Lazer kaynak, lazer işleme teknolojisinin önemli uygulamalarından biri olmakla birlikte, 21. yüzyılın en dikkat çekici ve gelecek vadeden kaynak teknolojilerinden biridir. Geleneksel kaynak yöntemleriyle karşılaştırıldığında, lazer kaynağının birçok avantajı vardır; daha yüksek kaynak kalitesi ve daha hızlı verimlilik sunar. Günümüzde lazer kaynak teknolojisi imalat, toz metalurjisi, otomotiv endüstrisi, elektronik endüstrisi, biyomedikal ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Kaynak havuzunun oluşum mekanizmasına göre, lazer kaynağının iki temel kaynak mekanizması vardır: ısı iletim kaynağı ve derin nüfuz (küçük delik) kaynağı. Isı iletim kaynağında üretilen ısı, ısı transferi yoluyla iş parçasına yayılır, böylece kaynak yüzeyi erir, temelde buharlaşma olayı olmaz ve genellikle düşük hızlı ince cidarlı bileşenlerin kaynaklanmasında kullanılır. Derin füzyon kaynağı, malzemeyi buharlaştırır ve büyük miktarda plazma oluşturur. Büyük ısı nedeniyle, erimiş havuzun ön ucunda delikler oluşacaktır. Derin nüfuz kaynağı, iş parçasını tamamen kaynaklayabilir ve giriş enerjisi büyüktür, kaynak hızı hızlıdır, bu nedenle en yaygın kullanılan lazer kaynak modudur.
Lazer kaynak kalitesini etkileyen birçok işlem parametresi vardır; bunlar arasında güç yoğunluğu, lazer darbe dalga biçimi, odaklama hatası, kaynak hızı ve yardımcı üfleme gazı sayılabilir.
1. Lazer Güç Yoğunluğu Güç yoğunluğu, lazer işlemede en kritik parametrelerden biridir. Daha yüksek güç yoğunluğu ile yüzey tabakası mikrosaniye zaman aralığında kaynama noktasına kadar ısıtılabilir ve büyük miktarda buharlaşma meydana gelir. Bu nedenle, yüksek güç yoğunluğu, delme, kesme ve gravür gibi malzeme kaldırma işlemleri için çok avantajlıdır. Düşük güç yoğunluğunda, yüzey sıcaklığının kaynama noktasına ulaşması birkaç milisaniye sürer ve yüzey tabakası buharlaşmadan önce alt tabaka erime noktasına ulaşır, bu da iyi bir kaynaşma kaynağı oluşturmayı kolaylaştırır. Bu nedenle, ısı iletimli lazer kaynağında güç yoğunluğu aralığı 104-106 W/cm2'dir.
2. Lazer darbesi dalga biçimi
Lazer darbe dalga formu, malzeme aşındırma ile malzeme eritme işlemlerini ayırt etmek için önemli bir parametre olmasının yanı sıra, işleme ekipmanının hacmini ve maliyetini belirlemede de kilit bir parametredir. Yüksek yoğunluklu lazer ışını malzemenin yüzeyine çarptığında, malzeme yüzeyi lazer enerjisinin %60 ila %90'ını yansıtır ve kaybeder; özellikle altın, gümüş, bakır, alüminyum, titanyum ve diğer malzemeler güçlü yansıma ve hızlı ısı transferi gösterir. Bir metalin yansıtma oranı, lazer darbe sinyali sırasında zamanla değişir. Malzemenin yüzey sıcaklığı erime noktasına yükseldiğinde, yansıtma oranı hızla azalır ve yüzey erime durumundayken, yansıtma belirli bir değerde sabitlenir.
3. Darbe Genişliği Darbe genişliği, darbeli lazer kaynağının önemli bir parametresidir. Darbe genişliği, nüfuz derinliği ve ısıdan etkilenen bölge tarafından belirlenir. Darbe genişliği ne kadar uzun olursa, ısıdan etkilenen bölge o kadar büyük olur ve nüfuz derinliği, darbe genişliğinin 1/2 kuvvetiyle artar. Bununla birlikte, darbe genişliğinin artması tepe gücünü azaltacağından, darbe genişliğinin artması genellikle ısı iletimli kaynak için kullanılır ve geniş ve sığ bir kaynak boyutuyla sonuçlanır; özellikle ince ve kalın plakaların bindirme kaynağı için uygundur. Ancak, daha düşük tepe gücü aşırı ısı girdisine neden olur ve her malzemenin nüfuzu en üst düzeye çıkaran optimum bir darbe genişliği vardır.
