Kaynak (imalat)

Kaynak, iki veya daha fazla malzemenin birbiri ile ısı ve/veya basınç kullanarak kaynaştırıldığı (birleştirildiği) bir imalat yöntemidir, genellikle metal veya plastik malzemeler üzerinde kullanılır.
Bu yöntemde genellikle çalışma parçalarının kaynak yapılacak kısmı eritilir ve bu kısma dolgu malzemesi eklenir, daha sonra ek yeri soğutularak sertleşmesi sağlanır, bazı hallerde ısı ile birleştirme işlemi basınç altında yapılır. Bu yöntem lehim ve sert lehim ile fark gösterir, lehim ve sert lehim yöntemlerinde birleştirme düşük erime noktalarında ve çalışma parçaları erimeden oluşur.
Kaynak için gaz alevi, elektrik arkı, lazer, elektron ışını, sürtünme, ultrases dalgaları gibi birçok farklı enerji kaynakları kullanılabilir. Endüstriyel işlemlerde, kaynak açık hava, su altı, uzay gibi birçok farklı ortamda gerçekleştirilebilir. Bununla beraber, yapıldığı yer neresi olursa olsun, kaynak çeşitli tehlikeler barındırır. Alev, elektrik çarpması, zehirli dumanlar ve ultraviyole ışınlara karşı önlem almak gereklidir.
19. yüzyılın sonuna dek, sadece demircilerin kullandığı ısıtma ve dövme yolu ile metallerin birleştirildiği kaynak yöntemi biliniyordu. Elektrik ark kaynağı ve oksi-gaz kaynağı yüzyılın sonunda gelişen ilk yöntemlerdir, bunları direnç kaynağı izlemiştir. Kaynak teknolojisi 20. yüzyılın erken dönemleri esnasında (I. Dünya Savaşı ve II. Dünya Savaşı sonralarında) artan talebi karşılayabilmek için hızla gelişerek güvenilir ve ucuz yöntemler arasına katılmıştır. Savaşların ardından, manuel metotlar (manuel metal ark kaynağı), yarı-otomatik ve otomatik yöntemleri (gazaltı metal ark kaynağı vb.), içeren çeşitli modern kaynak teknikleri gelişmiştir. Gelişmeler, yüzyılın ikinci yarısında da lazer ışın kaynağı ve elektron ışın kaynağının bulunması ile devam etmiştir. Halen bilim, gelişimi devam ettirmektedir. Robot kaynağı, endüstride yaygın bir yer edinmiştir, yeni kaynak metotları ve kaynak kalite ve özelliklerinin geliştirilmesi, maliyetlerin düşürülmesi için araştırma ve geliştirme çabaları devam etmektedir.
Kaynak yöntemleri
Elektrik ark kaynağı
Bu yöntemde kaynak yapmak için, kaynak elektrodu (dolgu metali) ve ana malzeme arasında bir güç kaynağı kullanılarak elektrik arkı yaratılır. Bu yöntemde doğru (DC) veya alternatif (AC) akım çeşitlerinin her ikisi de kullanılabilir. Bu yöntemde kaynak yapılan bölge bazı durumlarda, koruma gazı olarak da bilinen bir gaz ile korunarak elektrik ark kaynağı yapılır.
Gazaltı ark kaynağı
Kaynak yerinin bir gaz atmosferiyle korunması sonucu yapılan ark kaynağına gazaltı ya da koruyucu gaz kaynağı adı verilir. Başlıca türleri MIG-MAG ve WIG (TIG) gazaltı ark kaynak teknikleridir. Bu kaynak türünde koruyucu gaz olarak Argon ve Helyum gibi soy gazlar kullanan MIG (İngilizce; Metal Inert Gas) kaynak tekniği ile koruyucu gaz olarak aktif bir gaz olan karbondioksit kullanan MAG (İngilizce; Metal Active Gas) teknikleri en yoğun olarak kullanılır. Diğerlerine göre nispeten daha az kullanılan WIG tekniğinin diğerlerinden farkı erimeyen Wolfram (Tungsten) elektrot kullanılmasıdır.
