paslanmaz çeliklerin lazer kaynağında kaynak parametrelerinin

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZER
KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİN
BAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYON
ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Serap ÇELEN
Haziran, 2006
İZMİR
PASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZER
KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİN
BAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYON
ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Yüksek Lisans Tezi
Makina Mühendisliği Bölümü, Konstrüksiyon-İmalat Anabilim Dalı
Serap ÇELEN
Haziran, 2006
İZMİR
ii
TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın her aşamasında gösterdikleri değerli yardımlar dolayısıyla Sayın
hocam
Prof. Dr. Süleyman KARADENİZ’e, deneysel uygulamaların yapılması
amacıyla lazer kaynak alt yapısının sağlanmasında ve teorik bilginin hayata
aktarılmasında çok büyük katkıları için Sayın Arif ÇAKMAK-LAZER METAL
firmasına çok teşekkür ederim. Ege Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümündeki
Sayın hocam Prof. Dr. Vural CEYHUN’a, ayrıca D.E.Ü. Makina Mühendisliği
Bölümü Metalografi-Malzeme Laboratuvarındaki deneylerin yapılmasında gösterdiği
yardımlar dolayısıyla Araş. Gör. Y. Müh. Fatih KAHRAMAN’a ve Ege Üniversitesi
Makina Mühendisliği Biyomekanik laboratuvarında mekanik testlerin yapılmasında
gösterdiği yardımlar dolayısıyla
Araş. Gör. Y. Müh. Mehmet SARIKANAT’a
teşekkür ederim.
Bana her konuda destek olan aileme ve arkadaşlarıma çok teşekkür ederim.
Serap ÇELEN
iii
PASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZER KAYNAĞINDA KAYNAK
PARAMETRELERİNİN BAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYON
ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ
ÖZ
Lazer kaynağı son dönemde özellikle endüstriyel imalat için artan önem
kazanmıştır. Lazer kaynağı yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir ışınla kaynak
işlemidir.
Lazerin
enerji
yoğunluğu
ışık
dalgalarının
konsantrasyonu
ile
sağlanmaktadır. Lazer, malzemeler tarafından absorbe edilebilecek ısı enerjisine
çevrilebilecek ışık enerjisi üretir. Kaynak işleminde genellikle iki tip lazer sistemi
kullanılır, bunlar CO2 ve Nd:YAG lazeridir.
Bu çalışmada lazer kaynağı mekanizması ve darbeli lazer dikiş kaynağının
parametrik analizi araştırılmıştır. Darbeli lazer dikiş kaynağı çeşitli parametreler
tarafından kontrol edilir. Bunlar ortalama tepe güç yoğunluğu (APPD), lazer gücü,
kaynak hızı ve darbe süresidir. Çalışma kapsamında temel işlem parametrelerinin
özellikle birleştirme dayanımı ve kaynak kalitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Ayrıca, bir darbeli Nd:YAG lazer ışın kaynağıyla paslanmaz çeliklerin alın dikişi
şeklinde kaynak edilebilirliği konusu araştırılmıştır.
Kaynaklı birleştirmelerde tam nüfuziyet, minimum ITAB ve kabul edilebilir
kaynak profili elde edebilmek için, kaynak hızları, darbe süreleri ve koruyucu gaz
kombinasyonlarının uygun bir şekilde seçilmesi gerektiği anlaşılmıştır.
Anahtar Kelimeler: anahtar deliği etkisi, lazer kaynağı, Nd:YAG lazeri
iv
THE INVESTIGATION OF EFFECT OF LASER WELDING PARAMETERS
ON JOINT STRENGTH AND CORROSION CHARACTERISTICS OF
STAINLESS STEELS
ABSTRACT
Laser welding has achieved increased significance especially for industrial
production in recent years. Laser welding is a high energy beam process.. The energy
density of the laser is achieved by the concentration of light waves. Laser generate
light energy that can be absorbed into materials and converted to heat energy. There
are two types of laser systems that are being used for welding operation; those are
CO2 and Nd:YAG lasers.
In this study, we researched laser welding mechanisms and parametric analysis of
pulsed laser seam welding process. The pulsed laser seam welding process is
controlled by a variety of parameters. These are; average peak power density
(APPD), mean laser power, welding speeds and pulse duration. We focus on the
effects of the main processing parameters on joint strength and weld quality. And
also we examined the weldability of stainless steels in butt joint configuration by a
pulsed Nd:YAG laser beam welding.
In order to have complete penetration, minimum heat affected zone and
acceptable weld profile at weld joints, we should carefully select welding speeds,
pulse durations and shielding gas combinations.
Keywords: keyhole mode, laser welding, Nd:YAG laser
v
İÇİNDEKİLER
Sayfa
YÜKSEK LİSANS TEZİ SINAV SONUÇ FORMU…………………………..…...iii
TEŞEKKÜR……………………………...…………………………………….……iv
ÖZ……………………………………………..………………………...…………....v
ABSTRACT……………………………………………..…………………………..vi
BÖLÜM BİR-GİRİŞ………………………………………………………………...1
1.1 Giriş………………….………………………..………………………………..…1
BÖLÜM İKİ - LAZER IŞINI ÜRETİMİNİN FİZİKSEL TEMELLERİ……….2
2.1 Lazer Işını Üretiminin Esasları……………….………………..…….…………...2
2.1.1 Kendiliğinden Emisyon ve Uyarılmış Emisyon .................….……..............4
2.2 Lazer Işınının Karekteristikleri……………….…………………………………14
2.3 Lazer Işını ile Malzemelerin Etkileşimi……………….………………………...22
BÖLÜM
ÜÇ
-
LAZER
KAYNAK
YÖNTEMİNDE
KULLANILAN
LAZERLER VE LAZER SİSTEMLERİ………………………………………...25
3.1 Lazer Kaynağı……….…………………………………………………………..25
3.2 Lazerlerin Sisteminin Temel Elemanları….……….……………………………27
3.2.1 Lazer Üreteci…………………...………………………………………….28
3.2.2 Pompalama Kaynağı…………...…………………………………………..28
3.2.3 Optik Resonatör...…………….……………………………………………28
3.2.4 Odaklama Optik Elemanları .…….………………………………………..32
3.3 Lazer Sistemleri…………….……………………..…………………………….34
3.3.1 Katı-Hal Lazer Sistemleri…….…………………………………………….34
3.3.1.1 Nd:YAG Lazer Sistemi………….………………………..…..……….35
3.3.1.2 Nd:CAM Lazer Sistemi…….………………………..……………..…40
3.3.1.3 Ruby Lazer Sistemi……….………………..……………………….....40
vi
Sayfa
3.3.2 Gaz Lazer Sistemleri……………….……………………….…………......41
3.3.2.1 CO2 Lazer Sistemi…….………………………………………..…….41
BÖLÜM DÖRT - METALURJİK AÇIDAN LAZER KAYNAĞI……………..44
4.1 Lazer İletim ve Nüfuziyet Kaynağı……....……………………………………...44
4.1.1 Lazer Kaynağının Avantajları……….………...…………..……..………..50
4.1.2 Lazer Kaynağının Dezavantajları……….…….………………....………...51
4.2 Metalik Malzemelerin Lazer Kaynağı…………………….…………………….52
4.3 Lazer Kaynağında Kaynak Edilebilirlik………….……………………………..52
4.4 Lazer Kaynak Yönteminde Birleşme Mekanizması…….……………..………..55
4.5 Lazer Kaynağı ve Konvansiyonel Kaynak Yönteminde Isı Tesiri Altında Kalan
Bölgelerdeki Mikroyapılar…………………...……………………………………...61
BÖLÜM BEŞ - LAZER KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİ…...63
5.1 Lazer Kaynağında Işın Bırakımı…………………….…………………………..63
5.2 Lazer Kaynağında Kaynak Sıcaklık Çevrimi…………….………………..........67
5.3 Lazer Kaynağında Temel Kaynak Parametreleri……….……………………….71
5.3.1 Lazer Gücü…………………….………………….....……………………...71
5.3.2 Odaklama……………….………….…………………………………….....74
5.3.3 Koruyucu Gaz………….……………….………………………………..…78
5.4 Birincil Ayarlanabilir Kaynak Parametreleri........................................................81
5.5 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağında Kaynak Parametreleri…...….……...84
5.5.1 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağı Prosesinin Parametrik Analizi….…91
5.5.2 Darbe Süresinin (Tp) Isı Akışı Üzerindeki Etkisi.…….................................92
BÖLÜM ALTI - LAZER KAYNAĞINDA BİRLEŞTİRME TÜRLERİ VE
KAYNAK VERİMİ………………………………………………………………..93
6.1 Lazer Kaynağında Birleştirme Türleri………....………………………………..93
6.1.1 Lazer Alın Birleştirmesi…………..………………………………………..95
6.1.2 Lazer Bindirme Birleştirmesi ….…………………………………………..95
6.1.3 Lazer Kenar Birleştirmesi ….….…………………………………………. 96
vii
Sayfa
6.1.4 Lazer T Alın Kaynağı ve Bindirme Radyüslü Birleştirmeler...……….…..96
6.1.5 Lazer Flare Birleştirmesi ……………….…………………………...……..97
6.1.6 Lazer Dar Aralık Birleştirmesi ……………...……………………………..95
6.2 Lazer Kaynağında Kaynak Verimini Arttırma Yöntemleri……….…………….99
6.2.1 Soğurucu Kaplamalar………………………….…………………….........100
6.2.2 Yüzey Pürüzlülüğü Oluşturma...…………….…………...………….........102
BÖLÜM YEDİ - LAZER GÜVENLİĞİ………………………………………..104
7.1 Lazer Kaynak Yönteminde Lazer Güvenliği……….…….……………………104
7.1.1 I.Sınıf (class I) Lazer...................................................................................104
7.1.2 II.Sınıf (class II) Lazer................................................................................105
7.1.3 III.Sınıf (class III) Lazer…………………….……………………………105
7.1.3.1 III-a.Sınıf (class III-a) Lazer..............................................................106
7.1.3.2 III-b.Sınıf (class III-b) Lazer...............................................................106
7.1.4 IV.Sınıf (class IV) Lazer.............................................................................106
BÖLÜM SEKİZ - DENEYSEL ÇALIŞMALAR……………………………….108
8.1 Deneylerde Kullanılan Malzeme .................……...…….……………………..108
8.2 Kullanılan Kaynak Parametreleri...……….……………………………………112
8.3 Çekme Testi …………………….……………………………………………..114
8.4 Bükme Testi ……….....................…..…………………………………………127
8.5 Mikrosertlik Testi……………..……….……………………………………….130
8.6 Lazer Kaynağında Kullanılan Kaynak Parametrelerinin Dikiş Formuna ve
Nüfuziyete Etkileri.………………………………………………………………...136
8.6.1 Darbe Süresi Değişiminin Etkileri……….……………………………….137
8.6.2 Gerilim Değişiminin Etkileri……………….…….………………………139
8.6.3 Darbe Enerjisi Değişiminin Etkileri……………….……………………...141
8.7 Mikroyapı İncelemesi…….……………………………………………………143
iix
Sayfa
BÖLÜM DOKUZ – SONUÇLAR……………………………………………….153
9.1 Sonuçlar……………………….………………...……………………………..153
KAYNAKLAR……………………………………………………….…………...157
ix
BÖLÜM BİR
GİRİŞ
1.1 Giriş
Lazer kelimesi, İngilizce bir kaç sözcüğün baş harflerinin birleştirilmesiyle
meydana gelmiştir. ‘LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation’, ışınmanın uyarılmış yayınımı ile ışığın kuvvetlendirilmesi anlamına
gelmektedir.
Lazerin prensibi, ışık yayınımı teorisi ve uyarılmış yayınım kavramı ile 1917
yılında Albert EINSTEIN tarafından ortaya konmuştur. 1951 yılında ilk defa Charles
H TOWNES tarafından ilk MASER (Microwave Amplification of Stimulated
Emission of Radiation-Işınmanın Uyarılmış Yayınımı ile Mikrodalga Yükseltilmesi)
Colombia Üniversitesinde icat edilmiştir. Uyarılmış emisyona dayalı ilk aygıt
1964’te Nobel ödülünü almıştır. 1958 yılında da Charles H TOWNES ve Arthur L
SCHAWLOW ilk detaylı Optik Maser’i yani Lazer’i bulmuşlardır. 1960 yılında bu
iki bilim adamı ilk Laser’in patentini almışlar, aynı yıl Hughes Araştırma
laboratuvarında Dr.Teodore MAIMAN ilk Rubin (Ruby) Lazerini bulmuştur. 1961
yılında Bell laboratuvarlarında A G Fox ve T Li optik resonatörlerin teorik analizini
ortaya koymuşlar, 1964 yılında
yine aynı laboratuvarlarda J E GEUSIC, H M
Marcos, L G Van UTEIT ilk çalışan Nd:YAG lazerini bulmuşlardır.1964’te aynı
yerde Kumar N PATEL
tarafından CO2 lazeri bulunmuş, Hughes Araştırma
laboratuvarında William BRIDGES tarafından Argon Ion lazeri bulunmuştur.
Bu çalışmada lazerlerin kaynak işleminde kullanımı ve lazer alın kaynağıyla
birleştirilmiş olan paslanmaz çelik levhaların mekanik ve mikroyapı özellikleri
araştırılmış ve uygun kaynak parametreleri belirlenmiştir.
1
BÖLÜM İKİ
LAZER IŞINI ÜRETİMİNİN FİZİKSEL TEMELLERİ
2.1 Lazer Işını Üretiminin Esasları:
Atom bir çekirdek ve bunu çevreleyen bir elektron bulutundan oluşmaktadır. Her
atomun belirli bir iç enerjisi vardır. Minimum enerji prensibine göre bunu en düşük
enerji konumunda tutma eğilimindedir. Bu minimum enerjili olduğu duruma o
atomun ‘taban enerji seviyesi’ denmektedir. (E1 enerji seviyesi) Atomun bu
konumdan daha yüksek enerjili olduğu konumlarda olabilir. Bu konumlardaki atoma
‘uyarılmış atom’ adı verilir. (E2 enerji seviyesi) Aslında burada atomun elektronları
bir alt enerji seviyesinden (bir alt yörüngeden) bir üst enerji seviyesine (bir üst
yörüngeye) çıkarlar ve atomun enerji seviyesi bu şekilde yükselir.
Şekil 2.1 Taban enerji seviyesi ve uyarılmış durum şekilleri
Atomdaki bir üst enerji seviyesine geçen elektronlar (atom aldığı enerjiyi geri
verdiğinde) tekrar alt enerji seviyelerine dönerler ve atom, E2 enerji seviyesinden E1
enerji seviyesine geçer, bu geçiş sırasında sahip olduğu enerji farkını ortama
elektromagnetik dalga yani foton olarak bırakacaktır. Bu fotonlar (enerji yüklü ışın
parçacıkları) ışınları (örneğin lazer ışınını) oluşturur. Atomun uyarılmış durumda
kalma süresi yaklaşık 10-8 s’dir.
Bu esnada E=E2-E1 enerji farkı denklem (2.1) ile hesaplanmaktadır;
E=h*ν=E2-E1 (2.1)
2
3
E: Fotonun enerjisi
E2: Yüksek seviyedeki (uyarılmış durum) enerji
E1: Son seviyedeki (düşük enerji durumu) enerji
h: Plank sabiti (6,625x10-34 Js/molekül)
ν: Lazer ışığının frekansını göstermektedir.
Lazer üretimini tam olarak anlayabilmek için ilk önce şu örneği inceleyelim. Cam
bir tüpün içine konmuş bir gaz, bir dış kaynak vasıtasıyla ısıtılırsa; gaz atomları
aldıkları enerji ile uyarılırlar. Elektronlar temel enerji seviyelerinden daha üst enerji
seviyelerine pompalanırlar. Sonuçta bu atomlar uyarılmış durumlarına yükseltilirler.
Ancak bu durumda kararsız olduklarından, alt enerji seviyelerine (yarı kararlı
konumlara) geri dönerler. Einstein’ın ortaya koyduğu ışık yayınımı teorisine göre,
uyarılmış enerji seviyesinde bulunan bir atom daha alt enerji seviyelerine foton
(enerji yüklü ışın parçacığı) yayarak inebilir. Yani bu esnada kaybettikleri enerji
radyasyonla ışık fotonlar şeklinde yayılır. Bu yayılan fotonlar diğer atomlarada
çarparak bunları aşağı seviyedeki enerji durumuna indirirler. Ancak bu tür bir kaynak
içindeki atomlar soğurmuş oldukları enerjiyi gelişi güzel doğrultularda foton olarak
bırakırlar. Yayılan fotonlar arasında faz bağlantısı yoktur. Faz hem zamansal hemde
uzaysal olarak değişmektedir. Lazer işleminde, yayılma sırasında açığa çıkan
fotonlar aynı dalga boyunda , aynı doğrultuda, aynı fazda ve birbirleriyle uyumlu
şekildedir.
Einstein’ın ışık yayınımı teorisinde uyarılmış bir atomun daha düşük enerjili bir
konuma foton yayarak iki farklı şekilde geçebileceği anlatılmıştır. Bu iki durumun
ilki atomun kendiliğinden emisyonla (dışarıdan herhangi bir etki olmaksızın) düşük
enerjili duruma geçmesidir. İkincisi ise uygun frekanslı bir elektromagnetik ışınımla
tahrik edilerek ‘uyarılmış emisyonla’ enerji yayarak düşük enerjili duruma
geçmesidir. İkinci durum yani bir dış kaynak tarafından tetiklenerek yapılan
‘uyarılmış emisyon’ olayı lazer üretiminin temelini oluşturur. Atomun uyarılması
ancak aşağıdaki yollarla mümkündür;
1) Basınç uygulayarak,
4
2) Isıtılarak,
3) Hızlandırılmış elektronlarla bombardıman ederek,
4) Bir ışık demetine maruz bırakarak.
Şimdi kendiliğinden emisyon ve uyarılmış emisyonun fiziksel prensiplerini
inceleyelim.
2.1.1. Kendiliğinden ve Uyarılmış Emisyon
Kendiliğinden emisyonda olay aniden olmaz. Elektronlar belirli bir zaman
periyodu sonunda düşük enerji seviyelerine inerler. (Şekil 2.2) Her kendiliğinden
emisyon için sabit olan bu zamana ‘kendiliğinden emisyon ömrü’ denir.
Kendiliğinden emisyon olayında atomun bir alt enerji seviyesine geçişinde
elektromagnetik radyasyon olmayabilir. Bu durumda E enerji farkı atomun
enerjisinin artmasına sebep olur.
Şekil 2.2 Kendiliğinden (a) ve uyarılmış emisyon (b) oluşum şekilleri
Kendiliğinden emisyon (Şekil 2.2a) olasılığı denklem (2.2) yardımıyla
hasaplanmaktadır.
⎛ dN 2 ⎞
⎜
⎟ = − A * N 2 (2.2)
⎝ dt ⎠ ke
N2: t anında E2 enerji seviyesinde birim hacimde bulunan atom sayısı
A: Kendiliğinden emisyon oranı
5
⎛ dN 2 ⎞
⎟ : Kendiliğinden emisyon olasılığı
⎜
⎝ dt ⎠ ke
Yukarıda da söz ettiğimiz gibi E1 taban enerji seviyesindeki bir atom uyarılmadığı
sürece bu durumda kalmaya devam edecektir.
Bu atoma Şekil 2.2b’de görüldüğü üzere bir fotonun çarpması durumunda,
fotonun sahip olduğu enerji atom tarafından yutulmaktadır. Böylece atom E2 enerji
seviyesine yükselir. Bu olaya ‘yutma’ denmektedir.
Yutma oranı denklem (2.3) ile hesaplanmaktadır;
⎛ dN 1 ⎞
⎜
⎟ = −W12 * N 1 (2.3)
⎝ dt ⎠ ke
N1: t anında E1 enerji seviyesinde birim hacimde bulunan atom sayısı
W12: Yutma oranı
W12 = σ 12 * F (2.4)
F: Atoma çarpan foton yoğunluğu
σ12: Fotonların uyarılmış durumda bulunan atomlara çarpma olasılığı
σ21: Fotonların uyarılmamış durumda bulunan atomlara çarpma olasılığı
Einstein σ12’nin σ21’e eşit olduğunu göstermiştir. Yani birim hacimde bulunan
uyarılmış ve uyarılmamış atomlara çarpma olasılıkları birbirlerine eşittir. ( σ
=σ12=σ21)
6
Şekil 2.3 Kendiliğinden emisyon
Şekil 2.4 Uyarılmış emisyon
E2 uyarılmış durum enerji seviyesindeki bir atoma kendi frekansı ile aynı olan
elektromagnetik dalga çarptığında bu atom
E1 taban durumu enerji seviyesine
geçecektir. Bu tip emisyon ile çarpan her bir atoma karşılık iki foton bırakılır.
Kendiliğinden emisyon olayında bir atomun bıraktığı elektromagnetik dalgalar
arasında bir faz ilişkisi yoktur. Yayılma gelişi güzel bir şekilde olmaktadır. Buna
karşın, uyarılmış emisyon bir zaman periyodu gerektirmez ve çok ani bir şekilde
meydana gelir. Enerjisi ‘hν’ olan bir foton elektronu uyarır ve yüksek enerjili
durumdan düşük enerjili duruma bir foton daha yayarak geçmesi için zorlar. Bu olay
sonunda yayılan iki fotonun fazı, kutuplanması ve ilerleme doğrultusu aynıdır. (Şekil
2.4) Atomlar genellikle taban durumlarında olduklarından daha çok kendiliğinden
emisyon görülmektedir. (Şekil 2.5)
7
Şekil 2.5 Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon ve resonatörde amplifikasyon
(Unitek-miyachi)
Uyarılmış emisyonla, uyarılmış atomun bıraktığı fotonun frekansı, enerjisi, yönü
ve fazı tahrik eden fotonunki ile aynıdır. Uyarılma şartı denklem (2.5) ile
hesaplanmaktadır;
⎛ dN 2 ⎞
⎜
⎟ = −W21 * N 2 (2.5)
⎝ dt ⎠ ue
W21: Uyarılmış emisyon olasılığı (E2 enerji seviyesinde bulunan atomların emisyon
sonucunda sayılarının değişme oranı) denklem (2.6) ile hesaplanmaktadır. W21
iletimdeki parçacıklara ve çarpan elektromagnetik dalganın yoğunluğuna bağlıdır.
W21= σ12* F (2.6)
Lazerin oluşum şartı denklem 2.7 ile hesaplanmaktadır.
W12= σ12* F (2.7)
8
⎛ dN 2 ⎞
⎜
⎟ = −W21 * N 2 (2.8)
⎝ dt ⎠ ke
Denklem (2.7) ve (2.8)’den;
dF=σ (N1-N2)*dz (2.9) elde edilir.
N1: E1 enerji seviyesindeki atom sayısı
N2: E2 enerji seviyesindeki atom sayısı
F: Atoma çarpan foton yoğunluğu
dz: z yönündeki diferansiyel ilerleme (Tarakçıoğlu, Özcan, 2004)
Nüfusun tanımını yapmak gerekirse, verilen seviyedeki birim hacim başına düşen
atom sayısına ‘o seviyenin nüfusu’ denmektedir. Atomları uyarılmış atom durumuna
getirirsek
yani alt enerji durumlarını boş bırakırsak
‘nüfus terslenmesi’ diye
adlandırdığımız olay meydana gelir. Bu şekilde belirli bir frekansla gelen atom, diğer
fotonların yayılmasını tetikler ve olay zincirleme olarak devam eder. Sonuçta, aynı
fazlı uyarılmış foton kümesi teşekkül eder. Enerji yarı-kararlı atomlardan henüz
ortaya çıkmakta olan ışık dalgasına aktarılır. Dalga aktif ortam içinde gidip gelerek
gelişimini sürdürür. Bu durum dalga güçlenmesini arttırır, dolayısıyla akı
yoğunluğuda artar.
Nüfusun tanımını yaptığımıza göre, nüfus terslenmesi olayını daha iyi
açıklayabiliriz. Bir malzeme için nüfusun tersine çevrilmesi olayı, N2 - N1>0 şartının
yerine getirilmesi ile mümkündür. Yani üst enerji seviyesinde, alt enerji seviyesinden
daha fazla atom bulunması gerekmektedir. Nüfusu tersine çevrilmiş olan malzemeye
‘aktif materyal’denir. Şekil 2.6’da üç düzeyli bir lazerde nüfus terslenmesi olayı
görülmektedir.
9
Şekil 2.6 Üç düzeyli bir lazerde nüfus terslenmesi olayı
Termal denge durumunda E1 ve E2 enerji seviyelerindeki N1 ve N2 nüfus
dağılımları denklem (2.10) ile ifade edilmektedir.
⎡ (E − E1 ) ⎤
N2
= exp ⎢− 2
⎥ (2.10)
N1
⎣ kB *T ⎦
kB: Boltzman sabiti (1,380x10-23 J/K molekül)
T: Malzemenin sıcaklığı
Sonuç olarak burada N2 > N1 ise, malzeme bir amplifikatör gibi davranır. Eğer, N2
< N1 ise, gelen foton yani elektromanyetik dalga yutulmaktadır. (N2 < N1 →
Malzeme gelen fotonu yutar. N2 > N1 → Malzeme bir amplifikatör gibi davranır.)
Yukarıdaki eşitlikteki exponansiyelin eksi işaretinin anlamı nüfus terslenmesinin
negatif sıcaklık koşulları altında olması gerektiğidir. Bu geçmişteki lazer
araştırmacıları tarafından oldukça şaşırtıcı bulunmuştur. Çünkü negatif sıcaklıklar
fiziksel olarak kabul edilemez. Buna karşın, Boltzman denklemi sadece termal denge
koşullarında tanımlanabilir. Öyleyse, lazerler termal dengede çalıştırılamazlar. Üst
enerji seviyelerine pompalama ile nüfuslandırılırlar. Bir ışık dalgası, bir elektriksel
10
veya kimyasal reaksiyon optik pompalama için, yani üst enerji seviyesindeki nüfusu
arttırmak için kullanılabilir.
Örneğin; E1=1.0 eV ve E2= 2.10 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. E1 enerji
seviyesinde 1,0*1016 elektron/cm3 olduğunu varsayalım. 1000 K’lik bir sıcaklıkta E2
enerji seviyesinde kaç elektron olduğunu şu şekilde hesaplarız.
