Lazer Teknolojisi

1. Lazer Kaynağı Prensibi

Lazer kaynağı, sürekli veya darbeli lazer ışınları kullanılarak gerçekleştirilebilir. Lazer kaynağının prensibi, ısı iletimi kaynağı ve lazer derin nüfuziyetli kaynağı olmak üzere ikiye ayrılabilir. Güç yoğunluğu 10 ⁴ ~105 G/CM ² ısı iletimi kaynaklamasıdır ve düşük nüfuz derinliği ile yavaş kaynak hızı ile karakterizedir. Güç yoğunluğu 10'dan büyük olduğunda 5 ~10⁷ G/CM ² , metal yüzeyi ısıtılır ve "boşluklar" oluşturulur; bu da yüksek nüfuz derinliğine sahip kaynaklamayı oluşturur ve bu tür kaynaklama, hızlı kaynak hızı ile büyük derinlik/genişlik oranı ile karakterizedir.

Isı iletimi lazer kaynaklamasının ilkesi şöyledir: lazer ışınımı, işlenecek yüzeyi ısıtır ve yüzeyde oluşan ısı, ısı iletimi yoluyla içe doğru yayılır. Lazer parametreleri (örneğin lazer darbesinin genişliği, enerjisi, tepe gücü ve tekrar frekansı) kontrol edilerek iş parçası eritilir ve belirli bir ergimiş havuz oluşturulur.

Dişli çark kaynaklaması ve metalurjik ince levha kaynaklaması için kullanılan lazer kaynak makineleri çoğunlukla lazerle yüksek nüfuz derinliğine sahip kaynaklamayı içerir. Lazerle yüksek nüfuz derinliğine sahip kaynaklamanın ilkesi aşağıda ayrıntılı olarak açıklanacaktır.

Lazer derin nüfuziyetli kaynaklama genellikle malzemeleri birleştirmek için sürekli lazer ışını kullanır. Metalurjik fiziksel yapısı, enerji dönüşüm mekanizmasının "anahtar deliği" (keyhole) yapısı aracılığıyla gerçekleştiği elektron demeti kaynaklamaya çok benzer. Yeterince yüksek güç yoğunluğunda lazer ışınımı altında malzeme buharlaşır ve bir anahtar deliği oluşturur. Bu buharla dolu anahtar deliği, gelen ışınımın neredeyse tüm enerjisini yutan bir siyah cisim gibi davranır. Anahtar deliği içindeki denge sıcaklığı yaklaşık 2500 °C’ye ulaşır. °C. Isı, bu yüksek sıcaklıklı delik (keyhole)’in dış duvarından iletilir ve etrafındaki metali eritir. Delik, ışın demetiyle aydınlatma altında duvar malzemesinin sürekli buharlaşması sonucu oluşan yüksek sıcaklıklı buharla doldurulur. Deliğin duvarları erimiş metal ile çevrilidir ve sıvı metal, katı malzemeyi çevreler (çoğu geleneksel kaynak işlemi ve lazer iletim kaynak yönteminde enerji öncelikle iş parçasının yüzeyine verilir ve daha sonra iç kısımlara aktarılır). Deliğin duvarlarının dışında gerçekleşen sıvı akışı ve yüzey gerilimi, delik içinde sürekli olarak üretilen buhar basıncıyla dinamik bir denge oluşturur. Lazer ışını deliğe sürekli olarak girdikçe, deliğin dışındaki malzeme akışına devam eder. Lazer ışını hareket ettikçe, delik kararlı bir akış durumunu korur. Başka bir deyişle, delik ve onu çevreleyen erimiş metal, yönlendirici ışınla aynı hızda ileriye doğru hareket eder. Erimiş metal, deliğin geçtikten sonra bıraktığı boşlukları doldurur ve ardından katılaşır; böylece bir kaynak birleşimi oluşur. Tüm bu süreç o kadar hızlı gerçekleşir ki kaynak hızları kolayca dakikada birkaç metre seviyesine ulaşabilir.

