raylarin yakma alan kaynaĞi rayların yakma alan kaynağı.pdf · anahtar kelimeler: yakma alın...

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ

BİLDİRİLER KİTABI

69

RAYLARIN YAKMA ALAN KAYNAĞI

Şafak TURAN

Kaynak Mühendisi – TCDD Ray Kaynak Fabrikası

ÖZET

Yakma alın kaynak yöntemi, elektrik direnç kaynak işleminin bir türüdür. İş parçasından geçen

elektrik akımına karşı parçanın gösterdiği direnç sayesinde oluşan ısının, zamana ve basınca bağlı

olarak kontrol edilmesi ile yapılan bir kaynak yöntemidir. Alın yüzeyleri merkezlenmiş parçalar bu

yöntem ile kısa sürede kaynak edilebilmektedir. Yakma alın kaynak yönteminde kontrol altında

tutulması gereken parametreler; akım, basınç ve kaynak süresidir. Yöntem; ilave dolgu malzemesi

kullanılmaması, ısıdan etkilenmiş bölgenin dar olması ve farklı malzeme yapılarının kaynatılması

açısından oldukça avantajlıdır. Matkap uçları, zincir, tel, şaft, vb. parçaların kaynak işlemlerinin

yanında demiryolu sektöründe de son dönemde rayların kaynatılması için sıkça kullanılan bir

yöntemdir. Rayların bu yöntemle kaynatılması taşınabilir kaynak makinesi ve sabit kaynak tesislerinde

yapılmaktadır. TCDD bünyesinde rayların ve ray makaslarının kaynatılması için iki adet sabit tesis

bulunmaktadır.

Anahtar kelimeler: Yakma alın kaynağı, elektrik direnç kaynağı, ray kaynağı

1. GİRİŞ

Yakma alın kaynağın işleminde temel olarak kontrol edilen akım, basınç, süre olmak üzere

üç adet parametre bulunmaktadır. Bu parametreler kaynak edilecek malzemenin yapısına

boyutuna göre değişmektedir. Farklı malzemelerin kaynağı, geniş kesite sahip olan ray, şaft

gibi yapıların kaynağı bu parametrelerin ayarlanması ile gerçekleştirilir. Bu yöntemde bakır

alaşımlı elektrotların kaynak yapılacak malzemelere teması ile yüksek akım altında ark

oluşumu ve ortaya çıkan ısı ile malzemelerin kaynak sıcaklığına erişmesi amaçlanır.

Demiryolları uygulamalarında kullanılan bu yöntemde raylar hem sahada hem de fabrika

ortamında kaynatılabilmektedir. Sabit kaynak tesisinde bu yöntemde genelde olduğu gibi

düşük gerilim yüksek akım kullanılmaktadır. Yaklaşık 80000 amper, 24 V kullanılan kaynak

işlemi, kendi içerisinde belirli süreçlere ayrılmaktadır. Bu yöntem, temel olarak sürekli

yakma ve kademeli yığma (impuls) olmak üzere iki farklı kola ayrılmaktadır. TCDD ray

kaynak tesisinde kademeli yığma yakma alın kaynak yöntemi kullanılmaktadır.



70

2. YAKMA ALIN KAYNAK YÖNTEMİ VE RAY KAYNAĞI ÜRETİM SÜREÇLERİ

Sabit tesisler için ve mobil kaynak makineleri için ayrı standartlar bulunmaktadır. TCDD

Ray Kaynak Fabrikasında “EN 14587-1; R 220, R 269Mn, R 350HT kalitesindeki rayların

sabit tesisler için yakma alın kaynağı” standartına uygun olarak üretim yapılması

amaçlanmaktadır.

Ray kaynak uygulanması öncesi elektrot temas bölgelerinin ve ray alın yüzeylerinin

fırçalanarak temizlenmesi gerekmektedir. İyi bir ark oluşması ve ark geçişinin düzgün bir

şekilde sağlanması için bu işlem yapılmaktadır. Fırçalama işlemi gerçekleştirildikten sonra

gözle muayene gerçekleştirilerek herhangi bir yüzeysel çatlak olup olmadığı ve ray alın

yüzeylerinin düzgünlüğü mastarlar ile kontrol edilerek raylar kaynağa hazır hale getirilir.