⎡ (E − E1 ) ⎤
N2
= exp ⎢− 2
⎥ (2.10)
N1
⎣ kB *T ⎦
⎡ (E − E1 ) ⎤
N 2 = N1 * exp ⎢− 2
⎥ (2.11)
⎣ kB *T ⎦
⎡ (2,10eV − 1,0eV ) ⎤
N 2 = 1,0 * 1016 elektron / cm 3 * exp ⎢−
⎥
k B *1000 K ⎦
⎣
(
)
N2=2,85942 elektron/cm3
Örneğin; E1=1.0 eV ve E2= 2.10 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. E1 enerji
seviyesinde 1,0*1016 elektron/cm3,
E2 enerji seviyesinde 1,0*1015 elektron/cm3
olsun. Termal dengede bu nüfus dağılımını oluşturmak için gerekli sıcaklık nedir?
T=
− (E 2 − E1 )
(2.12)
k B * In( N 2 − N1 )
T=
− (2,10eV − 1,0eV )
k B * In 1,0 * 1016 − 1,0 * 1015 elektron / cm 3
[(
)
]
T= -5543,72 K olarak bulunur. (Kuhn, 1998)
Optik pompalama kaynağı (lamba-ışık kaynağı) lazer üretecine enerji sağlar.
Böylece ışık enerjisi ile tahrik edilen lazer üreteci elektronları daha önce izah
11
ettiğimiz şekilde daha üst enerji seviyelerine yükseltilirler, atom uyarılmış konuma
yükseltilir. Bu olaya ‘optik pompalama’adı verilir. Elektronlar bu uyarılmış seviyede
kalamazlar ve oradan alt enerji seviyelerine inerler. Bu işlemde, atom kendiğilinden
bir foton yayarak sahip olduğu fazla enerjisini kaybeder. Fotonlar bu yöntemle ortaya
çıkarılarak lazer üretiminin temelleri atılmış olur. Kendiliğinden olan emisyonla
yayılan fotonlar nihai bir şekilde daha yüksek enerji seviyelerindeki diğer
elektronlara çarparlar. Uyarılmış emisyon, ışığın hızı ve uyarılmış atomların
yoğunluğu sayesinde çok kısa bir zamanda olur. Çarpılan elektrondan yeni bir foton
yayılması olur. Bu iki fotonda faz içerisinde tutarlıdır, aynı dalga boyunda ve aynı
yöndedir. Olay zincirleme olarak devam eder. Fotonlar tüm yönlerde yayılırlar,
bununla beraber bazıları lazer sisteminin resonatör aynalarına çarparlar ve tekrar
üretecin içine geri yansırlar. Resonatörün aynaları uyarılmış emisyon için tercihli
(ayrıcalıklı) amplifikasyon yönünü tayin ederler. Sonuç olarak amplifikasyonun
meydana gelmesi için uyarılmış atom yüzdesi düşük enerji seviyesindeki atom
yüzdesinden daha büyük olmalıdır. Bu durum lazer üretimi için gereken koşulların
oluşumuna olanak sağlar.
Şekil 2.7 Bir rubin kristalinde lazer oluşumu ve Cr+3 atomunun soğurma frekans şeritleri
Şekil 2.7’de sol tarafta bir yakut lazerin enerji seviyeleri, yanında ise Cr+3
iyonunun atomunun soğurma frekans şeritleri görülmektedir. Optik pompalama
kaynağı olan, flaş tüpünün ateşlenmesiyle bir kaç milisaniyelik şiddetli bir ışık
12
patlaması olşturulur. Bu enerjinin bir kısmı ısı enerjisi şeklinde kaybolurken, bir
kısmıda Cr+3 iyonlarının büyük bölümünü soğurma frekans şeridi içinde uyarılmış
duruma geçirir.
Uyarılmış durumdaki atomlar, aldıkları enerjinin bir kısmını kristal örgüsüne
vererek 10 ns gibi çok kısa bir sürede yarı kararlı hale geçerler. Bu geçiş, ışımasız
olur ve iyonlar birbirine çok yakın bir çift alt konumu tercih ederler. Bu enerji
konumları ‘yarı-kararlı konum’ olarak isimlendirilir. Yarı-kararlı konumlar uzun
ömürlü geçici durumlardır. İyonlar bu durumda, taban durumuna geçinceye kadar, 3
milisaniye kalırlar. Pompalama
hızı
arttırılırsa,
nüfus
terslenmesi
oluşur.
Kendiliğinden emisyonla yayılan bir kaç foton zincir reaksiyonunu başlatır, ve enerji
yarı-kararlı atomlardan henüz ortaya çıkmakta olan ışık dalgasına aktarılır. Bu dalga
aktif ortam içinde ileri geri gidip gelerek gelişmesini sürdürür. Kısmen gümüşlenmiş
olan uçtan yakut kristalinin kendine özgü şiddetli kırmızı ışıması olur. (Hecth, çev.,
1999)
İdeal bir lazer ışığı aynı frekanslı (dalga boylu) ve aynı fazlı bir foton grubu
tarafından oluşturulmaktadır
Örneğin; E1=1,0 eV ve E2= 2,50 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. Bu enerji
seviyeleri arasında kendiliğinden emisyonla açığa çıkan fotonun enerjisini ve
fotonların dalga boylarını aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz.
E= h* ν= E2- E1=2.50 eV-1.0 eV=1.50 eV
Dalga boyu denklem (2.13) ile hesaplanır.
λ=
h * co
(2.13)
E2 − E1
λ=
h * co
6,626 * 10 −34 j.s * 3 * 10 8 m / s
=
= 827,216 nm
E 2 − E1 (2,5 J / coul − 1,5 J / coul ) * (1,602 *10 −19 coul )
veya daha kolay bir şekilde denklem (2.14) yardımıyla hesaplanabilir.
13
λ ( µm) =
h * co
(2.14)
E2 − E1
λ ( µm) =
h * co
1,24(eV * µm) 1,24(eV * µm)
=
=
= 0,827 µm
E 2 − E1
E (eV )
1,50eV
Lazerin oluşumu için ayrıca bir osilasyona ve bunun içinde bir geri beslemeye
gerek duyulmaktadır. Geri besleme için aktif materyalde, belli bir frekanslı optik
rezonatör kullanılmalıdır. Geri besleme işlemi, aktif materyalin her iki ucuna
yerleştirilmiş yansıtıcı aynalarla yapılmaktadır. Osilasyon işlemi, elektromagnetik
dalgaların aktif ortam içerisinde ileri geri gidip gelerek gelişimini sürdürmesidir.
Yansıtıcı aynalara çarpıp, ileri geri yansıyan elektromagnetik dalgalar ‘aktif
materyal’ tarafından yükseltilir. Elektromagnetik demeti çıkışa iletmek için,
aynalardan birisi kısmi geçirgen yapılır. Osilasyon işlemi başladığında, aktif
materyalde çıkış aynasından çıkan ışın demetlerinin karşılanması gerekmektedir.
Aktif materyaldeki birim kazancın dolayısıyla çıkış ve giriş arasındaki foton
yoğunluğu oranının hesaplanması için denklem (2.15) kullanılır;
dFo
= exp[σ * ( N 2 − N1 ) * L ] (2.15)
dFi
Denklem (2.15)’te;
L: Aktif materyalin uzunluğu
σ: Yutma kesit alanı
Yalnızca iletimsel kayıplar söz konusu ise;
r1 * r2 * exp[2 * σ * ( N 2 − N1 ) * L] = 1 (2.16)
Eşik enerji konumuna ulaşıldığında, nüfus terslenmeside bir kritik değere ulaşır.
Kritik nüfus terslenmesi denklem (2.17) yardımıyla hesaplanmaktadır;
14
(N 2 − N1 )kr = In(r1 * r2 )
2 *σ * L
(2.17)
Kritik terslenmeye ulaşıldığında, kendiliğinden emisyon olayından osilasyon
oluşmaktadır. Daha öncede izah ettiğimiz üzere boşluk ekseni boyunca,
kendiliğinden fotonlar yayılmaktadır. Bu işlem yükseltme işleminin başlangıcıdır. Bu
olay bir lazer osilatörünün temelini teşkil eder.
Lazer aktif materyalden ışın demeti elde etmek için gerekli koşullar şunlardır;
1) Sistem uyarılmış durumda olmalıdır. Nüfus terslenmesi olmalıdır. Uyarılmış
konumdaki atom sayısı, taban konumundakinden fazla olmalıdır.
2) Sistemin uyarılmış konumu yarı-kararlı bir durum olmalıdır. Böyle bir durumun
ömrü daha uzundur. Uyarılmış ışıma, kendiliğinden ışımadan önce olur.
3) Yayılan fotonlar, uyarılmış atomlardan uyarılmış ışıma yaptırmaya yetecek kadar
uzun süre sistem içinde tutulmalıdır. Buda, sistemin uçlarına yerleştirilmiş olan
yansıtıcı aynalarla sağlanmaktadır. Uçlardan birisi tamamen yansıtıcı, diğer uç ise
lazer demetinin çıkışına izin verecek şekilde yarı geçirgen yapılmalıdır.
(Tarakçıoğlu, Özcan, 2004)
2.2 Lazer Işınının Karekteristikleri
Odaklanmış bir lazer ışını, endüstride mevcut en yüksek güç yoğunluğuna sahip
kaynaklardan biridir. Lazer gücünün hem uzaysal, hemde zamansal alanlarda
dağılımından dolayı lazer ışını özellikleri oldukça karmaşıktır. Lazer ışını güç
dağılımına bağlı olarak değişen hesaplama modeli kullanarak farklı sıcaklık ve
gerilme şekil değişimi dağılımları elde edilebilir, bu durum lazerle mikro işlenmiş iş
parçasının kalitesini etkileyecektir. Bir lazer ışınının çıkış noktası enine
elektromagnetik mod (Transverse Electro Magnetic Mode) olarak adlandırılır ve
15
TEMm,n ile gösterilir. Burada mod terimi lazer ışını kesitindeki yoğunluk dağılımını
ifade etmektedir. Bir lazer ışının TEMm,n’i (enine elektromagnetik modu)
elektromagnetik ışınımının ışın üretimine dik düzlemde ölçülen ışınım yoğunluğu
şeklidir. m ve n indisleri, çıkan ışık demetine dik olan doğrultulardaki enine düğüm
sayılarını gösteren tam sayılardır. Demet dik kesitinde bir veya daha çok bölgeye
ayrılmıştır.
Şekil 2.8 Farklı enine elektromegnetik mod (TEMx,y ) şekilleri (Wikipedia)
Ticari lazerlerin çoğunda en yaygın kullanılan enine elektromagnetik mod
TEM0,0’dır. Bunun sebebi; ışının dik kesiti üzerindeki akı yoğunluğu ideal bir
Gaussyen olmasıdır. Yoğunluk dağılımı Gaussyen fonksiyonu ile (Denklem 2.18)
tanımlanmaktadır. Denklem (2.18)’de a>0, b ve c sabit sayılardır.
f ( x) = a.e − ( x −b )
2
/ c2
(2.18)
Işının dik kesitindeki elektrik alan içinde (diğer modlarda ortaya çıkan) faz
kayması hiç yoktur. Bu nedenle, tam olarak konumsal faz uyumludur, ışın demetinin
açısal sapması çok küçüktür ve ışın demeti çok küçük bir nokta şeklinde
odaklanabilir. Ayrıca lazer ışığı zamansal faz uyumludur. Lazer ışığı dar bir frekans
şeridinde iletilebilen yüksek akı veya ışınım gücüne sahiptir.
16
Gaussyen ışın demeti küçük bir nokta çapında odaklanarak delme, kesme ve
kaynak uygulamaları için çok yüksek bir güç yoğunluğu sağlamaktadır. Lazerlerin
bir çok ticari özellikleri, örneğin odaklanmış yüksek enerjili lazer ışınlarının kaynak
için kullanımı veya araştırma için lazer ışınlarının çok uzak mesafelere yayılımı,
temel şekilde lazerlerin çaprazlama elektromagnetik mod özellikleri ile belirlenir.
Gaussyen profili radyal olarak simetrik bir dağılıma sahiptir ve elektrik alanı
değişimi denklem (2.19) ile hesaplanmaktadır.
⎛ r2 ⎞
ES = E0 * exp⎜⎜ − 2 ⎟⎟ (2.19)
⎝ w0 ⎠
Gaussyen enerji dağılımı, optik sistem aralığında yayılım yolu boyunca her
noktada Gaussyen kalmaktadır. (Şekil 2.9)
Şekil 2.9 Gaussyen ışın demetindeki yoğunluk dağılımları (Wikipedia)
Bu durum, özellikle optik sistemdeki her noktadaki dağılımı göz önünde
canlandırmayı kolaylaştırmaktadır. Gaussyen yoğunluk değişimi aşağıdaki formülle
hesaplanmaktadır.
17
⎛ 2r 2 ⎞
*
I S = η * ES * ES * exp⎜⎜ − 2 ⎟⎟ (2.20)
⎝ w0 ⎠
Denklem (2.20)’dan Gaussyen yoğunluk dağılımı denklem (2.21) elde edilir.
⎛ 2r 2
I (r ) = I 0 exp⎜⎜ − 2
⎝ w0
⎞
⎟ (2.21)
⎟
⎠
Bir r yarıçapında içerilen güç, P(r) yoğunluk dağılımının 0’dan r’ye integrasyonu
ile belirlenir ve denklem (2.22) ile hesaplanır.
⎡
⎛ 2r 2
P(r ) = P∞ ⎢1 − exp⎜⎜ − 2
⎢⎣
⎝ w0
⎞⎤
⎟⎥ (2.22)
⎟
⎠⎥⎦
Denklem (2.21)’de P(∞) toplam güçtür. Gücün yaklaşık %100’ü r=2w0
yarıçapında tutulmaktadır. Gücün yarısı 0.59w0’da tutulur ve sadece yaklaşık % 10’u
0.23w0’da tutulmaktadır. Toplam güç, P(∞) Watt, eksen üzerindeki yoğunluk I(0)
Watt/m2 ile ilişkilidir ve denklem (2.23) ve (2.24) ile ifade edilmektedirler.
⎛ πw0 2
P∞ = ⎜⎜
⎝ 2
⎞
⎟ I (0 ) (2.23)
⎟
⎠
⎛ 2
I (0 ) = P∞ ⎜⎜
2
⎝ πw0
⎞
⎟ (2.24)
⎟
⎠
Herhangi bir dönel simetrik lazer ışını aşağıdaki üç parametre ile karekterize
edilmektedir. Bunlar;
18
a) Işın bel pozisyonu, z
b) Işın (beli) yarıçapı, w0
c) Uzak alan ayrılma (difraksiyon) açışı, θ0
Şekil 2.10 Lazer ışınını karekterize eden parametreler
Işın beli yarıçapı w(z), z yayılım ekseninin merkezinden itibaren ışının en dar
olduğu yarıçap değeridir. Eksendeki yoğunluğun 1/e2 veya 0.135 değerine düştüğü
yarıçap olarakda tanımlanır. Tam bu noktada, ışın beli çapı minimumdur ve w0 ile
gösterilmektedir. Işın beli yarıçapı denklem (2.25) ile hesaplanır.
⎛ ⎛ λ z
w ( z ) = w0 ⎜1 + ⎜⎜ 0 2
⎜
πnw0
⎝ ⎝
2
2
⎞
⎟
⎟
⎠
2
⎞
⎟ (2.25)
⎟
⎠
Işın yarıçapı R(z), kararlı dalga (wavefront) eğriliğinin yarıçapıdır ve denklem
(2.25) ile hesaplanır.
⎛ ⎛ πnw 2
0
R( z ) = z ⎜1 + ⎜⎜
⎜
λ
z
⎝ ⎝ 0
⎞
⎟
⎟
⎠
2
⎞
⎟ (2.26)
⎟
⎠
19
Kararlı dalga profili z=0 ışının en dar olduğu yerdir ve R(z) sonsuza gitmektedir
(R(z)→∞). Bu mesafe Rayleigh aralığı olarak adlandırılır ve denklem (2.27) ile
hesaplanmaktadır. Işın yarıçapı ilk önce yavaşça, sonra hızlı bir şekilde, sonunda z
ile orantılı bir şekilde artacaktır.
zR =
πnw0 2
(2.27)
λ0
Rayleigh aralığı, yakın-alandan uzak-alana geçiş davranışını belirlemektedir.
Örneğin; dalga boyu λ=514,5 nm olan bir argon iyon lazerinin ışın beli ölçüleri 3,5
ve 7 mm olsun. Rayleigh aralığından daha küçük mesafelerde sonsuza doğru hızlı bir
azalma vardır (R(z)=∞). Rayleigh aralığından daha büyük mesafelerde R(z) yavaşça
artar ve yaklaşık z’ye eşit olur. (Şekil 2.12)
Şekil 2.11 Gaussyen ışınının önemli karekteristikleri
20
Şekil 2.12 Gaussyen ışınını eğrilik yarıçapı R(z) (Dalga boyu 514,5 nm olan bir argon-iyon
lazeri üç başlangıçlı ışın beli için çizilmiştir.) (Kuhn, 1998)
Uzak
alan
ayrılma
(difraksiyon)
açısı θ0’dır
ve
denklem
(2.28)
ile
hesaplanmaktadır.
θ0 =
λ0
πnw0
(2.28)
Açılar küçük olduğundan tanθ0=θ0 yaklaşımı yapılır. Böylece θ0 mercek
üzerindeki aydınlatılan çap D, merceğin odak uzaklığı f’e bölünmesi suretiyle
bulunur ve denklem (2.29) ile hesaplanır.
θ=
D
(2.29)
f
Ayrıca odaklama derinliği, df, odaklanmış bir ışının odak nokta çapının yaklaşık
olarak sabit kaldığı mesafedir ve denklem (2.30) ile hesaplanır.
21
2
⎛ 8λ ⎞⎛ f ⎞
df = ⎜ ⎟⎜ ⎟ (2.30)
⎝ π ⎠⎝ D ⎠
İdeal durumda Gaussyen profile sahip olan enerji dağılımı, resonatör özelliklerine
bağlı olarak sapmalar göstermektedir. Lazer ışının bu sapmaları, ‘ışın kalitesi’ olarak
tanımlanmaktadır. Bir lazer ışınının kalitesini tanımlamak için çeşitli karekteristik
sayılar kullanılmaktadır. Işın kalitesi M2 ile gösterilmektedir. TEM lazer ışınının
kesitindeki enerji dağılımını göstermektedir. TEM0,0 Gaussyen profiline sahip bir
ışının kalitesi M2=1’dir. M2>1 olan lazer ışını düşük kalitelidir. Lazer kaynağı için
kullanılan ışınlarda ise M2 1’den küçüktür. M2 değeri 0,1 ve 1 aralığındadır. (Han
W., 2004)
Öyleyse minimum ışın beli çapı w0 denklem (2.31) ile hesaplanmaktadır.
⎛ 4λ f ⎞
w0 = M 2 ⎜
⎟ (2.31)
⎝ πw ⎠
Ayrıca ışın parametresi çarpımı (beam parameter product,BPP)
K ve M2
değerleriyle ifade edilmekte ve lazer ışınının fiziksel sınırlarını ve odaklanabilirliğini
karekterize etmektedir. K değerleri 1 ile 10 aralığındadır ve denklem (2.32) ile ifade
edilmektedir.
K=
1
λ 1
(2.32)
=
2
π w0θ 0
M
Lazer kaynağında son odaklama merceği odaklanan ışın demetinin çapını çok
küçültmektedir. Bu sebepten odak noktasında çalışılmalıdır. Böylece odak (ışın) çapı
küçük olduğu için ısıdan etkilenen bölge küçük olur. Ayrıca son odaklama
merceğinin azda olsa oynamaları karşısında odak derinliğinden dolayı odak çapı
sabit olacaktır. Son odaklama merceğinin odak noktası ve iş parçası arasındaki
22
uzaklığın artması ışın çapının artması sebebiyle ergiyen malzeme miktarının artması
ve kaynak derinliğinin azalmasıyla sonuçlanacaktır.
Lazer ışığının önemli özellikleri şunlardır;
•
Lazerlerde aynalara dik doğrultuda ışık oluştuğundan, yüksek dereceden
doğrultu özelliğine sahip olması. Çok uzak mesafelere kadar açısal
çarpılmaya uğramadan gidebilmesi.
•
Yüksek derecede uyumluluğa sahip olması.
•
Enerji aynı frekans değerinde yayıldığından hedeflenen noktada çok yüksek
yoğunluğa ulaşabilmesi.
•
Lazerin tek dalga boyluluğa (monokromatikliğe) sahip olması. Her lazer
kendi karekteristik dalga boyunda ışık yayar. Örneğin;Yakut lazeri 6943 Aº,
He-Ne lazeri 6328 Aº, Argon lazeri 5145 Aº gibi. Diğer ışık kaynaklarından
elde edilen ışığın frekans şeridi 100 Aº iken, lazer ışığının frekans şeridi
yaklaşık 10-3 Aº’dur. Yani lazerler normal ışığa göre 105 kat daha fazla
monokromatikliğe sahiptir.
2.3 Lazer Işını ile Malzemelerin Etkileşimi
Fotonlar malzemenin elektronik veya kristal yapısı ile etkileştiğinde pek çok optik
olaylara neden olur. Bunlar; absorbsiyon, geçme (transmisyon), kırılma ve
yansımadır. Bu olayları tek tek inceleyecek olursak;
Absorbsiyon: Bir malzemeye çarpan foton enerjisini bırakarak absorbe edilir.
Metallerde valans bandı doldurulmadığı için hemen hemen herhangi bir foton bir
elektronu iletim bandına uyaracak yeterli enerjiye sahiptir. (Pauli prensibine göre her
enerji seviyesi bir band içerisine genişler ve bu teori ‘band teorisi’ olarak
adlandırılır.) Bu nedenle metaller çok ince olmadıkça görülebilir ışıkları absorbe
ederler ve ışığı geçirmezler. Absorbsiyon katsayısı malzemenin yoğunluğuna,
ışınımın dalga boyuna, iletim ve valans bandları arasındaki enerji aralığına bağlıdır.
(Şekil 2.13)
23
Şekil 2.13 Metallerde absorbsiyon ve enerji aralığı arasındaki ilişki
(Askeland, çev., 2002)
Geçme (Transmisyon): Fotonlar, bir elektronu yüksek bir enerji seviyesine
uyarmak için yeterli enerjiye sahip değilse, absorbe edilme yerine geçme olayı
meydana gelir. Bir fotonun absorbe edilmesi veya geçirilmesi fotonun enerjisine ve
iletim veya valans bantları arasındaki enerji aralığına bağlıdır. Metallerde bant aralığı
yoktur ve hemen hemen bütün fotonlar metal (istisna olarak çok ince değilse)
absorbe edilir.
Geçmenin düzeyide atomik dizilişler ile ilgilidir. Cam ve bazı polimerler gibi
amorf malzemeler saydam olabilir. Buna karşın malzeme kristalize olduğunda
fotonlar kristal yapı ile etkileşebilir ve kısmen absorbe edilebilir.
Kırılma: Fotonlar bir malzemeden geçse bile, foton bir miktar enerji kaybeder ve
bu nedenle hafif daha uzun bir dalga boyuna sahiptir. Bundan sonra foton malzemede
ışığın hızı azaltılmış yönü değiştirilmiş bir foton demeti gibi davranış gösterir. α ve β
sırasıyla çarpan ve kırılan ışınların açıları malzemenin yüzeyine bir dik oluşturur. Bu
durumda n kırılma indisi denklem (2.33) ile hesaplanmaktadır. (Şekil 2.14)
n=
c λ vakum sin α
(2.33)
=
=
v
λ
sin β
Burada; n kırılma indisi, c ışığın boşlukta yayılma hızı, ν ışığın malzemedeki
hızıdır. Fotonlar, malzemedeki elektronlar daha kolay kutuplaştığında etkileşir ve
daha fazla kırılır. Bu nedenle kırılma indisi ve malzemenin dielektrik sabiti arasında
denklem (2.34) bağıntısı vardır.
24
n = K (2.34)
Dielektrik malzemeler gibi kolay kutuplaşan malzemeler, daha yüksek bir
kırılmaya sahiptir. Kırılma indisi, yoğun malzemeler için daha büyüktür.
Şekil 2.14 Foton demetlerinin bir malzemeyi geçerken etkileşimden dolayı yönlerini değiştirmeleri
(Askeland, çev., 2002)
Yansıma: Malzeme yüzeyi düzgünse ve çarpan fotonlar düşük bir enerjiye sahipse
çarpan fotonların bir kısmı metal yüzeyinden yansıyacaktır. Yansıma oranı R,
kırılma indisi ile ilgilidir ve denlem (2.35) ile ifade edilmektedir. Yüzeyleri çok
düzgün metallerde yansıma oranı çok yüksek olup, %100’e yakındır.
2
⎛ n −1⎞
R = YüzdeYansıma = ⎜
⎟ x100 (2.35)
⎝ n +1⎠
Yüksek kırılma indisli malzemeler düşük kırılma indeksli malzemelerden daha
yüksek bir yansımaya sahiptir. Işık düşük kırılma indisli malzemelerde yansımadan
daha çok geçer. (Askeland, çev. ,2002)
BÖLÜM ÜÇ
LAZER KAYNAK YÖNTEMİNDE KULLANILAN LAZERLER VE LAZER
SİSTEMLERİ
3.1. Lazer Kaynağı
Ticari olarak metallerin kaynağı için yüksek güvenilirlik, kolay operasyon ve
düşük maliyetli lazer kaynak sistemleri gerekmektedir. Buna ilaveten lazer sistemi
kaynağın gerçekleştirileceği iş parçası üzerinde spesifik bir bölgede 1-5*106
W/cm2’lik bir ışınım yoğunluğu sağlamak zorundadır. Bu optimize edilmiş koşul
kaynak operasyonu boyunca sürdürülmek ve bir kaynak dizisi oluşturabilmek içinde
zamana göre tekrarlanabilir olmak zorundadır. Bu koşullar sadece lazer güç
kaynağını değil ayrıca iş parçasına bırakılan lazer ışınımının biçiminide
sınırlamaktadır. Lazer kaynağı ve diğer kaynak yöntemlerinin enerji yoğunluğu
karşılaştırması Tablo 3.1’de verilmiştir.
Tablo 3.1 Lazer kaynağı enerji yoğunluğunun çeşitli kaynak yöntemleriyle karşılaştırması.
KAYNAK YÖNTEMİ
Enerji
Yoğunluğu[W/cm2]
(Derinlik/Genişlik Oranı)
LAZER
106-107
Yüksek
ELEKTRON IŞIN
106-107
Yüksek
TIG
102-104
Küçük-Orta
MIG-MAG
102-104
Küçük-Orta
102
Küçük
DİRENÇ
25
26
Tablo 3.2 Lazer kaynağının çeşitli parametreler bakımından diğer kaynak yöntemleriyle
karşılaştırılması
PARAMETRE
Yüksek derinlik/
LAZER
ELEKTRON
IŞIN K.
