Proses faktörlerine ek olarak, oluk boyutu ve boşluk boyutu, elektrot ve iş parçasının eğim açısı ve birleşme yerinin uzamsal konumu gibi diğer kaynak proses faktörleri de kaynak oluşumunu ve kaynak boyutunu etkileyebilir.
Kaynak Akımının Kaynak Oluşumuna Etkisi
Belirli koşullar altında, ark kaynak akımı arttıkça, kaynak dikişinin nüfuz derinliği ve takviyesi artar ve kaynak genişliği de biraz artar. Bunun nedenleri şunlardır:
1) Ark kaynağında kaynak akımı arttıkça, kaynak bölgesine etki eden ark kuvveti artar, arkın kaynak bölgesine verdiği ısı miktarı artar ve ısı kaynağının konumu aşağı doğru hareket eder. Bu durum, erimiş havuzun derinlik yönünde ısı iletimini kolaylaştırır ve nüfuz derinliğini artırır. Nüfuz derinliği yaklaşık olarak kaynak akımıyla orantılıdır. Kaynak nüfuz derinliği H yaklaşık olarak Km × I'ye eşittir. Formülde, Km, kaynak akımı 100 A arttırıldığında kaynak nüfuz derinliğinin milimetre cinsinden artışını gösteren nüfuz katsayısıdır ve Tablo 1-1'de gösterildiği gibi ark kaynak yöntemi, tel çapı, akım türü vb. ile ilişkilidir.
| ark kaynak yöntemleri | elektrot çapı/mm | kaynak akımı/A | voltaj/V | kaynak hızı/mh-1 | penetrasyon katsayısı/m m-100A-1 |
tungsten argon ark kaynağı | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0.8~1.8 |
| | 1.6 nozul açıklığı | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| 3.4 nozul açıklığı | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1.5~2.4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0.7~1.3 |
füzyon elektrotlu argon ark kaynağı | 1.2~2.4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1.5~1.8 |
| CO2 Kaynağı | 0.8~1.6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0.8~1.2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tablo 1-1 Çeşitli ark kaynak yöntemleri ve parametreleri için erime derinliği katsayısı Km (kaynak çeliği)
2) Ark kaynağında kaynak telinin veya kaynak çekirdeğinin erime hızı, kaynak akımıyla orantılıdır. Ark kaynağında kaynak akımının artması, kaynak telinin erime hızının artmasına yol açtığı için, eriyen kaynak teli miktarı yaklaşık olarak orantılı şekilde artarken, kaynak genişliği daha az artar, bu nedenle kaynak takviyesi artar.
3) Kaynak akımı arttıkça, ark sütununun çapı da artar. Ancak, arkın iş parçasına nüfuz ettiği derinlik artar ve ark noktasının hareket aralığı sınırlanır. Bu nedenle, kaynak genişliğindeki artış nispeten küçüktür.
Gaz korumalı metal inert gaz kaynağında (MIG), kaynak akımı arttıkça kaynak nüfuz derinliği de artar. Kaynak akımı çok büyük ve akım yoğunluğu çok yüksekse, özellikle alüminyum kaynağında parmak benzeri nüfuz oluşma olasılığı yüksektir.
Ark geriliminin kaynak oluşumuna etkisi
Belirli koşullar altında, ark gerilimi arttırıldığında ark gücü artar ve kaynak bölgesine aktarılan ısı da artar. Ancak, ark gerilimindeki artış, ark uzunluğunun artırılmasıyla sağlanır. Ark uzunluğundaki artış, ark ısı kaynağının yarıçapının ve ark ısı dağılımının artmasına yol açar. Sonuç olarak, kaynak bölgesine aktarılan enerji yoğunluğu azalır, bu nedenle kaynak derinliği biraz azalırken kaynak dikişinin genişliği artar. Aynı zamanda, kaynak akımı değişmeden kaldığı ve kaynak telinin erime miktarı değişmediği için, kaynak dikişinin takviyesi azalır.
Çeşitli ark kaynak yöntemlerinde, uygun kaynak oluşumunu sağlamak, yani uygun bir kaynak oluşum katsayısı φ'yi korumak için, kaynak akımı artırılırken ark voltajı da uygun şekilde artırılmalıdır. Ark voltajı ve kaynak akımı arasında uygun bir eşleşme ilişkisi olması gerekmektedir. Bu durum en çok sarf edilebilir elektrotlu ark kaynağında görülür.
Kaynak hızının kaynak oluşumuna etkisi
Belirli koşullar altında, kaynak hızının artırılması, kaynak ısı girdisinde azalmaya yol açarak hem kaynak dikişi genişliğini hem de nüfuz derinliğini azaltır. Kaynak uzunluğu başına biriken tel metal miktarı kaynak hızıyla ters orantılı olduğundan, bu durum kaynak dikişi takviyesinde de azalmaya neden olur.
