KAYNAK TEKNOLOJİSİNİN TARİHSEL GELİŞİMİ

Orta Çağlar

Kaynak teknolojisinin tarihini anlamak için incelemeye antik zamanlardan başlayabiliriz. En erken örnekler Bronz Çağından geliyor. Bundan yaklaşık 2000 yıl kadar önce, küçük dairesel altın kutuların baskı/basınç kullanılarak bindirmeli/katlamalı olarak bir araya getirildiği görülür. Demir Çağı boyunca, Mısırlılar ve Doğu Akdeniz bölgesindeki uygarlıklar demir parçalarını kaynakla bir araya getirmeyi öğrenmişlerdi. Milattan önce 1000 yıllarında ait bu tarz imal edilmiş pek çok örnek alet bulunmuştur.

Orta Çağ boyunca, demircilik sanatı gelişti ve demirden pek çok nesne çekiçleme yöntemiyle kaynatılarak üretilebildi. 19. Yüzyılın başına kadar bugünkü bildiğimiz anlamdaki ¨Kaynak¨ henüz bulunmamıştı.

1800

İngiliz Edmund Davy, 1836 yılında asetileni keşfetti. Pil kullanımı için arkın iki karbon elektrod arasında meydana getirilmesi ise 1800 yılında Sör Humpry Davy tarafından gerçekleştirilmiştir. 19.yüzyılın ortalarında, elektrik jeneratörü keşfedildi ve ark ışığı popüler oldu. 1800’lü yılların sonuna kadar gazaltı kaynağı ve kesme teknolojisi gelişmeye devam etti. Karbon elektrodla ark kaynağı ve metal kaynağının geliştirilmesi ile direnç kaynağı birleştirme yöntemi de pratik hale getirildi.

1880

1881 yılında Fransa’da Cabot Laboratuvarında çalışan Auguste De Meritens, aküler için kurşun plakaların birleştirilmesinde arkın ısısını kullanmıştır.

Rus Nikolai N. Benardos, Fransız laboratuvarındaki öğrenimi esnasında kaynak ile ilgili çalışmalarını patent altına almıştır. Ardından Rus mevkidaşı olan Stanislaus Olszewski ile birlikte 1885 yılında İngiltere’de, 1887 yılında ise Amerika’da patent sahibi olmuşlardır.

Bu süreç Karbon ark kaynağının başlangıcıdır. Bernardos’un çalışmaları karbon ark kaynağı ile sınırlı kalmıştır. Bu yöntem aynen kurşunda olduğu gibi demirin de kaynağını gerçekleştirebilmiştir. 1890’ların sonu ve 1900’lerin başlarında Karbon Ark Kaynağı iyice popüler haline gelmiştir.

1890

Detroit’ten C.L. Coffin, 1890 yılında, metal elektrod kullanarak ark kaynağı uygulaması üzerine ilk kez Amerikan patenti sahibi olmuştur. Bu aynı zamanda ark kaynak işlemi için bir metalin ergitilerek sarf malzemesi şeklinde kullanımına dair kayıtlara geçen ilk örnektir. Yaklaşık aynı zamanlarda Rus N.G. Slavianoff, benzer düşünceyle metalin arka transferini gerçekleştirdiğini duyurmuştur, fakat bu işlem döküm metalin kaynak banyosuna transferidir.

1900

Yaklaşık 1900’lü yıllarda, Büyük Britanya’da Strohmenger metal bir elektrodu kapladığını duyurdu. Keşfi kil veya kireçten meydana gelen ince bir kaplamaya sahip olmasına karşın oldukça stabil bir ark sağlayabiliyordu.

İsveç’ten Oscar Kjellberg ise 1907 ile 1914 tarihleri boyunca yürüttüğü çalışmalarla örtülü elektrodun keşfini getirmiştir. Çubuk elektrodların imalatı, karbonat ve silikatlardan oluşan karışımlara çıplak demir tellerin daldırılması ve ardından kaplamanın kurutulması yöntemiyle gerçekleşmekteydi.

