• Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation kelimelerinin baş harflerinden oluşturulan Laser ışını ile kaynak (Laser beam welding), kesme ve işleme; konsantre edilmiş enerji ışınlarının (elektron ışın, plazma jet vb) kullanılma tekniklerinden bir tanesidir.
• Diğer kaynak yöntemlerinin kullanılmadığı durumlar için geliştirilmiş bir kaynak yöntemidir.
• Lazer kaynağı, temassız yüksek enerjili bir ışın işlemidir.
• Aslında bir ergitme kaynak yöntemi olan lazer kaynağında güç yoğunluğu, malzeme buharlaşmadan ergiyecek şekilde ayarlanmalıdır.
• Lazer ışınının en önemli üstünlüğü çok güçlü olmasıdır.
• Elde edilen lazer ışın gücünün üst değeri i milyar Wattır.
• Işın, bir optik mercek yardımıyla çok küçük bir alana (0.01-0.10 mm çaplı) yoğunlaştırılarak enerji girdisi olarak kullanılabilir.
• Lazer, elektrik enerjisini elektromanyetik enerjiye çeviren eletro-optik bir cihazdır.
• Teorik olarak ilave metal kullanılmadığından yüzey hazırlığı çok önemlidir.
• Lazer ışını ile kaynakta, vakum ortamı ve genellikle koruyucu gaz gerekmeyebilir.
• Parlak, yani yansıtmalı yüzeylerin kaynağında lazer ışını yüzeyden yansıdığından, yüzeye ışın emmeyi arttırıcı boyalar sürülmesi gereklidir.
• Lazer ışınının bir çok endüstriyel türleri bulunmaktadır.
• CO2 lazeri,
• katı hal (Nd:YAG) lazeri, • iyon lazeri,
• yarı-iletken diyot lazerler,
• fiber lazerler,
• excimer lazeri bunlardan bazılarıdır.
• Ancak kaynak ve kesme için, CO2 lazeri ve katı hal (Nd:YAG) lazerleri kullanılmaktadır.
• Nd: YAG katı hal lazeri metalsel malzemelerin mikro kaynak ve kesme işlemlerinde (0.2-4 mm kalınlıklar için),
• CO2 lazeri ise makro ölçüde kaynak ve kesme işlemlerinde (1-15 mm kalınlıklar için) kullanılır.
• Pratikte ise lazer kaynağı uygulamaları; punta ve nüfuziyet kaynağı olmak üzere iki temel şekilde uygulama alanı bulmaktadır.
• Lazer kaynağı, endüstriyel gaz (CO2) ve Nd:YAG (katı hal lazeri) şeklindesanayide son yıllarda hızla gelişen bir uygulama alanına sahiptir.
• Lazer ışınını, yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmasından dolayı hızlı kaynak yapma yetisi ve dolayısıyla birim alanda daha düşük ısı girdisine, yüksek nüfuziyet ve kaynak bölgesinde düşük çarpılma riskine ihtimal verir.
• Bu işlemde, lazer ışını, kaynak yapılacak malzemeye odaklanır ve herhangi bir dolgu maddesi gerekmeden işlem kendi kendine (otomatik
olarak) tamamlanır.
• Kaynak sırasında işlem verimliliğini, kaynak kalitesini ve kaynak banyosunu (ergimiş metali oksitlenmeden) korumak için koruyucu gaz
(shielding gas) kullanılabilir.
• Nd:YAG Lazer Sistemi: Bir lazerde beyaz ışık darbeleri YAG kristaline yönlendirilir.
• (YAG,Yitrium Alüminyum Gamet kelimelerinin baş harflerinden meydana gelmiştir).
• Nd: YAG lazerlerinde depolanan element olarak neodmiyum (Nd) kullanılır.
• YAG kristali enerjiyi absorbe eder ve bunu birkaç mm çapındaki tek dalga boylu kızılötesi ışın demetine dönüştürür.
• YAG lazerinin çıkışı, yüksek ortalama güçlerde çalışma yeteneği olmadığından sınırlıdır.
• Günümüzde kullanılan ticari ekipmanlarda ortalama güç 400 W’la sınırlandırılmıştır ve bunlarla 1 mm’lik kaynak nüfuziyeti elde edilir.
• Daha nüfuziyetli kaynakta daha çok yüksek seviyedeki güçlerde (15 kW’a kadar) sürekli çalışma gerekir.
• Kaynakta kullanılan yüksek güçlü ticari lazerlerde YAG kristalinin yerini CO2 , azot ve helyum gazlarının karışımıyla doldurulmuş bir tüp
almaktadır.
• Nd: YAG lazerinin ışıması, fiber optik yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir.
• Bu nedenle Nd:YAG lazer ışının hareket kabiliyeti, bu lazer tipini, CO2 lazer kaynaklarına göre daha kullanışlı yapmaktadır.
