Plazma Arkı ile Kaynak ve İşleme



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 Teorisi

20. yüzyılın başlarında, varlığı görülebilen ancak el ile tutulamayan gaz biçimindeki malzemelere eski Yunanca bir kelime olan plazma adı verilmiştir. Plazma’nın anlamı "var olan" veya "oluşturulan"dır. 1928 yılında da Amerikalı fizikçi Langmuir, bir ark boşalmasının göz alıcı parlaklıktaki gaz sütununu plazma olarak nitelemiştir. Kaynak tekniğinde ise, serbest yanan arka karşılık sınırlanmış ark, fiziksel olarak doğru olmasa bile plazma arkı olarak nitelendirilir, aslında plazma, bir ark içinden geçen yüksek sıcaklığa ve elektrik iletkenliğine sahip gaz sütununun fiziksel tanımlamasıdır.

Zira, her madde gaz fazında bulunduğunda türüne, özeliğine ve doğasına bağlı olarak değişen bir sıcaklığa kadar ısıtılınca, moleküllerindeki hareketlenme nedeni ile atomlar dış kabuk elektronlarını yitirerek pozitif yüklü iyonlar haline dönüşürler. Sıcaklık yükseldikçe, iyonlaşma derecesi yani iyonlaşmış atomların toplam sayıya yüzde oranı artar, sıcaklık birkaç onbin derece gibi maddeye bağlı olarak değişen bir eşik değerden sonra ortamda yalnız pozitif yüklü iyonlar ve negatif yüklü serbest elektronlardan oluşmuş bir karışım bulunur. Elektriksel açıdan nötr ve yüklü parçacıklardan oluşması nedeni ile iletken olan bu karışıma plazma adı verilir

Evrende güneş, yıldızlar, kozmik ışınlar, yıldırım ve elektrik boşalmalarında görülen bu hal, özelikleri bakımından maddenin katı, sıvı ve gaz olarak bilinen üç halinin dışında kaldığından, maddenin sıcaklık ölçeğinde dördüncü hali olarak tanımlanır.

 Plazma arkı kaynağının tarihsel gelişimi ve önemi

Plazma benzeri cihazlardan ilk olarak 1900’lü yılların başlarında demir cevherinin işlenmesi ve yüksek yoğunluklarda ark geliştirilmesi çalışmalarında söz edilmeye başlanmıştır.

Bu konudaki ilk çalışmalar 1909 yılında Schonherr’in, bir gazın dönel hareketinin basıncından yararlanarak arkı dengeleyen bir cihazı geliştirmesi ile başlar. Bu sistemde, içinde ark oluşturulmuş bir tüpe teğetsel doğrultuda bir gaz üflenmektedir, bu gazın hareketinin oluşturduğu merkezkaç kuvveti nedeni ile eksenel doğrultuda düşük basınç yaratılarak tüpün ekseninde bulunan ark dengelenmiş ve bu sistem sayesinde birkaç metre uzunluklara varan ark oluşturabilme olanağı doğmuştur. Schonherr’in geliştirdiği bu cihaz, arkın uzatılması üzerine yapılan çalışmalara öncülük etmiştir.

Plazmanın bir ısı kaynağı gibi kullanımının ortaya çıkması 1911’de E. Mathers’in patenti ile olmuştur.

Ark sıcaklığının daha da yükseltilmesi amacına dönük araştırmalar sonucu 1922 yılında Gerdien ve Lotz, su yardımı ile arkı dengeleyen bir cihaz geliştirmişlerdir. Bu cihazda, tüpün iç cidarlarına teğetsel olarak hareket eden su, bir uçtan enjekte edilmekte ve diğer uçtan dışarı atılmaktadır. Tüpün içinde iki karbon elektrod arasında oluşturulan ark, bu su ile soğutularak büzüldüğünden Schonherr’in cihazına nazaran daha yüksek bir akım yoğunluğuna ve sıcaklığına ulaşmıştır. Bu cihaz içinde arkın tüple bir teması bulunmamakta ve tüp cidarı ile ark arasında bir su zarfı bulunmaktadır. Bu olay arkın su ile soğutularak büzülmesi prensibinin temelini oluşturmaktadır. Bu cihaz yardımı ile Gerdien ve Lotz, 30 000 A/cm2’lik bir akım yoğunluğu elde edebilmişlerdir. Daha sonra bu konu üzerinde çalışan Burnhorn, Meacker ve Peters benzer prensipten hareket ederek ark ekseninde 50 000 °K’lik bir bir sıcaklık oluşturmayı başarmışlardır. Ancak, Gerdien ve Lotz’un yönteminin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar sırasında araştırıcılar, gaz memesi ve tungsten elektrod arasındaki aralığın daraltılması sonucunda soy gazın hızının artmasının ark sıcaklığını yükselttiğini farkederek, bu yüksek sıcaklıktaki arkın ısıttığı hızlı soy gaz akımının parça üzerine doğru yönlendirildiğinde metali kestiğini saptamışlardır.

