WIG Kaynak Yöntemi

WIG kaynağı esas olarak koruyucu gaz altında yapılan bir ark kaynağı şeklidir. Genelde tüm metal ve alaşımlarının kaynağı bu yöntem ile yapılabilmektedir. Birleştirmenin şekli ve büyüklüğüne bağlı olarak ilave dolgu malzemesi kullanılabilir. Bu yöntemle 2 A'den 1000 A'e kadar akım değeri aralıklarında 25 mm'lik bir kalınlık tek pasoda kaynak yapılabilmektedir. Özellikle alüminyum, bakır, titanyum, magnezyum ve bunların alaşımlarının kaynağında daha çok kullanılmaktadır.

Volfram elektrotla yapılan gaz altı kaynak yöntemi, Avrupa'da yaygın olarak TIG (Tungsten Inert Gas) olarak anılmasına rağmen, Almanya'da WIG (Wolfram Inert Gas), Amerika'da ise GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) olarak anılmaktadır.

Bu kaynak yönteminin adında geçen Volfram kelimesi, arka elektrik akımını ileten ergimeyen elektrotu, Inert kelimesi, diğer elementlerle kimyasal olarak bir reaksiyona girmeyen bir soy gazı, Gas kelimesi ise ergimiş haldeki kaynak banyosunu ve arkı çevreleyerek hava atmosferinden koruyan gazı ifade etmektedir. 

WIG kaynağında ark, kaynak edilecek iş parçası ile elektrot arasında serbestçe yanar. Koruyucu gaz, argon, helyum veya bunların karışımı olabilir.

Ark, sadece bir elektrik iletkeni ve ark taşıyıcısı olan elektrot ile kaynağı yapılacak malzeme olan iş parçası arasında yanar. İlave malzeme, kaynak bölgesine volfram elektrotun önünden veya arkasından elle ya da otomatik olarak sevk edilen tel şeklindedir ve üzerinde bir akım yoktur. 

Bir WIG kaynağı düzeneği temelde kaynak transformatörü veya jeneratörü şeklindeki güç kaynağı, kaynak torcu ve bağlantı kabloları olmak üzere 3 kısımdan oluşur. Güç kaynakları doğru akımllı veya alternatif akımlı olabilir. Torç ergimeyen bir volfram elektrot içerir. Volfram elektrot genellikle saf olmayıp performansının daha yükselmesi için çeşitli volfram alaşımlarından oluşmaktadır. Kaynak esnasında torç içerisinden hem elektrotu soğutması hem de kaynak banyosunu ve dikişini oksijenden koruması amacıyla koruyucu bir gaz akmasını sağlayan gaz lülesi vardır. Bu gaz lüleleri seramik veya metal olabilir. Torçlar hava veya su soğutma,' olabilirler. Su soğutmalı olanlar genellikle yüksek akımların kullanıldığı durumlarda tercih edilir. 

Torca gelen bağlantı sistemleri elektrik iletimi, koruyucu gaz iletimi ve su hatları için kullanılmaktadır. 

Ergimiş haldeki kaynak banyosu, volfram elektrot ve varsa ilave metalin ergimiş haldeki ucu dış atmosferden, kaynak torcundan sağlanan eş eksenli soy bir koruyucu gaz ile korunur. Bu gazın kaynak bölgesine laminer bir şekilde akışını sağlamak amacıyla gaz lülesi kullanılmaktadır. 

WIG kaynağının avantajları; 

• Kaynak dikişini dış etkilerden korumak için ayrıca önlem almak gerekmez. Çünkü koruyucu gaz oksijen ve azotun zararlı etkilerinden kaynak dikişini korur. 
• Kimyasal kompozisyon değişmediği için genelde ana metalin özellikleri korunmuş olur. Koruyucu gaz soy olduğu için diğer elementlerle reaksiyona girmez. 
• Tüm pozisyonlarda kaynak yapılabilir. 
• Kaynak işlemi kolaylıkla gözlemlenebilir, kaynak dikişi temizdir. 
• Küçük bir ITAB oluştuğundan kaynak dikişi çevresindeki distorsiyonlar çok az seviyededir. 
• Pratik olarak çeşitli kalınlıklarda, birleştirme pozisyonlarında birçok metal ve alaşım bu yöntemle kaynak edilebilir. 

