Lazer ışını kaynağı

Lazer ışını kaynağı (LIK), bir lazer kullanılarak metal veya termoplastik parçaları birleştirmek için kullanılan bir kaynak tekniğidir. Kiriş, dar, derin kaynaklara ve yüksek kaynak oranlarına izin veren konsantre bir ısı kaynağı sağlamaktadır. Süreç, otomotiv endüstrisinde olduğu gibi otomasyon kullanan yüksek hacimli uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Anahtar deliği veya penetrasyon modu kaynağına dayanmaktadır.

Elektron ışını kaynağı (EIK) gibi, lazer ışını kaynağı da yüksek güç yoğunluğuna (1 MW/cm2 mertebesinde) sahiptir. Ayrıca bu da küçük ısıdan etkilenen bölgelere ve yüksek ısıtma ve soğutma oranlarına neden olmaktadır. Lazerin nokta boyutu 0,2 mm ile 13 mm arasında değişmektedir. Ancak kaynak için yalnızca daha küçük boyutlar kullanılmaktadır. Nüfuz derinliği, sağlanan güç miktarıyla orantılıdır. Ancak aynı zamanda odak noktasının konumuna da bağlıdır. Odak noktası iş parçası yüzeyinin biraz altında olduğunda penetrasyon maksimize edilmektedir

Uygulamaya bağlı olarak sürekli veya darbeli bir lazer ışını kullanılmaktadır. Tıraş bıçağı gibi ince malzemeleri kaynaklamak için milisaniye uzunluğunda darbeler kullanılırken, derin kaynaklar için sürekli lazer sistemleri kullanılmaktadır.

LIK, karbon çelikleri, HSLA çelikleri, paslanmaz çelik, alüminyum ve titanyum kaynak yapabilen çok yönlü bir işlemdir. Yüksek soğutma oranları nedeniyle, yüksek karbonlu çeliklerin kaynağında çatlama bir endişe kaynağıdır. Elektron ışını kaynağına benzer şekilde kaynak kalitesi yüksektir. Kaynak hızı, sağlanan güç miktarıyla orantılıdır ancak aynı zamanda iş parçalarının tipine ve kalınlığına da bağlıdır. Gaz lazerlerinin yüksek güç kapasitesi, onları özellikle yüksek hacimli uygulamalar için uygun hale getirmektedir. LBW özellikle otomotiv endüstrisinde baskındır.^[1][2]

EIK'ye kıyasla LIK'nin bazı avantajları şunlardır:

• Lazer ışını vakum gerektirmeden hava yoluyla iletilebilmektedir.
• Süreç robotik makinelerle kolayca otomatikleştirilmektedir.
• x-ışınları üretilmez.
• LIK, daha yüksek kaliteli kaynaklarla sonuçlanmaktadır.

LIK'nin bir türevi olan lazer-hibrit kaynak, LIK'nin lazerini gaz metal ark kaynağı gibi bir ark kaynağı yöntemiyle birleştirir. GMAW, eklemi doldurmak için erimiş metal sağladığından ve bir lazer kullanımı nedeniyle kaynak hızını GMAW ile normalde mümkün olanın üzerinde artırdığından, bu kombinasyon daha fazla konumlandırma esnekliği sağlamaktadır. Alttan kesme potansiyeli azaldığından kaynak kalitesi de daha yüksek olma eğilimindedir.^[3]

Lazer ışını kaynağı elle gerçekleştirilebilse de, çoğu sistem otomatiktir.^[4][5][6] Bilgisayar destekli tasarımlara dayalı bir bilgisayar destekli üretim sistemi kullanmaktadır.  Lazer kaynağı ayrıca bitmiş bir parça oluşturmak için frezeleme ile de birleştirilmektedir.^[7]

Son zamanlarda, tarihsel olarak erimiş filament üretimi üzerinde çalışan RepRap projesi, açık kaynaklı lazer kaynak sistemlerinin geliştirilmesine doğru genişlemiştir.^[8]  Bu tür sistemler tamamen karakterize edilmiştir ve geleneksel üretim maliyetlerini düşürürken geniş bir uygulama ölçeğinde kullanılabilmektedir.^[9]

• Yaygın olarak kullanılan iki lazer türü, katı hal lazerleri (özellikle yakut lazerler ve Nd:YAG lazerler) ve gaz lazerleridir.
• İlk tip, sentetik yakut (alüminyum oksitte krom), camda neodim (Nd:cam) ve en yaygın tür olan itriyum alüminyum granatta neodim (Nd:YAG) dahil olmak üzere birkaç katı ortamdan birini kullanmaktadır.
• Gaz lazerleri, ortam olarak helyum, nitrojen ve karbon dioksit (CO2 lazer) gibi gazların karışımlarını kullanılmaktır.
• Ancak türü ne olursa olsun, ortam uyarıldığında fotonlar yayılarak lazer ışını oluşturulmaktadır.

