kaynak

, metalürjide, metal malzemelerin, çoğunlukla ısı uygulanarak birleştirilmesi tekniği. Kaynak, demire biçim kazandırma çabaları sırasında bulundu. Ortaçağda kaynaklanmış kılıçlar geliştirildi; bunların en ünlüleri, Suriye’de Şam’da üretilenlerdi. Bu dönemde demirin karbürlenmesi yoluyla sert çelik üretim tekniği biliniyordu, ama elde edilen çelik son derece gevrekti. Görece yumuşak ve sağlam demir levhaların, aralarında yüksek karbonlu malzeme konarak çekiçle dövülmesiyle gerçekleştirilen ilk kaynak işlemi sayesinde dayanıklı ve tok kılıçların üretilmesi olanaklı duruma geldi.
Daha sonraları demir üretim tekniklerinin gelişmesiyle, özellikle de dökme demirin ortaya çıkmasıyla kaynak işlemini yalnızca demirciler ve kuyumcular kullanır oldu. Köprü ve demiryolu donanımlarından mutfak aletlerine kadar pek çok yeni ürünün yapımında, cıvatalarla bağlama ya da perçinleme gibi öteki birleştirme yöntemlerinden yararlanılmaya başladı.
Modern eritme kaynağı işlemleri, büyük çelik levhalarda kesintisiz birleştirme elde etmeye yönelik çalışmaların sonucunda geliştirildi. Özellikle buhar kazanlarının yapımı gibi çeşitli uygulamalarda perçin tekniği yetersiz kalıyordu. 19. yüzyılın sonlarına doğru gaz kaynağı, ark kaynağı ve direnç kaynağı yöntemleri geliştirildi. Kaynak işleminin sanayi çapında kullanılmasına yönelik ilk girişimler I. Dünya Savaşı sırasında başladı. 1916’da oksiasetilen kaynağı tekniği yaygın olarak kullanılır oldu. O dönemde uygulanan tekniklerden günümüzde de yararlanılmaktadır; sonraları kaynakçılık alanındaki başlıca gelişmeler daha çok güvenliğe ve kullanılan aygıtlara ilişkin oldu. Eriyen bir elektrotla gerçekleştirilen ark kaynağı da bu dönemde ortaya çıktı, ama başlangıçta kullanılan çıplak tel elektrotlarla yapılan kaynaklar son derece gevrek oluyordu. Sonunda çıplak telin asbestle ya da örülmüş aluminyum tellerle sarılmasıyla bu sorun çözümlendi. 1907’de geliştirilen modern elektrot, çıplak bir telin ya da çubuğun çeşitli minerallerden ve metallerden oluşan bir kılıfla kaplanmasıyla elde edilir. II. Dünya Savaşı’ndan sonra gemi, enerji santrallan ve ulaşım araçları yapımının ve imalat sanayisinin gelişmesiyle birlikte, ark kaynağı tekniği de hızla yaygınlaştı.
Sacların nokta ya da dikiş kaynağıyla birleştirilmesinde, ark kaynağından önce 1877’de Elihu Thomson tarafından geliştirilen direnç kaynağından yararlanılırdı. Zincir yapımında ve çubukların birleştirilmesinde kullanılan alın kaynağı ise 1920’lerde geliştirildi. 1940’larda, erimeyen bir tungsten elektrot ile helyum ya da argon gazından yararlanılan tungsten-eylemsiz gaz (TIG) kaynağı tekniği geliştirildi. 1948’de kaynak işlemi sırasında eriyen bir tel elektrotla gerçekleştirilen yeni bir gaz örtülü kaynak tekniği bulundu. Daha yakın zamanlarda ise elektron demeti kaynağı, laser kaynağı ve yayınım (difüzyon) kaynağı ile katı fazda gerçekleştirilen sürtünme kaynağı ve sesötesi kaynağı gibi çeşitli kaynak yöntemleri geliştirildi.