2. Lazer Derin Nüfuz Kaynağı İşleminin Temel Süreç Parametreleri

Laser Gücü

Lazer kaynaklama, bir lazer enerji yoğunluğu eşiğini içerir. Bu eşik değerinin altında, nüfuz derinliği yüzeyseldir; bu eşik değere ulaşıldığında veya aşıldığında, nüfuz derinliği önemli ölçüde artar. Plazma, lazer ışınının iş parçası üzerindeki güç yoğunluğu bu eşik değeri (malzemeye bağlı) aştığında yalnızca oluşur; bu da kararlı derin nüfuzlu kaynaklamanın başlangıcını işaret eder. Eğer lazer gücü bu eşik değerinin altında ise iş parçasında yalnızca yüzey erimesi gerçekleşir; yani kaynaklama kararlı ısı iletimi modunda ilerler. Lazer güç yoğunluğu, anahtar deliği (keyhole) oluşumunun kritik koşuluna yakın olduğunda, derin nüfuzlu kaynaklama ve ısı iletimi kaynaklaması birbirini izleyerek gerçekleşir; bu da nüfuz derinliğinde büyük dalgalanmalarla sonuçlanan kararsız bir kaynaklama sürecine neden olur. Lazerle derin nüfuzlu kaynaklamada lazer gücü aynı anda nüfuz derinliğini ve kaynaklama hızını kontrol eder. Kaynak nüfuz derinliği, ışın gücünün yoğunluğuyla doğrudan ilişkilidir ve gelen ışın gücünün ile ışın odak noktası alanının bir fonksiyonudur. Genel olarak, belirli bir çapa sahip bir lazer ışını için nüfuz derinliği, ışın gücünün artmasıyla birlikte artar.

Işın Odak Noktası

Işın lekesi boyutu, lazer kaynak işlemlerinde güç yoğunluğunu belirlediği için en önemli değişkenlerden biridir. Ancak yüksek güçteki lazerler için bu değeri ölçmek, dolaylı ölçüm tekniklerinin varlığına rağmen zordur.

Lazer ışınının kırınım ile sınırlı odak lekesi boyutu, optik kırınım teorisine dayanarak hesaplanabilir. Ancak odaklama lensindeki abaratasyonlar nedeniyle gerçek leke boyutu, hesaplanan değerden daha büyüktür. En basit pratik ölçüm yöntemi, kalın bir kağıt parçasını karartıp ardından polipropilen bir plaka delerek odak lekesini ve deliğin çapını ölçmeye dayanan izotermal profilometri yöntemidir. Bu yöntem, lazer gücünü ve ışın temas süresini doğru şekilde ayarlayabilmek için pratik ölçümler gerektirir.

Malzeme Emme Değeri

Bir malzemenin lazer ışığını emmesi, emicilik, yansıtma oranı, termal iletkenlik, erime sıcaklığı ve buharlaşma sıcaklığı gibi birkaç önemli özelliğe bağlıdır; bunların içinde en önemlisi emiciliktir.

Bir malzemenin lazer ışınına karşı emiciliğini etkileyen faktörler iki yönü içerir: Birincisi, malzemenin öz direnci. Parlak yüzeylerin emiciliği ölçümleri, emiciliğin öz direncin kareköküyle orantılı olduğunu göstermektedir; bu da sırasıyla sıcaklığa bağlı olarak değişir. İkincisi, malzemenin yüzey durumu (ya da pürüzsüzlüğü), ışın emiciliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve dolayısıyla kaynak etkisini önemli ölçüde etkiler.

CO2 lazerinin çıkış dalga boyu tipik olarak 10,6'dır μ m. Seramik, cam, kauçuk ve plastik gibi metal olmayan malzemeler, oda sıcaklığında yüksek soğurma oranlarına sahiptir; buna karşılık metal malzemeler oda sıcaklığında lazer ışınlarını zayıf şekilde soğurur ve soğurma oranı yalnızca malzeme eridiğinde veya hatta buharlaştığında keskin bir şekilde artar. Yüzey kaplamaları veya oksit filmleri, malzemenin lazer ışınını soğurma oranını artırmak için etkili yöntemlerdir.