Oksi-Asetilen kaynağı
Bu yöntemin en genel kullanım şekli oksi-gaz kaynağıdır (oksi-asetilen kaynağı olarak da bilinir). En eski ve çok yönlü kaynak yöntemlerinden biridir, fakat son yıllarda endüstriyel uygulamalardaki popülerliği azalmıştır. Hala yaygın olarak, boru ve kanal kaynağında ve tamir işlerinde kullanılmaktadır. Ekipmanı ucuz ve basittir, genelde kaynak alevi (yaklaşık 3100C) oksijenle asetilenin yanması sonucu elde edilir. Alev, elektrik arkından daha az güçlü olduğundan, kaynak soğuması daha yavaş olur ve meydana gelen gerilme ve kaynak çarpılmalarının daha az olabilmesine imkan tanıyabilir, bu nedenle yüksek alaşım çeliklerinin kaynağının yapılması bu yöntemle daha kolaydır. Bu metot, metallerin kesilmesinde de kullanılır.
Diğer gaz kaynak metotları da, hava-asetilen kaynağı, oksijen-hidrojen kaynağı ve basınçlı gaz kaynağı gibi, oldukça benzerdir, sadece kullanılan gaz tipi değişir. Gaz kaynağı, plastik kaynağında da kullanılır.
Elektrik direnç kaynağı
Direnç kaynağı, metallerin üzerinden geçen akıma karşı gösterdiği dirençle ısı üretmesi esası ile iki veya daha fazla metal yüzey arasında yapılan kaynak yöntemidir. Metalden geçen yüksek akım (1000 - 100.000 A.) nedeni ile kaynak bölgesinde küçük bir eriyik metal havuzu oluşur. Genelde direnç kaynağı yöntemleri verimli ve az kirlilik yaratan yöntemlerdir, fakat uygulamaları sınırlı ve ekipmanları oldukça pahalıdır.
Enerji ışın kaynakları
Enerji ışın kaynak metotları, yani lazer ışın kaynağı ve elektron ışın kaynağı, oldukça yeni yöntemler olup, yüksek üretim gerektiren uygulamalarda tercih edilir. İki yöntem de oldukça benzerdir, farkları birinde yoğun foton demeti kullanılırken diğerinde ise elektron demeti kullanılır.
Katı hal kaynak yöntemleri
İlk bilinen kaynak yöntemi olan dövme yöntemi gibi, modern bazı kaynak yöntemleri de kaynak malzemesi erimeden gerçekleşir. Katı hal kaynak yöntemi malzemelerin ergime dereceleri altında, dışarıdan uygulanan basınç yardımı ile koruyucu atmosfer ortamında veya koruyucu atmosfer ortamı olmadan, birbirine temas eden aynı ya da farklı özellikli malzemelerin iki yüzey arasında bağ oluşturarak yapılan birleştirme yöntemleridir. En yaygın yöntemlerden biri olan ultrasonik kaynak, yüksek basınç ve yüksek frekans altında vibrasyon ile termoplastik veya metal malzemeden yapılmış kablo veya ince tabakaların birleştirilmesinde kullanılır. Ekipman ve yöntemler direnç kaynağı ile benzerdir. Burada elektrik akımının yerini, vibrasyon (titreşim) ile sağlanan enerji alır. Bu yöntemde kaynak metallerinin erimesi yoktur, onun yerine basınç altında yatay olarak uygulanan mekanik vibrasyon vardır.
Plastiklerin kaynağında ise, malzemeler erime sıcaklığına yakın sıcaklığa getirilmeli ve dikey olarak vibrasyon uygulanmalıdır. Ultrasonik kaynak, genelde elektrik bağlantıları için kullanılan alüminyum veya bakır malzemede ve polimerlerin kaynağında kullanılır.
Geometri
Kaynak yapılacak parçalar, çeşitli şekillerde kaynak işlemi için geometrik olarak hazırlanabilir. Beş temel kaynak ekleme tipi vardır; alın ekleme, bindirmeli ekleme, köşe ekleme, kaynak ağzı ile ekleme ve T-ekleme. Parçanın şekline göre farklı varyasyonlar da vardır; örneğin çift-V ekleme gibi. Tek-U ve çift-U şeklinde kaynak ağzı açılarak yapılan eklemeler de sıklıkla kullanılır ve V tipi kaynak ağızlarına benzerdir. Bindirmeli eklemeler genelde parça kalınlığına bağlı olarak kullanılır, bazı ince parçalarda bindirmeli ekleme yapmak zorunlu hale gelebilir.
