EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) KAYNAK TEKNOLOJİSİNİN ESASLARI EÜT 231 ÜRETİM YÖNTEMLERİ Doç.Dr. Murat VURAL İTÜ Makina Fakültesi Birleştirme – kaynak, sert lehimleme, yumuşak lehimleme ve yapıştırma Bu yöntemler, parçalar arasında kalıcı bir birleşim oluşturur. Montaj – (genellikle) mekanik yöntemlerle parçaları birleştirme Bu yöntemlerden bazıları, demontaja izin verirken diğerleri vermez 2 1 İki (veya daha fazla) parça, ısı ve/veya basınç uygulayarak, birbirine temas eden yüzeylerinden birleştirilir. Çoğu kaynak işlemi, herhangi bir basınç uygulanmadan, sadece ısı ile oluşturulur Diğerleri ise, ısı ve basıncın birlikte kullanılmasını gerektirir Bazıları, dış ısı kullanmadan sadece basınçla yapılır Bazı kaynak yöntemlerinde birleştirmeyi gerçekleştirmek için bir dolgu (ilave) malzeme kullanılır 3 Kaynağın Sınırlamaları ve Sakıncaları Kalıcı bir bağlantı sağlar Kaynaklı parçalar bir bütün haline gelir Malzeme kullanımı ve fabrikasyon maliyetleri bakımından genellikle en ekonomik yoldur Mekanik birleştirme, genellikle ilave donanım elemanları (örn. cıvata ve somun) ve birleştirilen parçalarda geometrik değişiklikleri gerektirir Bir fabrika ortamıyla sınırlı değildir Kaynak “sahada” da yapılabilir 4 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kaynak Niçin Önemlidir? Doç.Dr. Murat VURAL Kaynak Teknolojisine Genel Bakış Kaynaklı Bağlantı Kaynak Fiziği Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri Kaynak EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Birleştirme ve Montaj’ın Tarifi Çoğu kaynak işlemi elle uygulanır ve işçilik maliyetleri bakımından pahalıya malolur Çoğu kaynak yönteminde yüksek enerji kullanılır ve bunlar son derece tehlikelidir Kaynaklı bağlantılar kolay bir demontaja izin vermez Kaynaklı bağlantılarda tespiti zor olan kalite hataları bulunabilir 5 1 Kaynak Yöntemlerinin Türleri Birleştirilecek olan, temas halindeki veya yakın şekilde yerleştirilmiş parça yüzeyleri Kaynak, iki metalsel parçanın birbirine temas eden yüzeylerinin yerel olarak birleştirilmesinden oluşur Kaynak genellikle aynı metalden yapılan parçalara uygulanır; ancak bazı kaynak işlemlerinde farklı metaller kullanılabilir 6 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kaynakta Birleştirilen Yüzeyler Esas metalleri eriten kaynak yöntemleri Çoğu eritme kaynak işleminde, işlemi tamamlamak ve bağlantının sağlam ve rijit olmasını sağlamak için bir dolgu metali eklenir Dolgu (ilave) metal kullanılmayan bir eritme kaynak işlemi “otojen (kendi kendine eriyen) kaynak” olarak adlandırılır 8 İlave metal Kaynaklı bağlantı Ark Koruyucu gaz Esas metal Erimiş banyo Penetrasyon Birleştirilecek parçalar (1)Ön görünüş (önce) (2) Enkesit (yandan) görünüş (3) Ön görünüş (sonra) Şekil 30.1 – Ark kaynağının esasları; (1) kaynaktan önce; (2) kaynak sırasında esas metal eritilir ve ilave metal erimiş banyoya katılır; ve (3) bitmiş kaynaklı parça. Ark kaynağının pek çok türü vardır Doç.Dr. Murat VURAL Ark kaynağı (AW) – metallerin eritilmesi, bir elektrik ark’ı ile sağlanır Direnç kaynağı (RW) - eritme, basınç altında bir arada tutulan temas halindeki yüzeylerin bir elektrik akımına dirençlerinden oluşan ısı ile sağlanır Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) - eritme, asetilen gibi bir oksi-yanıcı gaz ile sağlanır 9 Katı Hal Kaynağı 10 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Ark Kaynağının Esasları Elektrod 7 Bazı Eritme Kaynak Yöntemleri EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Eritme Kaynağı Amerikan Kaynak Derneği (AWS) tarafından, 50 kadar birbirinden farklı kaynak yöntemi sınıflandırılmıştır Kaynak yöntemleri iki temel kategoriye ayrılabilir: Eritme kaynağı Katı hal kaynağı