

Endüstriyel Teknik Öğretim Kitapları


ELEKTRİK ARK KAYNAĞI
· Metal kaynağı nedir?
Metalik özelliklere sahip gereci ısı ya da basınç ya da her ikisini birden kullanarak ve aynı cinsten ve ergime aralığı aynı ya da yaklaşık bir gereç katarak ya da katmadan birleştirmeye metal kaynağı adı verilmektedir. Söz konusu iki parçanın birleştirilmesinde, ilâve bir gereç kullanılıyorsa, bu gerece ilâve metal ya da ek kaynak teli adı verilir.
· Elektrik akımı nedir?
Elektrik, bir enerji dönüşümü sonucunda ortaya çıkar. Kömür, petrol ve nükleer tepkimelerden elde edilen ısı, ya da akarsuların kinetik enerjisinin harekete dönüşmesi, elektrik sağlayan kaynakları oluşturur. Elektrik, bir birincil enerji kaynağı değildir. Başka bir deyişle, ışık, ısı ve harekete çevrilmesi için, bazı aygıtlar kullanmak gerekir. Ancak, uzak mesafelere taşınabilmesi, değişik enerji biçimlerine rahatlıkla dönüştürülebilmesi, temiz ve kolay elde edilebilmesi nedenleriyle, öteki enerji biçimlerinden üstündür.
Elektrik adından da anlaşılacağı üzere, elektronların özellikleriyle yakından ilişkilidir. Elektriksel bakımdan elektronların en önemli özellikleri, yükü ve hızlı hareket yeteneğidir. Elektrik devresindeki akım gibi, bütün elektriksel olaylar, elektronların hareketine dayanır. Bu nedenle, elektrik akımı konusunu daha rahat kavrayabilmek için, elektronlar ile ilgili bilgileri tekrarlamak gerekmektedir.
Elektronlar, bütün atomlarda çekirdeğin, yani proton ve nötronların çevresindeki yörüngede bulunur. Protonlar ile elektronlar arasındaki elektrostatik çekim, atomun dağılmasını önler. En dış yörüngedeki değerlik elektronları (kimyasal bağ oluşturan elektronlar), çekirdeğe çok zayıf biçimde bağlıdır. Özellikle bakır, gümüş ve sodyum gibi metal elementlerde bu durum daha bariz olarak açığa çıkar. Çekimin zayıflığına, elektronun iki bin katı kadar olan proton ve nötronun ağırlığı eklenince, dıştaki elektronlar kolayca koparılabilir hale gelir.
Metal atomları, kafes sistemleri içerisinde bir arada bulunur. Metal elementlerin kafesleri, dış yörünge elektronlarına yüksek derecede serbestlik sağlar. Bu nedenle söz konusu elementler iyi iletkendir. Öte yanda yalıtkanlar, atom ve kafeslerinin dış yörünge elektronlarına sağladığı, sınırlı hareketlilikle nitelenir.
Elektronlar, katı iletkenler boyunca rast gele ilerler ve bir amperlik akım sağlamak için, bir saniyede altı milyon kez milyonun üstünde elektronun geçmesi gerekir. Elektrik akımı nedeniyle ortaya çıkan elektriksel büyüklükler, yayılır. Ama, her elektron saniyede, ancak 25 mm kadar yol alabilir.
Elektron akışı, elektrik akımı olarak adlandırılır. Birimi amperdir (kısaca A ile gösterilir). Bir amper, verilen bir noktadan bir saniyede 6,24x1018 (6240000 trilyon) elektronun geçmesi demektir. Her elektron küçük bir eksi yük taşıdığından, akım, bir yük niceliği olarakta tanımlanabilir. Yük, kulonla (simgesi C) ölçülür. Bir amper, bir kulon/saniye olarak tanımlanır. (1A=1C/san), yani bir elektronun yükü 1,6 201x10-19 kulondur.
· Dalgalı akım ne demektir?
Elektrik şebekesinde bulunan elektrik akımının türü alternatif akım, diğer bir adıyla dalgalı akımdır.
