Kaynak Bakır ve Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti 1 1. BAKIR VE ALAŞIMLARININ KAYNAĞI ÖNS ÖZ: Bakır ve bakır alaşımları iyi elektrik ve ısı iletkenlikleri, iyi korozyon dirençleri, iyi metal-metal arası aşınma dirençleri ve estetik görünümleriyle günümüze kadar önemini koruyan mühendislik metalleri arasındadır. Bakır ve bir çok bakır alaşımı kaynak lehim ve sert lehim yöntemleriyle birleştirilebilir. Konstrüksyon endüstrisi, elektronik ürünler, endüstriyel makinalar ve taşımacılık endüstrisi bakırın kullanıldığı önemli marketlerdir. Bakırın fiziksel özellikleri çelik ile mukayeseli olarak tablo 94'de verilmiştir. Burada mukayese edilen çeliğin bileşimi: % 005 - 0,12'e, % 0,20 - 0,40 Mn ve % 0,14 P + S'den ibarettir. Aşağıdaki tabloda verilen 6 grup bakırın (DIN 1787 SF -Cu ve SW-CU grubu çeşitli cihaz, boru ve yarı mamullerin imalinde E-CU 58, E-Cu 57, SE- Cu ve OF -Cu grupları da elektroteknik endüstrisinde kullanılmaktadır. Bunların bileşimleri de aşağıda görülmektedir. SF -Cu : > % 99,90 Cu, % 0,015-0,040 P (Oksijensiz) SW-Cu : ? % 99,90 Cu % 0,005-0,014 P E-Cu 58 : ? % 99,90 Cu, % 0,005-0,040 O (oksijenli). SE-Cu : ? % 99,90 Cu, 0,003 P (oksijensiz) OF-Cu : ? % 99,95 Cu (oksijensiz) Gösterilişi Erime Derecesi (°C) Özgül Isı (20-400°C) (J/gK) Erime Isısı (J/g) Genleşme (25-300°C) (10 -6 /K) Isı İletimi (20°C'de) (W/m.K) Elektrik İletkenliği (20°C'de) (m/mm 2 ) SF-Cu 1083 0,38 214 17 313-356 45-50 SW-Cu 1083 0,38 214 17 356-376 52 E-Cu58 1083 0,38 214 17 392 58 E-Cu57 1083 0,38 214 17 384 57 SE-Cu 1083 0,38 214 17 384 57 OF-Cu 1083 0,38 214 17 392 58 Çelik C=%0,05-0,12 Mn=%0,2-0,4 P+S=%0,14 1500 0,47 272 12 54 8 Tablo1. Karbonlu çelik ile çeşitli bakır cinslerinin fiziksel özellikleri (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) Bakırın, sıcaklığı yükseldikçe uzama ve mukavemet özelliklerinin değişmesi, kaynak esnasındaki davranışına etki eder. Bakır mukavemeti sıcaklık arttıkça, düşmekte ve uzaması da 300-650°C arasında en düşük değeri almaktadır. Bu durum 2 aynı zamanda bakırın bu sınırları arasında gevşekleştiğini gösterir. Bakırın çeşitli sıcaklık derecelerindeki mukavemeti aşağıdaki şekilde değişir . Sıcaklık (°C) 20° ............... 228 Mukavemet (N/m 2) 160° ............... 184 300° ............... 132 410° ............... 85 555° ............... 48 650° ............... 33 793° ............... 19 Tablo2. Bakırın çeşitli sıcaklık derecelerindeki mukavemet değerleri (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 1.1 Bakır Alaşım Tipleri I. Bakır (minimum %99.3 bakır) II. Yüksek bakır alaşımları (%5’e kadar alaşım elementleri) III. Bakır-çinko alaşımları (Pirinç) IV. Bakır-kalay alaşımları (bronz) V. Bakır-alüminyum alaşımları (alüminyum bronz) VI. Bakır-silikon alaşımları ( silikon bronz) VII. Bakır-nikel alaşımları VIII. Bakır-nikel-çinko alaşımları 1.1.1 Saf bakır Minimum %99.3 bakır içerirler. Bakır genelde 3 formda tedarik edilir. a) oksijen içermeyen bakır b) oksijen içeren bakır (tok ve fire rafine edilmiş bakır) içindeki yabancı maddeler, kalıntı oksijen miktarı ve diğer hatalar bakırın kaynak ve lehiminde problem yaratabilir. c) Fosfor ile oksijeni giderilmiş bakır. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.2 Yüksek bakır alaşımları a) İşlenebilir bakır İşlenebilirliği arttırmak için az miktarda sülfür yada telleryum alaşımlanır. Bu alaşımlar, kırılmalara maruz kaldığından kaynaklanmadıkları 3 düşünülmektedir. İşlenebilir bakırlar lehim ve sert lehim yöntemleriyle birleştirilirler. b) Tane çökelme ile sertleştirilmiş bakır alaşımları Küçük miktarlarda yapılan berilyum, krom yada zirkonyum bakıra alaşımlanır ve mekanik özelliklerini arttırmak için uygun tane çökelme sertleşmesini sağlayacak ısıl işlem uygulanır. Bu alaşımlara uygulanacak kaynak yada lehim işlemleri uygulanan bölgenin aşırı yaşlanmasına ve mekanik özelliklerin kaybına yol açar. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.3 Bakır – çinko alaşımları Çinkonun ana alaşım elementi olarak yer aldığı bakır alaşımları pirinç olarak adlandırılır. Pirinç; dövme ve dökme formlarında bulunur. Dövme pirinçte daha homojen bir yapı elde etmek mümkündür. Bakıra yapılan çinko ilavesi erime sıcaklığını, yoğunluğu, elektirk ve ısı iletkenliğini, elastik modülü azaltır. Bunlara ters olarak; dayancı, sertliği, sünekliği ve genleşme katsayısını arttırır. Kaynaklanabilirlik açısından pirinçler, düşük alaşımlı (max. %20 çinko) ve yüksek alaşımlı (%30-40) olarak iki gruba ayrılabilir. Pirincin kaynağında karşılaşılan ana problem, çinkonun buharlaşmasından kaynaklanan çinko-oksit grupları ve kaynak metalinde oluşabilecek boşluklardır.Düşük alaşımlı pirinçler mücevhercilik ve madeni para yapımında kullanılır. Yüksek alaşımlı pirinçler, yüksek dayanç gerektiren uygulamalarda kullanılır. Otomotiv radyatör çekirdek ve tankları, kilitler, lamba fikstürleri ve su tesisatı birleştirmeleri bu uygulamalar arasındadır. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.4 Bakır – kalay alaşımları Dövme ve dökme formlarda bulunabilen %1-10 arasında kalay alaşımlanmış bakır alaşımlardır. Stres altında sıcak kırılmaya maruz kalabilirler. Yüksek ön ısıtma sıcaklıkları, yüksek ısı girdisi ve yavaş soğutma hızlarından kaçınılmalıdır. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.5 Bakır alüminyum alaşımları (Al-bronz) Az miktarda demir, nikel ve mangan ilaveleriyle birlikte %3-15 arasında alüminyum içeren bakır alaşımlarıdır. korozyona maruz kalabilecek ortamlarda, pompalarda, valflerde kullanılır. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 4 1.1.6 Bakır – silikon alaşımları Dövme ve dökme formlarda bulunabilirler. Silikon bronzlar; yüksek dayanç, mükemmel korozyon direnci ve iyi kaynaklanabilirliklerinden dolayı, endüstri için önemli malzemelerdir. Bakıra yapılan silis ilavesi dayancı, sertliği ve işlem sertleşme hızını arttırır. Düşük alaşımlı silikon bronz (% 1.5 Si) hidrolik basınç hatlarında kullanılır. Yüksek alaşımlı silikon bronz (%3 Si) aynı uygulamalar için kullanılabildiği gibi, bazı kimyasal uygulamalarda da kullanılabilir. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.7 Bakır – nikel alaşımları %10 – 30 arasında nikel içeren alaşımlar, orta dereceli dayanç sağladıkları gibi oksitlenme ve korozyon dirençleri yüksektir. Sıcak ve soğuk şekillendirilmeleri iyidir. Boru, çubuk ve yassı ürün olarak üretilirler. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.1.8 Bakır – nikel – çinko alaşımları %17 – 27 aralığında çinko ve % 8-18 aralığında nikel içerirler. Nikel ilavesi bu alaşımların gümüş gibi görünmesini sağladığı gibi dayancı ve korozyon direncini arttırır. Ancak bazı alaşımlar gerilmeden dolayı korozyon çatlamalarına maruz kalabilirler. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 1.2 Bakır - Çinko Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti En az % 50 Cu ve başlıca element olarak çinko içerir. Talaş kaldırma kabiliyetini iyileştirmek için bazı pirinç cinslerine %3'e kadar kurşun katılır. (Otomat pirinci) Kurşunlu pirinç, özellikle gözenek teşekkül dolayısıyla, kurşunsuz pirince nazaran zor kaynak edilir. Bu tip pirinçlerin birleştirilmesinde daha ziyade düşük sıcaklıkta eriyen gümüş lehimi ile sert lehimlenmesi tavsiye edilir. Çinko 907°C'de buharlaşır, dolayısıyla pirinç eritildiğinde bileşiminde bulunan çinko buharlaşarak kayba uğrar. Yüksek sıcaklıkta eriyen çinko oksit filmi erimiş banyosu yüzeyinde hemen oluşması çinko buharlaşması frenler ve azaltılır. Bunun için pirince katılan elementler bu oksit filminin oluşmasını kolaylaştırır. Pirinç kaynağının daha kolay ya- pılmasını sağlar. Silisyum çinkonun yanmasını frenleyerek, azaltır ve kaynak kabiliyetini de iyileştirir. Dolayısı ile pirincin kaynağında kullanılan kaynak tellerine % 0.1-05 kadar silisyum katılır. Oksi-asetilen kaynağında da % 30-50 oksijeni fazla 5 oksitleyici alev kullanılır. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 1.3 Bakır - Nikel - Çinko Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Yeni gümüş, Cu-Nİ-Zn alaşımlarıdır. Erime aralığı 900 ile 1150°C arasındadır. Bileşimindeki nikel içeriği yükseldikçe erime noktası sertlik ve korozyon dayanıklılığı artar ve şekil değiştirme kabiliyeti de düşer. Çinko miktarı yükselirse çekme mukavemeti ve sertlik artar, erime noktası ve korozyon dayanıklılığı da düşer. Bakır miktarının artması da, uzama ve ısı elektrik iletkenliğini yükseltir. Yeni gümüş yüksek miktarda çinko içerdiğinden pirincin kaynağındaki sorunlar burada da söz konusudur ve aynı önlemlerin alınması gerekir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 1.4 Bakır - Kalay Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Bakır-kalay alaşımlarıdır. Kalay, özellikle ısı iletkenliğini azaltır ve dolayısıyla kaynak yerine verilen gerekli