Birleşmenin, sadece basınç veya ısı ve basıncın birlikte etkitilmesiyle oluştuğu kaynak yöntemleri Eğer ısı kullanılırsa, sıcaklık kaynak yapılan metallerin erime sıcaklığından düşüktür Katı hal kaynağında ilave metal (dolgu metali) kullanılmaz 11 2 Kaynağın Temel Uygulamaları Difüzyon kaynağı (DFW) –birleşme, yüksek sıcaklıkta basınç altında bir arada tutulan iki yüzey arasında katı hal kaynağı ile gerçekleştirilir Sürtünme kaynağı (FRW) - birleşme, iki yüzey arasındaki sürtünme ısısı ile gerçekleştirilir Ultrasonik kaynak (USW) - birleşme, basınç altında bir arada tutulan iki parçanın temas halindeki yüzeylerine paralel yöndeki ultrasonik titreşim hareketleriyle oluşturulur 12 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Bazı Katı Hal Kaynak Yöntemleri Kaynakçı – kaynak tabancasının doğrultusunu veya konumunu elle kontrol eder Genellikle, kaynak yardımcısı denilen ve parçaları kaynaktan önce ayarlayan ikinci bir işçi tarafından yardım edilir Kaynak fikstürleri ve pozisyonerleri, bu amaçla yardımcı olmak için kullanılır 14 Kaynak, çalışan kişiler için son derece tehlikelidir Erimiş metallerin yüksek sıcaklıkları Gaz kaynağında, yanıcı gazlar (Örn. Asetilen) yangın çıkarabilir Çoğu kaynak yönteminde elektrik enerjisi kullanılır; bu nedenle elektrik çarpma riski vardır 15 Kaynakta Otomasyon Arktan yayınan kızılötesi ışınlar insan gözü için tahrip edicidir Kaynakçıların, koyu renkli camı olan özel bir maske takmaları gerekir Koyu renkli cam, tehlikeli radyasyonu durdurur ancak ark sönükken kaynakçının görüşünü engeller Kıvılcımlar, erimiş metal sıçramaları, duman ve gazlar ilave risklerdir Curuftan ve erimiş metalden çıkan tehlikeli gazların uzaklaştırılması için havalandırma gerekir 16 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Ark Kaynağına Özgü Zararlar Doç.Dr. Murat VURAL 13 İş Güvenliği Konusu EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) İmalat Ark Kaynağında Kaynakçı ve Yardımcısı Konstrüksiyon – yapı ve köprüler Boru hatları, basınçlı kaplar, kazanlar ve depolama tankları Gemi yapımı Uçak ve uzay Otomotiv Demiryolları Elle kaynağın sakıncaları nedeniyle ve verimliliği arttırıp kaliteyi yükseltmek için, değişik mekanizasyon ve otomasyon türleri kullanılmaktadır Makinayla kaynak Otomatik kaynak Robotla kaynak 17 3 Beş Birleştirme Türü Kaynakla birleştirilmiş parçaların yüzeylerinin veya kenarlarının birleşimi Kaynaklı bağlantı ile ilgili iki konu: Bağlantı türleri Bağlantıları oluşturan parçaları birleştirmek için kullanılan dikiş türleri 18 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kaynaklı Bağlantı 1. 2. 3. 4. 5. Alın bağlantı Köşe bağlantı Bindirme bağlantı T- bağlantı Kıvrık alın bağlantı 19 Köşe bağlantı Parçalar aynı düzlemde bulunur ve kenarlarından birleştirilir Şekil 30.2 - Beş temel bağlantı türü: (a) alın 20 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Alın bağlantı Köşe bağlantı halindeki parçalar bir dik açık oluşturur ve açının köşe kısmından birleştirilir Şekil 30.2 (b) köşe 21 T- bağlantı Birbirinin üzerine bindirilmiş iki parçadan oluşur Şekil 30.2 (c) bindirme Doç.Dr. Murat VURAL 22 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Bindirme bağlantı Parçalardan biri, bir “T” harfi oluşturacak şekilde, diğerine dik konumda yerleştirilmiştir Şekil 30.2 (d) T- 23 4 Dikiş Türleri Bir kıvrık alın bağlantıdaki parçalar, en az bir kenarlarını ortaklaşa kullanırlar ve bağlantı bu ortak kenardan gerçekleştirilir Şekil 30.2 (e) kıvrık alın 24 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kıvrık Alın Bağlantı Belirtilen bağlantıların her biri kaynakla yapılabilir Diğer birleştirme yöntemleri de anılan bağlantı türlerinden bazıları için kullanılabilir Bağlantı