Ülkemizin de içinde bulunduğu birçok ülke elektrik şebekeleri 50 Hertzlik dalgalı akım kullanmaktadır. Bunun anlamı şebekeden alınan elektrik enerjisinin saniyede 50 defa (-) kutuba, 50 defa da (+) kutuba doğru yol aldığıdır. Akımın özelliğine bağlı olarak bu çevrimler her iki kutuplamada düzgün bir şekildedir. Doğrultmaç olarak adlandırılan ve dalgalı akım veren kaynak makineleri, şebekeden aldıkları bu dalgalı akımı sürekli olarak aynı kutupta hareket etmelerini sağlar. Bir bakıma doğru akım üreteçleri sürekli olara (-) ya da (+) kutuba doğru yol alan kaynak akımı üretirler.
· DADK, DATK ne anlama gelmektedir?
Akımın yönü kaynak işleminde önemlidir. Akımın kutuplar yönündeki gidişleri değiştirilerek kaynağın niteliğinde oynamalar yapılabilir. Genel olarak doğru akımda elektrot (-) kutupta ise Doğru Akımda Doğru Kutuplama (DADK) adını alır. Elektrot (+) kutupta ise Doğru Akım Ters Kutuplama (DATK) olarak anılır. Ters kutuplama (DATK), doğru kutuplamaya (DADK) göre daha derin bir nüfuziyet elde edilmesini sağlar. Doğru kutuplamada ise ters kutuplamaya göre elektrotun erime gücü yüksektir. Tüm bunlar nedeniyle elektrotlar mümkün olduğunca en yüksek verim alınacak şekliyle nasıl kutuplanacağı, önceden belirtilir. Örneğin bazik örtüye sahip elektrotlar ters kutuplama ile kullanıldıklarında daha kaliteli kaynak dikişleri elde edilir.
Dalgalı akımda kutupların değiştirilme olanağı yoktur. Buna rağmen dalgalı akım ile yapılan kaynaklar, doğru akım ile yapılan kaynakların doğru ve ters kutuplama özelliklerinin ortalaması olarak düşünülmelidir.
· Ark türleri nedir?
Akım şiddeti ve gerilimindeki değişikliklere rağmen, kaynak akımının da elektrik akımı gibi bir elektron hareketi olduğu bilinmelidir. Ark kaynağı işlemi sırasında hareket eden elektronlar, (-) kutup olan katoddan (+) kutup olan anoda doğru, hareket ederler. Bu açıdan elektrik ark kaynağını, bir elektrik devresine benzetmek mümkündür. Genel olarak (-) kutuba bağlı olan elektrot, (+) kutuba şase aracılığıyla bağlı olan iş parçasına değdirilecek olursa, iki kutup arasında bir elektron hareketi baş gösterir. Elektronlar, sürekli olarak elektron yönünden zayıf olan tarafa doğru, hareketlerini gerçekleştirirler. Elektrotun iş parçasına değdiği kısmı kaynak akımının geçmesi, yani elektron hareketi nedeniyle kızarmaya başlar. Çünkü elektronların geçtiği noktada, ideal bir ortam oluşmadığı için elektrik akımının direnci yüksektir.
Direnç, değme kısmının ve çevresindeki havanın ısınmasına yol açar. Bu durumdaki hava, elektrik akımını iletebilecek niteliktedir. İşte tam bu sırada elektrot bir miktar geri çekilecek olursa, elektrot ile iş parçası arasında kalan havanın iletkenliği sayesinde, elektron hareketi devam edecek ve ortaya bunun belirtisi olan bir ark meydana çıkacaktır.
Olayın gözle görülür kısmı, elektronların oldukça kısa olan elektrot ve iş parçası arasındaki alandan akmasıdır, ya da diğer bir deyişle hareketidir. Bu elektron hareketi, dışarıdan bakıldığında göz kamaştıran parlak bir ışıklı ark halindedir. Oluşan bu arka elektrik kaynak arkı adı verilir.
Elektrottan ayrılan elektronlar, şasenin bağlı olduğu iş parçasına, çok şiddetli bir şekilde geçiş yaparlar. Olay, bir bombardımanı andırır. Bir amperlik elektrik akımında 6,24x1018 adet elektron hareketi söz konusu olduğu dikkate alınırsa, sıradan değerlerle yapılan elektrik ark kaynak şiddetindeki elektron sayısının, sayılar ile ifade edilme güçlüğü ve büyüklüğü, daha kolay anlaşılacaktır. Bu oranda büyük elektron geçişi, kaynak alanı sıcaklığının yüksek değerlere çıkması için yeterlidir.