Kaynağın temel ilkeleri. Kaynak, belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılan metal malzemelerin
kaynak 108
kaynaşmasıdır; işlem sırasında basınç ve dolgu maddeleri de uygulanabilir. Eritme kaynağında bir ısı üreticisinin yardımıyla metalin kaynaklanacak bölgesi eritilerek, eriyik halde kalması sağlanır. Isı, elektrikle ya da gaz aleviyle elde edilebilir. Elektrikli direnç kaynağı sırasında bir oranda metal eriyiği oluşturulduğundan, bu kaynak yöntemi de eritme kaynağı olarak düşünülebilir.
Katı fazda gerçekleştirilen kaynaklarda, malzeme eritilmeden ve dolgu maddesi kullanılmadan kaynaklanır. Bu teknikte her zaman basınç ve çoğu zaman bir oranda ısı uygulanır. Sesüstü kaynağı ile sürtünme kaynağında, sürtünmeye bağlı olarak ısı ortaya çıkar; ama yayınım kaynağında gerekli ısıyı elde etmek için malzemenin ocakta ısıtılması gerekir.
Kaynakta kullanılan elektrik arkı, yüksek akımlı (10-2.000 amper) ve düşük gerilimlidir (10-50 volt). Elektrik arkı, elektron salan bir akımı iletecek bir gaz plazması ve elektron bombardımanı altında katota oranla daha çok ısınan bir anotun yardımıyla oluşturulur. Bu nedenle eğer elektrot eriyen tiptense artı uç, erimeyen tiptense eksi uç olarak uygulanır. Ark kaynağında çoğunlukla doğru akımdan yararlanılır. Bütün kaynak işlemlerinde toplam enerji girdisi, birleşmeyi gerçekleştirmek için gerekli olandan daha fazladır, çünkü üretilen tüm ısı etkin biçimde kullanılamaz. Uygulanan kaynak yöntemine bağlı olarak, verimlilik yüzde 60-90 arasında değişir; ama bazı özel işlemlerde bu değerlerden çok uzakla-şılabilir. Isıl iletim yoluyla ana (baz) metal boyunca ve ısıl ışınım yoluyla çevreye ısı kaybı olur.
Metallerin çoğu, ısıtılınca atmosferle ya da çevredeki öteki metallerle tepkimeye girer. Bu tepkimeler kaynağa zarar verebilir. Örneğin çoğu metal eriyik haldeyken kolayca yükseltgenebilir. Öte yandan oksit katmanı, metalin yeterince sağlam biçimde birleşmesini engelleyebilir. Oksitle kaplanmış eriyik metal damlacıkları kaynak bölgesi içinde sıkışabilir ve bağlantının gevrek olmasına yol açar. Çeşitli özel amaçlar için eklenen bazı değerli malzemeler havayla çok çabuk tepkimeye girebilir ve bu nedenle dolgu maddesi başlangıçtaki bileşimini yitirebilir. Bu sorunların çözümü için eylemsiz gaz ortamlarından ve eriticilerden yararlanılır.
Eritme kaynağında eritici, metalin denetimli bir biçimde tepkimeye girmesini sağlar ve koruyucu bir örtü oluşturarak eriyik metalin yükseltgenmesini önler. Etkin eriticiler kaynak işlemine yardımcı olabilir; bazı eriticiler ise eylemsizdir ve yalnızca işlem sırasında yüzeyi örterek korur.
Tepkimeye girmeyen eylemsiz gaz ortamlar da eriticiler gibi koruyucu işlev görür. Gaz örtülü metal ark ve gaz örtülü tungsten ark kaynaklarında, eylemsiz gaz (çoğunlukla argon) hamlacın çevresindeki halka biçimindeki bir açıklıktan sürekli olarak püskürtülür ve böylece arkın çevresindeki hava uzaklaştırılır. Koruyucu gaz, metalle kimyasal tepkimeye girmez, ama bir örtü oluşturarak metalin havadaki oksijenle temas etmesini önler.