Kaynak hızı, kaynak verimliliğini değerlendirmek için önemli bir göstergedir. Kaynak verimliliğini artırmak için kaynak hızı artırılmalıdır. Ancak, yapısal tasarımda gerekli kaynak boyutunu sağlamak için, kaynak hızı artırılırken kaynak akımı ve ark gerilimi de buna göre artırılmalıdır. Bu üç nicelik birbiriyle ilişkilidir. Aynı zamanda, kaynak akımı, ark gerilimi ve kaynak hızı artırıldığında (yani, yüksek güçlü kaynak arkı ve yüksek kaynak hızı kullanıldığında), erimiş havuzun oluşumu ve katılaşma süreci sırasında alt oyuk ve çatlak gibi kaynak kusurları meydana gelebileceği de göz önünde bulundurulmalıdır. Bu nedenle, kaynak hızındaki artış sınırlandırılmalıdır.
Kaynak akımının türü ve polaritesi ile elektrot boyutunun kaynak oluşumu üzerindeki etkisi
1. Kaynak akımının türleri ve kutupları
Kaynak akımı türleri doğru akım ve alternatif akım olarak ikiye ayrılır. Bunlardan doğru akım ark kaynağı, akımda darbe olup olmamasına göre sabit doğru akım ve darbeli doğru akım olarak; kutupluluğuna göre ise doğru akım pozitif bağlantı (kaynak parçası pozitif kutba bağlanır) ve doğru akım ters bağlantı (kaynak parçası negatif kutba bağlanır) olarak alt bölümlere ayrılır. Alternatif akım ark kaynağı ise farklı akım dalga biçimlerine göre sinüs dalgalı alternatif akım ve kare dalgalı alternatif akım olarak alt bölümlere ayrılır. Kaynak akımının türü ve kutupluluğu, ark tarafından kaynak parçasına aktarılan ısı miktarını etkileyebilir, dolayısıyla kaynak oluşumunu etkileyebilir. Aynı zamanda, damlacık transfer sürecini ve ana metal yüzeyindeki oksit filminin uzaklaştırılmasını da etkileyebilir.
Çelik ve titanyum gibi metal malzemelerin kaynaklanmasında tungsten inert gaz ark kaynağı (TGA) kullanıldığında, kaynak penetrasyonu, doğru akımın pozitif yönde bağlanması durumunda en derin, doğru akımın ters yönde bağlanması durumunda en sığ olur ve alternatif akım ise ikisi arasında yer alır. Doğru akımın pozitif yönde bağlanması durumunda kaynak penetrasyonu en derin olduğundan ve tungsten elektrotun yanma kaybı en az olduğundan, çelik ve titanyum gibi metal malzemelerin kaynaklanmasında TGA kullanımında doğru akımın pozitif yönde bağlanması tercih edilmelidir. TGA'da darbeli doğru akım kaynağı kullanıldığında, darbe parametreleri ayarlanabildiğinden, kaynak oluşum boyutu gerektiği gibi kontrol edilebilir. Alüminyum, magnezyum ve alaşımlarının kaynaklanmasında, ana metalin yüzeyindeki oksit filmini temizlemek için arkın katot temizleme etkisinden yararlanmak gerekir. Alternatif akım daha iyidir. Kare dalga alternatif akımın dalga formu parametreleri ayarlanabildiğinden, kaynak etkisi daha iyidir.
Gaz metal ark kaynağında, doğru akım ters bağlandığında, kaynak penetrasyonu ve kaynak genişliği, doğru akım pozitif bağlantısına göre daha büyüktür. Alternatif akım kaynağında ise penetrasyon ve genişlik bu ikisi arasındadır. Bu nedenle, tozaltı ark kaynağında, daha büyük penetrasyon elde etmek için genellikle doğru akım ters bağlantısı kullanılır; tozaltı ark yüzey kaynağında ise penetrasyonu azaltmak için doğru akım pozitif bağlantısı kullanılır. Koruyucu gazlı gaz metal ark kaynağında, ters doğru akım bağlantısı sadece büyük bir penetrasyon derinliği sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda kaynak arkı ve damlacık transfer süreci doğru akım pozitif bağlantısına ve alternatif akıma göre daha kararlı olduğundan ve katot temizleme etkisi gösterdiğinden yaygın olarak kullanılır. Doğru akım pozitif bağlantısı ve alternatif akım genellikle kullanılmaz.