Kaynak Hızı

Kaynak hızı, kaynak penetrasyonunu önemli ölçüde etkiler. Hızın artırılması daha yüzeysel penetrasyona neden olurken, aşırı düşük hızlar aşırı erimeye ve delinmeye yol açar. Bu nedenle, belirli bir lazer gücü ve kalınlığa sahip özel bir malzeme için uygun bir kaynak hızı aralığı vardır ve bu aralık içinde maksimum penetrasyon elde edilebilir. Şekil 10-2, 1018 çelik için kaynak hızı ile penetrasyon arasındaki ilişkiyi göstermektedir.

Korumalı Gaz

İnert gazlar, lazer kaynak işlemi sırasında ergimiş banyoyu korumak için yaygın olarak kullanılır. Yüzey oksidasyonu bazı malzemeler için bir endişe kaynağı olmasa da, iş parçasının kaynak sırasında oksitlenmesini önlemek amacıyla çoğu uygulamada helyum, argon ve azot yaygın olarak kullanılır.

Helyum zayıf iyonlaşır (ancak iyonlaşma enerjisi yüksektir), bu nedenle lazer ışını engelsiz bir şekilde geçebilir ve iş parçası yüzeyine sorunsuz ulaşabilir. Bu, lazer kaynakta kullanılan en etkili koruyucu gazdır; ancak görece pahalıdır.

Argon daha ucuzdur ve yoğunluğu daha yüksektir; bu nedenle iyi koruma sağlar. Ancak yüksek sıcaklıklı metal plazması tarafından kolayca iyonlaştırılır ve bu durum, ışının bir kısmının iş parçasına ulaşmasını engelleyerek etkili lazer gücünü azaltır; sonuç olarak kaynak hızı ve nüfuz derinliği düşer. Argonla korunan kaynak dikişlerinin yüzeyleri, helyumla korunanlara kıyasla daha pürüzsüzdür.

Azot, en ucuz koruyucu gazdır; ancak metallurjik sorunlar nedeniyle, özellikle emilim gibi durumlar nedeniyle bazen birleşim bölgesinde gözeneklilik oluşturabilmesi sebebiyle bazı paslanmaz çelik türlerinin kaynak edilmesinde uygun değildir.

Koruyucu gazların ikinci işlevi, odaklama lensini metal buharı kirliliğinden ve ergimiş damlacıkların püskürtülmesinden korumaktır. Bu durum, fırlatılan malzemenin çok güçlü hâle geldiği yüksek güçte lazer kaynak işlemlerinde özellikle önemlidir.

Koruyucu gazların üçüncü işlevi, yüksek güçte lazer kaynak sırasında oluşan plazmayı dağıtmadaki etkinlikleridir. Metal buharı lazer ışınını emer ve bir plazma bulutuna iyonize olur. Metal buharını çevreleyen koruyucu gaz da ısıtılmasından dolayı iyonize olur. Eğer çok fazla plazma oluşursa, lazer ışını plazma tarafından kısmen tüketilir. Plazma, çalışma yüzeyinde ikincil bir enerji kaynağı olarak var olur ve bunun sonucunda kaynak nüfuz derinliği azalır ve kaynak banyosu genişler. Elektron rekombinasyon hızı, elektronlar, iyonlar ve nötr atomlar arasındaki çarpışmaların artırılmasıyla yükseltilir; bu da plazmadaki elektron yoğunluğunu azaltır. Nötr atomlar ne kadar hafifse, çarpışma sıklığı ve rekombinasyon hızı o kadar yükselecektir; öte yandan yalnızca iyonizasyon enerjisi yüksek bir koruyucu gaz, kendi iyonlaşmasından kaynaklanan elektron yoğunluğundaki artışın önüne geçebilir.

