Kaynaklı Tasarım İmalat Kaynaklı Tasarım Giriş KAYNAKLI GMALAT ve TASARIM (Prof. Dr. Adnan DGKGCGOĞLU ile ilgili bölümleri içerir) I - Kaynağın Tanımı Teknik literatürün yaptığı birçok ve farklı kaynak tanımları arasından en belirgin olanı, süreklilik kavramından bahseden tanımdır. Bu tanıma göre kaynak, daha sonra görülecek yöntemler kullanılarak, birleştirilecek parçalar arasında bir süreklilik oluşturma işlemidir. Welding Institute (İngiliz Kaynak Enstitüsü) 'ün armasının üzerinde şu sözler yazılıdır: "e duobus num", yani "birlikten kuvvet doğar". Bütün metaller dahil olmak üzere plastikler için de geçerli olan bu tanım, söz konusu metaller arasında metalik devamlılığı sağlamak olduğunda bütün metaller ve alaşımlara uygulanabilmektedir. Makroskopik düzeyde, metalik devamlılık birleştirilen parçaların arasındaki bütün metal olmayan maddelerin ortadan kalkması demektir. Bu yönden kaynak, perçin, civata ve yapıştırma ile sağlanan bağlantılardan farklıdır. Böyle bir devamlılık birleşme alanı boyunca kimyasal yapıda homojenliği sağlamayabilir. Bir kaynak dikişi hem homojen (Örnek: aynı cins kapak pasosuyla yapılan yumuşak çelik dikişi.), hem de heterojen (Örnek: bakır-metal kapak pasosuyla yapılan dökme çelik dikişi.) olabilir. Kaynak işleminin istenmeyen bir sonucu olarak, birleşme bölgesinde bir heterojenlik gözlenebilir (örnek: çeliklerin kaynağında dekarbürizasyonun bir sonucu olarak). Kristal yapı bazında daha derinlemesine yapılacak bir inceleme kaynak işleminin sağladığı metalik devamlılığın doğası üzerinde daha da aydınlanılmasına yardım edecektir, işlemden önce birleştirilecek parçaların atomları iki ayrı gurupta toplanmışlardır. Kaynak işleminden sonra devamlılık bu iki grubun araya hiçbir yabancı atomun giremeyeceği şekilde bir tek gurup altında toplanmasıyla meydana gelir. Şekil 1.1 'de ayrı iki A ve B grubundan gelen atomların birleşme bölgesi diye adlandırılan ve kesikli çizgi ile gösterilen bölgede kaynak işlemi sonunda nasıl AB grubunu oluşturdukları görülmektedir. Kaynak işleminin asıl özelliği, sözü geçen birleşme bölgesinde metallerin atomsal yapısı göz önüne alındığında, hiçbir süreksizliğe yer vermemesidir. O halde kaynak işleminin tümü, bu birleşmedeki sürekliliği bozacak metal olmayan yabancı maddelerin uzaklaştırılması işlemini de kapsamalıdır. gekil 1.1 Metalik süreklilik: BirleGtirilecek A ve B parçalarını oluGturan atomlar önce iki ayrı bölgede toplanmıGlarken (a), kaynak iGleminden sonra tek bir bölge oluGtururlar (b). Metalik Devamlılığı (Sürekliliği) Sağlayan Mekanizmalar Sonuçta, metalik devamlılık, sadece metalin ve atomların yapısıyla tanımlanamaz. Şunu da göz önünde bulundurmak gerekir ki, Şekil 1. 2.'de gösterilen A ve B parçalarını oluşturan atomlar, bir tanecikten diğerine farklılık gösteren ve çok iyi oluşturulmuş bir düzene göre dizilmişlerdir. O halde, devamlılık mekanizmasını oluşturan taneciklerin içindeki atomların diziliş şekillerini incelemek uygun olacaktır. Bunu yapmak için önce bir tek tanecik düzeyinde neler olup bittiği daha doğrusu, birleştirilecek parçacıkları sanki birer tanecikmiş gibi (monokristal) kabul ederek neler olup bittiği incelenecektir. Şekil I. 2,1. 3 ve 1.4. 