ısının yoğunlaşması bakıra nazaran daha kolaydır. Kaynak sırasındaki davranışı bakımından en önemli bir nokta da artan katılaşma aralığının da büyümesidir, a alanındaki b yüksek erime aralığı kuvvetli bir segregasyon oluşturur. Sıcak kırılganlığa sebebiyet verir. Ayrıca kaynak yapılan parçalarda ki kendini çekme gerilmelerine de dikkat etmek gerekir. Aksi takdirde kaynak dikişinin yanlarında gerilme çatlamaları olabilir. Bunun için % 12'den fazla kalay içeren, kalay bronzlarının kaynaktan sonra çekiçleyerek kendini çekme gerilmelerinin bertaraf edilmesine çalışılır. Dökme kalay bronzları, yüksek sıcaklıkta pratik olarak düşük bir mukavemete sahiptir. Uzama kabiliyetleri de sıfırdır. Bu husus kaynak yaparken kaynakçının gayet dikkatli olmasını gerektirir. Bu bakımdan dökme kalay bronzları kaynak esnasında sarsıntıya, döndürülmeye ve çarpmalara maruz kalmamalıdır. Döndürme veya oynatma işlemlerine ancak 300°C'nin altında müsaade edilir. Diğer bütün dökme alaşımlarında olduğu gibi kalay bronzlarında iç gerilmelerine mani olmak için odun kömür ateşiyle 500°C'lik bir ön tavlamaya tabi tutulması gerekir. Küçük parçalarda kaynağı müteakip de parçaların muntazam bir şekilde yaş soğumasına dikkat edilmelidir. Üfleçle yapılan bir ön tavlama yeterlidir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 6 1.5 Bakır – Alüminyum Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Alüminyum bronzlarında % 9.4'e kadar alüminyum bulunur. Alüminyum yüksek bir aşınma mukavemetine ve iyi bir korozyon dayanıklılığına sahiptir. Elektrik ve ısı iletkenliği artan alüminyum miktarıyla düşmektedir. Çok alaşımlı alüminyum bronzlarında ayrıca Fe, Ni, Mn bulunur. Manganez ısıl mukavemeti yükseltir ve demir, taneleri inceltir ve sertliği artırır. Ali-alüminyum bronzların kaynağında en önemlisi yüzeyde oluşan alüminyum oksit tabakasını çözmek ve yeniden alüminyum içeren ve özellikle heterojen alüminyum bronzların da çatlak oluşum eğilimine dikkat edilmelidir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 1.6 Silisyum Bronzu'nun Kaynak Kabiliyeti Silisyum bronzları % 1.5 - 3.5 silisyum ve azami olarak da % 1 manganez içerir. % 3 alüminyum bronzları yüksek bir mukavemete sahip olup saç levhaların imalinde ve % 1.5 Si'lu bronzlarda orta derecede mukavemete sahip olup, boru ve profil imalinde kullanılır. Dökme alaşımlarda ortalama olarak % 4 silisyum bulunur. Silisyum bronzları iyi bir korozyon dayanıklılığına sahip olduklarından sıcak su depolarında ısıtılmayan basınçlı kazanlarda ve bakıra nazaran daha yüksek mukavemet ve korozyon dayanıklılığı aranan yerlerde kullanılır. Silisyum bronzlarının kaynak kabiliyeti bakımından taşıdığı özellikleri şöyle sıralamak mümkündür: a- Bakıra nazaran daha düşük bir ısı geçirme kabiliyetine, b- Akıcı banyoya, c- Yüksek bir kendini çekme (büzülme) kabiliyetine, d- Erimiş banyoda silisyum ve manganezoksidin oluşumuna. e- Erimiş banyonun gaz absorbe etme hassasına sahiptir. Erimiş banyonun akıcılığı dolayısı ile daha ziyade yatay pozisyonda kaynak yapılması tavsiye edilir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 7 1.7 Bakır - Nikel Alaşımlarının Kaynak Kabiliyeti Alaşımın çekme mukavemeti artan nikel yüzdesi ile yükselir ve % 60-65 Ni'de maksimuma erişir. En yüksek sertlikte % 50 Ni'de elde edilir. Artan nikel içeriği korozyon dayanıklılığını yükseltir ve ısı iletkenliğini düşürür ve % 45 Ni'de de en düşük değere iner. Manganez ilavesi ısıl mukavemeti yükseltir, demirde, bakır-nikel alaşımlarının deniz suyuna karşı dayanıklılığını arttırır. Diğer taraftan, 500°C'nın üzerindeki kükürtlü ortamlarda, kaynak bağlantıları kükürt dolayısıyla gevrekleşir. (Nikel-Nikel sülfür ötektiği tane sınırlarında oluşur) % 50'den fazla bakır içeren alaşımlar da yüksek sıcaklıklarda oksijene karşı gayet hassastır ve dolayısıyla kükürt gibi sıcak şekil değiştirme de tane sınırı çatlaklarına sebebiyet verir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 2. BAKIRIN BİLEŞİMİNDE BULUNAN YABANCI ELEMENTLER Elektrolitik bakırda eser miktarında yabancı elementler bulunur. Ticari bakır %99,5 nisbetinde saftır. Ayrıca oksijen, fosfor, silisyum, manganez, arsenik, bizmut kükürt ve gümüş bulunur. 