Kaynağın Fiziksel MetalürjisiI-Temel kavramlar

Doç. Dr. Şükrü Talaş

Metalürji ve Malzeme Mühendisliği

Teknoloji Fakültesi

Kaynak Metalurjisi

Kaynak işlemi kavramsal olarak “en az iki serbest malzemeyi çözülmeyecek şekilde bir araya getirmektir” olarak tarif edilir.

Lehimlemede ve katı-hal kaynağında birleştirme birleştirilecek parçaların herhangi birisinde ergime olmaksızın gerçekleşirken, ergitme kaynağında ise birleştirilecek parçaların dokundugu yerlerde, ergime ve ergiyen metalin akarak karışımı va dolayısıyla birleşimi gerçekleşir.

Bilinen ilk ergitme kaynak tekniği sıvı akma kaynağı veya yakma kaynağı olarak bronz çağında kullanılmıştır. Bu tür kaynaklarda ergiyik iki parçanın oluşturdugu kanala dökülür ve katılaşması sağlanır.

Kaynak Metalurjisi

Şu anda kullanılan ergitme kaynak yöntemleri, bağlantı boyunca kenarları ergitmek için yeterince yüksek enerji veren yöntemlerdir. Bu tür enerji kaynakları 19 YY sonlarında kullanılmaya başlanmıştır; Oksi-gas, ark ve direnç kaynağı bu zamanda ortaya çıkmıştır.

Havanın azotundan korumak ve kaynağı daha sünek yapmak önce asbest yardımıyla, daha sonra mineraller ve ferro alaşımlar yardımıyla sağlanmıştır.

Üretim elektrik direnç dikiş kaynağındaki ilerleme ve sonrasında gemi üretiminde onarım amaçlı kullanılan ark kaynağının birincil güvenilir yöntem olarak seçilmesiyle hızlanmıştır. Bu hızlı ilerleme demir-çelik endüstrisinde ortaya çıkan ilerlemelerle desteklenmiş ve üretilen çeliğin kalitesi arttıkca kaynaklanabilirliğide artmıştır buda kaynağın kapsam alanını genişletmiştir.

Kaynak Metalurjisi Ergitme kaynak yöntemlerinin sınıflandırılması kaynak bağlantı

bölgesine yapılan etkiye göredir. En önemli olan ısı kaynağının şiddetidir(J). Daha sonra Isı

girdisi (J/mm) ve atmosferden korumada kullanılan korumanın türü takip eder. Eger ergitme sınırı boyunca toplam ısı akısı q veya ısı girdisi ise enazından o kadarlık bir ısının kaynak bölgesinden veya havuzundan uzaklaştırılması gerekmektedir.

Kaynak Metalurjisi Isı kaynağının şiddeti arttıkca yoğunluk

109W/m2 ye kadar ulaşır. Bu noktada metal buharı oluşumu ve ergitme gerçekleşir. Buharlaşan metal buharı ile ortaya çıkan basınç kaynak havuzuna baskı yapar ve kaynak metalinin hidrostatik basıncı ve yüzey enerjisi ile dengelenir. Bu tür dengeleme yüksek enerji yoğunluğuna sahip kaynak yöntemlerinde görülür örneğin Laser ve Elektron ışın.

Plazmada kaynak havuzuna uygulanan ark jeti kaynak havuzunun çöküntülü görünmesine sebep olur. Plazmada aynı şekilde gazın şiddeti ile iş parçası delinir ve birleştirme ergiyiğin deliği kapatmasıyla oluşursa bunada key-hole tekniği denir.

Kaynak Metalurjisi Birçok kaynak yüzeysel olarak ısı uygulanan ve aşağı

yukarı yarı küresel kesite sahip kaynak dikişleri oluşturur. Herhangi bir boyutta kaynak havuzu üretmek ısı

girdisini artırmakla mümkündür ancak büyük havuzu fiziksel olarak kontrol etmesi zordur.(Malzeme özellikleri-düşük ergime sıcaklığına sahip malzemelerde ÖRN Al de zordur!!!)