Ne kadar küçük ve bölgesel olursa olsun bir kaynak banyosu, küçük ölçekli bir metal fırını banyosu olarak düşünülebilir; bu nedenle banyoda yer alan metalurjik süreçlerin bilinmesi büyük önem taşır. Kaynak yöntemiyle elde edilen bir birleşmenin tüm özellikleri, ark kaynağında görülebilir. Ark
kaynağı uygulanması sırasında metalin üzerinde üç bölge oluşur: 1) Kaynak metali ya da erime bölgesi, 2) ısıdan etkilenen bölge,
3) ısıdan etkilenmeyen bölge. Kaynak metali, malzemenin kaynak sırasında eriyen bölümüdür. Isıdan etkilenen bölge, kaynak metaline komşu, kaynak sırasında erimeyen ama malzemeye uygulanan ısının etkisiyle mikroyapısında ya da mekanik özelliklerinde bazı değişiklikler oluşan kesimdir. Isıdan etkilenmeyen bölge ise, malzemenin, özelliklerinde herhangi bir değişime yol açacak kadar ısınmayan bölgesidir.
Kaynak-metal bileşimi ve bu bileşimin katılaşma koşulları, kaynağın yapısal özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Ark kaynağında kaynak metali, dolgu maddesi ile erimiş asıl metalden oluşur. Ark geçince kaynak metali hızla soğur. Tek pasolu (geçişli) uygulamalarda kaynak bölgesi, banyonun çevresinden merkezine doğru yönelen sütunsu taneler (gren) halinde katılaşır. Çok pasolu kaynaklarda ise bu yapı işlenen malzemenin özelliklerine göre bi-çimlendirilebilir.
Kaynak metaline komşu olan ısıdan etkilenen bölgede, bir dizi sıcaklık çevrimi oluşur; malzemenin bu bölgesinde, uygulanan en yüksek sıcaklığa, bu uygulamanın süresine ve soğuma hızlarına bağlı olarak çeşitli yapısal değişiklikler ortaya çıkar. Kaynak uygulanabilecek çok sayıda ana metal vardır; bunlar başlıca üç gruba ayrılır: 1) Kaynak ısısından etkilenmeyen malzemeler, 2) yapısal değişiklikler sonucunda sertleşen malzemeler, 3) çökeltme işlemiyle sertleşen malzemeler.
Kaynak işlemi, malzemelerde gerilimlere yol açar. Bu kuvvetler, kaynak metalinin büzülmesi ve ısıdan etkilenen bölgenin önce genleşmesi sonra da büzülmesi sonucunda doğar. Isıdan etkilenmeyen bölüm, malzemenin serbestçe genleşmesini ya da büzülmesini sınırlar ve bunun sonucunda, soğuma sırasında büzülme sürdükçe, kaynak bölgesinde gerilimler oluşur. Artık gerilim denen bu gerilimlerin sonradan çeşitli ısıl işlemlerle yok edilmesi gerekebilir. Ama bütün kaynaklarda artık gerilimlerin yok edilmesi olanaklı değildir ve eğer bu kuvvetler denetlenemezse, malzemede biçim bozuklukları (distorsiyon) ortaya çıkabilir. Bu tür olumsuzlukların önlenmesi için, çeşitli kaynak yapma tekniklerinden, men-genlerden ve fikstür denen özel kalıplardan ve daha sonra uygulanan ısıl işlemlerden yararlanılır.
Sıcak dövme kaynağı. Bu teknik, demirin ilk kullanıldığı zamanlardan kalma bir eritme kaynağı yöntemidir. Teknikten önceleri, küçük demir parçalarının birleştirilmesiyle daha büyük ve kullanışlı parçalar elde etmek amacıyla yararlanıldı. Birleştirilecek parçalar önce biçimlendirilir, sonra ocakta kaynak sıcaklığına kadar ısıtılır ve son olarak da dövülerek ya da sıkıştırılarak birleştirilirdi. Örneğin Şam kılıçlan dökme demir çubukların dövülerek ince uzun yaprak haline getirilmesi ve daha sonra ikiye katlanarak gene sıcak halde dövülerek kaynatılması yoluyla hazırlanırdı. Bu işlem ne kadar çok tekrarlanırsa, elde edilen kılıç da o kadar tok oluyordu. Ortaçağda toplar, birçok demir şeridin birbirine bu yöntemle kaynaklanmasıyla yapılırdı; arbaletlerin attığı çelik uçlu oklar da bu teknikle üretilirdi. Sıcak dövme kaynağı, demircilere özgü bir teknik olarak kaldı; günümüzde ise yalnızca bazı yerlerde zincir yapımında kullanılmak-tadn-.