Plazma bulutunun boyutu, kullanılan koruyucu gazlara bağlı olarak değişir; bunlar arasında helyum en küçük boyuta sahipken, bunu azot ve sonra da en büyük boyuta sahip olan argon izler. Daha büyük bir plazma bulutu, daha düşük kaynak nüfuziyetine neden olur. Bu fark, gaz moleküllerinin iyonlaşma derecelerindeki farklılıklara ve koruyucu gazların farklı yoğunluklarından kaynaklanan metal buharı difüzyonundaki farklılıklara dayanır.

Helyum, en düşük iyonlaşma enerjisine ve yoğunluğa sahiptir; bu nedenle erimiş metal banyosundan yükselen metal buharını hızlıca yerinden edebilir. Dolayısıyla helyumun koruyucu gaz olarak kullanılması, plazmayı maksimum düzeyde bastırarak kaynak nüfuziyetini ve kaynak hızını artırır; aynı zamanda hafif ağırlığı sayesinde kolayca dışarıya kaçar ve porozite oluşma olasılığını azaltır. Ancak gerçek kaynak sonuçlarımıza göre, argon koruması oldukça etkili olduğu kanıtlanmıştır.

Plazma bulutunun kaynak nüfuzu üzerindeki etkisi, düşük kaynak hızlarında en belirgin şekilde görülür. Kaynak hızı arttıkça bu etki azalır.

Koruyucu gaz, belirli bir basınçla bir nozuldan püskürtülür ve iş parçası yüzeyine ulaşır. Nozulun hidrodinamik şekli ve çıkış çapı kritik öneme sahiptir. Koruyucu gaz, kaynak yüzeyini yeterince kaplamalıdır; ancak nozul boyutu, lensi etkili bir şekilde korumak ve metal buharı kontaminasyonunu veya metal sıçramasına bağlı hasarı önlemek amacıyla sınırlandırılmış olmalıdır. Akış hızı da kontrol edilmelidir; aksi takdirde koruyucu gazın laminer akışı türbülansa dönüşür, atmosferik karışım ergimiş banyoya girer ve sonuçta gözeneklilik oluşur.

Koruma etkisini artırmak için ek bir yan üfleme yöntemi kullanılabilir; bu yöntemde koruyucu gaz, belirli bir açıyla, daha küçük çaplı bir nozuldan derin nüfuziyetli kaynak dikişinin iğne deliğine doğrudan enjekte edilir. Koruyucu gaz, iş parçası yüzeyindeki plazma bulutunu bastırmakla kalmaz, aynı zamanda iğne deliği içindeki plazmayı ve iğne deliğinin oluşumunu da etkiler; bu da nüfuziyet derinliğini daha da artırır ve ideal derinlik/genişlik oranına sahip bir kaynak dikişi elde edilmesini sağlar. Ancak bu yöntem, gaz debisi ve yönünün hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir; aksi takdirde kolayca türbülans meydana gelir, ergimiş banyo zarar görür ve kaynak işlemi kararsız hâle gelir.

Lens Odak Uzunluğu

Kaynak sırasında lazer genellikle odaklanır; bunun için tipik olarak odak uzaklıkları 63-254 mm (2,5 ”~10”odaklanan noktanın boyutu, odak uzaklığı ile doğru orantılıdır; odak uzaklığı ne kadar kısa olursa, nokta o kadar küçük olur. Ancak odak uzaklığı aynı zamanda odak derinliğini de etkiler; yani odak derinliği, odak uzaklığı ile doğru orantılı olarak artar. Bu nedenle daha kısa bir odak uzaklığı güç yoğunluğunu artırabilir; ancak bu durumda çok az olan odak derinliği nedeniyle lens ile iş parçası arasındaki mesafe tam olarak korunmak zorundadır ve nüfuz derinliği de sınırlıdır. Kaynak işlemi sırasında meydana gelen sıçramalar ve lazer modları nedeniyle kaynakta aslında kullanılan en kısa odak uzaklığı genellikle 126 mm (5 inç)'tir. ”birleştirme alanı büyük olduğunda veya leke boyutunu artırarak kaynak boyutunu büyütmek gerektiğinde, odak uzaklığı 254 mm (10 inç) olan bir lens seçilebilir. ”bu durumda, derin nüfuz sağlayan anahtar deliği (keyhole) etkisini elde etmek için daha yüksek lazer çıkış gücü (güç yoğunluğu) gereklidir.