Ark oluşmasında elektrot ile iş parçası arasındaki mesafenin önemi büyüktür. Birçok kaynak uygulamasında ark boyunun anılması, ark boyları arasındaki farkın kavranmasını gerekli kılmaktadır. Buna göre; ark boyu elektrot çapına eşit olduğu taktirde, normal ark boyu olarak anılması gerekir. Ark boyu elektrot çapından büyük olduğu taktirde ismi; uzun ark olur. Elektrot çapından küçük mesafeler ise, kısa ark boyu olarak anılmaktadır.
· Elektrot yakmak ne demektir?
Elektrik ark kaynağında çoğunlukla, üzeri örtü maddesiyle kaplanmış metal çubuklardan yararlanılır. Bunlara elektrot adı verilir. Elektrotların bir ucu çıplaktır. Çıplak uç, elektrotun pense takılmasını sağladığı gibi, kaynak akımının kolaylıkla iletilmesine de olanak tanır. Diğer uç hafifçe yuvarlatılmış olup, ucun üzeri özellikle örtü maddesinden arındırılmıştır. Böylece çalışır durumdaki kaynak makinesinin pensine, elektrotu çıplak ucundan takıp, diğer ucu, şasenin bağlı olduğu iş parçasına değdirirseniz, kaynak akımı elektrottan iş parçasına doğru geçer. Değdirme işlemini bir miktar uzatacak olursanız, elektrot iş parçasına yapışır ve elektrotun iş parçasına değdiği kısımdan başlayarak, kızarmasıyla sonuçlanan olumsuz bir durum açığa çıkar. Oysa bizim amacımız, kaynak arkının oluşturulmasıdır.
Elektrik ark kaynağında arkın oluşması için, elektrot ile iş parçası arasında bir hava boşluğu, ya da aralığın bulunması, ön koşul olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu havanında elektron akışına uygun olması gerekmektedir. Bir bakıma bunun, elektrot ile iş parçası arasındaki çok dar hava ortamının ısıtılması olarak düşünmek, mümkündür. Elektrot ile iş parçası arasındaki dar hava alanı, çok kısa sürede ısınıp, elektron iletimi için uygun hale getirilebilir. Bu işleme elektrotun yakılması denir ve genel olarak iki türde uygulama ile sağlanır. Her iki yönteminde, kaynak yapılacak alanda olması gerekir. Elektrotun yakılacağı yerin, ilk etapta kaynak işleminin yapılacağı yer olması, iş parçasında çatlakların oluşması ihtimalîni en aza indirir.
Birinci yöntem, elektrotun iş parçasına vurulmasıdır. Kaynak işleminin yapılacağı yerden yaklaşık 5 mm uzaklığa, elektrotun ucu ile vurulur. Vurma şiddeti, elektrot örtüsünün kırılmasına neden olmayacak biçimde olmalıdır. İkinci yöntemde ise, yine ilk etapta kaynak ile kapanacak bir alana elektrotun ucu sürtülür. Ve aradaki havanın ısınması, dolayısıyla da arkın oluşması sağlanır. Bu iki yöntemin uygulanışı, iş parçasının cinsine göre farklılık gösterebilir. Her cins metalin kaynağı ile ilgili bilgilerde, kaynak başlangıcının sürtülerek mi, yoksa vurularak mı, yapılacağı belirlenmiştir ve ilerki sınıfların ders konuları içinde sizlere aktarılacaktır.
Elektrotun yakılışı çok kısa bir süreç içerisinde gerçekleştirilir. Elde edilen ark, sonradan kaynağın başlangıç kısmına taşınır.
· Ark üflemesi ve önlemleri nedir?
Elektrik akımının gözle görülür bir yanı yoktur. Yani elektrik akımını direkt olarak izleyemezsiniz. Ancak etkilerini gözlemlemek mümkündür. Elektrik akımının en önemli etkileri şunlardır:
Isı Etkisi: Elektrik akımının, dolayısıyla da elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine dönüştürülme işlemi, oldukça kolaydır. Bunun sıkça karşılaşılanı, ısı enerjisine dönüştürülmesidir. Isınan cisimlerde ışınım yayarlar ve bu ışınımın şiddeti de, ısınma derecesiyle artar.
