ARK FĠZĠĞĠ
Prof. Dr. Süleyman KARADENİZ
I. ELEKTRĠK ARKI
Kaynak makinalarının, iyi (mümkün olduğunca kaliteli ve ucuz) bir kaynak işlemi için bazı özelliklere sahip olmaları gereklidir. Bu özellikleri gerektiren aslında kaynak işlemi mekanizmasının esasını teşkil eden elektrik arkıdır. Bu nedenle kaynak makinalarını kavrayabilmek ve bu makinaların kaynak işlemi ile bağlantısını kurabilmek için elektrik arkını tanımak gerekir.
1.1. Elektrik Arkı
Bir gerilim kaynağı gaz içinde bulunan iki iletken plaka arasına bağlanırsa, belirli şartlar gerçekleştiği takdirde, bu iki plaka arasında bir elektrik boşalması olur ve bu boşalmada bir elektrik akımı akar. Burada akan akımın büyüklüğüne göre ortaya çıkan sistemler sınıflandırılmıştır. Tüm gaz boşalma bölgeleri ve bu arada elektrik arkı boşalma bölgesi ile bu bölgelere ait karakteristikler akım ve gerilim değerlerine bağlı olarak Şekil 1'de görülmektedir.
Şekil 1. Gaz boşalmaları tipleri ve bölgelerinin akım-gerilim karakteristikleri (Rieder’e göre)
Eğer elektrik boşalmasında akan akımın şiddeti 10 Amperden büyük ise elde edilen sistem elektrik arkı adını alır. Elektrik arkının prensibi tabiatta gerçekleşen yıldırımdaki durumla aynı olup, bu durum Şekil 2’de resmedilmiştir. Ayrıca Şekil 3’de elektrik arkı boşalmasının şematik akım-gerilim karakteristikleri Conn’a göre verilmiştir.
Şekil 2. Elektrik arkının tabiattaki görünümü (yıldırım) ve yıldırımda akımı oluşturan elektrik yüklerinin akışı
Şekil 3. Elektrik arkı boşalmasının şematik akım-gerilim karakteristikleri (Conn’a göre). W: Volfram, C: Karbon
Bir gaz içindeki parçacıklar (atom ve moleküller) sürekli hareket halindedir ve bunların sabit bir hız ve yönleri olmayıp, hız ve yönleri sürekli değişir. Dolayısıyla bu hareketlerin hızı ve yönü istatistik kanunlarına göre belirlenir. Bu nedenle bir gaz içerisindeki bir parçacığın ancak ortalama hızından bahsedilebilir. Bir gaz içerisindeki bir parçacığın ortalama hızı ve gazın sıcaklığı arasında şöyle bir bağıntı vardır.
W T k mVort . 2 3 2 1 2
Burada; k= 1,38.10-23 K WS (Bo1tzmann Sabiti) m= Parçacığın kütlesi T= Gazın sıcaklığı W= Parçacığın enerjisi
Yukarıdaki eşitlikten parçacığın ortalama hızı v=
m kT
3 olarak bulunur. Azot gazı için:
miyon = 48.10-24 gr (bir elektron kaybetmiş bir azot iyonu için) ve
melektron = 9.10-28 gr. dır.
Elektronun kütlesi iyonunkine nazaran çok küçüktür. Bu nedenle hızları da çok farklıdır. Bir elektron ile bir iyonun gaz içerisindeki ortalama hızları oranı (gaz partiküllerinin sabit hızı olmadığından gaz partiküllerinde ortalama hızdan bahsedilebilir)
iyon el V
V
= 100...1000 dır.
Ayrıca elektronlar ile iyonların ortalama serbest yol uzunlukları (λ) da farklı olup, λel > λiyon dur.
Normal halde gazlar yalıtkandır. Ancak gaz iyonize edilirse (plazma konumuna geçirilirse) iletken olur. Elektrik arkında da iki kutup arasındaki gaz iyonize olduktan sonra akım akar ve ark ortaya çıkar. Bir atomun iyonize olması demek çekirdeğin etrafındaki elektronlardan en az birini kaybedip, pozitif yüklü hale gelmesi demektir. Bunun için atoma, toplam olarak o atomun iyonizasyon enerjisinden daha büyük bir enerji vermek gerekir.
Şekil 4. Elektrik arkı mekanizmasının şematik gösterilişi ve ark gerilim düşümleri. a) Elektrik arkı prensibi
Bir elektrik arkında artı kutuba anod, eksi kutuba katod adı verilir Şekil 4. Burada anod-katod arasına tatbik edilen elektriki gerilimin oluşturduğu elektrik alanı önce elektrik alan emisyonu ile katodtan elektron çıkarır, elektron emisyonu sağlar. Serbest hale gelen katod önündeki elektronlara anod-katod arasındaki ve anod-katod yönündeki elektrik alan şiddeti E , Fel e.E kuvveti etki ettirir. Bu kuvvet anod-katod yönündeki alan yönüne terstir ve katod-anod yönündedir. Dolayısıyla elektronlar katodtan anoda doğru giderler. Bu hareket sırasında elektronlar katod-anod arasındaki gaz atomlarına çarpıp, onları çarpışma yolu ile iyonize ederler (Çarpışma iyonizasyonu). Bu sayede anod-katod arasında eksi yüklü elektronların yanında artı yüklü iyonlar da oluşur. Oluşan tüm elektronlar alan kuvveti ile anoda doğru, iyonlar ise Fi e.E kuvveti sonucu katoda doğru hareket ederler. Elektronların anoda, iyonların katoda çarpmaları sonucu bu yüklü parçacıklar çarptıkları kütlelerden mekanik olarak elektron ve iyon çıkarırlar (Mekanik emisyon). Ayrıca bu arada elektron ve iyonların çarpması sonucu anod ve katodta ısı enerjisi de açığa çıkar, anod ve katod ısınarak, anod ve katodtan ısı enerjisi ile elektron ve iyon çıkar (Isı enerjisi emisyonu). Bu arada oluşan ışın enerjisi de anod ve katodtan elektron ve iyon çıkarır (Işın emisyonu). Sonuçta başlangıçtan itibaren arka arkaya devreye giren dört emisyon (alan emisyonu, mekanik emisyon, ısı emisyonu, ışın emisyonu) ve çarpışma iyonizasyonu mekanizmalarının oluşturduğu (+) ve (-) yüklü parçacıkların hareketi sonucu (elektrik akımı, elektrik yüklü parçacık transportu olduğundan) ortaya çıkan elektrik akımı elektrik arkını oluşturur.
Elektrik arkı kendi kendini idame ettirebilen (kendi kendine yanan) bir elektrik boşalmasıdır. Bu tür bir elektrik boşalmasının oluşabilmesi için iki şart vardır.
a. Gaz ortamlarının çarpışma ile iyonizasyonu,
b. Pozitif iyonların katoda gelip çarptıklarında katoddan elektronların çıkması (elektron emisyonu) gerekir.
Çarpışma iyonizasyonu için gerekli şart ise; λ.│E│≥ Ui dir.
λ: Serbest yol uzunluğu [ark (veya bir gaz) içerisinde bir parçacığın diğer bir parçacığa çarpmadan katedebildiği yoldur]
E : Ark içindeki elektrik alanı şiddeti Ui : İyonizasyon gerilimi
Kendi kendini idame ettirebilen bir elektrik boşalmasının stabil olabilmesi için katoddan çıkan bir elektron anoda giderken yolda çarpışma ile o kadar çok iyon ortaya çıkarmalıdır ki, bunlardan en az biri katoda geldiği zaman katoddan bir elektron çıkarabilsin. Ġyonizasyon gerilimi Ui öyle bir gerilimdir ki, bir elektronun bir atomu iyonize edebilmesi için gerekli
kinetik enerjiyi [(e.Ui), ki bu iyonizasyon enerjisine eşittir] alana kadar bu gerilimi (yolu)
katetmesi gerekir. Her elementin ayrı kendine özgü bir iyonizasyon enerjisi vardır. Bazı elementlere ait iyonizasyon enerjileri Tablo 1’ de verilmiştir.
Tablo 1. Bazı elementlere ait disosyasyon ve iyonizasyon enerjileri
Element Disasyasyon Enerjisi Ed (eV) İyonizasyon Enerjisi Ed (eV)
CO2 4,3 14,4 H2 4,476 13,59 O2 5,08 13,61 N2 9,764 14,54 Ar 15,76 He 24,58 K 4,34 Na 5,14 Li 5,39 Al 5,98 Ca 6,11 Mg 7,6 Cu 7,67 Fe 7,83 F 17,5
İyonize olmuş bir gazdaki (plazma) akım yoğunluğu, konveksiyon akımı için verilenle aynı olup, aşağıdaki şekildedir.
k k D k k q V n S . . , buradaS = Toplam akım yoğunluğu (A/m2) n= Yüklü parçacık yoğunluğu (m-3
)
VD= Alan doğrultusundaki ortalama parçacık hızı (m/s)
q = Hareketli parçacıkların yükü (Coulomb) t
i
q . (A x s= Coulomb)
Plazma içerisinde akımın oluşumu (akışı), hem elektronlar (q1 e) ve hem de pozitif iyonların (q2 e) transportu sayesinde sağlanır.
