1.GİRİŞ
1.1.Teori
Kaynak, malzemelerin kaynak bölgesinde ısı ve/veya basınç yardımıyla ilave malzeme kullanarak veya kullanmadan birleştirilmesi işlemidir. Kaynak, uygulanacağı malzemenin cinsine göre metal kaynağı ve plastik malzeme kaynağı olarak sınıflandırılabilir. * Metal Kaynağı: Metalik malzemeyi, ısı ve/veya basınç kullanarak, başka bir malzeme katarak veya katmadan birleştirmeye denir. Başka bir malzeme eklenecek olması durumunda, erime aralığı başlangıç metali ile aynı veya benzer bir malzeme olmasına dikkat edilmelidir. İki parçanın birleştirilmesinde ilave bir metal kullanılıyor ise bu malzemeye “ilave metal” adı verilir. * Plastik Malzeme Kaynağı: Aynı veya farklı türden termoplastik (sertleşmeyen plastik) ısı ve basınç kullanarak ve aynı türden bir plastik malzeme kullanarak veya kullanmadan birleştirmeye “plastik malzeme kaynağı” adı verilir.
Kaynakta, kaynak bölgesinin yerel özelliklerinin ve birleştirilen parçaların tüm konstrüksiyona etkilerinin önceden belirlenmiş koşulları sağlaması gerekir. İmalat tekniğinde amaç, yalnızca parçaların birleştirilmesiyle yeni parça elde edilmesi değil, aynı zamanda, yapılan parçanın çalışma şartlarında bozulmaması ve görevini yerine getirmesi gerekir. Bu nedenle, kaynaklı bağlantıların bazı şartları sağlamaları istenir. Sözkonusu şartların sağlanma derecesi, kaynaklanan malzemenin “kaynak kabiliyeti” olarak adlandırılır [4].
Bir malzeme, eğer belirli konstrüksiyon ve imalat şeklindeki özellikleri, kendisinden beklenen her talebe uygun bir kaynak kalitesine ulaşabiliyorsa, o malzeme “kaynağa uygun” demektir.
Bir konstrüksiyon, eğer belirli bir malzeme ve imalat yöntemleri ile oluşturulduktan sonra, önceden tespit edilmiş işletme şartları altında kendisinden beklenen fonksiyonları yerine getirebiliyorsa, “kaynak emniyetine sahip” demektir.
Bir kaynaklı imalat, belirli malzemelerden oluşturulmuş bir konstrüksiyon halinde, önceden tespit edilmiş imalat şartları altında kolayca imal edilebiliyorsa kaynak, “yapılabilirliğe sahip“ demektir.

