demir dışı metallerin kaynak metalurjisi

DEMİR DIŞI METALLERİN
KAYNAK METALURJİSİ
* Demirdışı metaller, çelikler kadar kullanılmazsa bile,
endüstriyel uygulamalarda demir dışı metallerin
kullanıldığını görmek mümkündür.
* Bu nedenle demir dışı metallerin de kaynak
kabiliyetlerinin bilinmesi, endüstriyel önem arz
etmektedir.
* Demir dışı metallerin birleştirilmesinde başarılı
olabilmek için, bu metallerin kaynak kabiliyetlerinin iyi
bilinmesi, karşılaşılabilecek problemlerin tespit edilmesi
ve problemlerin çözümünün nasıl yapılacağı ile ilgili
ayrıntılı bilgi sahibi olmak gerekir.
* Demir dışı metallerin kaynağı, çeliklerin kaynak
işleminden oldukça farklıdır.
Bu bölümde demir dışı metallerin kaynak
kabiliyeti ve başarılı birleştirme yapabilmek için
* gerekli kaynak prosedürlerinin neler olabileceği,
* kaynak yöntemi seçimi,
* karşılaşılan problemlerin önlenmesi için alınması
gereken tedbirlerin neler olabileceği
üzerinde durulacaktır.
Uygun kaynak yöntemi seçilmesinde dikkate
alınması gereken malzeme özelliklerinin neler
olduğu üzerinde durulacaktır.
Demir Dışı Metaller
Başlıca ana elementi demir olmayan tüm
metaller ve alaşımlar, demir dışı olarak
adlandırılırlar.
Demir dışı metaller denildiği zaman aklımıza
bakır, alüminyum, kurşun, magnezyum,
nikel, titanyum ve çinko gelmektedir.
Bazı demir dışı metallerin kristal yapısı, ergime sıcaklığı ve atomlar arası mesafeleri
ile ilgili bilgiler
Demir dışı metal
Kristal Yapısı
Ergime Sıcaklığı
(ºC)
Atomlar arası
mesafe (mm x 10-7)
Kurşun
Yüzey Merkezli
Kübik
327
3.499
Çinko
Hegzagonal Sıkı
Paket
419
2.664
Magnezyum
Hegzagonal Sıkı
Paket
650
3.196
Alüminyum
Yüzey Merkezli
Kübik
660
2.862
Bakır
Yüzey Merkezli
Kübik
1083
2.556
Nikel
Yüzey Merkezli
Kübik
1453
2.491
Titanyum
Hegzagonal Sıkı
Paket (< 900ºC)
1668
2.89
Hacim Merkezli
Kübik (>900ºC)
2.89
KULLANIM ALANLARINA ÖRNEKLER:
Demir dışı metallerin bir veya birkaç özellikleri dikkate
alınarak, kullanılacağı uygulama alanları belirlenir.
Örneğin bakırın ve alüminyumun yüksek iletkenlik
özelliklerine sahip olmaları nedeniyle güç aktarma
sistemlerinde elektrik iletkeni olarak kullanılırlar.
Nikelin sahip olduğu kimyasal özelliklerinden dolayı,
gıda ve kimya endüstrilerinde tercih edilir.
DEMİRDIŞI METALLERİN
GENEL ÖZELLİKLERİ
1- Yoğunluk:
Metallerin kullanılmasında en önemli etkenlerden
birisi mukavemet-ağırlık oranıdır. Yüksek
mukavemetle birlikte düşük ağırlık özelliklerine
sahip olan alüminyum ve magnezyum alaşımları
uçak, yolcu taşıma amaçlı tren, hız tekneleri ve
diğer pek çok taşıma araçlarının imalatında
kullanılırlar.
Mukavemet-ağırlık oranı
Dikkat edilirse çeliğe nispeten en yüksek mukavemet-ağırlık oranı, titanyum
alaşımlarına aittir. Daha sonra alüminyum ve magnezyum alaşımları
gelmektedir.
Alaşım
Elastikiyet
Mödülü (GPa)
Yoğunluk
(Mg/m3)
Çeliğe nispeten
mukavemet-ağırlık
oranı
Yüksek Mukavemetli
düşük alaşımlı yapı
çelikleri
200
7.83
1
Magnezyum
alaşımları
45
1.78
3
Alüminyum alaşımları
(örneğin 7004)
69
2.77
3
Titanyum alaşımları
(Isıl işlem görmüş α β
alaşımları)
102
4.85
5.5
Korozyon Direnci
Titanyum gibi yüksek reaktif özelliklere sahip
malzemelerin yüzeyinde, malzemenin korozyon
direncini arttıran bir oksit tabakası meydana gelir.