Kaynak işleminin tam olarak gerçekleşmesi için, sıklıkla özel ekleme yöntemleri de kullanılmaktadır. Örneğin, direnç kaynağı, lazer ışın kaynağı ve elektron ışın kaynağında en iyi performansı bindirmeli ekleme verir. Bununla beraber, bazı kaynak yöntemleri, korumalı (gazaltı veya tozaltı) metal ark kaynakları gibi, çok yönlüdür ve tüm ekleme tipleri ile uygulanabilir. Ek olarak, bazı prosesler çok geçişli kaynak yöntemlerini (sonraki kaynak yapılırken, öncekinin soğumasına imkan tanıyan) kullanabilir. Bu yöntem, kalın kesitlerin kaynağında, tek-V kaynak ağzı eklemenin kullanımına izin verir.
Kaynak sonrası, kaynak bölgesinde farklı bölgeler oluşur. Kaynağın kendisi, erime bölgesi olarak adlandırılır, burada kaynak işlemi esnasında doldurulmuş dolgu metali vardır. Bu bölgenin özellikleri, birincil olarak kullanılan dolgu malzemesine ve ana malzeme ile olan uyumuna bağlıdır. Bu bölgenin hemen etrafında ısıdan etkilenmiş olan bölge vardır, bu bölgedeki mikroyapı ve özellikler kaynak işlemi ile değişmiştir. Bu özellikler ana malzemenin ısı altındaki davranışına bağlı olarak değişir. Bu bölgedeki metalin genelde hem ana metal hem de kaynak bölgesinden daha zayıf olduğu ve burada kalıcı malzeme gerilmeleri oluştuğu görülür.
Kalite
Genelde, kaynağın kalitesini ölçmek için kullanılan en büyük kriter, kaynağın ve çevresindeki malzemenin (mukavemeti) dayanımıdır. Bunu etkileyen birçok faktör vardır; kaynak metodu, ekleme yöntemi, ısı miktarı, ana malzeme ve dolgu malzemesi ve bunların arasındaki etkileşimler gibi.
Kaynağın kalitesini ölçmek için yapılan muayeneler genel olarak, tahribatlı ve tahribatsız muayene yöntemleri olmak üzere, iki grupta toplanır. Bu muayenelerle yapılan ölçümlerde, kaynakta gözle görünür hata olmamalı, kalıcı gerilme ve çarpılmalar kabul edilebilir düzeyde olmalı, ısıdan etkilenmiş bölge özellikleri kabul edilebilir düzeyde olmalıdır.
Isı tesiri altındaki bölge (ITAB)
Isı tesiri altındaki bölge (ITAB), veya ısıdan etkilenen bölge (IEB), İng. (heat-affected zone, HAZ), kaynaklı parçaların birleşme bölgesinde kaynak ısısı tarafından etkilenmiş ve mikroyapısal olarak özellikleri değişmiş alandır.
Kaynak yapılan yerin etrafındaki malzeme üzerinde, kaynağın etkileri zararlı olabilir (kullanılan malzeme ve kaynak işleminde kullanılan ısı girişine bağlı olarak ısıdan etkilenmiş bölge boyutu ve dayanımı değişkenlik gösterebilir). Asıl malzemenin ısıl yayınımı (termal diffüzivite yani ısıl iletkenlik/hacimsel ısı kapasitesi) da burada büyük rol oynar. Eğer yayınım büyükse, malzemenin soğuma oranı yüksek olur ve ısıdan etkilenmiş bölge nispeten küçülür. Aksi durumda, düşük yayınım yavaş soğumayı ve daha büyük ısıdan etkilenmiş bölgeyi getirir. Kaynak işlemi ile enjekte edilmiş ısı miktarı, oksi-asetilen kaynak yöntemi gibi yöntemlerde önemli bir rol oynar, yoğunlaşmamış ısı girişi ısıdan etkilenmiş bölgenin genişlemesine sebep olur. Lazer ışın kaynağı gibi işlemler kaynak bölgesine yoğunlaşmış ısı verir, ısı miktarı sınırlanmış olup sonuçta ısıdan etkilenmiş küçük bir bölge ortaya çıkar. Elektrik ark kaynağı, kaynağa özel ısı girişindeki değişkenlikler nedeni ile, bu iki durumun arasında kalır. Ark kaynak prosedürü için ısı girişi aşağıdaki formül ile hesaplanır:
Burada Q = ısı girişi (kJ/mm), V = voltaj (V), I = akım (A), ve S = kaynak hızı (mm/dk) olarak verilmiştir. Verim, kaynak işleminde kullanılan kaynak yöntemine bağlıdır; örneğin, gazaltı metal ark kaynağında 0.8 ve gaz-altı tungsten kaynağında 0.6'dir.