Sürtünme Kaynağı

Sürtünme kaynağı (Friction Welding), ergitme işlemi olmaksızın katı halde birleştirme sağlayan bir kaynak yöntemidir. Bu yöntemde, iki iş parçası arasında mekanik enerjiyle oluşan sürtünme ısısı, malzemelerin plastik şekil değiştirme sıcaklıklarına kadar yükselmesine neden olur. Kaynak işlemi, parçalardan birinin (veya her ikisinin) döndürülmesiyle yüzeyler arasında ısı üretilmesini, ardından bu yüzeylere eksenel basınç uygulanmasını ve birleşmenin sağlanmasını içerir. Ergitme ve dolayısıyla katılaşma söz konusu olmadığından, sürtünme kaynağı metalurjik açıdan daha kararlı ve homojen birleşme bölgeleri sağlar.

^{Sürtünme Kaynağı İşlemine ait görsel (}MİB⁾

Sürtünme kaynağı ile ilgili ilk patent, 1891 yılında Amerikalı makinist I.H. Bevington tarafından alınmıştır. 20. yüzyılın ilk yarısında Rusya, İngiltere ve Almanya gibi ülkelerde de bu alanda patent başvuruları yapılmıştır. 1950'li yıllarda Rus bilim insanları, metal çubukları sürtünme kaynağıyla birleştirerek yöntemin endüstriyel anlamda uygulanabilirliğini kanıtlamıştır. 1960'lı yıllarda ise Amerika Birleşik Devletleri’nde bu yöntemi uygulayan ticari makineler geliştirilmiştir.

Sürtünme kaynağı üç temel aşamada gerçekleşir:

1. Sürtünme Aşaması (t₁): Bir parça sabit tutulurken diğer parça belirli bir hızda döndürülür. Yüzeyler arasında oluşan sürtünme ile temas yüzeyleri ısınır. Bu aşamada sıcaklık 100–120 °C seviyelerinde başlar.
2. Yakalama ve Plastikleşme Aşaması (t₂): Isı etkisiyle yüzeydeki oksit tabakaları dağılır, metal yüzeyler ortaya çıkar ve plastik deformasyon başlar. Sıcaklık, genellikle 900–1300 °C aralığına ulaşır (çelikler için).
3. Yığma Aşaması (t₃): Dönme durdurulur, eksenel basınç artırılır ve plastikleşmiş yüzeyler sıkıştırılarak kaynak tamamlanır. Bu fazda toplam ısının yaklaşık %87’si üretilir.

Bu süreçte sürtünme kuvveti, uygulanan basınç ve yüzeydeki mikroskobik çıkıntıların makaslanmasıyla oluşan şekil değişimi temel mekanizmalardır. Bu nedenle, yöntem hem mikroskobik (atomik düzeyde bağlanma) hem de makroskobik (plastik şekil değiştirme) birleşme sağlar.

• Sürekli Tahrikli Sürtünme Kaynağı: Motor aracılığıyla dönen parça sabit hızla sürtünme oluşturur. Sürtünme tamamlandıktan sonra dönme durdurulur ve yığma yapılır.
• Volan Tahrikli (Atalet) Sürtünme Kaynağı: Volanda önceden depolanan kinetik enerjiyle parçalar döndürülür. Dönme durunca basınç uygulanarak birleştirme yapılır.
• Kombine Sürtünme Kaynağı: Yukarıdaki iki yöntemin birleşimidir. Genellikle büyük parçaların kaynağında tercih edilir

• Dairesel Hareketli: Klasik yöntemdir, boru ve çubuk gibi dairesel parçaların kaynağında kullanılır.
• Lineer Titreşimli: Parçalardan biri ileri-geri hareket ederek sürtünme ısısı oluşturur.
• Açısal, Radyal ve Yörüngesel Titreşimli: Dairesel olmayan parçaların kaynağı için geliştirilmiş yöntemlerdir.

Sürtünme kaynağı işleminde etkili olan başlıca parametreler:

• Dönme Hızı (n): Yüzey sıcaklığı ve deformasyon oranını etkiler. Çelikler için çevresel hız genellikle 1.2–1.8 m/s arasındadır.
• Sürtünme Basıncı (P₁): Yüzey oksitlerini temizlemek ve sıcaklık dağılımını sağlamak için gereklidir.
• Yığma Basıncı (P₂): Malzemenin akma dayanımına göre seçilir. Genellikle P₂ = 2–3 × P₁ oranındadır.
• Süreler (t₁, t₂, t₃): Isıtma, frenleme ve yığma süreleri uygun seçilmezse kaynak kalitesi düşebilir.

^{Sürtünme Kaynağı İşlemine ait görsel (}MİB⁾

• Ergime ve katılaşma olmadığı için metalurjik kusurlar oluşmaz.
• Farklı metallerin birleştirilmesi mümkündür.
• Kaynak bölgesi yüksek dayanımlı ve ince taneli mikro yapı kazanır.
• Kaynak bölgesinde cüruf, porozite ve gaz boşlukları oluşmaz.
• Isıdan etkilenen bölge (HAZ) dardır.
• Talaşlı işleme gerek duyulmayacak kadar hassas birleşmeler mümkündür.

• Parçaların genellikle dönmeye uygun, dairesel kesitli olması gerekir.
• Büyük kesit alanlarında motor gücü ve pres kapasitesi yüksek olmalıdır.
• Dönme nedeniyle eksenel kısalma olur, bu da malzeme kaybına yol açar.
• Makineler ve otomasyon sistemleri yüksek maliyetlidir.

Sürtünme kaynağı otomotiv, havacılık, makine ve savunma sanayilerinde geniş yer bulmuştur:

• Otomotiv: Dingiller, motor valfleri, fren parçaları, şanzıman bileşenleri.
• Havacılık ve Uzay: Rotorlar, türbin parçaları, jet motor elemanları.
• Takım Endüstrisi: Matkaplar, freze uçları, raybalar.
• Makine İmalatı: Dişliler, hidrolik pistonlar, flanşlar.

Sürtünme kaynağı aynı ya da farklı metallerle uygulanabilir. Aşağıdaki bazı kombinasyonlar kaynakla başarıyla birleştirilebilir:

• Alüminyum ↔ Bakır / Çelik / Pirinç
• Paslanmaz Çelik ↔ Zirkonyum / Alüminyum
• Titanyum Alaşımları ↔ Çelik / Alüminyum
• Sinterlenmiş Çelikler ↔ Karbonlu Çelikler

Sürtünme kaynağı, farklı veya aynı tür malzemelerin, yüksek sıcaklık ve basınç uygulanmadan, yalnızca mekanik enerjinin ısıya dönüştürülmesiyle birleştirilmesini mümkün kılan etkili ve güvenilir bir katı hal kaynak yöntemidir. Özellikle ergitme yöntemlerinin yetersiz veya uygunsuz olduğu malzeme kombinasyonlarında; mikro yapının korunması, düşük enerji tüketimi, dar ısıdan etkilenmiş bölge ve yüksek kaynak dayanımı gibi avantajlar sunar.