• Nd:YAG lazer kaynak yönteminin avantajları:
• Yansıtıcı metallerde daha az yansıtma,
• Düşük işletme maliyeti,
• Fiber optik ışın bırakım sistemi.
• CO2 Lazer Sistemi: Yüksek ve devamlı güç (50 kW’a kadar) elde edilebilen bir lazer sistemidir.
• Diğer sistemlere göre verimi en yüksek olan sistemdir.
• Çıkış verimi; çıkış lazer gücünün elektriksel giriş gücüne oranı olarak tanımlanır ve % 10’a yaklaşır.
• Lazerin üretimi bir doğru akım kaynağıyla veya radyo frekanslarıyla sağlanabilmektedir.
• Dalga boyu 9-11 µm arasında değişen kızıl ötesi ışınım yayarlar.
• Ancak en çok kullanılan dalga boyu 10,6 µm ‘dir.
• CO2 lazer kaynağında genellikle koruyucu gaz olarak helyum kullanılır, çünkü helyumun yüksek bir iyonlaşma potansiyeli vardır ve bu da
plazma oluşumunu azaltarak, nüfuziyeti arttırıp yüksek kaliteli kaynak yapılmasını sağar.
• Özel uygulamalarda, koruyucu gazlar karışım halinde kullanılırsa daha iyi sonuç vermektedir.
• CO2 lazer kaynağının avantajları:
• Yüksek elektriksel verim,
• Düşük işletme maliyeti,
• Kolayca yüksek güçlere ölçeklendirilme imkanı.
• Lazer kaynağı, teknolojik şartlara bağlı olarak, iki temel prensipten birini esas alarak gerçekleştirilmektedir:
• Derinlemesine nüfuz eden lazer kaynağı (Keyhole laser welding)
• İletim lazer kaynağı (Conduction laser welding)
• Derinlemesine nüfuz eden lazer kaynağı: Derinlemesine nüfuz yöntemi ile elde edilen lazer kaynağına Anahtar Deliği (kılavuz çukur)
manasına gelen “KEY HALE” yöntemi de denir.
• Eğer, yeterince güç yoğunluğuna sahip olan lazer ışın demeti malzeme yüzeyine odaklanırsa anahtar deliği elde edilir.
• Bu anahtar deliğinin oluştuğu yerde bir ergime havuzu meydana gelir.
• Söz konusu yerde ergiyik halde bulunan malzeme yer çekimi, yüzey gerilmesi ve buhar basıncının etkisi ile kararlı bir dengede bulunur.
• Anahtar deliği mekanizmasında 1 : 10 oranında en:boy değişimi söz konusu olur.
• Kaynak çukuru oluşturarak malzemelerin kaynatılması işlemi, özellikle kalın sacların kaynak edilmesi için uygun olan bir yöntemdir.
• İletimsel lazer kaynağı: Malzemelerin kaynatılmasında kullanılan lazer iletim prensibinin fıziksel 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 ergitebildiği 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 sac malzemelerin kaynatılması için uygun olduğunu göstermiştir.
• Lazer kaynak kalitesini etkileyen parametreler: Lazer 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), l
• azer ışınının odak uzaklığı ve odak noktası,
• iş parçasının kimyasal bileşimi,
• iş parçasının fiziksel geometrisi,
• iş parçasının kalınlığı,
• iş parçasının yüzey durumu,
• Koruyucu gaz (karışım oranı, akış hızı, basınç, meme boyutu ve pozisyonu),
• kaynak karakteristiği (kaynak hızı, birleştirme geometrisi ve aralık toleransı).
• Kaynağın malzemeye nüfuz derinliği, güç yoğunluğu ve kaynak hızına bağlıdır.
• Malzemeye uygulanan güç yoğunluğu arttıkça ve kaynak hızı azaldıkça nüfuz derinliği
artar.
• Lazer kaynağı, sürekli (CW), darbeli (Pulsed) veya Q-anahtarlamalı
(Lazer ışığı üretilen ortamdan birim anahtarlama zamanında açığa
çıkan enerjiye Q değeri ve bu işleme Q anahtarlaması denir) modda
çalıştırılabilir.
• Darbeli operasyonlar genellikle lazerin ısısını azaltmak için kullanılırlar.
• Buna karşın, bir çok durumda, darbeli operasyonlar Q-anahtarlaması
ve mod-kilitlenmesi (zaman içindeki darbe genişliğinin kısaltılması)
gibi tekniklerle kombine olarak kullanılırlar.
• Q anahtarlamalı ve mod kilitlemeli lazerler çok yüksek zirve güç
yoğunluklarının konsantrasyonunda, bağıl olarak kısa darbe
uzunlukları sağlama kabiliyetine sahiptirler.
