Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Kaynak işlemi, günümüzde uygulandığı şekliyle (elektrik ark, lazer, elektron ışını vb.) nispeten yeni bir imalat metodu olarak görülse de aslında kökenleri antik çağlara kadar uzanır. MÖ 1000 civarında, Mısırlılar ve Doğu Akdeniz’deki diğer uygarlıklar dövme kaynağını (forge welding) kullanıyorlardı.

Kaynak işleminden bahsederken sanıyorum aklımızda gelen en temel bilgiler, kaynak işleminin bir birleştirme metodu olduğu ve birleşmenin olması için birleştirilen malzemelerinin “genellikle” erime sıcaklıklarının üzerine çıkartılmaları gerektiğidir.

Dövme kaynağı (forge welding) ile metalleri birleştirebilmek için de ısı gerekliydi! Elektriğin, lazerin, elektron ışınının ya da ultrasonik enerjinin henüz kullanılamadığı bir dünyada ateş insanlara bu imkanı sağlamıştı! İnsanlığın ateşi nasıl keşfettiğine dair mitlerden bir tanesi Yunan Mitolojisine, titanlara ve Panteon’a dayanır. Efsaneye göre, Zeus’un insanları zayıf, çaresiz ve ilkel görmesine başkaldıran Prometheus, asi ruhuyla Olimpos dağından, Hephaistos’un ocağından bir kıvılcım çalarak bunu insanlara armağan eder; insanlara ateş ile birlikte ışık, sıcaklık, ve çok farklı alanlarda kullanabilecekleri bir araç da hediye etmiştir. Zeus bu başkaldırıya çok sinirlenir ve Prometheus’u Kafkası Dağı’nda zincire vurur; orada bir kartal sonsuza kadar her gün Prometheus’u ziyaret edecek ve ciğerinden bir parçayı yiyecektir. Kafkas dağındaki bu işkenceden Prometheus’u Herakles yani Herkül kurtaracaktır!

Bu mitolojik hikayeyi okumanızı tavsiye ederim, ateş aynı zamanda özgürlüğü ve özgür iradeyi de temsil etmektedir. Yunan mitolojisi her ne kadar savaşlar ve fantastik yaratıklar ile ilgili gibi gözükse de barındırdığı hikayelerde insanların yaşadıkları paradoksları, güçle olan ilişkilerini ve bilgiye olan arzularını sıklıkla barındırır.

İkinci ve biraz daha gerçekçi görünen mit ise insanlığın ateşi yıldırım düşmesi ve volkanlar gibi doğa olayları neticesinde bulduğuna dayanır ki bu mit gerçeğe biraz daha yakın gibi. Büyük ihtimalle insanlar, ateşin gücü ve yıkıcı kuvvetini açıklamak için mitlere başvurmuş, siz ne dersiniz?

Rubens_-_Prometheus_Bound-886x1024 Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Rönesans döneminden, Flaman ressam ve diplomat Rubens’in 1611-1612 tarihli Prometheus Bound eseri.

Dövme kaynağı (forge welding), milattan önce insanların silah, alet ve diğer gereçleri yapmada kullandıkları sıcak dövmenin doğal bir uzantısıydı. Arkeologlar, Mısır piramitlerinde bronz dövme kaynağıyla üretilmiş eserler buldular. Orta Çağ’a kadar, demircilik zanaatı, kaynak sanatını çekiçle şekillendirme yoluyla yüksek bir olgunluk seviyesine ulaştırdı. Hindistan ve Avrupa’da da bu döneme ait demir ve diğer metallerden yapılmış kaynak işlemiyle birleştirilerek üretilmiş objeler bulunmuştur.

blacksmith-1-743x1024 Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Dövme kaynağı görseli.

Bir demirci (blacksmith), ferforje, çelik veya diğer metallerden metali döverek, çekiçlemek, bükmek ve kesmek için aletler kullanarak nesneler yaratan bir metal ustasıdır. Demirciler, kapılar, ızgaralar, korkuluklar, aydınlatma armatürleri, mobilyalar, heykeller, aletler, tarım aletleri, dekoratif ve dini eşyalar, mutfak eşyaları ve silahlar gibi nesneler üretirler. Blacksmith kelimesindeki “black” yani siyah ise ısıtma sırasında metal parçanın yüzeyinde oluşan oksit tabakasının renginden gelir.