türü ile bunun oluşturulma yolu arasında bir farklılık bulunur – dikiş türü 25 İçköşe Dikişleri Köşe, bindirme veya T-bağlantıların oluşturduğu levha kenarlarını doldurmak için kullanılır Kesiti yaklaşık bir dik üçgen şekline getirmek için dolgu (ilave) metali kullanılır Ark ve oksi-yanıcı gaz kaynağında en yaygın dikiş türüdür En az kaynak ağız hazırlığı gerektiren dikiş türüdür 26 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) İçköşe (Dolgu) Dikişi Kaynak bağlantısı Şekil 30.3 - Değişik içköşe dikiş formları: (a) tek taraflı içköşe bağlantısı; (b) tek taraflı dış köşe bağlantısı; (c) çift içköşe dikişli bindirme bağlantı; ve (d) çift içköşe dikişli Tbağlantı Kesikli çizgiler, orijinal parça kenarlarını göstermektedir 27 Alın Dikişleri Kaynak nüfuziyetini sağlamak için genellikle parça kenarlarının (kaynak ağzı) şekillendirilmesini gerektirir Ağız hazırlığı, parça imalat maliyetini yükseltir Alın dikişleri, tek veya çift taraftan kare veya açılmış V, U ve J ağızları içerir Çoğu alın bağlantıyla yakından ilgilidir Doç.Dr. Murat VURAL 28 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Alın Dikişleri Kaynak bağlantısı Şekil 30.4 - Bazı alın dikişleri: (a) kare alın dikişi, tek taraftan; (b) tek taraftan ağız açılmış alın; (c) tek V-alın dikişi; (d) tek taraftan Ualın dikişi; (e) tek taraftan J-alın dikişi; (f) daha kalın parçalar için çift taraftan V-alın dikişi. Kesikli çizgileri orijinal kaynak kenarlarını göstermektedir 29 5 Direnç Nokta Kaynağı İki parçayı eriterek birleştirmek için, üstteki parçada bir veya birkaç delik veya tapa açıp, daha sonra ilave metalle bu deliğin veya tapanın doldurulduğu kaynak dikişi Tapa kaynağı için üst parçada açılan tapa Delik kaynağı Üst parçada açılan delik (a) (b) Şekil 30.5 - (a) tapa kaynağı ve (b) delik kaynağı 30 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Tapa ve Delik Kaynağı İki saç veya levhanın yüzeyleri arasında, küçük bir erimiş kesit Bindirme bağlantılar için kullanılır Çoğu direnç kaynağıyla yakından ilgilidir Nokta kaynağı Kısmi kesit Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Şekil 30.6 (a) Nokta kaynağı 31 Flanş Kaynağı ve Yüzey Kaplama Bir direnç dikiş kaynağı, direnç nokta kaynağına benzer ancak iki saç parça arasında az yada çok erimiş bir kesit içermesiyle ayrılır Erimiş (kaynaklı) kesiti gösteren kısmi kesit Bindirme kısmı Saç metal parçalar Şekil 30.6 - (b) dikiş kaynağı 32 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Direnç Dikiş Kaynağı Dikiş kaynağı Flanş kaynağı Yüzey kaplama kaynak dikişi İki saç metal parça (a) (b) Şekil 30.7 - (a) flanş kaynağı; ve (b) yüzey kaplama kaynağı 33 Isı Yoğunluğu Eritme, kaynakta birleşimi sağlayan en yaygın araçtır Eritmeyi oluşturmak için, temas eden yüzeylere yüksek yoğunlukta bir ısı enerjisi uygulamak gerekir, böylece oluşturulan sıcaklık esas metallerin (ve kullanılmışsa ilave metalin) yerel olarak erimesine yol açar Metalurjik nedenlerden dolayı, minimum enerjiyle ancak yüksek ısı yoğunluklarıyla eritme tercih edilir 34 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kaynak Fiziği Doç.Dr. Murat VURAL İki saç parça Birim yüzey başına parçaya aktarılan güç (güç yoğunluğu), W/mm2 Eğer güç yoğunluğu çok düşükse, ısı parça içine iletilir ve erime oluşmaz Eğer güç yoğunluğu çok fazlaysa, yerel sıcaklıklar, etkilenen bölgedeki metali buharlaştırır Kaynağın gerçekleştirilebildiği, pratik bir ısı yoğunluğu aralığı mevcuttur 35 6 Değişik Kaynak Yöntemleri için Yaklaşık Güç Yoğunlukları Oksi-yanıcı gaz kaynağı (OFW) geniş ısı miktarları üretir, ancak bu ısı geniş bir alana dağıldığından ısı yoğunluğu göreceli olarak düşüktür Oksi-asetilen gazı, OFW gazlarının en sıcak olanıdır; 3500°C’lik bir maksimum