'de gösterilen mekanizmalar üzerinde durulacaktır. gekil I. 2 Soğuk şekil değiştirme ile atomların birbirlerine yaklaşması sonucu elde edilen metalik süreklilik. Kristal yapı birleşme bölgesinde (kesikli çizgiler ile gösterilmiştir) burulmaya maruz kalmıştır. Katı fazda metalik devamlılığın sağlanmasını sağlayan birinci mekanizma atomların birbirlerine yeterli derecede yakınlaşmalarını sağlamaktır. Böylece hem karşı çekimin etkisinden yararlanılmış olur, hem de yabancı atomlar yakalanmış olur. Bı mekanizma deformasyonlara yol açmamak için soğuk veya sıcak olarak işletilebilir. Bunlara örnek olarak ultrasonik kaynak veya diğer taraftan elektrik direnç kaynağı veya sürtünme kaynağı verilebilir. Eğer atomlar arasındaki yakınlaşma soğuk şekil değiştirme ile sağlanmışsa, kaynak işleminden sonra kristal yapı çarpılmış olarak kalır, çünkü şekil değiştirme metalin pekleşmesine sebep olmuştur (gekil I. 2.). Eğer şekil değiştirme sıcak olarak yapılmışsa metalik devamlılık yeniden kristalleştirme yöntemiyle tekrar sağlanır. Yeniden kristalleştirme yöntemi birleşme bölgesinin her iki tarafında da ortak bir yönlendirme yapmıştır (Şekil I. 3.). gekil 1.3. Sıcak Şekil Değiştirme ve yeniden kristalleştirme olaylarının ortak etkisi ile elde edilen metalik süreklilik. Bu durumda birleşme bölgesinin her iki tarafında da ortak bir kristal yapı oluşmuştur. Mikroyapı bazında bu işlem birleştirilen elemanlar için ortak bir tanecik ağı olarak açıklanabilir. Bu tanecikler, birleştirilen bu iki elemandan gelen tekil çekirdeklerin yeniden kristalleştirilmesi sonucu ortaya çıkmışlardır (gekil I. 4.). gekil I. 4. Sıcak şekil değiştirme (yeniden kristalleştirme) sonucu elde edilen metalik süreklilik. Mikro yapı ölçeğinde birleştirilen parçalara ait ortak taneler, birleşme bölgesinde ortaya çıkan çekirdeklerden türemişlerdir. Metalik devamlılığın sağlanmasını sağlayan ikinci bir mekanizma ise A parçasından gelen atomların B parçasına geçmesi ve B'den gelenlerin de A parçasına geçmeleri demek olan "Yayınma (Difüzyon)" mekanizmasıdır (gekil I.5.). Eğer birleşme çizgisinin her iki yanında da malzeme katı halde kalıyorsa bu geçiş her iki yönde de olur (olayın gerçekleşmesi için sıcaklık ve basınç gereklidir.). Bu olay "difüzyon kaynağı" (yayınma yoluyla kaynak) yönteminin ana temasını oluşturur. Fakat bu olayda sadece yayınma rol oynamaz; sıcaklık ve basınç altında oluşan yeniden kristalleştirme olayının da etkisi vardır. Eğer birleşme çizgisinin bir tarafında sıvı, diğer tarafında katı halde bulunan malzemeler varsa, yayınma olayı sıvı taraftaki atomların bu çizgiyi geçmelerine ve katı taraftaki atom şebekesinin içine yerleşmelerine izin verir. Bu durumda yayınma olayı birleşme çizgisi boyunca çok ince bir alaşım bölgesi meydana getirir. Diğer yönde katı tarafın atomları da sıvı tarafa geçebilirler. Fakat bu atomlar sıvı içinde eriyerek onun kimyasal bileşimine ancak ihmal edilebilecek kadar bir etki yaparlar. Buraya kadar anlatılanlar aynı zamanda "lehimleme" ve "lehim kaynağı" adı verilen işlemlerin de tanımıdır. Bu işlemler sıvı fazdaki bir malzemenin erime noktası çok daha yüksek bir malzeme üzerinde katılaşması ile de tanımlanırlar. Ayrıca belirtmek gerekir ki, "yayınma" işlemi metalik devamlılığın sağlanmasında esas olarak yer almasa da, birleşme bölgesinin iki tarafında farklı kimyasal bileşimlerin bulunduğu durumlarda - yani oldukça sık - kendini belli eder. gekil I.5 Katı fazda birleşme çizgisi boyunca gerçekleşen yayınma ile elde edilen metalik süreklilik (difüzyon kaynağı). Eğer B sıvı ise, A'nın atomları sıvı içinde erirler (lehim veya lehim kaynağı). Veya katı fazdaki A'nın ve B'nin atomları bir araya gelerek birleşme bölgesinde AB sıvı fazını