2. Tungsten elektrot ucu şeklinin, kaynak teli çapının ve uzatma uzunluğunun etkisi
Kaynak elektrotunun ön ucunun açısı ve şekli, arkın yoğunlaşması ve ark basıncı üzerinde büyük etkiye sahiptir. Bunlar, kaynak akımına ve iş parçasının kalınlığına göre seçilmelidir. Genel olarak, ark ne kadar yoğunlaşmış ve ark basıncı ne kadar yüksek olursa, oluşan penetrasyon derinliği o kadar büyük olur, buna karşılık kaynak genişliği azalır.
Gaz metal ark kaynağında, kaynak akımı sabit olduğunda, kaynak teli ne kadar ince olursa, ark ısıtması o kadar yoğunlaşır, nüfuz derinliği artar ve kaynak genişliği azalır. Bununla birlikte, gerçek kaynak projelerinde kaynak teli çapı seçilirken, kötü kaynak oluşumunu önlemek için akım büyüklüğü ve kaynak havuzunun morfolojisi de dikkate alınmalıdır.
Gaz metal ark kaynağında tel uzatma uzunluğu arttırıldığında, telin uzatılmış kısmından geçen kaynak akımının ürettiği direnç ısısı artar, bu da telin erime hızının artmasına neden olur. Bu nedenle, kaynak takviyesi artarken, penetrasyon derinliği bir miktar azalır. Çelik kaynak tellerinin nispeten yüksek özdirenci nedeniyle, tel uzatma uzunluğunun kaynak oluşumu üzerindeki etkisi çelik ve ince tellerle kaynak yaparken nispeten belirgindir. Alüminyum kaynak tellerinin özdirenci nispeten küçüktür, bu nedenle etkisi önemli değildir. Tel uzatma uzunluğunun artırılması tel erime katsayısını iyileştirebilse de, tel erime kararlılığı ve kaynak oluşumu yönlerini kapsamlı bir şekilde ele aldığımızda, tel uzatma uzunluğu için izin verilen bir değişim aralığı vardır.
Diğer proses faktörlerinin kaynak oluşum faktörleri üzerindeki etkisi
Yukarıda belirtilen işlem faktörlerine ek olarak, oluk boyutu ve boşluk boyutu, elektrot ve iş parçasının eğim açısı ve birleşme yerinin uzamsal konumu gibi diğer kaynak işlemi faktörleri de kaynak oluşumunu ve kaynak boyutunu etkileyebilir.
1. Oluk ve boşluk
Elektrik ark kaynağı ile alın kaynağı yapılırken, genellikle kaynak plakasının kalınlığına göre boşluk bırakılıp bırakılmayacağına, boşluk boyutuna ve açılan oluğun şekline karar verilir. Belirli diğer koşullar altında, oluk veya boşluk boyutu ne kadar büyük olursa, kaynaklı kaynağın takviyesi o kadar küçük olur; bu da kaynak pozisyonunun düşmesine eşdeğerdir. Bu durumda, erime oranı azalır. Bu nedenle, boşluk bırakmak veya oluk açmak, takviyenin boyutunu kontrol etmek ve erime oranını ayarlamak için kullanılabilir. Boşluk bırakma ve boşluk bırakmama ve oluk açma yöntemlerinin ısı dağıtım koşulları biraz farklıdır. Genel olarak, oluk açma yönteminin kristalleşme koşulları daha elverişlidir.
2. Elektrot (kaynak teli) eğimi
Ark kaynağında, elektrot eğim yönü ile kaynak yönü arasındaki ilişkiye göre iki tipe ayrılır: elektrotun öne doğru eğimi ve elektrotun geriye doğru eğimi. Kaynak teli eğildiğinde, ark ekseni de buna göre eğilir. Kaynak teli öne doğru eğildiğinde, ark kuvvetinin erimiş metal havuzunu geriye doğru boşaltma etkisi zayıflar. Erimiş metal havuzunun dibindeki sıvı metal tabakası kalınlaşır, penetrasyon derinliği azalır, arkın kaynak bölgesine nüfuz ettiği derinlik azalır, ark noktasının hareket aralığı genişler, kaynak genişliği artar ve takviye azalır. Kaynak telinin öne doğru eğim açısı α ne kadar küçükse, bu etki o kadar belirgindir. Kaynak teli geriye doğru eğildiğinde ise durum tam tersidir. Örtülü metal ark kaynağında çoğunlukla elektrotun geriye doğru eğim yöntemi kullanılır ve 65° ile 80° arasındaki bir eğim açısı α nispeten uygundur.