sıcaklığa ulaşır Ark kaynağı, yerel sıcaklıkları 5500 ila 6600C’ye ulaşan, dar bir alanda yüksek enerji üretir 36 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Kaynak Yöntemleri Arasında Bazı Karşılaştırmalar P A burada PD = güç yoğunluğu, W/mm2 ; P = yüzeye giren enerji, W ; ve A = enerjinin girdiği yüzey alanı, mm2 38 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Yüzeye giren enerjinin buna karşı gelen yüzey alanına oranı: Kaynakta İki Isı Transfer Mekanizması Tüm girdi enerjisinin kaynak metalini eritmekte kullanıldığına dikkat ediniz 1. Isı transfer etkinliği f1 – menbada üretilen toplam ısının parça tarafından alınan gerçek ısıya oranı 2. Eritme etkinliği f2 – eritme için kullanılan, parça yüzeyinden alınan ısı kısmı; kalanı parça metaline iletilir Doç.Dr. Murat VURAL Laser ışını 9,000 Elektron ışını 10,000 37 Birim hacim metali eritmek için gerekli ısı miktarı Sembolü Um Aşağıdakilerin toplamından oluşur: Katı metali erime sıcaklığına yükseltmek için gerekli ısı Hacimsel özgül ısıya bağlıdır Metali erime sıcaklığında, katıdan sıvı faza dönüştürmek için gerekli ısı Eritme ısısına bağlıdır 39 Kaynağa Uygun Isı Hw = f1 f2 H 40 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) W/mm2 10 50 1,000 Eritme için Birim Enerji Güç Yoğunluğu PD Kaynak yöntemi Oksi-yanıcı gaz Ark Direnç burada Hw = kaynağa uygun net ısı; f1 = ısı transfer etkinliği; f2 = eritme etkinliği; ve H = kaynak yönteminin ürettiği toplam ısı 41 7 Eritme Etkinliği f2 Menbada üretilen toplam ısıya göre parça yüzeyinde üretilen ısı kısmı Kaynak yöntemine ve güç menbaının (örn. Elektrik enerjisi) parça yüzeyinde kullanılabilir ısıya dönüşme kapasitesine bağlıdır Oksi-yanıcı gaz kaynak yöntemi göreceli olarak daha az etkindir Ark kaynağı göreceli olarak daha etkindir 42 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Isı Transfer Etkinliği f1 burada Hw = işleme verilen net ısı enerjisi, J; Um = metali eritmek için gerekli birim enerji, J/mm3 ve V = eritilen metal hacmi, mm3 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Hw = Um V Kaynak arayüzeyi 44 Erime bölgesindeki kolonsal yapı Erimiş bölge Kaynak arayüzeyine yakın ITAB’da iri taneler Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) Etkilenmemiş esas metal bölgesi Kaynak arayüzeyinden uzakta ince taneler Orijinal soğuk şekil değiştirmiş taneler Şekil 30.8 - Tipik bir eritme kaynaklı bağlantının kesiti: (a) Bağlantıdaki temel bölgeler, ve (b) tipik tane yapısı 45 Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) İlave metalin katıldığı tipik eritme kaynak bağlantısı aşağıdakilerden oluşur: Erime bölgesi Kaynak arayüzeyi Isının Tesiri Altındaki Bölge (ITAB) (Heat affected zone = HAZ) Etkilenmemiş esas metal bölgesi 46 EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) Bir Eritme Kaynaklı Bağlantının Özellikleri EUT 231 ÜretimYöntemleri – Doç.Dr. Murat VURAL (İTÜ Makina Fakültesi) 43 Tipik Eritme Kaynaklı Bağlantı Enerji Denge Denklemi Doç.Dr. Murat VURAL Isının, parça yüzeyinde eritme için alınan kısmı; kalanı parça metali içine iletilir Kaynak yöntemine bağlıdır ancak metalin ısıl özelliklerinden, bağlantı konfigürasyonundan ve parça kalınlığından da etkilenir Alüminyum ve bakır gibi yüksek ısıl iletkenliğe sahip metaller, temas alanından ısının hızlı dağılması nedeniyle kaynakta problem oluştururlar Metal, erime sıcaklığının altında ancak katı metalde mikroyapısal değişikliklere neden olmaya yeterli sıcaklıklara maruz kalmıştır, Kimyasal bileşimi esas metalle aynıdır, ancak bu bölge, özellikleri değişecek ve yapısı dönüşecek şekilde ısıl işlem görmüştür ITAB’daki mekanik özelliklere etkisi genellikle olumsuzdur, ve kaynak hasarının en çok oluştuğu yer burasıdır 47 8