Aynı zaman diliminde, nokta direnç kaynağı, dikiş kaynağı, projeksiyon kaynağı ve yakma alın kaynağının da içinde bulunduğu direnç kaynak yöntemleri de geliştirildi. 1885-1990 yıllarındaki patentleriyle Elihu Thompson, Direnç Kaynağının yaratıcısı olmuştur.

1903 yılında Alman Goldschmidt, Termit Kaynağını keşfetmiş ve ilk kez demiryolu raylarında kullanılmıştır.

Gazaltı Kaynağı ve Kesme Prosesleri de bu zaman aralığında oldukça gelişmiş ve mükemmel hale gelmiştir. Oksijenin üretimi ve sonrasında sıvılaştırılmasıyla birlikte üfleç ve şalomaların geliştirilmesi de kaynak ve kesmeteknolojisinin geliştirilmesine yardımcı olmuştur.

1900’lü yıllardan önce, hidrojen ve hava gazı oksijenle birlikte kullanılıyordu. 1900’lü yıllarda düşük basınçta asetilen gazının kullanımı için bir şaloma modeli geliştirilmişti.

Birinci Dünya Savaşı, silah üretimi için muazzam bir talebi beraberinde doğurdu ve kaynak teknolojisi yaygın şekilde üretime girdi. Böylece Amerika ve Avrupa’da artan talepleri karşılamak için pek çok kaynak makinesi ve elektrod üreticisi türemiştir.

1919

1919 yılında savaşın hemen ardından, Acil Durum Donanma Kuruluşu’nun Savaş Dönemi Kaynak Komitesi’nin Comfort Avery Adams liderliğindeki 20 üyesi, kaynak ve ilişkili yöntemlerin ilerlemesine destek sağlamak amacıyla, kar amacı gütmeyen bir organizasyon olarak Amerikan Kaynak Cemiyeti’ni (American Welding Society – AWS) kurmuşlardır.

1919 yılında C.J. Holslag tarafından alternatif akımın keşfedilmesine rağmen, kalın örtülü elektrodların yaygın kullanımı için 1930’lara kadar herhengi bir ilerleme olmamıştır.

1920

1920 yılına gelindiğinde otomasyon kaynak sistemleri geliştirilmeye başlanmıştı. Otomasyon çıplak telin besleme hızından yararlanılarak doğru akımda gerçekleştiriliyordu. Otomatik kaynak General Electric şirketinden P.O. Nobel tarafından keşfedilmişti. Aşınmış motor şaft ve vinç dişlileri üzerinde gerçekleştirilmiş çalışmalardan sonra ayrıca otomotiv endüstrisinde arka aks muhafazalarının üretiminde de kullanılmıştır.

1920’li yıllar boyunca, çeşitli tiplerden kaynak elektrodları geliştirilmiştir. O dönemde kalın örtülü elektrodların alışkın şekilde kullanılan ince örtülü elektrodlara göre avantajları hakkında ciddi bir tartışma vardı. Ekstrüzyon kullanılarak üretilen kalın örtülü elektrodlar, A.O. Smith şirketinden Langstroth ve Wunder tarafından 1927 yılında geliştirilmiştir. 1929 yılında Lincoln Electric şirketi ektrüzyonla elektrod üretip ilk kez piyasaya satış yapmaya başlamıştır. 1930 yılına gelindiğinde ise örtülü elektrodların kullanımı oldukça yaygın hale gelmişti. Daha kaliteli kaynak metaline ihtiyaç duyulmasıyla birlikte örtülü elektrotlarının kullanımı kaynak kodlarının ortaya çıkmasına da sebep olmuştur.

