Söz konusu parametreler ve/veya onların değerleri yanlış seçilecek olursa malzemelerin kaynatılması yerine delinmesi, kesilmesi, markalanması gibi durumlar ile karşılaşılabilir. Kaynak işlemi, lazer ışın demetini malzeme üzerinde belli bir hızla gezdirilme yolu ile gerçekleştirildiği için, kolaylıkla otomasyona tabi tutulabilir. Bu çalışmada saç malzemelerin Nd:YAG lazerle kaynak edilmesi için gereken parametrelerin belirlenmesi ele alınmaktadır.
Lazer Kaynağına Üstünlük Kazandıran Etmenler
Kaynak, iki materyalin tek bir materyal elde edilecek bir şekilde birleştirilmesi
işlemidir. Çok sayıda araştırma ve uygulama, lazer kaynağının hassas ve yüksek
kalitede bir birleştirme sağladığını göstermiştir. Bu olgu, bilimde araştırılması gereken
bir alan olduğu kadar, teknolojide ise uygulanması ve geliştirilmesi gereken bir
malzeme işleme yöntemi haline gelmiştir. Diğer kaynak yöntemlerine nazaran lazer
kaynağına üstünlük kazandıran en önemli nitelikler aşağıdakilerdir:
• Lazer, temiz bir enerji kaynağıdır,
• Kaynak işlemi, dolgu malzemesi kullanmadan/kullanılarak gerçekleştirilebilir,
• Kaynak işlemi, yüksek oranda en:boy değişiminde ve dar bir alanda meydana
gelir,
• Kaynak hızı yüksektir,
• Lazer kaynak işlemi kolaylıkla otomasyona tabi tutulabilir,
• Aynı ve farklı metaller kaynatılabilir,
• Optik olarak geçirgen (şeffaf, saydam) materyallerin yardımı ile kaynak
ortamındaki hava şartları kontrol edilebilir.
Lazer kaynağı işleminin bazı kusurları da vardır. Sert metallerin darbeli
lazerlerle kaynatılması, kaynak bölgesinde mikroskopik kaynak kesintilerin oluşmasına,
bu ise kaynağın kırılgan olmasına sebep olmaktadır. Ancak bu kusur, geleneksel
kaynak yöntemlerinin aynı tipten olan kusurları ile mukayese edildiğinde önemsiz bile
görülebilir. Yukarıda gösterilen sebeplerden dolayı gün geçtikçe lazer kaynağının
endüstride kullanım alanı artmaktadır.
Lazer kaynağı, teknolojik şartlara bağlı olarak, iki temel prensipten birini esas alarak gerçekleştirilmektedir:
• Derinlemesine nüfuz eden lazer kaynağı (Key Hole Laser Welding)
• İletim lazer kaynağı (Conduction laser welding)
Yüksek güçlü lazerlerin en önemli uygulama alanlarından biri, saç
malzemelerin kaynatılması işlemidir. Bu tür kaynağın en geniş ve vazgeçilmez
uygulama alanı otomobil sektörüdür. Bu alan lazerle imalat teknolojisi pazarının %
30’unu kapsamaktadır. Bunun dışında, değişik amaçlı saç malzemelerin
birleştirilmesi için de lazer kaynağı kullanılmakta ve lazerlerin bu alanda uygulanması
hızla genişlenmektedir.
Derinlemesine Nüfuz Eden Lazer Kaynağı
Derinlemesine nüfuz yöntemi (Key Hole Laser Welding) ile elde edilen lazer
kaynağına Anahtar Deliği (klavuz çukur) manasına gelen “KEY HOLE” yöntemi de
denir. Eğer, yeterince güç yoğunluğuna sahip olan lazer ışın demeti malzeme yüzeyine odaklanırsa anahtar deliği elde edilir. Işın demeti ile materyal buharlaştırılarak bir anahtar deliği oluşturulabilir. Bu anahtar deliğinin oluştuğu yerde bir erime havuzu elde edilir. Söz konusu yerde eriyik halde bulunan malzeme yer çekimi, yüzey gerilmesi ve buhar basıncının etkisi ile kararlı bir dengede bulunur. Anahtar Deliği mekanizmasında 1:10 oranında en:boy (derinlik, b/h) değişimi söz konusu olur. Bu mekanizmanın ayrıntıları Lancaster tarafından bulunmuş ve uygulamada kullanılabilecek bir konuma getirilmiştir. Anahtar Deliği, eriyen metal ve bunların dışını çevreleyen katı metalden oluşur. Bu delikte oluşan buhar basıncı, eriyen malzemenin yüzey gerilimi ve eriyen metalin hidrostatik basıncı ile dengelenir.
