Kaynak Makinası Mucidi Humphrey Davy ve Kaynak teknolojisinin gelişme süreci

Kaynak teknolojisinin tarih başlangıcı antik zamanlara kadar gidilebilir. En erken örnekler Bronz Çağından geliyor. Bundan yaklaşık 2000 yıl kadar önce, küçük dairesel altın kutuların basınç kullanılarak bindirmeli/katlamalı olarak bir araya getirildiği görülür. Demir Çağı boyunca, Mısırlılar ve Doğu Akdeniz bölgesindeki insanların demir parçaları kaynakla bir araya getirmeyi öğrenmişlerdi. Milattan önce yaklaşık 1000 yıllarında örnekleriyle pek çok alet bulunmuştur.

Orta Çağlar boyunca, demircilerin sanatı gelişti ve demirden pek çok nesneyi çekiçleme yöntemiyle kaynatarak ürettiler.

19. Yüzyılın başına kadar bugünkü bildiğimiz anlamdaki elektrik ¨Kaynak¨ teknolojisi henüz keşfedilmemişti.

1801 yılında, Sir Humphrey Davy, yüksek voltaj geçen devrenin uçlarının bir araya getirilmesiyle elektrik arkını keşfetmiştir.

1856’da İngiltere’den James Joule, elektrik ve iç direnç kullanarak bir malzemeyi ısıtmanın etkili bir kaynak oluşturabileceğini keşfetti. Direnç kaynağı daha sonra Elihu Thomson tarafından mükemmelleştirildi. Onun teknikleri daha sonra akkor kaynağı olarak bilinen (akkor metodu ile elektrik kaynağı) ilerleyecekti.

Bu arada 1860’larda Fransız kimyacı ve politikacı Pierre Eugène Marcellin Berthelot tarafından Asetilen keşfedildi. Bu kimyasal bileşik, yüksek yapışma bileşiği yapısı nedeniyle günümüzde kaynak endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Aynı şekilde gaz kaynağı ile de metal kesme işlemleri yapılmaktaydı. Tüpte sıkıştırılmış gaz ince çubuyk uçtan çıkışta 6000 ° F (3300 ° C) üzerinde çok yüksek bir alev oluşturarak gerekli eritme ve kesme işlemi yapabiliyordu.

1865 yılında, Wilde adında bir ingiliz tarafından iki metal, elektrik ark kaynağı ile birleştirilmişti. İlk elektrik kaynağı patenti, bu tarihlerde alındı.

Ergitme kaynağı için, ısı kaynağı olmak üzere 1880’lerin başında, yukarıdaki şekilde gösterilen temel devreyi kullanarak bir karbon elektrotla metal iş parçası arasında bir ark oluşturma teşebbüsünde bulunulmuştu. Gaz kaynağında olduğu gibi metal bir tel şeklinde doldurma metali ilave edilmiş, daha sonra metal tel çıplak elektrot olarak kullanılmıştı.

Bu çubuk hem ark oluşturup ve hem de ergiyerek dolgu malzemesi görevini de görmüştü. Fakat netice çok belirsizdi. Arkın stabil olmaması nedeniyle devam ettirmek büyük ustalık gerektirmiş ve yüksek sıcaklıkta bölgenin atmosfer şartlarından etkilenmesiyle kaynak metali kirlenerek oksitlenmişti. Öte yandan metalürjik etkiler ya çok az anlaşılmış veya hiç anlaşılamamıştı.

1881 yılında, DeMeritens, Pil depolama kaplarının birleştirilmesinde karbon elektrot kullanmıştı.

1887 yılında, Bernardos ve Olszewski, Karbon elektrotun yalıtımı ve tutulması için patent almışlardı.

1889 yılında Rus Slavianoff ve Amerikan Coffin, İlk defa metal çubuk elektrotu keşfettiler. Bu yöntem daha sonra örtülü elektrot haline getirildi.

İlk kaynak makinesi

1902 yılında,  Amerikan Lincoln Electric TDT tarafından ilk elektrik motoru geliştirildi. Bu şirket kaynak ile deney çalışmalarına başladı ve 1912 yılında ilk kaynak makinesini üretti.

İlk elektrotlar bir İsveç firması tarafından çıplak çubuk halinde demirden yapılmıştır.  Bu elektrotlar oldukça zayıf ve kırılgan kaynaklar üretmiştir.

1907 yılında , İsveç’li Oscar Kjellborg, İlk defa örtülü ark kaynak elektrotunun patentini aldı.