Kaynak makinesine gelen raylar, makine çeneleri tarafından sabitlenir ve elektrotlar rayın

alt ve üst gövdesine temas ettirilir. Burada doğru bir merkezlenme ve sabitleme yapmak,

kaynak için son derece önemlidir. İki ray arasında belirli bir kaynak boşluğu bırakılır ve

raylar kaynak için hazır hale getirilir. Yaklaşık 80000 amper,bakır alaşımlı elektrotlar

üzerinden geçirilir. Birleşecek olan alın yüzeylerin uç kısımları yeterince tavlanıp ergime

sıcaklığına ulaştıktan sonra iki ray eksenel yönde hidrolik basınç kullanılarak hareket

ettirilir. Temas halindeki raylardan akım geçirilmesi belli aşamalardan oluşmaktadır. Ray

temas bölgelerinin tavlama sıcaklığına çıkması için belirli bir sürede akım sürekli geçirilir,

daha sonra kademeli olarak akım kesilerek basınç yardımı ile raylar eksenel yönde hareket

ettirilir. Buradaki amaç; temas eden yüzeyler ideal bir düzlemde olmadıkları için temas

sırasında yüzeylerin az bir noktası birbirine değer bu da elektrik geçiş bölgesini oldukça

daralttığından bu noktalarda direnç artışı gerçekleşir. Bu noktalarda sıcaklık, hızla

yükselerek ergime noktasına ulaşır. Akımın kademeli olarak kesilmesindeki amaç, akımın

farklı noktalardan geçerek homojen bir ergime alanı ve ara yüzey oluşturmaktır. Bu esnada

raylar birbirlerinden uzaklaştırıp yakınlaştırılarak ısının bu ara yüzeyde dağılması sağlanır.

Ray kesitinin büyüklüğüne göre bu işlem birkaç kez tekrarlanır. Küçük temas yüzeylerinden

yüksek akım geçmesi bu bölgelerde metalin az miktarda buharlaşmasına neden olur. Oluşan

bu gaz tabakası görece koruyucu bir atmosfer sağlamaktadır. Bu aşamada kullanılan basınç

yaklaşık 60 ton civarındadır.

Son olarak rayların son yakma işlemi gerçekleştirilir. Bu aşamada akım sürekli geçirilerek

meydana gelen gaz boşlukları, inklüzyonlar, vb. yapılar dışarı atılır ve yaklaşık 120 ton

basınç ile iki ray birbirine doğru itilerek kaynak işlemi gerçekleşir. Bu aşamalardaki süreler

rayın türüne göre değişmektedir. S49 ve UIC 60 raylar genellikle kaynatıldığından uygun

kaynak sıcaklığı elde edinceye kadar bu aşamaların süreleri ayarlanmaktadır. Kaynak

sıcaklığı yaklaşık 1100 oC’dir. Sıcaklığın oluşmasını sağlayan dirençler rayların elektrot

temas bölgesindeki Rm direnci, malzemelerin dışına taşan kısımlarının Rp direnci ve

birbirine temas eden yüzeylerdeki Rc direncidir. Burada etkin olan direnç Rc direncidir.

Bu direnç şu faktörlere bağlıdır;

Temas halindeki rayların mukavemet, sertlik ve iletkenlik gibi fiziksel özelliklerine

Temas halindeki yüzeylere uygulanan basınç miktarı ve türüne

Temas yüzeyindeki oksit, cüruf ve yüzey özeliklerine

Temas halindeki metallerin sıcaklığına bağlıdır.



71

Kaynağın hemen sonrasında meydana gelen kaynak çapağı makine tarafından sıyrılarak

kaynak diğer işlemlere hazır hele getirilir. Burada uygun sıcaklıkta sıyırma işlemi yapmak

ray yüzeyinde çatlak oluşumunu önlemek için önemli bir parametredir.

3. RAY SINIFLARI VE KAYNAKLANAN RAYLARIN TANIMLANMASI

Demiryollarında kullanılan ray sınıfları içerdikleri alaşım elementi miktarına ve boyutlarına

göre değişmektedir. Alaşım elementi miktarı rayın sertlik, dayanım, yorulma dayanımı,

aşınma özelliklerine etki etmektedir.

