İmal İmal Ödevi - Lazer ve Plazma Kaynağı Uygulamaları 1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ SENİRKENT MESLEK YÜKSEKOKULU MAKİNA – RESİM – KONSTRÜKSİYON BÖLÜMÜ BİTİRME ÖDEVİ LASER VE PLAZMA KAYNAĞI VE UYGULAMALARI YÖNETEN Mak. Yük. Müh. H. Cenk BAYRAKLI HAZIRLAYANLAR Deniz GÜNAY 0009 Deniz ÖZKAN 0010 Sevgin ŞENTÜRK 0035 ISPARTA – 2001i ÖNSÖZ Bitirme ödevi projemizde kaynak yöntemlerinden lazer ve plazma Kaynağı ve uygulamaların anlatmaya çalıştık. Projeyi hazırlarken Selahaddin ANIK’ın “Plazma Tekniği ve 1000 Soruda Kaynak Yöntemleri” adlı kitaplarından yararlandık. Bu çalışmamızın bizden sonraki arkadaşlarımıza faydalı olmasını dileriz. Çalışmalarımız sırasında bize yardımlarını esirgemeyen sayın hocamız; Makine Yüksek Mühendisi H. Cenk BAYRAKLI’ya teşekkürlerimizi sunarız. Deniz GÜNAY Sevgin ŞENTÜRK Deniz ÖZKANii İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ..................................................................................................................................i İÇİNDEKİLER......................................................................................................................ii ŞEKİLLER LİSTESİ ............................................................................................................iii 1. LAZER VE PLAZMA KAYNAĞI TEKNİKLERİ ............................................................ 1 1.1. Birleştirme Tekniklerinin Gelişimi .............................................................................. 1 1.2. Kaynak Hakkında Genel Bilgiler................................................................................. 3 1.3. Işınla Kaynak ........................................................................................................... 4 1.3.1 Delik açma ............................................................................................................ 5 1.3.2. Plazma-Ark sistemleri ......................................................................................... 7 1.3.3. Elektron ışını ile kaynak ....................................................................................... 8 1.3.3.1 Elektron tabancası........................................................................................ 9 1.3.3.2 Vakum odası.............................................................................................. 10 1.3.3.3. Bağlantının hareket ettirilmesi................................................................... 11 1.3.3.4. Uygulamalar ............................................................................................. 11 1.3.4 Lazer sistemleri ................................................................................................... 13 1.3.4.1. Lazer kaynağı ............................................................................................ 16 2. PLAZMA KAYNAĞI...................................................................................................... 26 3. YÜKSEK GÜÇ PLAZMA BİRLEŞTİRME KAYNAĞI.................................................. 36 3.1. Prensibi ..................................................................................................................... 36 3.2. Özellikleri ................................................................................................................ 38 3.3. Kullanım Alanları...................................................................................................... 40 4. MİKROPLAZMA KAYNAĞI......................................................................................... 41 4.1. Prensibi ..................................................................................................................... 41 4.2. Özellikleri ................................................................................................................. 41 4.3. Kullanım Alanları...................................................................................................... 42 5. PLAZMA DOLGU KAYNAĞI ....................................................................................... 42 5.1. Prensibi ..................................................................................................................... 42 5.2. Özellikleri ................................................................................................................ 43 5.3. Kullanım Alanları..................................................................................................... 44 6. SONUÇ .......................................................................................................................... 45iii ŞEKİLLER LİSTESİ Şekil 1.1. Cıvata bağlantılı kaynaklı kiriş ............................................................................... 2 Şekil 1.2. Delik Açmanın Prensipleri .................................................................................... 5 Şekil 1.3. Elektron Işını İle Kaynağın Enine Kesiti................................................................. 6 Şekil 1.4. Plazma-Ark Kaynağı .............................................................................................. 8 Şekil 1.5. Bir Elektron Işını İte Kaynak Makinasının Temel Elemanları................................. 9 Şekil 1.6. Kaynak için kullanılan elektron ışını tabancasının temel elemanları........................ 9 Şekil 1.7. Talaş kaldırarak işlenmiş pompa elem. elektron ışını ile kaynağa ait bir örnek...... 12 Şekil 1.8. Büyük bir elektron ışını ile kaynak odası. ............................................................. 13 Şekil 1.9. Lazer Kaynağı...................................................................................................... 14 Şekil 1.10. Bir YAĞ Lazerinin Prensibi. .............................................................................. 15 Şekil 1.11. Bir CO 2 Lazerinin Diyagramı ............................................................................ 16 Şekil 1.12. 10 mm kalınlığında bir çelikte tipik bir lazer kaynağı profili.............................. 17 Şekil 1.13. Lazer Kaynağı İçin Tel Besleme Cihazı............................................................. 17 Şekil 1.14. İki Pasolu Lazer Kaynağının Makro Kesiti. ........................................................ 18 Şekil 1.15. Laser’in Çalışma Prensibi................................................................................... 20 Şekil 1.16. Katı Hal Laserinin Prensibi................................................................................. 21 Şekil 1.17. CO 2 Laserinin Prensibi....................................................................................... 22 Şekil 2.1. Plazma Kaynağında Prensip Ve Dikiş Formu ....................................................... 26 Şekil 2.2. TIG-WIG ve Plazma Arkındaki Sıcaklık Profili.................................................... 28 Şekil 2.3. TIG-WIG ve Plazmada Sıcaklık Dağılımı............................................................. 31 Şekil 2.4. Akış Delikli Plazma Kaynağının Şematik Gösterilişi............................................ 32 Şekil 2.5. Plazma – Toz – Doldurma Yöntemi...................................................................... 33 Şekil 3.1. Yüksek güç plazma birleştirme kaynağı prensibi ve karşılaştırılması. ................... 37 Şekil 3.2. Üz Gazlı Plazma Kaynağı Üfleci Prensip Şeması ................................................. 37 Şekil 3.3. Bazı Gazlara Ait Sıcaklığa Bağlı Olarak Isı Yoğunluğu........................................ 38 Şekil 3.4. Yüksek Güçlü Plazma Üfleçlerinde Memenin Radyal Soğutulma Seması............. 39 Şekil 3.5 Plazma kaynağının Güç Yönünde Alternatifleri İle Karşılaştırılması .................... 40 Şekil 4.1. mikroplazma kaynağı prensip şeması.................................................................... 