Yüzeydeki bu oksit tabakası sayesinde metal, dış
ortamlardaki kimyasal veya havanın zararlı
etkilerine karşı korunur.
Bu tür malzemeler, kimya endüstrisinde ve yüksek
sıcaklık ortamında çalışan parçaların imalatında
kullanılırlar.
Bazı demir dışı metallerin kullanıldıkları temel endüstri
uygulamaları ve bu uygulamalarda kullanılmalarına sebep olan
temel özellikleri
Metal
Tipik Uygulama Alanları
Temel Özelliği
Alüminyum
Uçak, uzay sanayi, hız tekneleri, tren
vagonları, otomobil yakıt depoları
Krijonik depolar
Kimya endüstrisi,
Elektrik iletkeni, otomobillerde
kullanılan dağıtım çubuğu Gazlı içecek
kutuları
Düşük Yoğunluk
Düşük sıcaklıklardaki yüksek tokluk
özelliği
Yüksel kimyasal direnci
Yüksek elektrik iletkenliği
Yüksek süneklik
Bakır
Elektrik amaçlı kullanılan ürünler
Bakır boru
Supap ve bağlantı elemanları
Kimya endüstrisi
Yüksek elektrik iletkenliği
Yüksek süneklik, yüksek korozyon
direnci
Yüksek korozyon direnci
Yüksek korozyon direnci
Magnezyum
Matbaa makine aksamı, taşıma
bantları, merdivenler, uzay sanayi
Düşük yoğunluk
Nikel
Gıda depolama ekipmanları, kimya
endüstrisi
Yüksek sıcaklık ortamında kullanılan
araç ve gereçler
Yüksek korozyon direnci
Yüksek sıcaklıklarda mukavemetin
düşmemesi
Titanyum
Uzay sanayi
Kimya endüstrisi
Düşük yoğunluk
Yüksek korozyon direnci
Kaynağı etkileyen kimyasal
özellikler
Ergitme kaynağında metalin davranışlarını
etkileyen en önemli özellik, metalin oksijene karşı
ilgisidir.
Bu tespit doğrultusunda hangi kaynak
yöntemlerini kullanıp kullanamayacağımızı
belirleyebiliriz.
Metalin oksijene karşı ilgisi, metal oksitin serbest
enerji oluşum değerlerinin tespit edilmesi ile
ölçülür.
Bazı metal oksitlere ait serbest enerji değerleri
Metal oksitin oluşması için eğer düşük serbest enerji söz konusu ise,
metalin oksijene karşı ilgisi zayıftır denilir. Bu durumda kaynak bölgesini
çok hassas koruma altına almaya gerek duyulmayabilir.
Örneğin, kurşunun düşük serbest enerjisinden (-90 kcal) dolayı, sıvı
kurşun dökülerek birleştirilmesinde, kaynak bölgesinin korunmasına
dikkat edilmeyebilinir. Fakat negatif serbest enerji değeri yüksek olan
metallerin oksijene karşı ilgisi çok yüksek olacağı için kaynak bölgesini
havanın zararlı etkisinden mutlaka korumamız gerekir.
Metal
20ºC de oksit oluşumu için gerekli serbest enerji miktarı ∆Gº
(kcal)
Bakır
-70
Kurşun
-90
Nikel
-105
Demir
-120
Çinko
-155
Titanyum
-210
Alüminyum
-240
Magnezyum
-275
Isıya dayanıklı oksitler
Yüksek serbest enerji değerlerine sahip olan titanyum ve
krom gibi metaller, ısıtıldıkları zaman yüzeylerinde kararlı
ve dayanıklı bir oksit tabakası meydana gelir.
Bu tarz oluşan oksitlere, ısıya dayanıklı oksitler adı verilir
ve kaynak esnasında meydana gelen ısı ile ergitilemezler.
Eğer bu oksit tabakasının oluşumu engellenemez veya
kaynak bölgesinden uzaklaştırılmaz ise uygun olmayan bir
ergime ile kaynak hatası meydana gelecektir. Buda
kaynak metalinin sünekliliğini azaltacaktır.