IŞIN K.
TIG K.
MIG K.
DİRENÇ
KAYNAĞI
+
+
-
-
-
Birleştirme verimi
φ
φ
-
-
+
Küçük ITAB
+
+
-
-
φ
Dikiş profili
+
+
φ
φ
φ
Yüksek işlem hızı
+
+
-
-
-
Atmosferik basınçta
+
-
+
+
+
-
+
+
+
+
φ
-
+
+
-
Otomasyon
+
-
+
φ
+
Yatırım maliyeti
-
-
+
+
+
İşletme maliyeti
φ
φ
+
+
+
İş parçasının
+
-
-
-
-
+
-
+
+
+
genişlik oranı
kaynak
Yansıtma katsayısı
yüksek olan metallerin
kaynağı
İlave katkı maddesiyle
birleştirme
sabitlenmesi
Güvenilirlik
+:Avantajlı, φ: Nötr, -: Dezavantajlı
Lazer ışın kaynak yönteminde çoğunlukla kullanılan lazer sistemleri iki grupta
toplanmaktadır. Bunlar şu şekildedir;
27
-Katı-Hal Lazer Sistemleri:
-Gaz Lazer Sistemleri
Lazer sistemlerini daha iyi anlayabilmek için ilk önce bir lazer sistemini oluşturan
temel elemanları ve bu elemanların özelliklerini incelememiz gerekmektedir. Şekil
3.1’de lazer kaynağı için gerekli temel eleman şeması verilmiştir.
Şekil 3.1 Lazer kaynağı temel eleman şeması
3.2 Lazer Sisteminin Temel Elemanları
Bir çok lazer sistemi dört temel elemandan oluşmaktadır. Bunlar;
1. Lazer Üreteci (Aktif Materyal)
2. Pompalama Kaynağı
3. Optik Resonatör
4. Odaklama Optik Elemanları
28
3.2.1 Lazer Üreteci
İçerisinde uyarılmış emisyonun gerçekleştiği bölgedir. Lazer aracı malzemesi katı
(Nd:YAG, Nd:CAM, alexandrite, zümrüt, Cr:safir, Ti:safir ve içerisinde üç değerlikli
Nd+3, Ho+3, Gd+3, Tm+3, Er+3, Pr+3 elementleri bulunan cam vb.), sıvı, gaz (krypton,
argon, nitrojen, helyum-neon, CO2, KrF, XeCl vb.) veya plazma (x-ışını vb.) olabilir.
3.2.2. Pompalama Kaynağı
Uyarılmış emisyonun gerçekleşmesi için gerekli enerjiyi sağlayan kaynaktır.
Lazerler lambalar veya diğer lazerlerle (en çok katı hal lazerlerinde), elektriki olarak
p-n malzeme birleşimi ile (yarı iletken diodlarda), elektrik boşalmasıyla (en çok gaz
lazerlerinde) veya bir kimyasal reaksiyonla (HF, iyot vb.) pompalanabilirler.
3.2.3 Optik Resonatör
Optik resonatör foton yayılımı için bir patika oluşturur. Optik resonatörün asıl
fonksiyonu lazerlerin fiziksel boylarının kısalmasını ve elektromagnetik mod
profilini oluşturmaktır. Lazer oluşumunun başlangıcında, uyarılmış emisyonla
yayınan fotonların yanında; kendiliğinden emisyonla yayınan fotonlarda görülür.
Eksenel ışın demeti, aktif ortamda resonatör aynalarına çarparak ileri geri
hareketlerle gelişimini sürdürür. Sonunda faz uyumlu bir düzlem dalga elde edilir.
Yani bu ortam dalga yükseltici gibi görev yapmaktadır. Resonatör içerisinde aynalar
arasındaki uzaklıkla belirlenen bir duran dalga oluşturulur. Lazer ışını dalgasının
dalga boyu aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynalar arası uzaklık yarım
dalga boyunun tam katına eşit olduğunda optik resonatör rezonansa geçer. Bunun
anlamı resonatörde duran dalga oluşumudur. Optik resonatörle bir optik geri besleme
sağlanmakta ve bir osilasyon oluşmaktadır. Şekil 3.2’de optik resonatörde duran
dalga oluşumu görülmektedir.
29
Şekil 3.2 Optik resonatörde dalga oluşumu (değişik dalga
şekilleri)
Aynalar arasındaki uzaklıkla (L), lazer ışını dalgasının dalga boyu (λ) uyumlu
olmalıdır. Aynalar arası uzaklık (L) yarım dalga boyunun (λ/2) tam katına eşit
olduğunda resonatör rezonansa geçer ve bu durum denklem (3.1) ile ifade
edilmektedir.
L=m*(λ/2) (3.1)
Dalgaların üst üste binme koşulları ortaya çıkacak olan optik dalgayı belirler. Bir
ortamın herhangi bir noktasındaki bileşke dalga, bileşen dalgaların üst üste
binmesiyle oluşur. Işık dalgalarının hepsi aynı doğrultu boyunca ilerler ve titreşim
düzlemleride aynı olursa, bunların her biri bir tek elektrik alan bileşeni ile temsil
edilebilir. Ayrıca bunların hepsi, herhangi bir zamanda birbirleriyle aynı veya zıt
yönlü olacaklarından, skaler işlem görebilirler. Bundan dolayı denklem (3.2) elde
edilir. Bileşke dalga ise, bu dalgaların doğrusal olarak üst üste gelmesiyle elde edilir.
E=E1+E2 (3.2)
30
Şekil 3.3 Aynı fazda ve zıt fazda iki harmonik dalganın üst üste binmesi
(Hecth, çev., 1999)
Böylece tek bir dalga, E1 ve E2 sinüsel dalgalarının üst üste binmesiyle oluşmuş
olur. Bileşke dalga harmoniktir, genliği ve fazı bileşenlerinkinden farklı olmasına
rağmen frekansı bileşenlerinki ile aynıdır. Yani belirli frekansta aynı doğrultuda
ilerleyen herhangi bir sayıda faz uyumlu harmonik dalganın üst üste binmesi aynı
frekanslı harmonik bir dalga vermektedir. (Şekil 3.3a)
Girişimde iki durum olabilir. Birinci durumda dalgalar aynı fazlıdır; tepe tepeyle
üst üste biner. (Şekil 3.3a) İkinci durumda ise dalgalar 180 ° zıt fazlıdır ve tepe
çukurla üst üste biner. (Şekil 3.3b) Birinci durumda, yapıcı girişimden; ikinci
durumda yıkıcı girişimden söz edilir. Lazer ışığının faz uyumu birinci duruma uygun
ortamı hazırlar. Ayrıca bir ışık dalgasının akı yoğunluğu, genliğinin karesiyle
orantılıdır.
Bir optik resonatördeki enerji azalışı resonatörün nitelik sayısı ile tarif
edilmekte olup ‘Q’ sembolü ile gösterilmektedir. Resonatör bir titreştirici devredir.
31
Nitelik sayısı Q titreştirici devrenin işleyiş niteliğini tanımlamaktadır. Amaç Q’nun
yüksek olmasıdır. Eğer herhangi bir nedenle optik resonatörün geometrisi bozulursa
lazerin çalışması durur. Bu durum daha çok aynalardan birinin yer değiştirmesi veya
tamamen kaldırılmasıyla meydana gelir. Optik pompalama devam eder ve yarı
kararlı duruma pompalanan atomların sayısı epeyce artar. Bir anda rezonans
oyuğunun çalşıtırılmasıyla tüm atomlar hep beraber daha alt düzeye inerken çok
güçlü bir enerji ortaya çıkmaktadır. Resonatördeki titreşimin başlaması kasıtlı olarak
geciktirilerek yapılan bu olaya ‘Q-anahtarlaması’ denir. Aksi taktirde rezonatördeki
ışınım alanı sebebiyle uyarmayla emisyon esnasında nüfus terslenmesi sürekli olarak
azalacağından, bir lazerin çıkış gücü kendiliğinden sınırlı olurdu. Q-anahtarlaması
bazı kontrol sistemlerinde kullanılmıştır.
Resonatörler , kararlı ve kararsız olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. Kararlı
rezonans oyuğunda ışın demetinin
yansıma sırasında optik eksene yakınlığı ve
doğrultusunda kalma eğilimi yüksektir. Kararsız yansımada ise ışın demeti her
yansımada eksenden bir miktar ayrılır. Kararsız resonatörler CO2 lazeri gibi yüksek
güçlü sistemlerde kullanılmaktadır. Bu şekilde ışın demeti, aktif ortamı her geçişinde
daha büyük bir bölgeyi tarar ve yükseltme artar, üzerine daha büyük enerji alabilir.
Resonatörlerde, sonsuz sayıda belirtgin νm frekanslı ‘boyuna (eksenel) titreşim
modu’(longitudinal mode) vardır. (Şekil 3.4) Bir resonatörün boyuna titreşim modu,
resonatör içinde duran dalga oluşum şeklini ifade etmektedir. Ayrıca ardışık mod
frekansları arasındaki fark sabittir. Resonatör modlarının rezonans genişliği,
kendiliğinden atomsal geçişlere göre oldukça dardır. Sözü edilen modlardan biri veya
daha fazlasını içinde bulunduracak bir aygıtta , bu modlar resonatör içerisinde
güçlendirilir. Böylece ışık bu frekanslara çok yakın bir bölgeye sınırlandırılmış
olarak aygıttan çıkar.
Işımalı geçiş, oldukça geniş bir frekans bölgesini oluşturur. Resonatör, bunlar
arasından belli, dar frekans şeritlerini seçip, çoğaltır. Lazerin monokromatikliği
sayesinde tek bir frekans şeridi bile seçilebilir. Resonatör içinde sadece tek mod
oluşturmanın şartı ; modlar arasındaki farkı , geçişin frekans şerit genişliğinden daha
32
büyük yapmaktır. Böylece, geçişle sağlanan uygun frekanslar bölgesi içinde sadece
bir tek mod bulunur. Örneğin; bir rubin lazerinde bir kaç santimetrelik resonatör
uzunluğu bir tek mod için yeterli olur. Buna karşın, bu durum ışınıma enerji katkısı
yapan aktif bölgenin uzunluğunu ve dolayısıyla çıkış gücünüde sınırlar. (Hecth, çev.,
1999)
Şekil 3.4 Bir resonatörde boyuna (eksenel) titreşim modlarının gösterimi (Wikipedia)
3.2.4 Odaklama Optik Elemanları
Odaklama başlığı, ışını verimli şekilde fiberin sonundan parçanın üzerine iletir.
Odaklama başlığına bir eksenel kamera yerleştirilir. Böylece kaynak işleminden önce
ve kaynak esnasında kaynak alanını lazer ışınının yolu boyunca doğrudan izlemek
mümkün olmaktadır. (Şekil 3.4) Odaklama dağıtıcı ve toplayıcı optik merceklerle
sağlanmaktadır.
Lazer operasyon alanına bir fiber optik kablodan geçerek bırakılabilir. Bu kablo;
lazer taşıyıcı merkezi bir öz, tüm ışığın merkezde kalmasını sağlayacak şekilde ayna
giydirilmiş bir bölge ve en dış kısımda ise ışığın dışarı sızmasını önleyecek bir metal
ceket giydirilmiş şekilde dizayn edilmiştir. Fiberin öz çapı lazer gücüne göre değişik
çaplarda yapılabilir.
33
Şekil 3.5 Odaklama başlığı (lazer kafası) prensip şeması (Unitek-miyachi)
Şekil 3.6 Bir Nd:YAG odaklama başlığı (Dilthey, 2000)
34
3.3 Lazer Sistemleri
Bir lazer sistemini oluşturan elemanlar ve özelliklerini inceledik, şimdi de katı ve
gaz lazer sistemlerini ve temel özelliklerini inceleyelim.
3.3.1 Katı-Hal Lazer Sistemleri:
Lazer kaynak işlemlerinde en çok kullanılan ışınlardan biridir. Dalga boyu
yaklaşık 170 nm 3900 nm arasında değişmektedir. Sistemin ana elemanları şunlardır;
-Lazer Üreteci: Nd:YAG (Lazer aracı olarak içerisinde neodinyum (Nd+3) aktif
elementini
barındıran
YAG
(Yttrium
Aluminium
Garnet)
suni
kristali
kullanılmaktadır. YAG kelimesinin açınımı Yitrium (Itriyum)-Alüminyum-Granat’tır
ve kimyasal formülü de Y3Al5O12’dir. Daha önceleri Y3Ga3O12 (YGaG), Gd3Ga5O12
(GdGaG) alaşımlarıda kullanılmış, en düşük optik kayıplara YAG ile ulaşılmıştır.
Dalga boyu 1,06 µm olan ışınım yaymaktadır. YAG’ın lazer üretiminde
kullanılmasının sebebi; oldukça sert, dayanıklı, iyi optik özelliklere
ve iyi ısıl
iletkenliğe sahip olmasıdır. Ayrıca Neodinyum oranı arttırıldıkça uyarılmış emisyon
olayının zamanında bir azalma olduğu gözlenmiştir. Bunun sebebi Nd iyonlarının
birbirleriyle reaksiyonudur.), Nd:CAM, alexandrite, zümrüt, Cr:safir, Ti:safir ve
içerisinde üç değerlikli Nd+3, Ho+3, Gd+3 ,Tm+3 ,Er+3 ,Pr+3 elementleri bulunan cam.
-Optik Pompalama Kaynağı
-Resonatör
-Odaklama Optik Elemanları: Arka Tam Yansıtıcı Ayna, Ön Kısmi Yansıtıcı Ayna,
Mercekler
Katı hal lazer malzemelerinin iki önemli sınıfı vardır.
1) Kristal katı hal lazer malzemeleri (Nd:YAG gibi)
2) İzotropik katı hal lazer malzemeleri (Cam gibi)
35
Katı hal lazerlerinde, istenen mekanik ve ısıl özelliklere sahip bir ev sahibi
malzeme (tıpkı YAG gibi) içine istenen lazer özelliklerine sahip bir element
depolanır (Neodmiyum gibi).
Malzemenin yapısal ve lazer özellikleri depolanan element atomunun atomik
çevresi ile ilişkili olduğundan, lazer geçişinin doğasını belirlemektedir. Nd:YAG ve
Nd:CAM lazerlerinde, lazer geçişi oldukça dardır (300 K’de yaklaşık 5 Angstrom)
ve 1,064 µm dalga boyundadır. Örneğin; Nd:Cam ve Nd:YAG lazerlerinde
depolanan element olarak neodmiyum kullanılır. Nd:YAG lazerlerinde kristal kafes
içine hapsedilmiş atom arasında, her atom iyi düzenlenmiş ve simetriktir. Nd:Cam
lazerlerinde atom amorf bir yapı içindedir, en yakın çevre atomlarının her biri kötü
düzenlenmiştir ve her bir atom için farklıdır. Sonuçta, lazer geçişi Nd:YAG
lazerlerinden daha geniştir. (300 K’de yaklaşık 300 Angstrom) ve dalga boyu 1,062
µm (silikat cam) 1,054 µm (fosfat cam) aralığındadır.
Bir çok katı hal lazerleride aktif iyonlar olarak üç katlı nadir bulunan elementler
kullanılmaktadır. Bu elementler kısmi bir doluluğa sahip olan 4f kabuğuna sahiptir,
ve bu kabuk etrafında çeşitli geçişler gözlemlenmektedir. Tüm üç katlı lazer geçişleri
dört seviyelidir. Katı hal lazerlerinin çalışması için önemli bir faktörde pompalama
enerjisinin üst lazer seviyelerine etkin bir şekilde transfer edilmesidir.
Katı hal lazer sistemleri ile ilgili olarak temel bilgileride verdiğimize göre artık bu
lazer sistemlerini tek tek inceleyebiliriz.
3.3.1.1 Nd:YAG Lazer Sistemi
Kaynak uygulamaları için kullanılan mevcut Nd:YAG lazerlerinin ortalama çıkış
güçleri 0,3-3 kW aralığındadır, fakat lazer teknolojisindeki son gelişmelerle elde
edilebilir maksimum güç 4 kW’a kadar çıkmaktadır. Bu lazerler aşağıdaki modlarda
çalıştırılabilirler;
1. Sürekli Mod (Biçim)
36
2. Darbeli Mod
3.Q-Anahtarlamalı Mod
Yukarıdaki bu üç durum için lazer çıkış karekteristikleri Tablo 3.3’de
özetlenmiştir.
Tablo 3.3 Farklı uygulama koşullarında Nd:YAG lazerlerinin karekteristikleri
Mod
Ortalama
Tepe
Darbe
Darbe
Enerji/
Güç (kW)
Gücü (kW)
Süresi
Frekansı
Darbe
Sürekli
0,3-4
-
-
-
-
Darbeli
→4
→ 50
0,2-20 mS
1-500 Hz
→ 100
Q-Anahtarlamalı
→4
→ 100
< 1 mS
→ 100 kHz
10-3
Darbeli pompalamalarda, pompa girişi lazer çıkış darbelerinin zamansal olarak
şekillendirilmesiyle kontrol edilmektedir. Darbe şekillerinin düzenlenmesi sık sık
kaynak koşullarının optimizasyonu için yararlıdır, (özellikle bazı Al alaşımlarının
nokta kaynağı uygulamaları için.) Darbe şekillerinin düzenlenmesine ilişkin tam bir
çalışmada Weedon (1987) tarafından yapılmıştır.
Darbeli pompalama ∼0,1 mS’den başlayan ve sürekli mod’a kadar uzanan bir
darbe genişliği imkanı sunmaktadır. Kaynak uygulamaları için kullanılan genel darbe
süreleri 0,1-20 ms aralığındadır. Bu aralığın sonunda darbe tekrar frekansları 1 kHz’e
ulaşabilir.
Lazer güç çıkışının Q-Anahtarlaması kaynak uygulamaları için daha az yararlıdır,
çünkü darbe süresi darbe tekrar frekansları 100 kHz’e kadar yükselmesine rağmen
1µs’den çok daha kısadır.(≥ 1µs) Bu darbelerde daha yüksek tepe gücü plazma
oluşumunu ve gaz kesilmesini kolaylaştırmaktadır. Yüksek ortalama güçlü (≥ 1 kW)
lazerlerle sürekli modda lazer nüfuziyet kaynağı mümkün olduğu halde bu durum
düşük ortalama güçle sürdürülemez. (Duley, 1998) Bir Nd:YAG lazer sisteminin
temel elemanları Şekil 3.5’te görülmektedir.
37
Şekil 3.7 Bir Nd:YAG lazer sisteminin temel elemanları (SLV Duisburg, 2003)
Lazer Üreteci: Nd:YAG (Şekil 3.7)
Pompalama Kaynağı: Nd:YAG lazer sistemini tahrik eden üç tip flaş lambası
vardır. Bunlar;
-Tungusten Filament Lamba: Genelde düşük güç ve verimdedir. Yaklaşık 3473º C
çalışma ısısına sahiptir.
-K_Hg Lambası: Aşınma etkisinden ve yüksek sıcaklıktan dolayı safir koruyucu
kullanılmaktadır. Bu sebepten oldukça pahalı bir sistemdir. Çalışma ısısı yaklaşık
4000º K civarındadır.
-Xe ve Kr Ark Lambası: Yüksek güçte çalışma imkanı sağlamak için su
soğutmasıyla beraber kullanılmaktadır.
Resonatör: Bir resonatör içinde lazer üreteci, flaş lambası bulunmaktadır.
Genellikle silindirik veya eliptik iç yüzeyi yüksek yansıtma kabiliyetine sahip bir
metal (altın,gümüş vb.)
ile kaplanmış, bir ucunda tam, diğer ucunda kısmi
(maksimum %60’a kadar) yansıtıcı aynalar bulunan eleman kullanılmaktadır.
Birbirine yüz yüze bakan iki düz veya küresel (iç bükey, dış bükey) ayna
38
kullanılmaktadır. Işın üretim özellikleri bu aynalar arasındaki uzaklık ve yansıtıcı
aynaların eğriliğiyle belirlenir. Ayna eğriğinin ve aralığın optimizasyonu karmaşık
bir analizi gerektirmektedir; bunun sebebi lazer üretimi esnasında lazer üreteci
kristali içinde meydana gelen kompleks termal etkilerdir.
Lazer aracı, optik pompalama enerjisini absorbe ettiğinde ısınır. Eğer pompalama
enerjisinin frekansı kristalde ısıl dinlenme zamanını aşıyorsa, kristalin sıcaklığı
azalır. Bu lazer aracı kristali içindeki sıcalık düşümü gradyeni termal merceklemeye
artış verir, onun vasıtasıyla kristal bir lens (mercek) gibi lazeri kırma eğilimi gösterir
ki buda gücü azaltır.
Lazer çubuğunun ve flaş lambasının soğutulması pompa boşluğunda akan su ile
sağlanmaktadır.
Şekil 3.8 Bir Nd:YAG lazer sistemi elemanları prensip şeması
Şekil 3.8’de bir Nd:YAG lazer sistemi elemanları prensip şeması, Şekil 3.9’da bir
Nd:YAG lazer sistemi içinde uyarılmış emisyon ve Şekil 3.10’da YAG çubuğu
içinde uyarılmış emisyon olayı gösterilmektedir.
39
Şekil 3.9 Bir Nd:YAG lazer sistemi içinde uyarılmış emisyon
Nd:YAG Lazer Kaynağının Avantajları:
1- Yansıtıcı metallerde daha az yansıtma
2- Düşük işletme maliyeti
3- Fiber optik ışın bırakım sistemi.
Şekil 3.10 Bir katıhal lazer kristali içindeki uyarılmış emisyonun
yakından gösterimi
40
3.3.1.2 Nd:CAM Lazer Sistemi
Lazer Üreteci: Lazer aracı olarak içerisinde neodinyum (Nd+3) aktif elementi
depolanmış cam kullanılmaktadır. Optik özellikleri çok iyi olmasına karşın, düşük
bir ısıl iletkenliğe sahiptir. Darbeli veya Q-anahtarlamalı şekilde dizayn edilebilir.
Lazer çubuğunun boyu Nd:YAG sisteminde kullanılanlara göre oldukça uzundur.
Pompalama kaynağı ve rezonans boşluğu geometrisi ve özellikleri Nd:YAG
sistemine benzerdir. Ancak boşlukta kullanılan flaş lambası sayısı daha yüksektir.
3.3.1.3Ruby Lazer Sistemi
Lazer Üreteci: İçine 0.001 oranında aktif element olarak Cr+3 (Cr2O3) iyonu
depolanmış Al2O3 kristalinden yapılmıştır. Yani aktif ortam sentetik açık pembe bir
yakuttur. Silindirik çubuğun her iki ucu eksene dik doğrultuda kesilmiş ve
parlatılmıştır. Bir ucu tamamen ikinci ucu ise kısmen gümüş kaplanmıştır. Bu şekilde
bir rezonans oyuğu oluşturulmuştur.Yüksek ısıl iletkenliğe, iyi optik kaliteye sahip
oldukça sert ve dayanıklıdır. İlk geliştirilen lazer sistemidir. (Şekil 3.11)
Şekil 3.11 Bir Ruby lazer sistemi ve ana elemanları
41
Optik pompalama, lazer çubuğunun etrafına sarılmış bir helisel flaş tüpü ile
sağlanmaktadır. Flaş tüpünün ateşlenmesiyle birkaç milisaniyelik şiddetli bir ışık
patlaması olur. Bu esnada enerjinin bir kısmı Cr+3 iyonlarını uyarır, geri kalanı ise ısı
enerjisi şeklinde kaybolur. İyonlar çok kısa sürede uyarılmış duruma geçerler.
İyonlar taban durumlarına dönerlerken yakut kristali kırmızı ışımasını yapar. Işıma
tüm doğrultularda olur ve faz uyumu yoktur. İşte bu durumda optik pompalama hızı
arttırılırsa ‘nüfus terslenmesi’ oluşur. Kendiliğinden yayınan fotonlarla olay
başlatılır. Enerji yarı kararlı atomlardan ışık dalgasına aktarılır. Dalga aktif ortam
içinde gidip gelerek gelişimini sürdürür. Kısmen gümüşlenmiş uçtan bir ışık atması
olur. Lazer karekteristikleri lazer çubuğunun sıcaklığıyla yakından ilgili olduğundan
dolayı efektif bir soğutma işlemi gerekmektedir.
3.3.2 Gaz Lazer Sistemleri
3.3.2.1 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. Şekil 3.12’de bir CO2 lazer üretim sistemi görülmektedir.
Şekil 3.12 CO2 lazer üretim sistemi
42
Gaz
lazer
sistemlerinde
aktif
ortam
olarak
bir
gaz
karışımından
faydalanılmaktadır. CO2, N2, He gazlarının karışımı tüp içersine sürekli olarak
pompalanır. Bu işlemin amacı, tüp içinde lazer olayının meydana geldiği esnada
oluşabilecek bozulma ve yığılmaları engellemek içindir. CO2 gazı lazer ışığını
oluşturmaktadır, N2 molekülleri CO2 moleküllerinin uyarılmasına yardım ederler ve
ışık üretimi işleminin verimini arttırırlar. Helyum burada ikili rol oynamaktadır. Gaz
içerisindeki ısı transferine ve ayrıca CO2 moleküllerine taban enerji konumlarına geri
dönmelerinde yardımcı olmaktadır. Tüp su soğutmalı olup, katı hal lazer
sistemlerinde olduğu gibi iki ucuna tam ve kısmi yansıtıcı aynalar yerleştirilmiştir.
Bir gaz lazer sistemi Şekil 3.13’de ve gaz lazer sistemi ve prensip şeması Şekil
3.14’de verilmiştir.
Şekil 3.13 Bir CO2 lazer sistemi (Dilthey, 2000)
CO2 Lazer Kaynağının Avantajları:
1- Yüksek elektriksel verim
2- Düşük işletme maliyeti
3- Kolayca yüksek güçlere ölçeklendirilme imkanı
43
CO2 lazerlerin en büyük dezavantajı ise yansıtma katsayısı yüksek olan
malzemelerin kaynak işlemi esnasında çok büyük yansıma göstermesidir.
Şekil 3.14 Bir gaz lazer sistemi genel prensip şeması
CO2 ve Nd:YAG lazer ışınlarının yansıma yüzdeleri derinlik/odak çapı’na bağlı
olarak Şekil 3.15’te görülmektedir.