411 1. LAZER VE PLAZMA KAYNAĞI TEKNİKLERİ 1.1. Birleştirme Tekniklerinin Gelişimi Metaller insanlar tarafından binlerce yıldan beri kullanılmakla birlikte, ilk yararlı metalin nasıl üretildiğini kimse kesin olarak bilmemektedir. Meteoritlerle yer yüzeyine gelen metal parçacıklarının yararlı özelliklere sahip olduğunun keşfedilmiş olması mümkündür. Bakır içeren minerallerin bulunduğu bir yörede yaşayan insanların bilmeden bu filizleri kamp ateşinde ısıtmış olması ihtimali daha da fazladır. Uygun şartlar altında, bu olay çekiçle şekillendirilebilen ve saf olmayan bakır parçacıklarının üretimine neden olmuş olabilir. Orijinleri ne olursa olsun, metallerin erken çağlarda kullanılmış olduğu bakır alaşımından (bronz) yapılmış aletlerin ortaya çıkartılması ile kanıtlanmıştır. İlkel y erleşim merkezlerinden baltalar, mızrak uçlan ve süs eşyaları çıkartılmış ve arkeologlar bunların şimdi bronz çağı olarak adlandırdığımız dönemde üretilip kullanıldığını göstermişlerdir. Bronz, bakır ve kalay alaşımı olup bu alaşımın özelliklerinden biri de, iyi bk kesici uç oluşturabilecek tarzda şekillendirilebilmesidir. Bu özellik, çakmak taşından baltalar ve mızraklarla avlanmak zorunda kalan geç taş devri avcılarına çok çekici gelmiş olabilir. Bronzun ev aletlerinin yapımında da kullanılması, özellikle ahşaba dayalı inşaat tekniklerinde gelişmeler olduğu anlamına da gelmektedir. O zaman mevcut olan tekniklerle tamamen bronzdan yapılmış büyük parçaların üretimi mümkün olmadığından, yeni bulunan bu metalin kullanım alanları sınırlıydı. Balta ve mızrak saplan kullanım bakımından ahşap gibi esnek bk malzeme gerektirdiğinden, bu durum balta ve mızrak yapımına bk engel teşkil etmiyordu. Baş kısmın sapa birleştirilmesinde kullanılan ve o zamanın ihtiyaçlarına cevap veren çeşitli yöntemler bulunmuştu. Metalin metale uygun bk şekilde birleştirilme yöntemi ise henüz bulunmamıştı. Milâttan önce 1400 yıllarında Suriyeliler'in bulduğu söylenen demirci kaynağındaki g elişmeler bk yana bırakılırsa, küçük metal p arçacıkların birleştirilerek daha büyük ve daha karmaşık parçalan üretmedeki yetersizlik, mühendislikteki gelişmeyi 19.cu yüzyılın başlarına kadar engellemiştir. İtiraf etmek gerekli ki döküm teknikleri çanların ve toplamı üretiminde olduğu gibi son haddine kadar kullanıldı. Ancak elde edilen metal g evrektir ve mukavemeti demircinin çekici altındaki dövme parçaların mukavemetine nazaran çok daha düşüktü. Ancak dövme parçalar da küçük boyutlarda üretilebiliyordu ve bu nedenle de birleştirilmelerine ihtiyaç vardı. Gelişmelerin çoğu askeri gereksinimlerden doğmuştur. 2 Buna en güzel örnek şövalye zırhlarının perçinlenmesidir. Bu sayede zırhtaki hasara uğramış zırh parçalarının değiştirilebilmesi sağlanmıştır. Cıvatalama, perçinleme, lehimleme ve son olarak da kaynak gibi birleştirme tekniklerinin ticari boyutlarda ortaya çıkışı ancak makinaya bağlı endüstriyel devrimin gerçekleşmesiyle mümkün olmuştur. Bugün çok sayıda kullanılabilir birleştirme tekniği vardır ve günümüzdeki sorun birleştirmenin nasıl yapılacağı değil, en iyi birleştirme yönteminin nasıl seçileceğidir. Bronz çağı i nsanı birleştirme yöntemi olarak sadece kama kullanma veya deri şeritle bağlama arasında seçim yapmak zorunda iken, günümüzde bk tasarım mühendisi, aynı derecede uygun dört veya beş değişik birleştirme tekniğinin olduğu durumlarla kolaylıkla karşılaşabilir. Her yöntemin kendine has özellikleri vardır ve en uygun seçim için bir çok hususun değerlendirilmesi gerekir. Mukavemet, üretim kolaylığı, maliyet, ömür, korozyon dayanımı ve görünüş gibi faktörlerin göreceli ö nemi büyük ölçüde gözönüne alınan uygulamaya bağlıdır. Bir köprü tasarımcısı, köprü platformunda hareket eden vasıtaların oluşturduğu değişken yükleri taşıyacak levhaları birbirine birleştirecek yöntemler arar. Birleştirme işlemlerini mümkün olduğu kadar çabuk yapmak her ne kadar arzulanır ise de, bu her uygulama için birinci derecede öneme haiz bir husus değildir. Gerçekte bazı bağlantıların yerinde yapılması zorunlu bir faktör olarak karşımıza çıkabilir. Bu nedenden dolayı köşe kaynağı kirişlerin atölyedeki i malatında sıkça kullanılırken; bu kirişlerle ilgili kritik bağlantılar, daha iyi bir kalite kontrolü ve zor yerlerde çalışma kolaylığı s ağlamak gibi y ararlarından ötürü yerinde yapılan cıvata bağlantısı ile gerçekleştirilir (Şekil l.1). Yerinde yapılan Atölyede yapılan civata bağlantısı kaynaklar Şekil 1.1. Cıvata bağlantılı kaynaklı kiriş3 Buna karşılık, köprüden geçen otomobillerin imalatçısı ise üretim hatunda kullanılabilmeye uygun güvenirlilik, tekrarlanabilirlik ile birlikte yüksek üretim hızına sahip birleştirme tekniklerini araştırır. Genellikle büyük iş gücü gerektiğinden bu yöntemler mümkün olduğunca yan kalifiye operatörler tarafından uygulanmaya müsait olmalıdır. Bu ise, üretim düzeninin kurulması, kontrolü veya izlenmesi için uzman personel gerektirir. 1.2. Kaynak Hakkında Genel Bilgiler Kaynak, çözülemeyen bağlama elemanlarındandır. İki v eya daha fazla malzemeleri birleşme belgelerine ısı veya basınç veya her ikisini birden kullanarak, bir ilave kaynak m alzemesi kullanarak v eya k ullanmadan ç özülmez b ir b ütün halinde birleştirmektir. Zamanımızda kaynak bağlantıları çelik kirişler, tank, kazan, dökme ve dövme makinalarında perçinin v erini almış, çatlak ve kırılmalarda, tamir m aksadıyla çok taraflı y ama y apılmasında, aşınmış y erlerin d oldurulmasında, takviye v e dolgu kaynağı olarak kullanılmaktadır. Ayrıca kaynak bağlantıların ayrılmasında, delinmesinde, kesilmesinde ve şekillendirilmesinde de kullanılmaktadır. Kaynağın uygulandığı malzemeler metal, plastik, cam ve bakalit malzemeler gibi f arklı özellikte elan her türlü malzemeye uygulanabilir, teknikte en çok uygulandığı malzemeler çelik, çelik döküm, pik, karbon alaşımlı çelikler, Alimünyum ve alaşımları, Magnezyum alaşımları, Nikel, Çinko, Kurşun malzemelerin bağlanması gibi metal malzemelerin yanında, termoplastik Malzemelerde de geniş bir uygulama alanına sahiptir. Kaynak bağlantısı perçine nazaran %20 hafif ve daha mukavemetlidir. Kaynağın yapılması, ballanacak parçalar ergime sıcaklığına kadar ısıtılır ve iki malzeme birbirine ya doğrudan yada ara dolgu malzemesiyle kaynatılır. Dikkat edilecek en önemli nokta bağlantı yapılacak malzemelerin ve dolgu maddesinin özel- liklerinin aynı veya bir birine çok yakın olması mukavemeti artırmaktadır.4 Kullanılan Kaynak Metodları; 1. Ateş kaynağı, 2. Gaz ergitme kaynağı, 3. Elektrik Ark kaynağı, 4. Elektrik direnç kaynağı, 5. Al+Demiroksit altında termik kaynak , 6. Koruyucu gaz altında kaynak, 7. Laser Kaynağı, 8. Plazma Kaynağı. Kaynak Dikiş Şekilleri; 1. Alın kaynağı dikişleri, 2. Köşe kaynağı dikişleri. Kaynak Kalitesine Etki Eden Faktörler; 1. Malzeme, 2. malzemenin hazırlanması, 3. Kaynak yapım şekli, 4. Kaynak dolgu malzemesi seçimi, 5. kaynak işçisinin ustalığı, 6. Kontrol. Kaynağın kalitesini bu faktörler belirler. 6 özelliğin arandığı kaynak 1. sınıf, ilk beş özelliğin arandığı kaynak 2. sınıf, bu özelliklerin aranmadığı kaynak ise 3. sınıf kaynaktır. 1.3. Işınla Kaynak Ark eritme kaynağında yüzeyde kaynak banyosunun genişliği genellikle 5 ilâ 10 mm arasındadır. Bu ise arkta elde edilen ısının gerilime, akım şiddetine ve kaynak hızına bağlı olarak 40 ilâ 180 mm 2 'lik bir alan aralığında dağıldığı anlamına gelir. Isı bağlantıya doğru aktıkça, kaynak banyosu karakteristik fincan tabağı şeklindeki profilini alır. Kaynak dikişinin oluşturulmasında kökten farklı diğer bir yaklaşım, daha modem bir grup işlemin kullanılmasıdır. Bunlardan en önemli üçü: Plazma ark, elektron ışını ve lazer kaynak yöntemleridir. Bunların her birinde erime ve bağlantı oluşumu yüksek enerjili ısıran kullanıldığı "delik açma" denilen bir teknikle gerçekleştirilir.5 1.3.1 Delik açma Delik açmanın nasıl çalıştığını bir metal levhanın yüzeyine doğrultulmuş bir ışını gözönüne alarak görebiliriz (Şekil 13.1). Işın çok küçük bir çapa sahiptir; bu sayede levha yüzeyinde l veya 2 mm çapındaki bir nokta üzerine odaklanabilir. Işın aynı zamanda çok yüksek bir kinetik enerjiye sahiptir ve bir katı cisme çarptığında bu enerjiyi serbest bırakır. Başardı bir kaynağın gerçekleştirilebilmesi için serbest bırakılması gereken enerji miktarı l O kW/mm 2 'ıün üzerinde olmalıdır. Şekil 1.2. Delik Açmanın Prensipleri Işının çarpma noktasında metalin sıcaklığı küçük bir alanda hızla yükselir. Metal erir ve bir kısmı da buharlaşır. Erimiş metal kenarlara doğru itilir ve bir krater oluşarak daha önce meydana gelmiş olan küçük banyonun dibindeki kati metal ortaya çıkar. Işın bundan sonra kah haldeki metale çarpar ve böylece biraz daha enerji s erbest kalır. Ortaya çıkan yeni metalde de erime oluşturur; yeni bir krater meydana gelir ve bu çevrim, ışın tüm levha kalınlığı boyunca nüfuz edinceye kadar devam eder. Bu aşamada levha kalınlığı b oyunca devam e den bir silindirik boşluk veya bir delik oluşur. Bu deliğin cidarı, ışın ekseninden dışarıya doğru zorlanarak atılmış, erimiş metalle kaplıdır. 