Kimyasal Etkisi: Elektrik enerjisi ısı enerjisine dönüştürüldüğü gibi kimyasal enerjiye de dönüştürülebilir. Bunun en tipik uygulaması akümülatörler ve metallerin elektro kimyasal olarak yüzeylerinin kaplanmasıdır.
Manyetik Etkisi: Elektrik akımı, herhangi bir iletkenden geçerken, bu iletkenin çevresinde, manyetik etkilerin görüldüğü bir alan oluşur. Manyetik alan da bir elektrik akımı gibi görülmez; sadece manyetik etkileriyle kendini gösterir. Manyetik etkinin oluşumuna örnek olarak, elektromıknatıslar gösterilebilir.
Kaynak arkının oluşması konusunda bilgiler verirken, elektrot ile iş parçası arasında kalan havanın ısınınca, iletken hale geldiğinden söz etmiştik. Dolayısıyla elektrik ark kaynağı yapılırken ortaya çıkan ark, bir iletken olarak bilinmelidir. Ark bir iletken olduğuna göre, arkın etrafında da bir manyetik alan oluşması bir kuraldır. Meydana gelen manyetik alan, arkta bir oynamanın yanında, kaynak banyosunun kontrolünün zorlaşmasına ve bozuk dikişlerin oluşmasına neden olur. Kaynak işleminde meydana gelen bu olaya, ark üflemesi adı verilir.
Özellikle doğru akım ile kaynak yapılırken meydana gelen ark üflemesi, dalgalı akımda pratik olarak ortaya çıkmaz. Ayrıca kaynağı yapılan gerecin özelliklerine bağlı olarak, çoğalır ya da azalır. Bu açıdan çelik, oldukça fazla oranda ark üflemesinin meydana geldiği, bir gereç olarak tanınır. Ark üflemesi doğru akım kullanılarak çeliklerin kaynağında sıkça karşılaşılan bir olay olduğundan, önlenmesi hususuna ayrıntılı olarak değinilmesi gereğini açığa çıkarır.
Ark üflemesi istenmeyen bir olaydır. Çünkü bu üfleme, hatasız kaynak yapma olanağını kısıtlar. Kaynakçı cürufun akışına hakim olamaz ve sonuçta cüruf kalıntısı içeren yetersiz bir birleşme, hatalı dikiş formu, nüfuziyetsiz zayıf bağlantılar elde edilir. Diğer yandan ark üflemesi, kaynak hızını azalttığı gibi birleşmenin kalitesini de, derinden etkiler. Ark üflemesi kaynağın başlangıç ve bitim yerlerinde, iç ve dış köşe kaynaklarında, derin dolgu kaynaklarında ve yüksek akım ile yapılan kaynaklı birleştirmelerde, daha sık açığa çıkar. Kaynak sırasında bir takım önlemler alınarak, ark üflemesi engellenebilir. Bunlardan bazılarına geçmeden önce, önlemlerin kaynak işleminin türüne göre değişebileceği hatırlatılarak, önlemlerin size uyanını bulmak amacıyla denenmesi, önerilmektedir. Ark üflemesine karşı alınacak önlemler şu şekilde sıralanır;
Kaynak akımının değerini azaltmak.
Kök dikişi ya da geniş punta yapmak.
Uzun (derin) kaynaklarda alt destek parçası kullanmak.
Şasenin yerini değiştirmek.
Üflemenin oluştuğu yönün tersine şaseyi bağlamak.
Şase kablosunu bakır tel ile sararak, manyetik akımı nötr hale getirmek.
Mümkün olduğunca kısa ark ile kaynağı yapmak.
Makinenin kutuplarını değiştirmek.
Kaynatılan işin konumunu değiştirmek.
Elektrotun konum açısını değiştirmek.
Çift toprak hattı kullanmak.
· Akım ayarı nasıl yapılır?