1.1.1.Kaynak Yöntemleri
Eritme kaynağı ve katı hal kaynağı, kaynak yöntemlerinin iki temel kategorisini oluşturur. Eritme kaynağında, birleştirilecek iki parçanın bazen, bağlantı yerine ilave metal eklenerek eritilmesiyle birleştirme gerçekleştirilir. Elektrik ark kaynağı ve gazaltı ark kaynağı başlıca eritme kaynağı usulleridir.
Katı hal kaynağında birleştirmeyi oluşturmak için ısı ve/veya basınç kullanılır; ancak esas metallerde erime olmaz ve ilave metal kullanılmaz. Örnek olarak dövme (demirci) kaynağı, difüzyon kaynağı ve sürtünme kaynağı gösterilebilir.
Ark Kaynağı (Arc Welding-AW)
Metallerin birleştirilmesinin, bir elektrot ile parça arasındaki elektrik arkının ısısı ile gerçekleştirildiği bir eritme kaynak yöntemidir. Ark kaynağı yönteminde, arkın ürettiği elektrik enerjisi, herhangi bir metali eritmeye yeterli sıcaklıklar oluşturur ( ~ 5500 °C). Çoğu ark kaynak yöntemlerinde, kaynaklı bağlantının hacmini ve dayanımını arttırmak için dolgu (ilave) metal eklenir.
Elektrik Ark Kaynağı
Elektrik arkı, bir devredeki aralıktan geçen elektrik akım deşarjı olarak tanımlanabilir. Kaynaklı bağlantı için gerekli ısının elektrotlar arasında oluşturulduğu ve ark vasıtasıyla sağlandığı eritme kaynağı türüne “elektrik ark kaynağı” denir [1]. Bu yöntemde, ark kaynağında arkı başlatmak için elektrot, parça ile temas haline getirilir ve hemen ayrılarak kısa bir mesafede tutulur. Ark kaynaklarında tükenebilir ve tükenmeyen elektrot kullanılabilir. Tükenen elektrot dolgu metali işlevi görüp çubuk veya tel şeklindedir. Tel şeklinde olanlar için işlem sırasında sürekli besleme yapılır. Tükenmeyen elektrotlar tungstenden yapılmış olup ergimeye karşı dayanıklıdır. Oluşan ark sayesinde yüksek derecede ısı elde edilir. Yüksek sıcaklıklarda metallerin hava ile reaksiyona girmesini önlemek için işlemde kullanılan arkın havadan korunması gerekir. Al, Al alaşımları ve paslanmaz çelik için korunak gazı olarak asal gazlar (He, Ar), orta ve düşük karbonlu çelikler için de CO2 kullanılır [3]. Bunun yanı sıra kaynaklama işlemi sırasında oksitlerin ve diğer kirliliklerin oluşmasını önlemek amacıyla erikten kullanılır. Eritken kaynak işlemi için koruyucu ortam yaratır ve arkı kararlı hale getirir.

a-Örtülü Metal Ark Kaynağı Örtülü metal ark kaynağı, kaynak için gerekli ısının, örtü kaplı tükenen bir elektrod ile iş parçası arasında oluşan ark sayesinde ortaya çıktığı, elle yapılan bir ark kaynak yöntemdir. Kaynak yapılan bölge bazı durumlarda, koruma gazı olarak da bilinen birgaz ile korunarak örtülü elektrod ark kaynağı yapılır. Elektrodun ucu, kaynak banyosu, ark ve iş parçasının kaynağa yakın bölgeleri, atmosferin zararlı etkilerinden örtü maddesinin yanması ve ayrışması ile oluşan gazlar tarafından korunur [5]. Ergimiş örtü maddesinin oluşturduğu cüruf, kaynak banyosundaki ergimiş kaynak metali için ek bir koruma sağlar. İlave metal (dolgu metali), tükenen elektrodun çekirdek teli ve bazı elektrodlarda da elektrod örtüsündeki metal tozları tarafından sağlanır. Örtülü elektrod ark kaynağı sahip olduğu avantajları nedeniyle metallerin birleştirilmesinde en çok kullanılan kaynak yöntemidir. Bu yöntemin avantajları ve dezavantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir. | | |

Avantajları: | 1. Örtülü elektrod ark kaynağı açık ve kapalı alanlarda uygulanabilir. 2. Elektrod ile ulaşılabilen her noktada ve pozisyonda kaynak yapmak mümkündür. 3. Diğer kaynak yöntemleri ile ulaşılamayan dar ve sınırlı alanlarda kaynak yapmak mümkündür. 4. Kaynak makinesinin güç kaynağı uçları uzatılabildiği için uzak mesafedeki bağlantılarda kaynak yapılabilir. 5. Kaynak ekipmanları hafif ve taşınabilirdir | | |
Dezavantajları : 1. Örtülü elektrod ark kaynağının metal yığma hızı ve verimliliği pek çok ark kaynak yönteminden düşüktür. Elektrodlar belli boylarda kesik çubuklar şeklindedir, bu nedenle her elektrod tükendiğinde kaynağı durdurmak gerekir. 2. Her kaynak pasosu sonrasında kaynak metali üzerinde oluşan cürufu temizlemek gerekir.