Ve sonuçta oluşan kaynak metalinin tane boyutu istenmeyecek kadar büyük olur (ÖDEV!!). Genellikle 20mm lik bir penetrasyon (Nüfuziyet) yeterli görülür ve üstüne çıkılması istenmez. Bunun üzerindeki kalınlıklarda birden fazla kaynak dikişi çekmek gerekir-çoklu paso kaynagı şarttır.

Yüksek enerji kaynaklarında ve elektrocuruf kaynağında böyle bir gereksinim yoktur.

Kaynak Metalurjisi

ISI GİRDİSİ (heat Input Rate) V ark voltajını (Volt), I ark akımını (Amper), ν

kaynak ilerleme hızını (mm/sn) ve n ise iş parçasına iletilen ark enerjisinin oranı yani verimi ise ısı girdisi (hızı-birim uzunluga düşen ısı girdisi) şu formülle ifade edilir:

( VI/ƞ ν) = (q/ν) veya q = VIƞ q kaynak taki en önemli kriterlerden bir tanesidir

çünkü bu parametre ısıtma, sogutma ve kaynak havuz boyutunu kontrol eder.

Kaynağın Fiziksel Temelleri

Anahtar kelimeler:Isı girdisi, Isı tranfer verimliliği, ITAB, Ergime entalpisi, Ergime ısısı, Ergime verimliliği, Plazma, Polarite, Termoiyonik iş fonksiyonu, İyonizasyon, Katod noktası, Anot noktası, Ark Karakt.

• Isı girdisi• Enerji Kaynakları• Ark Karakteristiği• Tel Ergitme

Isı Girdisi

H = Enerji Girdisi, Enerji/birim uzunluk, joules /mm

H = Güç / İlerleme Hızı = P / ν = I.V/ ν = I2R/ νP = Toplam Isı girdisi, Wattν = Isı kaynağının ilerleme hızı, mm/s

H birim uzunluk başına harcanan enerjiyi ifade eder, harcama hızını değil!!!

*Standardlarda ve üretim kodlarında kullanılır

*Bu enerjinin tamamı iş parçasına transfer edilmez

Ark için Isı Girdisi

H = P / ν = V.I/ν V = Ark Voltajı (Volts) I = Ark Akımı (Amps) V.I = İşlemin Gücü, Isıya çevrilir ν = Kaynak İlerleme hızı

Hnet = f1 H = f1 P / ν = f1E I / ν f1 = Isı Transfer Verimliliği

Ark Enerjisinin Hepsi Kaynakta Harcanmaz

Ark UzunluğuUzun

Kısa

f1 = Isı Transfer Verimliliği

Ark verimi kaynak ekonomisi için çok önemli bir faktör olmamasına rağmen ısı girdisinin hesaplanmasında kullanılır. Ark kolonundan kaybolan ısı verimi etkileyen en önemli etkendir bu yüzden TIG kaynagında verim düşüktür. Örtülü elektrod kaynagında veya tozaltı kaynagında elektroda oluşan ısı kaynak havuzuna iletildiği için verim yüksektir.

Dayanım Artıcı Fazlalık

Isıdan Etkilenen Bölge

Ergiyen Ana Metal

Aw = Kaynağın Kesit Alanı = Am + Ar

İlave Metalsiz (Autogenous) kaynak metali içinAw = Am

Q =Katının sıcaklığını ergime noktasına getirmek için gerekli ısı

+ Ergime IsısıBelirli hacimdeki kaynak metalinin ergitilmesi için gerekli enerji/Isı

=

Ergime Entalpisi

Q =Katıyı Sıvılaştırmak için gerekli ısı

+ Ergime Isısı=

Isının tamamı ergitme de kullanılamaz

Belirli hacimdeki kaynak metalinin ergitilmesi için gerekli enerji/Isı

Ergitme Verimi

fe = Ergitme Verimi, ana metali ergitme için ana metale

transfer edilen işlem sırasında ortaya çıkan ısının bir kısmıdır

fe = QAw /Hnet

fe = QAwv/f1VI

Hnet = f1H = f1P/ν = f1EI/ν

Ergime verimi aşağıdaki faktörlere bağlıdır:• Yüksek Isıl İletkenlik- Düşük Verim• Yüksek Yoğunluklu Eneji Kaynağı-Yüksek Verim

GTAW 15 volt, 100 Amper ve 30 mm/dak de çalışırsa ve Tandem ark tozaltı kaynak 25 volt, toplam 1000Amperden fazla bir değerde ve 8 mm/dak de çalışırsa:

Herbir kaynaktaki ısı girdisi nedir?