Ark kaynağı. Örtülü metal ark kaynağı (bak. çizim 1) günümüzde en yaygın kullanılan yöntemdir. Bu yöntemde, metal bir elektrot ile işlenen parça arasında bir elek-
trik arkı oluşturulur. Elektrot eriyerek metal damlaları halinde kaynak yerini doldurur. Ark kaynağı takımı, elektrota gerekli akımı sağlayan bir kaynak makinesi; elektrot besleme kablosuyla kaynak makinesine
I —. kaynak kablosu
/7y_ ampermetre elektrot
T alternatif ya da \ t V’doğru akım \ ¿JT I kaynağı \ Y kıM * \ kaynak \ yönü
T (uV-” voltmetre | •231 dolgu teli
1 T ark T alevi | topra* koruyucu * Jföyr atmosfer \o X / katılaşmış; ‘ cüruf * ‘

sıvı kaynak metali
Çizim 1: Çubuk elektrotlu ark kaynağı; yıldızlın birimler bazı ark kaynaklarında bulunmaz
bağlı olan ve elektrotu tutan elektrot pensi; kaynak makinesine bir toprak kablosuyla bağlı olan (yani devreyi tamamlayan) ve kaynak parçalarına ya da bu parçalara üzerine yerleştirildiği metal kaynak masasına tutturulmuş topraklama pensinden oluşur.
Gaz örtülü ya da gazaltı ark kaynağında, argon ya da helyum gibi eylemsiz bir gaz örtüsünün yardımıyla, elektrik arkının havayla teması önlenir; eylemsiz gaz örtülü metal ark (MIG) kaynağı denen bu teknikle kaynağa daha bol dolgu malzemesinin aktarılması ve işlemin otomatikleşmesi sağlanabilir. Yüksek alaşımlı levha malzemelerin gazaltı kaynağında daha çok tungsten elektrotlar kullanılır. Doğru ya da alternatif akım kullanılan tüm ark kaynaklarında işlem sırasında malzemeye sıcak ya da soğuk halde dolgu maddesi eklenir. Çelik malzemelerin gazaltı kaynağında genellikle eriyen elektrotlardan ve karbon dioksit gaz örtüsünden yararlanılır; bu işleme aktif gaz örtülü metal ark (MAG) kaynağı denir. Elektrik arkı çoğunlukla kısa devre yoluyla elde edilir.
Tozaltı kaynağı gazaltı kaynağına çok benzer, yalnızca gaz yerine, ince mineral parçacıklarından oluşan eriticilerden (kaynak tozu) yararlanılır. Bu malzeme elektrotu örttüğü için ark görülmez.
Plazma kaynağı, ısı kaynağı olarak sıcak plazmadan yararlanılan bir ark kaynağı türüdür. Bu yöntem de bir bakıma eylemsiz gaz örtülü tungsten ark (TIG) kaynağına benzer, ama temel olarak enerjinin daha etkin olarak yoğunlaştırılmasını olanaklı kılar, daha kararlı bir ark oluşturur ve daha kolay bir işleme denetimi sağlar. Plazma kaynaklarının çoğunda, iyonlaşmış bir gaz akışının oluşturulması ve ana arkın başlatılması amacıyla ikincil bir arktan yararlanılır. Bu ikincil ark, yüksek frekanslı bir akımla ya da bir kısa devreyle başlatılabilir. Bu işlemde küçük bir ağza yüksek enerji yüklendiğinden, suyla soğutma uygulanır (bak. çizim 2). Plazma kaynağı, otomatik sanayi uygulamalarına son derece elverişlidir.
