Kaynak Metalurjisi konusunda hazırlanmış bir sunudur. İçerik olarak detaylıdır ve temel konulara vurgu yapılmıştır. A. Kocatepe Universitesi Teknoloji Fakültesi Kaynak Metalurjisi ders sunumudur.

1. Kaynağın Fiziksel Metalürjisi
I-Temel kavramlar
Doç. Dr. Şükrü Talaş
Metalürji ve Malzeme Mühendisliği
Teknoloji Fakültesi

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Kaynak Metalurjisi
 Isı kaynağının şiddeti arttıkca yoğunluk
109
W/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.

6. 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.

7. 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.

8. 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

9. Isı Girdisi
H = Enerji Girdisi, Enerji/birim uzunluk, joules /mm
H = Güç / İlerleme Hızı = P / ν = I.V/ ν = I2
R/ ν
P = Toplam Isı girdisi, Watt
ν = 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

10. 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

11. Ark Uzunluğu
Uzun
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.

12. Dayanım Artıcı Fazlalık
Isıdan
Etkilenen
Bölge
Ergiyen Ana Metal
Aw = Kaynağın Kesit Alanı = Am + Ar
İlave Metalsiz (Autogenous) kaynak metali için
Aw = Am
Q =
Katının sıcaklığını
ergime noktasına
getirmek için gerekli ısı
+ Ergime IsısıBelirli hacimdeki kaynak
metalinin ergitilmesi için
gerekli enerji/Isı
=

13. Ergime Entalpisi
Q =
Katıyı Sıvılaştırmak
için gerekli ısı
+ Ergime Isısı
=
Isının tamamı ergitme de kullanılamaz
Belirli hacimdeki kaynak
metalinin ergitilmesi için
gerekli enerji/Isı

14. 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

15. 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?

16. Diğer Enerji kaynakları
Ark H = VI/v
Direnç K: H = I2
Rt
Elektrocuruf: H = EIt
Lazer:
Elektron Işın:
H = Üretilen Isı, joule
E = Voltaj, volt
v = Seyahat/ilerleme Hızı, mm/s
I = Akım, amper
R = Direnç, ohm
t = Zaman, s
PD = Güç Yoğunluğu
P1 = Giriş Gücü
( )2
14
PD
θπ f
P
=
uzunlukFocal=f
aBoyua lgD=λA
EI
PD =
A = Fokuslanan ışının alanı

17. OKSİGAZ KAYNAĞI
TERMİT KAYNAĞI

18. Kutuplama ve
Akım Yönü
I I
DCEP DCEN
Anot
Katod
Katod
Anot
Kaynak Elektrodu veya "Elektrod"
İş parçası
Düz KutuplamaTers Kutuplama
Plazma DurumuPlazma Durumu
Gaz, yüksek enerjili çarpışmalar
yeterince serbest elektron
üretecek kadar sıcak olmalıdır
-
eAA +↔ +
Plazma sadece birkaç
elektron kalınlığında olabilir

19. Ark ta akımın iletilmesi
Plazma
İyon
Nötr Gaz Atomu
Serbest
Elektron
Tekrar BirleşmeT>10,000K
Isıl
İyonizasyon
Katod
Anot
Yayınan Elektrodlar
Topraklanan Elektrod

21. Argon
Arkı

23. 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)
ir elektronun Katı Yüzeyi Terk Edebilmesi için gereken Enerji
Saf Tungsten Elektrodun İş Fonksiyonu = 4.4 eV
Torlu Tungstenin İş Fonksiyonu = 4.1 eV

24. 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!!!?

25. }
}}
Akım miktarını değiştirdiğimizde (örneğin
300 ten 1000A) toplam voltaj değişirmi?

26. Ark V-I Karakteristiği
Welding
Power
Source
A
V
Welding
Arc
I
V
V
I0
20
30
40
10
50 100 150 200 250 3000
h1
h2
h3
h=0
h
Kararsız
Akım, Ark Uzunluğu ve Voltajın etkisini görebillirsiniz!!
Artan
Ark
Boyu

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

28. 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?

29. 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

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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 çünküTIG kaynagında dT/dr= Neg tir çünkü
uzaklığa bağlı sıcaklık değişimi vardır.uzaklığa bağlı sıcaklık değişimi vardır.
dY/dT de negatif olacagından dY/dr dedY/dT de negatif olacagından dY/dr de
positif çıkar ve dışa dogru bir akı verirpositif 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 etkisielementlerin varlığının sıvı akışına etkisi
görülmektedir. Dolayısıyla çok azgörülmektedir. Dolayısıyla çok az
miktarda S veya O olması kaynakmiktarda S veya O olması kaynak
havuzunun nüfuziyetini önemli ölçüdehavuzunun nüfuziyetini önemli ölçüde
etkiler.etkiler.

34. 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.

35. 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.

36. 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.

37. 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
-109
A/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.

38. 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.

39. 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.

40. 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(patlay
an)
Örtülü elektrodlar
Köprü tipi taşınım Kısa ark mesafeli MIG
MAG ve örtülü elektrodlar,
ilave telli kaynak
Curuf korumalı taşınım Tozaltı, örtülü elektrod

41. 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.

42. Kaynak Metalurjisi

43. 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.

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

45. Kaynak Metalurjisi
 Al için kaynak havuz sıcaklığı ile kaynak
hızının karşılaştırılması a)MIG ve b)TIG

46. 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.

47. 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.

48. 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.

49. 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.

50. 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.

51. 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.

52. 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.

53. Kaynak Metalurjisi
Ellingham egrileri: oksitlerin
oluşum serbest enerji egrileri

54. 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.

55. 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.

56. Kaynak Metalurjisi