1911 Yılında, Lincoln Electric tarafından geliştirilen ilk portatif kaynak makinesi kullanıldı.

1912 yılında,Strohmenger Örtülü elektrotlarla kaliteli kaynaklar ürettiğinin patentini aldı. Ancak ilk elektrotlar oldukça pahalı idi.

1927  yılında,Ekstrüzyon yönteminin geliştirilmesi ile örtülü elektrot üretiminin maliyetleri düştü. Bu durum, aynı zamanda farklı kompozisyonlarda elektrot üretimine olanak sağlamıştı.

1914 ve 1939 yıllarında patlayan iki dünya savaşı, İmalat ve tamir konusundaki talebi büyük ölçüde artırmıştır. Aynı zamanda kaynak teknikleri ve süreci de gelişmiştir, çünkü gemiler, araçlar, silahlar ve köprüler gibi genel inşaatlar, gelişmiş ve daha büyük iskele yapıları, farklı ortamlarda hızlı ve çok sayıda, zorunlu olarak üretilmiştir. Elektrik ark kaynağının teknolojik gelişim aşamaları ve elektrik ark kaynağının tarihçesi dünya savaşlarından elbetteki nasibini almıştır.

Birinci Dünya savaşında kullanılan bir tank. Kaynak teknolojisinin yerine perçinlerin kullanımı göze çarpıyor

Kaynak teknolojisiyle ilgilenen pek çok kişinin merak ettiği ‘‘1. dünya savaşında ark kaynağı kullanıldı mı? ” sorusuna cevap olarak, o yıllarda ark kaynağı teknolojisi mevcuttu, hatta pek çok alanda kullanıldı. Ancak, elektriğin kullanımındaki sıkıntılar, elektrotların henüz istenen seviyede gelişmiş olmaması, portatif kaynak makinelerinin yaygınlaşmamış olması sebebiyle ark kaynağı daha çok 2.Dünya Savaşında kullanılmıştır diyebiliriz.

Netice olarak bu prosesin büyük potansiyeli olmasına rağmen 1. Dünya Savaşı’ndan sonraya kadar çok az kullanılmıştı. I dünya savaşı sırasında mümkün olduğu kadar çok ve hızlı, savaş makinesi üretme kaygısı ile  ark kaynak uygulamalarına ihtiyaç doğdu. Ayrıca, I. Dünya Savaşı sırasında İngiltere’deki gaz sıkıntısı nedeniyle, elektrik ark kaynağı kullanmak temel üretim yöntemiydi.

Birçok gemi ve ekipman cıvata ve perçin ile birleştirilmekteydi. Kaynak hızlı ve oldukça ucuz bir yöntem olarak ortaya çıkmaktaydı. Savaş endüstrisinin itici gücü pek çok teknolojik alan gibi, kaynak teknolojisinin gelişiminde de etkili oldu.

Büyük Buhran dönemi denen 1930’ların ortasına gelindiğinde, istihdam bir kez daha toparlanmaya başlamıştı. O zaman, çok sayıda yeni teknik ve kaynak metodu oluşturuldu. Saplama kaynağı, gemi yapımında yeni bir süreç olan batık ark kaynağı ile değiştirilmeye başlandı. Ayrıca, sualtı kaynağı da ilk olarak bu dönemde gerçekleştirilmişti.

1939’da II. Dünya Savaşı, kaynak sürecini muazzam ölçüde değiştirdi. Endüstrideki ilerlemeler, büyük talepte bulunan ve kaynağın gelişiminde sayısız yeni dönüm noktası sağlayan bir dizi sürece yol açtı. Alüminyum punta kaynağının kullanımı, havacılıkta yararlı olarak kabul edildi.

Alman bombardımanı altındaki Britanya’dan bir görüntü. Savaş endüstrisi, kadınların da yüksek oranda katılımıyla güçlendi.

1940-1945  yılları arasında, Gaz Tungsten Ark Kaynağı (GTAW) onarımlar için yardımcı bir teknik olarak kabul edildi. On yıllar süren geliştirmeden sonra, 1941 yılında mükemmelleştirildi ve 1942 yılında patenti alındı. Aynı zamanda Heliarc veya Tig kaynağı olarak da adlandırıldı.
Gazaltı ark kaynağı hakkında ayrıntılı bilgi için BKNZ: Gazaltı ark kaynağı nedir?