Herbir kaynağın yapılışı sırasında durulursa kaynaklanan kısımlardaki soğuma hızları nasıl olur?

Diğer Enerji kaynakları

Ark H = VI/vDirenç K: H = I2RtElektrocuruf: H = EIt

Lazer:

Elektron Işın:

H = Üretilen Isı, jouleE = Voltaj, voltv = Seyahat/ilerleme Hızı, mm/sI = Akım, amperR = Direnç, ohmt = Zaman, sPD = Güç YoğunluğuP1 = Giriş Gücü( ) 2

14PD

θπ f

P=uzunluk Focal=f

aBoyua lgD=λA

EIPD =

A = Fokuslanan ışının alanı

OKSİGAZ KAYNAĞI

TERMİT KAYNAĞI

Kutuplama ve Akım Yönü

I I

DCEP DCEN

Anot

Katod

Katod

Anot

Kaynak Elektrodu veya "Elektrod"

İş parçası

Düz KutuplamaTers Kutuplama

Plazma DurumuPlazma DurumuGaz, yüksek enerjili çarpışmalar yeterince serbest elektron üretecek kadar sıcak olmalıdır

-eA A +↔ +

Plazma sadece birkaç elektron kalınlığında olabilir

Ark ta akımın iletilmesi

Plazmaİyon

Nötr Gaz Atomu

Serbest Elektron

Tekrar BirleşmeT>10,000K

Isıl İyonizasyon

Katod

Anot

Yayınan Elektrodlar

Topraklanan Elektrod

ArgonArkı

Termoiyonik İş Fonksiyonu

V

I I/e electrons/second

Energy into

Cathode

Anode

emitted electrons = I x WF

Energy deposited by impinging electrons = I x WF

I/e electrons/second

(from arc)

(into anode)

Bir elektronun Katı Yüzeyi Terk Edebilmesi için gereken Enerji

Saf Tungsten Elektrodun İş Fonksiyonu = 4.4 eVTorlu Tungstenin İş Fonksiyonu = 4.1 eV

İyonizasyon

Enerjili Serbest Elektron

Çarpışma Iyonizasyon

Serbest Iyon

Serbest

Elektron

“Nötr" Atom

> Iyonizasyon Potansiyeli

I

e-

Argon dan daha başka gaz kullanırsak nasıl bir sonuç bekleriz!!!?

} }}

Akım miktarını değiştirdiğimizde (örneğin 300 ten 1000A) toplam voltaj değişirmi?

Ark V-I Karakteristiği

Welding Power Source

A

V

Welding Arc

I

V

V

I 0

20

30

40

10

50 100 150 200 250 300 0

h1

h2

h3

h=0

h

Kararsız

Akım, Ark Uzunluğu ve Voltajın etkisini görebillirsiniz!!

Artan Ark Boyu

Şu ana kadar TIG yöntemindeki ark karakteristiğinden bahsettik... Elektron ergiyen elektrod tan gelmemektedir.Bunun yerine elektrodu ergiyen MAG kullanmış olsaydık ne olurdu?

Kaynak Metalurjisi

Katı sıvı etkileşimleri Bir sıvı damlasının düz bir

yüzeyde dengede oldugunu düşünürsek Young-Dupre denklemi geçerlidir. Bu denklem bize sıvı damlası üzerinde etkin olan kuvvetleri açıklar ve denge koşullarını tarif eder. Bu denklem sıvının katıyı ıslatıp ıslatmayacagını veya lehimlemenin gerçekleşip gerçekleşmeyecegini gösterir. Bu deney sıvı şeklinin aslında dış etkenlerle oluşturulduğunu anlatır. Kaynak havuzunda sıvı metalin yüzey enerjisi oldukca önemlidir. Seramik-metal veya Metal metal durumu?

O açısı (temas açısı) 90 dereceden büyükse yüzey ıslatılmayacak ve lehim katı yüzeyde ilerlemeyecektir. Eger Ysv>Ysl + Ylv ise temas açısı sıfırdır ve kaynak tükeninceye kadar sıvı akacaktır. Cama serpilen su damla halini alacak ancak dağılmayacaktır ancak deterjan ilavesi ile su akacaktır. Neden?