6 Bu metal, yüzey gerilimi ve delikte mevcut metal b uharının basıncı sayesinde yerinde kalır. Böylece ışın, çok az bk enerji kaybıyla, delik boyunca ilerleyerek levhanın diğer tarafına ulaşır. Bununla beraber, ışını bir tarafa doğru hareket ettirecek olursak, deliğin cidarına temas eder ve enerjisini salar. Delik geçici olarak uzamış hale gelir. Işının terk ettiği alandan ısı kaybı olur ve deliğin arka cidarındaki metalin bir kısmı katılaşır. Ön taraftan eriyen metal, yüzey geriliminin etkisiyle, dairesel kesiti y eniden oluşturmak üzere deliğin çevresine doğru akar. Işın levha boyunca hareket ederken, bu sıvılaşma ve katılaşma olayları d eliğin şeklini üniform h alde tutacak tarzda düzenli olarak ilerler. Hareketin tamamlanmasından sonra, ışının hareket doğrultusu ve levha kalınlığı boyunca ince bk döküm metal bandı oluşur. Tanımlanan bu işlemler dizisine "delik açma" adı v erilir. Karşılıklı yüzeyleri arasında küçük bk aralıktan başka bir şeyi olmayan bir küt alın bağlantısında, bağlantı çizgisi boyunca ışını hareket ettirerek, delik cidarlarını kaplayan erimiş metal yardımıyla ara yüzeyde bk köprü oluşturduğundan, “delik açma” kaynağa uygun bk tekniktir. Diğer eritme kaynağı sistemlerinde olduğu gibi, arka cidardaki erimiş metalin sürekli katılaşması bağlantının iki elemanını birbirine birleştirir. Delik açmayla yapılan kaynaklar 20/1 gibi yüksek değerlere ulaşılabilen büyük derinlik/genişlik oranlan ile karakterize edilirler (Şekil 1.3.). Şekil 1.3. Elektron Işını İle Kaynağın Enine Kesiti.7 Katılaşmanın erime sınırından merkeze doğru geliştiği ve iri tanelerin oluştuğu geleneksel ark eritme kaynağında, katılaşmada bu kadar yüksek derinlik/genişlik oranında bir kaynak dikişi oluşturulabilseydi, kaynakta mutlaka çatlama görünürdü. Katılaşma daima erimiş ince metni tabakalarında oluştuğundan, delik açmayla başarılı sonuçlar elde etmek olanağı vardır. Katılaşmada küçük taneler oluşur ve kaynak metali yüksek sıcaklıklarda iyi bir mukavemete sahiptir. Katılaşma kaynak kalınlığı boyunca düşey bir şekilde olmayıp kaynak ilerleme doğrultusunda olduğundan, kaynak metalindeki çekmenin oluşturduğu boşluğu doldurmak için yeterli sıvı metal takviyesi sağlama problemi daha kolay çözülür hale gelmiştir. Delik açma yöntemi iki büyük üstünlük sağlar: Üniform nüfuziyetli kaynaklar kolaylıkla elde edilir ve kaynağın paralel kenarlı olması, çok az veya hiç distorsiyonsuz üniform bir "çekme" oluşturur. Delik açma için bir kaç çeşit mümkün enerji kaynağı önerilmiş olmakla birlikte halen sadece üç sistem kullanılmaktadır: Plazma ark, elektron ışını ve laser. 1.3.2. Plazma-Ark sistemleri Plazma terimi iyonlaşmış bir gaz kütlesi anlamına gelir. Bir gaz, pozitif iyonlarıyla negatif yüklü elektronlarına ayrışmaya yeterli yükseklikte bir sıcaklığa ısıtıldığında plazma oluşur. Bu ayrışmayı oluşturmak için bir enerji gerekir ve kaynakta bu enerji arktan sağlanır. Ark sütununun merkezindeki gaz, oluşan sıcaklıklarda ayrışır ve plazma yaratır. Bu gaz, ark sütunundan uzağa doğru akarken nötr atomlar oluşturmak üzere yeniden-birleşir ve bu sırada ortama ısı enerjisi salar. TIĞ kaynağında kullanılan tungsten arklarında elde edilen sıcaklıklar 11.000 0 C mertebesindedir. Ark sütunu çan şeklindedir (Şekil 1.3.3) ve gaz koruması atanda serbestçe hareket edebilir. Ark, su soğutmalı bir bakır meme tarafından sanlı ise daralır ve ark sütunundaki sıcaklık 20.000 °C civarına yükselir. Plazma daralmış ark boyunca harekete zorlanırsa, alışılagelmiş kaynak arklarından elde edilebilenden çok daha yüksek sıcaklıklara yükselir. Bu nedenle plazma gazı hızla genleşir ve daralmış meme ağandan sıcaklığı yüksek bir gaz jeti olarak çıkar. Diğer bir deyimle, delik açma için gerekli olan yüksek enerjili bir çeşit ışın elde edilmiş olur. Bunu kullanarak 3-15 mm kalınlıktaki malzemelerdesin kaynağını 100 - 300A akım şiddetiyle bir pasoda gerçekleştirmek olanaklıdır. Hızlar TIĞ kaynağında benzer bağlantılarda gerçekleştirilen hızlardan % 40 ilâ % 80 arasında daha yüksektir. 8 Bu yöntem, uygulama aralığı sınırlı olduğundan geniş ölçüde kullanılmamaktadır. Ancak, delik açmaya özgü çok iyi nüfuziyetli dikiş profillerinin üstünlüğünden yararlanan boru kaynağı teknikleri geliştirilmiştir. Tungsten elektrot (negatif) Ark sütunu memedeki Delikte daralır. Sığ geniş Kaynak banyosu Derin dar deliği Geleneksel Ark plazma (veya daraltılmış) TIĞ kaynağı Şekil 1.4. Plazma-Ark Kaynağı Plazma-ark kaynağının mikro-plazma kaynağı olarak bilinen düşük akünü bir çeşidinin başarılı bir şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu sistem 0,1 - 10 A arasındaki akım değerlerinde çalışmakta ve plazma ark kaynağında gerekli olandan çok daha basit bir meme kullanılmaktadır. Mikro-plazma kaynağı d üşük akımlarda kararlı b ir çalışma olanağı sağladığından, özellikle l mm'den ince metallerin kaynağında çok kullanışlıdır. TIĞ kaynağında bunu gerçekleştirmek güçtür. Kaynak dikişleri küçük olup alışılmış ark kaynaklarında elde edilenlere çok benzerdir. Çok ince saçlarda plazma jeti kullanılarak delik açm'a yönteminin etkin bir şekilde çalışabilmesi olanaklı görülmemektedir. 1.3.3. Elektron ışını ile kaynak Elektron ışını ile kaynak makinası 3 temel elemana sahiptir (Şekil 1.5): a) Kontrollü elektron ışını oluşturan bir tabanca, b) Gerekli pompa ile donatılmış bir vakum odası, c) Işını bağlantı çizgisi boyunca hareket ettiren veya iş parçasını tabanca alanda hareket ettiren bir ünite.9 Şekil 1.5. Bir Elektron Işını İte Kaynak Makinasının Temel Elemanları 1.3.3.1 Elektron tabancası Elektron ışını ile kaynaktaki ticari donanımlar içinde çeşitli tipten tabancalar kullanıma sunulmuştur. Ancak bunların hepsi de televizyon cihazlarında bulunan termoiyonik valfler ve katot ışını tüplerindeki prensiplere benzer prensiple çalışmaktadır. Elektron membaı, elektron akışını k ontrole yardımcı olan, kap şeklindeki bir elektroda monte edilmiş, ısıtılmış bir tungsten filamandır (Şekil 1.6). Şekil 1.6. Kaynak için kullanılan elektron ışını tabancasının temel elemanları10 Anot, merkezinde delik bulunan bir disk şeklindedir. Bu yöntemde iki gerilim aralığı kullanılır. Düşük gerilimli sistemlerde anot ile katot arasındaki gerilim farkı 15-30 kV; iken yüksek gerilimli makinalarda bu fark 70 - 150 kV'tur. Her iki sistem için de çeşitli çalışma üstünlüklerinin olduğu ileri sürülmüştür; ancak sonuçta elde edilen kaynak dikişleri temelde benzerdir. Tabancalarda kullanılan gerilim değerlerinde elektronlar katottan, bir kısmının toplandığı anoda doğru hızlı hareket eder. Diğerleri anodun merkezindeki delikten geçerek kata bir cisimle karşılaşıncaya kadar hareketlerine devam ederler; karşılaşma sonucunda kinetik enerjileri ı sıya dönüşür. Anottaki delikten çıkan elektronlar aynı doğrultuda hareket etmezler ve bu nedenle elektron ışını, tepesi anotta ve tabanı iş parçası üzerinde olan bir koni şeklini almaya çalışır. Bunun olmasına imkan verilirse elektronlar yüzey üzerinde büyük bir alana yayılır ve delik açmak için gerekli olan yüksek enerji yoğunluğuna erişme olanağı olmaz. Tabanca bu nedenle, elektronları ışın eksenine doğru saptıran bir manyetik sargı içerir. Sargıdan geçen akımın ve sonuçta da manyetik alanın şiddetini kontrol e derek, ışın yaklaşık 0,5 mm çapındaki alana odaklanabilir. Böyle küçük çaplarda ışının bağlantıya hassas bir şekilde yönlendirilmesi çok önemlidir. Bu amaçla vakum odasının cidarlarına gözlem pencereleri yerleştirilebilir. Çok daha başarılı bir yöntem ise, bir teleskopik oküler ve açılı aynalar kullanarak ışının ekseni doğrultusunda nişan almaktır. 1.3.3.2 Vakum odası {Elektronlar havada gönderilecek olursa, hava içinde mevcut oksijen ve azot atomları ile çarpışmaları n edeniyle enerjilerini yitirirler. Işının herhangi bir mesafe katetmesi i çin, 10 -4 ile l 0 -2 Tor (0,013 ilâ 1,3 N/m 2 ) arasındaki basınçta vakum içinde çalışması |gerekmektedir. Vakum odası, iş parçası ve tabancayı içine alacak kadar yeterli büyüklükte olmalı ve personeli radyasyon t ehlikesine karşı koruyucu bir şekilde tasarlanmalıdır. Elektron ışını is parçasının yüzeyine çarptığından, açığa çıkan enerjilerin bir kısmı X ı şınlarına dönüşür. X ışınları çevrede çalışanlara zarar verebileceğinden bu ışınların odadan kaçmalarına izin verilmemelidir. Bu nedenle odaya kurşun astar uygulayarak ışınların kaçması önlemi.11 1.3.3.3. Bağlantının hareket ettirilmesi Bağlantı küçükse, iş parçasını hareket ettirmek yerine ışını hareket ettirerek kaynak tamamlanabilir. Böyle bir iş için mekanik bir hareket sistemi gerekmediğinden, bu yöntem b ir üstünlüğe sahiptir. Burada ışın, ekseninden manyetik sargılar vasıtasıyla saptırılabilir. Sargılarda akan akım, ışını önceden planlanmış bir yörüngede hareket edecek şekilde programlanabilir. Bununla birlikte maksimum saptama göreceli olarak küçüktür ve uygulamaların çoğunda tabancanın ve is parçasının birbirlerine göre hareket ettirilmesi gerekir. Genel olarak odanın dışına monte edilmiş bir motor kullanarak iş parçasını hareket ettirmek daha kolaydır. Hareket dişlileri vakumda çalıştığından normal g res ve yağların buharlaşması ve odayı kirletmesi nedeniyle, kuru yağlayıcılar kullanılmalıdır. 