Bazı oksitler, elektrot örtüsünün ergimesi ile meydana
gelen curuf sayesinde temizlenebilir. Örtüye ilave edilen
bazı elementler, sıvı haldeki kaynak banyosu içerisinde
oksitlerle kimyasal reaksiyona girerek, oksiti çözer.
Böylece kaynak metali oksitlerden arındırılmış olunur.
Isıya dayanıklı oksitler
Dikkat edilmesi gereken en önemli konu, kaynak işlemi
esnasında curufun kaynak bölgesi içerisinde
kalmamasıdır.
Eğer curuf kaynak bölgesinden tam uzaklaştırılamazsa,
kaynak bölgesi hatalı olur.
Florit esaslı koruyucu tozların veya elektrot örtülerinin
curufları, alüminyum yüzeyinden temizlenmelidir. Aksi
halde alüminyumun korozyon direncini düşürür.
Kaynak banyosunu koruma:
Isıya dayanıklı kararlı oksit oluşturma eğilimine sahip
metallerin birleştirilmesinde, kaynak bölgesini
etkili bir şekilde korumak gerekir.
Kaynak bölgesini ya soy bir gaz kullanarak (MIG veya
TIG yöntemleri gibi) veya vakum altında (elektron
ışın kaynağı gibi) kaynak yaparak koruyabiliriz.
Gazaltı kaynak yöntemleri ile yapılacak
birleştirmelerde bile, kaynak bölgesinin tam
korunması sağlanamayabilinir.
Kaynak banyosunu koruma:
Bu nedenle bazı önlemlerin alınması tavsiye edilmektedir:
* Kaynak öncesi birleştirilecek parçaların ön temizliğinin
yapılması
* Kaynak torcundaki gaz nozulunun yeterince büyük
olması ve kaynak bölgesine homojen bir gaz dağılımı
sağlayacak özellikte olmalıdır.
* Temiz koruyucu gaz kullanılması gerekir.
* Gaz nozulu içerisinde gazı homojen dağıtmaya yarayan
gaz süzgeçleri kullanılabilinir.
* İlave dolgu metalinin kaynak öncesi temiz olmasına
dikkat edilmelidir.
* Özel gaz odaları içerisinde kaynak işlemi yapılabilir.
Gazların çözünebilirliği
Ergimiş sıvı metal ile gazlar arasında meydana gelen
kimyasal reaksiyondan başka, atmosferdeki gazlar
ergimiş kaynak banyosu içerisinde çözünebilirler.
Çözünen bu gazlar, kaynak metali içerisinde
gözeneklere sebep olabilirler.
Kaynak banyosunda gözenek probleminin potansiyel
tehlike oluşturup oluşturmadığını, sıvı metal
içerisindeki gazın maksimum çözünebilirlik oranına
bakabiliriz.
Sıvı alüminyum içerisinde en yüksek oranda hidrojen gazı
çözünebilmektedir. Kaynak banyosu katılaştığı zaman, hidrojen
kaynak metali içerisinde hapsolur. Hidrojen gazı ise kaynak
banyosu içerisinde potansiyel gözenek oluşturucu bir gazdır. Aynı
şekilde sıvı nikel içerisinde de en yüksek oranda azot gazı
çözünebilmektedir. Dolayısıyla nikel kaynağında da potansiyel
gözenek oluşturucu gaz azottur.
Kaynak bölgesini etkileyen gazların potansiyel
membaları:
Kaynak banyosu için tehlike oluşturan gazları tanımlamak, kaynak
banyosundan bu gazları uzaklaştırma amacıyla en uygun önlemi
almak için yapılacak ilk iştir.
Örneğin, azot birleştirilecek metaller için zararlı ise bu gazın
potansiyel membaı havadır. Kaynak banyosuna azot gazının
girebileceği etkenler dikkate alınmalı ve problemler çözünmelidir.
Kaynak banyosuna azot, hava içerisindeki azot girebilir, koruyucu
gaz hortumundaki sızıntıdan veya bağlantılardaki kaçak nedeniyle
içeri azot koruyucu gaza karışabilir, koruyucu gaz basıncı yeterli
olmazsa kaynak banyosuna havadan azot girebilir, torç nozulu
küçük olursa yeterli korunma sağlanamadığı için havadan azot gazı
girebilir, birleştirme bölgelerinin yeterince temizlenmemesi halinde
de azot kaynak banyosuna girebilir
Kaynak bölgesini etkileyen gazların potansiyel
membaları:
Eğer metal için en büyük tehlike hidrojen gazı ise, bütün
hidrojen membalarını dikkatle incelemek gerekir.
