Kaynak tekniğinin temelleri
Kaynak, aynı veya benzer bileşimli metallerin, ısı etkisi altında, aynı veya benzer metal eklenerek ya da eklenmeden birleştirilmesidir. Kaynak sayesinde parçalar birbirinden ayrılmayacak şekilde bağlanır ve tek bir bütün oluşur. İyi kaynak, yalnızca kaynak yerinde esas malzemenin de eridiği durumda sağlanan sıkı bir birleşmeyi gerektirir (kaynak bölgesi).
Elektrik ark kaynağı
Çelik konstrüksiyonlar için öncelikle, gerekli ısıyı elektrikli ark ile sağlayan ark kaynağı dikkate alınır. Ark, esas parça ile sözde elektrot arasında oluşur; elektrot bu sırada erir ve ilave malzemeyi verir. İlave malzemenin (elektrodun) doğru seçimi, kaynaklı bağlantının özellikleri üzerinde en büyük etkiye sahiptir. Elektrotlar, kaynak yapılacak esas malzemenin karakteristik dayanımlarına göre seçilir. Elektrot seçimi ve kaynak koşullarının belirlenmesi uzmanlık bilgisi gerektirir; bu nedenle, görevi diğerlerinin yanı sıra kaynak işlerini denetlemek ve kaynakçıların belgelendirmelerini düzenli olarak yenilemek olan, özel eğitimli “kaynak tekniği mühendisleri uzmanları” kurumu oluşturulmuştur.
Gaz kaynağı ve kesme
Gaz kaynağında gerekli ısı, gazın yanmasıyla üretilir; böylece esas ve ilave malzeme erime noktasına gelir. Daha önemli olan _kesme_dir. Kesme brülörü, kaynağa benzer şekilde çalışan ısı borusunun yanında, oksijen için bir kesme borusuna daha sahiptir. Sıcak alevle ısıtılan çelik delinerek oksijen akımıyla üflenip uzaklaştırılır. Kesme, daha ileri işlem gerektirmeden birçok çelik konstrüksiyon amacı için yeterli olan pürüzsüz ve hassas yüzeyler sağlar.
Kaynaklanabilirlik
Kaynaklı birleşimlerin değerlendirilmesinde, kaynak işlemi sırasında ilave malzemenin ve ana malzemenin bileşiminin önemli ölçüde değişebileceği dikkate alınmalıdır. Yapı değişimi de büyük önem taşır – erimiş dikiş ile değişmemiş ana malzeme arasında, ısıl etkinin derecesine bağlı olarak, çeşitli yapıda ve dolayısıyla çeşitli özelliklerde bir bölge bulunur. Dikişin yanında ana malzemenin eridiği bölge (kaynak nüfuziyet bölgesi) yer alır ve burada kaynak bölgesi ile ana malzeme arasında birleşme gerçekleşir. Çevredeki malzeme bölgesi de hâlâ güçlü biçimde ısıtılmıştır, her ne kadar burada artık erime noktasına ulaşılmamış olsa da. Bu aşırı ısınma bölgesinde büyük yapı değişimleri meydana gelir; bu nedenle çoğu zaman tüm kaynaklı birleşmenin özellikleri açısından belirleyicidir.
Dikiş çatlaması, dikişte kaynaklamadan hemen sonra yüksek sıcaklıkta ya da belki ancak mavi kızarma bölgesine kadar soğuma sırasında oluşan çatlakların ortaya çıkması anlamına gelir (yaklaşık 300oC). Çatlamışlık büyük ölçüde elektrotların bir özelliğidir; neredeyse yalnızca çelik yapılar için tam da önemli olan kaplı elektrotlarda görülür. Çatlakların oluşması için iki koşulun sağlanması gerekir: kaynak işlemi veya diğer dış etkiler nedeniyle yüksek gerilmeler ile malzemenin rijitliğinin artması.
Malzemenin bileşimi ve yapısındaki metalurjik değişmelerin yanı sıra, kaynağın malzemeye verdiği büyük miktardaki ısıyla ve bu sırada ulaşılan yüksek sıcaklıklarla bağlantılı fiziksel süreçler de önemlidir. Isıtma eşit biçimde gerçekleşmez, yalnızca dar sınırlı bölgelerde olur. Isınmayla bağlantılı ısıl genleşme, ısıtılan bölgenin iç gerilmeleri nedeniyle ısıtılmamış malzeme tarafından engellenir. Buna bir de dış gerilme eklenir, çünkü kaynak sırasında parçaların sıkıca sabitlenmesi gerekir; bu yüzden ısınma sırasında plastik sıkışmalar oluşur. Soğuma sırasında dikiş ve çevresi en güçlü biçimde büzülür (çekme). Soğuma sırasında, engellenmiş uzama nedeniyle zorlanma gerilmeleri (büzülme gerilmeleri) ortaya çıkmalıdır. Kaynak yapılacak parçaların 200 oC ile 300 oC arasında önceden ısıtılmasıyla soğuma belirgin biçimde yavaşlatılabilir. Su verme etkisinin azalması sayesinde yapı oluşumu daha iyi olur, sertleşme daha az kalır.