1.3.3.4. Uygulamalar Elektron ışını ile kaynak, titan ve zirkon gibi çok reaktif metallerin birleştirilmesinde özellikle yararlıdır. Bunların kirlenmesi vakum sayesinde engellenir. Bununla birlikte yöntem b u malzemelerle sınırlı değildir ve bu özel delik açma yönteminin kendine özgü diğer niteliklerini kullanan birçok uygulama vardır: a)75 mrn kalınlığa kadar levhaların alın kaynağının bir pasoda gerçekleşmesini sağlayan nüfuziyet, b) Levhanın nötr ekseni etrafındaki üniform ç ekme ve dar ısı tesiri altındaki bölgenin çok: az distorsiyon oluşturması nedeniyle elemanların kaynaktan sonra işlenmesine gerek; olmaması. c) Vakum sayesinde kaynak metalinden gazların uzaklaştırılması: Örneğin hidrojen düzeyi, sertleşebilen çeliklerin kaynağını ısı tesiri alandaki bölgede çatlaklar oluşmaksızın başarılı bir şekilde gerçekleştirilebilecek, değerlere düşer. Vakum odalarının yüksek maliyeti, elektron ışını ile kaynağın büyükçe parçalarda kullanılmasını sınırlar. Bu yöntem, endüstriyel uygulamada, geleneksel eritme kaynağına; günümüze kadar önemli bir r akip olmamıştır. Ancak özellikle makina imalatında yeni olanaklara yol açmıştır. Aktarma sistemlerindeki dişli grupları, korozyona dirençli alaşımlardan yapılmış karmaşık supap düzenekleri ve basınç kapsülleri, işlenme öncesi şartlarda boyutsal t oleranslarda ö nemli bir kayıp o lmaksızın, k aynak e dilebilen elemanlara ait birkaç örnektir. 12 Bu elemanlar, benzer işlerin ark eritme kaynağında yapılması h alinde gerek duyulan kaynak sonrası ısıl işlem ve işleme operasyonlarına gerek olmaksızın kaynak yapılarak kullanılabilir. Şekil 13.6'da gösterilen eleman tek parçadan talaş kaldırarak elde edilmesi zor ve pahalı olan bir tasarıma ait örnektir. Bu tasarım tek bir parça yerine üç parçadan meydana gelecek şekilde düzenlenirse bu üç parça talaş kaldırma yo luyla elde edildikten sonra birbirlerine elektron ışını ile kaynatılarak imalat çok daha kolay bir hale getirilebilir. Eleman uygulamaya alınmadan önce kaynakların dış yüzeylerindeki fazla metalin giderilmesi için çok az miktarda talaş kaldırmaya ihtiyaç vardır. ?Elektron Işını İle Kaynak Şekil 1.7. Talaş kaldırarak işlenmiş pompa elemanından elektron ışını ile kaynağa ait bir örnek. Elektronik endüstrisi elektron ışını ile kaynağı yoğun ölçüde kullanmaktadır. Küçük kaynaklan hassas bir şekilde istenen yerde gerçekleştirebilme kabiliyeti izolasyon k apsüllerinde önemli bir üstünlüktür. Şüphesiz bir ç ok uygulamadaki en önemli husus kullanılan malzemeye sağlanan korumadır: Vakum alanda kaynak yan iletkenlerin çalışmasını bozabilen oksidasyon riskinin olmayacağı anlamına gelir. Uygulamanın diğer ucunda, oda ve tabanca tasarımındaki gelişmeler kalın malzemelerden yapılmış büyük elemanların kaynak edilebilmesini de mümkün kılmıştır. Şekil 1.7; 75 kW'lık bir tabanca ile çalışan ve 7m x 3.6 m faydalı çalışma hacmine. sahip bir odayı göstermektedir. Bu odanın basıncı çalışma basıncı olan 5.10 -2 Torr'a (7 N/m 2 ) yaklaşık 35 dakikada düşürülmektedir ve burada 150 mm kalınlığa kadar çelikler kaynak edilebilmektedir. Bu kalınlıkta 3 metre uzunluğunda alın kaynağı yaklaşık 20 dakikada tamamlanmaktadır.13 Şekil 1.8. Büyük bir elektron ışını ile kaynak odası. 1.3.4 Lazer sistemleri Yoğunlaştırılmış ışık ışınlarının ısıtma etkisi çok iyi bilinmektedir. Güneş ışınlarının büyüteçle bir nokta üzerinde odaklanarak bir kağıdı yakması mümkündür. Bütün ışınlar tek bir noktaya yönlendirilerek enerji yoğunluğu arttırılır ve kağıt ateşleme sıcaklığına yükselir. Bu şekilde devreye sokulabilecek enerji miktarı sınırlıdır. Bir parça kağıdı ateşlemek göreceli olarak kolaydır ancak bir parça çelik üzerindeki etki i hmal edilebilecek mertebededir. Çelikte ısı hızla etrafa iletilir ve sıcaklık sadece birkaç derece artar. Görünür ışık farklı dalga boylarda çok sayıda radyasyondan meydana gelmiştir. Dalgalar tesadüfi doğrultularda hareket eder ve aynı fazda değildirler. Metali eritmek için gerekli yüksek enerji yoğunluklarına ulaşmadan evvel radyasyonlar bir lazer kullanılarak aynı dalga boyuna çevrilmeli ve aynı faza getirilmelidir. Lazer ismi "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" kelimelerinin baş harflerinden oluşmuştur. Basit bir laserde (Şekil 1.3.8) beyaz ışık darbeleri YAĞ kristaline yönlendirilir. YAĞ, Ytrium Alüminyum Gamet kelimelerinin baş harflerinden meydana gelmiştir.14 Şekil 1.9. Lazer Kaynağı15 YAĞ kristali enerjiyi absorbe eder ve bunu birkaç mm çapındaki tek dalga boylu kızılötesi ışık demetine dönüştürür. YAĞ lazerinin çıkışı yüksek ortalama! güçlerde çalışma yeteneği olmadığından sınırlıdır. Günümüzde kullanılan ticari! ekipmanlar da ortalama güç - 100 "h sınırlanmıştır v e bunlarla l mm'lik kaynak nüfuziyeti elde edilir. Daha fazla nüfuziyetli kaynakta çok daha yüksek seviyedeki güçlerde (15 k W" a kadar) sürekli çalışma gerekir. Kaynakla kullanılan yüksek güçlü ticari lazerlerde YAĞ kristalinin yerine CO 2 , azot ve helyum gazlarının karışımıyla doldurulmuş bir tüp almıştır ( Şekil 1.3.9). Tüp içine yerleştirilen elektrodlar arasında oluşan yüksek bir gerilim gazı floresan hale getirir.. Deşarj içinde yükseltilen kızılötesi ışınlar tüpün sonundaki aynalar tarafından yansıtılır ve hasıl olan lazer demeti i ş parçası ü zerindeki bir noktaya odaklanır. CO 2 lazerleriyle 20 kV’a kadar çıkış güçleri elde edilebilmektedir. Şekil 1.10. Bir YAĞ Lazerinin Prensibi.16 1.3.4.1. Lazer kaynağı Birçok açıdan lazer kaynağı elektron ışını ile kaynağa benzerdir. Işın parça yüzeyine çarptığında kindik enerji salınır ve bir kaynak banyosu oluşur. Düşük güç seviyelerinde kaynak banyosu fincan tabağı şeklindedir ve bir ark kaynağındakine benzerdir. Elektronik endüstrisindeki nokta kaynağı için özellikle tellerin düz yüzeylere birleştirilmesinde ve kenar birleştirilmelerinin sağlamlaştırılmasında düşük güçte lazerler kullanılmaktadır 1.5 kWın üzerindeki güç seviyelerinde delik açma meydana gelebilir ve kaynaklar elektron ışını ile kaynakla ortaya çıkana benzer karakteristik bir profil oluşturur (Şekil 1.9). Bu tip kaynaklar ticari olarak mevcut olan lazerler ile 10 mm kalınlıklara kadar parçalarda gerçekleştirilebilir. Ancak 6 mm. ‘nin üzerindeki kalınlıklarda hareket hızı l m/dak'nın altına düşürülür ve bu düşük hızlarda kaynak banyosunda stabilite p roblemleri ortaya çıkar. Bunu ortadan kaldırmanın bir yolu, çok pasolu kaynak yapmak ve bu amaçla ikinci paso için dolgu metali sağlayan bir tel besleme cihazı kullanmaktır (Şekil 1.11). Şekil 1.11. Bir CO 2 Lazerinin Diyagramı17 Şekil 1.12. 10 mm kalınlığında bir çelikte tipik bir lazer kaynağı profili. Elektron ışını ile kaynağın tersine lazer ışını havada kolaylıkla hareket ettiğinden bir vakum odası gerektirmez. Bu önemli bir avantaj olmakla birlikte buradan kaynağın atmosferik kirlenmeye manız kalacağı anlamı çıkar. Erimiş metal TIĞ kaynağındakine benzer şekilde bir helyum veya argon gazı ile korunmalıdır (Şekil 1.13.). Şekil 1.13. Lazer Kaynağı İçin Tel Besleme Cihazı18 Şekil 1.14. İki Pasolu Lazer Kaynağının Makro Kesiti. Lazer kaynağı endüstride yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Elektronik endüstrisi bu tekniği geniş ölçüde kullanmaktadır ve nükleer reaktörlerin elemanlarının başarılı lazer kaynağı örnekleri mevcuttur. Yakın zamanda otomobil ve diğer mutfak eşyaları üreticileri üretim hatlarına lazerleri de sokmaya başlamışlardır. Otomobil endüstrisinde lazer kaynağı transmisyon e lemanlarının kaynağı için elektron ışını ile kaynağın yerine kullanılmaktadır: Lazer kaynağında bir vakum odasının olmayışı kayıp zaman azaltmaktadır. Yakıt enjektörleri ve filtreler gibi küçük üniteler de lazerle kaynak edilmektedir. Elektron ışını ile kaynakta olduğu gibi lazer tekniklerinin en çekici tarafları ısıtma etkilerinin sınırlı oluşudur. Kalbin atış hızını ayarlayan cihazların imalatında bunu çok iyi görmek mümkündür. Buradaki pil ve elektronik elemanlar çok yüksek sıcaklıklara çıkarıldıklarında hasara uğrayacaklarından, elemanları ısıtılmış alandan uzakta tutmak için lehimli muhafazalar gerekli boyutlarından çok daha büyük boyutlarda yapılırlar. Lazer kaynağında ısının göreceli o larak çok az yayılması muhafazların boyutlarının, hastanın yararına, önemli ölçüde azaltılabileceği anlamına gelir.19 Laser Işını ile Kaynağın Önemi ve Prensibi Montaj parçalarının sürekli olarak küçülmesi, birleştirme tekniğinin daha küçük boyut a lanlarına yayılmasını gerekli kılmaktadır. Küçük boyutları kapsayan alanda, klasik kaynak usulleri (elektrik direnç kaynağı müstesna) kullanılamaz. Bu durum; termokompresyon, ultra-sonik, elektron ışını ve laser ışını ile kaynak gibi yeni birleştirme usullerinin gelişimini teşvik etmiştir. Bunlardan laser ışını ile kaynak, aşağıdaki avantajlara sahiptir: a-) Birkaç mikron mertebesindeki bölgelere odaklanabilme kabiliyeti ve 10 8 W/cm 2 'nin üzerindeki yüksek güç yoğunluğu sebebiyle; tungsten gibi yüksek ergime sıcaklığı (3400°C) olan metaller kendiliklerinden erirler ve ısıya duyarlı civar bölgeler üzerindeki etki minimuma iner. b-) Laser ışını temassız olarak çalışır, yani takım ile iş parçası arasında hiçbir mekanik kontakt oluşmaz ve iş parkasının istenmeyen alaşımlanması veya distorsiyonu önlenmiş olur. c-) Kaynak süresi; iri taneli olma, tekrar kristalleşme ve segregasyon gibi uygun olma- yan iç yapı değişmelerine engel olacak ve hızlı üretimi sağlayacak kadar kısadır. d-) Laser ışının üretin; mikroplazma kaynağındaki gibi koruyucu gazların kullanılması- nı, elektron ışını ile kaynaktaki gibi vakumun sağlanmasını gerektirmez. Bu sebepten bilhassa seri i malat için, üretim hızı, otomatize edilebilmesi imkanı gibi üstünlükleri vardır. Laser adı, "Light Amplification by Stimulated Emission of R adiation" kelimelerinin baş-harflerinden oluşmuştur (Uyarıcı Radyasyon E misyonu ile Işın Amplifikasyonu). Bir cismin (kristal, gaz, sıvı) birden fazla sabit enerji konumu var ise, bu cisme enerji verilerek veya alınarak bir e nerji konumundan diğerine geçilebilir. Bir cisme dışarıdan enerji v erilmesi, elektromanyetik ışınlar olarak veya elektriksel, kimyasal veya ısı enerjisi şekline olabilir. Cismin enerji seviyesi belirli bir ü st eşik değerine ulaştığında, her laser ortamı i çin karakteristik olan bir ? dalga boyuna sahip elektromanyetik ışınlar yayılmaya, yani enerji dışarı verilmeye başlar.20 Laser sistemini oluşturan elemanlar Laser sistemi esas olarak, optik resonatör (Laser kafası) ve kumanda düzeni enerji menbaında meydana gelir. Laser kafasının içerisine sevk edilen enerjinin bir bölümü, laser aktif madde (ortam) tarafından hacim ve zamana bağlı olarak elektromagnetık bir ışına çevrilir. Aktif madde katı, sıvı veya gaz şeklinde olabilir. Sıvı hal laseri, malzeme işlemek üzere şimdiye kadar hiç kullanılmamıştır. Lazerler sürekli veya darbeli olarak çalışırlar. Farklı laserler, farklı dalga boylarında ışın ortaya çıkarırlar. Katı Hal Laserlerinin Yapısı Bu amaçla kullanılan rubin (yakut) kristali bir AI 2 0 3 -kalesi ve bu kafes içinde Al'un yerlerini almış yaklaşık % 0,05 C 3+ (aktif) -iyonlarından oluşur. Rubin kristaline dışarıdan elektromanyetik ışın şeklinde (görünür ışık) enerji s evk edilirse, elektronlar yüksek ve kararsız bir enerji seviyesine "pompalanır", sonra bu konumdan hızla ve ışın yaymadan yarı kararlı ikinci bir e nerji konumuna düşerler. Laser ortamındaki enerji dönüşümü, bu yarı kararlı konumdan temel enerji seviyesine inerken gerçekleşir ve koheran bir ışın açığa çıkar. Kararsız konum Metastabil konum Enerji Enerji yayınımı Temel konum Şekil 1.15. Laser’in Çalışma Prensibi Absorbsiyon21 Şekil 16'da bir katıhal laserinin yapısı görülmektedir. Laser malzemesinin çevresi helisel b ir ışık menbaı i le çevrilmiştir. Burada kullanılan laser malzemesi, örneğin 5 mm çapındaki bir rubin silindiridir. Uçlardaki birbirine paralel iki yüzeyin biri yansıtıcı diğeri ise kısmen geçirgen olacak şekilde hazırlanmıştır. Böylece optik bir rezonatör (titreşen sistem) ortaya çıkar.Rezonatörün içinde bir duran dalga oluşur ve bu dalga, yeni Cr-iyonların emisyonuna neden olur. Eşik değerine ulaşıldığında yarı geçirgen yüzeyden bir ışık darbesi çıkar. Böylece dar bir demet halinde çıkan, paralel ve koheran bir ışık huzmesi elde edilir. (Şekil 16) Elde edilen ışık huzmesi, bir optik mercek yardımıyla çok küçük bir alana yoğunlaştırılarak enerji menbaı olarak kullanılır, işlenecek parça ötelenerek veya döndürülerek, ışık huzmesi arzulanan kaynak pozisyonuna getirilir. Rubin laserinin verimi % 0,1'dir. Kaynak işleri için YAG-Laseri ( Yitrium Alüminyum Granat) daha uygundur. Bu laserin verimi % ü,2-3 arasındadır. Katıhal laserleri darbeli olarak Çalışır. YAG-Laserinin teknik özellikleri: - Darbe enerjisi 0,3... 10 3 J - Darbe frekansı 5.10 4 Hz’e kadar - Darbe süresi 10 -5 ... 3 msan - Dalga boyu 1,06 mm - Verim %0,2 ...3 Şekil 1.16. Katı Hal Laserinin Prensibi22 Gaz Laserlerinin (Co 2 Laseri) Yapısı CO 2 Laseri kaynak ve kesme yöntemlerinde yaygın olarak kullanılır (Şekil 17). Bura optik resonatör Laser kafası), içinden CO 2 , N 2 ve ve He gazlarının karışımı geçen bir borudur. Laser ortamının basıncı yaklaşık 40 mbar’dır. 8 kV’luk bir doğru gerilim uygulayarak elektrik boşalmaları sağlanır. Laser sadece 200 0 C’nin altında verimli çalıştığı için, elektrik boşalmaları sırasında oluşan ısı uzaklaştırılmalıdır. Işık çıkaran elektriksel boşalmalar ile CO 2 uyarılır. Bu düzende elde edilen laser ışınının gücü, birim rezonatör uzunluğu için 700 W/m’dir. Çok uzun rezonatörlere gitmeden yüksek ışın güçleri elde etmek için boru katlanabilir. Şekil 1.17. CO 2 Laserinin Prensibi Daha yüksek laser güçleri için bir Transversal (Enine)-Laser'den yararlanılabilir. Burada laser gazı rezonatörün içinden enlemesine geçmektedir. CO 2 - laserınin teknik özellikleri: -Işın gücü 10... 2K10 4 W - Dalga boyu 10,6 mm -Verim % 5... 20 23 Laser Işını ile Kaynak Yapımı Laser ışını ila kaynak, bir eritme kaynağıdır. Güç yoğunluğu, malzeme kuvvetle buharlaşmadan eriyecek şekilde ayarlanmalıdır. Teorik olarak ilave metal kullanılmadan kaynak yapıldığı için, parçalar birbirlerine tam olarak yaklaştırmalıdır. Ağızlar arasında», açıklığın miktarı, erimiş banyo ( genişliğinin 1,'5'i kadar olmalıdır. Erimiş banyo genişliği ise, 100 mikron civarındadır. Laser kaynağı, aşağıdaki üstünlüklere sahiptir: a. Enerji şevkini ve zamana bağlı kumandanın basitliği sebebiyle, hemen hemen bütün malzemeler birbiriyle kaynak edilebilirler. b. İyi bir şekilde otomatize edilebilir. c. İş parçasının üzerine, hiçbir kuvvetin tesiri yoktur. d. Atmosferde çalışma imkanı vardır. e. Hiçbir takım aşınması yoktur. f. Büyük çalışma aralıkları imkan vardır. g. Isının tesiri altındaki bölgeler dardır. h. Zor ulaşılan yerlerde kaynak yapma imkanı vardır. CO 2 - Laseri İle Kaynağın Prensipleri Eritme kaynağında CO 2 - Laser ışını ile kaynağın uygulanma sınırları, bazı kaynak usulleriyle beraber mukayeseli olarak Şekil 243 de verilmiştir. Şimdiye kadar yapılan uygulamalarda CO 2 - Laser ışını kaynağı, 3 mm'nin altındaki kalınlıklarda bulun;,,! levhaların alın kaynağında kullanılmıştır. Bu uygulamalarda, küçük termik zorlamaların meydana gelmesi laser ışını ile kaynağın avantajıdır. Fakat ağızların hassas olarak hazırlanması ve çok konsantre edilmiş ışın gönderilmesi gerekil. Optimum güçler şekil 244'de gön emektedir. Laser gücünün artmasıyla, nüfuziyet derinliği artmaktadır.24 Şekil 1.18. CO 2 – Laser Işını İle Kaynağın Uygulama Alanı Sınırları Şekil 1.19. CO 2 – Laseri İle Optimum kaynak İçin Gerekli Minimum Güç Katı Hal Laseri İle Kaynağın Prensipleri Katı hal laseri, mm ölçülerindeki, hassas ve mikrokaynaklar için kullanılır. a-) 0,1 ila 1,0 mm ölçülerindeki, hassas ve mikro kaynaklar için, b-) Alın, T ve bindirme birleştirmelerinde temassız nokta ve dikiş kaynaklarında, c-) Kaynak kabiliydi çok düşük malzemelerin kaynağında, d-) Tamamen işlenmiş hassas parçaların kaynak işlemlerinde,25 e-) Çok farklı kalırlıklardaki levhaların birleştirilmelerinde, f-) Zor ulaşılan yerlerdeki kaynaklar için, g-) Birçok noktanın aynı anda kaynağı için, Laser Işını İle Kaynağın Uygulama Alanları Yüksek hassasiyette monte edilmiş yapı gruplarında; elektrik, mağnetik ve mekanik özellikler bozulmadan laser ışını ile kaynak mümkündür. Laser kaynağının uygulamaları, aşağıdaki tabloda görülmektedir. Tablo 1-Laser Kaynağının Uygulama Alanları UYGULAMA Malzeme veya Malzeme Kombinasyonları Genel Elektroteknik Aşırı sıcaklık şalterinde kontakt Ölçme cihazları için spiral yayların nokta kaynağı Eksenet bağlantı bir daldırma termometrenin termo modeli Bağlama teli helezoni rezistansın nokta kaynağı Bağlama teli elektrik fişinin kontakt yayı Küçük çıkıntıların (soğutma kanatçıkları, elektronik çevre elemanlarının bağlantı çıkıntıları) Ana malzemeye bağlantı noktaları Teyp temas parçalarının birleştirilmesi. Taşıyıcı malzeme üzerindeki ikili altın kapılı kontaktların nokta kaynağı Ampul endüstrisinde ince tellerin alın kaynağı Televizyon tüpü parçalarının nokta kaynağı Termo elemanlarda nokta kaynağı Bimetal/yay bronzu, çelik veya pirinç/ Yay bronzu veya termobimetal Termo bimetal/çelik veya yeni gümüş Çelik/krom - nikel çeliği Yay bronzu/pirinç Alüminyum Konstarıtap Duraterm/altın kaplama çelik j Tungsten (Wolfram) Nikel alaşımı Nikel/konstantan Elektroteknik Kılıf içindeki yarı iletkene zarar vermeden diodların nokta kaynağı Fişlerin bir solar (güneş) hücresi ile kontaktı Gümüş/gümüş Saatçılık Oynak yayın makara üzerine nokta kaynağı Bronç/pirinç Paslanmaz çelik/demir-nikel alaşımı Cihaz tekniği tıp Nükleer teknolojide kovanların sızdırmaz dikiş kaynağı. Kalp pili kılıfının dikiş kaynağı. Cam imalatında kıvrık dikiş kaynağı