Lazer gücü 2 kW’ı aştığında, özellikle 10.6 μ m CO2 lazer ışınları, optik sistemde özel optik malzemelerin kullanılması nedeniyle odaklama lensine optik hasar verilmesini önlemek amacıyla genellikle yansıma odaklaması kullanır. Parlatılmış bakır aynalar tipik olarak yansıtıcılar olarak kullanılır. Etkili soğutma özelliklerine sahip oldukları için yüksek güçteki lazer ışınlarının odaklanması için sıklıkla önerilir.

Odaklama Konumu

Kaynak işlemi sırasında odak konumu, yeterli güç yoğunluğunu korumak açısından kritiktir. Odak ile iş parçası yüzeyi arasındaki göreli konumdaki değişiklikler, kaynak genişliğini ve derinliğini doğrudan etkiler. Şekil 2-6, 1018 çelikte odak konumunun nüfuz derinliği ve kaynak genişliği üzerindeki etkisini göstermektedir.

Çoğu lazer kaynak uygulamasında, istenen nüfuz derinliğine ulaşmak amacıyla odak genellikle iş parçası yüzeyinin hemen altına, yaklaşık yüzeyden iş parçası kalınlığının dörtte biri kadar derinliğe yerleştirilir.

Lazer Işını Konumu

Farklı malzemelerin lazer kaynaklanması sırasında lazer ışın hüzmesinin konumu, özellikle bindirme kaynaklarına kıyasla daha hassas olan uç uca kaynaklarda nihai kaynak kalitesini belirler. Örneğin, sertleştirilmiş çelik bir dişliyi düşük karbonlu çelik bir tambura kaynaklarken doğru lazer ışın hüzmesi konumu kontrolü, çoğunlukla düşük karbonlu bileşenlerden oluşan ve daha iyi çatlak direnci gösteren bir kaynak oluşturur. Bazı uygulamalarda kaynaklanacak iş parçasının geometrisi, lazer ışın hüzmesinin bir açı ile sapmasını gerektirir. Işın ekseni ile birleşim düzlemi arasındaki sapma açısı 100 derece içindeyse iş parçasının lazer enerjisi emilimi etkilenmez.

Kaynağın başlangıç ve bitiş noktalarında lazer gücünün artırılması ve azaltılması kontrolü

Lazer derin nüfuz kaynak işlemi sırasında kaynak derinliğinden bağımsız olarak her zaman delik (pinhole) fenomeni oluşur. Kaynak işlemi sona erdiğinde ve güç anahtarı kapatıldığında, kaynak ucunda bir çukur meydana gelir. Ayrıca lazer kaynak katmanı orijinal kaynakı kapladığında lazer ışınının aşırı emilimi gerçekleşebilir; bu da kaynak dökümünde aşırı ısınmaya veya gözenekliliğe neden olabilir.

Bu fenomenleri önlemek için güç başlangıç ve bitiş noktaları programlanabilir; böylece güç başlangıç ve bitiş süreleri ayarlanabilir hale gelir. Yani başlangıç gücü, kısa bir süre içinde elektronik olarak sıfırdan ayarlanan güç değerine kadar artırılır ve kaynak süresi buna göre ayarlanır. Son olarak kaynak işleminin sonunda güç, ayarlanan değerden sıfıra doğru kademeli olarak azaltılır.