Kaynak değerlerinden değişikliğin en çok yapıldığı kısım, akım ayarındaki değişikliklerdir. Kaynak makineleri 10-600 amper arasında kaynak akımı üretebilirler. İşte kaynak akımının ayarlanması, bu değerler içerisinde mümkündür. Doğal olarak ayar aralığı, makinenin cinsine göre farklılıklar gösterir. Büyük ve güçlü makinelerde üst sınır olarak 600 Amper verilirken, daha küçük makinelerde bu değer daha aşağılara kadar düşebilir. Mühim olan kaynak makinesinin beklenen akım ayarlarında gerçek değerlere ulaşması ve bu aralığın kademeli olarak elde edilmesidir. Böylece değişik çapa sahip elektrotlar ile değişik kalınlığa sahip metallerin kaynağı gerçekleşmektedir. Bir bakıma akım ayarında yaptığınız değişiklikler, kaynak alanına gönderilen elektron sayısında değişiklikler olarak algılanmalıdır. Çünkü siz akım ayarında ortaya çıkardığınız verilere göre, bunu ayarlayabilirsiniz. Böylece kaynak makinenizin özelliklerine bağlı olarak kalın çapa sahip bir elektrot ile kalın bir gerecin kaynağını yapabildiğiniz gibi, tam aksini gerçekleştirmeniz de mümkündür.
Genel olarak çelik ve alaşımları kaynatılırken ayarlanacak akım değeri, kullanılan elektrot çapına göre tespit edilir. Elektrot çekirdek kısmının her bir milimetresi için 40 Amperlik değer herkes tarafından kabul görmüştür. Buna göre 3,25 mm çapındaki bir elektrotun kaynaklı birleştirmede kullanılması sırasında akım ayarının, 40x3,25= 130 Amper olması önerilir. Ancak bu değerlerin örtü gerecine göre farklılıklar gösterdiği, aksi belirtilmedikçe bu formüle sadık kalınması gerektiği göz ardı edilmemelidir.
Kaynak akımının elektrot çekirdek çapına göre belirlenmesi dışında, elektrot örtü kalınlığına göre yapılan kaynak akım ayarı da kullanılmaktadır. Örtülü elektrotlar için akım ayarı; d milimetre olarak elektrot çekirdek çapı olmak üzere;
İnce örtülü elektrotlarda I=dx(40-45) A
Kalın örtülü elektrotlarda I=dx(45-50) A
Demir tozlu kalın örtülü elektrotlarda I=dx(50-60) A
Yatay oluk konumunda verilen sınırların üst değerleri, dik ve tavan kaynağında ise alt değerler kullanılabilir.
Akım ayarındaki değişiklikler ile elektron miktarında değişiklikler yapılması, kaynak alanının daha fazla sıcaklık değerlerine ulaşması, ya da ulaşmaması yönünde olabilmektedir. Yani; akım ayarı yükseltilerek arkın oluşmasına olanak sağlayan elektron bombardımanının çoğalması sağlanabilir. Akım ayarının düşürülmesi bunun tersini sağlar ve kaynak alanına daha az sayıda elektron gönderilerek ısının gerektiğinden fazla sıcaklığa ulaşmaması sağlanabilir. Akım ayarının üzerinde yapılan değişiklikler ile kullanılan elektrotun sıcaklığında da değişiklikler yapmak mümkündür. Doğru olanı; önerilen akım ayarlarıyla elektrotların kullanılması olmaktadır. Zaten her elektrot, kendi çapıyla orantılı akım ayarlarında olumlu sonuç alınmasını olanaklı kılacak şekilde üretilmektedir. Önemli olan, akım ayarının yaklaşık değerlerde makine üzerinde ayarlanabilmesidir. Bu nedenle de iyi bir kaynak makinesinde aranılan ön şartlardan biri; akım ayarının kademeli olarak değiştirilebilmesidir.
Başta belirttiğimiz üzere iyi şekilde belirlenmiş kaynak akımı, değiştirebileceğimiz kaynak değerlerinden biri olarak büyük önem taşımaktadır. Gerektiğinden fazla olan kaynak akımı, aşağıdaki kaynak sorunlarıyla karşılaşmamıza yol açar.
· Kaynak akımı nedir?