Plazma dış ortama karşı elektriki olarak nötrdür. Yani pozitif yüklerin (ni) ve negatif yüklerin
(ne) sayısı eşittir.
ne= ni = n o halde
enVD VD
S veya
VD = b.E (b: hareketlilik, E: Elektrik alan şiddeti) den akım yoğunluğu için
b b
E enElektronun kütlesi bir iyona nazaran çok küçüktür. Bundan dolayı elektronların elektrik alanı içindeki hızı iyonlara göre çok fazladır. V-»V+
; ve b+«b-. Zira bir elektrona ve bir elektron kaybetmiş iyona etki eden kuvvet (Fel e.E, Fi e.E) aynıdır, sadece yönleri terstir. Bu nedenle hızlar da kütlelerle ters orantılı olacaktır. Bunun sonucu anoda ulaşan elektron miktarı, katoda ulaşan iyon miktarına göre çok çok fazladır. Ayrıca bir elektron ile bir elektron kaybetmiş iyonun oluşturduğu elektriki akım da aynıdır. Yüklü parçacıkların (iyon,elektron) hareketi de elektrik akımından başka bir şey olmadığından, elektrik arkında akan akımın hemen hemen hepsi elektronlar yoluyla oluşturulur. İhmal edilebilecek kadar küçük bir kısmı iyonlar yoluyla oluşturulur. Bu nedenle elektrik arkı (kaynak arkı) mekanizmasını incelerken bazı özel durumlar dışında sadece elektronları gözönünde tutup, iyonları ihmal edeceğiz. Elektronların serbest yol uzunluklarının iyonlara göre yüksek olması ve kütlelerinin de iyonlara göre küçük olması nedeni ile elektronların herhangi bir partiküle çarpmadan önce veya elektronların anoda çarpmadan önceki hızları, iyonların herhangi bir partiküle veya katoda çarpmadan önceki hızlarına göre çok yüksektir, dolayısıyla elektronların kinetik enerjileri çok yüksektir. Zira kinetik enerji, hızın karesi ile orantılıdır.
Yani . 2
2 1
V m
EK dir (m= kütle, V=hız). Dolayısıyla elektronların çarpmada çarptıkları kütleye verdikleri (aktardıkları) enerji, iyonların bir kütleye çarptıklarında kütleye aktardıkları enerjiye göre daha büyüktür.
Kaynak arkında elektronlar anoda gidip çarparlar. Bu çarpmada kinetik enerjilerinin çarpmanın cinsine göre bir kısmını (elastik çarpma hali) veya tamamını (plastik çarpma hali) anoda verirler. Anoda verilen bu enerjinin bir kısmı ısıya dönüşür ve kaynakta (elektrod veya iş parçasında) ergimeyi sağlar, bir kısmı da anodtan elektron, iyon ve nötral atom koparır. Buradan kopan elektronlara ark içerisinde anoda doğru bir kuvvet (F= -q. E ) etkidiği için bunlar anoda geri dönerler, geri dönerken yön değiştirdiklerinden zaman kaybederler, yani anod önünde oyalanırlar. Bu zaman kaybı sonucu anod önünde elektron toplanması olur. Anodtan çıkan iyonlara etkiyen kuvvet, katoda doğru olduğundan (F= +q. E ) iyonlar katoda doğru (anodtan çıktıkları yönde) yollarına devam ederler. Aynı şekilde katoda gelip çarpan iyonlar çarpmanın elastik veya plastik olmasına göre, enerjilerinin tamamını veya bir kısmını katoda verirler. Katoda verilen bu enerjinin bir kısmı ısıya dönüşüp kaynakta (elektrod veya iş parçasında) ergimeyi sağlarken, bir kısmı da katodtan elektron, iyon ve atom çıkarır. Buradan çıkan elektronlara etkiyen kuvvet anoda doğru (F=-q. E ) olduğundan, bu elektronlar katodtan çıktıkları doğrultuda anoda doğru yollarına devam ederken, katodtan çıkan iyonlara etkiyen kuvvet katoda doğru (F=+q. E ) olduğundan, katoda geri dönerler ve geri dönüş sırasında yön değiştirdikleri için katod önünde zaman kaybederler (oyalanırlar), dolayısıyla burada iyon birikmesi olur. Bir elektrik arkında anod önünde elektronlar, katod önünde iyonların birikmesi bu bölgelerde elektrik alanını büyütür. Zira arkta anoda ulaşmak isteyen elektronlar anod önünde hemcinsleri (elektron bulutu) ile karşılaşırlar ve hareketleri zorlaşır (hemcinsler birbirini iterler), yollarını uzatırlar, katoda ulaşmak isteyen iyonlar da katod önünde hemcinsleri ile karşılaşırlar ve hareketleri zorlaşır (hemcinsler birbirini iterler), yollarını uzatırlar. Yol uzaması da elektrik direncini arttırır (
S l R
1
), direnç artışı da U R.I den gerilim artışına neden olur. Böylece bir elektrik arkı, ark boyunca elektrik alanı yönünden (elektrik alanı farklı) üç bölgeye ayrılır Şekil 4.
1. Anod bölgesi 2. Katod bölgesi 3. Plazma bölgesi
Bu bölgelere ait gerilim düşümlerini UA, UK, ve UP, ile gösterirsek. Bu gerilimlerin toplamı
ark gerilimine eşittir. U= UA + UK + UP
Burada UK > UA dır.
Zira hem hareketlilikleri düşük olan iyonların katod önünde birikme miktarları fazladır ve hem de katoda iyonların taşıdığı enerji miktarı küçüktür, dolayısıyla katodda ark bir leke (buna katod lekesi denir) şeklindedir ve kesiti küçüktür. Buna karşılık ark, anodda elektronların taşıdığı enerjinin yüksek olması dolayısıyla bir krater oluşturur ve kesiti büyüktür.
Kesit küçük olunca direnç (R) büyük olur. Direnç büyük olunca Ohm kanununa göre sabit ark akımında (I) arkın katod bölgesindeki (önünde) gerilim (UK) büyük olur. Yani
UK= I.R den
I= sabit ise, R büyük olunca U da Büyük olur. Elektronların anoda geldikleri zamanki kinetik enerjileri iyonların katoda geldiklerindeki kinetik enerjilerine göre daha büyük olduğundan, anoda verilen bu büyük enerji nedeniyle anoddaki sıcaklık katoda göre daha yüksek olur. Bunun sonucu olarak yanma katodda bir leke halinde olmasına karşın, anodda bir krater şeklindedir.
1.2. Plazma
Plazma bölgesinde maddenin dördüncü hali olan plazma bulunur. Plazma, elektron, iyon, nötral atom, foton, uyarılmış atom ve moleküllerin karışımıdır. Plazmadaki parçacıkların (elektron, iyon, atom) miktarı Eggert-Saha denklemi yardımı ile hesaplanabilir.
kT E h T m Z Z n n n e a i a e i exp . ) . . . 2 ( . . 2 . 3 2 3
ne, ni, na: Elektron, iyon ve Atomların cm3 deki adedi.
Zi, Za : İyon ve Atomların durum toplamı
T : Plazma sıcaklığı k : Boltzmann sabiti me : Elektronun kütlesi h : Planck Sabiti
E : Atomun iyonizasyon enerjisi
Şekil 5'de Azot ve Argon plazması içindeki parçacık yüzdeleri sıcaklığa bağlı olarak verilmiştir.
Şekil 5. Argon ve Azot plazmasında relatif parçacık sayısının sıcaklıkla değişimi a. Azot plazması; b. Argon plazması.
Plazmanın kendine has özellikleri vardır.
a) Plazmaya elektrik ve manyetik alanla etki edilebilir. Elektrik ve manyetik alan içerisindeki bir yüklü paçacığa etkiyen kuvvet,
) .(
.E q VXB
q
F olarak verilir. Burada
q. E elektrik alanının yüklü parçacığa etki ettirdiği kuvvet olup, bu kuvvet, yüklü parçacıkları anod-katod arasında hareket ettiren, ark akımını oluşturan kuvvettir ve kaynak arkının stabilitesine büyük bir etkisi yoktur. Bu nedenle bunu ihmal edeceğiz. q (VXB) ise, B indüksiyonuna sahip bir manyetik alan içerisindeki V hızına sahip bir q yüküne etkiyen kuvvet olup, bu, Lorentz kuvveti olarak bilinir. Lorentz Kuvveti, daima hız yönüne diktir. Bu nedenle elektrik alanının aksine magnetik alan yüklü parçacığın enerjisine etki etmez. Sadece yüklü parçacığın hızının yönünü değiştirir. Hızın büyüklüğüne bir etkisi olmaz. Şekil 6'da negatif yüke sahip bir parçacık (elektron) ve pozitif yüke sahip bir parçacık (iyon) üzerine etkiyen Lorentz kuvvetleri Fel = -e (VXB) ve Fi = + e (VXB) görülmektedir. Magnetik alanın
iyona (+e yüküne) etki ettirdiği Lorentz kuvveti (Fi), elektrona etki ettirdiği kuvvetin (Fel) ters yönündedir. Şekil 7’de plazma çevresindeki (içinde de olabilir) bir elektron (negatif
yük=N) ve bir iyona (pozitif yük=P) plazmanın kendi elektrik akımından dolayı oluşan magnetik alanın etki ettirdiği kuvvetler görülmekte olup, bu kuvvetler plazmanın merkezine doğrudur. Dolayısıyla bu kuvvetler plazmayı magnetik olarak dıştan içe doğru çepeçevre sıkıştırırlar ve plazmanın stabilitesini (sürekliliğini) arttırırlar.
Elektrik alanı ve magnetik alan elektrik yüklü parçacıklara kuvvet etki ettirmektedir. Plazma da elektrik yüklü parçacıklardan oluştuğuna göre, plazmayı oluşturan yüklü parçacıklara etki etmek plazmanın kendisine etki etmek demektir. Bu nedenle plazmaya dışardan (yabancı) elektrik ve magnetik alan etki ettirilerek, plazma istenilen şekle sokulabilir. Zira elektrik alanı ve magnetik alan kuvvetlerinin yönünü ve büyüklüğünü elektrik alanının oluşturulduğu kondansatör ve magnetik alanın oluşturulduğu bobinlerle ayarlamak mümkündür.
