Alüminyum Alaşımlarının Kaynaklanmasını Zorlaştıran Nedir?

Kaynaklanabilirlik, bir malzemenin çatlamaya karşı direnci, kaynaklı yapının güvenliği ve ürünün amaçlanan uygulamalarındaki ekonomikliğin birleşik bir ölçüsüdür. Bir malzeme, kimyasal, metalurjik ve fiziksel özellikleri kaynak işlemine uygun olduğunda ve birleşim yeri gerekli mukavemet parametrelerini karşıladığında kaynaklanabilir olarak kabul edilir.

Alüminyum ve alaşımları kendine özgü fizikokimyasal özelliklere sahip oldukları için, bunların kaynaklanması aşağıdaki zorlukları beraberinde getirir.

1. Hızlı Oksidasyon

Alüminyum, havada ve kaynak sırasında kolayca oksitlenir. Ortaya çıkan alüminyum oksit (Al₂O₃) kararlıdır ve çıkarılması zordur. Erime noktası yaklaşık 2.500 °C’dir; bu, alüminyum alaşımlarının yaklaşık 660 °C’lik erime noktasının çok üzerindedir. Kaynak sırasında oksit tabakası, ana metalin erimesini ve kaynaşmasını engeller. Yoğunluğu alüminyumun yaklaşık 1,4 katı olduğu için kaynak havuzundan kolayca yüzeye çıkmaz ve eksik kaynaşma ile cüruf kalıntılarına neden olabilir. Ayrıca nemi emer ve bu da kaynak gözenekliliğine yol açabilir.

Bu nedenle, kaynak işleminden önce oksit tabakası, titiz bir kimyasal veya mekanik yüzey temizliği ile giderilmeli ve kaynak sırasında yeni oksitlenmenin önlenmesi sağlanmalıdır.

2. Gözenekliliğe yatkınlık

Potansiyel gözenek oluşturucu gazlar arasında hidrojen, karbon monoksit ve azot bulunur. Azot, sıvı alüminyumda çözünmezken, alüminyum alaşımları karbon monoksit gözeneklerine yol açacak karbon içermez. Dolayısıyla, hidrojen, dikkat edilmesi gereken gözenek oluşturucu gazdır. Hidrojenin sıvı alüminyumdaki çözünürlüğü 7 mL/kg iken, 660 °C'lik katılaşma sıcaklığında bu değer sadece 0,4 mL/kg'dır. Sıvı metalde başlangıçta çözünmüş olan hidrojenin büyük bir kısmı, kaynak katılaşırken çökelir ve kabarcıklar oluşturur. Saf alüminyum ve korozyona dayanıklı alüminyum alaşımları bu duruma özellikle yatkındır.

Ana ve dolgu metalleri içine hidrojen girişi sınırlandırılmalı ve yüksek saflıkta koruma gazı kullanılmalıdır. Kaynak öncesinde iş parçaları, tel ve elektrotlardan oksit, nem ve yağ iyice temizlenmelidir. Kesintiler en aza indirilmelidir. Güçlü kaynak parametreleri önerilir: TIG kaynağında nispeten yüksek ilerleme hızıyla yüksek akım kullanılırken, MIG kaynağında kaynak havuzunu daha uzun süre sıvı halde tutmak ve hidrojenin aşırı doymuş katı çözeltiden kaçmasını sağlamak için daha düşük ilerleme hızıyla yüksek akım kullanılır.

3. Yanma deliği riski

Alüminyum, katı halden sıvı hale geçerken göze çarpan bir renk değişikliği göstermez; bu da havuz sıcaklığının doğru bir şekilde değerlendirilmesini zorlaştırır. Ayrıca mekanik mukavemeti de sıcaklıkla birlikte düşer ve 370 °C’de sadece 10 MPa’ya ulaşır. Bu nedenle malzeme, erimiş metali taşımakta yetersiz kalabilir ve bu da kaynak dikişinin şeklinin bozulmasına, çökmeye veya delinmeye neden olabilir.

Genellikle bir destek çubuğu kullanılır. Isıtma işlemi de dikkatli bir şekilde kontrol edilmeli, mümkün olduğunca düz konumda kaynak yapılmalı ve ark, başlangıç ve bitiş çıkıntılarında başlatılmalı ve söndürülmelidir.

4. Sıcak Çatlama Eğilimi

Alüminyumun doğrusal genleşme katsayısı çeliğin yaklaşık iki katıdır ve katılaşma büzülmesi de yaklaşık iki kat daha yüksektir; bu durum önemli ölçüde kaynak gerilimi oluşturur. Alaşım bileşimi de önemli bir etkiye sahiptir: Belirtilen sınırların üzerindeki safsızlıklar, erime havuzunda daha fazla düşük erime noktalı ötektik bileşenlerin oluşmasına neden olur. Bu etkiler bir araya gelerek sıcak çatlamayı tetikler.

Çatlaklar genellikle ark başlangıçlarında, ark sonlarında, ani ark kesintilerinde, tutturma kaynaklarında ve onarım kaynaklarında ortaya çıkar. Bu nedenle, bunların önlenmesi için kaynak geriliminin azaltılması, kaynak metali bileşiminin ayarlanması, kaynak havuzu katılaşma koşullarının iyileştirilmesi, uygun bir işlem ve kontrollü parametreler gereklidir.

5. Birleşim dayanımı ana metal dayanımının altındadır

Kaynak ısısı, ısıdan etkilenen bölgeyi yumuşatarak mukavemeti düşürür ve mekanik özellikleri bozar. Sonuç olarak, birleşme yeri ana metalin mukavemetine ulaşamayabilir. Eşit mukavemetli bir alın birleşimi elde etmek için, kaynak bölgesindeki metal kalınlığının artırılması gerekir.

6. Kaynak Sonrası Korozyon Direncinde Azalma

Duralümin gibi ısıl işleme tabi tutulabilen alüminyum alaşımlarındaki birleşim yerleri, korozyon direncinde önemli ölçüde kayıp yaşayabilir. Mikro yapısal homojenliğin azalması, korozyon direncinde daha büyük bir düşüşe neden olur. Kaynak metalinin saflığı ve yoğunluğu da önemlidir: bol miktarda safsızlık, iri taneler ve FeAl₃ gibi kırılgan fazların çökelmesi, korozyon direncini belirgin şekilde azaltır ve hem lokalize yüzey korozyonuna hem de taneler arası korozyona neden olabilir. Kaynak gerilimi de bir başka önemli faktördür.

Korozyon direnci şu yollarla artırılabilir:

1. Uygun dolgu malzemeleriyle kaynağın alaşımlanması, tane yapısının inceltilmesi, kusurların önlenmesi, ısıdan etkilenen bölgeyi ve aşırı ısınmayı sınırlamak için işlemin ayarlanması ve kaynak sonrası ısıl işlem uygulanması yoluyla bileşimsel ve mikroyapısal homojenlik eksikliğinin azaltılması.
2. Kaynak geriliminin giderilmesi; örneğin, yüzeydeki yerel çekme gerilimi, yerel çekiçleme yoluyla azaltılabilir.
3. Anotlama veya kaplama gibi koruyucu işlemlerin uygulanması.