Kaynak arkı için gereken elektrik akımı, elektrik şebekesinden alınır, ama direkt olarak kullanılmaz. Çünkü şebekede bulunan elektrik akımının gerilimi yüksek, şiddeti düşüktür. Oysa elektrik ark kaynağında kullanılan akımın, gerilimi düşük şiddeti büyük olmalıdır. Bunun en önemli nedeni; yüksek gerilimin insan üzerinde öldürücü etkisinin olmasıdır. Ark kaynağında kullanılan temel araçların kaynakçıyla olan teması düşünüldüğünde, düşük gerilim ile çalışmanın neden ön koşul olduğu daha kolay anlaşılabilir. Diğer yandan ark kaynağında kullanılan elektrik akım şiddetinin yüksek olma gereği, kullanılan elektrotun çapına uygun bir akım şiddetinin sağlanabilmesinden kaynaklanmaktadır. Kaynak makineleri şebekeden aldıkları elektrik akımını kaynak akımına çevirirler. Tüm bu bilgiler doğrultusunda kaynak akımının tanımı şu şekilde yapılabilir;
Şebekeden alınan 220-380 volt gerilime sahip elektrik akımının, kaynak makineleri aracılığıyla, gerilimin 25 - 55 volt ve akım şiddetinin 10 - 600 ampere değiştirilmesiyle elde edilen ve elektrik ark kaynağında kullanılan akıma, kaynak akımı denilir.
Sıçramaların çoğalmasına yol açar.
Yanma oluklarının oluşmasına neden olur.
Düzgün olmayan bir kaynak dikişinin meydana gelmesine neden olur.
Dikişte çatlamalar görülebilir.
Özellikle ince örtülü elektrotlarda, elektrotun ısınıp kızarmasına, dolayısıyla da örtünün ark bölgesine gelmeden yanarak, işlevini yerine getirememesine neden olur.
Bu saydıklarımız, gereğinden fazla tutulmuş kaynak akımının yol açtığı olumsuzluklardır. Bunun tersiyle de karşılaşmak mümkündür. Yani gereğinden düşük tutulmuş kaynak akımı da, olumsuzluklara yol açabilir. Bunlardan bazıları ise şunlardır;
Eriyen metal miktarının azalmasına neden olur.
Nüfuziyet azalır.
Çok düşük akım değerlerinde esas parçada ergime meydana gelmez. Bu nedenle de kaynak metaliyle bir birleşme yapamaz.
Bazı durumlar, kaynak alanının daha az elektron bombardımanına tutulmasını gerektirir. Bazı durumlarda ise bunun tam tersi istenebilir. Bu gibi durumlarda akım ayarının değiştirilmesi yeterli olmaz. Kaynak arkının özelliklerinde bazı değişikliklere gitmek gerekebilir. Bunun için özellikle doğru akımda kutupların yer değiştirilmesi, olumlu sonuçlar alınması için yeterli olur. Kutuplar değiştirilerek elektron bombardımanının elektrottan iş parçasına, ya da iş parçasından elektrota doğru olması sağlanır. Bu konuda unutulmaması gereken, elektronların gidiş yönlerinde, yani bombardımanın olduğu yönde sıcaklığın daha fazla olacağıdır. Çünkü; bilindiği üzere elektronlar, (-) kutuptan (+) kutuba doğru bir ark oluşturma eğilimindedir. Bir bakıma elektronların gidiş yönleri değiştirilerek, sıcaklığın hangi tarafta daha fazla olması isteniyorsa, o tarafa doğru yöneltilmeleri mümkündür. Örneğin bir kaynak dikişi, aşağıdaki şartları taşıması isteniyorsa, elektrotun (-) kutupta, şasenin ise (+) kutupta olması gerekir.
Derin nüfuziyet.
Kaynak ısısından dar etkilenme alanı.
Daha hızlı çalışma ve hızlı ısı akışı nedeniyle, daha az şekil bozuklukları.
Alüminyum, magnezyum ve berilyumlu bakır alaşımları dışında kalan metallerin bir çoğu bu tarz kutuplama ile kaynak edilir. Üzerinde devamlı oksit tabakası bulunan ve yukarıda saydığımız metaller de ise;
Daha az nüfuziyet,
Geniş kaynak dikişi yüzeyi istenir.
Bunların yerine getirilebilmesi için ise, elektrot (+) kutupta, şase ise (-) kutupta (DATK) olur.