Şekil 6. Magnetik alan içerisinde hareketli bir elektrona ve iyona etkiyen Lorentz kuvveti
Şekil 7. Plazmanın kendi magnetik alanının plazma içindeki bir elektrona (N : negatif yük) ve bir iyona (P : pozitif yük) etki ettirdiği Lorentz kuvveti ve bu sayede oluşan plazmanın kendi kendini sıkıştırması
b) Plazma, yüksek sıcaklığa sahip olup, sıcaklığı eksenden radyal yönde dışa doğru hızla azalır. Plazma içindeki yüklü parçacıklardan (elektron ve iyonlar) her biri, bir enerjiciktir. Bu yüklü parçacıkların plazma içindeki yoğunluğu yüksek olduğu için, bunların oluşturduğu enerji yoğunluğu ve sıcaklık da yüksektir. Plazmada enerji transferi yapan yüklü parçacıklar anod-katod doğrultusunda hareket ettikleri için bu doğrultuda ısı transferi yaparlar, bunların radyal yönde bir hareketi olmadığından plazmada radyal yönde bir enerji (ısı enerjisi) transferi de olmaz, dolayısıyla plazmada radyal yönde (içten dışa doğru) sıcaklık gradyenti (sıcaklık düşümü) yüksektir. Örneğin TIG kaynağı plazmasının merkezinde 22.000O
K üzerinde sıcaklık varken, dış kabuğunda yaklaşık 100OC civarında sıcaklık vardır. Bu özellik
plazma enerjisinin plazmada tutulabilmesini sağlar. Bazı plazmalardaki sıcaklıklar, örneğin elektrik ark kaynağı arkındaki plazmada 5500O
K, TIG kaynağı arkındaki plazmada 22000OK ve çekirdek füzyonu generatörü içindeki plazmada 200 milyon Kelvin’in üzerindedir /20/. c) Plazma, iyi bir elektrik ve ısı iletkenidir. İletkenlerde elektrik ve ısıyı, yüklü parçacıklar iletmektedir. Katı iletkenlerde elektriği küçük kuvvetle de olsa atom çekirdeğine bağlı, atomun en dışındaki valans elektronları iletir. Plazma, plazma içinde serbest halde bulunan yüklü parçacıklardan oluşmaktadır. Dolayısıyla ısı ve elektriği normal katı iletkenlerden daha da iyi iletir.
d) Plazma, dış ortama karşı elektriki olarak nötrdür. Plazmanın orijini (kaynağı, başlangıcı) nötr atom ve moleküllerdir. Bu nötr partiküllerde pozitif ve negatif yük adedi eşit olduğundan bunlardan oluşan plazmada da pozitif ve negatif yük sayısı eşittir. Yani plazma içerisindeki negatif ve pozitif yüklerin sayısı eşittir.
e) Plazma, magnetik ve termik olarak dışardan içeri doğru sıkıştırılıp, plazmanın enerji yoğunluğu ve sıcaklığı sınırsız olarak arttırılabilir. Plazma dışardan çepeçevre her yönden eşit şekilde soğutularak, plazmanın dış kısmı gaz konumuna geçirilebilir. Dolayısıyla termik olarak sıkıştırılıp, kesiti küçültülebilir. Ayrıca plazmaya dıştan içe doğru çepeçevre her yönden eşit şekilde Lorentz kuvveti etki ettirilerek, plazmayı oluşturan yüklü parçacıklar plazma içine itilerek, plazma kesiti magnetik olarak küçültülebilir. Plazma kesiti küçülürse, plazmadaki yüklü parçacık yoğunluğu, enerji yoğunluğu ve sıcaklığı, dolayısıyla stabilitesi (sürekliliği) artar. Plazma dışardan çepeçevre ne kadar şiddetli soğutulursa veya dışardan magnetik alanla çepeçevre ne kadar şiddetli magnetik alan etki ettirilirse, plazmanın kesiti o kadar fazla küçülür, enerji yoğunluğu ve sıcaklığı o kadar fazla artar. Bunun bir sınırı yoktur. f) Plazma içerisinde disosyasyon, iyonizasyon ve bu olayların tersi olan rekombinasyon olayları sürekli meydana gelir. Plazmanın sabit güçte yanması (sürekliliğini muhafaza etmesi) için plazma içinde gerçekleşen disosyasyon ve iyonizasyon toplamı sürekli olarak rekombinasyona eşit olmalıdır. Aksi takdirde, eğer disasyasyon ve iyonizasyon toplamı, bunların tersi olan rekombinasyondan fazla ise plazmanın gücü gittikçe artar ve plazma patlamaya gider, eğer rekombinasyon, iyonizasyon ve disasyasyon toplumundan büyükse, plazma sönmeye gider (söner).
g) Plazmaya dışardan bir etki olmazsa, plazma silindirsimetrik bir yapıya sahip olur. Buradaki silindir simetrisini sağlayan katoddan çıkıp anoda kadar kendini idame ettiren ve plazmayı çepeçevre saran plazma akışıdır (2.3).
1.3. Elektrik Arkı Karakteristikleri
Ark ve kaynak makinası karakteristikleri ark ve kaynak makinasının özelliklerini kağıt üzerinde gösteren, onları kağıt üzerinde temsil eden eğrilerdir. Tabiatta her varlığın, her sistemin bir statik ve bir dinamik davranışı (durumu) vardır. Varlıklar, sistemler statik ve dinamik durumda çok farklı özellikler, çok farklı davranışlar gösterirler. Örneğin bir metalin
statik durumundaki mekanik mukavemet özellikleri çekme testi ile, dinamik durumdaki mekanik mukavemet özellikleri çentik darbe testi ile bulunur ve bu iki mukavemet değerleri birbirlerinden çok farklıdırlar. Elektrik arkının da statik ve dinamik durumda gösterdiği özellikler farklıdır. Dolayısıyla arkı kağıt üzerinde statik durumda temsil eden eğriler ile dinamik durumda temsil eden eğriler farklıdır. Karakteristikler statik ve dinamik olarak iki tiptir. Statik karakteristikler, belli kabuller yapılarak (büyüklüklerin zamana bağlı olarak değişmediği veya çok yavaş değiştiği farzedilerek) çizilen gerçek olmayan karakteristiklerdir. Statik karakteristikler, gerçek olmamalarına rağmen çok kullanılırlar. Dinamik karakteristikler hiçbir kabule dayanmayan gerçek karakteristiklerdir.
1.3.1. Elektrik Ark Karakteristiği Çeşitleri
Ark karakteristikleri arkın özelliklerini kağıt üzerinde gösteren eğrilerdir. Arkın statik ve dinamik olmak üzere iki tür karakteristiği vardır, kaynak arkı da elektrik arkı olduğundan, kaynak arkının da iki tür karakteristiği vardır.
1.3.1.1.Kaynak arkı statik karakteristiği
Ark (kaynak arkı) akım ve geriliminin zamana bağlı olarak değişimi, dolayısıyla ark akımı ve gerilimi arasındaki değişim, ki bunlar arkın gerçek (dinamik) karakteristikleridir, çok hızlıdır. Ancak bu değişimler çok yavaş oluyormuş veya hiç olmuyormuş gibi kabul edilerek (farzedilerek) elde edilen, ark akım ve gerilimi arasındaki bağıntıyı veren U= f(I) eğrilerine, arkın statik karakteristikleri denir. Statik karakteristikler gerçek karakteristikler değildir. Kaynak arkının statik karakteristikleri doğru akım arkında ortalama gerilim ve akım değerleri ile çizilirken, alternatif akım arkında gerilim ve akımın efektif değerleri ile çizilir. Statik karakteristiklerde arkın her uzunluğuna bir eğri (karakteristik) tekabül eder ve böylece birçok ark boyu için bir eğriler demeti ortaya çıkar Şekil 8. Şekilden görüldüğü gibi ark boyu uzadıkça eğriler yukarı kayar. Yani ark gerilimi büyür.
Şekil 8. Isıtıcı karakteristiği ve elektrik arkı statik karakteristikleri
a) Isıtıcı statik karakteristiği tg=R b) Ark statik karakteristikleri
tgα=R, U= R . I Parametre: Ark uzunluğu l1<l2<l3<l4.
Bir omik direncin (bir elektrik tüketicisi olan ütüdeki ısıtıcı direnci gibi) uçları arasındaki gerilimin içinden geçen akıma göre değişimi lineerdir (ark gerilimi ark akımı ile doğru orantılıdır). Isıtıcı içinden geçen akım arttıkça, ısıtıcı uçları arasındaki gerilim artar. Yani buradaki akım ve gerilim arasındaki bağıntı
U=R.I şeklindedir ve bu bir doğruyu (y = a.x şeklinde bir doğruyu) verir Şekil 56a. Buradaki R ısıtıcının direncidir ve gerilim-akım doğrusunun eğimidir.