Şekil 3.15 Farklı dalga boylarındaki lazer ışınının metal yüzeyinden yansıma yüzdeleri
(Dilthey, 2000)
BÖLÜM DÖRT
METALURJİK AÇIDAN LAZER KAYNAĞI
4.1 Lazer İletim ve Nüfuziyet Kaynağı
Lazer kaynağı temassız yüksek enerjili bir ışın kaynağıdır. Kaynak, şiddetli lazer
ışınının mili-saniyelerle hesaplanan mertebelerde malzemeleri hızlı bir şekilde
ısıtmasıyla yapılmaktadır. Lazerler malzeme tarafından absorbe edilebilecek ve daha
sonra ısı enerjisine çevrilebilecek ışık enerjisi üretirler. Lazerin enerji yoğunluğu ışık
dalgalarının konsantrasyonuyla sağlanır. Biz ışık ışınını elektromagnetik spektrumun
görünür veya kızıl ötesi bölümünde kullanmakla, optik elemanlarla odaklayarak
enerjiyi tam noktasına yüksek bir yoğunlukla bırakabilmekteyiz. Küçük alanlara ısıl
enerji uygulamakta lazerler kadar verimli bir diğer metod yoktur. Lazer çıkışı
elektriki değildir, elektriki süreklilik gerektirmez dolayısıyla magnetik olarak bir
etkisi yoktur.
Lazer kaynağı, sürekli (CW), darbeli (Pulsed) veya Q-anahtarlamalı (darbe
içerisinde lazer konsantrasyonunun arttırılması) modda çalıştırılabilir. Darbeli
operasyonlar genellikle lazerin ısısını azaltmak için kulanılırlar. 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.
Sürekli lazerlerde optik pompalama kaynağı, devamlı olarak yanan yüksek
basınçlı bir lambadır. Lazer çıkışıda süreklidir. (Zamana göre değişmeyen, sabit bir
güç değerindedir.) Darbeli lazerlerde, optik pompalama kaynağı olarak bir flaştan
faydalanılır. Salınım titreşimleriyle yüksek amplitütlü (genlikli) titreşimlerden oluşan
ışık darbeleri verirler. Q-anahtarlamalı lazerde ise, optik pompalama kaynağı bir tüp
44
45
flaştır. Diğerlerine benzer yapıya sahiptir. Burada lazer resonatörünün içindeki
aynalardan birinin yansıtma gücünü kontrol imkanı vardır. Bu sayede lazer
aracındaki atom topluluğunun dengesini bozmak ve bu denge bozulması maksimum
olduğunda titreşimi başlatmak mümkün olmaktadır. Bir kaç nanosaniyelik büyük
tepe güçlü tek tek darbeler elde edilir.
Metal malzemeler üzerindeki lazer ışın absorbsiyonu ve kaynak mekanizması,
lazer ışınının güç yoğunluğuna bağlı olarak aşağıda gösterilen üç şekilde
sınıflandırılmaktadır. (Şekil 4.1)
(1)Metal
yüzeyinden ısıl
iletime bağlı
olarak kaynak
edilir.
(2)Kaynak
yüzeyinde
absorbsiyon ve
buharlaşma
meydana gelir.
< İletim Biçimi >
Düşük
(3) Kaynak edilmiş
metal parlak ışık yayar,
bir anahtar deliği
oluşturur.
(4) Kaynak edilmiş
metal anahtar
deliğinden
püskürür.
< Nüfuziyet Biçimi >
< Delme >
Güç Yoğunluğu
Yüksek
Şekil 4.1 Lazer ışınının güç yoğunluğuna bağlı olarak sınıflandırılması
Lazer ışınının verilişinin esnekliğine (güç yoğunluğu ve süre) göre üç çeşit
kaynak yapılabilmektedir.Bunlar;
1.İletim Biçimi (Şekil 4.2)
2.İletim-Nüfuziyet Biçimi (Şekil 4.3)
3.Nüfuziyet veya Anahtar Deliği (Keyhole) Biçimi (Şekil 4.2)
46
Şekil 4.2 Lazer iletim kaynağı
Şekil 4.3 Lazer iletim kaynağı ve nüfuziyet kaynağı (Dilthey, 2000)
Lazer iletim kaynağında, Şekil 4.2’de görüleceği üzere düşük enerji yoğunluğuyla
yüzeysel derine inmeyen, sığ ve geniş bir kaynak dikişi oluşturulur.
Lazer Nüfuziyet kaynağında ise derin ve dar bir kaynak dikişi oluşturulur. Lazerin
odaklanmasıyla bir noktayı ergime sıcaklığının üzerine ısıtarak erimiş metal
içerisinde buharla çevrelenmiş bir ergime bölgesi oluşturulur.(Şekil 4.4) Metalin bir
kısmı buharlaşıncaya kadar ısınarak bir boşluk (delik) oluşturur. Bu oluşturulan
boşluk iyonize edilmiş metalik gaz ile plazma dolarak verimli olur. Buharlaşmış
metal, çevreleyen sıvıyı buhar basıncıyla arkasında tutarak, iş parçası boyunca
aşağıya doğru anahtar deliği olarak adlandırılan bir silindirik hacim oluşturur. Buhar
iyonize olarak gelen lazer ışınımını absorbe eder ve enerjiyi anahtar deliği etrafındaki
47
ergimiş metal boyunca sevkeder. Böylece deliğin etrafındaki malzeme lazer
ışınından gelen tüm enerjiyi soğurur. Böylece lazer enerjisinin % 95 civarı bir
silindirik hacim içerisine hapsedilir. Anahtar deliği içerisindeki sıcaklık 25000º C’ye
kadar ulaşabilir. Enerji tüm anahtar deliği (silindirik hacim) boyunca transfer
edildiğinden lazer plazma kolonu içerisinde kayıp vermeden derine inebilir (nüfuz
eder). Anahtar deliği tekniğini çok verimli kılan temel sebepte budur. Lazer kafası ve
iş parçası arasındaki bağıl hareket anahtar deliğinin malzeme boyunca hareketiyle bir
dikiş kaynağı oluşumunu sağlar. Anahtar deliği hareket ettiğinde, sıvı metal onun ön
yüzeyinden arkasına doğru akar ve orada katılaşır. Bu akış, ergimiş metalin yüzey
gerilimi ve sıcaklığın sebep olduğu değişimlerle sürdürülmektedir.
Şekil 4.4 Lazer nüfuziyet kaynağı
Nüfuziyet kaynağının çok verimli olmasının sebepleri şunlardır;
-Buhar kanalı lazer ışınını hapsederek, yansımayla olan enerji kaybını azaltmaktadır.
Buhar kanalı içinde lazer kayıp vermeden derine iner.
-Anahtar deliği bir silindirik ısı kaynağı gibi hareket etmekte, iş parçası yüzeyini
aşağıya doğru genişleterek ergime bölgesinin dışındaki ısıl iletimle enerji kaybını
azaltmaktadır.
48
Şekil 4.5 Lazer nüfuziyet kaynağının üç boyutlu gösterimi
İletim ve nüfuziyet kaynağı arasındaki en temel fark; iletim kaynağı esnasında
kaynak banyosu aralıksızdır, lazer ışını tarafından kesilmemiş olmasıdır. Ancak
nüfuziyet (anahtar deliği) kaynağında kaynak banyosu boyunca açılır ve lazer
ışınının ergimiş banyonun içine girmesine izin verir. İletim kaynağı sistem için daha
az rahatsızlık vericidir, çünkü lazer ışınımı kaynak edilmiş malzeme içine nüfuz
etmez. Sonuçta iletim kaynakları, kaynak esnasında daha az gaz tutucu özelliğe
sahiptir. Nüfuziyet kaynağı ise kaynak banyosunun aralıklı kapanmaları nedeniyle
gözenekliliğe neden olabilmektedir. Şekil 4.6’da bir nüfuziyet kaynağında oluşum
basamakları görülmektedir.
Şekil 4.6 Bir nüfuziyet kaynağında oluşum evreleri
Çeliğin iletim ve nüfuziyet kaynağında enerjiyi absorbe etme yüzdesi, enerji
yoğunluğuna bağlı olarak Şekil 4.7 ’de verilmiştir. Enerji yoğunluğunun artmasıyla,
49
malzemenin enerji absorbe etme yüzdeside artmakta ve iletim kaynağından nüfuziyet
(anahtar deliği) kaynağına geçilen bir durum oluşmaktadır.
Şekil 4.7 Çeliğin enerji absorbe etme davranışı (Rath Manufacturing)
Şekil 4.8 Nüfuziyet kaynağında buhar kolonu oluşumu ve kaynak banyosunda
yarattığı hareketler
50
4.1.1 Lazer Kaynağının Avantajları:
1. Lazer gücüne ve malzemeye bağlı olarak 10 m/dakika’nın üzerinde yüksek kaynak
hızlarına olanak sağlar.
2. Çok düşük ısı girdisi. (Deformasyon ve distorsiyonlar çok azdır veya hiç yoktur.)
3. Çok iyi imalat hızı; güçlü ve güvenilir kaynak dikişi.
4. Estetik açıdan güzel görünüm, taşlama gerektirmez.
5. Yüksek derinlik/genişlik oranına sahip dar kaynak dikişi.
6. Hızlı soğumadan dolayı küçük Isı Tesiri Altında Kalan Bölge (ITAB-HAZ); ana
malzeme hemen hemen hiç etkilenmez. Sonuçta distorsiyon çok az olur veya hiç
olmaz.
7. Konvansiyonel kaynak yöntemleriyle ulaşılamayacak yerlerde kaynak imkanı.
8. İstenilen her birleştirme şekli elde edilebilir.
9. Esnek, basit ve çabuk kaynak işlemi.
10. Otomasyona oldukça elverişli.
11. Endüstriyel bir işlemdir, sürekli üretime açıktır.
12. Diğer kaynak yöntemleriyle kaynak edilmesi zor malzemelerin kaynağı
yapılabilir, özellikle farklı malzemelerin kaynak işlemlerinde oldukça iyi sonuçlar
elde edilebilir.
13. Lazer çıkışı elektriki değildir,elektriki süreklilik gerektirmez dolayısıyla
magnetik olarak bir etkisi yoktur. Konvansiyonel kaynak yöntemlerinin bir kısmında
görülen magnetik üfleme söz konusu değildir.
14. Şeffaf malzemelerin kaynağı yapılabilir.
51
Şekil 4.9 Lazer kaynağının en iyi çözüm olduğu uygulamalar
4.1.2 Lazer Kaynağının Dezavantajları:
1. Sertleştirilebilir malzemelerde son derece sert kaynak dikişi; hızlı ısıtma ve
soğutmaya bağlı soğuk çatlak veya sıcak çatlak oluşabilir.
2. Diğer bir çok kaynak yöntemiyle karşılaştırıldığında çok yüksek yatırım masrafları
gerektirir. Ancak kaynak kalitesinin iyileşmesi,zaman tasarrufu, düşük işletme ve
bakım giderlerine sahiptir.
3. Kaynak işleminde nüfuziyet derinliğinin 0,1-8 mm arasında olması, özellikle kalın
parçaların kaynağında kullanımını sınırlamaktadır.
4. Kullanılan lazerler göze veya deriye direkt veya dolaylı olarak temas ettiklerinde
ciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadırlar. Bundan dolayı, lazerin radyasyon
tehlikesine karşı uyarı işaretleri, lazer çalışırken yanan ikaz lambaları kullanmak
gerekmektedir. Lazer operasyonu eğitim ve tecrübe gerektirmektedir. Çalışan
personelin lazerin tehlikelerinden haberdar olması gereklidir.
5. Lazer ekipmanlarındaki, optik elemanların korunması bakımından temiz bir çevre
gerektirmektedir.
6. Özellikle yüksek yansıtma kabiliyetine sahip malzemelerin kaynağında ek
tedbirler almak gerekebilir. (Örneğin; yüzeyin siyah boya ile boyanması, grafit,
manganez vb. maddelerle kaplanması gibi)
52
4.2 Metalik Malzemelerin Lazer Kaynağı
Metallerin kaynak edilmesi lazerlerin ilk endüstriyel uygulamalarındandır.
Doğrudan yoğun bir radyasyon (ışınım) dalgasının uzak bir bölgeye, bir optik sistem
kullanarak verilmesi teknolojinin tanıdığı imkan sayesinde farkedilmiştir. Sonuçta,
lazer kaynak yöntemlerinde ve lazer kaynağının çeşitli endüstriyel şartlarda
metallerin birleştirilmesinde standart bir işlem olarak benimsenmesinde hızlı bir
gelişim olmuştur.
4.3 Lazer Kaynağında Kaynak Edilebilirlik
Lazer kaynağı metalleri birleştirmeye yeni bir esneklik kazandırmasına ve lazer
kaynakları genellikle yüksek kaliteye sahip olmasına rağmen, lazer kaynağı her derde
deva olan bir ilaç değildir ve yüksek kaliteli lazer kaynakları sadece önemli proses
değişkenlerinin optimizasyonundan sonra elde edilebilir. Bu değişkenlerden bazıları
şunları kapsar;
-Birleştirme Dizaynı ve Hazırlanması
-Kaynak Termal Çevrimi
-Gaz Akışı ve Kompozisyon
-Ön Isıtma (Şayet gerekliyse)
-Doldurucu Tipi ve Besleme Hızı
-Alaşım Kompozisyonundaki Değişiklikler
Isı Tesiri Altındaki Bölgeye Termal Etkileri (Duley, 1998)
53
Şekil 4.10 Çeşitli malzeme çiftlerinin kaynak edilebilirliği (Wirth, 2004)
Tablo 4.1’de farklı metallerin birbirleriyle kaynak edilebilirliğine ilişkin bilgi ve
Şekil 4.10’da çeşitli metallerin kaynak edilebilirliğine ilişkin bazı genelleştirmeler
özetlenerek verilmiştir. Farklı metallerin kaynağında kusursuz kaynak özellikleri için
iyi bir katı çözünebilirliği gereklidir. Buda sadece uyuşabilir ergime sıcaklıklarına
sahip malzemeler, örneğin Nikel ve Kobalt için başarılabilir. Diğer malzemelerde;
örneğin Al ve Fe gibi , bir bileşenin ergime sıcaklığı diğerinin buharlaşma sıcaklığına
yakın olduğundan nüfuziyet yetersizliği söz konusudur ve sık sık intermetalik
fazlarda çatlak oluşumunu beraberinde getirir. Son zamanlarda farklı metal
kombinasyonlarının lazer kaynağı değerlendirmesi Sun ve Ion (1995) tarafından
yapılmıştır.
Tablo 4.1 Çeşitli malzemeler ve bu malzemelerin lazerle kaynak edilebilirliğine ilişkin yorumlar
MALZEME
Aluminyum 1100
YORUMLAR
İyi kaynak edilir. Çatlak veya dönüşüm sertleşmesi problemi
yoktur.
Aluminyum 2219
Çatlak problemi yoktur. İlave metal gerekmez.
Aluminyum 2024
Sızdırmaz dikiş için 4047 Al gerektirmektedir. Çatlak
54
/5052/6061
oluşumu görülebilir.
Bronz(Cu-Zn)
Çinko gaz çıkışı iyi bir kaynağı önler.
Berilyum Bakır
Kaliteli kaynak edilir. Bakır içeriği düşük alaşımların
yansıtması düşük olduğundan dolayı daha iyi kaynak edilir.
Zehirli Berilyum oksit gazlarından dolayı bir güvenlik
tehlikesi vardır.
Bakır
Uygulama alanı genellikle nokta kaynağıyla sınırlıdır. Yüzey
yansıtmasını
yenmek
gerekmektedir.
için
Kaplama
yüksek
enerji
yapılarak
seviyeleri
kaynaklanabilirliği
arttırılabilir.
Hastelloy-X
Sıcak kısalık çatlamasını önlemek için yüksek dalga hızında
çalışma gerektirmektedir. İyi kaynak edilir.
Molibden
Genellikle
kaynakları
kırılgandır,
yüksek
dayanımın
gerekmediği yerlerde kullanımı uygun olabilir. İyi kaynak
edilir.
Inconel 625
Derin nüfuziyetli kaynaklarda gözeneklilik eğilimi vardır.
Monel
Kaliteli tok kaynak dikişi ve iyi nüfuziyete sahiptir.
Nikel
Kaliteli tok kaynak dikişi ve iyi nüfuziyete sahiptir.
Karbonlu Çelik
Kaynak içeriği % 0.25’in altında ise iyi kaynak dikişi, eğer
daha yüksekse kırılgan ve çatlak oluşumuna müsait kaynak
dikişi elde edilir. CO2 ve Nd:YAG lazerleriyle iyi kaynak
edilir.
Galvanizli Çelik
Ciddi çinko kaynaması gözeneklilik yaratabilir.
Paslanmaz Çelik,
3030 ve 303SE dışında iyi kaynak edilir.304 ve 304L
300
mükemmel kaynak edilir. 316 ve 316L Cr/Ni oranı 1,7’den
büyükse iyi kaynak edilir. Diğer 300 serisi test gerektirir.
Paslanmaz
Genellikle kaynakları oldukça kırılgandır; ön ve son ısıl işlem
Çelik,400
gerektirebilir.
Paslanmaz Çelik
Dayanımı
arttırmak
için
kaynak
sonrası
ısıl
işlem
gerektirebilir.
Tantal
Tok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almak
55
gerekir.
Titanyum
Tok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almak
gerekir.
Tungusten
Kırılgan kaynaklar, yüksek enerji gerektririr.
Zirkonyum
Tok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almak
gerekir.
Magnezyum
İyi CO2 lazer kaynakları elde edilir.
4.4 Lazer Kaynak Yönteminde Birleşme Mekanizması
Lazer kaynağı bir ergitme kaynağı işlemidir, malzemeler ergitilmiş ara
yüzeylerinden birleştirilir ve sonra katılaşma meydana gelir. Böyle işlemlerde üç
farklı bölge oluşur; kaynak işlemiyle herhangi bir değişim göstermeyen ana metal,
kaynak esnasında ergimiş malzeme tarafından oluşturulmuş ergime bölgesi ve ana
metalde kaynak ısısıyla bazı değişikliklerin olduğu ısı tesiri altında kalan bölge
(ITAB).
Kaynak işlemi yapılırken en çok endişe duyulan konu, olası düşük ısı miktarıdır.
Bu bakımdan lazer kaynağının en verimli metodu derin nüfuziyet veya anahtar deliği
olarak adlandırılan yöntemdir. Lazer kaynağı mekanizmasını anlamak için, kaynak
banyosundaki
sıvının
kaynak
geometrisi
üzerindeki
etkisini
incelemek
gerekmektedir. Lazer kaynağında kaynak banyosu üç kuvvetin etkisi altındadır.
Kaynak banyosu içindeki sıvı akışı için en önemli itici güç, kaldırma kuvvetinin
oluşturduğu gerilmeyi, yüzey gerilimi değişiminin oluşturduğu kesme gerilmesini ve
plazma tarafından banyo yüzeyine etki eden kesme gerilmesini kapsamaktadır.
Kaldırma kuvveti için, sıvı metal yoğunluğunun artan sıcaklıkla azaldığını dikkate
almalıyız. Çünkü lazer ısı kaynağı, banyo yüzeyi merkezinin üzerine yerleştirilir.
Dolayısıyla banyonun merkezindeki sıvı metal daha sıcak, banyo kenarlarındaki ise
daha soğuktur. Öyleyse yerçekimi kuvveti, banyo sınırındaki daha ağır sıvı metalin
batmasına sebep olur. Sonuç olarak; sıvı metal banyo sınırı boyunca alçalır ve banyo
ekseni boyuncada yükselir. Kaldırma kuvvetinin sebep olduğu ısı yayılımı banyo
56
ekseninde
maksimum
hız
meydana
getirir,
ısıtma
ve
ergimedeki
metal
genleşmesinden dolayı banyo yüzeyi iş parçasından birazcık yukarıdadır.
Şekil 4.11 Kaynak banyosu konveksiyonu için itici kuvvetler: .(a) kaldırma kuvveti,
(b) yüzey gerilim gradyanının neden olduğu kesme gerilmesi, (c) plazmanın neden
olduğu kesme gerilmesi (Kou, 2002)
Yüzey gerilimi değişiminin neden olduğu kesme gerilmesi için, yüzey aktif
elementinin
yokluğu
durumunda
yüzey
gerilimi
γ,
sıcaklığın
artmasıyla
azalmaktadır.( ∂γ / ∂T < 0 ) Şekil 4.11’den de görüldüğü gibi, kaynak banyosu
yüzeyinin merkezindeki düşük yüzey gerilimine sahip sıcak sıvı metal banyo yüzeyi
kenarlarındaki daha yüksek yüzey gerilimine sahip daha soğuk sıvı metal tarafından
dışarıya doğru çekilir. Diğer taraftan, yüzey gerilimi değişimi tarafından banyo
yüzeyi boyunca bir dış kesme gerilmesine neden olur. Şekil 4.11 ’de görüldüğü gibi
57
bu durum sıvı metalin banyo yüzeyi merkezinden kenara akışına ve banyo yüzeyi
altında dönmesine neden olur. Heiple ve diğerleri bu konuda bir model
önermişlerdir; sıvı metal içinde küçük fakat önemli bir miktarda bir yüzey aktif
elementi olduğu zaman
∂γ / ∂T
negatiften pozitife değiştirilebilir, böylece
Marangoni konveksiyonu meydana gelir ve kaynak banyosunu daha derin
yapar.(Kou, 2002)
Çok az bir miktardaki yüzey aktif elementinin varlığı banyoyu daha derin yapar.
Isıl dinamikler böyle bir elementin varlığında yüzey geriliminin artan sıcaklıkla
arttığını gösterebilir. ∂γ / ∂T > 0 Akış doğrultusu tercih edilen konvektif ısı transferi
yönüne yani ısı kaynağından banyo altına doğru çevrilirse daha derin bir banyo
üretilebilir.
Daha önceki çalışmalarda yapılan fiziksel simülasyonun sonuçları Marangoni
konveksiyonunun kaynak banyosu şekli üzerindeki önemli etkisini anlamak
bakımından önemlidir.
Marangoni konveksiyonu, yüzey-gerilimi-itici konveksiyonu veya termokapiler
konveksiyon olarakta adlandırılır ve kaynak nüfuziyet derinliği üzerinde büyük bir
etkiye sahiptir. Şekil 4.12’de herhangi bir yüzey aktif elementi içermeyen bir kaynak
banyosundaki Marangoni konveksiyonu görülmektedir. Bir sıvı içerisindeki yüzey
aktif elementi, örneğin sıvı çelikte kükürt, sıvının yüzey gerilimini ve sıcaklığa
bağımlılığını kayda değer bir şekilde düşüren bir elementtir. Hız profilinde
görüldüğü üzere, banyo yanındaki sıvı akışı dışa doğrudur ve maksimum vs hızıyla
banyo yüzeyine teğettir. Burada s indisi tanjant doğrultusunu göstermektedir. Banyo
yüzeyindeki dış nokta kayma gerilmesi τ ns = (− µ∂v s / ∂n > 0 )
banyo yüzeyi
boyunca oluşan yüzey gerilimi değişimleri tarafından oluşturulmuştur. ∂γ / ∂s(> 0)
Burada n indisi normal doğrultuyu göstermektedir, µ viskozite ve γ yüzey
gerilimidir.
58
Şekil 4.12 Kaynak banyosunda odaklanmamış bir lazer ışınının
(ark boyutlarında) sebep olduğu marangoni konveksiyonu (Kou , 2002)
Bu yüzey gerilimi değişimleri ∂γ / ∂s(= ∂T / ∂sx∂γ / ∂T ) hem banyo yüzeyi
boyunca sıcaklık değişimlerine ∂T / ∂s(< 0) , hemde yüzey geriliminin sıcaklık
bağımlılığına ∂γ / ∂T (< 0) sebep olurlar. Sıvı banyo yüzeyi boyunca merkezden
(sıcaklık yüksek, yüzey gerilimi düşük) kenara doğru çekilir. Bundan dolayı banyo
yüzeyi boyunca olan dış akış yüzey akışı olarak, banyo içindeki akışta dönüş akışı
olarak adlandırılır. Kaynak banyosu içinde nüfuziyeti arttırmak için dönüş akışı
yüzey akışından çok daha kuvvetli olmalıdır.
Çelik için kullanılan yüzey aktif elementleri S, O, Se ve Te’dur. Marangoni
konveksiyonu tersine çevrildiğinde, banyo kenarı yüzeyindeki düşük yüzey gerilimli
soğuk sıvı metal, banyo yüzeyi merkezinin yanındaki daha yüksek yüzey gerilimli
daha sıcak sıvı metal tarafından içeriye doğru çekilir ve bu model konveksiyonla ısı
transferinin ısı kaynağından banyonun altına doğru olmasını desteklemektedir.
Plazma yüksek hızla banyo yüzeyinden dışarı doğru hareket etmektedir, bu banyo
yüzeyinde bir dış kesme gerilmesi oluşturur. Buda sıvı metalin banyo yüzeyi
merkezinden banyo kenarına akmasına ve banyo yüzeyi altına dönmesine neden olur.
Türbülansın etkisi ve ayrıca kaynak banyosundaki akışkan dinamiği yapılan bazı
çalışmalarda dikkate alınmıştır. Laminer akış varsayımı ile, kaynak derinliği
hakkında tahminler yapıldığından dolayı türbülansın daha kabul edilebilir bir
59
yaklaşım
olduğu
kanıtlandı.
Ayrıca
çalışmalar
viskozitenin
artmasını
ve
konveksiyonda yavaşlama sonucunuda kapsamaktadır. (Han, 2004)
Şekil 4.13 Lazer ışını çapının akış paterni üzerindeki etkisi (Kou , 2002)
Şekil 4.12’den görüleceği üzere maksimum hız banyo yüzeyindedir, dış yüzey
akışı iç dönüş akışından çok daha hızlıdır ve sıvı akışı merkezleri banyo kenarına
yakındır. Bu özellikler banyo içerisindeki Marangoni konveksiyonunun yer çekimi
tarafından oluşturulmuş konveksiyona baskın olmasını teşvik etmektedir. Artan ışın
gücü (0,5’ten 5,4 W’a) ve azalan ışın çapı (5,9’dan 1,5 mm’ye) Marangoni
konveksiyonunu güçlendirmektedir. Bununla beraber azalan ışın çapı kaynak
nüfuziyeti üzerinde daha büyük ve kayda değer bir etkiye sahiptir. (Şekil 4.13)
60
Şekil 4.14 Lazer ışını gücünün akış paterni üzerindeki etkisi (Kou , 2002)
Marangoni konveksiyonu, kaynak banyosu içindeki elektromagnetik kuvvet ve
arkın aerodinamik sürükleme kuvveti tarafından engellendiğinden dolayı ark
kaynağında araştırılamaz. Ark kaynağında iletim eritilen üst yüzey boyuncadır
(iletim kaynağı olarak adlandırılır) ve lazer ışını tarafından üretilene benzer bir buhar
kolonuda oluşmaz. Marangoni konveksiyonunun büyüklüğünü ölçmek için
kullanılan boyutsuz sayıya “Marangoni Sayısı” adı verilmektedir ve denklem (4.13)
ile ifade edilmektedir.