b-Gazaltı Ark Kaynağı
Gaz altı kaynağı, kaynak için gerekli ısının, tükenen bir elektrod ile iş parçası arasında oluşan ark sayesinde ortaya çıktığı bir ark kaynak yöntemidir. Kaynak bölgesine sürekli şekilde beslenen (sürülen), masif haldeki tel elektrod ergiyerek tükendikçe kaynak metalini oluşturur.
Elektrod, kaynak banyosu, ark ve iş parçasının kaynağa yakın bölgeleri, atmosferin zararlı etkilerinden kaynak torcundan gelen gaz veya karışım gazlar tarafından korunur [2]. Gaz, kaynak bölgesini tam olarak koruyabilmelidir, aksi taktirde çok küçük bir hava girişi dahi kaynak metalinde hataya neden olur. 1. Gaz altı kaynağı örtülü elektrod ark kaynağına göre daha hızlı bir kaynak yöntemidir. Çünkü; Tel şeklindeki kaynak elektrodu kaynak bölgesine sürekli beslendiği için kaynakçı örtülü elektrod ark kaynak yönteminde olduğu gibi tükenen elektrodu değiştirmek için kaynağı durdurmak zorunda değildir. 2. Cüruf oluşmadığı için örtülü elektrodlardaki gibi her paso sonrası cüruf temizliği işlemi yoktur ve kaynak metalinde cüruf kalıntısı oluşma riski olmadığından, daha kaliteli kaynaklar elde edilir. 3. Gaz altı kaynağında derin nüfuziyet sağlanabildiği için bazen küçük köşe kaynakları yapmaya izin verir ve örtülü elektrod ark kaynağına göre daha düzgün bir kök penetrasyonu sağlar. 4. Hem yarı otomatik hem de tam otomatik kaynak sistemlerinde kullanıma çok uygundur.
Dezavantajları : 1. Gaz altı kaynak ekipmanları, örtülü elektrod ark kaynağı ekipmanlarına göre daha karmaşık, daha pahalı ve taşınması daha zordur. 2. Gaz altı kaynak torcu iş parçasına yakın olması gerektiği için örtülü elektrod ark kaynağı gibi ulaşılması zor alanlarda kaynak yapmak kolay değildir. 3. Gaz altı kaynağı, gaz korumasını kaynak bölgesinden uzaklaştırabilecek hava akımlarına karşı ek bir koruma gerektirir. Bu nedenle, örtülü elektrod ark kaynağına göre açık alanlarda kaynak yapmaya uygun değildir.

1.1.2. Kaynak Bölgesinin Yapısı
Eritme kaynaklı bir birleştirmede oluşan yapı; kaynak bölgesi, kaynak ara yüzü, ısı tesiri altındaki bölge ve ısıdan etkilenmeyen bölgedir. Kaynak bölgesinde ergimiş taban metali ve dolgu metalinin karışımı bulunur. Bu bölgede mikro yapıyı direksi taneler oluşturur. Kaynak ara yüzü ise kaynak bölgesi ve ısı tesiri altındaki bölgeyi birbirinden ayırır. Ara yüzün kimyasal bileşimi taban metal ile aynıdır. Taban metalde erime sıcaklığının altındaki sıcaklıkların oluşturduğu bölge ısı tesiri altındaki bölgedir. Bu sıcaklıklar bu bölgedeki metalde mikro yapı değişikliklerine yol açar. Bu bölgede kimyasal yapı taban metalle aynıdır ancak ısıl işlem gördüğü için mikro yapısı farklıdır. Mekanik özelliklere etkisi olumsuz olup kaynak hataları genelde bu bölgede olur. Kaynak bölgesinden uzaklaşıldığında ısıdan etkilenmeyen bölgeye ulaşılır. Bu bölgede herhangi bir metalurjik değişim görülmez. Şekil 1’de bir eritme kaynağının tipik bölgeleri görülmektedir [3]. Şekil 1- Bir eritme kaynağının tipik bölgeleri

1.2.Deneyin Amacı
Bu deneyde, örtülü elektrot ark kaynağı ve gazaltı ark kaynağı yöntemlerinin metal malzemeye uygulanması ve bu işlemler sonucu oluşan mikroyapıların incelenmesi amaçlanmıştır. Bu işlemlerin ardından kaynak bölgelerinden sertlik değerleri de alınacaktır. Metal malzeme olarak St35 çelik levhalar kullanılacaktır.