Sıvı haldeki kaynak banyosunun bir gaz ile korunması fikri oldukça eskidir. 1926 yılında ortaya atılan Alexander yönteminde kaynak banyosu metanol gazı ile korunmaya çalışılmıştır.

1926 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde Weinmann ve Langmuir koruyucu gaz olarak Argon kullanmayı başlatmışlardır. 

1928 yılında geliştirilen Arcogen yönteminde ise elektrot ile oksi-asetilen alevi birlikte kullanılmıştır. Kaynak dikişi, üfleç alevi ile atmosferin etkilerinden korunmaya çalışılmıştır. Her iki yöntemde artık kullanılmamaktadır. 

Koruyucu bir gaz olarak soy bir gazın kullanılması konusunda ilk patent 1930 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde Hobart ve Devers tarafından alınmıştır. Fakat yöntem koruyucu gazların çok pahalı olmasından dolayı uygulamada pek yer bulamamıştır. 

1940 yılında Nortrop Aircraft Company uçak imalatında magnezyum ve alaşımlarının kaynağında helyum soy gazını kullanmışlardır. Bundan dolayı yöntem Heli-ark olarak anılmaya başlanmıştır. 

Daha sonraları argonun da koruyucu gaz olarak kullanılmaya başlanması ile yöntem WIG adını almıştır. 

1941 yılında Russell Meredith ve V.H. Pavlecka volfram elektrotu tutan ve kaynak banyosunu, elektrotu, ITAB'ı koruyan koruyucu gazın kaynak bölgesine iletimini sağlayan ilk pratik torcu geliştirilmiştir.

1942 yılında ise Linde Air Product Company ve Union Carbide and Carbon Corporation tarafından ilk defa hafif metal ve alaşımlarının kaynağında helyum ve argon gaz karışımları kullanılmaya başlanmıştır.
 

Kaynak esnasında zararlı gazların kaynak bölgesinden uzaklaştırılması gereklidir. Bunu sağlamak için kaynak dikişi koruyucu bir gazla korunmalıdır. Koruyucu gaz olarak soy gazlar kullanıldığı zaman gaz içerisindeki moleküllerin dengeli bileşikler oluşturmuş olmalarından dolayı diğer atomlarla kimyasal reaksiyonlar oluşturmazlar. Söz konusu soy gazlar argon, helyum, neon, kripton, ksenon ve radondur. Bu gazlardan sadece argon ve helyum kaynak endüstrisi için önemlidir. Gazaltı kaynağında kullanılan soy gazlar en az % 99,9 saflıkta olmalıdır. 

Gazabı ark kaynağında koruyucu gaz kullanılmasının nedenleri şunlardır: 

• Ergimiş metal ve yüksek sıcaklığa çıkan kaynak çevresi kısmından oluşan kaynak bölgesini tamamen örtmelidir. 
• Kaynak metalinin soğuma hızının ayarlamasına yardımcı olmalıdır. 
• İstenilen ark karakteristiğini ve damla geçişini sağlamalıdır. 
• Kolay temin edilebilmeli ve ucuz olmalıdır. 
• Kaynak dikişinden beklenilen mekanik özelliklerin oluşumuna katkıda bulunmalıdır. 

Argon Gazı 

Havadan % 38 daha ağır olan, ergimiş metalde çözünmeyen, tek atomlu olan ve havanın sıvılaştırılması işlemleri ile elde edilen argon gazının yoğunluğu 1,7840 kg/m³ dür. Argon, kullanılacak miktara (hacime) bağlı olarak ya gaz olarak ya da sıvılaştırılmış olarak piyasada bulunur. Argon gazi Türkiye'de 150 - 180 atmosfer basınçta ve içerisinde 6 ila 9 m³ gaz içeren tüplerde taşınır. Tüpteki basınç, basınç düşürme manometresi ile kullanım basıncına düşürülmektedir. 

