Lazer Kaynak Temelleri
Lazer kaynak, kaynak yapılacak parçaların bir tarafından kaynak bölgesine erişim gerektiren temassız bir işlemdir.
• Kaynak, yoğun lazer ışığının malzemeyi hızla ısıtmasıyla oluşur; bu süre genellikle milisaniyelerle ölçülür.
• Genellikle 3 tip kaynak vardır:
– İletim modu.
– İletim/penetrasyon modu.
– Penetrasyon veya anahtar deliği modu.
• İletim modlu kaynak, düşük enerji yoğunluğunda gerçekleştirilir ve sığ ve geniş bir kaynak parçası oluşturur.
• İletim/penetrasyon modu orta enerji yoğunluğunda meydana gelir ve iletim moduna göre daha fazla penetrasyon gösterir.
• Penetrasyon veya anahtar deliği mod kaynağı, derin ve dar kaynaklarla karakterize edilir.
– Bu modda lazer ışığı, malzemenin içine uzanan ve lazer ışığının malzemeye etkili bir şekilde iletilmesini sağlayan bir kanal görevi gören, “anahtar deliği” adı verilen buharlaştırılmış malzemeden bir filament oluşturur.
– Enerjinin doğrudan malzemeye iletilmesi, penetrasyona ulaşmak için iletime dayanmaz ve böylece malzemeye giren ısıyı en aza indirir ve ısıdan etkilenen bölgeyi küçültür.
İletim Kaynağı
• İletken birleştirme, lazer ışınının odaklandığı bir dizi işlemi açıklar:
– 10³ Wmm⁻² mertebesinde bir güç yoğunluğu elde etmek için
– Önemli bir buharlaşma olmadan malzemeyi birleştirerek birleşme noktası oluşturur.
• İletken kaynak yöntemi 2 şekildedir:
– Doğrudan ısıtma
– Enerji iletimi.
Doğrudan Isı
• Doğrudan ısıtma sırasında,
– Isı akışı, bir yüzey ısı kaynağından gelen klasik termal iletimle yönetilir ve kaynak, taban malzemesinin eritilen kısımlarıyla yapılır.
• İlk iletken kaynaklar 1'ların başında yapıldı, düşük güçlü darbeli yakut kullanıldı ve CO2 tel konnektörleri için lazerler.
• İletim kaynakları, çeşitli konfigürasyonlarda teller ve ince levhalar şeklinde çok çeşitli metal ve alaşımlarda yapılabilir.
- CO2 , Nd:YAG ve diyot lazerler, onlarca watt mertebesinde güç seviyelerine sahip.
– Doğrudan ısıtma CO2 Lazer ışını aynı zamanda polimer levhalardaki bindirme ve alın kaynaklarında da kullanılabilir.
Transmisyon Kaynakçılığı
• Transmisyon kaynağı, Nd:YAG ve diyot lazerlerin yakın kızılötesi ışınımını ileten polimerlerin birleştirilmesinde etkili bir yöntemdir.
• Enerji, yeni arayüz emilim yöntemleriyle emilir.
• Matris ve takviyenin termal özellikleri benzer olduğu takdirde kompozitler birleştirilebilir.
• İletim kaynağının enerji iletim modu, yakın kızılötesi radyasyonu ileten malzemelerde, özellikle polimerlerde kullanılır.
• Bir bindirme ekleminin arayüzüne emici bir mürekkep yerleştirilir. Mürekkep, kaynak eklemi olarak katılaşan erimiş bir arayüz filmi oluşturmak için sınırlı kalınlıktaki çevreleyen malzemeye iletilen lazer ışını enerjisini emer.
• Birleşim yerlerinin dış yüzeyleri erimeden kalın kesitli bindirme birleştirmeleri yapılabilir.
• Uçtan uca kaynaklar, enerjinin birleşim hattına doğru, birleşim noktasının bir tarafındaki malzemeden veya malzeme çok geçirgen ise bir ucundan açılı olarak yönlendirilmesiyle yapılabilir.
