden kaldırılır. ? Kısa ark boyu, fazla gözenek oluşmasını ve kontrol dışı yetersiz kaynak nüfuziyetini önlemek için sağlanmalıdır. Bir kural olarak ark boyu, kullanılan tungsten elektrotun çapı kadar olmalıdır. Ark ve kaynak banyosu kaynakçı tarafından gözlenmelidir. ? Kaynağın bir anlık kesilmesi kaynak kraterinde çekme çatlaklarının oluşumuna neden olacağından kaynak hatasını meydana getirir. ? Doğru Akım Elektrot Negatif: ? Doğru Akım Elektrot Negatif yönteminin (DCEN) her şeyden önce alüminyumun kaynağında oksit kaldırma işlemi yapmadığından uygun olmadığı söylenebilir. Son zamanlarda bu proses 100% helyum koruyucu gaz ve toryumlu tungsten elektrotların kullanılmasıyla özellikle kalın parça kaynaklarında otomatik kaynaklarda avantajlar sağlaması nedeniyle kullanılır.DCEN’de ısı akışı fazladır ve metal anında eridiğinden ana metaldeki distorsiyon az gerçekleşir. DCEN kullanımından sonra ince mat bir oksit tabakası yüzeyi kaplar, yalnız bunun bir tel fırça ile kaldırılması mümkündür. DCEN ile yapılmış TIG kaynaklar, AC akıma göre üstünlükler sergilerler. ? Doğru Akım Elektrot Pozitif: Doğru Akım Elektrot Pozitif (DAEP) yani ters kutuplama kullanılarak yapılan kaynak, yüzeyde güzel temizleme hareketi sağlar ve ince Alüminyumun kaynağında düzenli arkı oluşturmak için uygun akım oluşturur. Argon kalkanı, helyum-argon kalkanına tercih edilir. Zira Helyum gazlı kalkanlar elektrotun fazla ısınmasına neden olur. Kaynak damlası büyür ve nüfuziyet yavaştır.MIG Kaynağı: MIG kaynağı için üç temel ekipman vardır. Bunlar, elektrot besleme mekanizması, tabanca ve güç kaynağıdır. Nokta kaynağı yapılırken, bunlara akımın uygulama zamanını ayarlamaya bir kontrol elemanı tarafından eklenerek kaynak işlemi sağlanır. MIG Kaynağı için Koruyucu Gazlar: ? Koruyucu gaz, argon, helyum veya ikisinin bir karışımı olabilir. ? Bununla beraber, helyumun koruyucu gaz olarak kullanımı genellikle stabil olmayan bir arkla sonuçlanır ve bu yüzden helyum nadiren kullanılır. ? Ağır parçaları her iki tarafından kaynaklarken, % 75 He-% 25 Ar karışımı genel bir çözüm oluşturur Büyük çoğunlukla kaynaklarda argon tercih edilen gazdır. Argon, sprey transferi durumunda en sık kullanılan koruyucu gazdır. Mükemmel ark stabilitesi, damla şekli ve nüfuziyet sağlar. Bu gaz tüm kaynak pozisyonlarında kullanılabilir. ? Helyum, yüksek akım değerlerinde yatay pozisyonlarında mekanize ve otomatik kaynaklar için uygundur. Kullanılan karışımlarda, helyum oranı tercihen % 50 ile % 75 aralığındadır. ? Düşük ısı girdisi, ince alüminyum kesitlerde gaz metal ark kaynağını kolaylaştırır.• Otomatik MIG Kaynağı: • MIG kaynağı, işlem süreci kolaylıkla otomatik kaynağa adapte edilebilir. manuel kaynağa göre daha yüksek kaynak hızlarına imkan verir. • Yüksek akım değerleri (750 Amper), kaynağın daha az pasoda, az hatta hiç kaynak ağzı hazırlaması yapılmadan yapılabilmesine imkan verir. Kalın bağlantıların tek pasolu kaynakları, alüminyum ile 12,7 mm kalınlığına kadar kenar hazırlamasına gerek olmadan yapılabilir. Koruyucu gaz olarak, helyum kullanılarak parçanın her tarafında tek pasoda, kenar hazırlaması olmadan 38 mm kalınlığa sahip parçalar bile kaynak edilebilmiştir. • Genel olarak otomatik kaynak, daha az kaynak pasosuna, daha düşük ısı girdisine, daha az kenar hazırlamasına ve düşük işçi maliyetlerine sebep olur. • MIG NOKTA KAYNAĞI • Alüminyum levhalarda bindirmeler gaz metal ark kaynağı ile nokta kaynak