Argon'un molekül ağırlığı 34,94, kaynama noktası -185,9 °C, buharlaşma ısısı 161,6 kJ/kg ve iyonizasyon potansiyeli 15,76 eV'tur. Hafif metal ve alaşımlarının kaynağında kullanılan argon gazının çok saf olması gerekir. Koruyucu gaz içerisinde bulunabilecek su buharı, oksijen ve azot gibi katışkılar kaynak kalitesini düşürür. Bu nedenle paslanmaz çelik, bakır ve alaşımlarının kaynağında oksijen ve azotun oranları sırasıyla % 0,10 ve % 1,50'nin altında olmalıdır. 

Havada ağırlık olarak yaklaşık % 1,3 ve hacim olarak ise % 0,94 oranında argon gazı bulunur. 

Argonun ısı iletim kabiliyetinin düşük olması nedeniyle ark sütunu daha geniş, sıcaklığı ise özellikle dış kısımlarda düşüktür. Ark sütununun merkezinde gerek metal buharı ve gerekse damla geçişi dolayısıyla sıcaklık daha yüksektir. Dolayısıyla argonun koruyucu gaz olarak kullanıldığı kaynak dikişlerinde nüfuziyet dikişin merkezinde derin, kenarlarında ise azdır. 

Argon gazının helyum gazına göre bazı üstünlükleri vardır. Bunlar: 

• Sessiz ve düzgün bir ark sağlar. 
• Ark gerilimi daha düşüktür. Bu özellik ince metallerin kaynağında bir avantajdır. 
• Oksit temizleme özelliği iyidir. Bu nedenle Al ve Mg kaynağında tercih edilir. 
• Havadan ağır olması nedeniyle kaynak banyosunu çok iyi bir şekilde sarar. Bu nedenle gaz akış oranı daha düşüktür. 
• Arkı başlatma işlemi daha kolaydır. 
• Piyasada kolayca bulunabilir, maliyeti daha düşüktür. 
• Farklı metallerin kaynağında kullanılabilir. 
• Tavan ve dik kaynak pozisyonlarında kaynak banyosunu kontrol etmek daha kolaydır. 

Helyum Gazı 

Havadan hafif bir gaz olan helyumun yoğunluğu 0,1785 kg/m³ dür. Soy bir gaz olan helyumun molekül ağırlığı 4,003, kaynama noktası —268,9 °C ve buharlaşma ısısı 22,8 kJ/kg'dır. Helyumun iyonizasyonu için gerekli enerji 24,58 eV olup oldukça yüksek sayılır, dolayısıyla uzun bir ark boyu gerektirir. Bu da ark gerilimini yükseltir, dolayısıyla kaynak bölgesine ısı girdisi artar. Helyuın piyasaya genellikle basınçlı olarak doldurulmuş tüpler içinde sunulur. 

Helyumun argona göre avantajları; 

• Isı etki alanı daha düşüktür. 
• Daha hızlı kaynak yapmaya uygundur. 
• Ark geriliminin daha yüksek olmasından dolayı daha kalın ve ısı iletkenliği fazla olan malzemelerin kaynağı için uygundur. 
• Tavan ve dik kaynak pozisyonlarında daha iyi koruma görevi yapar. 
• Daha dar alana daha fazla ısı girişi olduğundan daha derin bir nüfuziyet sağlar, dolayısıyla kaynak dikişi genişler. 
• Altlık olarak (gaz altlık) kullanıldığında kök pasosunu düzeltici görevi yapar. 

Havadan hafif olması nedeniyle helyum gazı kaynak bölgesinden çok hızlı bir şekilde uzaklaşır. Dolayısıyla iyi bir koruma sağlayabilmek için kaynak bölgesine çok hızlı bir şekilde gaz akışı sağlamak gerekir. Helyum argona göre daha yüksek ısı iletebilme kabiliyetine sahiptir. Bu sayede derin nüfuziyetli kaynak dikişleri elde edilebilmektedir. Kalın kesitli metallerin ve ısı iletkenliği yüksek olan metallerin kaynağında kullanılır. Helyum için gereken ark gerilimi daha yüksek olduğundan helyum atmosferinde oluşan kaynak arkı daha yüksek enerjili olup sıçrama daha fazladır. 

Gaz Karışımları 

Gaz karışımlarını elde etmek için hazır mikserler kullanılmaktadır. Bu mikserler ile 2 ya da daha fazla sayıda koruyucu gaz istenilen oranlarda karıştırılarak kontrollü bir şekilde kaynak bölgesine verilebilmektedir. 