1920’li yıllarda arkın korunması ve kullanılabilir kaynak koruyucu gazları hakkında pek çok araştırma yapılmıştır. Atmosferdeki oksijen ve nitrojenin kaynak banyosuyla teması sonucunda kaynak metali çatlak hassasiyeti yüksek ve gözenekli bir yapıda oluyordu. Alexander ve Langmuir kaynak atmosferini simule etmek için Hidrojen gazı dolu odalarda çalışmalar yürütmüşlerdir. Karbon elektrodlarıyla başladıkları çalışmalarında daha sonra Tungsten elektrodları kullanmaya başlamışlardır. Hidrojen molekülü ark içerisinde Hidrojen atomlarına ayrılmaktaydı. Bu olay yüksek ısı çıkışıyla birlikte arka yoğun bir form kazandırıyordu. Bu ark yöntemi oksi-asetilen yönteminden iki kat daha fazla ısı üretilmesini sağlamıştı. Böylece atomik hidrojen kaynak prosesi ortaya çıktı ancak asla popüler bir uygulama haline gelmedi. Ancak 1930 ve 1940’lı yıllar boyunca bazı özel uygulamalarda ve takım çeliklerinin kaynaklarında kullanılmıştır.

H.M. Hobart ve P.K. Devers birlikte tamamen benzer çalışmaları yürütüyorlardı ancak onlar koruyucu atmosfer için Hidrojen yerine Argon ve Helyum gazı kullanıyorlardı. 1926’da aldıkları patentle, TIG kaynağının (GTAW – Gas Tungsten Arc Welding) öncüsü olacak şekilde yöntemin mekanizmalarını belirlemişlerdi.

Aynı zamanda ortasından tel elektrodun sürülebildiği eş merkezli bir nozulla kaynak yapılabildiğini de göstermişlerdi. Bu da tam olarak Gazaltı kaynağının (GMAW – Gas Metal Arc Welding) ilk örneği olarak karşımıza çıkmaktadır. Ardından bu yöntemler pek çok şekilde geliştirilmiştir.

1930

Saplama Kaynağı 1930 yılında New York’da bir tersanede ahşap güvertenin metal yüzeylere tutturulma ihtiyacıyla geliştirilmiştir, ardından gemi inşa ve inşaat sektörlerinde popüler hale gelmiştir.

Tozaltı kaynak yöntemi otomasyon prosesleriyle birlikte yaygın kullanılır hale gelmiş ve Ulusal Boru şirketi tarafından McKeesport, Pennsylvania’da yer alan boru fabrikası için yeni yöntem geliştirilmeye devam edildi. Boyuna dikişli boruların üretimi için tasarlandı. Proses 1930 yılında Robinoff tarafından patent altına alındı ve ardından Unionmelt® kaynağı ticari ismiyle Linde Air Products şirketi tarafından satın alındı. Tozaltı kaynağı 1938 yılına kadar özellikle pek çok tersane ve ağır silahların üretiminin yapıldığı tesislerde kullanıldı. Geçmişten günümüze kadar en verimli kaynak yöntemi olma özelliğiyle popülerliğini sürdürmeyi başarmıştır.

1940

TIG kaynağının gelişim süreci geçmişinde, oksitlemeyen gaz atmosferi içerisindeki kaynak fikrinin sahibi C.L. Coffin tarafından 1890 yılında patent altına alınmıştı. Konsept 1920’lerin sonlarında koruyucu atmosfer olarak Helyum gazını kullanmasıyla H.M.Hobart tarafından daha da rafine edilmişti. P.K. Devers da Argon gazı kullanmıştı. Yöntem Magnesyumun kaynağında ideal olduğu gibi, paslanmaz çelik ve alüminyumun kaynağında da çok başarılı sonuçlar vermekteydi. 1941 yılında Meredith tarafından mükemmelleştirilen yöntem patent altına alınarak Heliarc® kaynağı şeklinde ticari isimleştirildi. Daha sonra, su soğutmalı torçları geliştirilen Linde Air Products’a lisans verilmiştir. Tüm bu gelişmelerin sonucunda TIG kaynak yöntemi en önemli kaynak uygulamaları arasında yerini almıştır.