1943‘te Gaz metal ark kaynağı (GMAW), C.B. Voldrich, P.J. Rieppel ve Howard B. Cary tarafından icat edildi. Dow ve Northrup Şirketlerinde geliştirildi ve Linde Corporation’a lisanslandı. GMAW, (Gas Metal Arc Welding) demir dışı malzemelerin hızlı bir şekilde kaynatılmasını kolaylaştıran, ancak pahalı koruyucu gazlar gerektiren bir süreçtir. Aynı yıl, Sciaky şirketi 3 fazlı direnç kaynağı satmaya başladı.

2. Dünya savaşında (1945) Okinawa adasında tankın üzerine ekstra zırh kaynaklayan bir kaynakçı (yukarıdaki resim)

1948 yılında, Hava Azaltma Şirketi’nde inert gaz metal ark prosesi (Mig) geliştirilmiş ve daha kalın levhaların kaynatılması için SIGMA (Korumalı Inert Gaz Metal Ark kaynağı) geliştirilmiştir.

1949‘da Westinghouse, Selenium Redresör kaynak makinelerini tanıttı.

1950’li yılların başında, kaynak sadece büyük ölçekli sanayide değil, bireysel kullanımda da popülerlik kazanıyordu. Başlıca Doğu Avrupa ve Rusya’daki gelişmeler, lansmanı sırasında çok popüler olan Flux Kaplı Sarf Elektrodunun piyasaya sürülmesiyle sonuçlandı.

Ayrıca, 1958’e kadar büyük ölçekli kullanımda olmayacak olmasına rağmen, elektroslag kaynağı (ESW) geliştirilmiştir.
1953 yılında, Lyubavskii ve Novoshilov tarafından popüler hale getirilen CO2 kaynak işlemi, nispeten ekonomik olduğu için, çeliklerin kaynağı için tercih edilen bir kaynak prosesi olmuştur.

1955‘te, II. Dünya Savaşı’nın sona ermesinden on yıl sonra, kesme işleminde devrim yaratan plazma torch piyasaya sürüldü.

1957 yılına kadar, plazma torçunun kullanılmasından 2 yıl sonra, plazma ark kaynağı (PAW) icat edildi.

ELEKTROTLAR

İlk elektrotlar bir İsveç firması tarafından çıplak çubuk halinde demirden yapılmıştır.  Bu elektrotlar oldukça zayıf ve kırılgan kaynaklar üretmiştir.

Yeni Kaynak Yöntemleri

1935 ile 1950 (İkinci dünya savaşından önce ve sonra)

–Toz altı ark kaynağı

–MIG (GMAK)

–TIG (GTAK)

–Plazma Ark

kaynağı keşfedildi

1958 Özlü tel ile GMAK yöntemi ilk defa tanıtıldı.

1950 Sonrası

1953 yılında Lyubavskii ve Novoshilov CO2 gaz koruması altında kaynak uygulaması gerçekleştirdiklerini duyurdular. CO2 kullanımıyla kaynak yöntemi, inert gaz metal ark kaynağı için geliştirilen teçhizatları rahatlıkla kullanılabildiği için hemen lehte sonuçlandı ancak bu andan itibaren çeliklerin kaynakları için maliyet anlamında kullanılabilir hale geldi. CO2 kullanımıyla elde edilen ark oldukça sıcak bir arktı ve daha büyük tel elektrodlar oldukça yüksek akımlara ihtiyaç duyuyordu. Yöntem küçük çaplı elektrot telleri ve geliştirilmiş güç kaynakları ile yaygın bir şekilde kullanılmaya başladı. 1958’in sonlarında ve 1959’un başlarında ortaya çıkan, hepsi kısa devre ark dönüşümleri olan Micro-wire®, kısa ark ve daldırma transferi kaynağı gibi özellik ve gelişmelerle sağlandı. Bu farklılıklar ince malzemeler üzerinde tüm pozisyonlarda kaynak edilebilirliği getirdi ve kısa sürede en popüler kaynak yöntemi haline gelmesine sebep oldu.

1960 lı yıllar. Uzay endüstrisinin gelişim yıllarıydı. 1962 yılında, Sciaky şirketi, Mercury Uzay Kapsülü için, bir dış ve iç titanyum kabuk ile oluşturulan  kaynak teknolojisi kullandı.

Bu yıllarda bir başka yenilik de inert gazın küçük miktarlarda oksijen içeriğiyle birlikte kullanılmasıydı, bu karışım Sprey Ark transferini sağlamıştı ve 1960’ların başında popüler hale gelmişti. Dönemin beraberindeki en son buluşu da pulslu akımın kullanımıydı. Akım belirtilen oranlarda yüksek ve alçak değerlerde tek ve çift tekrarlanmasıyla frekansı içerisinde sağlanıyordu.