oluşturabilirler. Üçüncü bir mekanizma ise B sıvısının, kendi çıkış yeri olan veya en azından erimesine katkıda bulunan A katısı üzerinde katılaşması sonucuna dayanır. Bu durumda metalik devamlılık "tercihli yönlenme" adı verilen bir olay yardımı ile sağlanır. Bu olayda katılaşan malzemenin atomları birleşme çizgisinden başlayarak katı malzemenin kristallerinin diziliş biçimine uyarlar. Böylece kristal yapıdaki tanecik ve tanecikleri ayıran birleşme bölgeleri gibi büyük yapılar katı halde duran esas metal ve sonradan katılaşan sıvı metal için ortak hale gelirler. Mikroyapı bazında bu olay esas metalin taneciklerinin birleşme çizgisini süreksizliğe uğramadan geçmeleri ve burada bir birleşme bölgesi oluşturmaları şeklinde tanımlanabilir (gekil I. 6.). Bu olay, esas metalin tamamen veya kısmen rol oynadığı erime olayının yer aldığı bütün kaynak işlemlerinde görülmektedir. Söz konusu kaynak işlemlerine daha sonra "eritme kaynağı" adı verilecek ve gazaltı kaynağı, elektrik-ark kaynağı, elektrik-direnç kaynağı, nokta kaynağı gibi isimler altında incelenecektir. gekil I. 6. Sıvı B/katı A birleşme bölgesinde katılaşma esnasında tercihli yönlenme yoluyla elde edilen metalik süreklilik. Birleşme bölgesinin her iki tarafındaki atomların diziliş yönleri bu bölge boyunca atom birleşmelerinin hangi yöne doğru uzandığı ile belirlidir. Görüldüğü gibi, kristal yapıdaki metalik devamlılığın sağlanmasında yukarıda sayılan üç yöntem de ayrı ayrı veya beraberce rol oynamaktadır. Kaynak işlemini özetlemek gerekirse bunlar: mekanik kuvvet ile atomların yakınlaşmasını sağlamak, yayınma ve yeniden kristalleştirme veya tercihli yönlenme aracılığı ile kristallere ortak bir yön kazandırma işlemleridir. BirleGme Düzeyinde Aktivasyon Enerjisinin Durumuna Göre Sınıflandırma Metalürjik özelliklere sahip elemanları, kaynak işlemlerinin çeşitlerine göre sınıflandırdıktan sonra şimdi de sıra, bu işlemleri birleşme bölgesinde metalik devamlılığın sağlanmasında gerekli aktivasyonu elde etmede kullandıkları enerjinin çeşidine göre sınıflandırmaya geldi. Bu perspektif çerçevesinde Uluslararası Kaynak Enstitüsü'nün iki komisyonu, sınıflandırma açısından bütün kaynak literatürünü tarayarak titiz bir çalışma sonucu birleşme düzeyinde enerji transferi konulu 9 maddelik bir işlem listesi çıkarmıştır. Böylece önceden yapılmış olan sınıflandırmalardan daha titiz bir sınıflandırma yapılabilmiştir. Bu sınıflandırma buraya basitleştirmek amacıyla 6 transfer işlemi olarak alınmış ve A'dan F'ye kadar isimlendirilmiştir. Birleşme tipi ve onun nasıl elde edileceğine dair birkaç küçük ön bilgi Tablo l.'de verilmiştir. Bunlar daha sonra yapılacak bazı yorumlar ile açıklığa kavuşturulacaktır. Kaynak iGleminde Enerji Transferieri: A: Gaz yolu ile transfer: Bu gurup, bağlantı için gerekli enerjinin, sıcak bir gaz veya gaz karışımı ile esas metal arasında oluşturulan ısı geçişi sonucu sağlanan işlemleri kapsar. Bu işlemlere, gaz eritme kaynağı (a.l.l.A), gaz lehim, lehim kaynağı (a.2.1.A), ve hatta gaz basınç kaynağı (a.2.2.A) örnek olarak verilebilir. Bu sınıflandırma içinde plazma kaynağını (a. 1.1.A veya a.1.3.A) da saymak gerekir. Çünkü, bu işlemde enerji transferi, plazmayı meydana getiren iyonize olmuş bir gaz sayesinde olmaktadır. Aynı eskiden atomik hidrojen kaynağı adı verilen ve artık pek fazla kullanılmayan yöntemde olduğu gibi. B: Elektrik arkı yolu ile transfer: Kaynak edilen mamullerin tonajı ve ihtiva ettiği