Plazma Arkı ile Kaynak ve Endüstriyel Uygulamaları
Plazma ark kaynak yöntemi; havacılık, uzay, nükleer, elektronik ve gemi yapım endüstrileri gibi birçok üretim endüstrisinde kullanılmakta olan bir kaynak yöntemidir. NASA, bu yöntemi uzay mekiği ve uzay istasyonu bileşenlerinin kaynağında kullanarak yöntemin ticari uygulamalarının artışında önemli bir rol oynamıştır. Günümüzde, plazma ark kaynağı ile karbonlu ve az alaşımlı çelikler, paslanmaz çelikler, alüminyum ve alüminyum alaşımları, bakır ve bakır alaşımları, nikel ve nikel alaşımları ve bazı tür reaktif metallerin kaynağı her pozisyonda başarı ile kaynak yapılabilmektedir.
Plazma arkının oluşturulması 
Standard bir plazma ark torcu, ucunda küçük bir deliği bulunan meme ile bu memenin merkezindeki ergimeyen tungsten bir elektroddan oluşmaktadır. Plazma gazı, bu iç içe geçmiş dairesel meme ile elektrod arasından geçerek dışarıya çıkar. Elektrod ile meme veya iş parçası arasında ark sütunu oluştuktan sonra, basınçlı plazma jetinin oluşturulması için iyonize olan gaz delikten dışarı püskürtülür. Ark sütununun dış yüzeyi soğutulduğundan sütun yoğunlaşmış olur, dolayısı ile içe doğru büzülür. Böylece, büzülmüş sütun içinde sıcaklık birden bire 10000-30000*K arasında bir sıcaklık derecesine yükselir. Dairesel alandan geçen gaz, yüksek bir iyonlaşma düzeyine ve göreceli olarak yüksek bir enerjiye sahip olup bu enerji, kaynak ve diğer işlemlerde iş parçasının tavlanmasında kullanılır.
Uygulamada plazma arkı çeşitli yollarla oluşturulabilir. Elektrik devresi tungsten elektrod ile iş parçası arasında tamamlanarak, ark akımı iş parçası üzerinden akar. Bu transfer olmuş ark veya direkt ark olarak adlandırılır. Elektrik devresi meme ve tungsten elektrod arasında tamamlanırsa; ark elektrodla, su ile soğutulan bakır meme arasında yanar ve memeden bir gaz akımı ile zorlanarak sürülür. Transfer olmamış ark veya endirekt ark olarak adlandırılan bu düzenleme de iş parçası ark devresi içinde değildir. Her iki arkın kombinasyonunu kullanan bir diğer yöntem daha vardır, bu da en çok metal tozu püskürtme uygulamalarında kullanılır (Şekil 3)..
Plazma arkı memeden dışarı çıktığında, biraz daha küçük parlak bir nüveye sahiptir. Nüvenin çevresi, daha az parlak kılıfla sarılmıştır. Nüve uzunluğu, 2-3 mm'den 40-50 mm'ye kadar değişir. Bu değişim, meme ve tünelin boyutlarına, plazma oluşturan gazın bileşim ve debisine, akım şiddetine, ark uzunluğuna bağlıdır. İş parçası üzerindeki mekanik ve ısıl yükün dağılımı için uygun biçimlendirilmiş memeler kullanılarak, plazma arkı şekillendirilir.
Plazma arkı ile kaynağın uygulama teknikleri
Plazma ark kaynak yöntemi, üretim kaynağı olarak uzay endüstrisi, havacılık ve nükleer endüstrilerde çok yaygın kullanıma girmiştir. Özellikle dikiş kalitesi ve güvenilirliği ve ekonomiklik açısından kabul edilen bir yöntemdir. TIG yöntemi ile kaynak edilebilen tüm metal ve alaşımları plazma ark kaynağı ile de güvenilir bir biçimde kaynak edilirler.
Plazma arkı ile kaynakta iki teknik çok sık kullanılır. Bunlar, ergitme tekniği (melt-in mode) ve anahtar deliği tekniği (key hole mode) olmaktadır.