Ancak kaynak arkında (elektrik arkı) ark uçları arasındaki gerilimin, arkın içinden geçen akıma göre değişimi (ark statik karakteristiği) lineer değildir (ark gerilimi, ark akımı ile doğru orantılı değildir) Şekil 8b. Akım arttıkça önce gerilim belirli bir minimuma kadar azalır, bu minimumdan sonra akım arttıkça gerilim artar. Arkın statik karakteristiğinin minimumdan sonraki kısmı (akımın artışı ile gerilimin arttığı kısım) bir omik dirençteki (ısıtıcı direnci) lineer (gerilim, akımla doğru orantılı) değişim durumuna benzerdir (lineere yakındır). Ark karakteristiğinin önce akımı arttıkça geriliminin düşmesi, ark akımı arttıkça arkın içinde oluşan yüklü parçacıklar, ki bu parçacıklar akımı oluştururlar, artar. Ark içerisindeki yüklü parçacıkların artması arkın iletkenliğini arttırıp, direncini azaltır. Yani direncin
S l S l R . 1. bağıntısında,
(özgül iletkenlik) artarsa, (özgül direnç) azalır ve R (direnç) azalır. Dolayısıyla U=R.I (Ohm kanunu)
bağıntısından, R azaldıkça U da azalmak durumundadır. Ancak ark akımının artması ile ark içindeki yüklü parçacıkların artışı nedeni ile ark içindeki yüklü parçacık yoğunluğu belirli bir sınır değeri aştığında, ki bu sınır değer ark karakteristiğinin minimum noktasıdır, ark akımını oluşturan yüklü parçacıklar (özellikle ark içinde hakim durumda olan elektronlar) aynı elektrik yüklü olduklarından birbirlerini itip (tabiatta hemcinsler birbirini iter, farklı cinsler birbirini çeker, bu tabiatın bir kuralıdır), birbirlerinin hareketlerini engellemektedirler ve bu da bunların oluşturduğu akımın akmasına engel olmakta, yani akıma gösterilen direnci (ark direnci) arttırmaktadır. Durum bu defa da arktaki
U=I.R (ohm kanunu)
bağıntısında I’nin artması ile R’nin de artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla ark karakteristiğinin minimumdan sağ taraftaki bölgesinde, hem akım artışı ve hem de direnç artışı nedeni ile bir gerilim artışı söz konusudur. Bu durum ark karakteristiğinin minimumdan sağdaki bölümü, ohm kanununa göre (sadece I artışına göre) oluşan bir doğru olmayıp, aynı zamanda direnç (R) artışından dolayı, giderek (akım arttıkça) eğimi artarak giden bir eğri (eX=eksponansiyel bir eğriye benzer) halindedir Şekil 9.
Arkın statik karakteristiklerinin matematiksel olarak muhtelif ifade şekilleri vardır. Bunlardan sabit bir uzunluktaki arka ait karakteristik
E DI C BI A U (Ayrton’a göre)
şeklinde ifade edilebilir Şekil 10. Bu ifade şeklindeki sabitler ölçüm yolu ile tespit edilir.
Şekil 10. Sabit uzunluktaki bir arkın matematiksel ifadesinin diyagramla gösterilişi. 1.3.1.2. Kaynak arkı dinamik karakteristiği
Elektrik arkının dinamik karakteristiği deyince akla, ya akım veya gerilimin zamana bağlı olarak değişimi veyahut muhtelif frekanslardaki gerilim-akım bağıntısı akla gelir Şekil 11, 12, 13. Elektrik arkında akım ve gerilimin zamana bağlı olarak çok hızlı değişimleri, dolayısıyla ark geriliminin ark akımına göre çok hızlı değişimi söz konusudur. Bu nedenle arkı en iyi dinamik karakteristik temsil eder.
Şekil 11. Karbon elektrodlu alternatif akım arkında akım ve gerilimin zamana göre değişimi (osilograf görüntüleri)
Şekil 12. Karbon elektrodlu alternatif akım arkı dinamik karakteristiği (osilograf görüntüsü), f= 50 Hz.
Şekil 13. Alternatif akım arkı dinamik karakteristiği a: Çok küçük frekans b: 50 Hz
c: 100 Hz d: Çok büyük frekans U: Gerilim i: Akım
2. Kaynak Arkına Etki Eden Kuvvetler
Kaynak arkına, dolayısıyla ark içerisindeki parçacıklara etkiyen birçok kuvvet vardır. Bu kuvvetler sonucu ark yönlendirilir. Çeşitli kaynak pozisyonlarında (düşey, tavan gibi) bu kuvvetler o şekilde ayarlanır ki elektroddan eriyen malzeme istenilen pozisyondaki kaynak yerine ulaşsın. Şekil 14’de eriyen elektrodlu gazaltı kaynağı yönteminde (MIG/MAG) tel
elektrod ucunda oluşan bir sıvı damlaya ark içerisinde etki eden kuvvetler gösterilmiştir. Şimdi arka etkiyen kuvvetleri sırasıyla inceleyelim.
Şekil 14. MIG/MAG kaynağında elektrodun ucunda oluşan metal damlasına etki eden kuvvetler ve yönleri
2.1. Yüzey Gerilim Kuvveti
Tabiatta canlı cansız tüm maddeler daima en küçük enerji konumunu almak ve bu sayede minimum enerji ile varlıklarını sürdürmek isterler (Minimum Enerji Prensibi). En küçük enerji konumu da en küçük yüzey enerjisi demektir ve bu da en küçük dış yüzey demektir. En küçük dış yüzey şekli küre şekli olup, en küçük enerji konumu da küre şeklinde mümkündür. Sonuçta madde daima küre şeklini almak isteyecektir ve şartlar uygun olduğu takdirde de küre şeklini alacaktır. Örneğin dünya ve güneşin küre şeklinde olmasının nedeni budur. Ayrıca küçük kütlelerin büyük kütlelere katılma isteği vardır. Bu da minimum enerji prensibinin bir sonucudur. Zira küçük kütle büyük kütleye katıştığı zaman iki kütlenin toplam dış yüzeyi dolayısıyla toplam enerjisi küçülmüş olur. Yani küçük kütlenin dış yüzeyi ve yüzey enerjisi bu şartlar altında minimuma iner. Örneğin iki küçük civa küresi temas etse, iki küre büyük bir istekle birleşip (karışıp), hacmi iki küçük kürenin toplam hacmine eşit, ancak dış yüzeyi iki küre dış yüzeyi toplamından küçük, daha büyük çaplı bir küre oluştururlar. İki küçük kürenin kendilerindekinden daha büyük çaplı bir küre oluşturmalarında toplam yüzey ve yüzey enerjisi küçülür. Yani burada küreler minimum enerji prensibine uyarak (bu prensip gereği olarak) birleşip daha büyük bir küre yaparlar. Maddelere yer veya ayın çekim kuvveti de yine minimum enerji prensibine uyma isteğinden doğar. Bir insan dünyaya (yerküre) katışıp, onunla ortak bir küre oluşturduğunda insanın dış yüzeyinin ve yüzey enerjisinin hemen hemen tamamı ortadan kalkar. Zira insanla yerkürenin birleşerek oluşturdukları ortak kürenin dış yüzeyi, birleşmeden önceki insan ve yerküre dış yüzeyleri toplamından küçüktür. İnsanın dünyaya katışmasından neredeyse dünyada hiç (sıfıra yakın) yüzey artışı olmazken, dünyaya katışma sonucu dünyaya katışan insanın tüm dış yüzeyi ve yüzey enerjisi yok olur. Varlıklar daima mevcut şartlar altında enerjilerini ne kadar küçültebilirlerse o kadar küçültürler. Şartlar değiştiğinde varlıklar enerjilerini de değiştirirler. Kaynak arkı içerisindeki bir ergimiş metal veya cüruf damlasının yüzey gerilimi (enerjisi) ele alınırsa, bu gerilimin kaynak işlemindeki damla geçişi olayında fonksiyonunun büyük olduğu görülür. Bir malzeme içerisindeki atomlar arasındaki kuvvetler ortalama olarak eşittir. Malzeme yüzeyindeki atoma ise tek taraflı, içe doğru dengeyi bozan bir kuvvet etki eder. Zira yüzeydeki atomu içerden çeken atomun
kuvvetini dengeleyecek yüzey dışında bir atom yoktur. Bu kuvvet mikro alanda yüzey gerilimi kuvvetinden başka bir şey değildir Şekil 15. Bu kuvvet malzeme yüzeyinde yüzey gerilimini oluşturur. Zira bir yerde kuvvet varsa, birim yüzeydeki kuvvet ile ifade edilen gerilim de vardır. Dış yüzeydeki atomlara tek yönlü içe doğru etki eden bu kuvvet, atomları bir miktar içeri çeker, yol aldırır. Bu yol almada atoma bir enerji depo edilir. Zira enerji kuvvetle yolun çarpımıdır. Burada atoma depo edilen enerji mikro alanda yüzey enerjisidir. Köşelerdeki atomlara iki kuvvetin iki yüzeyden içeri doğru etkisiyle oluşan bileşke kuvvet etkir ve köşedeki atomlar bu bileşke kuvvetle içe doğru çekilir. Dolayısıyla köşelerdeki atomlara içe doğru, bu iki kuvvetin bileşkesi olan normal düz yüzeydeki atomlara içe doğru etki eden kuvvete göre daha büyük bir kuvvet etki ettiğinden, köşelerdeki atomlar normal yüzeydekilere göre daha fazla içeri çekilirler ve daha fazla iç enerjiye (yüzey enerjisine) sahibolurlar. Isıtılıp ergitilmek istenilen küp şeklinde bir kütlenin önce köşelerindeki atomların kopması (kütlenin köşelerden ergimeye başlaması gerçeği) bundandır. Ergimede köşelere depo edilmiş fazla enerji, köşelerdeki atomların kopmasına kütlenin diğer yerlerindeki (dış yüzey, tane sınırları ve kristal içindekiler) atomlara göre daha çok yardımcı olur. Gerçekten de ergitmede önce köşelerdeki, daha sonra sırayla dış yüzeydeki, tane sınırlarındaki ve kristal içindeki atomlar kopar. Zira katı kristal içindeki bir atomun, maddeyi terk edebilmesi için üzerine toplam olarak o maddeye has aktivasyon enerjisi kadar bir enerjiyi alması gerekir. Ancak kristal içindeki tüm atomların kristal içinde bulundukları konuma bağlı olarak bir iç enerjileri vardır. En büyük iç enerji köşelerdeki atomlarda, ondan sonra sırayla dış yüzeydekiler, tane sınırlarındakiler ve en az iç enerji de kristal içindeki atomlarda vardır. Bir atomun kütleden kopması için atomun iç enerjisi ile dışardan atoma verilen enerji toplamı aktivasyon enerjisine ulaşmalıdır veya aynı şey demek olan atomun normal bulunduğu konumdan kafes sabiti denilen (kristal içinde yan yana bulunan iki atom arasındaki mesafe) ve a ile gösterilen mesafenin yarısı kadar uzaklaşması gerekir. Şekil 16’da bir atomun kütleden kopması veya yerini terk etmesindeki mekanizma çan eğrisi üzerinde görülmektedir. Bu duruma göre, ergitmede en fazla iç enerjiye sahip köşelerdeki atomlar ilk olarak ve kristal içindekiler de, en son olarak kütleden kopacaklardır. Zira köşelerdeki atomlara kopmaları için en az, kristal içindekilere en fazla dışardan enerji vermek gerekir. Burada enerjinin güç ile zamanın çarpımı olduğunu, zamanın enerjinin bir boyutu olduğunu, zaman arttıkça maddeye (atoma) verilen enerjinin arttığını unutmamak gerekir. Atomların yüzeyden içeriye gelebilmeleri için bir iş (enerji) yapılması gerekir. Atomun yüzeye gelmesi, yüzeyin büyümesi demektir ki, buna madde dış yüzeyden içe doğru tek yönlü etki eden yüzey gerilimi kuvveti ile karşı koyar. Çünkü madde en küçük dış yüzey demek olan minimum enerji konumunu korumak ister.