değişkenlerin çokluğu nedeniyle en önemli yöntem budur. Yöntemlerin çoğunda elektrik arkı, esas metalin erimesine neden olur ve birleşme eriyen metalin esas metal üzerinde katılaşması ile gerçekleşir. Bu birleşme İlave metal olmadan (örnek olarak a.1.1.B, TIG kaynağı, yani erimeyen elektrot kullanarak) veya genellikle İlave metal ile birlikte olabilir. a.1.3.B bölümü elektrik arkı kaynağının (elektrot veya elektrot teli kullanarak, gaz veya toz altı veya cüruf altı) bütün değişkenlerini guruplamaktadır. Elektrik arkı aynı zamanda esas metalden daha çok eriyebilen bir metal yardımıyla bir sıvı-katı teması oluşturarak birleşmeyi sağlamak amacıyla da kullanılabilir: Bu işleme arklı lehim kaynağı (a.2.1.B) denir. Sonunda birleştirilecek parçaların arasında ark meydana gelirken, bir miktar basınç yardımıyla sıvı faz yok edilip, katı fazda birleşme sağlanabilir. Bu da çevresel birleştirmelerin yapılmasına olanak sağlayan döner arklı kaynak (b.1.1) yöntemidir. C: Radyasyon yolu ile transfer: Bu gurupta, yüksek enerjili bir kaynaktan (elektrik arkı veya güneş enerjisi) gelen elektron ışınlarının veya LASER'in kullanılması söz konusudur. Bütün bu işlemler yalnızca eritme yöntemini kullanırlar. Ayrıca bunlar sadece 1.1 bölümünde bahis konusu edilmişlerdir. Elektron ışın kaynağı genellikle İlave metal olmadan yapılır (a.1.1.C), fakat ilave bir metalin de kullanıldığı bazı uygulanış biçimleri de vardır (a.1.3.C). Bu uygulamalara LASER kaynağında çok az rastlanır. D: Mekanik etki yolu ile transfer: Tek aktivasyon enerjisi olarak mekanik bir etkiye (şekil değiştirme veya sürtünme) yol açan aktivasyon enerjisi kullanan yöntemlerin hepsi b grubuna aittirler. Çünkü bunlar, gerek araya sıvı veya viskoz bir geçiş fazı sokarak (sürtünme kaynağı ve patlamalı kaynak işlemlerinde - b.1.1.D ve b.1.2.D - olduğu gibi), gerekse doğrudan katı fazda (soğuk basınç kaynağı veya ultrason kaynağı - b.2.1.D - ) bir birleşme meydana getirirler. E: Elektrik akımının geçmesi yolu ile transfer: Bu gurupta birleştirilecek parçaları kat eden bir elektrik akımının bulunduğu ve bu akım joule etkisi sonucu parçaların birleşme yerinde bir ısı meydana getirdiği yöntemler bulunmaktadır. Bu bir miktar basıncın da etkimesini gerektirmektedir. Bu yöntem, birleşmenin sıvı fazda gerçekleştiği nokta direnç kaynağı (a.1.2.E), birleşmenin geçici bir sıvı fazdan sonra katı fazda gerçekleştiği yakma alın kaynağı ve yüksek frekanslı endüksiyon kaynağı (ikisi de b.1.1.E bölümünde açıklanmıştır.), veya birleşmenin tamamen katı fazda gerçekleştiği alın direnç kaynağı (b.2.2.E) işlemlerinde kullanılmaktadır. F: Diğer yöntemler: Sınıflandırılmamış birkaç enerji transferi yöntemi yukarıda yapılan gruplandırmaya girmemiştir. Bu duruma, bir İlave metalin daha sonra esas metalin içine nüfuz etmesi için eritildiği lehimleme (a.2.1.F) veya lehim difüzyonu yöntemlerinde, veya birleşmenin katı fazda, basınç altında ve belirli olmayan bir ısı yardımı ile gerçekleştiği difüzyon kaynağı (b.2.2.F) yöntemlerinde rastlanmaktadır. Diğer taraftan, A'dan F'ye kadar olan guruplar, bütün enerji transferi yöntemlerini kapsamamaktadır. Diğer yöntemler bölümüne, alümino-termik kaynağı (a.1.3.F), veya çok eski bir yöntem olan demir ile lehim (a.2.2.F) veya çekiç (ocak) kaynağı (b.2.2.F) gibi yöntemler de konulabilir. Metalik Devamlılığın OluGmasının Sonuçları ve Sınıflandırılması Kaynak işlemlerinin tümü incelenirse, metalik sürekliliği sağlamak için yukarıda