Kaynak Metalurjisi Ergitme kaynağında yüzey etkileri: Yüzey enerjisi iki atomik düzlemi

ayırmak için yapılması gereken iş olarak tarif edilir. Gmax=(Eγ/a)0.5 E-Elastik modül, a iki atom arasındaki denge uzaklığı, γ yüzey enerjisi ve Gmax- hatasız bir malzemenin gösterecegi maksimum gerilmedir.

Metaller oldukca yüksek yüzey enerjisine sahiptir (yaklaşık 0.4-2.0 N/m-1) En yüksek yüzey enerjileri Ni ve Fe indir. Yüksek yüzey enerjisine sahip malzemeleri lehimlemek zordur ancak alaşımlama ile bu aşılır. Lehimleme genellikle düşük yüzey enerjisine sahip elementlerle yapılır.

Element Yüzey Enerjisi(N/m-1)

Co 1.928

Cu 1.374

Ca 0.724

Au 1.162

Ni 1.834

Fe 1.909

Sb 0.471

Hg 0.498

Ag 0.955

Sn 0.586

Kaynak Metalurjisi

Kaynak dikiş profilini etkileyen diğer (dış) etmenler yerçekimi, ark kuvveti ve elektromagnetik kuvvetlerdir. Yerçekimi tecrübe ile sabit kaynak dikiş profilini özellikle yukardan aşağı veya aşagıdan yukarı kaynaklarda oldukca fazla etkiler.

Yukarıdan aşagı kaynaklarda az curuf bırakan selülozik kaynak elektrodları kullanılabilir. Bu tür kaynaklarda ark kuvvetleri sıvı metalin aşagı dogru akmasını engellemeye çalışacaktır.

Dökme demirlerin kaynagında kaynak havuzu oldukca akıcıdır ve düz kaynaktan başka kaynak çeşidi uygulanmaz çünkü sıvı kaynak metali düşük yüzey enerjisine sahiptir.

Bu tür malzemeler yüksek yüzey enerjisine sahip olan Fe veya Ni katkılı elektrodlarla yapılır.

Kaynak Metalurjisi

Fe ve Ni in yüzey enerjileri genellikle yüksektir ancak endüstriyel ürünlerin yüzey enerjileri bu değerden çok daha aşagıdadır çünkü S ve O gibi yüzey aktif elementlerin varlığı yüzey enerjilerini değiştirir. Örneğin orta karbonlu çeliklerin yüzey enerjisi 1.0 ile 1.2 Nm-1 arasında değişir. Saf Fe de yüzey enerjisi yaklaşık iki katıdır

Yüzey etkisi yüzeyde bulunan aktif element ve toplam aktif element arasındaki farka bağlıdır. Bu etki artan aktif elementle artar ancak belirli bir değerden sonra düşer. Maksimum nokta genellikle yüzeyde bulunan aktif element yoğunluğun doyğunluga gitmesidir. Örn Oksijen durumunda yüzey doygunluk FeO tabakasının varlıgı ile tarif edilir. Artan sıcaklıkla yüzey aktif elementlerin yüzeydeki oranı düşer ve yüzey enerjisi de azalır. S içeren çeliklerin yüzey enerjisini azaltmak için S yi baglayan Mn veya Mg ilavesi gerekir.

Kaynak Metalurjisi• Ark jeti kuvveti (elektrod örtüsünün

çözünmesi ile ortaya çıkan gazın akışından dolayı ortaya çıkar ve ark ısısı ile genişlerler) sıvı metali orta bölgeden dışarı doğru iter ve krater oluşturur. Sıvı metal yüksek hızda kaynak havuzunun arka kısmına dogru akar ve yerçekimi ve yüzey gerilimi kuvvetleri ile durdurulur. Geriye dogru olan bu kuvvet ark kuvvetidir (Farc). Ana metal bileşimi bu aşamada kaynak havuzunun arkasaında bulunan sıvı ile aynı bileşimde oldugundan yüzey enerjilerde bir farklılık olmaz. Kaynak metalindeki enerji azalması oyuklara sebep olur ve bu olay S oranının artması (ana metalden karışan) kaynak profilini direkt etkiler.