Şekil 16. Bir atomun sahip olduğu enerjinin atomlar arası mesafede çan eğrisine bağlı olarak gösterilişi
Şekil 17. Bir kaynak arkında yüzey gerilim kuvvetinin metal damlasına etkisi
Bir kaynak elektrodundan kaynak sırasında damla oluşumunu ele alalım Şekil 17. Damlanın oluşmaya başladığı ilk konumda (1) yüzey gerilimi kuvveti elektrod ucundaki erimiş malzemeyi elektroda doğru, aşağıdan yukarıya itecektir. Bu, küçük kütlelerin büyük kütleye katışma isteği demek olan, büyük kütleden ayrılmama isteğidir. Yani bu, küçük kütle olan ergimiş kısmın kendine göre büyük kütle olan elektroda bağlı kalma isteğidir. Kaynak yerine kaynak sırasında enerji verilmeye devam edildiğinden, ergimiş kütle zamanla büyüyecektir ve ikinci konumda (2) yüzey gerilimi kuvveti ergimiş damlayı elektrodtan ayırmak ister şekilde yukarıdan aşağıya doğru olacaktır. Zira ergimiş malzeme bu mevcut şartlarda en küçük enerji konumu olan küre konumunu almak isteyecektir. Damla ana metal üzerindeki kaynak banyosuna ulaştığı zaman (3), yine (1) konumundaki gibi küçük kütlenin büyük kütleye katışma isteği ile oluşan kuvvet nedeniyle kaynak banyosuna (kaynak dolgusuna) büyük bir istek ve hızla karışacaktır. Bir çok kaynak yönteminde yüzey gerilimini etkileyecek önlemler alınır. Örneğin, tavan ve düşey kaynak için üretilen elektrodların örtülerine katılan bazı maddeler sayesinde kaynakta oluşan kaynak banyosunun yüzey gerilimine etki edilerek, tavan ve düşey kaynakta kolaylık sağlanır. Benzer şekilde bazik elektrod örtülerinde en az, rutil
elektrod örtülerinde daha fazla, asidik elektrod örtülerinde en fazla oksijen bulunur. Bu durumda da oksijen kaynak banyosunun viskozitesini, dolayısıyla yüzey gerilimini düşürür, banyonun akışkanlığını arttırır. Dolayısıyla kaynakta damlalar, bazik elektrodlarda en büyük, rutil elektrodlarda orta, asidik elektrodlarda en küçüktür. Bunun sonucu olarak ta bazik elektrodların ara kapatma özelliği (örneğin kök pasoda) iyi iken, rutil elektrodlarda sprey şeklinde damla geçişi sağlayarak dolgu pasolarında daha başarılı, asidik elektrodlar ise düzgün yüzey verdikleri için kapak pasolarında başarılıdırlar.
2.2. Magnetik Sıkıştırma Kuvveti
Arkın magnetik sıkıştırılması, arkın kendi kendini sıkıştırması ve dışardan cebri olarak bir magnetik alanla sıkıştırılması olarak iki şekilde olabilir.
2.2.1. Arkın Kendi Kendini Sıkıştırması (Kendi Magnetik Alanının Kendini Sıkıştırması)
Elektrik arkı hareketli bir elektrik iletkenidir. Bir elektrik arkı olan kaynak arkı da hareketli bir elektrik iletkenidir. Kaynak arkında akımın hemen hemen tamamını elektronlar taşır. İyonların buradaki fonksiyonu ihmal edilecek derecede azdır. Bu durumda kaynak arkının, elektronların elektron zincirleri oluşturması ve bu zincir içinde hareket etmeleri ile meydana gelmiş olan ve aynı yönde akım geçiren akım iplikçiklerinden oluştuğu kabul edilebilir Şekil 18. Bir akım iplikçiği üzerindeki bir elektron, akım iplikçiklerinin oluşturduğu magnetik alanın etkisindedir. Zira içinden akım geçen bir iletkenin içinde ve çevresinde bir magnetik alan oluşur. O halde kaynak arkı içerisindeki her elektrona ark içerisindeki akım iplikçiklerinin oluşturduğu magnetik alan Lorentz Kuvveti denilen bir kuvvet etki ettirir. Bir elektrona etkiyen Lorentz kuvveti;
) (VxB e
F ile verilir. burada e: elektronun yükü
V : elektron hız vektörü
B : elektronun içinde hareket ettiği magnetik endüksiyon vektörüdür.
Ark içerisindeki elektronlar zincir şeklinde dizilerek akım iplikçiklerini oluşturduğuna göre, herhangi bir akım iplikçiği üzerindeki tüm elektronlara, diğer komşu akım iplikçiklerinin oluşturduğu magnetik alanlar Lorentz Kuvveti etki ettirir. Bir akım iplikçiğini oluşturan tüm elektronlara etki etmek, akım iplikçiğinin kendine etki etmek demektir, yani tüm akım iplikçiği (diğer bir deyişle içinden akım geçen iletken) boyunca bu iplikçiğe etki etmektedir. Ark içerisindeki akım iplikçikleri oluşturdukları magnetik alanlarla karşılıklı olarak birbirlerine Lorentz Kuvveti etki ettirirler ve bu kuvvetler akım iplikçiklerine diktir, iplikçiklerden aynı yönde akım geçtiği için birbirlerini çeker yöndedirler. Bunun pratikte (makro alanda) görülüşü, içinden akım geçen paralel iletkenler arasıda olup, içinden aynı yönde akım geçen paralel iletkenler birbirini çekerken, içinden zıt yönde akım geçen paralel iletkenler de birbirini iterler. Bu durum pratikte birbirine paralel giden enerji nakil hatlarında ve çok damarlı kablolar içerisindeki kablo demeti şeklinde bulunan kablolar arasında görülür. İçinden akım geçen paralel ile iletkenler arasındaki kuvvet, her bir iletkenin çevresinde oluşturduğu magnetik alanın, diğer iletkeni içine alması ve o iletken içindeki akımı oluşturan hareketli elektronlara Lorentz Kuvveti etki ettirmesindendir. Lorentz Kuvveti akım iplikçiğine diktir. Ancak elektrod eksenine dik değildir. Zira akım iplikçikleri kendi aralarında paraleldirler. Ancak ark kesitinin elektrod tarafında küçük olması nedeniyle akım iplikçikleri
ark eksenine paralel değildirler. Bu nedenle, akım iplikciklerine etki eden Lorentz Kuvvetinin radyal (Fr) ve Aksiyal (Fa) yönde olmak üzere iki bileşeni vardır.
Şekil 18. Elektrik arkı akım iplikçiklerine Lorentz kuvvetinin etkisi
İçinden I akımı geçen l boyundaki ve B magnetik alanı içerisindeki bir iletkene B magnetik alanının (örneğin içinden I akımı akan, l boyundaki bir iletken olan arka kendi magnetik alanı olan B nin) etki ettirdiği Lorentz Kuvveti;
F=I.B.l.Sin
şeklindedir. Burada , I ve B vektörleri arasındaki açıdır. İçinden akım geçen paralel iletkenlerin birinin oluşturduğu magnetik alanın, diğer iletkene etki ettirdiği Lorentz kuvveti nedeni ile, adı geçen iletkenler birbirlerine kuvvet etki ettirirler. Bu kuvvet, içinden aynı yönde akım geçen paralel iletkenler arasında çekim kuvveti olarak ortaya çıkar. Bu çekim kuvvetleri, ark içindeki akım iplikçiklerine etki eden Lorentz kuvvetinin radyal bileşenleri (Fr) dir. Burada kaynak arkı ortasındaki bir iplikçik her yönden çekildiği halde, dış yüzeydeki iplikçikler tek yönlü olarak sadece içe doğru çekilirler. Zira daha dışta (havada) onları dışa çekecek bir iplikçik yoktur. Arkın sıkıştırma kuvveti (iplikçiklerin birbirini çekim kuvveti) ark eksenine doğru artar. Maksimum sıkıştırma ark ekseninde oluşur. Akım iplikçikleri ve enerji yoğunluğu da dışardan ark eksenine doğru yükselir. Maksimum akım iplikçiği ve enerji yoğunluğu ark ekseninde oluşur. Ayrıca kaynak akımı arttıkça sıkıştırma kuvveti ve dolayısıyla, arkın stabilitesi artar. Sonuçta kaynak arkını oluşturan tüm partiküller (yüklü parçacıklar ve üzerinde yüklü parçacık bulunan metal damlaları) bu tek yönlü kuvvetle dıştan ark içine doğru çekilirler ve kaynak arkı damlalarla birlikte sıkıştırılmış olur (Magnetic Pinch). Bu sıkıştırma, kaynak arkının stabilitesini, enerji yoğunluğunu ve sıcaklığını yükselttiği gibi, arkı ve içindeki damlaları yönlendirir. Lorentz Kuvvetinin aksiyal bileşeni Fa ise, ark içerisinde ark ile metal damlaları arasındaki sürtünme kuvvetlerini yenerek, metal damlalarını elektrodtan kaynak banyosuna doğru sürükler. Zira damlalar üzerinde Lorentz kuvveti oluşturacak yüklü parçacıklar mevcuttur. Şekil 19'da konik bir damla ve ark modelinde adı geçen magnetik kuvvetler şematik olarak verilmiştir. Lorentz kuvvetinin etkisi ark akım şiddeti arttıkça artar. Bunun sonucu olarak da ark akımı arttıkça, örneğin kalın elektrodlarla yapılan kaynakta (kalın elektrodla kaynak yüksek akımla yapılır) ark daha stabil olur, daha kolay kaynak yapılabilir.