Dişçilik takımlarının imali. Krom-nikel çeliği Krom-nikel çeliği Krom-nikel çeliği26 2. PLAZMA KAYNAĞI Genelde tüm e lektrik ark kaynağı yöntemlerinde plazma mevcuttur ve bunlar plazma kaynağıdır. Ancak plazmanın özelliklerinden tam yararlanılarak yapılan kaynak plazma kaynağıdır. Plazma Yöntemlerinin Sınıflandırılması Plazma yöntemleri, başlıca birleştirme, doldurma ve kesme plazma yöntemleri olarak gruplandırılır. Birleştirme Doldurma Kesme Mikro plazma kaynağı Plazma kaynağı Akış delikli plazma kaynağı Plazma kutup kaynağı Alternatif akımla plaz. kay. Plazma MIG kaynağı Plazma toz doldurma kaynağı Plazma sıcak tel dold. Kay. Plazma MIG doldurma kay. Plazma püskürtme Ar. H 2 , N 2 plazma kesme Havalı plazma ile kesme Su altında plazma ile kesme Plazma arkının başlıca özellikleri . Plazma arkı, şerbetçe yanan bir arktan farklı olarak, çok iyi bir şekilde su ile soğutulan bir bakır memenin içinde daralan bir arktır. Ark genellikle erimeyen bir elektrod ile parça arasında yanar. Plazma mermisi akımsızdır. Meme deliğinin içenden, ark içinde yüksek sıcaklığa erişen, soy bir gaz (genellikle argon) akar. Plazma memesinin şekli ve plazma miktarı sayesinde ark, değişik kaynak işleri i çin geniş sınırlar içinde optimize edilebilir (Şekil 2.1). Şekil 2.1. Plazma Kaynağında Prensip Ve Dikiş Formu27 Tablo 2. Yöntemlerin Kısa Tanıtımı Yöntem Uygulama Akım Şiddeti Malzeme Notlar Mikro plazma yöntemleri Folyelerin, sacların, boruların, tellerin vs. birleştirilmesi; kalınlık 0,1 – 1 mm. 0,2 – 20 A Doğru akım Elektrod (-) kutup CrNi Çelikleri Ni alaşımları sakinleştirilmiş yapı çelikleri özel malzemeler Elle ve makinize kaynak, ince parçalarda çok itinalı bağlama tertibatları gerekir çoğunlukta ilave metal kullanılmaz. Plazma birleştirme kaynağı 3mm’ye kadar parçaların birleştirilmesi 20 ile 200 A doğru akım elektrod (-) kutup Yukarıdaki gibi İlave metali veya metalsiz, elle ve mekanize kaynak mümkün Akış delikli Plazma kaynağı 3-9 mm kalınlıklarda sac ve boruların birleştirilmesi 100 ila 300 A Doğru veya alternatif Yukarıdaki gibi Sadece mekanize kaynak yapılabilir. Akış deliği etkisiyle ilave metalle veya metalsiz, iyi kök oluşumu, iyi ağız hazırlığı Al – esaslı malzemelerin plazma kaynağı 0,5 ila 10 mm’lik parçaların birleştirilmesi 20 ila 200 A Doru akım elektrod (+) kutupta veya alternatif akım Al ve Al alaşımları Normal plazma ve akış delikli teknik mümkün Plazma MIG 3 ila 10 mm’lik parçaların birleştirilmesi 3-300 A toplam akım Esas olarak Al ve Al alaşımları Sadece mekanize kaynakta yüksek verim elde edilebilir. Plazma- sıcak tel doldurma kaynağı Korozyona ve aşınmaya dayanıklı tabakaların büyük yüzeyli doldurulması Plazma 450 A sıcaklık 150-400 A Cr-Ni çelikleri, yapı çelikleri, Cu, Cu alaşımları, Ni, Ni alaşımları, özel malzemeler sert dolgular Esas olarak büyük parçalar için, örneğin reaktör basınç teknikleri Plazma –toz doldurma kaynağı Küçük parçaların üzerine aşınmaya dayanıklı ve sert dolgu 300 A. ‘e kadar Yüksek alaşımlı malzemeler, karbür, toz halinde stelit. Mekanize yöntemler; esas metal ile karışım oranı çok düşüktür Plazma ile püskürtme İnce tabakaların doldurulması 600 A’e kadar Birçok metal alaşımı, metal oksitleri seramikler Çok büyük yüzey gücü; yüzey iyi hazırlanırsa püskürtme tabakasında yüksek tutunma elde edilir. Plazma ile kesme 100 mm üzerindeki kalınlıkta elektrik iletkenlikli malzemelerin kesilmesi 100-500 A Cr-Ni çelikleri, Al, Al alaşımları, yapı çelikleri, özel malzemeler Üfleç genellikle mekanize olarak hareket ettirilir. Yüksek kesme hızı, kaliteli kesme kenarı elde edilir.28 Plazma arkı ile TIG arkı arasındaki Fark Bir TIĞ / WIG arkı, erimeyen bir tungsten elektrod ile parça arasında serbestçe yanar. Nüfuziyet, kaynak banyosunu örtmek üzere kullanılan gaza bağlı olarak değişir. Burada en önemli f aktör, gazın iletkenliğidir. He, Ar"a göre 1000-10.000 0 K sıcaklık aralığında, 5, 10 kat daha yüksek bir ı sıl iletkenliğe sahiptir. Isıl iletkenliği yüksek olan gaz (helyum) arkta oluşan enerjinin daha büyük bir kısmını çevreye ısı olarak yayar. Bir gaz içinde, ancak bu gazın iyenize olması .halinde akım taşınabilir. Bu teknikte, termik bir plazma söz konusu olup yüksek sıcaklıkta iletken hale gelir. Yüksek sıcaklığa sahip bir ark çekirdeği oluşur. Sıcaklık dışarıya doğru radyal yönde düşer. Bu sıcaklık düşüşü, kullanılan gaza bağlı olarak değişir. Isıyı iyi ileten bir gazda bu değer düşüktür. Kötü ileten bir gazda ise daha kuvvetli bir sıcaklık düşmesi oluşur. TIĞ / WIG arkındaki düşüşü ve tipik nüfuziyet formu ile karşılaştırılırsa, her ikisinin de benzer biçimde olduğu görülür. Plazma arkından ark çekirdeğinden dışarıya doğru olan sıcaklık düşüşü, su ile soğutulan bakır meme ile çok kuvvetlendirilmiştir. Örneğin 3 mm' lik bir plazma meme çapında, ark merkezindeki yaklaşık 20 000 °K iken, radyal olarak 1,5 m.T. dışarıda, bu sıcaklık yaklaşık 1300 0 K'e düşer. Meme borucu üzerindeki sıcaklık daha yüksek olsaydı, bakır meme erirdi. Şekil 2.2. TIG-WIG ve Plazma Arkındaki Sıcaklık Profili Plazma TIG/WIG-He29 Plazma Arkının Tutuşturulması 1. Elektrod (-) Kutupta Çoğu uygulamada elektrod negatif (katod) kutba bağlanır. Bu durunda parça pozitiftir ( anod); tıpkı TIĞ / WIG ' deki gibi. Bir TIG/WIG arkının tutuşması, ya elektrodun parçaya temas etmesiyle veya hatta daha iyi olarak, yüksek gerilim impulsları yardımıyla temassız olarak gerçekleştirilir. Plazma üflecindeki elektrod meme ile örtülü olduğundan. elektrod ile parça arasındaki esas arkın tutuşturulmasın! emniyet altına alacak yardımcı bir ark'a gerek vardır. Yardımcı ark (pilot ark) yüksek frekans impulsları sayesinde, elektrod ve meme arasında tutuşur (akım şiddeti 10 A). Bu yardımcı ark, memeden çıkan plazma gazının sıcaklığını yükseltir v e iyonize eder. Kaynak akımının devreye girmesiyle bu ark, elektroddan parça üzerine sıçrar. 2. Elektrod (+) kutupta Yüksek sıcaklıkta eriyen oksitlere sahip (Al ve Al alaşımları) malzemelerin kaynağında, elektrod pozitif kutba bağlanmalıdır. Yüksek hızlı iyonlar, sac yüzeyine çarpar ve oksit tabakasını parçalar. Kaynak işlemi ancak bu tabakanın parçalanmasından sonra yapılabilir. Esas arkın tutuşması, yüksek frekans impulsları yardımıyla doğrudan doğruya elektroddan parçaya doğru meydana gelir. Negatif kutuplamalı kaynağa göre pozitif kutuplamada tutuşma biraz daha güç oluşur. Bu zorluk, dış koruyucu gazın cinsine göre değişir. Argon - iyi; Helyum - kötü. Makina tarafından hareket ettirilen üfleçte, bu nedenle daha çok argonla tutuşturma yapılır ve arkın yanmasından sonra helyuma geçilir. Plazma üfleçlerinin yapısı Plazma üfleçleri, el ve mekanı % üfleçler olarak piyasadan temin edilebilir. Negatif kutba; bağlanan elektrodlu üfleçler, uzun yıllardır kullanılmakta ve çok yüksek performans göstermektedir. Pozitif kutba bağlanarak da kaynak yapılabilme özelliğine sahip (elektrodun yüklenmesi 8 kat daha fazla) üfleçler, sadece birkaç firma tarafından imal edilmektedir. Elle kaynak üfleçleri TIG / WIG üfleçlerine benzer. Eğik bir üfleç kafası ve tutma sapından oluşur. Plazma üfleçleri, TIG / W1G üfleçlerine göre daha büyük çaplıdır. 30 Tungsten elektrod, çok iyi merkezlenmiş olmalıdır bu sayede meme ve elektrod arasıdaki r adyal aralığın çok düzgün olması sağlanır. Elektrod ile meme arasındaki eksenel uzaklık mastarlarla ayarlanır ve ±0,1 mm' lik bir sapmayla sınırlanmıştır. Elektrodları Başlıca Karakteristikleri Elektrod, TIG / WIG kaynağında çok fazla akımla aşırı y üklenirse yanar. Ancak hasar büyük olmaz. Buna karşın bir plazma üfleci a şırı! yüklenirse, çoğunlukla hasar daha büyük olur meme erir, elektrod deforme olur. Sonuçta üfleç gövdesi kullanılınız hale gelir. Bu nedenle verilen max. akım şiddeti aşılmamalıdır. Meç bir ü flece görü, farklı elektrod ve memeler vardır. (+) kutba bağlanmış elektrodlu meme, (-) kutba bağlanan elektrodlu memelere göre farklıdır. Genel: Negatif kutba bağlanmış elektrod : - elektrod sivridir. - meme iç boşluğu koniktir. Pozitif kutba bağlanmış : - elektrod yarı küreseldir. - meme içi, yarı kura biçiminde açılmıştır. Tungsten elektrotların tekrar taşlanması, bir taşlama makinası aracılığıyla, tam ölçüsünde bir mastara (yani bir elektrot) göre yapılmalıdır. Plazma huzmesinin üfleç içinde küçük bir merkezden kaçıklığı ü flecin tek taraflı yanmasına ve üfleç ömrünün büyük miktarda düşmesine neden olacağından, elektrotların elle taşlanmasında problemler çıkabilir. Tungsten elektrot ile m ne arasındaki mesafe tutuşma özelliklerini ve memenin soğuma şartlarını kuvvetli şekilde etkilediğinden, tungsten elektrodun ayar mastarı ile ayarlan naşı özenli bir şekilde yapılmak zorundadır. Plazma tekniğinde başlıca ayar parametreleri Plazma akım şiddetleri: Sac kalınlığı, Malzeme (ısıl iletkenlik), Biçim ve kaynak altlığının malzemesi (altlık o lmayan kaynakta düşük akım şiddetleri - Cu altlıklı kaynakta yüksek akım şiddetleri). Dikiş formu. Plazma memesi iç yapısı: Plazma akım şiddetleri (Sınır değerler), Sac kalınlığı, Dikiş formu Plazma gazının miktarı: Meme çapı minimum ölçülere dikkat edilmelidir. Akım şiddetleri - Akım şiddetleri arttıkça, plazma gazını miktarı da arttırılmalıdır. Dikiş formu - Alın dikişlerine göre koşa dikişlerinde daha yüksektir.Teknoloji - Akış delikli (Stichloch) teknikte, daha yüksek plazma gazı miktarı gerekir.31 Plazma ile birleştirme kaynağında kaymak parametreleri Plazma ile birleştirme oynağında başlıca kaynak parametreleri T ablo 3' d a verilmiştir. Tablo 3. Çalışma Bölgesi Birleştirme Akım şiddetleri A Mikroplazma kaynağı Plazma kaynağı ve Plazma Akış Delikli kaynak 0,1 ...10 Folyeler 0,05 ... 