Kaynak Metalurjisi

Daha önce bahsedildiği gibi örtülü ark kaynagında ark jeti krater oluşturmaktaydı. TIG kaynagında bu kadar güçlü bir kuvvet yoktur bunun dışında diğer kuvvetlerden bahsedilir: elektromagnetik kuvvetler(içeriye dogru bir akış üretirler) ve ark jeti(dışarı dogru bir akış üretir) ve en son olarakta yüzey gerilim değişimleri. En son yüzey gerilim değişimleri oldukca baskındır. Saf bir metalde sıcaklık arttıkca yüzey gerilimi artmaktaydı yani dY/dT negatiftir. Eger sıvı metal üzerinde bir sıcaklık değişimi sözkonusu ise dT/dr, o zaman sıvı metalin yerdeğiştirmesine sebep olan kayma kuvveti: (dY/dT)x(dT/dr)=(dY/dr) olacaktır. Bu tür yüzey gerilim farkından dogan sıvı akışına Marangoni akışı denir.

TIG kaynagında dT/dr= Neg tir çünkü TIG kaynagında dT/dr= Neg tir çünkü uzaklığa bağlı sıcaklık değişimi vardır. uzaklığa bağlı sıcaklık değişimi vardır. dY/dT de negatif olacagından dY/dr de dY/dT de negatif olacagından dY/dr de positif çıkar ve dışa dogru bir akı verir positif çıkar ve dışa dogru bir akı verir (durum1) ve durum 2 de ise yüzey aktif (durum1) ve durum 2 de ise yüzey aktif elementlerin varlığının sıvı akışına etkisi elementlerin varlığının sıvı akışına etkisi görülmektedir. Dolayısıyla çok az görülmektedir. Dolayısıyla çok az miktarda S veya O olması kaynak miktarda S veya O olması kaynak havuzunun nüfuziyetini önemli ölçüde havuzunun nüfuziyetini önemli ölçüde etkiler.etkiler.

Kaynak Metalurjisi

Kaynak arkı yüksek akım ve düşük voltaj içeren bir elektrik boşalmasıdır. Akım değeri 10-2000A ve voltaj değeri ise 10-50V arasında değişir. Genel olarak ifade etmek gerekirse ark elektronların Katod uçtan buharlaştığı ve sıcak ve iyonize gaz içeren plazma bölgesinden transfer edilerek Anoda ulaşıp bu uçta yogunlaştıkları farz edilir. Yapısal olarak ark şu bölgelere ayrılır:

Katod noktası: elektronların yayıldığı eksi uçtur Katod voltaj düşme bölgesi: gaz içeren ve hemen katoda bitişik

olan ve voltaj keskin bie şekilde düştüğü bölgedir Ark kolonu: parlak, görülebilen kısım, yüksek sıcaklık ve düşük

potensiyel(voltaj) değişimi gösterir(Kolon iletken olan plazmadan oluşur) Anode voltaj düşme bölgesi: Anod a yakın gaz içeren ve hızlı potensiyel düşümü gösteren bölgedir

Anod noktası: elektronların absorb edildiği pozitif uçtur.

Kaynak Metalurjisi

Kaynak arkı elektriksel olarak nötr dür yani elektron sayısı ile proton sayısı birbirine eşittir ve yüksek sıcaklıktan dolayı bu bölgedeki moleküller parçalanır ve iyonize olarak plazma oluştururlar.

Kaynak arkının bölgeleri Katod noktası: elektronların

yayındığı kısım Katod V düşme bölgesi: Katod

noktasının hemen yanındaki V düşümünün görildüğü gazlı bölge

Ark Kolonu: Arkın ışık yayan ve yüksek sıcaklıkla tanımlanan ve düşük V gradyanına sahip bölgedir (elektriksel iletkenliğe sahip plazmadan oluşur)

Anod V düşme bölgesi: Anod noktasının hemen yanında yer alan biraz daha fazla V düşüşünün görüldüğü gaz içeren bölge

Anod noktası: pozitif elektrodun elektronların emildiği bölgesidir.

