Lazer Kaynak Parametreleri

Özet Metal saçların lazerle kaynak edilmesi, diğer kaynak yöntemlerine nazaran; dar kaynak bölgesi, hassas sıcaklıkta derinlik kontrolü ile ısıtma ve farklı tip metallerin kaynatılabilmesi gibi bir çok imkanlar sağlamaktadır. Eğer saç malzemeleri kaynak etmek için önemli olan parametreler tespit edilir ve bunlar optimum değerlere ayarlanırsa kaynak işlemi başarı ile gerçekleştirilebilir. 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.Anahtar kelimeler: Lazer kaynağı, Lazer kaynağı parametreleri, güç yoğunluğu, saç metallerTHE PARAMATERS OF LASER WELDING FOR SHEET METALSAbstractThe laser welding in comparison to other welding methods of sheet metals, has some advantages such as narrowly heat affected zone, heating with depth control at desired temperature and welding of different types of metals, etc.If the required parameters for welding of sheet metals are defined well and these are adjusted to optimum values the welding process can be performed successfully. If the mentioned parameters and their values are selected wrongly, it can cause drilling of metals instead of welding. Since the laser welding process is performed via laser beam moving on the work-piece at constant speed, it can be automated easily.In this study, in order to welding sheet metals using Nd:YAG laser the required parameter and their values have been identified.Key Words: Laser welding, Laser welding parameter, Irridance, Sheet metals14 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-20041. Lazer Kaynağının NitelikleriKaynak, 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 [1]. Bunun dışında, değişik amaçlı saç malzemelerin birleştirilmesi için de lazer kaynağı kullanılmakta ve lazerlerin bu alanda uygulanması hızla genişlenmektedir [2].2. Derinlemesine Nüfuz Eden Lazer KaynağıDerinlemesine 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 [3]. Işın demeti ile materyal buharlaştırılarak bir anahtar deliği oluşturulabilir [4]. Bu anahtar deliğinin oluştuğu yerde bir erime havuzu elde edilir. Söz konusu yerde eriyik halde bulunan malzeme yer çekimi, yüzey gerilmesi15 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-2004ve 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 [5] 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. Şekil 1’de CMOS kameradan elde edilen anahtar deliği kaynağı görüntüsü verilmiştir [6].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 [7] 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 [8].3. İletimsel Lazer KaynağıMalzemelerin kaynatılmasında kullanılan lazer iletim (Conduction laser welding) prensibinin ana fiziksel temeli, malzemenin lazer ışın enerjisini yutarak, kaynama noktasına ulaşabilmesidir . Kaynama noktasına ulaşan malzemelere uygulanan Şekil 1. CMOS Kameradan alınan anahtar deliği lazer kaynağı işlemi görüntüsü Anahtar Kaynak Lazer tipi:CO2 Saç kalınlığı: 3mm Gücü:2.5 kW Kaynak hızı: 3m/dak. Odak uzaklığı 6cm Malzeme: ST14 Kaynak açıklığı:0,2mm Görüntüleme frekansı: 1kHz16 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-2004sabit 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 [9].İletimli lazer kaynağı Şekil 2.’de gösterilen düzenekle, ince metallerin kaynatılmasında kullanılır. 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.4. Lazer Kaynağı Sırasında Metalin Oksitlenmeden KorunmasıEriyen 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 [10].5. Lazer Kaynak Kalitesini Etkileyen ParametrelerLazer iletim kaynağının kalitesini etkileyen esas parametreler şunlardan oluşmaktadır. Lazerin dalga boyu ve kullanılan merceklerin lazer demetini yutma oranı,Şekil 2 İletimsel lazer kaynağı için kullanılan yaygın bir düzenekLazer ışın demetiKoruyucu gaz girişiAltlıkOdaklama merceğiMengeneİş parçası17 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-2004Lazer ışının gücü, Lazer ışınının leke boyutu, Lazerin çalışma modu 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.5.1 Lazer ışının leke çapıBir 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. Şekil 3’de lazer ışın demetinin odaklanması gösterilmiştir. TEM00 modunda üretilen ve Gausyen dağılıma sahip olan bir ışın demeti odaklandığında elde edilen odak leke çapı formül 1’den hesaplanabilir [11].Şekil 3. 