Termokimyasal süreçler. Gaz kaynağı, ter-mokimyasal bir yöntemdir. Bir zamanlar metal ark kaynağı kadar yaygın olmakla birlikte günümüzde hemen hemen yalnızca sacların kaynaklanmasında ve sanat ürünlerinin yapımında kullanılır. Gaz kaynağı temel olarak eritmeli bir işlemdir; oksijen içinde asetilen yakılmasıyla ısı, bu yolla da son derece yoğun ve keskin, denetlenebilir alev elde edilir. Kaynak yerine, soğuk tel halinde dolgu metali eklenir. Ana metalin yükseltgenmesini önlemek için genellikle
nötr ya da indirgeyici bir alev, kimi zaman da ek olarak eriticiler kullanılır. Çalışma hızı düşük olmakla birlikte, ustaca uygulandığında bu teknikle çok iyi kaynaklar elde edilebilir.
Bir başka termokimyasal işlem de alu-minotermik kaynaktır. Daha çok demirli metal malzemelerin kaynağında kullanıl-
makla birlikte, kimi zaman demirdışı malzemelere de uygulanır. Bu yöntemde, ince öğütülmüş demir oksit ve aluminyum tozu yakılarak malzeme 2.760°C’ye kadar ısıtılır ve aşmışınmış bir metal banyosu elde edilir. Parçanın boyutu ne olursa olsun tepkime 30 saniye ile 2 dakika arasında bir sürede tamamlanır. Bu yöntemden daire ya da dikdörtgen enkesitli büyük parçaların birleştirilmesinde yararlanılır. Sıvı metalin akmasını önlemek için kalıplar kullanılır.
Direnç kaynağı. Başlıca direnç kaynağı tipleri, nokta ve dikiş kaynağı ile kabartılı kaynaktır. Kaynak için gerekli ısı birleşmenin gerçekleştirileceği arayüzeyde, malzemenin elektriksel direnciyle sağlanır. Düşük gerilimli ve yüksek akımlı bir güç kaynağından sağlanan akım, kaynaklanacak parçalara tutturulmuş iki elektrota beslenir, bu arada elektrotlarla malzemeye sürekli kuvvet uygulanır. İşlem oldukça kısa (0,2 sn) sürelidir. Nokta kaynağı, kaynaklanacak kenarlan üst üste bindirilmiş levhalara düzenli aralıklarla uygulanır. Birleştirmenin sağlamlığı, kaynakların boyutuna ve sayısına bağlıdır. Dikiş kaynağı ise kesintisiz bir işlemdir; bu yöntemle elektrik akımı sürekli darbeler halinde verilir ve atılan nokta kaynaklan üst üste binerek bir dikiş oluşturur. Bu yöntemden özellikle kapalı kaplann kaynaklanmasında ve nokta kaynağının yetersiz kaldığı durumlarda yararlanılır. Kabartılı kaynakta, birleştirilecek parçalardan birinin üzerinde, nokta kaynağının yapılacağı bölgelerde, dövme ya da presleme yoluyla kabartılar oluşturulur. Malzeme direnç makinesine bağlandığında bu kabartılar eriyerek kaynak yerini doldurur. Bu işlem sayesinde, önceden belirlenmiş sayıda noktanın aynı anda kaynaklanması sağlanır. Tüm direnç kaynağı yöntemleri, hızlı üretime ve sürekli kalite kontrolüne olanak sağlar. Modern direnç kaynağı aygıtlarında, bozuk kaynakların otomatik olarak düzeltilmesini sağlayan bir geri beslemeli (feed-back) denetim sistemi vardır.