Ergitme tekniği
Yüksek akım şiddetleri (50-400A) kullanılan kaynak işlemlerinde daha yaygın olarak ergitme tekniği kullanılır. Bu uygulama ile TIG yöntemine benzer bir kaynak dikişi oluşturulur. Özellikle, aynı kaynak kalitesini sağlamak için mekanize uygulamalarda, TIG yöntemine tercih edilebilir. Ark kararlılığı ve akım şiddeti yüksek olduğundan daha nufuziyetli kaynak dikişleri oluşturulur ve kullanım sırasında ark rahat kontrol altında tutulabilir, aynı zamanda kaynak süresi de azaltılır. Ek kaynak metali, malzeme kalınlığına bağlı olarak kullanılır veya kullanılmayabilir. Uygulamalar, laminasyon paketlerinin kaynağı, boru kaynağı, kaplı çelik sacların ve anahtar deliği tekniği ile oluşturulmuş kaynak dikişlerinin kapak pasolarının gerçekleştirilmesi biçiminde karşımıza gelmektedir.
Anahtar deliği tekniği
Metallerin plazma arkı ile kaynağında metalden metale değişen bir kalınlık aralığında kullanılan gaz akımı, akım şiddeti ve kaynak hızının uygun ayarlanması ile malzemeyi derinliğine kateden bir delik ile çok küçük bir kaynak banyosu oluşturulabilir. Anahtar deliği tekniği genel olarak yatay pozisyonda 1.5-10 mm kalınlık aralığındaki malzemelere uygulanır. Bununla beraber, uygun kaynak koşulları sağlanarak bazı metal kalınlıklarında da her pozisyonda kaynak yapılabilir. Gazaltı kaynak yöntemleri arasında bu özeliği gösteren tek yöntem plazma arkı ile kaynak yöntemidir.
Anahtar deliği tekniğinde, plazma arkı anahtar deliği oluşturmak için parçanın derinliğine doğru girdiğinden, ergiyen metal parçanın yüzeyine doğru çıkar. Plazma ark torcu, kaynak bağlantısı doğrultusunda hareket ettiğinde arkın ön kısmında bulunan ergimiş metal plazma arkının kenarlarından dolaşarak arkaya doğru hareket eder ve orada katılaşır. Anahtar deliği tekniğinin en önemli üstünlüğü, kaynağın tek pasoda yapılabilmesidir.
Anahtar deliğinin iç kısmında bulunan ergimiş metal filmi içindeki kalıntılar ve gazlar parçanın yüzeyine doğru hareket eder. Banyonun maksimum hacmi ve kökteki dikiş profili, büyük ölçüde ergimiş kaynak metalinin yüzey gerilimi, plazma arkının akım şiddeti ve iyonize olmuş plazma gazının hızı tarafından belirlenir. Yüksek akım şiddetli anahtar deliği tekniği, kaynakta kesme koşullarının hemen altındaki değerlerde gerçekleştirilebilir. Kesmede plazma gazının hızı, sadece ergiyen metali o bölgeden uzaklaştıracak derecede yüksektir. Kaynakta plazma gaz hızının düşük olması sonucu, yüzey gerilimi, ergimiş metali kaynak ağzında tutar. Dolayısı ile, burada plazma gaz hızı kritik büyüklüktür ve sıkı bir şekilde kontrol altında tutulmak zorundadır. 0.12 l/dak'dan daha yüksek gaz debileri önerilmez ve bu da oldukça düşük bir değerdir.
Plazma ark kaynağı donanımı
Elle ya da mekanize olarak uygulanabilen plazma ark kaynak yönteminde kullanılan kaynak donanımı aşağıdaki elemanlardan oluşmaktadır;
• Akım üreteci
• Kaynak torcu
• Kontrol ünitesi
• Plazma ve koruyucu gaz sağlama sistemi
• Su soğutma ünitesi
Plazma ark kaynağı akım üreteçleri
Plazma ark kaynak yönteminde, genellikle TIG yönteminde olduğu gibi düşen tür volt-amper karakteristikli doğru akım veren kaynak akım üreteçleri kullanılır. Bunlar 0.1 A’den 400 A’e kadar akım şiddetleri verecek şekilde yüzde 60 dan yüzde 100 devrede kalma oranlarında üretilirler.
Plazma ark kaynağında, ergimeyen tungsten elektrod torç içinde memenin gerisinde durmaktadır ve bu yöntemde TIG yönteminde olduğu gibi elektrodu dokundurarak veya yüksek frekans sargısı üzerinden ark başlatması yoktur. Bu nedenle, arkın başlatılması bir pilot ark ark yardımıyla gerçekleştirilir, bu da ünite içerisine yerleştirilen yardımcı bir küçük akım üreteci ile sağlanır. Pilot arkı başlatmak için yardımcı üreteç 5A’e ayarlanır. Düşük akımlı plazma ark kaynaklarında pilot ark oluşturulan kaynak arkıyla desteklenir ve 10A’in üzerindeki bir değere çıkıldığında pilot ark söner.