CO2 koruması ile kaynağın kullanıma sunulmasından kısa bir süre sonra, özel bir tel elektrod kullanılan bir varyasyon geliştirildi. İç-dış tipte elektrot olarak tanımlanan bu tel, içerde toz karışımı ajanların yer aldığı dizaynıyla kesitsel olarak boru şeklindeydi. Dualshield® ticari ismiyle adlandırılan yöntem (özlü tel), arkın atmosferden korunması için gerekli olan dış korumalı gazın yanı sıra tel çekirdeğindeki toz karışımı tarafından üretilen gazın da kullanıldığını ifade ediyordu. Yöntem Bernard tarafından keşfedilmiş ve 1954 yılında duyurulmuş olsa da, Ulusal Silindir Gaz şirketi tarafından yeniden tanıtıldığı yıl olan 1957’de patent altına alınmıştır.

1959 yılında dışarıdan harici bir gaz koruması gerektirmeyen bir özlü tel modeli üretildi. Koruyucu gazın olmaması, kritik olmayan işler için yöntemin popülerliğini sağlamıştı. Ticari isim olarak ise Innershield® olarak adlandırıldı.

Elektrocüruf kaynağı Soveytler tarafından 1958’deki Brüksel Kaynak Fuar’ında tanıtılmıştır. Aslında 1951’den beri Sovyetler Birliği’nde kullanılmıştı, ancak Amerikalı RK Hopkins tarafından yapılan çalışmalara dayanıyordu ve 1940’da patent altına aldı. Hopkins yöntemi hiçbir zaman birleştirme işlemleri için kendine önemli bir yer bulamadı. Yöntemin ekipmanlarının geliştirilmesi ve mükemmelleştirilmesi Ukrayna Kiev’deki Paton Enstitüsünde ve Çekoslovakya Bratislava’da yer alan Kaynak Araştırmaları Laboratuvarında gerçekleştirildi. Elektro-Kalıp prosesi ile adlandırılarak Amerika’da üretimdeki ilk kullanımı, Şikago’da General Motors şirketinin Elektromotor bölümünde gerçekleştirilmiştir. Aralık 1959 yılında kaynaklı dizel motorların üretiminde kullanıldığı ilan edilmiştir. Yöntem ve çeşitleri, sarf malzemeleri ile birlikte kalın malzemelerin kaynağı için kullanımına devam etmiştir.

Bir başka dikey kaynak metodu olan ve Elektrogaz kaynağı olarak isimlendirilen yöntem Acros şirketi tarafından tanıtılmıştı. Elektrocüruf kaynağı için geliştirilen ekipmanların kullanımının yanı sıra, harici olarak sağlanan gaz koruması ve özlü tel ile birlikte kullanılıyordu. Cüruf banyosu sağlamadığından yöntem bir açık ark prosesiydi. Kendinden gaz korumalı özlü teller ve masif tel çeşitleriyle kullanımı hakkında bir gelişme yaşanmamıştır. Bu yöntem elektrocüruf yöntemi ile kaynaklanmış daha ince malzemelerin kaynağına olanak sağlar.

En son teknolojiler

Sürtünme Kaynağı, sürtünme ısısı elde etmek amacıyla dönüş hızı ve dikey yönde basınç kullanılarak Sovyetler Birliğinde geliştirilen bir yöntemdir. Oldukça özel bir prosestir ve ekipman için yapılan ilk yatırım masrafları nedeniyle, sadece elverişli bir hacimdeki benzer parçaların kaynak yapılması gereken yerlerde uygundur. Yöntem aynı zamanda Inertia Welding (Atalet Kaynağı) olarak da isimlendirilmektedir.

Lazer kaynağı en yeni yöntemlerden birisidir. Lazer ilk kez bir iletişim cihazı olarak Bell Telefone Laboratuvar’larında geliştirilmiştir. Küçük bir alanda enerjinin muazzam yoğunlaşması nedeniyle, güçlü bir ısı kaynağı olduğu kanıtlanmıştır. Metal ve metal olmayan malzemelerin kesim işleminde kullanılmıştır. Sürekli puls teçhizatı mevcuttur. Günümüzde Lazer, otomotiv metal işleme operasyonlarında kaynak uygulamaları olarak bulunmaktadır.

Kaynak: Bu makale Howard B. Cary tarafından Modern Welding Technology, 4. baskı ve Google’den derlenmiştir.

A.K