Kaynak Metalurjisi

Yüksek sıcaklıkta mevcut olan herhangi bir molekül kolayca ya tamamen yada kısmen atomlarına ayrışır ve atomların kendiside iyonize olurlar.

Ark kolonunun kendisi elektriksel olarak nötr dür yani elektron ve pozitif iyon sayısı birbirine eşittir. Ancak elektron kütlesi iyonların kütlesine 1600 defa daha küçük olduğundan daha hareketli ve hızlıdır.

Sonuç olarak akım çogunlugu elektronlar vasıtasıyla taşınır. Gazın türüne göre ark sıcaklıgı değişir örn.. Demir buharı içeren ark kolonun sıcaklığı 6000K iken Argon içeren ark kolonunun sıcaklığı 10 000K-15 000Ki bulur Helyum içeren ark kolonu yaklaşık 13 000K -16 000K kadar yüksek sıcaklık verir. Bu yüzden Helyum ile yapılan kaynaklarda nüfuziyet daha fazladır.

Kaynak Metalurjisi

TIG eksi uçta (düz bağlama) kullanıldığı zaman Katod noktası Tungsten elektro üzeride oluşur ve termoiyonik bir olaydır.

Elektrod katod noktasında sıcaklık elektronların Anod noktasına veyahutta metal yüzeyine atlaması için yeterlidir. Akım yoğunluğu katod bölgesinde tipik olarak 108-109A/m2 dir ve statik ve kararlıdır.

Normal ergimeli kaynak elektrodlarında termoiyonik olmayan bir davranış vardir ve metallerin çogu elektronların hareketi için gerekli olan(aktivasyon) sıcaklığının çok altında buharlaşırlar.

Kaynak Metalurjisi

Kaynak bölgesindeki metal transferi Ar koruyucu gaz içeren 1-1.2 mm tel ile yapılan kaynakta oldukca düşük akımlarda (50-170A) kaynak geçiş türü büyük damlalar halindedir. Ancak akım arttıkca damlalar sistematik olarak azalır ve buda elektrod etrafında aktif olan elektromagnetik kuvvetlerin damla oluşturulmasında etkin oldugunu göstermektedir.

Akım kritik noktaya ulaştığında metal transferi çizgi halinden spiral hale geçer. Yüksek akım değerlerinde (400-500A) veya dogrusal magnetik alan içerisinde çizgisel transfer bastırılır ve elektrod ucunda oluşan metal damlaları yüksek frekansta transfer edilir.

Kaynak Metalurjisi

Spray transfer Al için 130 A üzerinde metal damlaları çok ince damlacıklar halinde elektrodla aynı dogrultuda olacak şekilde iletilirler. Bu Amper değeri çelik için 200-220Adir.

Kısa devre transfer de ark voltajı düşük tutulurak elektrod kaynak havuzu içerisine dalar ve üzerinden geçen yüksek akım elektrodun ergimesine sebep olur ve elektromagnetik kuvvetler ve yüzey gerilim kuvvetleri ile ergimiş metal transferi kaynak havuzuna saglanır. CO2 kaynagında bu tür transfer görülür ancak damla davranışı önce yukarı doğru daha sonrada kaynak havuzuna girer.

Diğer bir transfer türüde düşük akım ve periyodik akım kullanarak spray transfer gerçekleştirilir. Düşük akım kullanarak yapıldığı için Al vb metallerin kaynagında daha ekonomik ve kontrolu kolaydır.

Kaynak Metalurjisi Kaynak metalinde transfer sınıflandırılması (IIW)

Transfer tipi Kaynak türü

Serbest taşınım

Kütlesel Damlasal Düşük akım MIG MAG

İtimli C O2 MIG MAG

Sprey Projeksiyon Orta akım MIG MAG

Düzgün akışlı Orta akım MIG MAG

Spiral Yüksek akım MIG MAG

Genleşen(patlayan)

Örtülü elektrodlar

Köprü tipi taşınım Kısa ark mesafeli MIG MAG ve örtülü elektrodlar, ilave telli kaynak

Curuf korumalı taşınım Tozaltı, örtülü elektrod

Kaynak Metalurjisi

Kaynak havuz sıcaklığı: statik tip kaynaklarda ısı iletimi kondüksiyon(temaslı) ile sağlanır ancak kaynak metali transferi sırasında konveksiyonla ısı yayınımı gerçekleşir. Kaynak havuzu boyunca ısı gradyanı ortaya çıkacak ve ısıl değerler kaynak havuzunun kenarına yaklaştıkca homojen olarak düşecektir(ısotropik) eger ısı dağılımı anisotropik ise (normalde bu haldedir) kaynak havuz şekli kaynak havuzunun arkasından gelen sıvı metalden dolayı değişir ve uzar. Isıl çevrim buna göre değişir.