Ma =
−
∂γ
(∆T )L
∂T
(4.13)
µα
Burada;
∂γ
: Yüzey geriliminin sıcaklık katsayısı
∂T
∆t : Banyo yüzeyi merkezi ve sınırı arasındaki sıcaklık farkı
L : Karekteristik uzunluk
µ : Dinamik viskozite
α : Isıl geçirgenlik (Kou, 2002)
61
4.5 Lazer Kaynağı ve Konvansiyonel Kaynak Yönteminde Isı Etkisi Altında
Kalan Bölgelerdeki Mikroyapılar
Kullanılan malzemeye ve kaynak yöntemine bağlı olarak kaynak bölgesindeki
malzeme, ısıl çevrimler nedeniyle meydana gelen iç yapı değişimlerinden dolayı
olumsuz bir şekilde etkilenmektedir. Şekil 4.15’de konvansiyonel bir kaynak
yöntemi ve lazer kaynak yöntemi kullanılarak yapılan kaynaklarda ısı tesiri altında
kalan bölgeler karşılaştırılmıştır.
Şekil 4.15 Konvansiyonel kaynak yöntemi ve lazer kaynak yönteminin ısı tesiri altında kalan bölgeler
açısından karşılaştırılması (Dilthey , 2000)
Şekil 4.15’da görüldüğü üzere lazer kaynak yöntemiyle yapılmış olan
birleştirmede konvansiyonel kaynak yöntemine göre hem kaynak dikişi, hemde
ITAB oldukça dar bir bölge oluşmakta ve bunun sonucunda ana metalde ısıl etkiler
minimuma inmektedir.
Görüldüğü üzere konvansiyonel kaynak yöntemiyle yapılan kaynak işleminde
toplam altı bölge varken, lazer kaynak yöntemiyle yapılan birleştirmede sadece beş
bölge oluşur. Konvansiyonel kaynak yöntemiyle yapılan birleştirmede ergime
62
bölgesi (kaynak metali), kısmi ergime bölgesi, kaba tane bölgesi, ince tane bölgesi,
yarı dönüşmüş bölge ve ana malzeme olmak üzere altı bölge vardır. Lazer kaynak
yönteminde ise çok daha dar bir ergime bölgesi, daha dar kısmi ergime bölgesi, ince
tane bölgesi, yarı dönüşmüş bölge ve ana malzeme olmak üzere beş bölge vardır.
Lazer kaynak yöntemiyle yapılmış olan birleştirmede üçüncü bölgenin oluşmadığı
görülmektedir. Bu yöntemde hızlı soğumadan dolayı, konvansiyonel kaynak
yönteminde oldukça geniş bir alanı kapsayan kaba tane bölgesi oluşmaz. Bu da lazer
kaynağında olduça yüksek dayanım sağlamaktadır.
Şekil 4.16 Konvansiyonel kaynak yöntemi ve lazer kaynak yönteminin maksimum sıcaklık
açısından karşılaştırılması (Dilthey, 2000)
Şekil 4.16’da da konvansiyonel ve lazer kaynak yönteminde ortaya çıkan
maksimum sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. Görüldüğü üzere lazer kaynağında sıcaklık
Ac1 ’in oldukça üzerindedir. (Dilthey, 2000)
BÖLÜM BEŞ
LAZER KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİ
Lazer kaynak yönteminde kaynak parametrelerinden önce lazer kaynağında ışın
bırakımı ve lazer kaynağında ısıl çevrim konularını ele alalım.
5.1 Lazer Kaynağında Işın Bırakımı
Başarılı bir lazer kaynak prosesi için lazer ışınının iş parçasına gönderilmesi
oldukça kritik bir faktördür. Ve bu işlem ‘ışın bırakımı’ olarak adlandırılır. Bu
işlemde kontrol edilecek parametreler aşağıdakileri kapsamaktadır;
1. Işın merkez hattı pozisyonunun kaynak dikişine göre durumu
2. Işın odaklama düzlemi pozisyonunun yüzeye göre durumu
3. Işın yoğunluğu (Uzaysal ve geçici dağılımı)
4. Kaynak hızı
5. Kaynak yerindeki, takip eden kenar boyunca ve kaynağın alt tarafındaki ortam
atmosferi.
Bazı kaynak uygulamalarında, yukarıdaki faktörler kaynak edilecek parçanın
geometrisi ve tüm kaynak işlemi boyunca sürdürülmesi gereken hassas toleranslı
yerleştirmeden de etkilenir. Ayrıca bunlara parçaların mengeneyle sıkıştırılması,
mengeneyle sıkıştırmadan önce kenar hazırlığı ve minimum distorsiyon olacak
şekilde sistem dizaynı gibi çeşitli sınırlamalarda eklenir.
Bir boyutlu kaynak uygulamalarında, (örneğin otomobil gövdeleri), en uygun
çözüm basit tek eksenli kaynak istasyonunda sabitlenmiş bir kaynak başlığı altında
parçaların ayarlanmış doğrusal bir iz boyunca ilerlediği uygulamadır. Lazer
odaklaması kaynak yüzeyine bağlı olarak uygun bölgeye yerleştirilir ve kaynak
işlemi boyuncada değiştirilmez. (Şekil 5.1)
63
64
Şekil 5.1 Tek eksenli bir kaynak istasyonunda bir boyutlu kaynak uygulaması
Lazer ışınının merkez hattının pozisyonu kaynak edilecek parçalar arasındaki
birleştirmeye bağlı olarak bir sabitlenmiş bölgeye yerleştirilir. Kenar hazırlığına
dayalı olarak güvenli mengeneyle sıkıştırma düzeni kaynak işlemi boyunca
sürdürülür. Kaynak hızı ve lazer yoğunluğu kaynak kalitesini optimize etmek için
kaynak esnasında kontrol edilir. (Şekil 5.2)
65
Şekil 5.2 Sabitlenmiş bir makina parçasının lazer kaynağı (TWI)
Lazer kaynağı uygulamaları için
ışın çapı genellikle 100-1000 mikron
arasındadır. Daha küçük odak çapları (25-50 mikron) medikal kılavuz telleri veya
mikro-elektronik devreler gibi çok daha hassas kaynak uygulamaları içindir.
Birleştirmenin sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için, iş parçasının lazer ışını altındaki
pozisyonu titizlikle yapılmalıdır. Bu, yanlış hizalanma toleransı, odaklanmış ışın
çapının ve daha az önemli olarakta birleştirme dizaynı boyutunun birer
fonksiyonudur. Düşey hizalama daha az kritiktir, en dar odaklanmış ışının
oluşturulmasında yeterli enerji yoğunluğunun temin edilmesiyle ilgili olarak bir rol
oynar. (Şekil 5.3)
66
Şekil 5.3 Lazer kaynağında hizalama toleransları (Unitek-miyachi)
Üç boyutlu parçaların kaynağıda robotik ışın bırakımı kullanılmaktadır. Başlıca
uygulama, sabitlenmiş bir parçanın bir robot kullanılarak 3 boyutlu olarak kaynak
edilmesidir. Fakat birleştirme yerleştirmesi ve mengeneyle sıkıştırma böyle bir
sistemde işlem zamanını uzatmaktadır. (Şekil 5.4)
Şekil 5.4 Robotik ışın bırakımı ile lazer kaynak işleminin şematik gösterimi (Dukane Laser)
Nd:YAG ve CO2 lazerlerinin her ikiside böyle bir üç eksenli sistemde
kullanılabilirler, fakat fiber optik ışın gönderimi bu uygulamada Nd:YAG lazer
sistemlerinin tercih edilmesine sebep olmaktadır.
67
Şekil 5.5 Robotik ışın bırakımı ile lazer kaynağı (TWI)
Lazer tipine ilave olarak, lazer gücü ve kaynak hızıda iş parçasına verilen enerji
girdisi hızının belirlenmesi için gereklidir. Başarılı bir lazer kaynağı için odaklama
noktasının boyutu, yeri, tipi, koruyucu gaz akış hızı ve lazer geometrisi gibi ilave
parametrelerin optimizasyonu gerekmektedir.
Bu parametrelerin optimizasyonu kaynak koşullarını belirler. Bir çok durumda, bu
belirleme kaynakları parçalara ayırıp, kaynak kesit alanını ve şeklini ölçerek; buna
ilaveten
metalurjik
ve
mikroyapısal
özelliklerinin
değerlendirilmesinide
gerektirmektedir. Ayrıca mekanik testlerde uygun kaynak parametreleri aralığını
tanımlayacaktır. (Duley, 1998)
5.2 Lazer Kaynağında Kaynak Sıcaklık Çevrimi
Bir kaynak içindeki belirli bir noktada kaynak esnasında ve sonrasında zamana
karşı sıcaklık değişimi mikroyapı, ısı tesiri altında kalan bölge (ITAB) ve
menevişleme gibi faktörleri belirleyen kritik bir parametredir. Bu ısıl çevrim hem
iletim, hemde nüfuziyet kaynağı için lazer kaynak prosesinin modellerinden
68
hesaplanabilir. (Mazumder ve Steen (1980), Metzbower ve diğerleri (1994) veya
çeşitli probların kullanımıyla ölçülebilir. ( Aoh, Kuo ve Li (1992))
Sıcaklık çevriminin genel şekli Şekil 5.2’de gösterilmiştir. Burada sıcaklığın bir
maksimum değere hızlı yükselişini dengeli exponansiyel düşüş takip eder. Lazer
ışının odaklanmasına ve anahtar deliğine yakın noktalar için malzemeyi üzerinden
veya içinden tarar, başlangıçtaki yükselişin artış zamanı τ 1 denklem (5.1) yardımıyla
hesaplanmaktadır.
τ 1 ≈ l 2 / k (5.1)
Burada l ısı kaynağının sıcaklığın kaydedildiği noktaya olan en kısa
mesafesidir. Isı kaynağının merkez hattına yerleştirilmiş bir nokta üzerinden
geçtiğinde τ1, τ1 ∼w2/κ olur, burada w ışının yarıçapıdır. κ∼0.1 cm2/s, l1=1 mm ve
w=0.2 mm ile sırasıyla 0.1 s ve 0.4 s değerleri elde edilir. Hareket eden bir ısı
kaynağı için T(t)’nin bir analitik ifadesi Ashby ve Esterling (1984) tarafından
türetilerek elde edilmiştir ve denlem (5.2) ile ifade edilmektedir.
Şekil 5.6 Lazer kaynağında zamana bağlı sıcaklık değişimi
69
T (r , t ) − T0 =
⎛ v2 ⎞
P
⎟⎟ (5.2)
exp⎜⎜ −
4πvκt
⎝ 4κt ⎠
Daha kalın bir katman ve d levha kalınlığı için,
T (r , t ) − T0 =
P
vd (4πκ P ct )1 / 2
⎛ r2 ⎞
⎟⎟ (5.3)
exp⎜⎜ −
⎝ 4κt ⎠
Burada P lazer gücü, v kaynak hızı ve T0’da ortam veya ön ısıtma sıcaklığıdır.
Kalın bir levha için Tmax maksimum sıcaklığına ulaşma zamanı denklem (5.4) ile
hesaplanmaktadır.
τ1 =
r2
(5.4)
4κ
Ve dT/dt sıcaklığın değişim hızı olarak denklem (5.5) yardımıyla hesaplanır.
⎞
⎡ − r 2 ⎤ ⎞⎛ r 2
dT ⎛ P
− 1⎟⎟ (5.5)
= ⎜⎜
exp
⎥ ⎟⎟⎜⎜
⎢
2
dt ⎝ 4πvκt
⎣ 4κt ⎦ ⎠⎝ 4κt ⎠
(5.2) - (5.5) arasındaki denklemlerle zamana bağlı yaklaşık T ve dT/dt tahminleri
yapılmıştır. Buna karşın, bu modelin diğer sınrlamaları verilmiş ve deneysel
bilgilerle makul uyuşma elde edilmiştir. (Easterling, 1983)
Demir (Fe) için numerik değerlerin kullanımı, P=3 kW ve v=5x10-2 m/s ile
⎡ − 6,25 x10 −3 ⎤
dT 117 ⎡ 6,25 *10 −3 ⎤
=
− 1⎥ exp ⎢
⎢
⎥
dt t 1/ 2 ⎣
t
t
⎦
⎣
⎦
maksimum sıcaklığa (Tmax) τ1 =6,25 m/s’lik zamanda ulaşılır.
70
İş parçası içindeki bölgesel ısıl çevrimler nüfuziyet kaynağı koşulları altında
geçerlidir ve ısı denkleminin nümerik bir çözümünü gerektirmektedir. Bu tip
hesaplama sonuçlarıyla yapılan bir örnekte de (Mazumder ve Steen (1980)) (5.2) ve
(5.3) denklemlerinin benzer bir fonksiyonel şekli yatmaktadır. İlave örnekler
Metzbower
(1994)
tarafından
verilmiştir.
T(t)’nin
ölçümleri
termokupllar
kullanılarak yürütülmüştür. (Aoh, Kuo ve Li (1992)) Yapılan çalışmalardaki sonuçlar
Şekil 5.6’da gösterilen profile benzerdir, Tmax ve diğer parametreler kaynak hızına,
lazer gücüne ve malzeme sabitlerine bağlı olarak değişmektedir.
Şekil 5.7 Lazer kaynağında sıcaklık profili
Isıl çevrim, kaynağın komşu bölgesi olan ITAB’daki sıcaklık etkisini anlamak
içinde kullanılabilir. Çünkü bu bölgedeki ısınma hızı tane büyümesini, ITAB’ın ısıl
davranışını ve mikroyapıyı belirler.
Farklı kalınlıklardaki levhaların alın kaynağında, farklı noktalardaki sıcaklık
çevrimini hesaplamak için bir sonlu eleman tekniğide Yang, Hsu ve Allbright (1993)
tarafından geliştirilmiştir. Soğuma hızları bu termal çevrimlerden faydalanılarak
tahmin edilmiş ve 700-3500 ° C/s aralığında olduğu bulunmuştur. Aynı kalınlıktaki
iki levhanın alın kaynağı için en yüksek değerler ergime bölgesi kenarında elde
71
edilmiştir. ITAB sınırının ve erime bölgesinin simülasyonuyla deneyler arasında iyi
bir uyum yatmaktadır. (Duley, 1998)
5.3 Lazer Kaynağında Temel Kaynak Parametreleri
Sürekli ve darbeli lazer kaynağı için başlıca temel işlem parametreleri aşağıda
açıklanmaktadır.
5.3.1 Lazer Gücü
Bir lazer kaynak sisteminin çalışma aralığında, verilen bir malzeme ve kaynak
nüfuziyet derinliğinin belirlenmesi için lazer gücü ve kaynak hızı arasındaki bağıntı
tanımlanması gereken ilk parametredir. Bu eğri veya eğriler kümesi bazı önceki
deneysel bilgilerin ışığında sistem üzerinde deneysel bir şekilde türetilir. Böyle bir
örnek; karbonlu çeliğin CO2 lazer kaynağı için Şekil 5.4’de gösterilmektedir.
Şekil 5.8 Farklı kalınlıklardaki karbonlu çelik levhalar için
kaynak hızının [CO2] lazer gücüne göre fonksiyonu (Duley, 1998)
72
Şekil 5.8’deki bu eğriler, nüfuziyet derinliği bu koşullar altında optimizasyon
kriterine dayalı olarak çok sınırlandırılmış dar bir aralıkta olabildiği halde, genellikle
uygun kaynak edilebilirliğe yol gösteren koşullar aralığının belirlenmesini
sağlamaktadırlar. Şekildende görülebileceği üzere levha kalınlığının artmasıyla
kaynak hızı azalırken, iş parçasına verilen güç, dolayısıyla enerji miktarı
yükselmektedir.
Ayrıca bu değerler, nüfuziyet derinliği d dikey eksende ve kaynak hızı v yatay
eksende olacak şekilde sabit lazer gücü içinde verilebilir. Şekil 5.9’da 1 kW ortalama
güç kapasiteli bir Nd:YAG lazerinin farklı metalleri kaynak etmesi ve farklı kaynak
koşulları altındaki kaynak profilinin şeklini göstermesi bakımından önemlidir. Bu
şekilde nüfuziyet derinliğinin
veya kaynak hızı eğrisinin fonksiyonel formu
genellikle lazer kaynağında gözlemlenir ve yaklaşık olarak d=c/v’dir. Burada c
sabittir.
Şekil 5.9 1 kW Nd:YAG lazerinin kaynak performansı (Hoult, 1990)
73
Dikiş genişliğide ayrıca ölçülebilir ve kaynak hızı ile arasında bağlantı kurulabilir.
Şekil 5.10’da tipik bir kaynak profilinin şekli gösterilmektedir. Genel olarak,
kaynağın en üstündeki dikişin genişliği (L1), kaynağın daha derinlerindekinden daha
büyüktür. Bu iki değer arasındaki farklılık kaynak hızına ve iş parçasına giren lazer
yoğunluğuna bağlı olarak değişmektedir. Kimara, Sugiyama ve Mizutome (1987) L1
ve L2 arasındaki farklılıkları azalan kaynak hızı ve sabit lazer gücü için rapor
etmişlerdir.
Şekil 5.10 Kaynak dikişi formu (Duley, 1998)
Gözeneklilikte, kaynak kalitesinin değerinin biçilmesinde önemli olabilen diğer
bir parametredir ve kaynak işlemi koşullarına bağlı olarak değişir. Gözeneklilik
özellikle tam nüfuziyetin olmadığı derin kaynaklarda önemlidir. Örneğin, Şekil
5.7’de bir Al alaşımının kaynağında gaza dönüşebilen oluşumlar görülmektedir.
Doğru çalışma koşullarının seçimiyle bu problem minimum düzeye indirilebilir.
Richter, Eberle ve Maucher (1993) darbeli-dalga (PW) ve sürekli-dalga (CW) tahrikli
lazer kaynağı için gözenekliliği azaltan verimli bir kombinasyon göstermişlerdir.
(Duley, 1998)
74
Şekil 5.11 Al alaşımının lazer kaynağında gaza dönüşebilen oluşumlar
(Duley, 1998)
5.3.2 Odaklama
Optimum odaklama koşullarının belirlenmesi bazı detaylarıyla Dawes (1992)
tarafından incelenmiştir. Bir lazer ışınının ayna ve lens kullanarak odaklanması Şekil
5.12’de gösterilmektedir. Lazer ışınının iş parçasının yüzeyine odaklanmasıyla çok
iyi sonuçların temin edileceği beklenir, fakat gerçek durum genellikle böyle değildir.
İlk problem, odaklamanın nerede meydana geleceğinin tahmin edilmesidir. Bazı
durumlarda odaklamanın yakınındaki bölgeler testlerde sık sık yanmaktadır. Bu
özellikle odaklama sistemi geniş bir f odaklama derinliğine (f/sayısına) sahip
olduğunda gerçekleşir.
75
Şekil 5.12 Bir ayna veya lens kullanımıyla lazer ışınının odaklanması (Wirth, 2004)
Odaklama için kama-şekli (wedge-shaped) akrilikten yapılmış bir numune
kullanılır; burada ışının merkez hattından odaklama yapılır. Bu odaksal düzlemi
yerleştirmek için kullanılan bir metoddur. Diğer bir metodda odaksal düzlemin, ışın
profilinin
her
gerektirmektedir.
iki
tarafındaki
analizinden
pozisyonun
hesaplanmasını
76
Şekil 5.13 Lazer ışınının odaklanması ve kaynak işleminin yapılabileceği bölge
(Laserstar)
Lazer yoğunluğu, odaksal düzlemde en yüksek olduğu halde, optik veya lazer
ışını ekseninin her iki tarafında odaksal düzlemden uzaklaştıkça azalır. (Şekil 5.13)
Nüfuziyet kaynağı için anahtar deliği gerektiği gibi, derin bir kaynak dikişinin
oluşturulmasında lazer odaklamasının iş parçasının üzerinde olması kolaylık
sağlamaz. Bunun yerine, böyle koşullarda odaklama yüzeyden içerideki bir noktaya
yapılmalıdır. Bu etki ile ilgili deneysel bir çalışma olarak Matsumura ve diğerlerinin
(1992) Al alaşımlarının CO2 lazer kaynağı ile kaynak edilmesi verilebilir. Şekil
5.14’de bu durumla ilgili olarak elde edilen etki verilmiştir. Bu şekilde, negatif
odaksal nokta iş parçası yüzeyinden aşağıdaki uzaklığa gönderme yapmaktadır.
Nüfuziyet derinliğindeki artış, yüzeyin içindeki odaklamadaki yükselmeyle görülmüş
ve parça içindeki çoklu yansımaların gücündeki artışıda beraberinde getirmiştir.
77
Şekil 5.14 Al alaşımları için çeşitli kaynak hızları için odaklama noktasının
nüfuziyet derinliği üzerindeki etkisi (Duley, 1998)
Odaklamadaki kritikliğin artmasıyla odaklama derinliği (f/sayısı) oldukça
azalmaktadır.Bundan dolayı odaksal düzleme bağlı küçük pozisyon değişimleri
yoğunluktaki büyük bir değişimle sonuçlanmaktadır. Lazer kaynağı için seçilmiş
hızda gerekli yoğunluğun odaklama derinliğinin en yüksek ve sürekli olduğu yerde
kulanılması gerekmektedir.
78
Şekil 5.15 Al alaşımları için lazer ışınının odak noktası, odaklama derinliği ve odaksal düzleme olan
uzaklıkların gösterimi
Odaksal düzlemin kaynak edilecek birleştirmeye bağlı pozisyonuda ayrıca önemli
bir husustur. Ve sık sık bağlantının yerleştirilmesine, boşluk ayrımına ve hareket
kontrol sisteminin dengesine bağlı olarak oldukça kesin gerekliliklere yol
göstermektedir. Farklı kalınlıklardaki bileşenlerin kaynak işlemi esnasında,
metalurjik özellikler açısından ışın profilini dikişin diğer tarafına ötelemek
avantajlıdır. Örneğin; ağır-ölçekli bir malzeme ile hafif-ölçekli bir malzemenin alın
kaynağı yapılacağı zaman, ışının merkezini daha kalın malzemenin üzerine lazer
gücünün daha etkili olacağı şekilde ötelemek daha avantajlı olabilmektedir. Böylece
ince bileşen boyunca yanma olasılığı olmadan kaynağın her iki tarafında tam
nüfuziyeti temin edilebilmektedir. Kesin koşullar altında, faklı yoğunluk dağılımları
ve odaklama karekteristikleriyle lazer ışınının iki bileşene ayrılması oldukça
önemlidir. Bu durum kaynak kabiliyetini iyileştirmektedir. (Duley, 1998)
5.3.3 Koruyucu Gaz
Bütün kaynak işlemlerinde en önemli parametrelerden biri koruyucu gazın
özellikleridir. Örneğin; ark kaynağında gaz özellikleri ve gaz karışımı kompozisyonu
79
kaynak edilecek malzemeye bağlı olarak değişir. Koruyucu gazın seçiminde gazlar
ve ergimiş metal arasındaki kimyasal ve metalurjik etkileşimler dikkate alınmalıdır.
Ark kaynağında arkın korunmasında koruyucu gazın yoğunluğunun önemli bir etkisi
varken, lazer kaynağında ise koruyucu gaz plazma oluşumunu minimuma indirerek
istenilen kaynak nüfuziyetini elde edebilmek açısından önemli bir role sahiptir.
Bu gazın ilk rolü kaynak bölgesinde oksidasyonu önlemektir. İkinci ve kritik
fonksiyonuda, kaynak bölgesi üzerindeki buhar ve kaynak bölgesi içinde
yaratılabilecek plazma oluşumunu bastırmak ve plazma oluşumunu durdurmaktır. En
son rolü ise, lazer ışınının kaynak bölgesine minimum kesilme ile ulaşmasını temin
etmektir. Böylece kaynak kalitesi iyileştirilir. Koaksiyel ve taraflı gaz akış
nozullarıyla gazı kaynak bölgesine yönlendirmenin her ikisi de kullanılan
alışılagelmiş yöntemlerdir.
Genellikle koruyucu gaz olarak Helyum ve Argon kullanılmaktadır, yüksek
iyonizasyon enerjisinden dolayı Helyum gazı tercih edilir. Azotda Helyum ile yer
değiştirebilecek ve genellikle kullanılan bir gazdır, aynı özelliklerin bir çoğuna
sahiptir fakat daha ucuzdur.
Gaz debileri genellikle 10-40 litre/dak, daha yüksek kaynak hızları için daha
yüksek debiler gereklidir (>10 m/dak). Gaz akışının optimizasyonunun kaynak
nüfuziyeti etkisi Şekil 5.16’da görülebilir. Azot gazının kullanımı, Helyum’dan daha
çok plazma ateşlemesine ve sınırlandırılmış bir kaynak nüfuziyet derinliğine yol
göstermektedir.(Behler ve diğerleri, 1988)
80
Şekil 5.16 Yardımcı gazın tipinin plazmanın ateşlenmesinin ve kaynak
sonuçlarının üzerindeki etkisi (Duley, 1998)
Şekil 5.17 Nozul geometrisinin kaynak kalitesi üzerindeki etkisi
(Duley, 1998)
Kaynak bölgesi boyunca gaz akışı banyodaki sıvı akışının dengesini bozabilir, bu
da düşük kalitede kaynaklara sebep olmaktadır. (Şekil 5.17) Bu akış etkileri nozul
81
geometrisinin kuvvetli bir fonksiyonudur ve bu problemi minimuma indirmek için
çeşitli nozul dizaynları gerçekleştirilmiştir.
Aluminyum ve titanyum gibi hızlı oksitlenebilen malzemelerin kaynağı yapıldığı
zaman kaynağın kökünün havadan çok etkilenen arka tarafından korunması
gereklidir. Argon ve N2 gazları bu uygulamada sık sık kullanıldığı halde, He gazı
tercih edilir çünkü havadan hafif olduğu için kaynağın altından iş parçasının
yüzeyine doğru yükselir.
Kesin koşullar altında, su altında kaynak için CO2 lazer ışınımı su boyunca 1-2
mm uzaklığında kendi dalga kılavuzuna benzer bir yapı oluşturarak yayılır. (Dunn,
Bridger ve Duley (1993)) Lazerin yoğunluğu bu işlemle dağılmıştır, fakat Shannon
ve diğerleri (1994) çeliğin su altında lazer kaynağını yaparak kabul edilebilir
kaynaklar elde edilebildiğini göstermişlerdir.