Örneğin, hidrojen nemden kaynak bölgesine geçebilir,
kaynak bölgesi üzerindeki pisliklerden geçebilir,
ergiyen elektrot örtüsünde nem varsa geçebilir,
kaynak makinesindeki su soğutmalı torçlarda kaçak
varsa hidrojen kaynak banyosuna girebilir,
gres yağı, boya veya çözücülerden de hidrojen kaynak
bölgesine girebilir.
Metallerin ergime sıcaklıkları
Demir dışı metallerin ergitme kaynak yöntemleri
ile birleştirilmesinde en önemli özelliklerden birisi
de metallerin ergime sıcaklığıdır.
Hatta kaynak yöntemi seçiminde bile bu özellik
önemlidir.
Oksi-gaz ve elektrik ark kaynağının ilk olarak
uygulanmaya başlandığı 19. yüzyılda çok az
sayıdaki metallerin birleştirilmesi yapılabiliyordu.
Çünkü o dönemdeki ısı membalarıyla bazı
metallerin ergime derecesine ulaşılamıyor ve
birleştirme işlemi de gerçekleştirilemiyordu.
Metallerin ergime sıcaklıkları
Örneğin, demir genellikle sıcak dövme yöntemi
kullanılarak, metalde ergitme gerçekleştirmeden
birleştiriliyordu.
Artık günümüzde oldukça güçlü ve çeşitli ısı
membaları geliştirilmiştir.
Molibden, tungsten gibi yüksek ergime
derecesine sahip metaller bile günümüzde
rahatlıkla gazaltı, elektron ışın veya lazer kaynak
yöntemleri ile birleştirilebilmektedir.
Metallerin buharlaşma
sıcaklıkları
Alaşımların içerisinde bulunan düşük buharlaşma
sıcaklığına sahip elementler, ark kaynağında problem
oluştururlar.
Bu tür elementlerin buharlaşması için kaynak
banyosunun veya kaynak arkının sıcaklığı yeterince
yüksektir.
Buharlaşan elementler kaynak dikişinin kimyasal
içeriğinin değişmesine sebep olduğu gibi kaynak metali
içerisinde gözenek oluşumu problemine de sebep olabilir.
Çinko elementi 906ºC de buharlaştığı için bu tarz bir
probleme sebep olabilecek element sınıfına girer.
Metallerin buharlaşma
sıcaklıkları
Örneğin bakır-çinko alaşımı olan prinçlerin ergitme
kaynak teknikleri ile birleştirilmesinde, çinkonun
buharlaşma problemi ile karşılaşılır.
Kaynak esnasında buharlaşan elementin insan sağlığını
etkileyip etkilemediği de dikkate alınmalıdır.
Çünkü bazı elementler kansorejen etkiye sahiptirler.
Çinko, kadmiyum gibi elementlerin buharları toksit
etkisine sahiptirler.
Kaynakçı mutlaka bu durumdan haberdar olmalı ve çok
iyi bir havalandırma sistemi gereklidir.
Ayrıca kaynakçı bu tür buharları teneffüs etmemesi için
ağız ve burun filitreleri kullanması gerekir.
Metallerin ısıl iletkenliği
Metallerin ergime sıcaklıklarının bilinmesinden başka, ısıl
iletkenlikleri hakkında da bilgi sahibi olmamız gerekir.
Bu özellik kaynak bölgesinden ne kadarlık ısı miktarının
iletilmesi hakkında bizleri bilgilendirir.
Böylece kaynak yönteminin ergitme verimliliğini
bulabiliriz. Örneğin yüksek ısıl iletkenliğe sahip bakır gibi
metallerin ergime verimliliği çok düşüktür. Bu nedenle
bakırı ergitebilmek için çok daha güçlü bir kaynak
makinesine ihtiyaç duyulur.
Veya daha yüksek akım değerlerinde kaynak işlemi
gerçekleştirilir.
Metallerin ısıl iletkenliği
Elektrik ark kaynağında ana metal bakırın ergitilmesi oldukça
zordur.