Kaynak havuzunun sıcaklığı bazı araştırmacılar tarafından Al için örn 1600°C bulunmuştur. Çelik içinse bu sıcaklık 1650°C ile 1800°C arasında oldugu ve hatta 2400°C lik sıcaklıkta rapor edilmiştir. Yüksek enerjili kaynak havuzunda orta bölgedeki sıcaklık buharlaşma sıcaklığına ulaşır.

Kaynak Metalurjisi

Kaynak Metalurjisi

Isı kaynagının türüne göre (noktasal çizgisel ve alansal) değişik hesaplamalar vardır. Noktasal kaynak türleri (Örtülü elektrod, MIG,TIG), çizgisel ısı kaynakları (Laser ve Işın) ve alansal ile elektrod üzerindeki dağılımı verir. Bizim için noktasal ve çizgisel önemlidir.

Kaynak Metalurjisi

Kaynakta ısı transferi iki veya üç boyutlu (kaynaklanan plakanın kalınlığına baglı) olarak hesaplanır.

Kaynak Metalurjisi

Al için kaynak havuz sıcaklığı ile kaynak hızının karşılaştırılması a)MIG ve b)TIG

Kaynak Metalurjisi

Üç boyutlu soguma hızı denklemine göre yapılan modellemede kaynak havuzu kenarında soguma hızı kaynak hız arttıkca artmaktadır. Kaynak havuz büyüklüğü dikkate alındıgında daha küçük boyuta sahip olan kaynak havuzunda aynı bölgedeki soguma hızı küçük olanlarda büyük kaynak havuzuna göre daha hızlı soguma hız beklenir. Bu nedenle yüksek soguma hızlarında yapılan kaynaklar çatlamaya müsaittir ve en tehlikeli bölge hızlı katılaşmaya cevap veremeyen kaynak orta bölgesidir. Yandaki grafikte P noktasındaki soguma hızının kaynak hızına olan baglantısı verilmektedir. Isı kaynagından P noktasına kadar olan mesafe arttıkca (kaynak akımı ile değiştirilebilir) soguma hızı düşmektedir.

Kaynak Metalurjisi Kaynak Isıl Çevriminin Metalurjik Etkileri

Kaynak sırasında oluşan kaynak havuzunda birden fazla reaksiyon oluşur: ilk olarak elektrod ucunda oluşmuş sıvı damlasının içinde, ikinci olarak elektrodan kaynak havuzuna transferi sırasında ve üçüncü olarakta kaynak havuzu içersinde.

Bu reaksiyonlar şunları içerir: sıvı metal içerisinde çözünen gazın- 1) gaz metal reaksiyonu ile veya sıvı içerisinde çözünmüş halde bulunan elementlerle reaksiyona girmesi 2) sıvı metal içerisinde gaz oluşumu ve 3) curuf veya toz ile reaksiyon.

Genellikle Ar veya He dışındaki gazların kaynak mekanik özelliklerine kötü etkisi olmaktadır. Curuf metal reaksiyonu kaynak sırasında oluşur ve kaynağın kimyasal dengesi açısından oldukça önemlidir.

Kaynak Metalurjisi

Gaz metal dengesi Ergitmeli kaynak yöntemlerinde kaynak havuzunda bulunan veya

damla ahlindeki sıvı metal ile gaz halinde bulunan atmosfer arasındaki termodinamik reaksiyon hiçbir zaman sağlanamaz. Bununla birlikte kaynak havuzunda çözünen gaz miktarı denge çözünürlük kurallarına uyar (Standard çözünürlük egrileri kastedilmektedir).