3. Kaynak parçasının eğimi
Kaynak eğimi, gerçek üretimde sıklıkla karşılaşılan ve yukarı doğru kaynak ve aşağı doğru kaynak olarak ikiye ayrılabilen bir durumdur. Bu durumda, yerçekiminin etkisiyle, erimiş havuz metali eğim boyunca aşağı doğru akma eğilimindedir. Yukarı doğru kaynakta, yerçekimi erimiş havuz metalinin erimiş havuzun kuyruğuna doğru akmasına yardımcı olur, bu nedenle penetrasyon derin, kaynak genişliği dar ve takviye yüksektir. Yukarı doğru açı α 6° ile 12° arasında olduğunda, takviye çok büyük olur ve her iki tarafta da kolayca oyuklar oluşur. Aşağı doğru kaynakta ise, bu etki erimiş havuz metalinin erimiş havuzun kuyruğuna doğru akmasını engeller. Ark, erimiş havuzun dibindeki metali derinlemesine ısıtamaz, penetrasyon azalır, ark noktasının hareket aralığı genişler, kaynak genişliği artar ve takviye azalır. Kaynak eğim açısı çok büyükse, yetersiz penetrasyona ve erimiş havuz metalinin taşmasına yol açar.
4. Kaynak malzemesi ve kalınlığı
Kaynak penetrasyonu, kaynak akımına ve ayrıca malzemenin ısı iletkenliğine ve hacimsel ısı kapasitesine bağlıdır. Malzemenin ısı iletkenliği ne kadar iyi ve hacimsel ısı kapasitesi ne kadar büyükse, birim hacim metali eritmek ve sıcaklığı aynı miktarda yükseltmek için o kadar fazla ısı gerekir. Bu nedenle, kaynak akımı gibi belirli diğer koşullar altında, penetrasyon derinliği ve kaynak genişliği azalacaktır. Malzemenin yoğunluğu veya sıvı viskozitesi ne kadar yüksekse, arkın sıvı erimiş metal havuzunu yerinden çıkarması o kadar zorlaşır ve kaynak penetrasyonu o kadar sığlaşır. Kaynak yapılan parçanın kalınlığı, kaynak yapılan parçanın içindeki ısı iletimini etkiler. Diğer koşullar aynı olduğunda, kaynak yapılan parçanın kalınlığı arttıkça ısı dağılımı artar ve hem kaynak genişliği hem de penetrasyon derinliği azalır.
5. Lehim akısı, elektrot kaplaması ve koruyucu gaz
Farklı kaynak akısı veya elektrot kaplama bileşimleri, arkın elektrot bölgelerinde farklı voltaj düşüşlerine ve ark kolonunun farklı potansiyel gradyanlarına yol açar; bu da kaçınılmaz olarak kaynak oluşumunu etkiler. Kaynak akısının yoğunluğu düşük, parçacık boyutu büyük veya istifleme yüksekliği küçük olduğunda, ark çevresindeki basınç düşüktür, ark kolonu genişler ve ark noktasının hareket aralığı geniştir. Bu nedenle, penetrasyon küçüktür, kaynak genişliği büyüktür ve takviye azdır. Kalın iş parçaları yüksek güçlü ark kaynağı ile kaynaklandığında, ponza taşı benzeri kaynak akısı kullanmak ark basıncını azaltabilir, penetrasyonu düşürebilir ve kaynak genişliğini artırabilir. Ayrıca, kaynak cürufunun uygun viskoziteye ve erime sıcaklığına sahip olması gerekir. Viskozite çok yüksek veya erime sıcaklığı nispeten yüksekse, cüruf yetersiz havalandırılır ve kaynak yüzeyinde birçok çukur oluşması kolaylaşır, bu da kötü kaynak yüzeyi oluşumuna neden olur.
Ark kaynağı için kullanılan koruyucu gazların (Ar, He, N2, CO2 gibi) bileşimleri farklıdır ve termal iletkenlik gibi fiziksel özellikleri de farklıdır. Bu durum, arkın kutupsal bölge gerilim düşüşünü ve ark kolonunun potansiyel gradyanını, ark kolonunun iletken kesitini, plazma akış kuvvetini ve özgül ısı akısı dağılımını farklı kılar. Tüm bu faktörler kaynak dikişlerinin oluşumunu etkiler.
Özetle, kaynak oluşumunu etkileyen birçok faktör vardır. İyi bir kaynak oluşumu elde etmek için, kaynak yapılacak parçanın malzemesine ve kalınlığına, kaynağın uzamsal konumuna, birleşim şekline, çalışma koşullarına, birleşim performansı gereksinimlerine ve kaynak boyutuna göre uygun kaynak yöntemleri ve kaynak koşullarının seçilmesi gerekir. Aynı zamanda, en önemlisi kaynakçının kaynağa karşı tutumudur! Aksi takdirde, kaynak oluşumu ve performansı gereksinimleri karşılamayabilir ve hatta çeşitli kaynak kusurları ortaya çıkabilir.