0,2 mm ---- 1 ... 20 İnce saclar 0,2 ... 0,5 mm ---- 5 ... 4C İnce saclar 0,5 ... 1 mm ---- 40 .. 100 İnce saclar 1 .... 2 mm Plazma kaynağı 0,5 ... 1,5 mm 100... 200 Plazma kaynağı 1,5 ... 3 mm 100....350 Plazma Akış delikli kaynak 3... 10 mm TIG Kaynağıyla Plazma birleştirme Kaynağının Karşılaştırılması TIG Kaynağına göre plazma ile birleştirme kaynağının avantaj ve dezavantajları: Avantajları: Yoğunlaştırılmış ark, ark boyu değişimlerinden etkilenmeme, Ark çok düşük akım şiddetlerinde bile kararlıdır. Yüksek kaynak hızlarına ulaşılabilir. Ark kararlıdır. Düşük ısı girdisi ve uyum dikiş formu oluşur. Şekil 2.3. TIG-WIG ve Plazmada Sıcaklık Dağılımı Dezavantajları Personelin iyi eğitilmiş olması gerekir. Cihazlar ve yedek parçaları pahalıdır. 32 Akış delikli plazma kaynağı Akım şiddetinin 100 A' den büyük olduğu plazma kaynağında plazma gazı miktarı artarsa, üfleçten çıkan plazma jeti, kaynak ağzındaki erimiş kaynak metalini yana doğru iter ve sacda delik açar. Eğer bu delme olayından sonra üfleç dikiş yönünde öne doğru hareket ettirilirse, yanlara doğru sıkıştırılmış kaynak metali, akış deliğinin (anahtar deliği, keyhole, kaynak ağzı) arkasına akarak tekrar birleşir. (Şekil 2.4). Şekil 2.4. Akış Delikli Plazma Kaynağının Şematik Gösterilişi Akış delikli plazma kaynağının avantajları Emniyetli kaynak sağlar, kök dikişinin homojen olmasını temin eder. 3 - 9 mm CrNİ - çeliğinde ilave metalsiz 1 alın birleştirmeleri yapılabilir. 4 - 6 mm yapı çeliğinde ilave metalsiz l - alın birleştirmeleri yapılabilir. 5-7 mm Al - alaşımlarında ilave metalsiz l - alın birleştirmeleri yapılabilir. Kalın saclarda kök pasosu, akış delikli - plazma yöntemiyle, dolgu pasoları ise başka bir yöntemle yapılabilir.; Isı girdisi düşüktür. Çarpılma azdır. Çok yüksek kaynak hızlarına ulaşılabilir. Dikiş kalitesi yüksektir.33 Akış delikli plazma kaynağının dezavantajları Kaynakçının iyi eğitilmesi gerekir (ayar parametreleri kritiktir). Cihazlar ve yedek parçaları pahalıdır. Sadece tam mekanize kaynak mümkündür. Kaynak ağzının iyi hazırlanması gerekir (aralık sac kalınlığının max. 1/10' u) Sakinleştirilmemi y apı çeliklerinde ilave telsiz çalışma gözenek tehlikesi yaratır. Plazma MIG kaynağının esası Bu yöntem, hem birleştirme hem de doldurma amacıyla kullanılır. Al - esaslı malzemelerde yüksek kaliteli kaynak bağlantıları oluşturulabilir. Bu yöntemin avantajı, plazma arkı sayesinde kaynak bölgesinde yüksek ön tavlama sıcaklığı elde edilebilmesinde yatar. Bu şekilde ilave metal (MIG) kullanımı sırasında, hiçbir başlangıç hatası meydana gelmez. Yüksek maliyeti ve zor uygulanabilmesi, bu yöntemi özel uygulamalarla sınırlamaktadır (Şekil 2.4). Soru 246: Plazma Toz Doldurma Kaynağının Esası Tel ş eklinde çok güç olarak imal edilebilen veya edilemeyen metalsel t oz malzemeler için özel yöntemler. Esas metalle karışım oranı çok azdır. Şekil 2.5. Plazma – Toz – Doldurma Yöntemi Soru 247 : Plazma ile püskürtmenin esası Püskürtme işlemi, esasen bir kaynak yöntemi değildir. Toz tanecikleri, sadece yüzey üzerinde erir ve parçaya “sinterlenerek” tutunur. Plazma memesinden akan plazma jeti akım iletmez. 34 Toplam e nerji (40 kW a k adar) püskürtme tabancasında, elektrod İle meme arasında dönüşür. Püskürtme işlemi, büyük miktarda toksik tozlar oluşturduğundan ve yüksek seviyede gürültü çıkardığından, günümüzde genellikte robotlarla yapılmaktadır. Tablo 4 . Plazma Püskürtme Yöntemi İçin Malzemeleri Oksitler Alüminyum oksit, Berilyum oksit, Magnezyum Zirkonyum oksit, . Silisyum dioksit, Toryum oksit Zirkonyum oksit Karbür, nitrür Bor karbür. Niyobyum kari ur, Tantal k»rb yum karbür, silisyum nitrür, TiC - BC ir, Titan karbür, Tungsun karbür, zirkon- Borür Molibden borür. Titan borür -Titan diborür Zirkonyum borür Elementler Berilyum, Kadmiyum, Krom, Molibden, Nikel, Silisyum, Titan, Tungten. Alaşımlar Krom nikel Sermetler Krom ve nikelli titandiborr, ve zirkonyum diborür, demir, krom, nikel, alüminyum silisyum ve Molibdenli Tungsten karbür 2.1. Termik Kesme Usulleri Oksijenle Kesme İşleminin Esası Oksijenle kesme, termik bir ayırma yöntemidir. Oksijenle kesilecek malzeme, yerel olarak oksijenle reaksiyona gireceği bir sıcaklığa (tutuşma sıcaklığı) ısıtılır ve daha sonra oksijen huzmesi ile yakılır. Üflec tarafından verilen ve yanma sırasında oluşan ısı, malzemenin oksijen huzmesi içinde yanmasının sürekli olmasını sağlar. Bu sayede yanma olayı, parça kalınlığı v e üflecin ilerleme «ünü boyunca devam eder. Yanma sırasında oluşan cüruf, oksijen huzmesi tarafından uzaklaştırılır. Bu şekilde bir kesme aralığı ortaya çıkar.35 Oksijenle Kesme İşleminin Alanı Oksijenle k,esme, 3 ila 300 mm parça kalınlıklarında ekonomik olur. Doğrusal ve eğri şekilde hassas kesmeler yapılabilir. Sac ve borularda kaynak ağızlarının hazırlanmasında yaygın olarak kullanılır. Oksijenle Kesme İşlemiyle İlgili Büyüklükler Oksijenle kesme işle,mi ile ilgili olarak tanımlanan büyüklükler ve oksijenle kesme işleminin şematik gösterilişi Şekil 2.6' da verilmiştir. Şekil 2.6.Oksijenle Kesme İşleminin Şeması ve Tanımlanan Büyüklükler Oksijenle Kesme İşleminde Kullanılacak Yanıcı Gazlar Oksijenle kesme işlerini başlatmak ve sürdürmek içti, güçlü bir aleve ihtiyaç vardır. Alevle kesmede kullanılan yancı gazlar, aşağıdaki özellikleri bakımından birbirinden farklılıklar gösterir.36 3. YÜKSEK GÜÇ PLAZMA BİRLEŞTİRME KAYNAĞI 3.1. Prensibi Bu kaynak metodunda direk kısa arklı b ir plazma üflecinde sıkıştırılmış ve enerji yoğunluğu büyük bir p lazma elde edilir. Şekil-26'da prensip şeması verilen plazma üflecinde çift gaz kullanılmaktadır. Bunlardan volfram katod çevresinden (içten) verilen gaz, plazma gazı adını alır. Bu gaz hem volfram katod, bakır memeyi korur ve hem de iyenize olup plazmanın, iletkenliğini ve stabilitesini temin eder. Plazma gazı olarak asal gaz, genellikle argon) kullanılır, İkinci gaz koruma gazı olup, daha dıştan is parçası i le üfleç arasına, plazmayı çepeçevre sarar şekilde verilir. Bunun görevi i se, plazmayı dıştan termik olarak sıkıştırarak odaklama {silindir şekline getirmek), enerji yoğunluğunu artrımak ve gerek plazma ve gerekse kasnak yerini atmosferden korumaktır. Bu gaz genelde Argon ve moleküler bir gaz (H 2 veya N 2 ) karışımıdır. Burada şekilde görüldüğü gibi plazma iş parçasını bir çivi gibi delip geçer. Kaynak yerinde ergiyen malzeme (kaynak banyosu) plazma ilerledikçe plazmanın arkasında yüzey g erilimi nedeniyle kolayca katılaşır ve böylece belirli kalınlıklarda (2.5-8.0 mm arası) p arçalar: hiç dolgu malzemesi kullanmadan, tek pasoda kaynatmak mümkün olur, Diğer tir üfleç da, üç gazlı (plazma, odaklama ve koruma gazı) olan üfleç olup, bu üfleç ile hiç dolgu maddesi kullanmadan, tek pasoda 15 mm'ye kadar kaynatmak mümkündür (Şekil-27). Böylece bu yöntemle anahtar deliğine benzer (anahtar deliği etkisi) bir dikiş elde edilir.. Argon gazlı plazmanın enerji yoğunluğu ye termik verimi relatif olarak düşüktür, Şunun İçin odaklama gazına moleküler gaz karıştırılır. Şekil-28'cie Argon, H 2 ve N 2 gazlarının sıcaklığa bağlı olarak enerji yoğunlukları v erilmiştir. Buna göre aynı sıcaklıkla H 2 ve N 2 gazlarının argon gazına göre enerji yoğunlukları k at kat fazladır. Argona moleküler gaz karıştırılması plazmayı s ıkıştırır, stabilize eder ve iş parçasına daha fazla enerji taşır. Plazmada sıkışma, eğer diş. kısandaki g azın ısı iletkenliği ve iyonizasyon enerjisi plazma gazınınkinden. büyük ise, o zaman meydana gelir. Çünkü büyük disosyasyon v e iyonizasyon enerjisine sahip olan gazın plazmadan aldığı enerji büyük olur ve bu büyük enerjiyi iş parçasına götürüp verir. Kullanılan gazların enerji yönü yanında, kaynak banyosuna etkisi oldukça önemlidir. Bu nedenle moleküler gazların seçimi kaynağı yapılacak malzemeye göre yapılmalıdır. Örneğin saf Argon Cr-37 Ni ç eliklerde yanma olduğu (çentik) yapar. Bunu önlemek için odaklama ve koruma gazına H2 N2 katılır. Azot gazı ise ostenit yapıcıdır, N 2 ve H 2 karışımında kısmen d- Ferdi yapar. Şekil 3.1. Yüksek güç plazma birleştirme kaynağı prensibi ve kaynak dikişinin alternatif kaynak yöntemleriyle karşılaştırılması. a. Prensip (1 plazma gazı, 2. Koruma gazı, 3. Ateşleme cihazı, 4. Ön direnç. 