Yukarıda söylenildiği gibi, lazer ışın demeti ile materyal buharlaştırılarak
Anahtar Deliği denilen bir çukur oluşturulur. Anahtar deliği oluştuktan sonra delik
bölgesindeki eriyen malzemenin lazer ışınını yutma oranı % 98 ‘e ulaşır ve burada
bir erime havuzu oluşur. Bundan sonra, iş parçası veya ışın demeti sabit bir hızla
hareket ettirilmeğe başlar ve iş parçası üzerinde sürüklenir. Bu durumda, çukurun
hareket istikameti tarafında erimiş vaziyette olan metal, siyah cisim gibi davranarak
malzeme yüzeyine çarpan lazer ışın demetinin büyük bir kısmını yutar. Bu yolla metal, ışının hareket istikametinde eritilir, geride kalan eritilmiş kısım ise katılaşır. Uygulanan lazer ışın demetinin gücü, seçilmiş olan hareket hızında metali eritecek kadar büyük, ama çukurdaki metali buharlaştırıp yok etmeyecek kadar düşük olarak seçilmelidir. Ayrıca, kaynak çukuru oluşunca, malzeme yüzeyine çarpan ışın gücünün kontrollü bir şekilde azaltılması gerekir. Kaynak çukuru oluşturarak malzemelerin kaynatılması işlemi, özellikle kalın saçların kaynak edilmesi için uygun olan bir yöntemdir. Bu yöntemin performansı saçın kalınlığına çok bağlıdır. Mesela, 0,1 mm kalınlığındaki paslanmaz çelik saç, 1200 W lazer gücünde 20 m/dak hız ile kaynatılabildiği halde, 1.55 mm kalınlığındaki paslanmaz çelik 2250 W lazer gücünde ve sadece 3 m/dak hız ile kaynatılabilmiştir.
İletimsel Lazer Kaynağı
Malzemelerin kaynatılmasında kullanılan lazer iletim (Conduction laser
welding) prensibinin ana fiziksel temeli, malzemenin lazer ışın enerjisini yutarak,
kaynama noktasına ulaşabilmesidir. Kaynama noktasına ulaşan malzemelere uygulanan sabit bir kuvvet, bu malzemelerde birleşmeye sebep olur. İletimsel lazer kaynağı, lazer güç yoğunluğunun malzemenin kaynama noktasına ulaştırılmasına yetmediği fakat malzemeyi eritebildiği durumlarda kullanılır. Tam olarak derinlemesine nüfuz eden kaynak ise ince malzemelerde yapılabilir. İletim lazer kaynağında dikiş formunun yüksek oranda en boy oranına sahip olması mümkün değildir. Eğer yüksek güç yoğunluklu lazerler kullanılarak ince metallerin kaynatılması istenirse kaynatma yerine kesme işlemi oluşur. Bazı araştırmalar, iletim lazer kaynağının kalınlığı 0,5 mm‘nin altında olan saç malzemelerin kaynatılması için uygun olduğunu gösteriyor. Genellikle iş parçası yüzeyinin altına odaklanan lazer ışın
demeti yüzeye çarpar. Bu demetin bir kısmı malzeme tarafından yutulur bir kısmı ise
yansıtılır. Malzeme tarafından yutulan yüksek güçlü ve kısa süreli lazer ışın darbeleri
sayesinde meydana çıkan ısı, konveksiyon ve radyasyon şeklinde yayılma imkanı
bulamadan iletim yolu ile malzemenin kalınlık ekseni boyunca derinliklere yayılır. Bu
yüzden malzemenin odak lekesi çapındaki silindirik kısmın derinlik boyunca
sıcaklığının aynı olduğu kabul edilmektedir. Lazer ışık enerjisini yutarak eriyen metalin oluşturduğu kaynak çukuru, lazer ışın demetinin uzaklaştırılması ile katılaşır.
Lazer Kaynağı Sırasında Metalin Oksitlenmeden Korunması
Eriyen metalin oksitlenmesini önlemek için koruyucu gaz kullanmak gerekir.
Lazer ışın demeti ve koruyucu gaz kenarlara açılan delikler ile iş parçası üzerine
yönlendirilebilir. Bu amaçla en yaygın olarak argon veya helyum gazlarının CO2 gazı
ile karışımı kullanılmaktadır.
Lazer Kaynak Kalitesini Etkileyen Parametreler
Lazer iletim kaynağının kalitesini etkileyen esas parametreler şunlardan
oluşmaktadır. Lazerin dalga boyu ve kullanılan merceklerin lazer demetini yutma oranı,
Lazer ışının gücü, Lazer ışınının leke boyutu, Lazerin çalışma modu (Sürekli
dalga veya darbeli), Lazer ışınının odak uzaklığı ve odak noktası, İş Parçasının kimyasal
bileşemi, İş parçasının fiziksel geometrisi, Iş parçasının kalınlığı, İş parçasının yüzey
durumu, Koruyucu Gaz: Karışım oranı, akış hızı, basınç, meme boyutu ve pozisyonu,
Kaynak karakteristiği: Kaynak hızı, birleştirme geometrisi, aralık toleransı.