Koruyucu gazlar ile ilgili olarak yapılan çalışmalarda istenilen amaçlara ulaşmak
için, numune yüzeylerinde gaz akışı tarafından yaratılan basınç kaydedilerek çalışma
parametreleri üzerindeki etkisi analiz edilmektedir. Bu sebepten araştırmalarda
genellikle malzemeyi oksidasyondan korumayı garanti edecek, plazma oluşumunu
bastırarak maksimum kaynak nüfuziyeti gerçekleştirecek minimum gaz akış
hızlarının belirlenmesi gerekir. (Duley, 1998)
5.4 Birincil Ayarlanabilir Kaynak Parametreleri
Lazer kaynağında parametrelerin detaylı analizi konusuna geçmeden önce genel
olarak bu parametrelerin etkilerini inceleyelim. Lazer kaynağında parametreleri
pratik olarak birincil ve ikincil parametreler olmak üzere iki gruba ayırabiliriz. Lazer
kaynağında birincil ayarlanabilir kaynak parametreleri gerilim, darbe süresi ve ışın
çapıdır. Gerilim ve darbe süresi arttıkça ışının taşıdığı enerji miktarıda artacak, ve bu
iki parametrenin azalmasıyla birlikte de azalacaktır. Bu sebepten gerilim ve darbe
süresinin enerjiyle doğrudan ilişkili olduğunu unutmamak gereklidir, fakat her
ikiside farklı sonuçlar yaratan iki farklı parametredir. Gerilim enerji gerektiren
82
fiziksel bir basınç olarak tesir eder ve etkin nüfuziyet oluşturur. Darbe süresi ise lazer
ışınına maruz kalma zamanıdır ve iş parçasında ergimeyle sonuçlanır. Genellikle
gerilim ve darbe süresi için “enerji ayarları” olarak bahsedilir. Şekil 5.18’de gerilim
ve darbe süresindeki değişimin etkileri gösterilmektedir.
Şekil 5.18 Gerilim ve darbe süresindeki değişimin ergime ve
nüfuziyet üzerindeki etkileri
Şekil 5.19 Hem gerilim hemde darbe süresindeki değişimin ergime ve nüfuziyet
üzerindeki etkileri
83
Lazer ışını tarafından oluşturulan toplam enerjinin yayıldığı alan ışın çapı
genişliğinin
bir
fonksiyonudur. Bu
parametre
“fokus
(odaklama)”
olarak
isimlendirilmektedir. Işın çapını değiştirerek enerjinin içine odaklandığı alan
değiştirilir. Şekil 5.20’de bu değişimin etkisi gösterilmektedir.
Şekil 5.20 Işın çapındaki değişimin ergime ve nüfuziyet üzerindeki etkileri
Şekil 5.21 Gerilim, darbe süresi ve ışın çapındaki değişimin ergime ve nüfuziyet
üzerindeki etkileri
Darbe frekansı ise ikincil bir parametredir. Lazer darbelerinin birim zamanda (1s)
hangi sıklıkta verildiğini göstermektedir ve birimi Hertz’dir. Mevcut lazer kaynak
makinaları 5 Hz-20 Hz aralığında değişen darbe frekanslarına sahiptirler. Darbe
frekansının artması önceden seçilmiş birincil parametrelerin birim zamandaki
bırakımını arttırır. Daha yüksek bir frekansın sonuçları aynı parametrelere
ayarlanmış tek bir darbeden daha güçlü olacaktır, çünkü kaynak metalinin kaynak
dikişindeki darbeler arasında enerjiyi uzaklaştıracak daha az zamanı olacaktır.
84
Şekil 5.22 Üç farklı lazer kaynak dikişi uygulaması
Şekil 5.16’da üç farklı kaynak uygulaması görülmektedir. Uygulama A’daki
kaynak bir dikiş olarak adlandırılamaz, çünkü noktalar üst üste binmemektedir. Bu
sebepten sadece yan yana dizilmiş bir nokta kaynağı serisidir. Uygulama B’de dikişi
oluşturan noktalar üst üste binmektedir, fakat üst üste binme yeterli olmadığından
dolayı zayıf erimemiş alanlar söz konusudur. Başarılı bir kaynak dikişi oluşturmak
için nokta kaynaklarının üst üste binme yüzdesi kaynak edilecek parçaların lazer
ışınının odak noktasına göre hareketi ve lazerin darbe frekansıyla ilişkili olarak
belirlenir. Bu kaynak makinası üzerinde yapılması kolay bir ayarlamadır. (Brown,
2003)
5.5 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağı Parametreleri
Modern Nd:YAG lazerleri çeşitli darbe frekanslarına sahip her bir darbenin güç
profilini şekillendirme kabiliyetine sahiptirler. Bu durum ısı girdisini kontrol
imkanını vermektedir. Böylece nüfuziyetin, kaynak banyosu şeklinin ve boyutunun,
ergime ayarının, anahtar deliği oluşumunun kontrolü sağlanabilmektedir. Daha
yüksek birleştirme verimleri, daha yüksek tepe gücü, daha esnek ışın bırakımı ve
artan sayıda endüstriyel Nd:YAG cihazlarıyla, Nd:YAG lazerlerini 250W-2kW güç
aralığındaki CO2 lazerlerinin önemli bir rakibi yapmıştır.
Darbeli lazer kaynak yöntemi çeşitli parametreler tarafından kontrol edilmektedir.
Bunlar; ortalama tepe güç yoğunluğu (PD), ortalama güç (PM) , kaynak hızı (V) ve
85
darbe süresidir (TP). Şekil 5.23’de darbeli lazer kaynağında kaynak kalitesini
etkileyen temel kaynak parametreleri, Şekil 5.24’de lazer kaynağında kullanılan
çeşitli darbe şekilleri görülmektedir.
Şekil 5.23 Darbeli lazer kaynağında kaynak kalitesini etkileyen temel kaynak parametreleri (Tzeng,
1998)
86
Şekil 5.24 Darbe şekli opsiyonlarının şematik gösterimi (Unitek-miyachi)
Şekil 5.25 Darbeli lazer kaynağında kaynak parametrelerinin şematik gösterimi
(Unitek-miyachi)
Şekil 5.25 şematik olarak darbeli lazer kaynağında kaynak parametreleri
göstermektedir. Darbeli Nd:YAG lazer kaynak parametreleri ve etkileri aşağıda
verilmiştir.
TP: Darbe Süresi (Darbe Genişliği) : Darbe süresi, iş parçasına uygulanan ısı
girdisini kontrol etmektedir ve birimi milisaniyedir (ms). Darbe süresinin optimum
aralığı malzemeye bağlı olarak değişmektedir. Artan darbe süresi kaynak dikişi
boyutlarını ve ısı etkisi altında kalan bölgenin genişliğini arttırır. Darbe süresi
arttıkça iletim kaynakları biçiminde sığ ve geniş kaynak dikişleri elde edilmektedir.
TF: Darbe Periyodu : Birbirini takip eden iki darbenin başlangıç zamanları
arasındaki farktır. Birimi milisaniyedir.
87
Ep: Darbe Enerjisi: Bu parametre kaynak işlemi sırasında bir darbe tarafından
kaynak bölgesine verilen toplam enerjidir. Birimi Joule’dür. Darbe şekli ve süresi ile
ilişkilidir.
PP: Tepe Gücü: (kW) Belirli bir darbe süresi boyunca lazer darbesinin kaynak
bölgesine verdiği enerji miktarıdır. Birimi kilowatt’tır ve denklem (5.6) ile
hesaplanmaktadır.
PP =
⎡Ep ⎤
DarbeEnerjisi ( J )
PP = ⎢ ⎥ (5.6)
DarbeSüresi (ms)
⎢⎣ T p ⎥⎦
Şekil 5.26 Darbe süresi ve tepe gücündeki artışın kaynak dikişi
kesit alanı boyutları üzerindeki etkileri (Unitek-miyachi)
PD: Tepe Güç Yoğunluğu (kW/mm2): Belirli bir darbe süresi boyunca lazer
darbesinin kaynak bölgesinde odaklanan ışın tarafından oluşturulan alana verdiği
enerji miktarıdır. Birimi kilowatt/ mm2’dir.
PD =
E
TepeGücü (kW )
PD = P
(5.7)
2
TP xA
Odak ( Işşı ) Alanı(mm )
88
Tepe güç yoğunluğunun (PD) lazer kaynağını etkileyen en kritik faktör olduğu
deneysel olarak bulunmuştur. Tepe güç yoğunluğu doğrudan kaynak nüfuziyetini
kontrol etmektedir. Çok yüksek PD değerleri, kaynak işlemi yerine kesme işlemi
oluşumuna sebep olmaktadır. Aksine düşük PD değerleri ise ise nüfuziyet
yetersizliğine sebep olmaktadır. Darbeli lazerlerle kaynak yöntemini etkileyen diğer
parametrelerde lazer ortalama gücünü (PM) ve kaynak hızını kapsamaktadır. Öyleyse
yüksek kaliteli kaynaklar , tepe gücünün (PD), ortalama gücün (PM) ve hızın (V)
doğru seçimi ile imal edilebilmektedir.
PRR:
Darbe
Frekansı:
Denklem
(5.7)
ile
hesaplanmaktadır
birimi
1/saniye,Hertz’dir.
PRR =
1
1
=
DarbePeriyodu TF
(5.7)
PM: Ortalama Güç: Denklem (5.8) ile hesaplanmaktadır, birimi kilowatt’tır.
PM= Darbe Enerjisi (Joule)x Darbe Tekrar Hızı (Hertz) (5.8)
⎡E ⎤
PM = E P xPRR = ⎢ P ⎥ (5.8),
⎣ TF ⎦
CD: Çevrim Oranı: Darbe süresinin darbe periyoduna oranıdır.
⎡T ⎤
C D = ⎢ P ⎥ (5.15)
⎣ TF ⎦
Ortalama lazer gücü PM aşağıdaki denklemler yardımıyla hesaplanabilmektedir.
A: Lazer Odak (Işın) Alanı (mm2) olmak üzere;
PM = E P xPRR =
E P TP
x
TP TF
(5.9)
89
PM = PP xC D =
EP
T
xAx P
TP xA
TF
PM = PD xAxCD
(5.11)
(5.10)
PM = PD xAxTP xPRR (5.12) denklemleri elde edilmektedir.
PER: Üst üste binme yüzdesi: Lazer darbeleriyle oluşturulan dikiş kaynağında
noktaların yüzde üst üste binme oranıdır.
PER =
[S − S ] x100% = ⎡1 − S
ı
S
⎢
⎣
⎤
⎥ x100%
S⎦
ı
(5.16)
S: Bir tek darbe ile oluşturulan nokta kaynağının çapıdır ve denklem (5.17) ile
hesaplanmaktadır.
S=W+VxTP (5.17) (Şekil 5.21)
V: Kaynak hızı
W: Nokta kaynağının en küçük çapı
Sı : Nokta kaynağında üst üste binmenin olmadığı uzunluk olup denklem (5.18) ile
hesaplanmaktadır.
Sı=VxTF (5.18) (Şekil 5.21)
S ve Sı değerlerinin denklem 5.16’da yerlerine konmasıyla ;
⎡
VxTF ⎤
PER = ⎢1 −
⎥ x100% (5.19)
⎣⎢ W + VxT p ⎦⎥
denklemi elde edilmektedir.
90
Şekil 5.27 Nokta kaynağı (solda) ve dikiş kaynağında dikiş boyutları
(Tzeng, 1999)
Denklem (5.19)’dan üst üste binme yüzdesinin, darbe süresi, darbe periyodu,
kaynak hızı ve nokta kaynağının en küçük çapına bağlı olarak değiştiği
görülmektedir. Darbeli lazer kaynağı uygulamaları için, genel kural 0 ≤ PER ≤ 1
eşitliğinin denklem (5.19)’a uygulanmasıdır. Çünkü darbeli lazer ışını ve iş parçası
arasında bağıl bir hareket vardır. Öyleyse denklem (5.19) takip eden şekilde yeniden
düzenlenmelidir;
0 <V ≤
W
(5.20)
TF − TP
Denklem (5.20)’den şöyle bir sonuç çıkarılmaktadır. Uygun kaynak hızları
ortalama lazer gücüne bağlı olarak değişen bir lazer odak(ışın) çapı ayarına bağlıdır.
Daha yüksek güç kullanımı darbeler arasındaki zamana ve darbe süresine bağlı
olarak daha yüksek kaynak hızlarına olanak sağlayacaktır. Pratikte darbeli lazer ışın
kaynağında tam nüfuziyetli bir kaynak dikişi elde etmek için, PER en az % 50 ve daha
büyük seçilmelidir. Öyleyse kaynak hızı operasyon aralığı takip eden sınırlar
arasında olmalıdır;
0 <V <
W
2TF − TP
(5.21)
Darbeli lazer ışın kaynağı için, en önemli işlem parametreleri lazerden
etkilenmiş alan üzerindeki ısıl giriş hızını idare eden ortalama tepe güç yoğunluğu
(PD), lazer ışınımı ve iş parçası arasındaki etkileşim zamanını kontrol eden darbe
süresidir (TP). Lazerlerin dikiş kaynağı uygulamaları için, yüksek bir güç yoğunluğu
91
talebini karşılamak için önemli olan uygun PD’lerin seçimidir. Uygun bir PD elde
etmek için, lazer odak çapı elde edilebilir düşük güç kısıtlaması yüzünden dikkatli bir
şekilde seçilmek zorundadır. (Tzeng, 1999)
5.5.1 Darbeli Lazer Dikiş Kaynağı Prosesinin Parametrik Analizi
Darbeli lazer dikiş kaynağı uygulamaları için temel kaynak parametreleri hem
darbeli hemde sürekli mod için aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır.
1) Darbeli lazer dikiş kaynağı için ortalama tepe güç yoğunluğu. Sürekli modda ise
doğrudan ortalama güç yoğunluğu. (Tzeng, 1999)
PD =
PM
E
= ( P ) xC D (5.24)
D
TP xD
2) Etkileşim Zamanı (TIN) (Darbeli lazer kaynağı için)
TIN =
dS
T
xC D (= P ) (5.25)
V
TF
3) Özgül Enerji (EORT)
EORT =
P xT
PP xTP xPRR PP xC D
EP
P
π
=
=
= M = P 2 IN = ( ) xPD xTIN (5.26)
d S xV
d S xV
d S xVxTF d S xV
4
dS
4) Kaynaklardaki üst üste binme yüzdesi (PER)
⎡
VxTF ⎤
PER = ⎢1 −
⎥ (5.27)
⎣ W + VxTP ⎦
⎡
⎤
1
PER = ⎢1 −
⎥ (5.28)
⎣ ((Wxd S xEORT ) / E P ) + TP / TF ⎦
⎡
⎤
1
PER = ⎢1 −
⎥ (5.29)
⎣ ((Wxd S xEORT ) / E P ) + C D ⎦
⎡
⎤
1
PER = ⎢1 −
⎥ (5.30)
((
WxT
)
/(
d
xT
)
C
+
IN
S
P
D ⎦
⎣
92
5.5.2 Darbe Süresinin (TP) Isı Akışı Üzerindeki Etkisi
Kaynak dikişi boyutları, kaynak parametreleri değişiminin ısı akışı üzerindeki
etkisinin bir ölçüsüdür. Kaynak banyosundaki ısıl denge için, lazer ışını tarafından
kaynak bölgesine verilen tüm enerjinin kaynak bölgesinin ergimesi için kullanıldığı
varsayılmaktadır. Ve ilgili denklem takip eden şekilde ifade edilmektedir.
E P xη =
dW (W + TP xV )
πxρx(C P ∆T + Lm ) (5.31)
4
η: Verim
W: Kaynak Genişliği (m)
d: Kaynak Nüfuziyeti (m)
V: Kaynak Hızı (m/s)
ρ: İş Parçasının Yoğunluğu
CP: Özgül Isı (J/kgK)
∆T: Ergimeden kaynaklanan sıcaklık artışı (K)
LM: Ergime Gizli Isısı (J/kg)
Düşük kaynak hızlarında, kaynak dikişinin uniformluğuna olanak sağlayan darbe
üst üste binme yüzdeleri önemlidir. (Tzeng, 1998)
BÖLÜM ALTI
LAZER KAYNAĞINDA BİRLEŞTİRME TÜRLERİ VE KAYNAK VERİMİ
6.1 Lazer Kaynağında Birleştirme Türleri
Lazer kaynak sistemlerinin en önemli özelliği esnekliktir ve malzemelerin çeşitli
geometrilerde birleştirilmesine geniş bir olanak sağlamaktadırlar. Birçok durumda,
lazer kaynağı ilave dolgu malzemesi kullanılmadan yürütülür, fakat iyi bir kaynak
için tüm şartlarda karşılaşılan ortak sorun kaynak edilecek parçaların yerleştirme
uygunsuzluğudur. Kaynak edilecek parçaların uygun bir şekilde yerleştirilmesi
gerekmektedir. Bu gereklilik dikiş geometrisindeki dar toleransla sonuçlanmaktadır
ve buda dikişe olan lazer odaklamasıyla ilişkilidir.
Lazer kaynağı, lazer ışınının ısıtma etkisi kaynak edilecek birleştirme içine
yayıldığında meydana gelir ve bu lazer ışını ve kaynakla birleştirilecek parçaların ara
yüzeyleri arasındaki kesin optimizasyon yaklaşımına olanak sağlar. Lazer
kaynağında kullanılan bir dizi standart birleştirme geometrisi şekli Şekil 6.1’de
özetlenmiştir.
Lazer kaynağıyla birleştirilecek parçalar çok ince olmadıkça lazer nüfuziyet
kaynağı iletim kaynağından daha çok tercih edilir. (Duley, 1998)
93
94
Şekil 6.1 Lazer kaynağında birleştirme türleri (Duley, 1998)
95
6.1.1 Lazer Alın Birleştirmesi
Lazer kaynağı için en basit birleştirme şekli kaynak edilecek parçaların alın
birleştirilmesidir. Kaynak edilecek levhalar arasındaki boşluk levha kalınlığının ∼
0,05’inden küçük olmalıdır. Lazer ışını her iki levhaya da eşit olarak gönderilmeli,
ışın çapı merkez hattı boyunca ± % 10’dan daha fazla sapmamalıdır. Örneğin; 300
µm’lik bir ışın çapı için bu değer ±30 µm demektir.
Farklı kalınlıklardaki malzemelerin kaynağında optimum odaklama pozisyonu
birleştirmenin merkez hattı dışında, ışının büyük kısmı kalın olan malzeme üzerine
yapılmslıdır. Galvanizli çelik sacların kaynağında özellikle alın birleştirmesi tercih
edilmektedir, çünkü birleştirmedeki çinko buharı tahliyesi bu şekilde daha kolay
mümkün olmaktadır.
Alın birleştirmesinde en önemli şart kaynak edilecek parçaların mengeneyle
sıkıştırılıp kaynağın yapılmasıdır. Levhalar termal gerilmeler ve distorsiyondan
dolayı kaynak sırasında distoriyon eğilimine sahip olacağından ince levhaların
kaynağa başlanmadan önce puntalanması gereklidir.
Düşük viskoziteli malzemelerin alın kaynağı prosesinde (örneğin; Al alaşımları)
destek plakası kullanılmalıdır. Kaynağın kökü destek noktasına bir T birleştirmesi
şeklinde uzar. Bu kaynağın kök kısmından damlanın düşmesini ve kaynak
başlangıcındaki oluk oluşumunu önlemektedir. (Duley, 1998)
6.1.2 Lazer Bindirme Birleştirmeleri
Bindirme birleştirmelerinde kaynak dikişinin pozisyonu çok kritik olmadıkça
lazer ışının iş paraçsına olan yanlış hizalamalarında bile iyi sonuçlar vermektedir.
Kaynak dikişi pozisyonu kritik olmadıkça, bindirme kaynakları ışının yanlış
ayarlamalarını dahi affetmektedir. Yerleştirmede mengene kullanımı gereklidir,
bununla beraber levha ara yüzeylerinde iyi bir birleştirme elde edilmek istenirse,
96
galvanizli çeliklerin veya diğer kaplama yapılmış malzemeler CW lazer ışınıyla
bindirme kaynağı yapılacaksa bu sıkıştırmada ince bir boşluk bulunmak zorundadır.
Bu mengenenin saclar arasında ∼0,1 mm boşluk olacak şekilde ayarlanmasıyla
sağlanmalıdır.
Derin nüfuziyet (anahtar deliği) kaynak koşulları altında eğer mengeneyle
sıkıştırmada uygun yöntem kullanılırsa çoklu scalar başarılı bir şekilde kaynak
edilebilir. Farklı kalınlıklardaki iki veya daha fazla levhanın kaynağında tercih edilen
geometri ince sacın kalın sac üzerinde olmasıdır. (Duley, 1998)
6.1.3 Lazer Kenar Birleştirmeleri
Hizalamanın, kaynak hızının, lazer gücünün dikkatli bir şekilde seçimi ile ince sac
malzemelerin sac kalınlıklarının kat kat üstündeki derinliklerde nüfuziyet kaynağı
yapılabilir. Bu konfigürasyondaki yanlış ayarlama boyunca yanmaya, nüfuziyet
yetersizliğine ve birleştirmedeki tüm dayanımın nüfuziyet yetersizliğine bağlı olarak
değişimine sebep olur.
Bu geometride boşluk toleransı çok daha önemlidir, çok iyi bir yerleştirme
gerektirmektedir ve maksimum boşluk en ince sac kalınlığının 0,05 katını
aşmamalıdır.
Galvanizli
sacların
kaynağında
bir
kenarın
varlığı
işlemi
kolaylaştırmaktadır, buna karşın, derin nüfuziyetli kaynaklarda basınç artımını
engellemek için bir boşluk gerekmektedir. (Duley, 1998)
6.1.4 Lazer T Alın ve Bindirme Radyüslü Birleştirmeleri
Bu geometrideki birleştirmelerde bir köşe yoksa ve normal giriş mümkünse lazer
ışını 7-10°’lik bir açı ile girmek zorundadır. Birleştirmeye bağlı olarak odak noktası
pozisyonu oldukça kritiktir, çünkü ışın yansıması meydana gelebilir ki bu da tam
nüfuziyetin temininde önemlidir. İyi bir kaynak dayanımı tüm bileşenlerin dikiş hattı
boyunca tamamen ergitilmesiyle elde edilir. Bu birleştirmede de boşluk genellikle
kalınlığın 0,05 katı olabilir ve lazer ışını dikişe lazer odak (ışın) çapının maksimum
97
∼0,5 katı olacak şekilde hizalanmalıdır. Ağır-ölçekli malzemelerde T alın kaynakları
birleştirmenin her iki tarafından yapılabilir. Erime bölgesinde giren lazer ışınından
dışarı doğru bir eğri gözlemlenir ve bu durum erime bölgesinin doldurulmasını
arttırır. Anahtar deliğinin yeniden açılanması ısıl iletimi arttırır ve “ışın kayması”
veya “kaymış kaynak” etkisini üretir. (Duley, 1998)
6.1.5 Lazer Flare Birleştirmeleri
Bu birleştirme geometrisi yüksek yansıtmaya sahip metallerde kullanılmaktadır.
Eğik gelen lazer ışını iki levha içerisine alınarak kaynağın kökünde bir kama formu
oluşturur. Lazer ışınının doğru kutuplanmasıyla giren lazer gücü iki levhanın
birleştirildiği noktada etkin bir şekilde depolanabilir. (Behler ve diğerleri, 1988 a,c)
Bu uygulama boru kaynağında ve kaplamalı metal levha imalatında kullanılmaktadır.
Lazer ısıtma elektrik direnç kaynağıyla birleştirilebilir,bu uygulama proses veriminin
arttırılması için kullanılmaktadır.
Bu geometri, birleştirme geometrisinin lazer ışınını hapsetmesi ve dikişten
çevreleyen birleştirme bileşenlerine yansımasını engellemesi bakımından da
yararlıdır. Çünkü bu metod lazer gücü verimini arttırır, kaynak hızı daha yüksek
olabilir. Bu uygulama halkaların eliptik bindirme kaynağı şeklinde birleştirlmesini
kapsamaktadır. (Şekil 6.2) (Duley, 1998)
98
Şekil 6.2 Lazer flare birleştirmesi (Duley, 1998)
99
6.2 Lazer Kaynağında Kaynak Verimini Arttırma Yöntemleri
Metallerin temiz yüzeyleri, hem CO2 hemde Nd:YAG lazeri dalga boylarını
yüksek derecede yansıtırlar, fakat bu yansıtma artan sıcaklıkla azalmaktadır. Ayrıca
bir çok metal ergime noktaları yakınındaki sıcaklıklara ısıtıldıklarında hızlı bir
şekilde oksidasyona uğrarlar. Sonuçta, lazer ışını soğurulmasında bir artış olur.
Sonuçta, Iτ, I giren lazer ışını yoğunluğu ve τ metal yüzeyi üzerindeki belirli bir
noktada durma zamanıdır. (Kinsman ve Duley, 1986)
Iτ’nun yüksek (geniş) değerlerinde bir ısıl kaçış etkisi buharlaşmaya, yüzey
bölünmesine ve bir anahtar deliği oluşumuna yol göstermektedir. Kaynak verimi bir
güç (veya enerji) transfer katsayısı olarak tanımlanır ve ηsembolü ile ifade edilir.
η=
Lazer.Gücü( İş.Parçası.tarafıaraf n.absorbe..edilen).
(6.1)
Giren.Lazer.Gücü
Burada anahtar deliği oluşumu için η eşiğin altındadır, fakat bir anahtar deliği
oluştuğu zaman bire yaklaşabilir. Erime verimi veya erime oranı, ε ile
gösterilmektedir.
ε=
vdW∆H m
(6.2)
P
Bu formülde ε giren lazer gücünün eritme hızıyla ilişkilidir ve P giren lazer
gücünü, v kaynak hızını, d levha (sac) kalınlığını, W ışın genişliğini, ∆Hm erime
sıcaklığında metalin ısı içeriğini ifade etmektedir.
ε’nun maksimum değeri nüfuziyet kaynağı için 0,48 ve iletim kaynağı için
0,37’dir. (Swift-Hook ve Gick 1973) Ayrıca η≅1 olsa bile, ε asla 1’e yaklaşamaz.
100
Anahtar deliği oluşumu için eşiğin altında, hem η hemde ε soğurma katsayısı
A’nın artmasıyla arttırılabilmektedir. Bu durum aşağıdaki yollarla başarıyla
sonuçlanabilmektedir.