2. DENEY YÖNTEMİ:
Deneyde, önceden puntalanarak kaynak ağzı açılıp kaynak yapmaya hazır hale getirilmiş St35 çelik levhalar kullanılmıştır. Bu levhalara sırasıyla örtülü elektrot ark kaynağı ve gazaltı ark kaynağı yöntemleri uygulanmıştır.
İlk olarak çelik levhalara elektrik ark kaynağı yöntemiyle kaynak yapılmıştır. Bu yöntemi uygulamaya başlamadan önce kaynağı yapacak kişi tarafından önlük, eldiven ve maske gibi gerekli güvenlik önlemleri alınmıştır. Çelik levhalar kaynak tezgahına yerleştirildikten sonra elektrot, kaynağın yapılacağı hat üzerinde bir uçtan diğer uca doğru gezdirilmek suretiyle levhaların birleşmesi sağlanır. Bu yöntemde kullanılan, etrafı çeşitli kimyasallarca kaplı olan çubuk elektrot tükenir yapıdadır ve kaynak yapılan bölgede cüruf oluşumu gözlenmiştir. Kaynak bölgesini kirlilikten ve oksitlenmekten koruyan cüruf tabakası kırıldıktan sonra bu bölgeden bir kesit alınarak mikroyapı incelemesi yapılır. Daha sonra ise sertlik ölçümü de alınır.
İkinci olarak St35 çelik levhalara gazaltı ark kaynağı yöntemiyle birleştirme işlemi uygulanmıştır. Bu yöntemde de uygulamaya geçmeden önce önlük, maske, eldiven ve koruyucu cam bölge önlemleri alınmış ve oluşabilecek kaza riski en aza indirilmeye çalışılmıştır. Puntalanmış çelik levhalar kaynak tezgahına yerleştirildikten sonra tıpkı örtülü metal ark kaynağı uygulamasında olduğu gibi elektrot tabancası kaynak yapılacak hattın üzerinde bir uçtan diğer uca gezdirilerek levhaların birleştirilmesi sağlanır. Bu yöntemde kullanılan elektrot sürekli beslemeli olması nedeniyle tükenmez ve yenilenmesi gerekmez. Aynı zamanda bu elektrot, kaynak bölgesini korumak için kimyasal maddeler yerine dışarıdan sağlanan bir gaz huzmesi kullanır. Bu nedenle kaynak bölgesinde cüruf oluşumu görülmez ve cüruf kırma gibi bir işleme gerek duyulmadan kaynak işlemi tamamlanır. Kaynağın tamamlanmasından sonra kaynak bölgesinden kesit alınarak mikroyapı incelemesi yapılır ve daha sonra sertlik ölçümü alınır.

3.DENEY SONUÇLARI
Bu deney sonucunda, örtülü metal ark kaynağı ve gazaltı ark kaynağı yöntemleriyle kaynak uygulanan her bir levhanın dört ayrı bölgesinin HV0.1 cinsinden mikrosertlik değerleri ölçüldü. Alınan ölçümler Tablo 1 ‘te görülebilir.

Tablo 1- HV 0.1 Cinsinden sertlik değerleri ARK KAYNAĞI | Eriyik Bölge (Kaynak Bölgesi) | Geçiş Bölgesi (Kaynak Ara Bölgesi) | Isıdan Etkilenen Bölge (ITAB) | Isıdan Etkilenmeyen Bölge | Örtülü Metal Ark Kaynağı (Elektrot Kaynağı) | 160 HV0.1 | 168.5 HV0.1 | 226 HV0.1 | 216 HV0.1 | Gaz Metal Ark Kaynağı (Gazaltı Kaynağı) | 169 HV0.1 | 175.5 HV0.1 | 201.5 HV0.1 | 175.5 HV0.1 | Kaynak işlemi sonrasında, yukarıda sertlik ölçümleri gösterilen dört bölgeden , mikroyapılarının incelenerek yorumlanabilmesi için kesitler de alınmış ve aşağıda gösterilen mikroyapı görüntüleri elde edilmiştir. İlk olarak örtülü metal ark kaynağının kaynak bölgesine kaynak ara bölgesi için mikroyapı görüntüleri Şekil 2’de görülebilmektedir. İkinci olarak ise, aynı kaynaklanmış numunenin ısıdan etkilenen bölgesi ve ısıdan etkilenmeyen bölgesinin mikroyapıları Şekil 3’te verilmiştir.