edilebilir. Basit olarak, ark en üst levhadan (3,2 mm’ den daha az olmak üzere) erir ve taban levhayla birleşir. Bu hareket kaynak metalinden oluşan yuvarlak bir külçe yaratır. Bu külçe aynı direnç nokta kaynağında olduğu gibi, levhaları birleştirir. Bölgesel nufuziyet için, taban levhası, en üst levhadan kalın olmalıdır. • Argon, helyum ya da her ikisinin karışımları koruyucu gaz olarak kullanılır.? Örtülü Elektrot Ark Kaynağı: ? Alüminyumun Örtülü Elektrot Ark Kaynağı tamir için küçük işletmelerde kullanılır. Bu yöntem, her zaman ulaşılabilir ve taşınabilir düşük maliyetli ekipmanı ile basitçe yapılabilir. ? Bu yöntemde kaynak hızı, MIG’da ulaşılan hızdan daha düşüktür. Yüksek kaynak kalitesi ve performans gerektiğinde, alüminyum birleştirilmesinde bu yöntem tavsiye edilmez. Yüksek kaliteli kaynak yapabilmek için, TIG veya MIG kaynak proseslerinden biri seçilmeli ve kullanılmalıdır. ? Elektrot kaplaması, alüminyum oksit ile birleşerek cüruf oluşturan aktif eritici bir madde içerir. Bu cüruf korozyona neden olur ve her pasodan sonra tamamen kaldırılmalıdır. ? Aşağıdaki noktalar alüminyumun örtülü elektrot ark kaynağında göz önüne alınması gereken önemli faktörlerdir: - Elektrot kaplamasının rutubet miktarı - Elektrodun ve esas metalin temizliği - Esas metalin tavlanması - Pasolararası ve kaynak sonrası cürufun uygun şekilde kaldırılmasıAlüminyumun örtülü elektrot ark kaynağında tavsiye edilen minimum esas metal kalınlığı 3,0 mm’ dir. ? Düz levha veya komplike kaynakları içeren uygulamalarda ön tavlama uygulamak yerinde bir davranıştır. Yeterli nüfuziyet elde etmek için ön tavlama neredeyse her zaman gereklidir. Ön tavlama, hızlı soğumanın neden olabileceği ve kaynak işleminin başında ortaya çıkan poroziteyi engeller ve distorsiyonu azaltır. ? Plazma Ark Kaynağı: ? Plazma ark kaynağı, arkın su soğutmalı bir üfleç tarafından kısıtlanması dışında TIG kaynağına benzer. ? Arkın kısıtlanması; enerji yoğunluğunu, kararlılığı ve ark plazmasının odaklanma gücünü arttırır. Plazma arkıyla kaynak iki teknikle yapılır. Eritme tekniğiyle kaynak TIG kaynağına benzer, Anahtar deliği tekniğinde ise erimiş kaynak banyosunun ön yüzünden de geçen küçük bir deliği gerektirir. Genelde bu teknik kalın kesitlerde kullanılır. Bu yöntem normalde, doğru akım negatif elektrot ile yapılır ve TIG’de olduğu gibi bir temizleme işlemi yoktur. ? Kaynak işlemini takip eden yüzey temizleme işlemi gereklidir. ? Daha derin nüfuziyet ve daha büyük kaynak hızları Plazma yönteminin, TIG kaynağına göre avantajlarıdır.? Çatlak Doldurma: ? Alüminyum alaşımlı kaynaklar, birleştirme işlemi birdenbire kesilirse çatlak oluşturmaya eğilimlidirler. Çatlağı uygun teknik kullanarak doldurmak gerekir. Manuel kaynakta, ilerleme durdurulmalı ve katılaşmadan önce kaynak çatlağı doldurulmalıdır. TIG veya kumandalı akım kontrolüne sahip plazma ark kaynağı kullanılıyorsa, kaynak akımı doldurucu metali eklerken, erimiş kaynak banyosu dolana kadar basamaklı bir şekilde azaltmalıdır. ? Sonuç Alüminyum ve alaşımlarının kaynağında iyi bir kaynak kabiliyetinin sağlanması, kaynak edilen malzemenin alaşım grubunun ve özelliklerinin iyi seçilmesi, iyi bir temizlenme işleminin uygulanması, uygun bir dizaynının yapılması, yerinde bir kaynak sırasının takip edilmesi, elverişli bir kaynak yönetiminin ve tekniğinin seçilmesi ile sağlanabilir. Aksi taktirde kaynak bağlantısından istenen özellikler yerine getirilemez.