Şekil 19. Konik bir damla ve ark modelinde magnetik kuvvetlerin şematik gösterilişi 2.2.2. Arkın cebri olarak dışardan yabancı bir magnetik alanla sıkıştırılması
Arkı oluşturan yüklü parçacık zincirlerine (akım iplikçiklerine) dışarıdan uygun yönde oluşturulacak bir yabancı magnetik alanla, arkın dışından içine doğru çepeçevre bir kuvvet (Lorentz kuvveti) etki ettirip, arkı dıştan içe doğru sıkıştırıp, enerji yoğunluğu ve sıcaklığı arttırılabilir. Bunun uygulaması, bazı plazma fiziği çalışmalarında ve çekirdek füzyonu generatörlerinde plazmanın stabilitesini, enerji yoğunluğunu ve sıcaklığını arttırmada görülmektedir. Ancak kaynakta, dış alanla magnetik sıkıştırma kullanılmamaktadır. Zira arka dıştan magnetik kuvvet simetrik olarak uygulanamadığı için, asimetrik kuvvet etkisi arkı sıkıştırma yerine saptırmaktadır, bu nedenle kaynakta bunun pratiği yoktur. Kaynaklı imalatta dış magnetik alan bazı kaynak işlemlerinde arkın saptırılması (band elektrodla tozaltı kaynağı) ve sapan arkın (ark üflemesi) dengelenmesinde (üflemenin ortadan kaldırılmasında) uygulama alanı bulmaktadır (2.4.4).
2.3. Termik Sıkıştırma ve Plazma Akış Kuvveti
Kaynak arkı içerisinde maddenin dördüncü hali olarak bilinen, elektriği iyi ileten, yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahip plazma adı verilen bir ortam mevcuttur. Diğer bir deyişle kaynak arkı plazmadan oluşmuştur. Katı konumundaki bir maddeye ergitme enerjisi verilirse madde sıvı, sıvı konumundaki bir maddeye buharlaştırma enerjisi verilirse madde gaz, gaz konumundaki bir maddeye de iyonizasyon enerjisi verilirse madde plazma konumuna geçer. Bu olaylarda maddenin sadece enerji konumları ve dolayısıyla özellikleri değişir, madde değişmez. Ayrıca bu olaylar tersinir (geri dönüşlü) olaylar olup, maddeye düşük
enerjili bir konumdan diğer yüksek enerjili bir konuma geçirmek için verilen enerjiler maddeden geri alınırsa, madde eski konumuna geri döner. Biz eğer plazmayı, diğer bir deyişle kaynak arkını tüm çevresinden soğutursak arkın tüm çevresinde soğutmanın şiddetine bağlı olarak belli kalınlıktaki bir kısmın plazma konumu gaz konumuna geçer ve daha önce buradan akan akım iplikçikleri arkın iç bölgelerine kayar. Sonuçta arkın kesiti küçülür, enerji yoğunluğu, sıcaklığı, iş yapabilme kabiliyeti ve stabilitesi artar. Bu olaya arkın termik sıkıştırılması (termik pinch) adı verilir.
Termik sıkıştırma, ark kesitinin küçülmesi arkı çepeçevre dışardan bir mekanik itmeden kaynaklanmaz. Arkın çevresinin soğuyarak, arkın dışında kabuk şeklinde bir bölümünün yalıtkan olan gaz konumuna geçip, bu kabukta ark (plazma) ortamının kalmamasından kaynaklanır. Bütün ark kaynağı yöntemlerinde kaynak arkı dışarıdan çepeçevre kendine göre relatif olarak soğuk olan çevre ortamının arktan aldığı enerji ile kendiliğinden ve kaynak yöntemine göre çeşidi değişen bir madde (genellikle gaz veya su) ile dışarıdan cebri olarak homojen bir şekilde soğutulur, ark kesiti küçültülerek, hem ark stabilitesi yükseltilir ve hem de arkın enerji yoğunluğu ve sıcaklığı arttırılarak, arkın iş yapma kabiliyeti yükseltilir. Ayrıca bu sayede kaynak arkı ve içindeki damlalar yönlendirilir. Sonuçta kaynak dikişinin kalitesi ve kaynak işleminin verimi yükseltilmiş olur. Arkın termik sıkıştırılması kendi kendini sıkıştırması ve dışardan cebrik sıkıştırılması olarak iki türdür.
2.3.1. Arkın kendi kendini termik sıkıştırması
Bütün ark kaynağı yöntemlerinde kaynak arkı dış kısmı dışarıdan kendini çepeçevre saran ve kendine göre relatif olarak soğuk olan çevre ortamının arktan aldığı enerji nedeni ile soğuyup, gaz konumuna geçer. Sonuçta gaz konumuna geçen arkın dış kısmından akması gereken akım iplikçikleri içeri kayarak arkın kesiti küçülür, enerji yoğunluğu, sıcaklığı ve stabilitesi artar. Buna arkın kendi kendini sıkıştırması denir.
2.3.2. Arkın dışarıdan cebrik olarak termik sıkıştırılması
Bütün ark kaynağı yöntemlerinde kaynak yöntemine göre şekli değişen bir madde (genellikle gaz veya su) ile ark, dışarıdan cebri olarak homojen bir şekilde çepeçevre soğutulur, ark kesiti küçültülerek, hem ark stabilitesi yükseltilir ve hem de arkın enerji yoğunluğu ve sıcaklığı arttırılıp, arkın iş yapma kabiliyeti yükseltilir Şekil 20. Sonuçta kaynak dikişinin kalitesi ve kaynak işleminin verimi yükseltilmiş olur.
Şekil 20. TIG kaynağında koruyucu gazın kaynak arkını termik sıkıştırması
Kaynak arkı incelendiğinde elektrod önünde ark kesiti küçük ve basınç yüksektir. Elektroddan uzaklaştıkça kesit büyür ve basınç küçülür Şekil 21, 22. Elektrod önündeki bu yüksek basıncı dengelemek üzere elektroddan iş parçasına doğru plazma büyük bir hızla akmaktadır. Buna
plazma akışı ve akışı oluşturan kuvvete plazma akış kuvveti denir. Bu akışla elektrod önünde oluşan boşluğa süreklilik prensibine (Bernoulli Prensibi: elektrod önünde hız yüksek basınç düşük, elektrod çevresinde hız düşük basınç yüksek) göre elektrodun çevresinden arka relatif olarak soğuk atmosfer içeri emilmektedir. Zira Bernoulli Prensibinde bir akışkanın akış doğrultusunda iki noktası ele alınırsa, bu iki noktadan birinde hız yüksekse basınç düşüktür, basınç yüksekse hız düşüktür. Benzer şekilde plazma akışı nedeniyle elektrod önünde hız yüksek olduğundan basınç düşüktür, elektrod çevresindeki atmosferde ise hız düşük olduğundan basınç yüksektir. Elektrod çevresindeki atmosferin yüksek basıncından, elektrod önündeki düşük ark basıncına, elektrod çevresindeki atmosfer elektrod önündeki ark içerisine emilir.
Şekil 21. Elektrik arkında plazma akışının şematik gösterilişi
Bq : elektrik yüklü parçacık, Vq : yüklü parçacık hız vektörü,
FS : yüklü parçacığa etki eden magnetik kuvvet (Lorentz kuvveti)
s : yüklü parçacığın hareket yörüngesi (akım iplikçiği) vmax : Ark içerisindeki maksimum plazma hızı
p : ark içerisindeki basınç
Bernoulli Prensibine göre çalışan ve arktaki plazma akışına enteresan bir örnek haşere pompasıdır. Haşere pompasında bir pistonla hava hızlı bir şekilde haşere ilacının sıvı olarak bulunduğu deponun üst kısmına bağlı bir borudan (A) geçirilirken, aşağı depoda bulunan sıvı ilaç (B) yer çekiminin tersine yukarı çekilir ve hava ile birlikte püskürtülür.
Şekil 23. Bernoulli prensibine göre çalışan bir haşere pompası
Şekil 23’de görüldüğü gibi Pompanın A noktasından hızlı geçen hava aşağıda sıvı ilaç deposundaki ilacı yukarı A noktasına çeker ve sıvı hava ile karışarak dışarı püskürtülür. Zira A noktasında hız yüksek, basınç düşük ve B noktasında hız düşük, basınç yüksektir. Sonuçta B noktasındaki yüksek basınçtaki sıvı, düşük basınçlı A noktasına hareket eder ve orada hava ile karışarak basınçlı havayla pompa memesinden sprey şeklinde dışarı çıkar.