2.1 Oksijen Oksijen bakırla birleşerek Cu 2 O oluşturur. Oksijen bakırın uzama kabiliyetini azaltır ve erime noktasını düşürür. Aynı zamanda bakırın akıcılığını engelleyerek bir koyuluk hasıl eder. Oksijen, gözenekliliğe neden olabilir ve yeterli miktarlarda fosfor veya diğer deokside edicilerden içermeyen bakır alaşımları ile yapılan kaynakların mukavemetini azaltabilir. Oksijen bir serbest gaz ya da bakır oksit olarak bulunabilir (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 2.2 Hidrojen Tavlı haldeki bakıra, hidrojen kolaylıkla girer ve hidrojenin bakırdaki erime kabiliyeti sıcaklık yükseldikçe artar. Erimiş sıvı halindeki bakırda hidrojenin çözünürlüğü, katı haline nazaran daha fazladır. Katılaşma esnasında sıvı içerisindeki hidrojen gözenek teşekkülüne 8 sebep olur. Şekil 1. Bakırda hidrojenin erime kabiliyeti (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) Diğer taraftan tavlı haldeki bakıra giren hidrojen, Cu 2 O redükliyerek su buharı oluşur ve bakırda erimediği için ya dışarı çıkarak boşluklar bırakır ya da basıncıyla bakırda çatlaklar meydana getirir ve bazen de bakırın parçalanmasına sebebiyet verir. (Hidrojen hastalığı) (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 2.3 Fosfor Fosfor iyi bir dezoksidandır. Bakır-oksijen bağlantısının oluşmasını engeller. Fosfor bakırda sıvı halinde tamamen ve katı halinde de kısmen erir. Fosfor, bakırın mukavemet özelliklerini yükseltir, buna mukabil uzama kabiliyetini düşürür. Fosforlu bakır, bakır ve alaşımlarında oksit giderme gayesiyle kullanılır. Kaynak çubukları az miktarda fosfor içerir. Böylece fosfor, hem dezoksiden görevi yapar hem de mekanik özelliklerini fazla etkilemez. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 2.4 Silisyum Silisyumda, fosfor gibi dezoksidan olarak kullanılır. Fazla miktarda silisyum bakırın gevrekleşmesine neden olur ve elektrotik geçirgenliğini düşürür. 2.5 Çinko Alaşımdaki çinko yüzdesi ile relatif orantılı olarak tüm pirinçlerin kaynaklanabilirliğini azaltır. Çinkonun kaynama noktası düşüktür, bu ise bakır-çinko alaşımlarının kaynağında zehirli buharların ortaya çıkmasıyla sonuçlanır. 9 2.6 Kalay %1-%10 miktarları arasında bulunduğunda, kaynak sırasında sıcak çatlama hassaslığını arttırır. Çinko ile karşılaştırıldığında, kalay, çok daha az uçucu ve çok daha az zehirlidir. Kaynak sırasında, kalay bakıra göre tercihen oksidize olur. Sonuç, kaynak mukavemetini azaltabilecek bir oksit tutulması olacaktır. 2.7 Berilyum, Alüminyum ve Nikel Kaynaktan önce giderilmesi gereken, dirençli oksitler oluştururlar. Kaynak işlemi sırasında, bu oksitlerin oluşumu, uygun kaynak akımı kullanımı ile birlikte kalkan gazı veya erikten ile önlenmelidir. Nikel oksitleri ark kaynağına, berilyum ya da alüminyum oksitlerinden daha az engel olur. Bu nedenle, nikel gümüşleri ve bakır-nikel alaşımları işlem sırasında kullanılan kaynak akımına daha az duyarlıdırlar. Berilyum içeren alaşımlar ayrıca kaynak sırasında zehirli dumanlar üretirler. 2.8 Demir ve Manganez Kendilerini içeren alaşımların kaynaklanabilirliğini önemli ölçüde etkilemez. Demir tipik olarak bazı özel pirinçlerde, alüminyum bronzlarda ve bakır-nikel alaşımlarda %1.4-%3.5 miktarlarında bulunur. Manganezde genelde aynı alaşımlarda fakat demire göre daha düşük derişimlerde kullanılır. Şekil 2. Bakırın elektrik iletkenliğine, bileşiminde bulunan elementlerin etkisi. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 10 2.9 Kolay İşlenebilirliği Arttıran Katkılar Kurşun, selenyum, tellür ve kükürt işlenebilirliği arttırmak için bakır alaşımlarına ilave edilir. Bizmut ta, kurşunsuz alaşımlar arzu edildiğinde, bu amaç için kullanılmaya başlanmıştır. Bu küçük alaşım aracıları, işlenebilirliği arttırırken, alaşımın sıcak çatlama hassaslığını sıvayarak bakır alaşımlarının kaynaklanabilirliğine gözle görülür biçimde etkirler. Kaynaklanabilirlik üzerindeki ters etki, katkının %0.05’inden sonra belirgin olmaya başlar ve daha fazla derişimlerde daha etkilidir. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 3. BAKIRIN KAYNAK KABİLİYETİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER a- Termal iletkenlik b- Yüksek ısı genleşme (uzama) c- Sıvı halinde gazları absorbe etmesi (eritmesi) ve katılaşırken de bunların ayrışarak gözenek oluşturması. d- Kaynak pozisyonu e- Çökelme sertleşmesi uygulanabilir alaşımlar f- Sıcak çatlama g- Gözeneklilik h- Yüzey durumu 3.1 Termal İletkenlik Etkisi Alaşımın termal iletkenliği, kaynak sırasında bakır ve bakır alaşımlarının davranışına güçlü bir şekilde etki eder. Ticari bakırlar ve hafif alaşımlı bakır malzemeler yüksek termal iletkenlikler ile kaynaklanırken, birleşime maksimum ısı girişini sağlamak için akım ve kalkan gazı tipinin seçilmesi gerekir. Bu yüksek ısı girişi, ısının lokalize kaynak bölgesinden dışarı yayılmasını engeller. Kesit kalınlığına göre, daha düşük termal iletkenliklere sahip bakır alaşımlarında ön ısıtmaya gerek duyulabilir. Ön ısıtma için geçiş sıcaklığı aynı olmalıdır. Bakırın ısı iletkenliği çeliğe nazaran oda sıcaklığında beş misli ve 1000°C'de de 15 misli daha yüksektir. Dolayısıyla verilen ısı gayet hızlı bir şekilde yayılır. (Şekil 374) Bunun için de kaynak yerinde erimeyi sağlayacak yeterli ısıyı elde edebilmek üzere parça kalınlığına ve kaynak yöntemine göre 500-700°C'lik bir ön tavlama gereklidir. Uygulamada orta kalınlıktaki parçalar şekilde görülen tarzda dikine çift 11 taraflı kaynak edilir (oksi-asetilen ve TIG kaynağında). Böylece kaynak yerinde ısı sağlanmış olur. Şekil 3. Çeliğin ve bakırın kaynağında sıcaklık dağılımı. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) Şekil 4. Dikine çift taraflı oksi-asetilen kaynağı ve kaynaktan sonra dikişin sıcak iken çekiçlenmesi. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 3.2 Isıl Genleşme (Uzama) Bakın ısıl genleşmesinin yüksek olması nedeniyle, akım birleşmelerinde ağızların kaynaktan önce puntalanmasına imkân vermez. Örneğin şekil 376'de görüldüğü üzere cıvatalarla, aşağıdan yukarıya doğru konik bir şekilde mekanik olarak bağlanır. Bu örnek genellikle oksi - asetilen kaynağında kullanılmaktadır. Kaynağa A noktasından başlanarak 1 ve 2 yöntemlerinde devam edilir. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 12 Şekil 5. Bakırın oksi-asetilen kaynağında, kaynak ağzının mekanik olarak bağlanması. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 3.3 Gaz Absorpsiyonu Sıvı halindeki bakır, havadan bir hayli oksijen absorbe eder. Bakırın oksijen çözünürlüğünü şekil 377'de verilen CuCu 2 O sistem üzerinde kolayca görebilirsiniz. Bakır, bakır oksit ötektiğinin katılaşma noktası saf bakırın erime derecesinden 19°C daha düşüktür. (1060°C) ötektik ve O % 3,45 Cu 2 O'da oluşur. (% 0,30 O 2 ) daha yüksek oksijen miktarlarında erime noktası (Cu-Cu 2 O alaşımın) yükselir. Oksijen, bakır katılaşırken yapıda yani kaynak dikişinde, şekil 377'de de görüleceği gibi Cu 2 O şeklinde kalıntılar halinde bulunur. Bunlarda kaynak dikişinin sürekliliğinin düşmesine ve gerçekleşmesine neden olur. Dolayısıyla bakırın kaynak kabiliyeti kötüleşir. Diğer taraftan şekilde görüldüğü gibi, sıvı bakır yüksek miktarda hidrojeni de çözer. Böyle oksijenli bakır, hidrojenli ortamda tavlanırsa, daha evvelce temas edildiği üzere, su buharı oluşur, bu da gözenek tüşekkülüne veya hidrojen hastalığına sebebiyet verir. Bu durum özellikle bakırın redükleyici alevle veya redükleyici bölgede (Asetileni fazla) yapılan, oksi-asetilen kaynağında açık bir şekilde kendini gösterir. Bakır oksijenle, CuO ve Cu 2 O şeklinde iki oksit oluşturur ve sonuncusu kararlı bileşik teşkil eder. Hasıl olan Cu 2 O, tasfiye edilmemiş bakır içerisindeki kükürdün giderilmesi sırasında meydana gelmekte ye tamamen temizlenmemektedir. Cu 2 O bakır içerisindeki oksijenin değişmesine bağlı büyüklük ve sayıda mavi kürecikler halinde tesadüfi olarak yayılmıştır, Cu 2 O 1230° C'de erir ve yoğunluğu 'da 6'dır. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 13 3.4 Kaynak Pozisyonu Bakır ve alaşımlarının yüksek akışkan doğalarından dolayı, kaynak için mümkün oldukça düz pozisyon kullanılır. Köşe ve T-birleşimlerinin bazı bindirme kaynaklarında yatay pozisyon kullanılır. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 3.5 Çökelme Sertleşmesi Uygulanabilir Alaşımlar En önemli çökelme sertleşmesi reaksiyonları berilyum, krom, bor, nikel, silikon ve zirkonyum ile elde edilir. Oksidasyon ve tamamlanmamış füzyondan sakınmak için, çökelme sertleşmesi uygulanabilir bakır alaşımlarının kaynağında önlem alınmalıdır. Bileşenler mümkün olduğunca tavlanmış durumda kaynaklanmalı ve daha sonra kaynağa çökelme sertleşmesi ısıl işlemi uygulanmalıdır. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 3.6 Sıcak Çatlama Bakır-kalay ve bakır-nikel gibi bakır alaşımları katılaşma sıcaklıklarında sıcak çatlamaya hassastırlar. Bu karakteristik tüm bakır alaşımlarında, geniş bir likidüs- solidüs sıcaklık aralığında sergilenir. Ciddi seviyede çekme gerilimleri, metal katılaşması sırasında interdendritik yayılım üretir. Sıcak çatlama, kaynak sırasında sınırlamanın azaltılması yoluyla, soğuma oranının yavaşlatılması ve kaynak gerilimlerinin büyüklüğünü azaltmak için ön ısıtma yoluyla ve açılan kökün ebatını azaltarak ve geçen kökün boyutunu arttırarak minimize edilebilir. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 3.7 Gözeneklilik (Porozite) Bazı elementler (örneğin çinko, kadmiyum ve fosfor) düşük kaynama noktasına sahiptir. Bu elementlerin kaynak sırasında buharlaşması gözeneklilik ile sonuçlanabilir. Bu elementleri içeren bakır alaşımları kaynak edilirken gözeneklilik, daha yüksek kaynak hızları ve bir dolgu metali kullanımıyla minimize edilebilir. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 14 3.8 Yüzey Durumu İş yüzeyleri üzerindeki yağ ve oksit kaynak öncesi giderilmelidir. Tel fırçalama ve parlak daldırma kullanılabilir. Yağ, boya, kalem izleri, atölye kiri ve bakır-nikel alaşımları üzerindeki benzeri kirlenmeler gevrekliğe neden olabilir ve kaynak öncesi giderilmelidir. Bakır-nikel alaşımları üzerindeki taşlama ve dekapaj ile giderilmelidir, tel fırçalama etkili değildir. Bakır alaşımlarının birçok fiziksel özelliği kaynak işlemi için önem taşır, bunlar arasında erime noktası, termal genleşme katsayısı, elektriksel ve termal iletkenlik sayılabilir. Bazı alaşım elementleri, bakır ve bakır alaşımlarının elektriksel ve termal iletkenliklerini büyük ölçüde azaltır. (www.key-to-metals.com/Article29.htm) 4. BAKIR VE BAKIR ALAŞIMLARININ KAYNAK AŞAMALARI Bakır ve bakır alaşımlarının kaynakları genelde Metal – Aktif gaz kaynağı ve Gaz Tungusten Ark kaynağı ile yapılır. Çünkü, ısı iletkenliği yüksek malzemelerin kaynaklarında yüksek ısı girdilerine ihtiyaç duyulur. Koruyucu gazların kullanıldığı kaynak işlemlerine göre kalitenin düşük olmasına rağmen manuel metal ark kaynağı da kullanılabilir. Saf bakırın kaynaklanabilirliği a,b ve c gruplarına göre değişiklik göstermektedir. Yüksek oksijen içeren alaşımlarda, oksijen ısıdan etkilenen bölgede (HAZ) sertleşmelere ve kaynak metalinde boşluklara sebep olabilir.fosforla oksijeni giderilmiş bakır kaynağa daha uygundur. (Boşluklar, Al, Mn, Si, P, Ti içeren dolgu malzemeleri kullanılarak giderilir). İnce parçaların kaynağında ön ısıtmaya gerek duyulmazken, kalın parçaların kaynaklarında 60 o C ye kadar ön ısıtma gerekebilir. Bakır alaşımlarının kaynaklarında ön ısıtmaya nadiren gerek duyulur. Kaynaklanabilirlik bakır alaşım çeşitlerine göre değişmektedir. Kaynak hatalarını azaltmak için, alaşıma uygun kaynak prosedürü izlenmelidir. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 4.1 Bakır ve Bakır Alaşımlarının Kaynağında Kaynak Ağzı Dizaynı Uygun kaynak ağzı dizaynları şekil 1 ve 2 de gösterilmiştir. Bakırın yüksek ısı iletkenliğinden dolayı kaynak ağızları tam erime ve nüfuziyeti sağlamak için çeliklere göre daha geniştir. 15 Şekil 6. Bakır ve bakır alaşımlarının kaynağında kaynak ağzı dizaynı (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 4.2 Yüzey Hazırlama Kaynak bölgesi temiz olmalıdır; (yağ, pas, kir, boya ve oksitlerden arındırılmış). Bronz bir telle fırçalandıktan sonra uygun bir temizleyiciyle temizlenmelidir. Kaynak esnasında oluşan oksit film, her pasoda fırçalanarak temizlenmelidir. 4.3 Ön Isıtma Kalın parçalarda, hızlı ısı kaçışını engellemek için ön ısıtma yapılmalıdır. Birçok bakır alaşımının kaynağında ön ısıtmaya gerek duyulmaz çünkü ısı iletkenlikleri saf bakıra göre çok düşüktür. Uygun ön ısıtma; kaynak yöntemi, kaynaklanacak alaşım ve parça kalınlığı göz önünde bulundurularak uygulanmalıdır. Al, bronz ve bakır – nikel alaşımlarına ön ısıtma uygulanmamalıdır. Isıyı küçük bir bölgeye vererek, ısınmalardan kaynaklanabilecek süneklik kaybını önlemek amaçlanır. Ön ısıtma sıcaklığının kaynak işleminin sonuna kadar korunması da önemlidir. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 16 5. BAKIR VE BAKIR ALAŞIMLARINDA GAZ METAL ARK KAYNAĞI (GMAW) 5.1 Bakır İçin Gaz Metal Ark Kaynağı Bu kaynak yöntemi için ERCu bakır elektrotlar önerilmektedir. Kullanılacak gaz karışımı genellikle parça kalınlığı dikkate alınarak belirlenir. 