Uygulamada çok defa iki gazın iyi özelliklerinden faydalanmak amacıyla gazaltı kaynağında koruyucu gaz olarak Ar ve He karışımları kullanılır. Böylece kaynak banyosunda oluşan ısı koruyucu gaz içerisindeki helyum miktarının azaltılıp arttırılması ile ayarlanır. 

Helyum miktarı arttıkça viskozite azalır, nüfuziyet iyileşir ve kaynak hızı yükselir. 

WIG kaynağı yapılırken kaynak torcunun sağladığı koruyucu gaz akışı eğer malzemenin kök kısmının oksitlenmesini engelleyemiyorsa ilave olarak kök kısımdan da koruyucu gaz verilebilir. 

Yapılacak bir kaynak işleminde kaynak metalinin kimyasal bileşiminin kaynak çubuğu ile aynı olmasının sağlanması güçtür. Bununla birlikte gazaltı ark kaynağında gaz içerisindeki aktif bileşenlerin yol açtığı oksidasyon nedeniyle metali oluşturan ulaşım elementlerinin yanması söz konusudur. Soy gazların kullanıldığı WIG kaynağında bile koruyucu gaz örtüsünün havada bulunan oksijenin kaynak atmosferine girmesini tam olarak engelleyememesinden dolayı az miktarda yanma gerçekleşebilir.

Önerilen makale: tig kaynağı yapan firmalar hakkında bilgi almak ve diğer metal işleme hizmetlerine ulaşmak için ilgili sayfayı ziyaret edebilirsiniz.

W1G kaynağında kullanılacak olan elektrot kaynak esnasında ergimemelidir. Bu nedenle, bu yöntemde kullanılacak elektrotlar çok yüksek ergime sıcaklıklarına sahip olmalı ve yüksek sıcaklıklarda kaynak akımın, iletebilmelidir. 

Saf Volfram Elektrotlar 

WIG kaynağında orijinal kaynak elektrotu volframdır. Volframın ergime sıcaklığı 3400 °C'dir. Bu yüksek ergime sıcaklığından dolayı volfram kaynak esnasında ergimez, zarar görmez. 

Saf volfram elektrotların WIG kaynağında kullanımı oldukça azalmıştır. Saf volfram elektrotlar sadece alüminyumun kaynağında kullanılmaktadır. Eğer saf volfram elektrot kullanılacaksa iyi bir sonuç elde etmek için mutlaka alternatif akımda kaynak yapılmalıdır. 

Zirkonyumlu Volfram Elektrotlar 

Alüminyumun kaynağında genelde zirkonyumlu volfram elektrotlar kullanılır. Saf volfram elektrotlar gibi zirkonyumlu volfram elektrotlar da alternatif akımda daha iyi sonuçlar vermektedir. 

Nükleer reaktörlerde yapılacak bir kaynak işleminde kaynak dikişinde toryumoksit olması istenmeyeceğinden toryum alaşımlıların yerine genellikle zirkonyumlu volfram elektrotlar kullanılır. 

Toryumlu Volfram Elektrotlar 

Volfram elektrot eğer toryum (Th) alaşımlı ise elektroniği toryum, elektron emisyonunu, akım kapasitesini dolayısıyla yüklenebilirliğini arttırır, tutuşma emniyetini arttırır. Elektrot ucu çevresinde arkın hareketliliğini minimuma indirir, daha kolay ark başlamasını Sağlar. % 2 Th içeren elektrotlar normal olarak % 1 Th içerenlere göre şekillerini daha uzun süre korurlar. Tam otomatik kaynakta yüksek tutuşma emniyetinden dolayı genellikle yaklaşık % 3 Th içeren volfram elektrotlar kullanılmalıdır. Bu tip elektrotlar tüm düşük alaşımlı çeliklerin kaynağında iyi sonuç verirler ve doğru akımda kullanılırlar. 

WIG kaynağında kullanılan elektrotlar TS EN 26848'de standartlaştırılmışlardır. Bu elektrotlar volframdan veya volframın toryum veya zirkonyum ile alaşımlanmasından meydana gelmektedir. Standartlaştırılmış çaplar 0,5 - 1,0 - 1,6 - (2,0) - 2,4 - (3,0) - 3,2 - 4,0 - (5,0) - (6,0) - 6,4 - 8,0 mm dir. Bunların yanında dikdörtgen kesitli elektrotlar da vardır. Bu elektrotların standart boyları 50 — 75 - 150 ve 175 mm'dir. 