Şekil 21 ve 22’de ark içerisine elektrod ve ark çevresinden emilen atmosferin takip ettiği güzergah prensip olarak görülmekte olup, Şekil 22’de ayrıca ark içerisindeki elektrik yüklü parçacıklara etki eden Lorentz kuvveti (sıkıştırma kuvveti) FS ve basınç değişimleri (grad p)
görülmektedir. Gerek yüklü parçacık yoğunluğu, gerek bu parçacıkların hızı ve gerekse basınç arkın dışından içine doğru artmaktadır. Bu büyüklüklerin maksimum değerleri ark ekseninde oluşmaktadır. Bunun yanında ark içindeki basınç iş parçasından elektroda doğru artmaktadır. Elektrod çevresinden emilen bu soğuk atmosfer termik sıkıştırma ile arkın elektrod önündeki bölgesinin kesitini daha da küçültmekte ve plazma akışını daha da kuvvetlendirmektedir. Çevreden emilen atmosfer elektrod ucundan iş parçasına doğru ilerledikçe sıcaklığı arttığı için elektrod önünden uzaklaştıkça termik sıkıştırma azalıp yok olur. Bu nedenle elektrod önünden uzaklaştıkça ark kesiti büyür. Burada plazma akış kuvveti ile oluşan yüksek hız ve termik sıkıştırma ark içerisindeki metal damlalarının iş parçasına yönlendirilmiş bir şekilde hızla taşınmasına yardımcı olur. Plazma akışı ile çevreden ark içine emilen hava, içinde bulunan oksijen, hidrojen ve azottan dolayı kaynak dikişinde hatalara (kaynakta hidrojen gevreklik, azot yaşlanma, oksijen gözenek yapar) neden olduğundan çeşitli kaynak yöntemlerinde, elektrod çevresinde bu atmosferin (havanın) yerini tutacak, kaynakta hata oluşturmayan gaz oluşturulur. Örneğin örtülü elektrodla kaynakta örtü içine katılan bazı maddeler kaynak sırasında, gaz haline geçerek plazma akışı ile emilir, koruyucu gaz kaynağında elektrod çevresinden koruyucu gaz verilir ve çevredeki atmosfer yerine kaynak dikişi için zararsız olan
bu gazlar ark içerisine emilir ve arkın termik sıkıştırılmasını, arkın ve kaynak yerinin atmosferden (havadan) korunmasını bu gazlar sağlar.
2.4. Ark Üflemesi 2.4.1. Termik Üfleme
Kaynak arkı termik pinchte olduğu gibi herhangi bir nedenle çepeçevre dışardan homojen ve eşit bir soğutmaya tabi tutulamayıp, herhangi bir taraftan, herhangi bir şekilde daha fazla soğutulursa o taraftaki plazma, gaza dönüşüp yalıtkan olur, daha önce buradan akan akım aksi taraftan akmaya başlar, dolayısıyla ark aksi tarafa doğru sapar. Bu olay termik üfleme adını alır ve bu durumda termik sıkıştırmanın getirdiği avantajlar ortadan kalkar, aksine ark üflemesinin getirdiği aşağıda belirtilen dezavantajlar ortaya çıkar. Örneğin örtülü elektrodla ark kaynağında elektrod örtüsünün eksantrik olması örtü kalınlığının küçük olduğu tarafa doğru, gazaltı kaynağında difüzör arızası veya nozul içine çapak birikmesi gibi nedenlerden dolayı elektrod ile nozul arasından çıkan gazın herhangi bir tarafta fazla olması gazın az çıktığı yöne doğru bir ark üflemesi, rüzgar veya çeşitli nedenlerden dolayı kaynak yerinde hava sirkülasyonu sonucu hava hareketi yönünde bir ark üflemesi söz konusu olabilmektedir. Bunlar yanında ark kaynağında tabii bir üfleme şekli kaynak yönüne ters yönde mevcuttur. Kaynak işlemi sırasında kaynak arkı kaynak yönünde hareket ettikçe sürekli soğuk ortamla karşılaşır. Halbuki aksi yönde kaynak dikişi çekilmiş olduğu için gerek banyoda ve gerekse ark bölgesinde daha sıcak ve hatta elektrik akımını ileten bir plazma ortamı mevcut olduğundan kaynak akımı daha ziyade kaynağın geri tarafından akar. Bu da arkın kaynak gerisi yönünde termik üflenmesi demektir. Kaynak elle yapılırken hız küçük olduğu için bu üfleme küçüktür ve kaynağa bir zarar vermez. Hatta, kalın cüruf oluşturan elektrodlarla kaynakta, bu üfleme cürufu geri iterek cüruf kalıntısını da önler. Ancak bu durum, yüksek hızlı otomatik kaynaklarda veya bu termal üflemeye magnetik geri üflemenin eklendiği durumlarda problem oluşturabilir. Kaynak arkının termik üflemesi, arkın bir taraftan fazla soğutulması ile, o taraftaki plazmanın gaz konumuna geçerek, yalıtkan hale gelmesi sonucu daha önce bu tarafta bulunan plazma ortamının aksi tarafa kayması ve daha önce bu taraftan akan akımın da aksi taraftan akarak, arkın aksi tarafa sapması nedeniyle olur. Ark üflemesi (sapması) kesinlikle soğutucu maddenin arkı mekanik olarak itmesi ile oluşmaz. Hava cereyanındaki ark üflemesinde hava akımı arka dik gelir. Buna rağmen buradaki üflemede sebep, mekanik itme (arkın itilmesi) değil, arkın hava cereyanının geldiği kısmının plazma konumundan gaz konumuna geçmesidir. Bunun en iyi kanıtı gazaltı kaynağında arkın bir tarafından fazla gaz gelmesi ve eksantrik örtülü elektrodla kaynakta örtünün bir tarafta fazla gaz oluşturmasında sapmaya neden olan gaz arka paralel olmasına rağmen arkın sapmasıdır. Bunun anlamı, arka paralel gelen gazın arkı itmesinden değil, arkın gazın fazla gelen kısmında fazla soğutulup, o kısmının plazma ortamının gaz ortamına (konumuna) çevrilmesinden ark üflemesi oluyor demektir. Ark üflemesinin sonucu olarak ark, dolayısıyla kaynak banyosu içerisine hava emilir ve hava içindeki oksijen kaynak dikişi içerisinde gözenek ve oksitlenmeye, hidrojen, . hidrojen gevrekliğine ve azot da yaşlanmaya neden olur. Ayrıca elektrod ekseninden sapan ark nedeniyle, ark iş parçası üzerinde kaynak yapılması gereken yere sevk edilemez ve birleşme azlığı gibi çeşitli kaynak hataları ortaya çıkar.
2.4.2. Magnetik Üfleme
Elektrik ve magnetik alan içerisindeki elektrik yüklü bir parçacığa etkiyen kuvvet
) .(
.E q VXB
q
olarak verilir. Burada q. E kuvveti, E elektrik alanının içindeki q yüklü parçacığına etki ettirdiği kuvvet olup, bu kuvvetin oluşması arkta yüklü parçacıkların anod-katod doğrultusunda hareketini (enerjisini), dolayısıyla plazma (ark) akış hızını oluşturur. q (VXB) ise, B endüksiyonuna sahip bir magnetik alan içerisindeki V hızındaki bir q yüküne B magnetik alanının etki ettirdiği kuvvet olup Lorentz kuvveti olarak bilinir. Lorentz kuvveti daima hız yönüne diktir. Bu nedenle elektrik alanının aksine magnetik alan, yüklü parçacığın enerjisine etki etmez. Sadece yüklü parçacığın hızının yönünü değiştirir. Hızın büyüklüğüne bir etkisi olmaz. Sonuçta gerek elektrik, gerekse magnetik alan yüklü parçacıklara etki ettiklerinden ve plazma (ark) da hemen hemen tamamen yüklü parçacıklardan oluştuğundan, her iki alan da arka etki eder. Zira bir büyüklüğün elemanlarına etki etmek, o büyüklüğün kendine etki etmek demektir.
Arka magnetik alan etkisi, arkın kendi magnetik alanından ve yabancı dış bir magnetik alandan olmak üzere iki şekilde olabilir.
2.4.2.1. Kaynak arkının kendi magnetik alanının etkisi ile üflenmesi
Elektrik arkı hareketli bir elektrik iletkenidir. Elektrik arkının içinden geçen elektrik akımını, arkın kesiti boyunca içten dışa doğru (radyal) sıklığı azalan akım iplikçiklerinden oluşmuş olarak düşünebiliriz. Zira arkın orta kısmından dışa doğru yüklü parçacık yoğunluğu, dolayısıyla akım yoğunluğu (enerji yoğunluğu, sıcaklık) hızla azalmaktadır. Elektrikte içinden akım geçen bir iletken çevresinde yönü sağ el kaidesi ile belirlenen bir magnetik alan oluşur. Magnetik alan çizgileri (magnetik alanı oluşturan magnetik akı iplikçikleri) kendini oluşturan akımın çevresinde mutlaka çevrimlerini tamamlarlar Şekil 24. Paralel iki iletkenden akım geçirilirse, iletkenlerden birinin oluşturduğu magnetik alan diğer iletkeni içine aldığından, bu iletken içinde akan akımı oluşturan hareketli serbest elektronlara, dolayısıyla iletkene bir Lorentz kuvveti etki ettirir.
Bu kuvvetin büyüklüğü F=I.B.l.Sin dır. Burada
I: kuvvetin etkidiği iletkenden akan akım,
B: kuvvetin etkidiği iletkeni içine alan ve komşu iletken akımının oluşturduğu magnetik endüksiyon,
l: kuvvetin etkidiği iletkenin uzunluğu (paralel iletkenlerin boyu),
Şekil 24. İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde oluşan magnetik alan çizgileri
İçerisinden akım geçen bu paralel iletkenlerin karşılıklı olarak oluşturdukları bu kuvvetler nedeni ile, eğer bu iletkenlerden aynı yönde akım geçiyorsa, iletkenler birbirini çekerler (oluşan kuvvetler birbirlerine doğrudur), ters yönde akım geçiyorsa birbirlerini iterler.