2W1 demet çapındaki TEM00 modlu lazer ışın demetinin odaklanması2W0Odak derinliğiOdaklanmışışın demetiF: odaklama merceğininodak uzaklığı2W1d18 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-200410WfWπλ= (1)Burada; λ : Işın demetinin dalga boyu, f : Odaklama merceğinin odak uzaklığı, W1 : Merceğe çarpan demetin yarı çapı, W0 : Merceğin odak uzaklığında meydana gelen lekenin yarı çapıdır.Lazer demet kalitesinin M2>1 olması durumu düşük kalite veya yüksek dereceli demet olarak adlandırılır. Pratikte lazer kaynaklarının çoğunda M2 değeri 1’den büyüktür. Odaklanan lazer ışının demet çapı (Db); lazer ışınının dalga boyu (λ), lazer ışın demetinin odaklanabilirliği (M2), merceğin odak uzaklığı (f) ve odak mesafesinde elde edilen lekenin çapı (D) değişkenlerine bağlı olarak hesaplanabilir. Aralarındaki ilişki formül 2’de verilmiştir [11].DfMDbπλ42= (2)5.2 Lazer ışının odak derinliğiOdaklanan 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. Gausyen ışın demeti dağılımındaki odak derinliği formül 3’den hesaplanabilir [11].21212⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=wfdρπλ (3)Formülde d: odak derinliği (m), λ : Lazer ışın demetinin dalga boyu, ρ: tolerans faktörü, f : Kullanılan odaklama merceğinin odak uzaklığı, W1 : Odaklama merceğine çarpan ışının demetinin yarı çapıdır. Tolerans faktörü (ρ) odaklama leke çapının % 10’nundan fazla olamaz. Bu değer genellikle % 5’i geçmez. Formül 4 kullanılarak, odak derinliği, odak leke çapından da hesaplanabilir [11].12220−=ρλπWd (4)Gausyen olmayan lazer ışın demetinin odak derinliği formül 5’den hesaplanabilir. Odak derinliği iş parçasının işlem esasındaki tolerans durumundan hesaplanır [11].22221)1(MDPLbλπ−+= (5)19 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-20045.3 Lazer ışının güç yoğunluğuMalzeme 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. Güç yoğunluğu formül 6’dan hesaplanır.24bindDPPπ= (6)Burada Pd: Odaklanmış güç yoğunluğu, Pin: Işın demetinin gücü, Db: Odak leke çapıdır.Derinlemesine nüfuz eden kaynak modunun başlangıcında, anahtar deliği formunu elde etmek için malzemeye yeterince güç yoğunluğunun uygulanması gerekir. Denklem 6’da görüldüğü gibi, güç yoğunluğu lazer ışın demetinin gücü ve ışın demetinin odak çapına bağlıdır. Nüfuz derinliği güç yoğunluğunun azalması ve ışın demetinin odak leke çapının artması ile düşer. Mevcut lazerler, termik imalat için gerekli olan güç yoğunluklarını sağlayabildikleri için, materyaller üzerinde kesme, dar bölgede eritme ve başka ısıl işlemlerin yapılmasını mümkün kılmaktadırlar.5.4 Malzeme parametreleriMetaller, 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 [8]. 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. Malzemenin ısıl yayma katsayısı formül 7’den hesaplanır.cKkρ= (7)Formülde:K: Malzemenin ısıl iletkenliği, ρ : Malzemenin yoğunluğu, : Malzemenin özgül ısısıdır. Malzemeye belli bir süre uygulanan lazer ışın demetinin tek boyutta malzemeye nüfuz etme derinliği ise Formül 8’den hesaplanabilir. c21)(2ktd= (8)20 ISSN 1302/6178 Journal of Technical-Online Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Volume 3, Number:1-2004 Teknik-Online Dergi Cilt 3, Sayı:1-2004Formülde t : Malzemeye lazer ışın demetinin uygulanma süresi, : Malzemeye nüfuz derinliğidir (sıcaklığı yüzey sıcaklığının % 37’sine eşit olan derinlik). Formül 8’den bir lazer ışın darbesi süresinde lazer ışın demetinin malzemeye nüfuz etme derinliği hesaplanabilir. Bu formülden de anlaşıldığı gibi, lazer darbesinin süresi t, arttıkça ışın demetinin malzemeye nüfuz etme derinliği de t1/2 ile orantılı olarak artmaktadır. Mesela, darbe süresi 1 ms olan Nd:YAG lazer ışınının malzemeye nüfuz etme derinliği 0.1μm iken, Q anahtarlaması ile darbe süresi 100ns yapıldığında malzemeye nüfuz derinliği 1μm olarak ölçülmüştür [12]. d5.5 Lazer ışın demetinin metal malzemeler tarafından yutulmasıMetallerin 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. Çizelge 1.’de gösterildiği gibi bu oran, metallerin oksitli bölgelerinde çok daha yüksek olur [13]. Çizelge 2’de, örnek olarak, bazı metallerin 10,6 μm dalga boyundaki ışınları yutma katsayıları gösterilmiştir. Metal 
 Yutma katsayısı 
 
TemizYüzey 
 Oksitlenmişyüzey 
 
Altın 
 0.010 
 - 
 
Alüminyum 
 0.034 
 0.25-0.50 
 
Demir 
 0.050 
 0.33-0.74 
 
Zirkonyum 
 0.083 
 0.45-0.56 
 
Titanyum 
 0.094 
 0.18-0.25