(a) (b)
Şekil 2- Örtülü metal ark kaynağı uygulanmış numunenin; (a) Kaynak bölgesi, (b) Kaynak ara yüz bölgesi

( c) (d)
Şekil 3- Örtülü metal ark kaynağı uygulanmış numunenin; (c) Isıdan etkilenen (ITAB) Bölgesi, (d) Isıdan etkilenmeyen bölgesi
Gazaltı ark kaynağı uygulanmış levhaların da dört ayrı bölgesinden alınan kesitler yardımıyla elde edilen mikroyapıları da Şekil 4 ve Şekil 5’te verilmiştir.

(a) (b)
Şekil 4-Gaz metal ark kaynağı uygulanmış çeliğin; (a) Kaynak bölgesi, (b) Kaynak ara bölgesi mikroyapıları (d) (c)

Şekil 5- Gazaltı ark kaynağı uygulanmış çeliğin; (c) Isıdan etkilenen (ITAB) , (b) Isıdan etkilenmeyen bölgelerinin mikroyapıları

4.DEĞERLENDİRME
Deneyde, amacına uygun olarak, önceden puntalanarak kaynak ağızları açılmış St35 çeliklerine örtülü metal ark kaynağı ve gazaltı ark kaynağı yöntemleri uygulanarak kaynak yapılan her bir levhanın dört ayrı bölgesinden HV0.1 cinsinden mikrosertlik ölçümü alınmıştır. Aynı zamanda bu dört bölgeden kesitler alınarak mikroyapıları incelenmiştir.
İlk olarak örtülü metal ark kaynağı uygulaması incelendiğinde, Şekil 2’nin (a) kısmından da görülebileceği üzere mikroyapıda direksi tane oluşumu görülmüştür. Önceki bilgilere dayanarak, bu bölgede sertlik değerinin en küçük olduğu bilinmektedir. Tablo 1’e bakıldığında da bölgenin sertlik değerinin 160 HV 0.1 olduğu ve en küçük değer olduğu görülmüştür. İkinci olarak geçiş (kaynak ara) bölgesi incelendiğinde, ilk bölgeye göre direksi olmaktan daha uzak , daha yuvarlak ve sık tane yapıları gözlendi. Bu ayrım Şekil 2’nin (b) kısmına bakılarak görülebilir. Yapılan mikrosertlik ölçümü sonucunda da bu bölgenin mikrosertlik değeri 168.5 HV 0.1 olarak ölçüldü (Tablo 1). Üçüncü olarak,ısı tesiri altındaki bölgeye (ITAB) yani ısıdan etkilenen bölgeye bakıldığında, ikinci bölgeye göre daha seyrek ve noktasal tane yapıları gözlenir. Bu bölgede ergime olmamasına rağmen bölge ısıdan etkilenmiş ve yukarıda belirtildiği gibi ısıl işlem görmüştür. Bu ısıl işlemden dolayı bölgenin sertlik değerinde artış olması beklenmektedir. Bölgenin sertlik değerinin 226 HV 0.1 olarak ölçülmesi ve bu değerin dört bölge içerisinde en yüksek olması da bunu doğrulamaktadır. Son olarak ısıdan etkilenmeyen bölgeye bakıldığında herhangi bir ısıl işlem veya ergime söz konusu olmadığından bir mikroyapı değişiminden söz edilemez. Bu nedenle bu bölgenin, 216 HV 0.1 olarak ölçülen sertlik değeri, St35 çelik numunenin gerçek sertlik değeridir denilebilir. Buradan hareketle kaynak bölgesinde ve kaynak geçiş bölgesinde işlem sonras sertlik değerlerinin düştüğü söylenebilir.