• Ülkemizde henüz üretimde kısıtlı uygulamaları bulunan lazer kaynak
uygulamaları gelişmiş ülkelerde yaygın olarak kullanılmakta ve bunun
ötesine lazer hibrit uygulamalarına geçilmiş bulunmaktalar.
• Lazer-ark hibrit kaynağı adı verilen ve lazer ile ark kaynağını birleştiren
bu metot da, aynı kaynak bölgesinde aynı anda her iki yöntem de
uygulanmakta ve sonuçta birbirlerini etkileyip desteklemeleri
sağlanmaktadır.
• Lazer-ark hibrit kaynağında, ark yöntemi olarak MIG veya TIG kaynağı
kullanılabilir.
• TIG kaynağı kullanıldığında ilave metal sisteme dışarıdan verilir.
• Bu hibrit kaynak uygulamasında, birbirini takip eden iki işlemin aksine,
her iki kaynak işlemi birlikte gerçekleşir.
• Bu şekilde, iki farklı kaynak yönteminin üstünlüklerinin bir araya
getirilmesi amaçlanmaktadır.
• Hibrit kaynak işlemi ile, iki kaynak metodunun aynı anda uygulanması
sonucu, her bir kaynak işleminde tek başına elde edilen değerlerle
karşılaştırıldığında hem kaynak derinliğinde, hem de kaynak hızında
artış elde edilmektedir.
• Ayrıca, her iki metottan hangisinden ne oranda güç girdisi seçilmiş
olduğuna bağlı olarak hibrit prosesin karakteristik özellikleri o metoda
doğru çekilerek ayarlama yapılabilir.
• Bu yöntemin çeliklerin kaynak işleminde bir başka getirisi de, lazer
kaynağında karşılaştığımız kaynak bölgesinde kırılgan faz oluşumunun
elimine edilmesidir.
• Hibrit kaynak metodunda, sadece kaynak bölgesinde değil ilave telde de
buharlaşma gerçekleşir.
• Bu durumda, sadece lazer ile kaynak yapma durumunda söz konusu olan
buharlaşma ile plazma oluşumunun ve plazmanın lazerle etkileşiminin kesik
kesik olması yerine, sürekli bir enerji aktarımı ve plazma oluşumu
gerçekleştiğinden malzemeye enerji aktarımında aksama meydana gelmez.
• Lazer-ark hibrit kaynak yöntemi, yeni ve kendisini oluşturan her bir kaynak
metodundan daha iyi sonuçlar veren bir kaynak metodudur.
• Bu kaynak yöntemi, daha geniş toleranslarda daha kaliteli ve hızlı kaynak
yapılabilmesine olanak verebilmesi açısından önemlidir.
• Bu yöntemle C-Mn çelikleri, paslanmaz çelikler ve alüminyum alaşımları ile
az yaygın olmakla birlikte titanyum ve nikel alaşımları da kaynak yapılabilir.
• Bu yöntemde birleştirme tipleri bindirme ve köşe kaynakları şeklinde
olabilmektedir.
• Lazer Gazları: Endüstriyel lazerlerin bir çoğunda, lazer ışınının
oluşabilmesi için özel gazların kullanılması gereklidir.
• Gazın kalitesi ve seçimi, lazerin güvenilirliğini ve işlemin verimliliğini
doğrudan etkiler.
• Lazer gazları genellikle, yüksek saflıkta özel gazlardır.
• Lazer gazları, makinaya ya ayrı ayrı tüplerden ya da önceden belli
oranlarda karıştırılmış olarak verilir.
• Bu, ön karıştırma ya da gazların ayrı tüplerde verilmesindeki işlem
parametreleri (gaz debisi, basınç saflığı vb) her lazer makinası üreticisi
tarafından belirlenir ve o şartlarda makinaya verilir.
• Karbondioksit lazerinde genellikle karbondioksit, azot ve helyum
gazları veya belirli oranlarda karışımlar kullanılırken Nd: YAG Lazerinde
ışını oluşturan ortam katı olduğu için gaz kullanılmaz.
• Lazer ışın kaynağında, lazer gazlarının yanında kaynak bölgesini
koruyucu yardımcı gazlar da kullanılmaktadır.
• Yardımcı işlem gazları, lazer ışınının malzeme ile tepkimeye girdiği
noktalarda kullanılır.
• Gazın seçimi ve kalitesi, işlem kalitesini ve verimliliğini önemli ölçüde
etkiler.
• Lazer kaynağı, birçok açıdan elektron ışın kaynağı ile benzerlik
göstermektedir.
• Işın parça yüzeyine çarptığında kinetik eneıji salınır ve bir kaynak
banyosu oluşur.
• Elektronik endüstrisinde, nokta kaynağı için özellikle tellerin düz
yüzeylere birleştirilmesinde ve kenar birleştirmelerinin
sağlamlaştırılmasında düşük güçte lazerler kullanılmaktadır.