WIG kaynağında kullanılacak olan elektrotların çapı kullanılan kaynak akımına göre seçilir.
 
Elektrot Şekilleri 

İyi bir kaynak dikişi elde etmek için volfram elektrot ucunun geometrisine de çok dikkat edilmelidir. Elektrot uç şekli kullanılan kaynak yöntemine göre değişir. Pratikte genellikle doğru akımda kaynak yapılacağı zaman noktasal uçlu, alternatif akımda kaynak yapılacağı zaman ise küresel uçlu elektrotlar kullanılır. Doğru akım kaynağında kaynak akımı arttıkça elektrot uç açısı artmakta iken, alternatif akım kaynağında ise kaynak akımı arttıkça küre şeklindeki uç çapı artar. 

Elektrotun taşlanma yönü kaynak esnasında oluşacak olan ark kararlılığı üzerinde etkili olmaktadır. Elektrot ucu enine değil boyuna taşlanmalıdır. 

Ayrıca elektrotların uzunluğu boyunca doğrusal olması çok önemlidir. Aksi takdirde koruyucu gaz akışında merkezden sapmalar meydana gelecektir, bu da kaynak özelliklerini oldukça etkiler. 

Kaynak esnasında volfram elektrot torç ucundan rasgele uzatılmış bırakılmaz. Elektrotun torç ucundan çıkma miktarı da kaynak dikişi özelliklerini etkiler. Standartlara ve tecrübelere göre bu mesafe yatay pozisyonda alın kaynağında maksimum 3 ile 4,5 mm arasındadır. Bu mesafe dış köşe kaynağında maksimum 3 mm, iç köşe kaynağında ise 6 / 9,5 mm arasında olabilir. 
 

Kural olarak WIG kaynağı genellikle doğru akımla yapılır. Alüminyum, magnezyum, bakır ve bunların alaşımları alternatif akımda kaynak edilebilirler. 

Negatif kutup soğuk kutuptur. Bu nedenle kaynak esnasında elektrot negatif olarak kutuplandırılırsa; elektrotun akım yüklenebilirliği ve ömrü pozitif kutup olarak yüklenmesine göre daha fazla olur. Alternatif akım kullanılması halinde volfram elektrotun akım yüklenebilirliği doğru akımdaki negatif kutuplanmadaki değerlere ulaşamaz ama doğru akını pozitif kutuplanmadaki değerden birkaç kat daha yüksektir. 

Yüksek sıcaklıkta ergiyen oksit tabakası içeren malzemelerde (örneğin alüminyum oksit yaklaşık 2050 °C'de ergir) katı oksit tabakası kaynak banyosunun akmasını ve damlaların üzerine düştüğü paso ile birleşmesini engeller. WIG kaynağında bu oksit tabakasının metal yüzeyinden uzaklaştırılması arktaki yük taşıyıcılar ile sağlanır. Yük taşıyıcılar elektronlar ve elektronların ayrılması ile oluşan pozitif yüklü gaz iyonlarından oluşur. Elektronların hareket hızları fazla olmasına rağmen kütleleri çok küçük olduğundan kinetik enerjileri küçüktür. Bu nedenle malzeme üzerindeki oksit tabakalarının parçalanarak metal malzeme üzerinden uzaklaştırılmasında asıl etkili olan iyonlarıdır. 

Alternatif akım kullanıldığı zaman elektrotun negatif kutup olmasıyla pozitif kutup olmasının iyi bir ortalaması elde edilir. Kutbun değişmesiyle elektrot pozitif kutup olduğunda metal yüzeyindeki oksit tabakası iyi bir şekilde parçalanmakta ve elektrot negatif kutba geçtiğinde ise tekrar soğuma meydana gelmektedir.
 

WIG kaynağında kullanılan torçlar su soğutmalı veya hava soğutmalı olabilir. Hava soğutmalı torçlar genellikle düşük atom değerlerinde kaynak yapılırken tercih edilir. Su soğutmalı torçlar ise genellikle kaynak akımı 200 A'nın üzerinde tercih edilmektedir. Soğutma suyu elektrotu, kontak borusunu ve torç kafasını soğutmakta kullanılır. 