Ark kaynagında koruyucu olarak kullanılan gazlar Ar, He, H, su buharı, CO ve CO2 dir. O kaynagında kararlı olması sağladıgı az miktarda kullanılır (kasten eklenmedigi durumda kaynakta H2O, CO veya CO2 nin ayrışması ile ortaya çıkar) ve N ise bakırın TIG kaynagında kullanılır.

Kaynak Metalurjisi Hidrojen: diatomik gazların denge çözünürlüğü sievert kanunu

tarafından tarif edilir. s çözünürlük, Pg ise kısmi gaz basıncı ve A ise bir sabittir.

Dolayısıyla denge reaksiyonu ise D çözünmüş oldugunu ifade eder.

Karşılık gelen K reaksiyon denge sabitesi (K) ise dir. Burada ag çözünmüş gazın aktivitesini ifade eder ve

fg aktivite sabitidir. Seyrek çözeltiler için fg = 1 dir. Bu durumda olur. Denge reaksiyon sabitesi ise

şeklini alır. Burada AG karışım serbest enerjisi olarak ifade edilir ve R ise gaz sabitidir. T Kelvin cinsinden sıcaklık olarak yazılır.

Genel olarak AG sıcaklığın bir fonksiyonudur buda şu şekilde ifade edilir B ve C sabitlerdir. Bu denklem daha sonra standard ifade şekline getirmek için logaritması alınır (e den kurtarmak için). Örn H nin Al içindeki çözünürlüğü (ml/100g) olarak formüllendirilir.

Kaynak Metalurjisi

Çözünürlük değerleri maksimum yaptıktan sonra sıfıra geri döner bu nokta o elementin maksimum H çözme kapasitesinin ifade eder. Bu eğrilere göre en fazla H çözen element Ni olmaktadır ve en az çözen ise Cu dur. Oda sıcaklığı dikkate alınırsa Ni yine en fazla H çözen element olmaktadır ancak oda sıcaklığında Al ise H çözmez.

Kaynak Metalurjisi

Oksijen: O ekzothermik reaksiyonla Fe ile bileşik yapar ve FeO ortaya çıkar. Ve sıvı demir içerisindeki çözünürlüğü FeO(s)=Fe(s)+[O]D ile ifade edilir. Ve reaksiyon denge sabiti ise K=[O]D/aFeO=exp(-1.455x104/T+2.943) ile yazılır. aFeO

oksitin sıvı demir içerisindeki aktivitesidir ve 1 alınabilir. Sıcaklık düştükce FeO reaksiyonu sola dogru kayar ve eger O miktarı verilen sıcaklık için denge degerine eşitse sıcaklıktaki düşüş FeO çökelmesine sebep olacaktır.

Kaynak Metalurjisi

Azot: Sıvı demir ergime noktasında yaklaşık olarak %0.044 oranında N çözer bu yaklaşık 70ml/100g a denk gelmektedir. N un Ni içerisindeki çözünürlüğü ise yaklaşık olarak 1600C de %0.0018 dir. Cu da aynı şekilde çok az N çözer(1400C den aşagı sıcaklıklarda). Ancak ark kaynagında N bu iki metaldede çözünür. N Al içerisinde ekzotermik reaksiyonla çözünür ve AlN yapar.

Kaynak Metalurjisi

Ellingham egrileri: oksitlerin oluşum serbest enerji egrileri

Kaynak Metalurjisi

Deoksidasyon: Sıvı Fe içerisinde bulunan O aktivitesi diger alaşım elementlerinin varlığına göre değişir. Deoksidantlar (Mn, Si ve Ti) sıvı demir içerisinde normal koşullar altında O nin çözünürlüğünü artırırlar. Ancak deoksidasyon sırasında bu gerçekleşmez çünkü katılaşma bu reaksiyonun tamamlanmasını engeller. Özellikle çelik yapımı sırasında deoksidantlar çeligin dökümünden hemen önce ilave edilir.

Kaynak Metalurjisi

Kaynakta gaz metal reaksiyonları: Arksız kaynak yöntemlerinde kaynak havuzunda absorbe edilen(emilen) gaz miktarı oldukca azdır. Örn oksi-asetilenle yapılmış bir kaynaktaki H miktarı 2-3 ml/100g iken bu değer ark kaynagında oldukca yüksektir.

Kaynak Metalurjisi