Kıvılcımlama kaynağı ya da yakma alın kaynağı denen yöntem de bir direnç kaynağı tipidir. Bu yöntemde kaynaklanacak parçalar, çenelerin yardımıyla birbirine yak-laştınhr ve belirli noktalarda kıvılcımlama ya da elektrik arkı yaratılır. Kıvılcımlama ya da ark oluşturma işlemi, kaynak bölgesi yeterince ısınana kadar tekrarlanır; ardın-
dan parçalar birbirine bastırılır ve kaynak soğuyana kadar bu durumda bekletilir. Düşük ya da yüksek frekans direnç kaynağı özellikle boru yapımında kullanılır. Uzun metal şerit önce kıvrılarak biçimlendirilir ve ardından iki yakası boylamasına içeriden kaynaklanır. Kaynak ısısı, işlenen malzeme boyunca verilen akımla ve borunun merdanelerden geçiş hızıyla denetlenir. Bu yöntemle dakikada 60 m’lik bir kaynak hızına ulaşmak olanaklıdır.
Elektron demeti kaynağı. Bu yöntemde malzeme yüksek hızlı elektronlardan oluşan yoğun bir parçacık demetiyle bombardıman edilir. Bu elektronların kinetik enerjisi çarpma etkisiyle ısı enerjisine dönüştürülür. Elektron demeti bir odaklama aygıtıyla hedeflenir; elektronlann serbestçe yol alabilmesi için de malzeme çoğunlukla vakum bir ortama yerleştirilir. Oluşan ısı o denli yoğundur ki, ışın demeti düştüğü yeri bir anda buharlaştırarak kaynak noktasında bir delik açar. 150 kilovolta kadar çıkabilen çok yüksek gerilimler uygulanarak, son derece dar ve derin işlemeli kaynaklar elde edilebilir. Kaynaklanacak parçalar, otomatik bir aygıtla duyarlı bir biçimde bir araya getirilir; Örneğin 13 mm kalınlığındaki bir malzeme üzerine yapılacak kaynağın genişliği en fazla 1 mm olabilir. Bu yöntemle dakikada 125-250 cm’lik kaynak hızlarına ulaşılabilir.
Soğuk kaynak. Malzemelerin ısı kullanılmaksızın preslenerek birleştirilmesine soğuk kaynak denir. Bu teknikte birleştirilecek parçaların yüzeylerinin iyi hazırlanmış olması ve (malzemeye göre değişmekle birlikte) bağlantı yerine yüzde 35 ile yüzde 90 arasında bir biçim değişikliğine (defor-masyon) yol açacak bir basınç uygulanması gerekir. Sacların bindirmeli kaynağı ile tellerin soğuk alın kaynağı, bu tekniğin başlıca uygulamalandır. Gerekli basınç zımba presleri, döner mesnetler ya da pnöma-tik aygıtlarla uygulanabilir. Aluminyum parçaların kaynağında, birleşmenin gerçekleşebilmesi için santimetre kareye 14-28 ton arasında basınç uygulanması gerekir; öteki metallerin hemen hepsi daha yüksek basınçlara gereksinim duyar.
Sürtünme kaynağı. Patentinin 1891’de alınmış olmasına karşın sürtünme kaynağı ancak 1960’larda yaygınlaştı. Bu yöntemde parçalar, biri sabit öteki hızla döner halde birbirine bastınlır. Arayüzeyde sürtünmeden doğan ısı malzemeyi plastik hale getirinceye kadar dönme işlemi sürdürülür daha sonra durdurularak parçalar iyice sıkıştınhr ve birleştirme sağlanır. Sağlam bir kaynak, malzemenin plastik biçim değişimine yol açar; bu nedenle sürtünme kaynağı bir tür basınç kaynağı olarak kabul edilebilir. Sürtünme kaynağı, özdenetimli bir işlemdir; birleşme yerinde sıcaklığın artması sürtünme katsayısını düşürür, bu nedenle de aşınısınma oluşmaz. Sürtünme kaynağı makinesi torna tezgâhına benzer. Hız, kuvvet ve zaman işlemin başlıca değişkenleridir. Otomobil sanayisinde dingil (aks) kovanlannın üretiminde bu yöntemden yararlanılır.