sayılan yöntemlerden hangilerinin kullanılması gerektiği araştırılmak İstenirse ortaya çok basit bir sınıflandırma çıkar. Çünkü bütün kaynak işlemleri operasyon esnasında aşağıda belirtilen üç durumdan birini kapsamak zorundadır: a) Sıvı/katı birleşmesi: Birleşmenin, sıvı fazdaki bir malzemenin katı fazdaki esas metal ile temas durumunda katılaşması sonucu elde edildiği kaynak işlemleri. b) Katı/katı birleşmesi: Bu sınıf, metalik sürekliliğin katı halde bulunan birleştirilecek parçalar arasındaki temas ile sağlandığı işlemleri kapsar. c) Buhar/katı birleşmesi: Burada, sıvı halde bulunan katkı malzemesinin katı halde bulunan esas metal üzerinde yoğuşması söz konusudur. Nispeten çok ender kullanılan bu işlem bazı lehimleme veya yüzey kaplama işlemlerine uygulanır. Yukarıda belirtilen ilk iki sınıf kendi aralarında aşağıdaki gibi bölümlere ayrılırlar: a.1. Esas metalin erimesiyle sıvı/katı birleşmesi oluşumu. Yani esas metalin ek olarak veya kısmen (ilave metal kullanılarak) kaynak banyosunun hazırlanmasına katılmasıdır. Burada eskiden "otojen" adı verilen kaynak işlemlerinden bahsedilmektedir. Bu terim bugün tarihsel sebepler yüzünden hiç kullanılmamaktadır. Bu terim daha çok Almanca ve Rusça'da gaz eritme kaynağı anlamını taşımaktadır. a.2. Esas metalin erimediği sıvı/katı birleşmesi oluşumu. Yani, burada esas metal kaynak banyosunun hazırlanmasında rol oynamamaktadır. Bu sınıf lehim,ve lehim kaynağı işlemlerini kapsar. b.1. Esas metalden kaynaklanan sıvı veya akışkansı bir geçiş fazının ön oluşumu ile elde edilen bir katı/katı birleşmesi oluşumu. Bu faz oluşumu daha sonra operasyon süresince ortadan iki şekilde kalkar: 1. Tamamen (Yakma alın kaynağı veya sürtünme kaynağı) 2. Yavaş yavaş (Patlamalı kaynak) b.2. Daha yukarda anlatılan yöntemlerden biri kullanılarak katı fazda direkt temasa dayanan katı/katı birleşmesi oluşumu (soğuk veya sıcak şekil değiştirme). Birleşme çizgisinin iki yanında bulunan bu farklı oluşumlar ve bundan kaynaklanan bağlantı şekilleri, bilinmesi gereken şu üç olayın tek başına ya da beraber meydana gelmeleri sonucu elde edilirler: Bir İlave metalin katılması (m), Birleştirilecek parçalara basınç uygulanması (beraberinde sonuç olarak bütünsel veya bölgesel şekil değiştirmelere sebep olarak) (p), Birleşme çizgisi düzeyinde bir sıcaklık farkına neden olunması (T). TABLO 1. a.1.1 A İlave metal olmadan yapılan kaynak (alev veya plazma), a.1.3A ilave metal kullanılarak yapılan kaynak (alev veya plazma). a.2.1 A Gaz lehim ve lehim kaynağı. a.2.2A Gaz basınç kaynağı. a.1.1 B İlave metal olmadan yapılan ve erimeyen elektrot kullanılan elektrik ark kaynağı (TIG). a.1.2B Erimeyen elektrot kullanılan elektrik ark kaynağı (İlave metal kullanılan TIG kaynağı). a.1.3B Eriyen elektrot veya tel ile yapılan ve cüruf tutucu kısımlar altında dikey yapılan toz altı elektrik-ark kaynağı. a.2.1 B Arklı lehim kaynağı. a.1.1 B Döner arklı kaynak. a.1.1 C Elektron kaynağı veya LASER kaynağı. a.1.3C Güneş enerjisi veya ark nüfuz kaynağı. b.1.1 D Sürtünme kaynağı. b.1.2D Patlama kaynağı. b.2.1 D Soğuk basınç kaynağı. Ultrason kaynağı. a.1.2E Punto direnç kaynağı. a.2.2 E Alın direnç kaynağı.Dirençli lehimleme. b.1.1 E Yakma alın kaynağı - Yüksek frekans endüksiyon kaynağı. b.2.2 E Alın direnç kaynağı. b.1.3 F Orta frekans endüksiyon kaynağı. b.2.2 F Lehimleme - yayınma. Difüzyon kaynağı. a.1.3 F Termit (Alümino-termik) kaynağı. a.2.0 F Demirli lehim. b.2.2 F Arklı lehim kaynağı.