Kaynağın malzemeye nüfuz derinliği güç yoğunluğu ve kaynak hızına bağlıdır.
Malzemeye uygulanan güç yoğunluğu artıkça ve kaynak hızı azaldıkça nüfuz derinliği
artar. İlk önce üretim hızının olması gereken en alt hız değeri başlangıç kaynak hızı
olarak seçilir. Bu hızda istenen nüfuz derinliğini sağlayan lazer çıkış gücü belirlenir.
Malzemeye en uygun olan güç yoğunluğu ise denemeler sonucunda bulunur. Genellikle
lazer kaynağı için gerekli işlem parametreleri seçilirken teoriler üzerinden,
denemelerden ve geçmişte yapılan deneyimlerden faydalanılır. Teorik hesaplamaların
ışığında, çeşitli parametreler için değişik değerler denenerek en uygun olanı seçilir.
Kaynak hızının, iş parçasına uygulanan güç yoğunluğunun ve odak noktasının yanlış
seçilmesi, merceklerin kirliliği, gerek kaynak ortamının sağlanmaması vs. gibi hatalar
kaynağın bozuk olmasına sebep olmaktadır.
Lazer ışının leke çapı
Bir çok işlemlerde çok küçük bir alana yüksek bir güç yoğunluğunun
uygulanması gerekir. Lazer ışın demetinin mikronluk bir alana odaklanabilir olması, bu
talebi karşılayan teknolojik araçlar arasında lazerlerin bir ayrıcalığa sahip olmasını
sağlamaktadır.
Lazer ışın demetinin odaklanma kalitesi, çaprazlama elektromanyetik moduna
(Transverse Electro-magnetic Mode: TEM) bağlıdır. İdeal bir lazer ışın demetinin
kesitindeki enerji dağılımı Gausyendir. Gerçek bir lazerin elde edildiği optik çukurun
özelliklerine bağlı olarak demet kesitindeki enerji dağılımı Gausyenlikten sapmalar
göstermektedir. Lazer demetinin ideal durumdan sapması demet kalitesi olarak
tanımlanır ve M2 ile sembolize edilir. TEM lazer ışın demetinin kesiti boyunca enerji
dağılımını karakterize etmektedir. TEM 0,0 , M2 = 1 olan ideal bir Gausyen demettir ve
çok küçük bir leke çapında odaklanarak en yüksek güç yoğunluğu sağlamaktadır.
Lazer ışının odak derinliği
Odaklanan ışın demetinin odak leke çapı, odak bölgesinin belirli bir bölgesinde
yaklaşık olarak sabit kalır. Odak leke çapının yaklaşık olarak sabit kaldığı mesafeye
odak derinliği denir. Materyal işlemede odak leke çapının iş parçası üzerindeki
pozisyonu çok iyi bir şekilde tayin edilmesi gerekir. Odak leke çapının derinliği ışın
demetinin mod şekline bağlı olarak değişir.
Lazer ışının güç yoğunluğu
Malzeme üzerinde bir işlem yapmak için lazer cihazının gücünden daha ziyade,
malzemeye uygulanan güç yoğunluğu önemlidir. Lazer ışınının Güç Yoğunluğu (Pd),
birim alana düşen ışın demet gücüne denir. Lazer ışınlarının uyumluluğu (Coherence),
ve ışın demetinin odaklanabilmesi çok büyük güç yoğunluğunun elde edilmesini
mümkün kılmaktadır.
Malzeme parametreleri
Metaller, lazer ışığını geçirmezler ve malzeme yüzeyine çarpan ışın demeti
yüksek oranda yansır. Lazer ışını, çoğu metal tarafından yansıtıldığı için çarptığı
metalın yüzeyine yakın bir bölgede küçük derinlikte ve genişlikte bir çukur açılabilir.
Paslanmaz çelik saç lazer ışın demetinin % 98’ini yansıtır . Malzeme sıcaklığının
artması ile yüzey yansıması azalır. Yutma, malzeme tarafından tutulan lazer enerjisinin
malzeme yüzeyine çarpan lazer enerjisine oranı olarak belirlenir. Yutma, malzemenin
cinsine, yüzey şartlarına, lazer ışınının dalga boyuna ve lazer ışın demetinin malzeme
yüzeyine çarpma açısına bağlıdır. Lazer ışınının malzeme tarafından maksimum oranda
yutulması, demetin malzeme yüzeyine 90° açı ile çarpmasında meydana gelmektedir.