1. Soğurucu (absorbant) bir kaplama uygulanması
2. Yüzey pürüzlülüğü arttırma veya (texturing)
3. Ön tav
4. Geçici ışınlama (şualandırma) profiline yeni bir biçim verilmesi
5. Oksitleme/Nitritleme (Oxidation/ Nitridation)
6.2.1 Soğurucu Kaplamalar
Bu kaplamalar Steen (1986) ve tarafından araştırılmıştır. Bazı kaplamaların
özellikleri Tablo 6.1’de özetlenmiştir. Bu kaplamalardan beklenen özellikler
şunlardır;
1. Uygulama(nın) kolaylığı
2. Metal yüzeye yapışma
3. Metal yüzeye iyi ısıl iletim
4. Kimyasal kararlılık
5. Kaynak metalurjisiyle karışmama
Siyah boya bu kriterlerin çoğunu karşılamaktadır, fakat ısıtmanın erken
basamaklarında katmanlarda gaza dönüşümden dolayı kaybolmaktadır ki buda etkin
η değerini düşürmektedir.
Kolloidal grafit daha kararlıdır, fakat karbonun alaşımlandırması genel bir etkidir.
101
Tablo 6.1 Lazer yüzey ergimesi için soğurucu kaplamalar Steen, Chen ve West (1987)
KAPLAMA
YORUMLAR
SOĞURMA (%)
Kolloidal Grafit
Kaplama sonucu birleşimde hata olursa
ergime öncesinde gaz haline geçme veya
yanma meydana gelebilir; eğer erime
başarılırsa
kaplamada
∼78
karbon
alaşımlandırması olacaktır.
Manganez-
Oksijeni vererek ayrışır.
Dioksit
Manganez fosfat
Bazı döküm proseslerinin bir yan ürünüdür.
∼75
Bir miktar fosforun kaplamadan erimiş
banyoya girmesi bir sanştır.
Çinko fosfat
Manganez fosfatla aynı etkiye sahiptir.
Siyah Boya
Boya erime başlamadan önce yok olabilir.
Alcaline
Isınmada hasara uğramaz, fakat kaynak
∼95
Halides, sodyum banyosunu alaşımlandırabilir. Bu formda
veya
silikat
potasyum “grafitlenmiş curuf” fosfatlama için üstün
∼80
(water nitelikli olarak bulunur.
glass)+ grafit
Kum Püskürtme
Isıtmayı sağlamaktadır ve hiç bir alaşım
ilavesi içermemektedir.
∼70
Kaplamanın malzemesi ve metodu kaynak işlemine önemli düzeyde etki edebilir.
Örneğin; elektrolitik olmayan nikel kaplamalarının kaplama kaplama işlemi
esnasında içlerine katılan fosfor ve diğer kirletici unsurlar kaynak problemlerine
neden olmaktadırlar. Tavsiye edilen kaplama tipi elektrolitik kaplamadır.
Kaplamanın kalınlığı ve tipide düşünülmesi gerekli diğer bir unsurdur. Örneğin; 1,27
mikrometre’nin üzerindeki bir altın kaplama bir kaynak çatlağına neden olabilir.
102
6.2.2 Yüzey Pürüzlülüğü Oluşturma
Zımparalama, kum püskürtme veya ovalama metallerin yüzey pürüzlülüğünü
arttırmada etkin yollardır. Pürüzlülüğün derecesi çakıl boyutuna, mekanik basınca,
gaz akışına v.b. bağlı olarak değişmektedir. Bu etki farklı prosesler için Tablo 6.2’de
gösterilmektedir. Çeşitli malzemelerin kaplanması ve boyanmasıyla elde edilmiş olan
son yansıtma karşılaştırılmaktadır. Yansıtmadaki en büyük düşüş beklendiği gibi
kıyaslanabilir boyutta çakılla 10,6 µm’lik lazer dalga boyunda kum püskürtme
sonunda meydana gelmektedir.
Kum püskürtme yöntemi ile yansıtmadaki (R) etkileyici düşüşe rağmen, bu
yöntemin uygulanması çevresel üretim bakımından bir çok kısıtlamaya sahiptir.
Sonuçta artan ışın emilimi (A) nedeniyle kum püskürtme diğer tekniklere kıyasla
pratik bir teknik değildir. Benzer sınırlamalar zımpara kağıdı kullanımıyla yapılan
uygulamalarda da ortaya çıkmaktadır.
Ayrıca kapsamlı bir çalışmada Weiting ve Rosa (1979) tarafından 304 paslanmaz
çeliğinin yüzey absorbsiyonun SiC kağıdı kullanılarak yapılan yüzey pürüzlülüğü
etkileri araştırmasıdır. Yutma katsayısında (A) T<400 °C’de küçük bir artış olduğu
halde, yüzey pürüzlülüğünün oluşturduğu hatalardan dolayı 600 °C yakınlarında
şaşırtıcı bir düşüş vardır.
Lazer kaynağından önce aluminyumun anodize edilmesinin kaynak nüfuziyetini
ergimiş olan hacim kadar arttırdığı görülmektedir. (Mallory, Orr, ve Wells, (1988))
Farklı işlemler görmüş olan son yüzeylerin emilim katsayısı (A) ve kaynak
özellikleri üzerindeki etkisi Tablo 6.2’de özetlenmiştir.
Yapılan tüm kaynaklarda gözeneklilik gözlenmiştir, ancak gözenekliliğin
derecesinin işlemler sonrası son yüzeyle ilişkisi yoktur. Benzer sonuçlar Duley ve
Mao (1994) tarafından elde edilmiştir.
103
100
Doğrudan Yansıtma
90
Geçirgen Yansıtma
YANSITMA (R) %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Şekil 6.5 Uygulanan çeşitli yöntemlerin malzemenin lazer ışınını yansıtması üzerindeki etkileri
(Duley, 1998)
1. Zımparalama (1 µm)
2. Kum Püskürtme (19 µm)
3. Kum Püskürtme (50 µm)
4. Yüzey İşlemleri
5. Oksidasyon
6. Grafit Kaplama
7. MoS2
8. Boyama (Dispersion)
9. Boyama (Plaka)
BÖLÜM YEDİ
LAZER GÜVENLİĞİ
7.1. Lazer Kaynak Yönteminde Lazer Güvenliği
Lazer güvenlik standartı, IEC 60825-1 ve ANSI Z136.1, dünya çapında kabul
edilmiş maksimum izin verilebilir korunmasızlık değerlerini çeşitli dalga boyları ve
çalışma modları için listelemiştir. Bu yönetmeliğe uymak Avrupa Topluluğunda
zorunludur.
Ayrıca
bazı
ülkelerde
bazı
ilave
ulusal
yönetmeliklerde
gözlemlenmektedir. Örneğin; Amerika Birleşik Devletlerinde lazer ürünlerinin
kullanımı 21 CFR 1040 yönetmeliğiyle yürütülmektedir ve “Lazer Bildirisi 50”
FDA’nın bir parçası olan CDRH tarafından 2001 yılında yayımlanmıştır.
Tehlike potansiyelleri göz önünde tutularak lazerler, yayılan ışının dalga boyuna
ve gücünede bağlı olarak dört güvenlik sınıfında kategorize edilmektedirler.
Malzemelerin işlenmesi için kullanılan yüksek güçlü lazerler (CW modunda ve >0.5
W) 4.sınıf lazerlerdir ve en katı güvenlik korumasını gerektirmektedirler. Yüksek
güçlü lazerler dalga boylarından ve onların insan gözü üzerindeki etkilerinden dolayı
oluşturdukları tehlike potansiyelleri bakımından önemli farklılıklar gösterirler.
7.1.1. I.Sınıf (class I) Lazer
Düşük güçlü (<0,4 mW), güvenli görülebilir dalga boyunda ışık yayan cihazları
kapsamaktadır. Bu cihazlar direkt olarak bakılması önerilmeyen ve herhangi bir
zarara sebebiyet vermeyecek ışınım seviyesine sahiptirler. Bundan dolayı, kontrol
ölçümlerinden ve diğer gözetim şekillerinden muaf cihazlardır. Örneğin, diyot
lazerler.
104
105
Şekil 7.1 Lazer İkaz İşaretleri (Wirth, 2004)
7.1.2 II.Sınıf (class II) Lazer
Yaklaşık olarak 1mW gücünde , görülebilir dalga boyunda ışık yayan yüksek
frekanslı darbeli lazer cihazları bu sınıfa girmektedirler. Korunma parlak ışık yayan
kaynaklara karşı insanın doğal göz kırpma refleksi ile sağlanmaktadır. Ancak çıplak
gözle uzun zaman periyotları boyunca bu ışığa doğrudan bakmak retinaya zarar
verebilmektedir. Helyum-Neon lazerleri bu sınıfa girmektedir.
7.1.3 III.Sınıf (class III) Lazer
Direkt olarak veya yansıyan ışığına bakılması zararlı olan, ancak ciltle teması
halinde zararlı etkisi olmayan lazerler olup iki sınıfa ayrılmaktadır.
106
7.1.3.1 III-a.Sınıf (class III-a) Lazer
Ürettikleri ışığa korumasız gözle doğrudan bakılmaması gereken, odaklayıcı optik
cihazlarla (teleskop,mikroskop,dürbün v.b.) tehlikeli olan, 1-5 mW güçleri
aralığındaki lazerleri ve lazer sistemlerini kapsamaktadır. Örneğin, helyum-neon
lazerler.
7.1.3.2 III-b.Sınıf (class III-b) Lazer
Yangın tehlikesi oluşturabilen, orta güç sınıfında (5 mW-500 mW) bulunan lazer
ve lazer sistemleridir. Koruyucu gözlük olmadan doğrudan ürettikleri ışığa
bakılmaması gereken lazerlerdir.
7.1.4 IV.Sınıf (class IV) Lazer
Yüksek güç sınıfına giren, yangın tehlikesi oluşturan lazerlerdir. Yansımaları dahi
hem cilt hemde çıplak gözle bakıldığında tehlikelidir. Yönetmeliklerde bu tip
cihazların kapalı bir odada çalıştırılması ve gerekli emniyet tedbirlerinin alınması
önerilmektedir.
İnsan gözü merceği ve korneası odaklanmış lazer ışınını retina üzerine
milimetrenin yüzde biri kadar küçük bir nokta olarak odaklar. Öyleki yoğunluk
yaklaşık 300.000 katlık bir faktörle yükseltilmektedir. Bu konu “yakıcı-cam etkisi”
(burning-glass effect) olarak bilinir ve kolayca retinaya zarar verebilir. Buna karşın,
bu durum sadece ulraviole ve kızıl ötesi yakınındaki görünür ışınım bölgesinde
geçerlidir. CO2 lazer ışınımı, 10,6 µm’lik bir dalga boyuyla kızıl-ötesi aralıkta olup,
en dış korneal tabaka tarafından tamamen emilir, böylece “yakıcı-cam etkisi”nden de
korunulmuş olur. Çünkü bu durumda temel tehlike korneal yanmadır. Diğer taraftan
1,06 µm’lik bir dalga boyuna sahip Nd: YAG lazerlerinde ışınımın % 40’ı retinaya
ulaşır ve retinal yanmalarla göze şiddetli hasarlar verebilir. Özellikle 0,8-1,0 µm
aralığındaki dalga boyunda yayılan diyod lazerlerinde ışınımın hemen hemen tamamı
107
retina ile karşılaştığından dolayı yeterli göz koruması tüm güvenlik talimatlarında bir
önceliğe sahiptir. (Wirth, 2004)
Şekil 7.2 İnsan gözü üzerinde “yakıcı cam etkisi” (Wirth, 2004)
BÖLÜM SEKİZ
DENEYSEL ÇALIŞMALAR
8.1 Deneylerde Kullanılan Malzeme
Deneylerde ana malzeme olarak paslanmaz çelik kullanılmıştır. Paslanmaz
çeliklerin en önemli özelliği oksidasyona ve korozyona karşı mükemmel
dirençleridir. En az % 12 Cr ihtiva ederler. Şekil 8.1’de demir-krom denge diyagramı
görülmektedir. Paslanmaz çeliklerin artan krom miktarına bağlı olarak yüksek
sıcaklıklarda oksidasyon dirençleri artmaktadır. Paslanmaz çelikler üç grupta
toplanmaktadır. Bunlar;
1) Ferritik Kromlu Paslanmaz Çelikler
2) Martenzitik Kromlu Paslanmaz Çelikler
3) Ostenitik Krom-Nikelli Paslanmaz Çelikler
Bizim deneyde kullandığımız malzeme olan 304 paslanmaz çelik östenitik kromnikelli paslanmaz çelikler grubuna girmektedir. Bu çeliklere korozyon dirençlerini
arttırmak için çeşitli alaşım elementleri katılmaktadır. Çeliğin içinde yüksek
miktarda krom bulunması paslanmayı önler, kromla beraber nikel bulunması
özellikle asidik ortamlarda yüksek bir korozyon direnci sağlamaktadır. Ostenitik
krom-nikelli paslanmaz çelikler, bileşimlerinde % 12-25 Cr ve % 8-25 Ni
içermektedirler ve antimagnetiktirler. Ancak yüksek krom ve nikel miktarı bu
çeliklerin maliyetlerinin artmasına neden olmaktadır. Çok iyi kaynak kabiliyetine
sahiptirler. Ostenit oluşturucu element nikel, demir-karbon alaşımlarından ferriti
hemen hemen yok ederken östenit alanını genişletir. (Şekil 8.2) Karbon miktarı %
0,03’den az ise karbür oluşmaz ve çelik oda sıcaklığında tamamen ostenitik olarak
kalır.
108
109
Şekil 8.1 Fe-Cr (demir-krom) denge diyagramı (Kou, 2002)
Şekil 8.2 Fe-C (demir-karbon), Fe-Cr (demir-krom) ve Fe-Ni-Cr (demir-nikel-krom)
denge diyagramları (Kou, 2002)
110
Ostenitik krom-nikelli paslanmaz çeliklerin kaynağında en önemli metalurjik
problem ısı etkisi altında kalan bölgede, bu bölgenin 500-900 °C sıcaklık değerleri
arasında uzun süre kalması sonucu ortaya çıkan krom karbür çökelmesidir. (Şekil
8.3) Krom karbürler tane sınırlarında çökelirler ve çeliği taneler arası korozyona
karşı hassas hale getirirler. Bundan dolayı ostenitik krom nikelli paslanmaz çeliklerin
karbon içeriğinin maksimum % 0,06, optimum %0,03 olması gerekmektedir. Krom
karbür çökelmesinin önlenmesi için çeliğin karbon içeriği azaltılmalıdır. Ayrıca
krom karbür çökelmesini önlemek için kullanılan diğer yöntemde çeliğin bileşimine
Ti, Nb ve Ta gibi elementlerin katılmasıdır. Karbon krom atomu yerine titanyum,
niobyumu tercih ederek TiC ve NbC oluşturur. Bu işlem stabilizasyon olarak
adlandırılmaktadır.(Şekil 8.3) (Böhler)
Şekil 8.3 Krom-nikelli ostenitik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarında krom karbür çökelmesi
(Kou, 2002)
Korozyonu önlemek için su verme ısıl işlemi kullanılmaktadır. Korozyona hassas
çelik 1100 °C’nin üzerine ısıtıldığında krom karbürler çözündükten sonra hızla
soğutularak karbürlerin yeniden oluşması önlenir. (Askeland, çev.,2002)
111
Şekil 8.4 Krom-nikelli ostenitik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarında
krom karbür, titanyum karbür ve neodinyum karbür çökelmesi (Kou, 2002)
Tablo 8.1 Deneylerde kullanılan malzemenin kimyasal bileşimi
304
%
Karbon
0,08 max.
Mangan
2,0 max.
Fosfor
0,045 max.
Kükürt
0,030 max.
Silisyum
0,75 max.
Krom
18,00-20,00 max.
Nikel
8,00-12,00 max.
Azot
0,10 max.
Demir
65-71 max.
112
8.2 Kullanılan Kaynak Parametreleri
Bu çalışmada 0,6 mm kalınlığındaki 180mm*200 mm boyutlarına sahip ostenitik
krom-nikelli paslanmaz çelik (304) levhalar Rofin Star Weld Open Tool lazer kaynak
makinasında farklı kaynak parametreleri kullanılarak alın birleştirmesi şeklinde
kaynak edilmiştir. (Şekil 8.4, Şekil 8.5, Şekil 8.6) Lazer kaynak işleminde kullanılan
parametreler Tablo 8.2’de verilmektedir. Kaynak parametreleri olarak gerilim, darbe
süresi ve darbe enerjisi alınmış ve bu parametrelerin değişiminin etkileri
incelenmiştir. Bu çalışmanın amacı, birleştirmenin hem mekanik özellikler hemde
mikroyapı özellikleri açısından uygun kaynak parametrelerinin bulunmasıdır.
Şekil 8.4 Deneyler için kullanılan numunelerin imalatının yapıldığı Rofin Star Weld Tool Open Lazer
kaynak makinası (Rofin)
113
Şekil 8.5 Deneyler için kullanılan numunelerin imalatının
yapıldığı Rofin Star Weld Tool Open Lazer kaynak makinası
lazer kafası ve dijital ekran (Rofin)
Şekil 8.6 Lazer kaynak makinasında deney numunelerinin hazırlanması
(Lazer Metal )
114
Tablo 8.2 Lazer kaynaklı birleştirmelerde kullanılan kaynak parametreleri
Numune No
Darbe Süresi Değişimi
Gerilim
Darbe
Darbe
Darbe
Odak
Süresi
Frekansı
Enerjisi
(Işın)
Çapı
1
240 Volt
4,5 ms
6 Hz
5,4 Joule
0,7 mm
2
240 Volt
6,5 ms
6 Hz
6,1 Joule
0,7 mm
3
240 Volt
8,5 ms
6 Hz
9,5 Joule
0,7 mm
Darbe
Darbe
Darbe
Odak Çapı
Süresi
Frekansı
Enerjisi
Gerilim Değişimi
Gerilim
1
230 Volt
6,5 ms
6 Hz
5 Joule
0,7 mm
2
240 Volt
6,5 ms
6 Hz
7,4 Joule
0,7 mm
3
250 Volt
6,5 ms
6 Hz
8,9 Joule
0,7 mm
Darbe
Darbe
Darbe
Odak Çapı
Süresi
Frekansı
Enerjisi
Darbe Enerjisi
Gerilim
1
260 Volt
3 ms
6,5 Hz
5,8 Joule
0,8 mm
2
260 Volt
3,5 ms
5 Hz
7,7 Joule
0,8 mm
3
260 Volt
8 ms
7 Hz
12,2 Joule
0,8 mm
8.3 Çekme Testi
Çekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bilgilerini
saptamak ve malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ile
geniş çapta kullanılır. Çekme deneyi standartlara göre hazırlanmış deney
numunesinin tek eksende, belirli hızda ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadar
çekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekme
kuvveti uygulandığında, aynı esnada da numunenin uzaması kaydedilir.
Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdaki
mekanik özellikler bulunabilir.(Şekil 8.7)
115
Şekil 8.7 Gerilme-şekil değiştirme diyagramı üzerinde mekanik özelliklerin gösterimi
(Askeland, 1998)
a) Elastisite Modülü
b) Elastik sınırı
c) Rezilyans
d) Akma Mukavemeti
e) Çekme Mukavemeti
f) Tokluk
g) % Uzama
h) % Kesit Daralması
Çekme deneyine tabi tutulan numunenin yukarıda belirtilen özelliklerinin sıhhatli
bir şekilde ortaya çıkarılabilmesi için, alındığı malzemenin tam olarak temsil
edilebilmesi şarttır. Ayrıca şu hususların bilinmesi de sonuçların irdelenmesi
bakımından gereklidir.
Numunenin alındığı malzemenin:
a) İmalat Şekli
-Döküm
116
-Kaynak
-Sıcak Dövme veya Haddeleme
-Soğuk Dövme veya Haddeleme
b) İmalat Şekline Göre Yönlenme
c) Tatbik Edilen Isıl İşlemler
Deney sonuçlarının irdelenmesinde, numunenin alındığı malzemenin yanısıra,
alınan numunede de şu hususların bilinmesi faydalıdır:
a) Numunenin alındığı bölgeler
b) Numunenin alınış şekli
c) Numunenin hazırlanış şekli
Çekme deneyine tabi tutulacak numunelerin şekil ve boyutları standartlarda
belirtilmektedir. Deney sonuçlarının belirli bir standarda uyma zorunluluğu vardır.
(Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996) Çekme deneyi numunesi hazırlanırken kullanılan
standart TS 287 EN 895 olup, Metalik Malzemeler-Kaynaklar Üzerinde Tahribatlı
Deneyler-Enine Çekme Deneyini kapsamaktadır. Çekme deneyleri SHIMADZU
marka çekme test cihazında yapılmıştır. (Şekil 8.8) Çekme deneyi numunesi şekli ve
boyutları Şekil 8.9’de verilmiştir.
117
Şekil 8.8 Çekme testlerinin yapıldığı SHIMADZU test makinası
Şekil 8.9 Kaynaklı birleştirme çekme testi numunesi
118
Tablo 8.3 Darbe süresi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisi
Darbe Süresi (ms)
4,5
6,5
8,5
σÇ
σÇ
σÇ
1
104
188
227,47
Ölçüm
2
124,8
232
354
No
3
149,33
312
346,43
126,04
244,00
309,3
Çekme Mukavemeti
(σÇ, N/mm2)
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
309,3
Malzeme
Kopma Bölgesi
Kaynak
Kaynak
Bölgesinden
Bölgesinden
Esas Metalden
340
2
Çekme Mukavemeti (N/mm )
Darbe Süresi Değişiminin Çekme Mukavemeti Üzerindeki
Etkisi
310
280
250
220
190
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Süresi
Değişimi
160
130
100
4
5
6
7
8
9
Darbe Süresi (ms)
Şekil 8.10 Darbe süresi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
119
Tablo 8.4 Darbe süresi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisi
Darbe Süresi (ms)
4,5
6,5
8,5
σA
σA
σA
1
61,33
50,67
66,67
2
64
66,67
72,35
3
72
85,33
73
65,78
67,56
70,67
Akma Mukavemeti
(σA, N/mm2)
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
70,67
Malzeme
76
2
Akma Mukavemeti (N/mm )
Darbe Süresi Değişiminin Akma Mukavemeti Üzerindeki
Etkisi
74
72
70
68
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Süresi
Değişimi
66
64
4
5
6
7
8
Darbe Süresi (ms)
Şekil 8.11 Darbe süresi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
9
120
Tablo 8.5 Darbe süresi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisi
Darbe Süresi (ms)
4,5
6,5
8,5
Kopma Uzaması
%
%
%
1
2,56
15,87
20,43
2
6,09
23,9
25
3
6,8
46
30
5,15
28,59
25,14
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
31,67
Malzeme
Darbe Süresi Değişiminin Kopma Uzaması (%) Üzerindeki
Etkisi
Kopma Uzaması (%)
35
30
25
20
15
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Süresi
Değişimi
10
5
4
5
6
7
8
9
Darbe Süresi (ms)
Şekil 8.12 Darbe süresi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik
121
Tablo 8.6 Gerilim değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisi
Gerilim (Volt)
230
240
250
σÇ
σÇ
σÇ
1
125,52
157
271,36
2
137,5
199,47
295,57
3
154,66
280,99
360,96
Ortalama Değer
139,23
212,49
309,3
Çekme Mukavemeti
(σÇ, N/mm2)
Ölçüm No
Kaynak Edilmemiş
309,3
Malzeme
Kopma Bölgesi
Kaynak
Bölgesinden
Kaynak
Bölgesinden
Esas Metalden
340
2
Çekme Mukavemeti (N/mm )
Gerilim Değişiminin Çekme Mukavemeti Üzerindeki Etkisi
310
280
250
220
190
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Gerilim Değişimi
160
130
100
220
230
240
250
260
Gerilim (Volt)
Şekil 8.13 Gerilim değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
122
Tablo 8.7 Gerilim değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisi
Gerilim (Volt)
230
240
250
σA
σA
σA
1
66,67
64
61,33
2
69,33
64
64
3
76
69,33
74,67
70,67
65,78
66,67
Akma Mukavemeti
(σA, N/mm2)
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
70,67
Malzeme
120
2
Akma Mukavemeti (N/mm )
Gerilim Değişiminin Akma Mukavemeti Üzerindeki Etkisi
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Gerilim Değişimi
110
100
90
80
70
60
220
230
240
250
260
Gerilim (Volt)
Şekil 8.14. Gerilim değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
123
Tablo 8.8 Gerilim değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisi
Gerilim (Volt)
230
240
250
Kopma Uzaması
%
%
%
1
6,66
9,43
33,9
2
6,8
18,97
31,12
3
6,8
37,9
30
6,75
22,10
31,67
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
31,67
Malzeme
Kopma Uzaması (%)
Gerilim Değişiminin Kopma Uzaması (%) Üzerindeki Etkisi
35
29
23
17
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Gerilim Değişimi
11
5
220
230
240
250
260
Gerilim (Volt)
Şekil 8.15 Gerilim değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik
124
Tablo 8.9 Darbe enerjisi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisi
Darbe Enerjisi (Joule)
5,8
7,7
12,2
σÇ
σÇ
σÇ
1
128,64
138,53
2
161,97
150,27
3
167,97
194,67
Ortalama Değer
152,86
161,157
Çekme Mukavemeti
(σÇ, N/mm2)
Ölçüm No
Kaynak Edilmemiş
315,34
302,4
310,15
309,30
309,3
Malzeme
Kaynak
Kopma Bölgesi
Kaynak
Bölgesinden
Esas Metalden
Bölgesinden
2
Çekme Mukavemeti (N/mm )
Darbe Enerjisi Değişiminin Çekme Mukavemeti Üzerindeki Etkisi
340
310
280
250
220
190
160
130
100
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Enerjisi
Değişimi
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Darbe Enerjisi (Joule)
Şekil 8.16 Darbe enerjisi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
125
Tablo 8.10 Darbe enerjisi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisi
Darbe Enerjisi (Joule)
5,8
7,7
12,2
σA
σA
σA
1
53,33
53,33
53,33
2
61,33
56
64
3
64
58,67
66,67
59,55
56
61,33
Akma Mukavemeti
(σA, N/mm2)
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
70,67
Malzeme
75
2
Akma Mukavemeti (N/mm )
Darbe Enerjisi Değişiminin Akma Mukavemeti Üzerindeki
Etkisi
70
65
60
55
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Enerjisi
Değişimi
50
45
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Darbe Enerjisi (Joule)
Şekil 8.17 Darbe enerjisi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik
126
Tablo 8.11 Darbe enerjisi değişiminin kopma uzaması üzerindeki etkisi
Darbe Enerjisi (Joule)
5,8
7,7
12,2
Kopma Uzaması
%
%
%
1
6,8
8,69
31,8
2
7,53
8,74
31,12
3
13,71
15,27
32,1
9,35
10,90
31,67
Ölçüm No
Ortalama Değer
Kaynak Edilmemiş
31,67
Malzeme
Kopma Uzaması (%)
Darbe Enerjisi Değişiminin Kopma Uzaması (%) Üzerindeki Etkisi
36
30
24
18
Kaynak Edilmemiş
Malzeme
Darbe Enerjisi
Değişimi
12
6
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Darbe Enerjisi (Joule)
Şekil 8.18 Darbe Enerjisi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik
127
8.4 Bükme Testi
Metalik malzemelerin bükme deneyi, malzemelerin şekil değiştirme özellikleri
hakkında genellikle kalitatif bir bilgi edinme gayesiyle yapılır. İmalat esnasında
eğerek veya katlayarak form verilen malzemelerin şekil değiştirme kapasitesinin
tayininde çoğu kez bu testlerden faydalanılır. (Örneğin; kazan sacı, gemi sacı v.s.)