Boyut ve şekil olarak farklı uygulama sahalarında kullanılan raylar; metro, konvansiyonel

hat, hızlı tren hatlarında kullanılmaktadır. TCDD bünyesinde genellikle S49 ve UIC 60’lık

raylar kullanılmaktadır. Kalite standardı olarak ise genellikle R260, R260Mn kalite ray çeliği

kullanılmaktadır. Son dönemde mantarı sertleştirilmiş raylar, ısıl işlem görmüş ray çelikleri

gibi çalışmalar da yapılmaktadır.

Tablo 1. Ray sınıfları

Ülkemizde demiryolu uygulamalarında kaynaklanan raylar genellikle S49 ve UIC 60’lık

raylardır. UIC 60 rayı boyut olarak daha büyüktür. Dayanımın istendiği ve hızlı tren hatları,

yük hatları gibi işletme yoğunluğunun olduğu hatlarda bu ray türü tercih edilmektedir. Kesit

farklılığından dolayı bu rayların yakma alın kaynağı ile kaynatılması prosedürü de farklıdır.



72

Şekil 1. S49 E1 Rayı

Şekil 2. UIC 60 Ray Profili



73

4. KAYNAK SONRASI YAPILAN İŞLEMLER VE KALİTE KONTROL

Rayların alın kaynakları sonrası yapılan kalite kontrol deneyleri şunlardır:

Görsel muayene

Kaynak sonrası yüzeyde oluşabilecek çatlak, hasar, geometrik düzensizlik, sıyırma

bıçaklarının izleri ve elektrot temas yüzeylerinde termal bir hasar olup olmadığını belirlemek

için göz ile kontrolü yapılır.

Kaynağın sıyrılma miktarının ölçülmesi

Kaynaklanmış durumlardaki tüm kaynaklarda sıyırmadan sonra şişirilme değeri ölçülmelidir.

Bölge Kaynakta sıyrılmış şişirmenin

konumu İzin verilen en fazla şişirme

(mm)

1 Ray Mantarı 2

1+ Ray Mantarı Alt Bölgesi 2,5

2 Ray Gövdesi 2

3 Ray Tabanı 1,5

Ray tabanının sabit tesislerde taşlanması için taban taşlama makinesi bulunmaktadır.

Tabanın taşlanmasına oluşabilecek gerilim yığılmalarına karşı ayrıca önem verilmelidir.



74

Kaynak doğrululuğunun ölçülmesi

Yakma alın kaynağında basınç ile sıcaklık bir arada kullanıldığı için kaynaklı ray dizisinin

doğrultularında sapmalar olabilir. Hassas hidrolik presler ve lazer ölçüm yöntemleri

kullanılarak doğrultudaki bu sapmalar düzeltilir. Standartta verilen doğrultma kaynaklanmış

rayın izin verilen maksimum değerleri şu şekildedir;

Açıklama

Not: Kademe= Ix-yI mm.

A İşlem yüzeyi

B Uçlu mastar

C Kaynak şişirme merkez hattı

Manyetik parçacık veya sıvı penetrant muayenesi

Görsel muayene sonrasında kaynak bölgesinde, EN 1290’a göre manyetik parçacık

muayenesi veya EN 571-1’e göre sıvı penetrant muayenesi yapılmalıdır.

Muayene edilmiş alanda herhangi bir çatlak veya yüzey kusuru olmamalıdır. Böyle bir

durumda kaynak geçersiz sayılır.

Raydaki kademenin konumu En fazla izin verilen kademe (mm)

İşlem yüzeyinin boylamsal merkez noktası üzerinde dik olarak

0,5 mm

İşlem yüzeyinin 14 mm altında hizalanmış yüzü veya kenarı üzerinde yatay olarak

0,5 mm

Ray tabanının kenarı üzerinde yatay olarak 2,0 mm



75

Eğme deneyi

F Kuvvet 1 Dikey kesit 2 Kaynak 3 Taşıyıcı

Ray Profili

Asgari eğme deney sehimi (mm)

Kabul ve üretim için asgari eğme deney kuvveti (kN)