“Ferforje” kelimesi Fransızca kökenli “fer forgé” (dövülmüş demir) teriminden gelir ve Türkçede genellikle “dövme demir” anlamında kullanılır. Ancak ferforje, özellikle dekoratif ve estetik amaçlarla işlenmiş dövme demir ürünleri ifade etmek için yaygınlaşmıştır. Dövme demir, dökme demire kıyasla çok düşük bir karbon içeriğine (yüzde 0,05’ten az) sahip bir demir alaşımıdır (dökme demirde bu oran yüzde 2,1 ila 4,5 arasında değişir). Dövme demir serttir, işlenebilir. Sünek ve korozyona dayanıklıdır. Dövme demir dövülerek kolayca kaynak yapılabilir ancak elektrikle kaynağı zordur.

İnsanoğlu kaynak işleminde ilerleme sağlamak için 1800’lü yıllara kadar beklemek zorunda kaldı. Neyse ki İngiltere’den çıkan iki önemli keşif yüzyıllar süren bu durumu değiştirdi; İngiliz bilim insanı Sir Humphrey Davy elektrik arkı ve asetilen gazını keşfetti!

Asetilen gazı oksijenle birlikte kullanıldığında en yüksek alev sıcaklıklarından birine, 3500 °C’ye kadar ulaşabilir, böylece metallerin hem kesilmesinde hem de birleştirilmesinde çok yaygın olarak kullanılır.

Davy, 1801 yılında ilk defa iki karbon elektrot arasında bir elektrik arkı oluşturulabileceğini gözlemledi. Tabi bu hemen kaynak işleminin yaygınlaşmasını sağlayamadı, elektrik arkının sürekliliğini sağlamak için bir elektrik jeneratörüne ihtiyaç vardı. Neyse ki ilk elektromanyetik jeneratör olan Faraday diski, 1831’de İngiliz bilim adamı Michael Faraday tarafından icat edildi! Davy’den yaklaşık 80 yıl sonra bu sefer bir Rus bilim insanı, Nikolai Benardos, karbon ark kaynağı işlemi için 1885 yılında İngiltere ve ABD’de bir dizi patent aldı ve 19. yüzyılın sonlarına gelindiğinde, karbon ark kaynağı ticari bir süreç olarak yaygınlaşmaya başladı. 1890’larda, nihayet hidrojen ve doğal gaz oksijenle karıştırılarak kaynak yapıldı.

Kendi kendini yetiştirmiş bir kimyager ve mucit olan Davy, 18. yüzyılın sonlarında kimya hareketinin önemli bir lideri ve elektrokimyanın öncülerinden biri haline geldi. Davy’nin insanlığa bir başka büyük katkısı da magnezyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum gibi birkaç yeni elementi keşfetmesidir.

Nikolay Nikolayeviç Benardos (1842–1905), Yunan kökenli, Rus İmparatorluğu’ndan bir mucitti. 1881 yılında, ilk pratik ark kaynağı yöntemi olan karbon ark kaynağını tanıtmıştı.

Karbon ark kaynağına da kısaca değinelim; elektrik arkı kullanılarak bir karbon elektrot ile iş parçası arasında oluşturulan yüksek sıcaklık sayesinde metalin eritilerek birleştirildiği bir kaynak yöntemidir. Bu yöntemde kaynak arkı, karbon elektrot ile iş parçası arasında oluşur ve kaynak bölgesine ek metal genellikle manuel olarak elle beslemeyle eklenir. Düşük hassasiyetli işler için kullanılır. Günümüzde uygulama alanı çok sınırlıdır.

patent-elektrikarkkaynagi Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Benardos ve sponsoru Stanisław Olszewski’ye 1887 yılında verilen, ark kaynağı yöntemine ait patentin bir görseli.