Plazma (kaynak arkı) içerisindeki akım iplikçikleri, yüklü parçacıkların zincir şeklinde dizilmeleri ve bu zincir içinde hareket etmeleri ile oluşur. O halde bu yüklü parçacık zincirleri (akım iplikçikleri) içerisinden akım geçen paralel iletkenler olarak alınabilir. Elektronların (negatif yüklerin) oluşturduğu iplikçiklerden aynı yönde akım aktığından bütün iplikçikler birbirlerini çekerler. İyon zincirlerinde de durum aynıdır. Burada iyonların fonksiyonunun ihmal edilecek derecede az olduğu da unutulmamalıdır. Arkın ortasına doğru akım iplikçikleri yoğunluğu arttığından, herhangi bir akım iplikçiği, kendine komşu olan iç kısımdaki iplikçikler tarafından dış kısımdakilere göre daha büyük kuvvetle çekilecektir. Arkın en dışındaki iplikçikleri ise sadece iç taraftaki iplikçikler çekecektir. Zira daha dışta iplikçik mevcut değildir. Bu nedenlerden dolayı plazmayı oluşturan akım iplikçikleri dıştan içe doğru çekilmekte ve bu çekme de, arkın sıkışıp enerji yoğunluğunun (iş yapma kabiliyetinin) artmasını sağlamaktadır. Bu sıkışma arkın akımı büyüdükçe artar. Şekil 25a’da bir elektrik arkında (plazma) bir elektron ve bir iyona, dolayısıyla bu yüklerin oluşturduğu iplikçiklere arkın kendi alanının etki ettirdiği kuvvetler ve Şekil 25b’de de aynı sıkıştırma kuvveti kaynak arkında görülmektedir. Her iki şekilden görüleceği üzere kuvvetler, radyal yönde dıştan içe doğrudur ve arkın kendi alanının oluşturduğu kuvvetlerdir.
Şekil 25. a) Plazma içinde bir elektrona (N) ve bir iyona (P) etkiyen Lorentz kuvveti b) Elektrik arkı akım iplikçiklerine etkiyen Lorentz kuvveti
I: Plazmanın (ark) akımı, Ve ; Vi : Elektron ve iyon hızları, B: Ark (plazma) akımının oluşturduğu magnetik endüksiyon, R: plazma (ark) çapı
Eğer arkın kendi akımının oluşturduğu magnetik alan ark eksenine göre simetrik olarak oluşmuyorsa, arkın herhangi bir tarafında diğer taraflara göre farklı şiddette magnetik alan varsa, bu durumda, alanın büyük olduğu taraftan arka etkiyen kuvvet, alanın küçük olduğu taraftan arka etkiyen kuvvete göre büyük olur. Dolayısıyla ark alanının büyük olduğu taraftan küçük olduğu tarafa doğru sapar (üflenir). Bu, arkın kendi alanının kendini saptırması (üflemesi) dır.
2.4.2.2. Kaynak arkının dışardan yabancı bir alan etkisi ile üflenmesi
Arkı oluşturan yüklü parçacık zincirlerine (akım iplikçiklerine) dışardan uygun yönde oluşturulacak bir yabancı magnetik alanla, arkın dışından içine doğru çepeçevre bir kuvvet (Lorentz kuvveti) etki ettirip, dolayısıyla arkı dıştan içe doğru sıkıştırıp, enerji yoğunluğu artırılabilir. Çekirdek füzyonu generatörleri buna bir örnektir. Kaynak arkı hareketli bir iletken olup, içinden akım geçtiğinden arkın çevresinde bir magnetik alan oluşur. Bu magnetik alan arka her yönden Lorentz kuvveti etki ettirir. Bu kuvvetin yönü sol el kaidesi ile bulunur. Ark çevresinde oluşan magnetik alan çizgileri ark eksenine göre simetrik ise, arkın çevresinden çepeçevre etki eden Lorentz kuvvetleri eşit olur ve bu kuvvetler arkı çepeçevre sıkıştırır. Eğer ark çevresinde, özellikle arkın iş parçasına temas eden uç bölgesinde, oluşan magnetik alan çizgileri herhangi bir nedenle ark eksenine göre simetrik şekilde oluşmazsa, magnetik alan çizgilerinin daha yoğun olduğu taraftan etki eden Lorentz Kuvveti daha az yoğun olan taraftan etki eden Lorentz Kuvvetine göre daha büyük olur ve bu iki kuvvetin farkının oluşturduğu bir kuvvetle ark, alan çizgilerinin yoğun olduğu taraftan aksi tarafa saptırılır. Bu, arkın kendi magnetik alanının kendini üflemesidir. Benzer şekilde arka dışardan yabancı bir alan, arkın eksenine göre simetrik olarak etki etmiyorsa, yani arkın herhangi bir tarafından diğer taraflara göre farklı şiddette alan etki ederse, arka daha şiddetli alan etkisi olan taraftan arka etkiyen Lorentz Kuvveti, daha az şiddetli alan etkisi olan taraftan arka etkiyen Lorentz kuvvetine göre büyük olur ve ark alan şiddetinin büyük olduğu taraftan, küçük olduğu tarafa saptırılır. Bu saptırma (üfleme) yabancı bir alanın arkı üflemesi adını alır.
2.4.3. Ark çevresinde herhangi bir nedenle oluşan magnetik alanın (iç ve/veya dış alanın) ark eksenine göre simetrik olmayışı
Magnetik üflemenin asıl nedeni, arkın kendi magnetik alanının veya dışardan etki eden yabancı bir magnetik alanın kaynak arkı çevresinde herhangi bir nedenle ark eksenine göre simetrik olmayışıdır. Zira bu durumda arkın çevresi boyunca her yerde eşit magnetik alan oluşmaz ve arkın çevresi boyunca çepeçevre arka eşit Lorentz Kuvveti etki etmez ve ark dengede (elektrod ekseninde) kalmaz ve sapar (üflenir). Ark üflemesini önlemek için adı geçen arkın kendi ve dış magnetik alanların ark eksenine göre simetrisinin sağlanması gerekir. Ark üflemesi her zaman tek bir nedenden olmayabilir. Çoğu kez ark üflemesine neden olan birden fazla etken vardır. Dolayısıyla ark üflemesini ortadan kaldırmak veya kaynak kalitesine etki etmeyecek düzeye düşürmek için bu etkenleri sırasıyla yok etmek gerekir. Ancak adı geçen simetrisizliği yaratan üç neden vardır. Bu nedenler;
I- Ark eksenine göre iş parçasının, daha doğrusu çevrenin, tüm özelliklerinin simetri göstermemesi,
II- İş parçası üzerinden akan kaynak akımı güzergahının ark eksenine göre simetri göstermemesi ve
III- Dışardan ark eksenine göre asimetrik olarak arka etki eden yabancı magnetik alanlar olarak verilebilir.
2.4.3.1. Ark eksenine göre iş parçasının (çevrenin) tüm özelliklerinin simetri göstermemesi Elektrik direnci s l s l Re . 1.
ve magnetik direnç ise
S l Rm 1.
şeklinde verilir. Bunlara göre elektrik direnci malzemenin özgül iletkenliği () ve kesiti (S) ile ters, uzunluğu (l) ile doğru orantılı, magnetik direnç ise malzemenin magnetik geçirgenliği (µ) ve kesiti (S) ile ters, uzunluğu (l) ile doğru orantılıdır. Elektrik akımı ve magnetik akı kendilerine gösterilen en küçük dirençli yoldan akarlar. Bunun için elektrik akımı özgül iletkenliği ve kesiti büyük, uzunluğu küçük olan ortamdan (yoldan), magnetik akı ise magnetik geçirgenliği ve kesiti büyük, uzunluğu küçük olan ortamdan (yoldan) akmayı tercih ederler. Ancak elektrik ve magnetik direncin bağlı olduğu faktörlerden hangisi direncin daha fazla küçülmesine etki ediyorsa, elektrik akımı ve magnetik akı o faktörün etkin olduğu yolu tercih eder. Bu olgu kaynak arkı çevresinde farklı özellikteki ortamların bulunması halinde magnetik üflemeyi de belirler. Örneğin Şekil 26’da görülen alüminyum sac, çelik sac ve yakınında büyük kütleli bir ferromagnetik cisim bulunan bir çelik sacın kaynağında oluşan magnetik üflemeyi ele alalım. Alüminyum sacın bir uçtan kaynağında arkın iş parçasına temas eden ucu çevresinde ark akımı dolayısıyla oluşan magnetik alan çizgileri şekilde görüldüğü gibi hava ortamının magnetik geçirgenliğinin alüminyuma göre daha büyük olması nedeni ile hava kısmında yollarını uzatıp daha büyük kesitten ve alüminyum ortamında ise yollarını kısa tutup daha küçük kesitten akmayı tercih ederler. Böylece kendilerine gösterilen magnetik direnci küçük tutmuş olurlar. Sonuç olarak ark eksenine göre kaynak işlemi doğrultusunda asimetrik, bu doğrultuya dik doğrultuda ise simetrik bir magnetik alan oluşmuş olur. Bu da kaynak işlemi doğrultusuna dik doğrultuda arka iki taraftan etki eden F1 ve F2 Lorentz kuvvetlerinin eşit ve
ters yönlü olması nedeni ile birbirlerini yok etmelerine, kaynak işlemi doğrultusunda ise arka iki taraftan etki eden kuvvetlerden alan çizgilerinin daha sık ve arka daha yakın olan tarafındaki Lorentz kuvvetinin (F3), diğer taraftakine (F4) göre daha büyük olması nedeni ile