Kaynak torçlan elle kontrol edilebilen olabileceği gibi, otomatik kaynak makinaların da kullanılmak üzere otomatik torç da olabilmektedir. 

WIG kaynağında kaynak torcunun görevleri şunlardır: 

• Volfram elektrotu tutmak, 
• Koruyucu gazı arka iletmek, 
• Elektrik akımını arka iletmek, 
• Soğutma suyunu veya havasını torç kafasına iletmektir. 

Gaz Lülesi: Bazı torçlarda ilave olarak gaz lülesi kullanılır. Bunun sebebi kaynak banyosunu atmosferin zararlı etkilerinden koruması amacıyla kullanılan koruyucu gazın kaynak bölgesine laminer girmesini sağlamaktır. Gaz lülesi kullanıldığında ark bir sütun gibi düzgün bir şekilde çıkmaktadır. Ayrıca gaz lülesi kullanılarak yapılan kaynaklarda kaynakçı kaynak yerini daha iyi görebilmektedir. 
 

WIG kaynağında parçaların kaynağı esnasında uygulanması gereken kaynak ağız şekilleri DIN 8551 Kısım 1 ve DIN 8552 Kısım 1 'de standartlaştırılmıştır. Ancak şunu da belirtmek gerekir ki WIG kaynağı genelde ilave kaynak metalinin kullanılmadığı, parça kenarlarının arkla ergitilerek birleştirileceği kaynak dikişleri için özellikle uygundur. Bu uygulama türleri standart ağız formlarından kıvrık alın kaynağı ve kıvrık bindirme alın kaynağını oluşturmaktadır. Bunun dışında köşe birleştirmedeki ve üç sacın birleştirilmesindeki iç köşe dikişleri, hafifçe çöküklüğün zararsız olduğu özel durumlar ve I-dikişleri de bu kapsama girmektedir. 

I-dikişi şeklindeki birleştirmeler, 2,5 mm'ye kadar ön alın mesafesinin hiç olmadığı veya çok az olduğu çeliklerde tek taraftan kaynak edilir. Alüminyum malzemelerde kalınlık 5 mm'ye kadar çıkabilir. Daha kalın saclarda (yaklaşık 8 mm'ye kadar) kaynak çift taraflı yapılmalıdır. Bu durumda saclar arasında kalınlığın yarısı kadar bir aralık bırakılmalıdır.

8 mm veya bazen 10 mm'nin üzerindeki parça kalınlıkları durumunda esas olarak ağızlara eğiklik verilmeli ve Y- veya çift Y- şeklinde hazırlanmalıdır. Ağız açısı çeliklerde 60°, alüminyumda 70 ° olmalıdır. Kök alın yüksekliği çeliklerde 2 ila 4 mm bazen 6 mm'ye kadar çıkabilir, alüminyumda ise 2 ila 3 mm bazen 4 mm olabilir. Ancak V- veya çift V-dikişlerinde ağız kenarlarının uçları düz kırılabilir. Daha kalın parçalarda bu dikiş formları ve U- ve çift U-dikişleri WIG kaynağında nadiren doldurulabilir. Bu nedenle çoğu zaman kalın saçların kaynağında WIG kaynağı sadece kök kısım kaynağında kullanılır. 
Ağızların açılması, alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde alevle kesme yöntemiyle, paslanmaz çelik ve demir olmayan metallerde ise plazma ile kesilerek yapılır. İnce malzemelerin kaynak ağzı makasla kesilerek de açılabilir. U veya çift U-dikişleri kalın malzemelere açılacaksa genelde talaşlı imalat yöntemi kullanılır. 

Bununla beraber WIG kaynağında kaynak ağzının temiz olması gerekir. Madde kalıntıları, talaşlı işlem kalıntıları ve oksit kalıntıları kaynak öncesi temizlenerek kaynak bölgesinden uzaklaştırılmalıdır. Birleşme bölgesinin taşlanarak temizleneceği durumlarda plastik bağlayıcı içeren zımparaların kullanılmaması gerekir, aksi takdirde kaynak dikişinde gözenekler meydana gelebilir.