1892 yılında, Amerikalı Charles Coffin, metal elektrot kullanan bir ark kaynak işlemi için ABD’de patent aldı. Bu yöntemin en önemli katkısı, tüketilebilir metal elektrot fikrinin ilk defa uygulanmış olmasıdır. Bu teknikte elektrot, kaynak sırasında eriyerek kaynak bölgesine dolgu metali sağlıyordu. Bu yenilik, kaynak işleminin daha etkili ve dayanıklı hale gelmesini sağladı. Coffin’in bu buluşu, modern kaynak tekniklerinin gelişiminde bir dönüm noktası oldu, bugün sıklıkla kullanılan MIG ve TIG kaynak yöntemlerinin temelini oluşturdu.

1900’lü yıllardan itibaren İngiltere ve İsveç’te metal ark kaynak süreci üzerine çeşitli geliştirmeler yapıldı. Bunlardan biri kaynak sürecini çevresel etkilerden korumak için metal elektrotun kaplanmasıydı. Karbon ark kaynağına paralel olarak, 1885 ve 1900 yılları arasında, Thompson tarafından direnç kaynağının temelleri atıldı. Thompson’ın bu çalışmaları arasında sac metal işleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılan nokta kaynağı (spot welding) ve dikiş kaynağı (seam welding) bulunmaktaydı. Thompson, İngiltere, ABD ve Fransa’da teknoloji alanında dönemin en önemli firmalarında kritik görevler almış çok başarılı bir mühendis ve mucitti.

Günümüze yaklaştıkça kaynak işlemindeki ilerleme ve kaynak işleminin karmaşıklığı hızla arttı. Günümüzde robotik otomasyon sistemleri, kaynak süreçlerini daha hızlı, daha hassas ve daha iyi tekrarlanabilir hale getirirken lazer kaynak teknolojisi, elektron ışını kaynağı gibi ileri seviye uygulamalar özellikle yüksek hassasiyet ve düşük ısı girişi gerektiren uygulamalarda önemli bir yer edinmeye başladı.

Sürtünme karıştırma kaynağı (Friction Stir Welding) gibi yenilikçi süreçler, geleneksel kaynak yöntemlerinin yanında daha güçlü ve hafif bağlantılar sağlayarak havacılık ve otomotiv endüstrilerinde devrim yaratan uygulamalar olarak yerlerini aldı. Bu noktada vurgulamanın önemli olduğunu düşündüğüm üç boyutlu baskı yöntemi ve kaynak işleminin bir araya geldiği doğrudan metal biriktirme yani Direct Metal Deposition gibi teknikler, bizlere fonksiyonelliğin, kalite, tedarik zamanı, maliyet ve üretilebilirlik gibi gereksinimlerle birlikte sağlanabilmesi açısından çok büyük avantaj sağlamaktadır. Bu imalat tekniklerinin tamamına eğitimlerde detaylı ve pratik tasarım kurallarıyla değiniyoruz.

Daha yüksek hassasiyet, verimlilik ve güvenlik ihtiyaçları kaynak teknolojisinin sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Gelişmelerin bir çoğu, ısıdan etkilenmiş bölgelerin en aza indirilmesine odaklanır, bu sayede hem ince malzemeler, hem farklı tipte malzemeler yüksek hassasiyetten ödün vermeden kaynaklanabilmektedir. Benzer şekilde, insana bağlı hataları en aza indirmek, kaynak işleminin yetkinliğini (process capability) ve güvenilirliğini (reliability, repeatability, yield…) arttırmak da günümüzdeki odak noktalarıdır. Bu gelişmelerden öne çıkanları kısaca özetlemeye çalışırsak:

  • Lazer Kaynağı: Yüksek güçlü lazerlerin gelişmesiyle, ince ya da farklı malzemeler üzerinde son derece hassas bağlantılar elde etmek mümkün hale gelmiştir. Lazer kaynak, otomotiv, havacılık ve elektronik sektörlerinde hızı ve minimum ısıdan etkilenmiş bölgeleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır.
  • Sürtünme Karıştırma Kaynağı (FSW): 1990’larda icat edilen bu yöntem, aluminyum ve diğer demir dışı metalleri birleştirmek için idealdir. Tamamen sürtünme ısısı ile gerçekleşen bu işlem, mükemmel mekanik özelliklere sahip bir kaynak oluşturur.
  • Doğrudan metal biriktirme: Üç boyutlu baskı yöntemi ve kaynak işleminin prensiplerini kullanarak malzemeleri katman katman eklemeye dayanan bu hibrid yöntem ile, karmaşık geometrilerin üretiminde malzeme israfı çok büyük ölçüde azaltılabilir.
  • Otomatik Kaynak Sistemleri: Otomasyon, özellikle yüksek hacimli endüstrilerde kaynak süreçlerinde kaçınılmazdır. Modern robotik sistemler, gelişmiş sensörler ve yapay zeka (AI) ile esnek, yalın üretim bantlarını meydana getirilmektedir. Bu sistemler sayesinde insan hatası en aza indirilerek, güvenilirlik ve kalite garanti altına alınır.
laser-welding-1-1024x631 Kaynak İşlemi Hakkında Kısa Notlar

Tamamen otomatikleştirilmiş lazer kaynağı ile üretim sürecine ait bir görsel.

Tasarımcılar için, kaynak işleminin yetenek ve sınırlarını anlamak çok önemlidir. Ancak bu sayede tasarımlarında üretilebilirliği ve dolayısıyla maliyeti, tedarik sürelerini ve kaliteyi doğru şekilde uygulayabilirler.

Uygun malzeme seçimi, doğru bağlantı tasarımı ve doğru tolerans tanımları eğitimlerde temel odak noktamız. Kaynak işleminin tipi, sayı ve adetinin doğru belirlenmesi, teknik çizimde doğru gösterimi, fonksiyonel analizlerinin doğru yapılması (yük dağılımı, mukavemet gibi…), tasarımların güvenliğib (safety), güvenilirliği (reliabiltiy), maliyeti (cost), üretilebilirliği (manufacturability) ve en önemlisi fonksiyonelliği (functionality) için olmazsa olmazdır.

Bunların yanında üretilen parçanın doğrulanması için uygun denetim metotlarının tanımlanması da önemlidir (Part / Design Qualification). Kıscası kaynak işlemi, malzeme, makine, üretim, kalite mühendislerinin birlikte, yakın temas ile çalışmalarını gerekli kılan çok özel bir üretim metodudur.

Yazının sonuna gelirken….

Kaynak işlemi, binlerce yıllık serüveninde, dövme kaynağından günümüzdeki ileri düzey süreçlere kadar uzun bir yol kat etti ve bizlere, insanoğluna hayal ettiklerimizi gerçekleştirmede büyük katkı sağladı. Bu yazıda bahsettiğim noktaların sizlere faydalı olduğunu umuyorum. Eğer yazıyı beğendiyseniz, paylaşarak daha fazla kişiye ulaşmasına katkıda bulunabilirsiniz! Ayrıca yorumlarınız ve görüşleriniz benim için çok değerli; lütfen düşüncelerinizi paylaşmaktan çekinmeyin.

Kaynak işlemi, üretilebilirlik (DfM) açısından doğru kararlar vermeyi gerektirir özellikle tek seferde doğru, üretilebilir tasarımlar yapmak istiyorsanız… Kaynak işlemi ve diğer üretim metotları hakkında daha fazla bilgi almak veya özel eğitimler hakkında konuşmak isterseniz, bana her zaman ulaşabilirsiniz.

Bir sonraki yazıda görüşmek dileğiyle, vakit ayırıp okuduğunuz için teşekkür ederim!

gdt-mini Kaynak İşlemi Hakkında Kısa NotlarBu yazıya ilgi gösterip bana e-posta veya mesaj gönderen herkese, GD&T’de en sık karşılaşılan 10 hatayı içeren özel bir poster hediye etmek istiyorum. Umarım bu küçük hediye, günlük mühendislik çalışmalarınızda faydalı olur.

Share this content:

Yorum gönder