Yüksek akım kullanıldığı için elektrot ise çok daha kolay
ergiyecektir.
Bu durumda bazı kaynak hataları ile karşılaşabiliriz: yetersiz
ergime problemi, yetersiz nüfuziyet, tümsekli kaynak dikişleri
gibi.
Yüksek ısı iletkenliğine sahip metallerin ergitme kaynağı ile
birleştirilmelerinde oluşabilecek kaynak problemlerinden
kaçınabilmek için bir ön tavlama gerekebilir.
Ön tav ana metalin kolayca ergimesini sağlar. Büyük kaynak ağzı
açısı kullanılabilir. Yüksek akım ve kaynak hızı tercih edilmelidir.
Bazı metallerin ısıl iletkenlik katsayıları verilmektedir
Demir dışı metal
Demir
Nikel
Bakır
Alüminyum
Magnezyum
Kurşun
Çinko
Isı iletkenlik katsayısı
(ºC x 10-6)
11.8
13.3
16.5
23.6
27.1
29.3
39.7
Metallerin ısıl genleşmesi
Demir dışı metallerin ısıl genleşme katsayıları,
çeliğe göre oldukça yüksektir.
Metallerin yüzde hacimsel değişim değerleri
arttıkça, metalin kaynak esnasındaki çarpılma
riski artar ve yüksek kalıntı gerilme problemi
meydana gelir.
Kaynak metalinin katılaşması esnasında daha
büyük hacimsel bir değişiklik söz konusu olacağı
için kaynak bölgesinde çatlak oluşum riski artar.
Bu tür problemlerle karşılaşabileceğimiz en
önemli demir dışı metal alüminyumdur.
Bazı demir dışı metallerin ısıl genleşme katsayıları verilmektedir
Demir dışı
metal
Isıl genleşme
katsayısı
Kurşun
Ergime
esnasındaki
yüzde hacimsel
değişim
% 3.5
Çinko
% 4.2
Magnezyum
% 4.2
Bakır
% 4.2
Alüminyum
%6
Alaşım elementlerinin
etkisi
Demir dışı metallerinin mukavemetlerini arttırmak için
başvurulan en etkili yol, alaşımın çökelme sertleştirilmesi
veya herhangi bir mukavemet arttırıcı teknik
kullanılmasıdır.
Kaynak esnasında meydana gelen ısı, mukavemeti
arttırılan alaşımın bu özelliğini zayıflatır.
Yani mukavemet düşüşü meydana gelir.
Isı tesiri altında kalan bölgede, toparlanma ve yeniden
kristalleşme meydana gelir.
Bu durum, kontrollü bir ısı girişi yapıldığında eğer
mukavemet çok fazla değişmiyorsa problem çözülmüş
demektir. Fakat mukavemet istenilmeyecek derecede
düşüyor ise bu tür malzemelerin ergitme kaynaK tekniği
ile birleştirilmesi uygun değildir denilir.
Sıcak Çatlak Problemi
Kaynak esnasında sıcak çatlama riskinin olup
olmadığını tahmin edebilmek amacıyla,
birleştirilecek alaşımın faz diyagramına bakmak
gerekir.
Alaşımın katılaşma aralığı büyük ise kaynak
esnasında sıcak çatlama riski var demektir.
İki farklı alaşıma ait faz diyagramları verilerek,
katılaşma aralığının genişlikleri karşılaştırılmıştır
Çökelme sertleştirilmesi
uygulanan alaşımların kaynağı
Demir dışı metallerin mukavemetlerinin arttırılmasında kullanılan
en yaygın metot, çökelme sertleştirilmesidir. Arzu edilen
mukavemet değerlerine ulaşabilmek için çok dikkatli bir çökelme
sertleştirmesi ısıl işlemi alaşıma uygulanmalıdır.
Bu tür bir alaşımın ergitme kaynağı esnasında çökelme
sertleştirmesi ile kazandırılan mukavemet düşecektir.
Bu nedenle kaynak sonrası yeniden bir çökelme sertleştirme ısıl
işlemi uygulanması gerekir.
Çökelme sertleştirmesi, çökelme tavlaması ve sonra yaşlandırma
işlemlerini takip eder. Genellikle kaynak işlemi uygulandıktan sonra
alaşım çökelme işlemine tabi tutulursa, daha ekonomik bir çalışma
olur.