İkinci olarak gazaltı ark kaynağı uygulaması incelendiğinde her ne kadar mikroyapı görünümleri ve sertlik ölçümleri iki uygulamada farklı olsa da bölgeler kendi aralarında karşılaştırıldığında ısının bölgelerin mekanik özelliklerine olan etkilerinin iki uygulamada da benzer olduğu görülür.
Şekil 4’ün (a) kısmından görülebileceği üzere gazaltı ark kaynağı uygulanmış numunenin kaynak bölgesinde direksi taneli mikroyapı oluşumu gözlenmiştir. Tablo 1 ‘den de görülebileceği üzere bölgenin mikrosertlik değeri ise 169 HV 0.1 olarak ölçülmüştür. Buradan hareketle bu bölgenin, mikroyapısı nedeniyle en az sertlik değerine sahip olan bölge olduğu söylenebilir. Aynı numunenin kaynak geçiş bölgesine bakıldığında ise, Şekil 4’ün (b) kısmında da görülebileceği üzere daha az direksi ve daha sık tanelerden oluşan bir mikroyapı gözlenmiştir. Buradan hareketle bu bölgenin sertlik değerinin daha yüksek olduğu çıkarılabilir. Ölçüm değerinin 175.5 HV 0.1 olarak bulunması da bunu doğrulamaktadır. Isıdan etkilenen bölgede ısıl işlemden dolayı sertlik değerinin yüksek çıkması beklenmektedir. Şekil 5’in (c) kısmında da görüldüğü üzere bu bölgede tanecik büyüklüğü azalmış ve tanecikler daha da sıklaşmışlardır. Bu nedenle sertlik değerinde artış gözlenmiştir. Bölgenin sertliğinin 201.5 HV 0.1 olarak ölçülmesi de bunu doğrulamaktadır.Son olarak ısıdan etkilenmeyen bölge incelendiğinde, taneciklerin ısıdan etkilenen bölgeye göre daha büyük ve daha az sık oldukları görülmüştür. Buradan yola çıkılarak bu bölgenin sertlik değerinin ısıdan etkilenen bölgeye göre daha küçük bir değer olacağı yorumu yapılabilir. Tablodan ulaşılan 175.5 HV0.1 değeriyle de doğrulanır.
Sonuç olarak, bir malzemenin mikroyapısı, mekanik özelliklerini etkileyen en önemli faktördür. Malzemenin mikroyapısında değişiklik meydana getiren herhangi bir işlem doğrudan o malzemenin mekanik özellikleri de etkileyerek değişmesine neden olur. Yüksek sıcaklıklara ısıtılma nedeniyle, malzemelerin gerek kaynak bölgelerinde gerekse kaynağa komşu bölgelerinde kimyasal ve metalurjik pek çok değişme olmaktadır. Denilebilir ki, deneyde, çeşitli yöntemlerle kaynak uygulanan metalin dört farklı bölgesinde dört ayrı mikroyapının meydana gelmesi bu bölgelerin kendine has mekanik özelliklere de sahip olmalarına neden olmuştur. Mekanik özelliklerdeki bu farklılaşma, bu bölgelerden alınan sertlik değerlerinin karşılaştırılmasıyla doğrulanmıştır.

5.KAYNAKLAR
[1] Groover, Mikell P., Fundamentals of Modern Manufacturing, 2000
[2] http://mf.dpu.edu.tr/~runal/dersler/uretim/uretim.html Dumlupınar Üni. Dr. Rahmi Ünal ders notları
[3] İTÜ imalat laboratuarı kaynak deneyi föyü
[4] Gedik Eğitim Vakfı, Kaynak Teknolojisi Eğitim Araştırma ve Muayene Enstitüsü, Kaynak Tekniği El Kitabı
[5] http://www.ekipmuhendislik.com.tr/teknik-bilgiler/kaynak-ve-kaynak-yontemleri.htm