R220,R260 ve R260Mn sınıfı

R350HTsınıfı R220 sınıfı R260, R260Mn ve

R350HTsınıfı

60E1

20

20

1 500 1 600 60E2

56E1 1 230 1 330

55E1 1 200 1 300

54E1

25

22

1 230 1 330

54E2 1 170 1 270

54E3 1 080 1 180

52E1 1 100 1 200

50E6 1 070 1 170

50E3 1 060 1 160

49E1

30

25

950 1 050

46E1 910 1 010

46E2 930 1 030

Eğme deneyi belirli iniş hızlarında uygulanan kuvvet neticesinde istenilen dayanım ve

esneme değerlerine göre yapılır. Eğme deney numunesinde kırılma olmaksızın en az kuvvet

ve sehime ulaştığı zaman deney durdurulabilir. Kaynak kırık yüzeyi incelemesi için deney

numunesi kırılıncaya kadar devam ettirilir.



76

Şekil 3. Eğme Deneyine Ait Test Numunesi

Sertlik deneyi

R220, R260 ve R260Mn için ray sertlikleri kaynak sonrasında şu şekilde olmalıdır;

a) En az sertlik P-30HV30’ dan daha düşük olmamalıdır

b) En fazla sertlik P+60 HV30’ dan fazla olmamalıdır

P sertlik taramasında ölçüldüğü gibi ana rayın ortalama sertliğidir. (R 260 kalite bir çeliğin

ortalama sertlik değeri 260-300 HBW değerindedir).

Grafik Örnek sertlik taraması



77

Mikro yapı

Kaynaklı bölgenin ilgili standartında tarama alanlarına göre alınan numunelerde kaynak

bölgesinde perlitik bir yapı gözlemlenir. R260 Mn kalitesindeki çelikte kaynak dikişinde

tane sınırlarında ferrit oluşumu gözlemlenebilir. Bunun dışında yapıda martenzit, beynit gibi

yapıların yanı sıra tane sınırlarında sementit oluşumu istenmez.

Tane sınırlarında R200 ve R220 kalite çeliği hariç

tane sınırlarında izin verilen ferrit miktarı.

Ana malzemeye göre kaynak dikişinde tane sınırlarında gözlemlenen ferrit yapısı.

ITAB bölgesinden ana malzemeye gidildikçe tane büyümesi gözlenir.



78

Yorulma Deneyi

Kaynaklanmış ray için deney düzeneği aşağıdaki gibi olup, yorulma deneyinde ortalama 5

milyon çevrim dayanıklılığı beklenmektedir.

14587-1 standardına göre merdiven yorulma deneyi ve geçmiş son deney yöntemi olmak

üzere 2 tip yorulma deney yöntemi bulunmaktadır. TCDD bünyesinde son deney yöntemi

kullanılmaktadır. UIC 60 rayı için 190 MPa ve maksimum yükün %10 değeri olan 19 MPa

olacak şekilde gerilme değerleri ayarlanır. Deney numunesi 5 milyon devirden daha az

sürede herhangi bir deney parçası koparsa, işlem ret edilmelidir.

1 Dikey kesit

2 Kaynak

3 Taşıyıcı

İç açıklık (W) en az 150 mm olmalıdır. Dış açıklık (L) iç açıklığı, ray boyu (H)’nu en az iki

katı kadar aşmalıdır ve iç açıklığa neredeyse simetrik olmalıdır.

Ray Kaynağı Tesis ve Personel İhtiyacı

Sabit tesislerde rayların kaynatılması birkaç adımdan oluştuğundan her aşama için 2 operatör

çalıştırılması uygundur. Kaynak işleminde çalıştırılan personel sayısı;

Yapılan İşlem Personel Sayısı

Kaynak alın yüzeylerinin fırçalanması 2

Ray makine sioperatorü 2

Kaynakların doğrultulması 2

UT ve Kalite Kontrol 2

Yükleme, boşaltma, vinç işlemleri 4

2 Mühendis, 1 Teknik amir 3

TOPLAM 12



79

Ray kaynağına ait örnek resimler



80

raylarin yakma alan kaynaĞi rayların yakma alan kaynağı.pdf · anahtar kelimeler: yakma alın...

Documents