1953’de Dr. Robert Gage, refrakter malzemelerin ark yardımı ile ergitilmesi üzerine yaptığı çalışmalarda normal bir gaz alevi ile uzun bir elektrik arkı arasındaki benzerliğe dikkatleri çekerek, arkın hız ve ısı yoğunluğunun kontrolu üzerine yapılan bu çalışmalarda ilk modern plazma torcunun gelişmesine olanak sağlamıştır.

İlk endüstriyel plazma arkı ile kesme torcu, 1957 yılında Linde tarafından tanıtılmıştır. Aynı yıl, Dr. Robert Gage (Union Carbide), yöntemin patentini almıştır (U.S.Patent No. 2.806.124). Bu cihaz prensip olarak, bir TIG torcunu andırmaktaydı; buradaki fark, elektrod torcun memesinden daha geride bulunmakta ve ark, nozuldaki çok küçük çaptaki delikten geçerken büzülmektedir. TIG kaynağı için kullanılan alışılmış düzeneğe arkın başlatılmasını sağlayacak bir pilot ark devresi ile bir plazma gazı donanımı eklenmişti. Bu tür kesme torcu 1970’lere kadar patenti nedeni ile Dr. Gage’in tekelinde kaldı.

Dr. Gage’in buluşunu takip eden yıllarda plazma arkının yüzey işleme ve kaynakta kullanılabilirliği üzerine çalışmalar yapılırken (1961- 1963) kesilen kenarların kalitesinin geliştirilmesi, torcun kullanım ömrünün uzatılması, kesme hızının yükseltilmesi konusunda yoğun araştırmalar yapılmıştır.

1960’lı yılların ortalarında yapılan Titan III- C roketi üretiminde doğru akımlı ve doğru kutuplamalı (DAEN) plazma ark kaynağının kullanımı ABD.’de bu yöntemin en önemli uygulamalarından biri olmuştur. Roketin daha önce TIG yöntemi kullanılarak kaynak edilen kısımlarında plazma arkı kullanılarak kaynak süresi yarı yarıya azaltılmıştır.

1962’de Thermal Dynamics Corp., James Browning’in patenti altında geliştirdiği çift gazlı ve ters kutuplamalı (DAEP) plazma ark yöntemini alüminyumun kaynağında uygulamıştır.

Sciaky, 1967’de değişken kutuplamalı kare dalgalı TIG kaynak akım üreteçlerini piyasaya sunmuştur. Bu iki olay, plazma yöntemlerinin gelişimine büyük katkıda bulunmuştur. 1960’ların sonuna doğru Boeing, bu iki önemli buluşu, değişken kutuplamalı akım üretecini plazma anahtar deliği kaynak tekniği ile birleştirerek değişken kutuplamalı plazma ark kaynak yöntemini geliştirmiştir.

Koruyucu gazın plazma nozulunu soğutarak kaynak ve kesme kalitesini ve de nozulun kullanım ömrünü artırması araştırmacıları plazma nozulunun daha iyi soğutulması için koruyucu gazın yanısıra suyun kullanılabilirliği konusunda çalışmalara yönlendirmiştir (1965).

1968 yılında Hypertherm firmasından Richard Couch, su enjeksiyon sistemli bir plazma kesme torcunun patentini almıştır. Burada, su torca radyal olarak enjekte edilerek daha etkin bir plazma nozulu soğutulması ve daha yüksek bir kesme hızı elde edilebilmiştir.

Değişken kutuplamalı plazma ark kaynağının parlak bir gelecek göstermesi üzerine Boeing, Hobart Brothers’a çok doyurucu sonuçlar veren bir akım üreteci geliştirmesini önermiş ve bu tür üreteçlerin üretimini sağlamıştır.

1978’de NASA’nın büyük gelişmeler gösteren bu önemli yöntemi inceleyerek, uzay mekiğinin alüminyum kısımlarının kaynağında uygulanabilirliğini ve TIG yönteminin yerini alabileceğini açıklanması üzerine yöntem ticari olarak büyük bir başarı kazanmıştır. Yöntemin farklı kalınlıklara uygulanması durumunda parametrelerin uyum programları geliştirilmiş ve bu şekilde alternatif akım değişken kutuplamalı plazma ark kaynağı uzay programlarında önemli bir yere sahip olmuştur.

İlk uygulama yıllarında kararlı plazma arkı ancak 500A’lik akım şiddetlerinde elde edilebildiğinden, yöntem ancak mekanize sistemler yardımı ile kullanılabilir iken 1970’lere doğru 0.1A’lik akım şiddetlerinde dahi kararlı bir ark oluşturabilen mikro-plazma yöntemi gibi sistemlerin geliştirilmesi plazma el torçlarının yaygınlaşmasını sağlamıştır.

Endüstri, plazma arkı ile kaynak sistemlerine çok çabuk alışmıştır ve sağladığı üstünlüklerden dolayı yoğun bir biçimde kullanmaya başlamıştır.