GMAW – Gazaltı kaynağı da Air Reduction şirketi sponsorluğunda Battelle Memorial Enstitüsü tarafından 1948 yılında geliştirilmiş ve oldukça başarılı şekilde uygulanmıştır. Yöntemin gelişimi Tungsten elektrod yerine sürekli beslenebilir tel  kullanımıyla, aynı TIG kaynağı prensiplerince gerçekleştirilmiştir. En temel değişikliklerin içerisinde daha kullanışlı olan küçük çaplı tel elektrodların kullanılabilirliği ve sabit voltajlı güç kaynağı kullanımıydı. Bu ilke daha önce H.E Kennedy tarafından patenti alınmıştı. Gazaltı kaynağının ilk tanıtımı demir dışı metallerin kaynağı için yapıldı ancak yöntemin yüksek metal yığma oranı kullanıcıların çelik üzerinde de denemelerine sebep olmuştur. İnert gazların maliyeti nispeten yüksekti ve maliyetlerin avantaja çevrilmesi dönem içerisinde kısa zamanda mümkün görünmüyordu.

1950

1953 yılında Lyubavskii ve Novoshilov CO2 gaz koruması altında kaynak uygulaması gerçekleştirdiklerini duyurdular. CO2 kullanımıyla kaynak yöntemi, inert gaz metal ark kaynağı için geliştirilen ekipmanlarla rahatlıkla kullanılabildiği için hemen lehte sonuçlanmıştır. Dolayısı ile ancak bu gelişmeden itibaren çeliklerin kaynakları için maliyet açısından anlamlı ve kullanılabilir hale gelmiştir. 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 mümkün kıldı ve sistemin kısa sürede en popüler kaynak yöntemi haline gelmesine sebep oldu.

1960

Bir başka yenilik de inert gazın küçük miktarlarda oksijen içeriğiyle birlikte kullanılmasıydı, Bu yönteme karışım Sprey Ark transferini sağlamıştı ve 1960’ların başında popüler hale gelmişti. Dönemin beraberindeki en son buluşu da pulslu akımın kullanımıydı. Akımın belirtilen oranlarda yüksek ve alçak değerlerde frekans boyunca tek veya çift olarak tekrarlanmasıyla sağlanıyordu.

CO2 koruması ile kaynağın kullanıma sunulmasından kısa bir süre sonra, özel bir tel elektrod kullanılan yeni 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 kullanılmaktaydı. Amerikalı RK Hopkins tarafından yapılan çalışmalara dayanıyordu ve 1940’da patent altına alınmıştı. Hopkins yöntemi hiçbir zaman birleştirme işlemleri için kendine önemli bir yer bulamadı. Yöntemin ekipmanlarının geliştirilmesi ve mükemmelleştirilmesi Ukrayna Kiev’deki Paton Enstitüsünde ve o zaman ki 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 aslında 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.

1957 yılında Gage Plazma Ark kaynağını keşfetti. Bu yöntem sıkıştırılmış bir ark veya ark boyunca daraltılması prensibini kullanır; bu da tungstenden elde edilen arktan daha yüksek sıcaklıkta bir ark plazması oluşturur. Yöntem aynı zamanda kesme ve metal spreyi için de kullanılmıştır.

Elektron ışın kaynağı yöntemi, bir vakum odacık içerisinde güç kaynağı yardımıyla elektronların demet haline getirilerek odaklanmasıyla Fransa’da keşfedilmiştir. Fransız Atom Enerjisi komisyonundan J.A. Stohr tarafından 23 Kasım 1957’de kamuya tanıtıldı. Amerika’daki otomotiv ve havacılık motor endüstrileri yöntemin önemli kullanıcıları arasında yer almıştır.

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 kullanılmaktadır.

 

Kaynak:

Bu makale Howard B. Cary tarafından Modern Welding Technology, 4. Baskı (Prentice-Hall tarafından yayınlanmıştır), 1998’den tercüme edilerek alınmıştır.

Kitap Hobart Kaynak Teknolojisi Enstitüsü’nden sipariş edilebilir.