Lazer Lehimleme ve Kaynaklama
• Lazer lehimleme ve sert lehimleme işlemlerinde, ışın, temel malzemeyi eritmeden birleştirme kenarlarını ıslatan bir dolgu maddesini eritmek için kullanılır.
• Lazer lehimleme, 1980'lerin başında elektronik bileşenlerin uçlarını baskılı devre kartlarındaki deliklerden birleştirmek için popülerlik kazanmaya başladı. İşlem parametreleri, malzeme özelliklerine göre belirlenir.
Penetrasyon Lazer Kaynağı
• Yüksek güç yoğunluklarında, enerji emilebilirse tüm malzemeler buharlaşacaktır. Bu nedenle, bu şekilde kaynak yaparken genellikle buharlaşma yoluyla bir delik oluşur.
• Daha sonra bu "delik", erimiş duvarların arkasından kapanmasıyla malzemenin içinden geçirilir.
• Sonuç, "anahtar deliği kaynağı" olarak bilinen şeydir. Bu, paralel kenarlı füzyon bölgesi ve dar genişliği ile karakterize edilir.
Lazer Kaynak Verimliliği
• Verimlilik kavramını tanımlayan terime "birleştirme verimliliği" denir.
• Birleştirme verimi, (birleştirilen mm2 / verilen kJ) birimine sahip olduğundan gerçek bir verim değildir.
– Verimlilik = Vt/P (kesmedeki özgül enerjinin tersi) burada V = hareket hızı, mm/s; t = kaynak kalınlığı, mm; P = olay gücü, KW.
Birleştirme Verimliliği
• Birleştirme verimi değeri ne kadar yüksek olursa gereksiz ısıtmaya harcanan enerji de o kadar az olur.
– Alt ısıdan etkilenen bölge (HAZ).
– Daha düşük bozulma.
• Bu açıdan direnç kaynağı en verimli yöntemdir çünkü füzyon ve ısı kaynaklı ısı enerjisi sadece kaynak yapılacak yüksek dirençli arayüzde üretilir.
• Lazer ve elektron ışınları da iyi verimliliğe ve yüksek güç yoğunluğuna sahiptir.
Proses Varyasyonları
• Ark Destekli Lazer Kaynağı.
– Lazer ışını etkileşim noktasına yakın monte edilen bir TIG torcundan çıkan ark, lazer tarafından oluşturulan sıcak noktaya otomatik olarak kilitlenecektir.
– Bu olayın gerçekleşmesi için gerekli olan sıcaklık, çevre sıcaklığının yaklaşık 300°C üzerindedir.
– Etkisi, ya geçiş hızı nedeniyle kararsız olan bir arkı kararlı hale getirmek ya da kararlı olan bir arkın direncini azaltmaktır.
– Kilitlenme sadece düşük akımlı ve dolayısıyla yavaş katot jetli arklarda, yani 80A’den düşük akımlarda gerçekleşir.
– Ark, lazerle aynı tarafta olduğundan, kaynak hızı iki katına çıkarken sermaye maliyetinde makul bir artış sağlanır.
• Çift Işınlı Lazer Kaynak
– Aynı anda 2 lazer ışını kullanıldığında kaynak havuzu geometrisi ve kaynak boncuğu şekli kontrol edilebilmektedir.
– 2 elektron demeti kullanılarak anahtar deliği stabilize edilebilir, kaynak havuzunda daha az dalga oluşması sağlanır ve daha iyi bir penetrasyon ve boncuk şekli elde edilir.
– Bir excimer ve CO2 Lazer ışını kombinasyonunun, alüminyum veya bakır gibi yüksek yansıtıcılığa sahip malzemelerin kaynaklanmasında daha iyi bir bağlantı elde edilebildiği gösterildi.
– Geliştirilmiş bağlantı esas olarak şu nedenlerden dolayı dikkate alındı:
• Ekstimerin neden olduğu yüzey dalgalanması ile yansıtıcılığı değiştirmek.
• Ekstimer tarafından üretilen plazma ile birleşmeden kaynaklanan ikincil bir etki.