• Elektron ışın kaynağının tersine, lazer ışını havada kolaylıkla hareket
ettiğinden bir vakum odası gerektirmez.
• Burada ergimiş metal TIG kaynağında olduğu gibi helyum veya argon
gazı ile korunmalıdır.
• Lazer ışın kaynağının ve/veya kesmenin en çok kullanıldığı alanlar şunlardır.
• Kaynak alanındaki ısınmanın çok küçük olması istenen yerlerde,
• Soğuma sırasında metalurjik yapının değişikliğe uğramaması gereken
yerlerde,
• Kaynatılması zor olan malzemelerin birleştirilmesinde,
• Birleştirme yerinde herhangi bir iz, bere ve deformasyon olmasının
istenmediği yerlerde,
• Çok küçük (iğne ucu kadar) alanların nokta kaynağı gibi
birleştirilmelerinde,
• Kimya endüstrisinde vb. alanlarda, tıpta, askeri araştırma ve üretimlerde.
Yöntemin avantajları
• Birkaç mikron mertebesindeki bölgelere odaklanabilme kabiliyeti 10
W/cm’nin üzerindeki yüksek güç yoğunluğu sebebiyle tungsten gibi
yüksek ergime sıcaklığı olan metaller kendiliğinden ergirler ve ısıya
duyarlı civar bölgeler üzerindeki etki minimuma iner.
• Lazer ışını temassız olarak çalışır, yani takım ile iş parçası arasında
hiçbir mekanik kotakt oluşmaz ve iş parçasının istenmeyen
alaşımlanması veya distorsiyonu önlenmiş olur.
• Kaynak süresi, iri taneli olma, tekrar kristalleşme ve segregasyon gibi
uygun olmayan iç yapı değişimlerine engel olacak ve hızlı üretimi
sağlayacak kadar kısadır.
• Lazer ışının üretimi mikro plazma kaynağındaki gibi koruyucu gazların
kullanılmasını, elektron ışını ile kaynaktaki gibi vakumun sağlanmasını
gerektirmez.
• Bu sebepten bilhassa seri imalat için, üretim hızı, otomatize edilebilmesi imkanı gibi
üstünlükleri vardır.
• Isı girdisi düşük olduğundan ITAB dar ve burada ısıdan dolayı gerçekleşecek metalürjik
etkiler ve çarpılma düşük olacaktır.
• Dolgu ilavesi olmaksızın 32 mm’ye kadar tek pasolu kaynak yapma olanağı sağlar.
• Elektroda ihtiyaç yoktur. Bu nedenle elektrottan kaynaklanacak kirlenmelerin önüne
geçilmiş olur.
• Lazer ışını optik elemanlar kullanılarak kolaylıkla odaklanıp, doğrultulup
yönlendirilebildiği için diğer kaynak yöntemleri ile ulaşılması zor olan yerlerde kaynak
yapılabilmesini sağlar.
• Geniş bir malzeme aralığı ve bunların kombinasyonunu kaynaklamak mümkündür.
• Lazer ışını, elektron ışın kaynağında olduğu gibi manyetik alandan etkilenmez.
• Vakum veya X-ışını koruması gerektirmez.
Yöntemin dezavantajları
• Birleştirmelerin yerleştirilmeleri hassasiyet gerektirir.
• Yansıtma ve ısı iletkenliği özelliklerinden dolayı alüminyum ve bakır
alaşımlarının kaynaklanabilirlikleri olumsuz etkilenir.
• Kaynak yerinin yüksek derinlik/genişlik oranından dolayı, dolgu
metalinin içeriye sokulmasında zorluk vardır.
• Hızlı katılaşmadan dolayı kaynak bölgesinde gözenek ve gevreklik
beklenebilir.
• Lazer ekipmanlarındaki, optik elemanların korunması bakımından
temiz bir çevre gerektirmektedir.
• Özellikle yüksek yansıtma kabiliyetine sahip malzemelerin kaynağında
ek tedbirler almak gerekebilir. (Örneğin; yüzeyin siyah boya ile
boyanması, grafit, mangan vb. maddelerle kaplanması gibi).
• Kullanılan lazerler göze veya deriye direkt veya dolaylı olarak temas
ettiklerinde ciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadırlar.
• Bundan dolayı, çalışan personelin lazerin tehlikelerinden haberdar
olması gereklidir.
• Kaynak işleminde nüfuziyet derinliğinin 0.1-8 mm arasında olması,
özellikle kalın parçaların kaynağında kullanımını sınırlamaktadır.
Kaynak:http://content.lms.sabis.sakarya.edu.tr/Uploads/71097/51177/lazer_kaynağı
Örnek Lazer Kaynak Videoyu İzleyebilirsiniz.