Plazma ark kaynağında argon veya yüzde 7’ye kadar hidrojen içeren argon- hidrojen gaz karışımlarının kullanılması durumunda redresör türü akım üreteçlerinin boşta çalışma gerilimleri 65-80V arasında olmalıdır; ancak, helyum ya da yüzde 7’den daha fazla argon- hidrojen gaz karışımları kullanılması durumunda arkın başlayabilmesi için daha yüksek boşta çalışma gerilimine gereksinim duyulmaktadır. Bu da, ancak iki kaynak redresörünün seri bağlanması ile gerçekleştirilebilir.
Bazı plazma ark kaynağı uygulamalarında darbeli akıma gereksinim duyulur, bu açıdan aynen TIG kaynağında olduğu gibi darbe generatörlü kaynak akım üreteçleri kullanılır, bu amaçla son yıllarda inverter türü kaynak akım üreteçleri geliştirilmiştir.
Alüminyum ve alaşımlarının plazma ark kaynağı, kare akımlı değişen kutuplamalı alternatif akım veren kaynak akım üreteçleri ile gerçekleştirilir. Bu tür kaynak makinalarında, elektrod ve iş parçasının kutuplaması belirli bir frekansta değişir, bu olay özellikle refrakter alüminyum oksit filminin kırılmasını sağlayarak kaynağın problemsiz ve daha kaliteli yapılmasını sağlar.
Plazma ark kaynak torçları
Bu yöntemde el ile kullanılan kaynak torçları, TIG kaynağında kullanılanlara göre daha karmaşık bir yapıya sahip olduklarından dolayı daha ağırdırlar. Ayrıca, mekanize plazma ark kaynağı için kullanılmak üzere makina torçları da geliştirilmiştir.
Elle kaynak torçları (Şekil 4), eğik bir kaynak kafası ve tutma sapından oluşurlar ve TIG torçlarına nazaran daha büyük çaplıdırlar. Bu torçlarda, tungsten elektrod çok iyi merkezlenmiş olmalıdır; bu durumda meme (nozul) ve elektrod arasındaki radyal açıklığın çok düzgün olması sağlanır. Elektrod ile meme arasındaki eksenel uzaklık mastar yardımıyla ayarlanır.Bu uzaklık, ±0,1 mm’lik bir sapma ile sınırlandırılmıştır. Elle kullanıma uygun plazma ark kaynak torçları 70° ve 90°’lik açılarda eğimli kaynak kafasına sahip olarak tasarlanırlar. Bu torçlar doğru akım doğru kutuplama (DAEN) ile 225 A’e kadar kaynak akım şiddetleriyle ya da doğru akım ters kutuplamayla (DAEP) 70 A’e kadar akım şiddetlerinde kullanım için üretilirler. DAEP kutuplama alüminyumun kaynağında tungsten ya da su soğutmalı bakır elektrod kullanılarak sınırlı olarak kullanılır.
Mekanize kaynak uygulamaları için geliştirilen plazma ark kaynak torçları, 50 ile 500A akım şiddetlerinde kullanılacak şekilde hem doğru akım ters kutuplama hem de doğru akım doğru kutuplama veya kare dalgalı değişen kutuplamalı alternatif akımda kullanıma uygun olarak üretilirler.
Torçların soğutulması oldukça önemli bir konudur, zira bu yöntemde oluşan ark çok sıcak olduğundan iyi bir soğutma, hem tungsten elektrodun hem de meme ve koruyucu gaz nozularının ömrü üzerinde etkilidir. Torç içindeki geçişlerin dar olması üreticinin etkin soğutma sistemi tasarlamasını gerektirir.
Plazma arkı ile kaynakta kullanılan ergimeyen elektrodlar
Plazma arkı ile kaynak yönteminde, TIG kaynak yönteminde olduğu gibi ergime sıcaklığı 3370°C olan saf tungsten elektrodlar kullanılabildiği gibi DAEN kutulamada kullanılabilen toryum veya zirkonyum ile alaşımlanmış ergimeyen elektrodlar da kullanılır. Bu yöntemde kullanılan ergimeyen tungsten elektrodlar EN 26848 ve AWS A5.12 standardlarına göre sınıflandırılmışlardır. AWS standardında EWTh-2 olarak simgelendirilen (EN’ye göre WT 20) ve yüzde 1.7-2.2 ThO2 içeren ergimeyen elektrod en yaygın kullanılan türdür ve uç rengi kırmızıdır. Boylar, TIG kaynağında kullanılanlara göre daha uzundur. Uygulamada, genellikle 2.4 mm çapındaki elektrodlar 150A’e kadar olan kaynak işlerinde 150A’in üzerindeki işlerde de 5 mm çapındaki elektrodlar tercih edilirler.