6 mm ve daha ince parçalarda argon kullanılır. Daha kalın parçalar için helyum-argon karışımı tercih edilir. Dolgu malzemesi sprey transferi kullanılarak verilmelidir. Gaz-metal ark kaynağı, kalınlığı 3mm den az bakır ve bakır alaşımlarının birleştirilmesinde kullanılırken, GMAW, 3mm üzeri kalınlıktaki kesitler ve alüminyum bronzları, silikon bronzları ve bakır-nikel alaşımlarının birleştirilmesinde tercih edilir. Metal Kalınlığı Ağız Dizaynı Electrot Çapı Ön Isıtma Sıcaklığı Kaynak akımı Voltaj Gaz akış hızı(l/dak) Kaynak Hızı 1.6mm A 0.9mm 75°C 150- 200 21-26 10-15 500 mm/dk 3.0mm A 1.2mm 75°C 150- 220 22-28 10-15 450 mm/dk 6.0mm B 1.2mm 75°C 180- 250 22-28 10-15 400 mm/dk 6.0mm B 1.6mm 100°C 160- 280 28-30 10-15 350 mm/dk 10mm B 1.6mm 250°C 250- 320 28-30 15-20 300 mm/dk 12mm C 1.6mm 250°C 290- 350 29-32 15-20 300 mm/dk 16mm + C,D 1.6mm 250°C 320- 380 29-32 15-25 250 mm/dk Bakır ve bakır alaşımlarına uygulanan Gaz Metal Ark Kaynağı için önerilen koruyucu gazlar. ? Ar+ > 0-3 % O 2 ya da eşdeğer koruyucu gazlar ? Ar+ %25 He ya da eşdeğer koruyucu gazlar ? He+ %25 Ar ya da eşdeğer koruyucu gazlar (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 17 5.2 Bakır-Silikon Alaşımları İçin Gaz Metal Ark Kaynağı (GMAW) ERCuSi-A elektrotlar ve koruyucu gaz olarak argon kullanılır. Genellikle kaynak hızı yüksektir. Aufhauser Silikon Bronz, bu alaşımların kaynağında önerilen bir elektrottur. Pasolar arasında oksit tabakasının fırçalanarak temizlenmesi önemlidir. Ön ısıtma gerekli değildir. 5.3 Bakır-Kalay Alaşımları İçin Gaz Metal Ark Kaynağı Bu alaşımların geniş bir katılaşma aralığı vardır ve dendritik iri taneli yapılar oluşabilir. Bu Yüzden kaynak esnasında kaynak metalinin kırılmaması için gerekli önlemler alınmalıdır. Kaynak metalini sıcakken dövmek, kaynak sırasında oluşan gerilimleri azaltıp kırılmayı önleyebilir. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 6. BAKIR VE BAKIR ALAŞIMLARI İÇİN GAZ TUNGSTEN ARK KAYNAĞI 6.1 Bakır İçin Gaz Tungsten Ark Kaynağı 16.0 mm kadar olan alaşımlar bu yöntemle başarıyla kaynaklanabilir. Tipik kaynak ağız dizaynları şekilde gösterilmiştir. Önerilen dolgu metali gaz metal ark kaynağındakilerin yaklaşık olarak aynısıdır. 1.6 mm’ ye kadar parçalarda argon gaz Metal Katılan Koruyucu Tungsten Tip & Kaynak Çubuğu Ön ısıtma Kaynak Kalınlık (mm) Dizayn* Gaz Kaynak Akımı Çapı Sıcaklığı Akım 0.3-0.8 A Argon Thoriated/DC- __ __ 15-60 1.0-2.0 B Argon Thoriated/DC- 1.6 mm __ 40-170 2.0-5.0 C Argon Thoriated/DC- 2.4 - 3.2 mm 50°C 100- 300 6.0 C Argon Thoriated/DC- 3.2 mm 100°C 250- 375 10.0 E Argon Thoriated/DC- 3.2 mm 250°C 300- 375 12.0 D Argon Thoriated/DC- 3.2 mm 250°C 350- 420 16.0 F Argon Thoriated/DC- 3.2 mm 250°C 400- 475 18 koruması, 1.6 mm’den kalın olan parçalarda argon-helyum gaz karışımlarını kullanarak daha iyi nüfuziyet ve daha yüksek kaynak hızlarına ulaşabiliriz. %75 helyum ve %25 argon karışımı kullanarak iyi nüfuziyet sağlanmaktadır. 6.2 Bakır-Alüminyum Alaşımları İçin Gaz Tungsten Ark Kaynağı ERCuAl-A2 dolgu malzemesi bu kaynak yönteminde kullanılabilir. Argon korumalı, alternatif akım kullanarak kaynak sırasında oksitlerin giderilmesi sağlanabilir. Doğru akım ve argon-helyum gaz karışımı kullanarak derin nüfuziyet ve yüksek kaynak hızlarına ulaşılabilir. Ön ısıtma sadece kalın parçalar için gereklidir. 6.3 Silikon Bronzun Gaz Tungsten Ark Kaynağı Aufhauser Silikon Bronz Çubuk ERCuSi-A bütün kaynak pozisyonları için kullanılabilir. ERCuAl-A2 dolgu malzemesi de kullanılabilir. DC kullanan argon ya da helyum korumalı ya da AC kullanan argon koruma ile de kaynak yapılabilir. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 7. BAKIR VE BAKIR ALAŞIMLARININ MANUEL METAL ARK KAYNAĞI 7.1 Bakırın Manuel Metal Ark Kaynağı Bu yöntem genelde bakır parçaların bakım ve tamirinde kullanılır. Aufhauser AC-DC elektrot aşağıdaki durumlar için kullanılabilir. ? İnce parçaların basit tamirinde ? Ulaşması zor kaynak pozisyonlarında ? Bakırın diğer metallerle kaynağında 3mm den kalın parçalara 250 0 C’ ye da daha yüksek ön ısıtma uygulanabilir. 7.2 Bakır Alaşımlarının Manuel Metal Ark Kaynağı Bakır-kalay ve bakır-çinko alaşımların bu yöntemle kaynağında Bronzecraft AC-DC (EcuSn-C) electrot kullanılabilir. Geniş açılarda kaynak yapmak gerektiğinden metal stringer bead tekniği uygulanmalıdır. (www.brazing.com/TechGuide/procedures/copper_welding.asp) 19 Bakır Alaşımı Önerilen AWS Electrode Kodu Aufhauser Kaynak Electrodu Electrot Polaritesi Ağız Dizaynı Pirinç ECuSn-A or ECuSn-C Aufhauser PhosBronze AC- DC DC+ C Figure 1 Fosfor Bronz ECuSn-A or ECuSn-C Aufhauser Phos Bronze AC- DC DC+ C Figure 1 Şekil 7. Cu-Cu 2 0 sistemi ile Cu 2 0'nin esas metal ve geçiş bölgesinde yapıdaki dağılışı. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) Şekil 8. Bir oksi-asetilen alevindeki yanma reaksiyonları ve kaynak dikişinde oluşan su buharı. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 20 Gösterilişi Erime Noktası veya Erime Aralığı (°C) Genleşme (25 - 300°C) (106 /K) Isı İletimi (20°C'de) (W/mK) Elektrik İletkenliği OF-Cu 1083 17 390 58 SF-Cu 1083 17 314-356 35-50 CuAsP 1080-1083 17 100-205 15-30 CuMn2 1045-1060 17,5 126 20 CuMn5 1015-1035 21 42 7 CuSi2Mn 1030-1060 17,9 59 5,4-5,8 CuSi3Mn 970-1025 18 38 3,8-4 CuZn28 920-950 19,8 117 16 CuZn37 900-910 20,5 113 15 CuZn30Al 960-1010 19,8 100 12,5 CuSn6 910-1040 18,5 75 9 CuSn8 875-1025 18,5 59 7,5 CuNi12Zn24 1020-1060 16,4 33 4 CuNi25Zn15 1105-1120 16,6 23 2,8 CuNi10Fe 1100-1145 16 59 5,6 CuNi25 1150-1210 15,5 29 3,1 CuNi30Fe 1180-1240 15,3 29 2,6 CuAl5 1050-1060 17 84 10 CuAl8 1030-1035 17 67 8 CuAl10Ni 1030-1040 16 33 4 Çelik (%0,1 C) 1520 18,5 54 8 Tablo 3. Bakır alaşımlarının özellikleri. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi) 21 , Gösterilişi Gaz Kaynağı TIG MIG Elektrik Ark Elektrik Direnç Kaynağı Nokta Dikiş Alın CuAsP Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Uygundur Uygundur CuMn2 Uygundur Tavsiye Edilir Uygundur --------- Uygundur Uygundur Tavsiye Edilir CuMn5 Uygundur Tavsiye Edilir Uygundur --------- Uygundur Uygundur Tavsiye Edilir CuSi2Mn Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir CuSi3Mn Uygun Değildir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir CuZn28 Uygundur Uygundur Uygun Değildir Uygun Değildir Uygundur Uygun Değildir Uygundur CuZn37 Tavsiye Edilir Uygundur Uygun Değildir Uygun Değildir Uygundur Uygun Değildir Uygundur CuZn20Al Uygun Değildir Tavsiye Edilir Uygun Değildir Uygundur Uygundur Uygun Değildir Uygundur CuNi12Zn24 Uygundur Uygundur Uygun Değildir Uygun Değildir Uygundur Uygundur Uygundur CuNi25Zn15 Uygundur Uygundur Uygun Değildir Uygundur Uygundur Uygundur Uygundur CuSn6 Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Tavsiye Edilir CuSn8 Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Tavsiye Edilir CuNi10Fe Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Tavsiye Edilir CuNi25 Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir CuNi30Fe Uygundur Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir CuAl5 Uygun Değildir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Uygundur Uygundur CuAl8 Uygun Değildir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Uygundur Uygundur CuAl10Ni Uygun Değildir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Tavsiye Edilir Uygundur Uygundur Uygundur Tablo 4. Başlıca dövme bakır alaşımlarının çeşitli kaynak yöntemleriyle yapılan kaynak işlemlerindeki kaynak kabiliyetleri 22 Esas Metal Kaynak Usulü İlave Kaynak Metali Düşünceler CuAsP TIG S-NiCu30MnTi Bakır tarafı daha önce S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalıdır. CuMn2, CuMn5 TIG S-ARBz8 veya R-CuAl-A2 Yüksek zorlamaya maruz kalan çelik tarafı daha önce S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalıdır. CuSi2Mn, CuSi3Mn TIG S-CuSi Çelik alın S-CuSi ile tamponlanmalı. Eğer mümkünse, çelik tarafı daha önce bir gerilme gidermesine tabi tutulmalı. Yüksek zorlamalarda çelik tarafı S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalı. Cu-Zn alaşımları (Pirinç) Gaz Kaynağı TIG S-Ms60 veya S-SoMs S- SnBz6 veya S-AlBz8 Çelik tarafın alnı önce S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalı. Çinko buharlaşması dolayısıyla gümüş lehim ile sert lehimleme yapılabilir. Cu-Sn alaşımları (Kalay bronzları) Elektrik Ark TIG S-SnBz6 Çelik tarafın alnı S-SnBz6 ile tamponlanmalı. Eğer mümkünse çelik tarafı daha önce bir gerilme giderme tavlamasına tabi tutulmalı. Yüksek zorlamalarda çelik tarafı S-NiCu30MnTi ile tamponlamalı. Cu-Ni alaşımları Elektrik Ark TIG S-CuNi30Fe veya S- NiCu30Mn veya S- NiCu30MnTi S-CuNi30Fe ilave metali kullanılması halinde, çelik tarafı daha önce S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalı. Ön tavlamaya gerek yoktur. Cu-Al alaşımları (Alüminyum bronzları) TIG MIG S-AlBz8 veya RCuAl-Az Yüksek zorlamaya maruz konstrüksiyonlarda alüminyum bronz tarafı S-NiCu30MnTi ile tamponlanmalıdır. Tablo 5. Çeşitli bakır alaşımları ile alaşımsız çeliğin kaynağına ait hususlar. (Kaynak: 1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı – Birsen Yayınevi)