Lazer kaynağında iş parçasına transfer edilen ısı miktarı, bu parça tarafından yutulan
enerjiden hesaplanabilir. Malzemenin odak lekesi çaplı silindirik kısmına aktarılarak ısıya dönüşen enerji, malzemede ısıl yayılmaya sebep olur
Lazer ışın demetinin metal malzemeler tarafından yutulması
Metallerin kızıl ötesi ışınları yutma oranı, büyük bir ölçüde iletimde olan serbest
elektronların yutma oranına bağlıdır. Bu sebepten yutma olayı, taban malzemenin
elektriksel direncinin fonksiyonu olarak meydana çıkmaktadır. Yutma oranı, aynı
zamanda sıcaklık ve yüzey şartlarına da bağlıdır. Saç metallerin lazer ışınlarını yutma kabiliyeti; metalin parlaklığına, optik özelliklerine ve bulunduğu sıcaklığa bağlıdır.
Malzemeyi lazer ışın demeti ile işlemek için gereken darbe gücünün ve süresinin belirlenmesi
Yüksek güçlü lazerlerin endüstriyel uygulamaları için metalleri kaynak etmek,
kesmek, sertleştirmek ve metal alaşımları elde edilmek amacı ile kullanılabilecek çok
sayıda araştırmalar yapılmış ve uygun metotlar geliştirilmiştir.
Dahası, bu metotlarla çalışma sırasında, lazer cihazının meydana getirdiği hareketli
ışının malzeme üzerinde yaylımında ortaya çıkabilecek problemlerinin üstesinden
gelmek için temel çözüm yolları gösterilmiştir. Eğer işlenecek malzemeye uygun lazer seçimi yapılmazsa malzemeye çarpan lazer ışın demetinin malzeme tarafından yutulan kısmı gerçekleştirilmek istenen işlem için yetersiz kalabilir. Malzemenin dalga boyuna ait yutma grafiğinden faydalanılarak söz konusu malzeme için uygun lazer seçimi yapılabilir. Malzeme işlemede, materyalin ısıl iletkenliği ve ısı kapasitesi önemli parametrelerdir. Çünkü, malzemenin kalınlığı ve ısıl iletkenliğinin değeri yükseldikçe lazer ile işlenmesi de zorlaşır. Kaynak işlemini gerçekleştirmek için materyale uygulanacak olan lazer darbesinin süresi malzemenin cinsine bağlı olarak değişmektedir Hatırlatalım ki, darbe genişliğini azaltmak ve enerji yoğunluğunu yükseltmek yolu ile erime çukurunun derinliğini artırmak bir sonuç vermez, yalnız malzemenin buharlaşması hızlandırılabilir.
Işın yansımadan dolayı meydana çıkabilecek tehlikelerin önlenmesi
Lazer ışın demetinin fazla miktarda yansıması sonucu ortaya çıkan atık enerji,
etrafta bulunan cihazlara zarar verebilir. Eğer gerekli önlemler alınmazsa söz konusu
enerji insanların yaralanmasına bile sebep olabilir. Yüksek güçlü lazerlerin
kullanımında güçlü yansımalar yüzünden etrafa verilebilecek zararları bertaraf etmek
için ek harcamalar yapılarak söz konusu tehlikelerin önlenmesi gerekir. Bu tür
ortamlarda çalışacak insanların daha dikkatli olmaları sağlanarak da kısmen lazer ışın
demeti yansımalarının verebileceği zararlar önlenebilir.
Lazer üretici firmalar, ürettikleri cihazları kullanma kitapçığında, malzemelerin
işlenmesine yönelik bazı pratik değerler verirler. Eğer üzerinde çalışılacak malzemeye
ait bir uygulama mevcut değilse farklı tip lazer cihazlar test edilerek işlenecek
malzemeye uygun lazer seçimi yapılabilir.
Lazer ışın demetinin malzeme yüzeyini bozduğu bölgedeki gerilmeler yüksek
yoğunluklu elektro manyetik dalgaların yayılmasına neden olur. Bu sebepten bazı
durumlarda, malzeme yüzeyinde küçük patlamalar meydana gelebilir. Bu patlamalar,
malzemenin odak bölgesinde ki sıcaklığının çok yüksek değerlere ulaşmasına sebep
olur.
- 06/06/2008 19:19 - CXA-1619S Fm Alıcı Devresi Raporu
- 06/06/2008 19:00 - Proteus (İsis) Türkçe Geniş Anlatımı
Bu içeriğe ait yorumları masaüstüne alabilirsiniz
Yazan ahmet, Şubat 25, 2009
lütfen kısaltın 