4. Lazer kaynak işleminde, odak dışı bırakma genellikle belirli bir miktarda odak dışı bırakma gerektirir, çünkü lazer odağının merkezindeki güç yoğunluğu çok yüksektir ve kolayca deliklere buharlaşabilir. Güç yoğunluğunun dağılımı, lazer odağından uzak her düzlemde nispeten homojendir. İki odak dışı bırakma yöntemi vardır: pozitif odak dışı bırakma ve negatif odak dışı bırakma. Odak düzlemi iş parçasının üzerinde yer alıyorsa, pozitif odak dışı bırakma; aksi takdirde negatif odak dışı bırakma söz konusudur. Geometrik optik teorisine göre, pozitif ve negatif odak dışı bırakma düzlemleri ile kaynak düzlemi arasındaki mesafe eşit olduğunda, ilgili düzlemdeki güç yoğunluğu yaklaşık olarak aynıdır, ancak elde edilen kaynak havuzunun şekli farklıdır. Negatif odak dışı bırakma durumunda, erimiş havuzun oluşum süreciyle ilgili olarak daha büyük bir penetrasyon elde edilebilir.
5. Kaynak Hızı Kaynak hızı, kaynak yüzeyinin kalitesini, nüfuz derinliğini, ısıdan etkilenen bölgeyi vb. belirler. Kaynak hızı, birim zamandaki ısı girdisini etkiler. Kaynak hızı çok yavaşsa, ısı girdisi çok fazla olur ve iş parçasının yanmasına neden olur. Kaynak hızı çok hızlıysa, ısı girdisi çok az olur ve iş parçasının opak kaynaklanmasına neden olur. Nüfuz derinliğini iyileştirmek için genellikle kaynak hızının azaltılması kullanılır.
6. Yardımcı Üfleme Koruyucu Gazı: Yardımcı üfleme koruyucu gazı, yüksek güçlü lazer kaynağında temel bir işlemdir. Bir yandan metal malzemelerin sıçramasını ve odaklama aynasını kirletmesini önler; diğer yandan kaynak işleminde oluşan plazmanın çok fazla odaklanmasını ve lazerin malzemenin yüzeyine ulaşmasını engeller. Lazer kaynağı işleminde, erimiş havuzu korumak için genellikle helyum, argon, azot ve diğer gazlar kullanılır, böylece kaynak mühendisliğinde iş parçası oksidasyondan korunur. Koruyucu gazın türü, hava akışının boyutu ve üfleme açısı gibi faktörler kaynak sonucunu büyük ölçüde etkiler. Farklı üfleme yöntemleri de kaynak kalitesini belirli ölçüde etkiler.
Helyum kolayca iyonlaşmaz (yüksek iyonlaşma enerjisine sahiptir), bu da lazerin sorunsuz bir şekilde geçmesine ve ışın enerjisinin iş parçası yüzeyine engelsiz bir şekilde ulaşmasına olanak tanır. Lazer kaynağında kullanılan en etkili koruyucu gazdır, ancak fiyatı nispeten yüksektir. Argon daha ucuz ve daha yoğundur, bu nedenle daha iyi koruma sağlar. Bununla birlikte, yüksek sıcaklıktaki metal plazması tarafından kolayca iyonlaşır, böylece ışının bir kısmını iş parçasından korur, kaynak işleminin etkili lazer gücünü azaltır, ayrıca kaynak hızını ve penetrasyonunu da olumsuz etkiler. Argonla korunan kaynak yüzeyleri, helyumla korunanlara göre daha pürüzsüzdür. Azot, koruyucu gaz olarak en ucuzudur, ancak özellikle emilim gibi metalurjik sorunlar nedeniyle bazı paslanmaz çelik kaynak türleri için uygun değildir; bu durum bazen bindirme bölgesinde gözenekler oluşturabilir.
Yeni bir kaynak teknolojisi olarak lazer kaynağı, yüksek enerji yoğunluğu, yüksek hız, yüksek hassasiyet, derin nüfuz ve güçlü uyarlanabilirlik özelliklerine sahiptir. Uygulama alanları giderek genişlemektedir ve bu sayede sadece üretim verimliliğini değil, kaynak kalitesini de iyileştirebilmektedir. Lazer kaynak teknolojisi, malzeme işleme alanında kesinlikle daha önemli bir rol oynayacaktır.
Yayın tarihi: 28 Mart 2023