5. Sıvı metal. 6. Kaynak dikişi üstten görünüşü. 7. Kaynak dikişi enine kesiti. 8. Odaklama gazı). b. Plazma kaynağı dikişi ile elektron ışını ve WIG kaynağı dikişinin karşılaştırılması (1 elektron ışını kaynağı, 2 Plazma kaynağı, 3 WIG kaynağı). Şekil 3.2. Üz Gazlı Plazma Kaynağı Üfleci Prensip Şeması 1. Plazma gazı. 2. Odraklama gazı. 3. Koruma gazı. 4. Odaklama gazı yokken oluşacak ışın formu38 Şekil 3.3. Bazı Gazlara Ait Sıcaklığa Bağlı Olarak Isı Yoğunluğu 3.2. Özellikleri Plazma kaynağına alternatif olabilecek kaynak yöntemi WIG kaynağı olabilir. Şekil 3.4’te elektron ışını, WIG ve plazma kaynağı dikişleri karşılaştırılmalı olarak gösterilmiştir. Görüldüğü gibi WIG kaynağına göre, plazma kaynağında malzeme daha dar bir bölgede ergimeye uğramaktadır. Buda gerek kaynakta sarf olunan enerji, gerekse kaynatılan malzemelere kaynak esnasında yapılan olumsuz etki y önünden avantajlıdır. Diğer özellikleri şu şekilde sıralayabiliriz. - İş parçası yakınındaki plazmada, anot memesinin termik sıkıştırması sayesinde kesme üflecine yakın bir plazma kesiti elde edilebilir. - Plazmanın sıkıştırılması anot memesinden anod çapı kadar uzaklıkta mümkün olup, anod memesi kaynak banyosuna mümkün olduğunca yakın (3-6 mm) tutulmalıdır. - Plazma gazı debisi relatif olarak küçük olmalıdır. Zira fazla gaz ergimiş kaynak banyosunu üfleyip kaynak yerinden uzaklaştırılabilir. - Gaz debisinin az oluşu, memenin daha fazla soğutulmasını gerektirir. Bu da radyal soğulma prensibi ile mümkündür.39 Şekil 3.4. Yüksek Güçlü Plazma Üfleçlerinde Memenin Radyal Soğutulma Seması a) Prensip, b ) Soğutmalı kaynak üfleci k alasının aksiyal koşul. 1 İnce tabaka su soğulması, 2 meme, 3 Plazma - Anot memesinin şiddetli soğutulmasına rağmen, katodun gazla soğutulması sayesinde katodda ark !ek noktada toplanmayıp burada saf termik elektron emisyonu vardır. - Kaynak yerinde mümkün olduğu kadar geniş bir gazla korunmuş belge olmalıdır. Bu, üflecin dış kısmına açılan deliklerle sağlanır. Kendine alternatif VVIG kaynağına göre plazma kaynağının şu averajları vardır: - Kaynak dikişi üstünde düşük dolgu malzemesi fazlalığı. - Düzgün dikiş koku. - Mateme sıçraması yok. - Rahatsız edici oksidasyon yok. - Kaynak dikişi kaynak sonrası işlemeye çok müsaittir (şekil verme gibi). - Aynı dikiş boyu ve kalitesi için daha az güç gereksinimi ve bu sayede küçük dikiş eninde daha hızlı kaynak (Şekil 3.5).40 Şekil 3.5- Plazma kaynağının Güç Yönünde Alternatifleri İle Karşılaştırılması a) Yüksek alaşımlı çelik, b) Paslanmaz çelik. P el verilen güç. S malzeme kalınlığı, V s kaynak hızı 1- elle elektrod kaynağı, 2. Mikroplazma kaynağı 3. Yüksek güç plazma kaynağı. 4. WIG kaynağı. 3.3. Kullanım Alanları - 0,7 – 3 mm kalınlığında ince sac kaynağı. - 2 - 8 mm kalınlığındaki sacların alın kaynağı ile batma deliği e tkisi, şeklindeki kaynağı. - Büyük kalınlıklardaki alaşımlı çeliklerin ve titan gibi özel metallerin kaynağı. - WIG kaynağına göre 1,2 ile 3 kat hızlı kaynak yapılabilir. - 25-300 Amper arasında akım şiddetlerinde kaynak yapılabilir. Genelde WIG kaynağı ile yapılabilen tüm kaynak işlemleri plazma kaynağı ile yapılabilir. Örneğin Cr-Ni ç elikler, titan, Nikel ve yüksek ergime sıcaklığına sahip Volfram, molibden gibi metallerin kaynağıyla, alüminyum v e bakır gibi y üksek ısı iletkenliğine sahip malzemeler de plazmanın yüksek enerji yoğunluğu sayesinde iyi kaynatılabilir.41 4. MİKROPLAZMA KAYNAĞI 4.1. Prensibi Mikroplazma kaynağı prensip olarak yüksek güç plazma kaynağının aynıdır, güç olarak 1,2 kat daha küçük güçlüdür. Buna bağlı olarak da mikroplazma üfleci küçüktür. Üfleç burada da direk arkla çalışır. Özellik ve alternatif kaynak yöntemlerine göre avantaj bakımından da yüksek güç plazma kaynağına benzerdir. Şekil 31’de mikroplazma üfleci prensip şeması görülmektedir. Şekil 4.1. mikroplazma kaynağı prensip şeması 4.2. Özellikleri Mikroplazma kaynağında özellikle belirtilmesi gereken özellikler şunlardır: - Mikroplazma anot memesi ve koruyucu gaz sıkıştırması altında 1 mm 2 kesittedir. - Kaynak gücü 0,1 – 3 kW, akım şiddeti 0,1-20 A arasında değişir. - Küçük güçlerdeki üfleçlerin elektrod ve anot memelerinin soğutulması problemsiz olduğundan, mikroplazma üfleci ince yapılabilmekte ve girilmesi zor konstrüksiyonlarda bu üfleçle kolayca kaynak yapılabilmektedir. - Dış koruma gazı memesi termik zorlamaya maruz kalmayacak şekilde izolasyon maddesinden (seramik) yapılabilir).42 4.3. Kullanım Alanları Mikroplazma kaynağının kullanım alanı çok yönlü olup, bu yöntem yumuşak ve sert lehim, nokta kaynağı ve kondensatör kaynağına alternatiftir. Malzeme olarak alaşımsız,alaşımlı çelikler, demir dışı metaller kaynatılabilir. Branş olarak aşağıdaki imalatlarda tatbikat bulur. - İnce, hassas işler. - Elektronik endüstrisi. - Ölçü aletlerinin yapımı. - Metal endüstrisi, ince sac ve tel örgü endüstrisi. - Ev aletlerinin imali. - Paketleme endüstrisi. - Havacılık ve uzay endüstrisi. - Atom endüstrisi gereçleri imali. Bu yöntemle p ilot arkın sürekli yanması ve esas arkın kısa süreli ve impuls şeklinde yanmasını sağlayacak özel bir akım üretici g ereklidir. Plazma gazı olarak Argon, koruyucu gaz olarak Argon ve N 2 veya H 2 karışımı kullanılır. 5. PLAZMA DOLGU KAYNAĞI 5.1. Prensibi Metal v eya seramik gibi aşınmaya dayanıklı malzemelerin 1-10 mm kalınlığında tabakalar halinde ana metal parça üzerine, aşınmayı önleme gayesiyle, taşınıp kaynak edilmesi plazma dolgu kaynağıdır. Buradaki dolgu maddesinin özellikleri ana metal özellikleriyle aynı da olabilir, farklı da olabilir. Isı kaynağı olarak direk arklı ve yüksek güçlü bir plazma üfleci kullanılmaktadır. Dolgu maddesinin özelliğine bağlı olarak, dolgu maddesinin plazma içine veriliş şekil ve buna bağlı olarak da plazma üfleci t ipi değişmektedir. Şekil 32’de muhtelif dolgu kaynağı tipleri görülmektedir. Pratikte dolgu maddeleri p asta, toz çubuk ve tel ş eklinde kaynak banyosuna verilebilir.43 Şekil 5.1. Plazma dolgu kaynağı prensip şemaları ve farklı dolgu maddeleri a. Dolgu macunlu 1 b. Dolgu telli 2 c. Dolgu tozlu 3 (4 toz dozaj aleti, 5 enjektör), toz üfleç içinden veya üfleç dışından verilir d. İki üfleçli vakum yöntemi 5.2. Özellikleri Plazma dolgu kaynağı üfleci kaba işletme şartlarına uyabilmesi için mümkün olduğunca basit yapılmalıdır. - Metodda çalışma gazı (plazma gazı) ve transport (toz transportlu) gazı o larak Argon, koruyucu gaz olarak Ar + H 2 kullanılır. - Kullanılan çalışma akım şiddeti, plazma birleştirme kaynağındakinden yüksek olup, 60-600 Amperdir. - Üflecin anot memesinin soğutulması basit ve memenin yarıçapı büyük (4-8 mm) alınarak, memenin plazmayı sıkıştırması kasıtlı olarak küçük tutulur, dolayısıyla ana malzemenin kaynak esnasında ergiyen miktarı azaltılır. - Pratik olarak kaynak esnasında ergiyen kısmın yüzde 5-40’lık bir k ısmı ana metaldendir. - Ana malzemenin erime miktarını azaltmak ve mümkün olduğunca büyük yüzeyli kaynak banyosu elde edebilmek için plazma üflecine kaynak esnasında salınım hareketi verilir.44 5.3. Kullanım Alanları Genel kullanım yeri aşınmaya maruz parçaların kaplanma ve tamiridir. Çalışma ile ilgili büyüklükler (akım, gerilim, gaz miktarı gibi) ve dolgu maddesinin bileşimi, kaplanan parçanın kullanım yerine bağlıdır. Süpap parçaları, gaz türbini ve yüksek basınçlık buhar tesisleri v alfleri, kesici makine bıçakları, çekiçli değirmenler, toprak işleme aletleri, y ataklar, çeneler, el aletleri, saban demirleri gibi parçalar bazı kullanım alanlarıdır. Bu metoda, alevle CO 2 ile dolgu yöntemleri alternatiftir. Ancak plazma dolgu kaynağı iş hızı ve kalitesi açısından tercih edilir. yalnız pahalı bir yatırım gerektirir. Bu metodda argon gazı kullanıldığından 42 voltun altında bir gerilim yeterli olup, akım kaynağı olarak alalade bir kaynak akım üretici yeterlidir.45 6. SONUÇ Plazma kaynağı, plazmanın yüksek enerji yoğunluğundan faydalanılarak gerçekleştirilen bir kaynak yöntemi olması nedeniyle, kaynak için, kaynak yerine verilen enerji dar bir bölgeye verilmektedir. Bu sayede kaynak için gerekli enerji küçük tutulabilmektedir ve neticede kaynak işlemi esnasında iş parçasına yapılan olumsuz etki azalmakta, dolayısıyla kaynak dikişi kalitesi artmaktadır. Plazma kaynağında plazmaya istenilen şeklin verilebilmesi ile, bu kaynak yöntemine ergime kaynağından basınç kaynağı alanlarına kadar geniş bir tatbikat sahası yaratmıştır. Hatta tüm avantajları göz önüne alınırsa birçok alanda alternatifsizdir.