Malzeme ve kaynak işlerinin muayenesi
Genel: Kaynak işlerinin kalitesi bir dizi koşula ve son olarak da uzman işçinin becerisi ile güvenilirliğine bağlı olduğundan, tüm kaynak çalışmalarının dikkatli biçimde denetlenmesi ve test edilmesi gereklidir. Testler arasında, malzemelerin ve elektrotların kaynak kabiliyetini belirlemeye yönelik olanlar, belirli bir durum için kaynak koşulları ve kaynak yöntemlerinin karşılaştırılması, numune testleri vb. sayılır.
Şek. 1 - Kaynak dikişinin eğilme deneyi
Kaynak dikişi eğme deneyi: Bu, dikdörtgen kesitli basit bir kirişin eğilme deneyidir (şek. 1); burada çekme lifindeki yarım daire biçiminde işlenmiş boyuna oluk, oda sıcaklığında tek bir tabaka ile yeniden kaynaklanır. Dikiş, şekillenebilirliği ciddi biçimde azaltır; bu nedenle deney numuneleri çoğu zaman tamamen gevrek ve ani biçimde kırılır. İnce levhalarda eğilme açısı daha büyüktür, levha kalınlığı arttıkça azalır.
Çentik tokluğu: Dikişin eğilme deneyinde çoğunlukla önce dikişte çatlaklar oluşur ve gevrek kırılma meydana gelir. Esas malzeme, dikişin gevrek biçimde patlaması sırasında aniden ortaya çıkan yükü taşıyabilecek durumda olmalıdır. Kaynak bölgesindeki çatlağın ana malzeme içinde hızlıca yayılmaması, çatlağın yalnızca yavaş ilerlemesine izin verilmesi istenir. Esas malzeme bu ani yükü karşılayacak kadar tok olmalıdır ve bu yetenek düşük sıcaklıklarda da yeterli ölçüde korunmalıdır. Çentik tokluğu, diğer mekanik özellikler gibi, büyük ölçüde deneyin yapıldığı sıcaklığa bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda, örneğin 0 oC’nin altında, bu değer 20 oC’deki değerinin bir kısmına düşebilir. Bu ani düşüşün konumu, bir malzemenin değerlendirilmesi açısından önemlidir. Kaynaklı çelik yapılar için bugün, iyi yaşlanma direncine sahip bir malzeme, yani soğukta darbe çentik dayanımı yüksek bir malzeme talep edilmektedir.
Şek. 2 - Çentik gerilme durumunda deformasyon
Sertlik: Kaynak bölgesindeki sertlik olayları büyük önem taşır. Sertlik artışının bilinmesi önemlidir; çünkü kopma uzaması sertlik arttıkça hızla azalır (şek. 3), buna karşılık çekme dayanımı σB, Brinell sertliği HB ile neredeyse orantılı olarak yükselir. Yapı çelikleri için yaklaşık olarak σB = 0,36*HB’dir. Bir I-kirişin ana köşe dikişindeki sertliğe ait bir örnek şek. 4’de gösterilmiştir. Geçiş bölgesinde çok küçük mesafelerde büyük sertlik farklılıkları vardır. Sertlik seyri, oluşan yapıya bağlıdır. σ-ε-l eğrisi, gerilme durumundaki çentik etkisinde olduğu gibi sertlikle benzer biçimde değişir (şek. 2).
Şek. 3 - Brinell sertliği ve uzama
Şek. 4 - Kaynaklı bir I-kirişin boynunda kaynak bölgesindeki sertlikler
Bitmiş kaynaklı birleştirmelerin tahribatsız muayenesi
Aydınlatma – İnce kalınlıklarda aydınlatma sırasında radyografik görüntü bir ekranda görünür hale getirilebilir. Röntgen ışınları yerine radyoaktif maddelerin gama ışınları kullanılabilir. Radyografik görüntü, kaynağın kalitesi hakkında sonuç çıkarmaya imkân verir. Kalıntı cüruf veya gözenekler ile bağlanma kusurları ve çatlaklar bu yolla tespit edilebilir ve gerekirse giderilebilir.
Manyetik akı yöntemi – İncelenen çeliğin ilgili bölümünde manyetik alan oluşturulur ve sonra serpilen talaşlar alan doğrultusunda dizilir. Manyetik alandaki olası düzensizliklerden çatlaklar belirlenebilir. Yöntem özellikle yüzey çatlaklarını bulmada etkilidir, ancak cüruf kalıntılarına ve gözeneklere, ayrıca daha kalın levhaların iç kısmındaki çatlaklara karşı görece duyarsızdır.
Ultrason ile muayene – Ultra kısa ses dalgaları yalnızca sınır yüzeylerinde değil, aynı zamanda iç kısımdaki ayırıcı yüzeylerde de, örneğin çatlaklarda veya ayrılmalarda yansır.