3. Lazer derin nüfuz kaynak işleminin özellikleri, avantajları ve dezavantajları

Lazer derin nüfuz kaynak işleminin özellikleri

1) Yüksek en-boy oranı. 1) **Derin ve dar kaynak dikişi:** Ergimiş metal, silindirik yüksek sıcaklıklı buhar boşluğunu çevreleyerek iş parçası yönünde uzandığından kaynak dikişi derin ve dar olur.

2) **Minimum ısı girdisi:** Açıklık içindeki aşırı yüksek sıcaklık nedeniyle erime işlemi çok hızlı gerçekleşir; bu da iş parçasına verilen ısı miktarını çok düşük seviyeye indirir ve ısı deformasyonu ile ısı etkilenmiş bölgeyi en aza indirir.

3) **Yüksek yoğunluk:** Yüksek sıcaklıklı buharla dolu açıklık, kaynak banyosunun karıştırılmasını ve gazların dışarı atılmasını kolaylaştırır; bunun sonucunda gözenek içermeyen ve tam nüfuzlu bir kaynak elde edilir. Kaynaktan sonra yüksek soğuma hızı, kaynak mikroyapısını daha da inceleştirir.

4) **Güçlü kaynak:** Yoğun ısı kaynağı ve metal olmayan bileşenlerin tam olarak emilmesi, safsızlık içeriğini azaltır ve kaynak banyosundaki inklüzyonların boyutunu ile dağılımını değiştirir. Kaynak işlemi elektrot veya dolgu teli gerektirmediğinden, ergimiş bölgede daha az kontaminasyon oluşur; bu da kaynağın mukavemetini ve tokluğunu en azından ana malzemeyle eşit hatta ondan daha üstün kılar.

5) **Kesin kontrol:** Odaklanan noktanın çok küçük olması nedeniyle kaynak kesin bir şekilde konumlandırılabilir. Lazer çıkışı herhangi bir "atalet"e sahip olmadığından, yüksek hızlarda hızlı durma ve yeniden başlatma mümkündür. CNC ışın hareket teknolojisi, karmaşık iş parçalarının kaynak edilmesini sağlar. 6) Temassız atmosferik kaynak işlemi. Enerji bir foton demetinden geldiği için iş parçasıyla fiziksel temas olmaz; dolayısıyla iş parçasına hiçbir dış kuvvet uygulanmaz. Ayrıca manyetizma ve hava lazer üzerinde hiçbir etkiye sahip değildir.

Lazer Derin Nüfuziyetli Kaynağın Avantajları

1) Odaklanmış lazerlerin, geleneksel yöntemlere kıyasla çok daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olması nedeniyle kaynak hızı yüksektir; ısı etkilenmiş bölge ve deformasyon küçüktür ve titanyum gibi zor kaynaklanabilen malzemeleri kaynaklamak mümkündür.

2) Lazer ışını iletimi ve kontrolü kolaydır; ayrıca kaynak başlıkları ve nozulların sık sık değiştirilmesine gerek yoktur ve elektron demeti kaynak yönteminde gerekli olan vakum işlemi de gereklidir. Bu durum, durma sürelerini önemli ölçüde azaltarak yüksek yük faktörüne ve üretim verimliliğine yol açar.

3) Saflaştırma etkisi ve yüksek soğuma hızı nedeniyle kaynak dikişi yüksek mukavemet, tokluk ve genel performans gösterir.

4) Düşük ortalama ısı girdisi nedeniyle işlenme doğruluğu yüksektir ve bu da yeniden işleme maliyetlerini azaltır; ayrıca lazer kaynak işleminin işletme maliyetleri de daha düşüktür; dolayısıyla iş parçası işlenme maliyetleri azalır.

5) Işın şiddeti ve hassas konumlama etkin bir şekilde kontrol edilebilir; bu da otomatik çalışmayı kolaylaştırır.

Lazer Derin Nüfuziyet Kaynağının Dezavantajları

1) Sınırlı kaynak derinliği.

2) İş parçası montajı için yüksek gereksinimler.

3) Lazer sistemlerine yüksek başlangıç yatırımı.