Bükme deneyi, malzemenin kendisi için uygulandığı gibi, bu malzemelerden
kaynak yoluyla birleştirilmiş parçalar içinde uygulanabilir. Böylece kaynak dikişinin
şekil değiştirme kapasitesi, hatta kaynak dikişi ile esas malzeme arasında iyi bir
bağlantının olup olmadığı tesbit edilebilir.
Şekil 8.19 Kaynaklı birleştirmelere uygulanan çeşitli bükme testleri (TWI)
Deney genellikle, yuvarlak veya dikdörtgen kesitli ürünlerden çıkarılan
numunelere uygulanır. Yuvarlak kesitli ürünlerde uygun bir boyda kesilen parça,
genellikle, olduğu gibi deneye tabi tutulur. (Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996)
128
Deneylerin uygulanması ve deney numunesi boyutları TS 282 EN 910 standardına
uygun olarak yapılmış olup, deneyler Shimadzu test makinasında yapılmıştır.(Şekil
8.13) Deney numunesi şekil ve boyutları Şekil 8.14’te verilmiştir.
Şekil 8.20 Bükme testlerinin SHIMADZU test makinası yapılması
Şekil 8.21 Bükme deneyi numunesi şekli ve boyutları
Ayrıca deneylerin yapılmasında kullanılan test makinasının boyutları (mandrel
çapı, makaralar arası mesafe, vb.) Şekil 8.15’te görülmektedir.
129
Bir mandrelle bükme deneyinde kaynak, makaralar arası mesafenin ortasında
olmalıdır. Deney numunesi, deney numune yüzeyine dik olarak açıklığın tam
ortasında kaynak ekseni üzerine bir mandrel vasıtasıyla yükün tedrici ve sürekli
olarak uygulanmasıyla bükülmelidir.
Şekil 8.22 Bükme deneyi numunesi test düzeneği şekli ve boyutları (TS 282 EN 910)
Bükme deneyi için kullanılan test düzeneğinin şekli Şekil 8.22’de verilmiştir.
130
Tablo 8.12 Bükme deneyi için kullanılan test düzeneği boyutları ve deney sonuçları
Deney
Deney
Numunesi Tipi
Mandrel
Makaralar
Eğme
Muayene
Çapı (mm)
Arası
Açısı °
(Göz ile)
No
Sonucu
Mesafe (mm)
1
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
2
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
3
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
4
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
5
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
6
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
7
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
8
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
9
Kök Eğme
10
11,5
120
Çatlak Gözlenmedi
8.5 Mikrosertlik Testi
Mikrosertlik deneyi, özellikle çok küçük numunelerin ve ince sacların sertliklerini
ölçmede elverişlidir. Karbürize, dekarbürize ve azotla sertleştirilmiş yüzeylerle,
elektrolitik olarak kaplanmış malzemelerin sertlikleri bu deney ile tespit edilebilir.
Ayrıca, alaşımlarda fazların sertliklerinin tesbitinde, segregasyonların ve cam,
porselen, metalik karbürler gibi çok sert ve kırılgan malzemelerin sertliklerini
ölçmede de kullanılır. Deney malzemesinin sertliğine göre seçilen uygun yükler için,
batıcı ucun malzemeye girdiği derinlik hiç bir zaman 1 mikronu geçmez.
Mikro-sertlik aleti hassas bir alettir. Diğer sertlik ölçme aletlerinden farklı olan
yanı, aletin komple metal mikroskobunu ihtiva etmesidir.
Sertliği ölçülecek numune mikroskobun tablasına oturtulur ve okülerde net
görüntü elde edillinceye kadar mikroskop tablası hareket ettirilir. Bundan sonra
mikroskop tablası elle, sertlik ölçen kısmın altına getirilir ve düğmeye basarak sertlik
ölçen ucun hareketi sağlanır. Uç otomatik olarak numuneye batar ve 20 saniye sonra
yine otomatik olarak geriye döner. Böylece numunenin üzerinde bir iz elde edilir.
131
İzin boyutlarını ölçmek için mikroskobun tablası yine elle objektifin altına getirilir ve
okülerden iz gözlenir. Oküler üzerindeki özel taksimat ile izin boyutları tesbit edilir.
Şekil 8.23 Mikrosertlik testi prensip şeması (TWI)
Mikrosertlik deneyi için iki standart uç kullanılmaktadır. Bunlardan biri 136 °’lik
piramit uç (Vickers ucu)dur. Diğeri ise National Bureu of Standarts tarafından
geliştirilmiş olan ve Knoop diye bilinen 172°30′ lik piramit ucdur. 136 °’lik uç
malzemede kare şeklinde iz bırakmasına karşın Knoop ucu eşkenar dörtgen şeklinde
bir iz bırakır.
Şekil 8.24 Vickers sertlik deneyinde kullanılan kare piramit uç geometrisi (TWI)
132
Vickers sertlik deneyinde meydana gelen iz, taban köşegeni (d) olan kare bir
piramittir ve tepe açısı dalıcı ucun tepe açısının aynınır.(=136 °) Vickers sertlik
değeri kg olarak ifade edilen deney yükünün; mm2 olarak ifade edilen iz alanına
bölümüdür. Vickers sertlik değeri için aşağıdaki formül bulunur:
VSD=
2 P. sin(α / 2) 1,8544 P
=
d2
d2
Burada;
P= Kgf cinsinden uygulanan yük
α= Tepe açısı =136° (iz veya dalıcı ucun)
d= Taban köşegeni (izin)
Mikrosertlik aletinde 25 gr’dan 10 000 gr’a kadar yük tatbik etmek mümkündür.
En uygun yükü bulmak için, meydana gelen izin köşegenlerinin kolayca
görülebilecek bir uzunlukta olması esas alınır. Bu bakımdan malzemenin sertliğine
göre, deneme ile en uygun yük tesbit edilir.
Vickers sertlik değeri, VSD işareti ile beraber bazen uygulanan yük ve yükün
uygulama zamanını belirten sayısal işaretlerde ilave edilir. VSD/30/20, 30 kg.’lık
yükün 20 saniye süre ile uygulanması sonucu elde edilen Vickers sertlik değerini
gösterir. (Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996) Mikrosertlik ölçümlerinin yapıldığı
SHIMADZU marka mikrosertlik ölçüm cihazı Şekil 8.25’te verilmiştir.
133
Şekil 8.25 Mikrosertlik ölçümlerinde kullandığımız SHIMADZU
marka mikrosertlik ölçüm cihazı
Şekil 8.26 Kaynaklı birleştirmede darbe süresi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi
134
Şekil 8.27 Kaynaklı birleştirmede gerilim değişiminin sertlik üzerindeki etkisi
135
Şekil 8.28 Kaynaklı birleştirmede darbe enerjisi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi
136
8.6 Lazer Kaynağında Kullanılan Kaynak Parametrelerinin Dikiş Formuna ve
Nüfuziyete Etkileri
Lazer kaynağında temel parametreler olarak kullandığımız darbe süresi, gerilim
ve darbe enerjisi değişiminin kaynak dikiş formuna ve kaynak nüfuziyetine etkilerini
inceledik.
137
8.6.1 Darbe Süresi Değişiminin Etkileri
a) 4,5 ms
b) 6,5 ms
c) 8,5 ms
Şekil 8.29 Lazer kaynağında darbe süresi değişiminin kaynak
nüfuziyeti ve dikiş genişliğine etkisi (a) 4,5 ms, b) 6,5 ms,
c) 8,5 ms darbe süreleri ile gerilim 240 Volt frekansı 6 Hz,
Odak çapı 0,7 mm)
138
Tablo 8.13 Darbe süresi değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileri
Darbe Süresi (ms)
Nüfuziyet Miktarı (mm)
Dikiş Genişliği (mm)
4,5
0,3498
1,106
6,5
0,3686
1,1687
8,5
0,552
1,2903
Darbe Süresi Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi
Nüfuziyet Miktarı (mm)
0,600
0,552
0,550
0,500
0,450
0,400
0,3686
0,350
0,3498
0,300
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
Darbe Süresi (ms)
Şekil 8.30 Darbe süresi değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisi
Darbe Süresi Değişiminin Dikiş Genişliğine Etkisi
Dikiş Genişliği (mm)
1,300
1,2903
1,250
1,200
1,1687
1,150
1,100
1,106
1,050
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
Darbe Süresi (ms)
Şekil 8.31 Darbe süresi değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi
8,5
9
139
8.6.2 Gerilim Değişiminin Etkileri
a) 230 Volt
b) 240 Volt
c) 250 Volt
Şekil 8.32 Lazer kaynağında gerilim değişiminin kaynak nüfuziyeti
ve dikiş genişliğine etkisi ( a) 230 Volt , b) 240 Volt, c) 250 Volt
gerilimler ile darbe süresi 6,5 ms, frekansı 6 Hz, Odak çapı 0,7 mm)
140
Tablo 8.14 Gerilim değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileri
Gerilim (Volt)
Nüfuziyet Miktarı (mm)
Dikiş Genişliği (mm)
230
0,1820
0,8571
240
0,2451
1,1283
250
0,5327
1,3519
Nüfuziyet Miktarı (mm)
Gerilim Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi
0,600
0,550
0,500
0,450
0,400
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,5327
0,2451
0,182
220
230
240
250
260
Gerilim (Volt)
Şekil 8.33 Gerilim değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisi
Gerilim Değişiminin Dikiş Genişliğine Etkisi
1,500
Dikiş Genişliği (mm)
1,400
1,3519
1,300
1,200
1,1283
1,100
1,000
0,900
0,8571
0,800
0,700
220
230
240
250
Gerilim (Volt)
Şekil 8.34 Gerilim değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi
260
141
8.6.3 Darbe Enerjisi Değişiminin Etkileri
a) 5,8 Joule
b) 7,7 Joule
c) 12,2 Joule
Şekil 8.35 Lazer kaynağında darbe enerjisi değişiminin kaynak
nüfuziyeti ve dikiş genişliğine etkisi ( a) 5,8 Joule , b) 7,7 Joule,
c) 12,2 Joule darbe enerjileriyle gerilim 260 Volt, Odak çapı 0,8 mm)
142
Tablo 8.15 Darbe enerjisi değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileri
Darbe Enerjisi (Joule)
Nüfuziyet Miktarı (mm)
Dikiş Genişliği (mm)
5,8
0,1682
0,9919
7,7
0,2625
1,3574
12,2
0,6315
1,5083
Darbe Enerjisi Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi
Nüfuziyet Miktarı (mm)
0,700
0,6315
0,600
0,500
0,400
0,300
0,2625
0,200
0,1682
0,100
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Darbe Enerjisi (Joule)
Şekil 8.36 Darbe enerjisi değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisi
Darbe Enerjisi Değişiminin Dikiş Genişliğine Etkisi
1,600
Dikiş Genişliği (mm)
1,500
1,5083
1,400
1,3574
1,300
1,200
1,100
1,000
0,9919
0,900
5
6
7
8
9
10
11
Darbe Enerjisi (Joule)
Şekil 8.37 Darbe enerjisi değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi
12
13
143
8.7 Mikroyapı İncelemesi
Lazer kaynağıyla kaynak edilmiş olan numuneler, mikroyapılarının incelenmesi
için sırasıyla polyester malzeme içine soğuk kalıplama, kaba ve ince zımparalama,
parlatma ve dağlama işlemlerine tabi tutulmuşlardır. Zımparalama işleminde 180,
320, 600 ve 1200 numaralı zımpara kağıtları kullanılmıştır. Parlatma kademesinde
ise 1 mikronluk elmas tozlu süspansiyon kullanılmıştır. Bu işlemler tamamlandıktan
sonra, % 42 HCl (Hidroklorik asit), % 28 HNO3 (Nitrik asit), % 28 CH3COOH
(Asetik asit) ve % 2 Gliserin içeren dağlama reaktifi kullanılarak daldırma yöntemi
ile dağlama işlemi yapılmıştır. Mikroyapı incelemesi için METKON IMM 901
metalurji mikroskobu kullanılmıştır.
Bu işlemler tamamlandıktan sonra her bir numune için, sırasıyla ana metal, geçiş
bölgesi ve kaynak metalinden 250(/ 400) katlık büyütmeler ile mikroyapı fotoğrafları
çekilmiştir.
144
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.38 Lazer kaynağında 230 Volt gerilim kullanılarak yapılan
birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
145
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.39 Lazer kaynağında 240 Volt gerilim kullanılarak yapılan
birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
146
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.40 Lazer kaynağında 250 Volt gerilim kullanılarak yapılan
birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
147
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.41 Lazer kaynağında 5,8 Joule darbe enerjisi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
148
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.42 Lazer kaynağında 7,7 Joule darbe enerjisi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
149
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.43 Lazer kaynağında 12,2 Joule darbe enerjisi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
150
a) ANA METAL 400X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.44 Lazer kaynağında 4,5 ms darbe süresi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 400X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
151
a)
ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.45 Lazer kaynağında 6,5 ms darbe süresi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali
152
a) ANA METAL 250X
b) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250X
c) KAYNAK METALİ 250X
Şekil 8.46 Lazer kaynağında 8,5 ms darbe süresi kullanılarak
yapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250X
b) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X
BÖLÜM DOKUZ
SONUÇLAR
9.1 Sonuçlar
Darbe süresi arttıkça çekme mukavemetide artmaktadır. En yüksek çekme
mukavemeti 8,5 ms’lik darbe süresinde elde edilmiş olup, kopma ana metalden
gerçekleşmiştir.
Yapılan çekme testlerinde 8,5 ms’lik darbe süresinde kaynaklı numunelerin akma
mukavemetleri kaynak edilmemiş ana metalin akma mukavemetini sağlamaktadır.
En yüksek kopma uzaması 6,5 ms’lik darbe süresinde görülmüştür.
Mevcut şartlar altında kaliteli bir kaynak dikişi elde edebilmek için ideal gerilim
250 Volt olarak bulunmuştur. Bu değerden daha düşük gerilim değerlerinde kopma
kaynak bölgesinden gerçekleşmekte ve ana metalin çekme mukavemeti değerlerinin
altında değerler ortaya çıkmaktadır.
Akma mukavemeti açısından sonuçlar incelendiğinde ana metalin akma
mukavemeti değerine 230 Volt’luk gerilim kullanıldığında ulaşılmaktadır.
Kopma uzaması açısından da en iyi gerilim minimum 250 Volt olarak
bulunmuştur.
Darbe enerjisi değişiminin dayanım üzerindeki etkisini görmek amacıyla sırasıyla
5,8 Joule, 7,7 Joule ve 12,2 Joule’lük darbe enejileri kullanılmış olup, 12,2 Joule’lük
darbe enejisiyle kaynak edilmiş numunenin çekme mukavemeti açısından ana
metalin çekme mukavemeti değerine sahip olduğu bulunmuştur.
Ana metalin kopma uzaması değerine ancak 12,2 Joule’lük darbe enerjisiyle
ulaşılmıştır.
153
154
Çekme testi sonuçaları incelendiğinde, sağlam bir kaynak dikişi elde edebilmek
için mukavemet açısından en iyi parametrelerin 8,5 ms darbe süresi ve 250 Volt
gerilim ve 12,2 Joule darbe enerjisi değerlerleri olduğu bulunmuştur. Bu değerler
kullanılarak yapılacak olan birleştirme ana malzemenin çekme mukavemetine sahip
olabilecektir.
Birleştirmenin
kaynak
bölgesinde
kusurların
mevcut
olup,
olmadığını
değerlendirmek için yapılan enine kök bükme deneyinde hiç bir numunede kaynak
dikişinde çatlak gözlenmemiştir.
Makroyapı fotoğrafları incelendiğinde, sırasıyla 4,5 ms, 6,5 ms ve 8,5 ms’lik
darbe sürelerinin kullanımında yeterli nüfuziyetin sağlandığı görülmektedir. Dikiş
genişliği ve nüfuziyet derinliği darbe süresi arttıkça artmaktadır. En yüksek nüfuziyet
derinliği 8,5 ms’lik darbe süresinin kullanılmasıyla elde edilmiş olup, değeri 0,552
mm’dir.
Gerilim değerlerinin sırasıyla 230 Volt, 240 Volt ve 250 volt olarak kullanıldığı
birleştirmelerde 230 Volt ve 240 Volt’luk gerilmlerde nüfuziyet yetersizliği
gözlenmiştir. Tam nüfuziyet ancak 250 Volt’luk gerilim değerinin kullanımıyla elde
edilmiş olup, değeri 0,5327 mm’dir.
Yapılan birleştirmelerde darbe enerjisi olarak sırasıyla 5,8 Joule, 7,7 Joule ve 12,2
Joule’lük enerji değerleri uygulanmış olup, 5,8 Joule ve 7,7 Joule’lük
birleştirmelerde nüfuziyet yetersizliği görülmüş, 12,2 Joule kullanımında tam
nüfuziyet sağlanmıştır. Makroyapı incelemesiyle ilgili grafik Şekil 9.1’de verilmiş
olup, grafiktende görüleceği üzere 250 Volt ve 8,5 ms darbe sürelerinin kullanımı,
tam nüfuziyetli sağlam kaynak dikişlerinin elde edilmesine olanak sağlamaktadır.
155
8,5 ms
Gerilim Sabit
(240 Volt)
Nüfuziyet Darbe Süresi
Yetersizligi Sabit (6,5 ms)
Nüfuziyet
Yetersizligi
Olabilir!
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
250 Volt
240 Volt
230 Volt
0,6
Nüfuziyet Derinligi (mm)
6,5 ms
4,5 ms
Tam Nüfuziyet Bölgesi
Darbe Süresi
(ms)
Gerilim (Volt)
Şekil 9.1 Makroyapı incelemelerine bağlı olarak birleştirmede kullanılan kaynak parametrelerinin
nüfuziyete etkisi
Darbe sürelerine bağlı olarak en yüksek sertlik değeri kaynak dikişi merkez
hattında 4,5 ms ve 6,5 ms darbe süresi uygulanması ile yapılmış olan birleştirmelerde
ölçülmüş olup, bu değer ∼260 HV değerindedir. Ana metalin sertlik değeri ise ∼160
HV’dir.
Gerilime bağlı olarak ise en yüksek sertlik değeri ∼220 HV olarak yine kaynak
dikişi merkezinde ölçülmüştür. Esas metal ve ısı etkisi altında kalan bölge boyunca
sertliğin çok az bir değişim gösterdiği ancak kaynak metalinde bu değişimin oldukça
arttığı
gözlemlenmiştir.
En
yüksek
sertlik
değeri
230
Volt’luk
gerilim
uygulanmasıyla yapılan kaynaklı birleştirmede görülmektedir.
Darbe enerjisi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi ise şöyledir; 7,7 Joule’lük
enerji uygulanımında maksimum sertlik değişimi ortaya çıkmakta olup, 5,8 Joule ve
12,2 Joule’lük enerjilerde kaynak metali, ısı etkisi altında kalan bölge ve ana
metaldeki sertlik ölçümlerinde çok büyük farklılıklar görülmemiştir.
Mikroyapı fotoğrafları incelendiğinde tüm lazer kaynaklarının mikroyapısının
ostenit olduğu görülmüştür. Esas metaldeki eş eksenli ostenitik tane şeklinin kaynak
156
metalinde
ergime
çizgilerine
doğru
sütunsal
(dendritik)
şekle
dönüştüğü
görülmektedir. Gerilimin, darbe süresinin ve darbe enerjisinin artmasıyla birlikte
kaynak metalinde tane boyutunun küçüldüğü görülmektedir. Birleştirmelerin hiç
birinde çatlağa veya gözeneğe rastlanmamıştır.
157
KAYNAKLAR
Aoh J. N., Kuo F. H., Li Y. M.(1992). International Trends in Welding Science and
Technology , 649.
Aoh J. N., Kuo F. H., Li Y. M.(1992) Proceeding Conference Electron LaserBeam
Welding Inst. Weld, 159.
Ashby M. F., Easterling K. E. (1984) Acta. Metall 32-s1935.
Askeland D. R., (1989) The Science and Engineering of Materials, (Üçüncü Basım).
United States of America: PWS.
Askeland D. R., (1989) The Science and Engineering of Materials, (Üçüncü Basım).
(M. Erdoğan, Çev.). Ankara: Nobel.
Behler K., Beyer E., Schafer R. (1988). Proceedings ICALEO s 98.
Böhler Elektrod Kataloğu, (b.t). 2005.
Brown D., (2003) Laser Welding Basics Primary Adjustable Welding Parameters,
Rofin-Baassel, (2005), http://www.rofin.com/english/applications/laser-jewelryjewellery-dental/whitepapers/01PARAMETERS.pdf.
Dilthey U. (2000), Laserstrahlschweβen, Prozesse, Werkstoffe, Fertigung und
Prüfung, Düsseldorf:DVS.
Dawes C. (1992) Laser Welding, New York:McGraw Hill (originally published by
Abington Publishing , England:Cambridge).
Duley W. W. (1998). Laser Welding , United States of America:John-Wiley.
Duley W. W., Mao Y. L., Kinsman G. (1991) Proceedings Conference Laser and
158
Electron Beam, s 206.
Dunn I., Bridger P.M., Duley W. W. (1993). Observation of stable propagation
channels for cw CO2 laser radiation in liquid water, Journal of Physics
D:Applied Physics ,26, s1138, (2005), http://www.iop.org/EJ/abstract/00223727/26/7/022.
Easterling K. (1983) Introduction to the Physical Metallurgy of Welding,
Butterwords, London.
Han W. (2004). Computational and Experimental İnvestigations of Laser Drilling
and Welding for Microelectronic Packaging, A Dissertation, Worcester
Polytechnic Institue, (2005), http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/ etd0513104-155241/unrestricted/WHan.pdf
Hoult T. (1990) Proceedings SPIE b 209, s 1277.
Hecth E. (1999). Optik ,( N. Armağan, N. Can ,Çev.), Akademi.
Kayalı S., Ensari C., Dikeç F.(1996) Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri,
İstanbul:İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi Ofset Atelyesi.
Kimara S., Sugiyama S., Mizutame M. (1986). Proceedings ICALEO’91, SPIE
s1722:156.
Kinsman G., Duley W. W. (1986). Proceedings SPE 668-19.
Kuhn K. J.(1988). Laser Engineering. United States of America:Printice-Hall Inc.
Kuo S. (2002). Welding Metallurg,(İkinci basım). New Jersey:Wiley.
Laser Welding, (b.t), 2005, http://www.unitekmiyachilasers.com
159
Laser Welding, (b.t), 2005, http://www.rofin.com
Laser Welding, (b.t), 2005, http://www.twi.com
Laser Beam Welding,(b.t), 2005, http://www.wikipedia.com
Laser Welding Automation, (b.t). 2005, http://www.twi.co.uk/j32k/unprotected/
band_1/laser_automat.html
Laser Welding Advantages, (b.t), 2005, http://www.dukcorp.com/us
Laser Welding Machines, (b.t), 2005, http://www.laserstar.com
Laser Technology,(b.t), 2005, http://www.dukcorp.com/us
Limmaneevichıtr C., Kou S. (2000). Visualization of Marangoni Convection in
Simulated Weld Pool, Welding Journal 79, s 231.
Metalik Malzemeler-Kaynaklar Üzerinde Tahribatlı Deneyler-Enine Çekme Deneyi,
(1996), TS 287 EN 895.
Metalik Malzemelerde Kaynak Dikişleri Üzerinde Tahribatlı Muayeneler-Eğme
Deneyleri, (2002), TS 282 EN 910.
Mallory L., Orr R. F., Wells W. (1998) Laser Materials Processing III, s 123.
Matsamura H., Orihashi T., Nakayama S. (1988). Join. Mat.
Mazumder J., Steen W. M. (1980) Journal of Physics D:Applied Physics., 51, s 941.
Richter K., Eberle H.G., Maucher K.H. (1993), Proceedings ISATA, 93,103.
160
Shannon G. J., Nutall R., Watson J.(1994) Welding Journal b73, s 173.
Steen W. M. (1986) Industrial Laser Annual Handbook, Tulsa:Pennwell Books.
Sun Z., Ion J.C. (1995). Review: Laser Welding of dissimilar metal combinations,
Journal of Materials Science, b30, s 4025.
Tarakçıoğlu N., Özcan M. (2004) Lazerler ve Materyal İşleme Uygulamaları, Atlas
Yayın Dağıtım.
The Welding Engineer’s Current Knowledge, (b.t), 2005, SLV Duisburg:DVS,
http://www.slv-duisburg.de
Tzeng Y. (1998), Parametric Analysis of the Pulsed Nd:YAG Laser Seam Welding
Process, Journal of Materials Processing Technology, b 102, s 40, Elsevier
Science.
Tzeng Y. (1999), Pulsed Nd:YAG Laser Seam Welding of Zinc Coated Steel,
Welding Journal, b 78, s 238.
Yang Y. S. , Hsu C. R., Allbright C. E. ,et al. (1993). J. Laser Appl., b5, s 17.
What makes quality laser welded tubing for pressure tube applications?, (b.t), 2005,
http://www.rathmfg.com
Wirth P. (2004). Introduction to Industrial Laser Material Processing, Rofin.
Weedon T.M.W. (1987)., Nd:YAG lasers with controlled pulse shape, Proceedings
LAMP, s 87.
Weiting T. J., de Rosa J. L., (1979) Journal of Applied Physics, b 50, s 1071.