Kullanılan kutuplama türüne bağlı olarak elektrodların ve memelerin biçimleri de değişir. DAEN kutuplama durumunda konik uçlu sivri elektrodlar kullanılır. Konik elektrodlar torç üreticisine bağlı olarak 20- 60°‘lerde koni açısına sahip olarak farklı çaplarda üretilirler, DAEP kutuplama ve kare dalgalı alternatif akım ile kaynakta, küresel ya da düz uçlu elektrodlar tercih edilir. Önerilen elektrod biçimi elektrodun ucunun aşırı ısınmasını önlemek ve daha fazla akım yüklenebilme kapasitesi sağlamak amacı ile hazırlanır. Elektrodların aşınma durumlarında tekrar hazırlanmalarında bu amaç için özel olarak tasarlanmış taşlama cihazlarının kullanılması gerekir. Taşlama, tam ölçüsünde yeni bir elektroddan hazırlanan mastara göre yapılmalıdır.
Gaz nozulu
Plazma ark kaynağı nozulları (memeleri) bakırdan üretilmiştir. Ömrü başlangıçta ark oluşum sayısı ile etkilenmesinin yanısıra elektrod ucunun merkezlenmesiyle de sınırlıdır. Nozul deliğinin çapına bağlı olarak doğru akım kullanılması da çok önemlidir (tersi durumda çift ark oluşacak ve nozulun hasarına neden olacaktır). Soğutma işlemi de nozul ömrü üzerinde etkilidir. Şekil 5‘te tek ve çok delikli plazma ark kaynak nozulları verilmektedir.
Plazma ark kaynağında kullanılan gazlar
Plazma ark kaynağında kullanılacak gazın seçimi kaynak edilecek malzemeye bağlıdır. Özellikle, plazma gazının asal (soy) karakterde olması gereklidir, aksi takdirde tungsten elektrodun çabuk tükenmesi problemi ile karşılaşılır. Koruyucu gazlarda genellikle soy gaz olmaktadır. Aktif koruyucu gazlar kaynak metali özeliklerine ters etkide bulunduklarından kullanılamazlar. Birçok plazma ark kaynağı uygulamalarında genellikle, koruyucu gaz ile plazma gazı aynıdır. Tablo 1 ve Tablo 2‘de yüksek ve düşük akımlı plazma ark kaynağında kullanılacak gazların seçimi gösterilmektedir.
Plazma ark kaynağında plazma gazı olarak genelde argon kullanılır. Helyumun kullanıldığı uygulamalarda arkta daha yüksek sıcaklıklar elde edilmesine karşın torç elemanlarının aşınması (tükenmesi) daha fazladır. Bu durum da çok önemlidir, zira sürekli olarak yedek parça gerekeceğinden bunların sağlanması ve değişimlerinde de zaman kaybı işin yapım süresini etkileyerek maliyeti artırır.
Plazma ark kaynağında elektrodu çevreleyen memenin çapına ve kullanılan akım şiddetine bağlı olarak gereken gaz akış debileri Tablo 3’de verilmiştir.
Plazma gazı kaynak edilecek malzemelere göre değişik karışımlarda oluşturulabilir, gaz seçiminde başlıca etken kaynak bağlantısından istenen nufuziyet ve kaynak dikiş kalitesidir. Karbonlu çelikler veya ince taneli yapı çeliklerinin (yüksek mukavemetli az alaşımlı çelikler) kaynağında plazma gazı olarak argon gazı kullanılır. Bazı metal ve alaşımlarının kaynağında argona eklenen az miktardaki hidrojen ile plazma ark kaynağında iyi sonuçlar alınmaktadır. Özellikle, ostenitik paslanmaz çeliklerin, nikel alaşımlarının, bakır- nikel alaşımlarının kaynağında argona, yüzde 1-5 arasında hidrojen eklenir.
Koruyucu gaz kullanımı durumunda, düşük akım şiddetli plazma ark kaynak uygulamalarında 10- 15 l/dak, yüksek akım şiddetli uygulamalarda 15- 30 l/dak ve biraz daha yüksek debiler önerilir.
Plazma ark kaynağı uygulamalarında kaynak bağlantısının kök kısmını da korumak gerektiği durumlarda kök gazı kullanılabilir, kök gazı olarak ta kaynak edilecek malzemeye bağlı olarak argon, helyum ya da azot kullanılabilir.