Katı hal lazerleri, kaynak için kullanılan gaz lazerlerinden çok daha kısa olan 1 mikrometre düzeyindeki dalga boylarında çalışır ve sonuç olarak operatörlerin retina hasarını önlemek için özel gözlükler takmasını veya özel ekranlar kullanmasını gerektirmektedir. Nd:YAG lazerler hem darbeli hem de sürekli modda çalışabilir, ancak diğer tipler darbeli modla sınırlıdır. Orijinal ve hala popüler olan katı hal tasarımı, yaklaşık 20 mm çapında ve 200 mm uzunluğunda bir çubuk şeklinde tek bir kristaldir ve uçları düzdür. Bu çubuk, ksenon veya kripton içeren bir flaş tüpü ile çevrilidir. Parladığında, lazer tarafından yaklaşık iki milisaniye süren bir ışık darbesi yayılmaktadır. Disk şeklindeki kristallerin endüstride popülaritesi artıyor ve yüksek verimlilikleri nedeniyle flaş lambaları yerini diyotlara bırakmaktadır. Yakut lazerler için tipik güç çıkışı 10–20 W'dir, Nd:YAG lazer ise 0,04–6,000 W arasındadır. Lazer ışınını kaynak alanına iletmek için genellikle fiber optikler kullanılmaktadır.

Gaz lazerleri, lazer ortamı olarak kullanılan gaz karışımını harekete geçirmek için gereken enerjiyi sağlamak için yüksek voltajlı, düşük akımlı güç kaynakları kullanılmaktadır. Bu lazerler hem sürekli hem de darbeli modda çalışabilir ve CO2 gazı lazer ışınının dalga boyu 10,6 μm, derin kızılötesi, yani 'ısı'dır. Fiber optik kablo bu dalga boyunu emer ve yok eder, bu nedenle sert bir lens ve ayna iletim sistemi kullanılmaktadır. Gaz lazerlerinin güç çıkışları, katı hal lazerlerinden çok daha yüksek olabilir ve 25 kW'a ulaşılabilmektedir.^[10]

Fiber lazerlerde ana ortam optik fiberin kendisidir. 50 kW'a kadar güç sağlayabilirler ve robotik endüstriyel kaynak için giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Modern lazer ışını kaynak makineleri iki tipte gruplandırılmaktadır. Geleneksel tipte, lazer çıkışı dikişi takip edecek şekilde hareket ettirilir. Bu genellikle bir robotla sağlanmaktadır. Birçok modern uygulamada uzaktan lazer ışını kaynağı kullanılmaktadır. Bu yöntemde lazer ışını bir lazer tarayıcı yardımıyla dikiş boyunca hareket ettrilmektedir. Böylece robotik kolun artık dikişi takip etmesine gerek kalmaz. Uzaktan lazer kaynağının avantajları, kaynak işleminin daha yüksek hızlı ve daha yüksek hassasiyetli olmasıdır

Darbeli lazer kaynağı, sürekli dalga (CW) lazer kaynağına göre avantajlara sahiptir. Bu avantajlardan bazıları daha düşük gözeneklilik ve daha az sıçramadır.  Darbeli lazer kaynağının alüminyum alaşımlarında sıcak çatlamaya neden olması gibi dezavantajları da vardır.^[11] Darbeli lazer kaynak işleminin termal analizi, füzyon derinliği, soğuma oranları ve artık gerilmeler gibi kaynak parametrelerinin tahmininde yardımcı olabilmektedir.^[12] Darbeli lazer işleminin karmaşıklığı nedeniyle, bir geliştirme döngüsü içeren bir prosedürün kullanılması gereklidir. Döngü, matematiksel bir model oluşturmayı, sonlu elemanlar modellemesi (FEM) veya sonlu farklar yöntemi gibi sayısal modelleme tekniklerini kullanarak bir termal döngü hesaplamayı içermektedir.

Yayınlanmış modellerden bazılarını birleştiren bir metodoloji şunları içerir:^[13][14][15]

1. Güç emme verimliliğinin belirlenmesi.
2. Sıcaklıklara ve Clausius-Clapeyron denklemine dayalı olarak geri tepme basıncının hesaplanması.
3. Akışkan hacmi yöntemini (VOF) kullanarak akışkan akış hızlarının hesaplanması.
4. Sıcaklık dağılımının hesaplanması.
5. Süreyi arttırarak ve 1-4 arasındaki adımların tekrarlanması.
6. Sonuçların doğrulanması.

Radyan enerjinin tamamı emilmez ve kaynak için ısıya dönüştürülür. Radyan enerjinin bir kısmı, gazın buharlaştırılması ve ardından iyonize edilmesiyle oluşturulan plazmada emilmektedir. Ek olarak, soğurma, ışının dalga boyundan, kaynak yapılan malzemenin yüzey bileşiminden, gelme açısından ve malzemenin sıcaklığından etkilenir.^[11]

Rosenthal nokta kaynak varsayımı, bunun yerine bir Gauss dağılımı varsayılarak ele alınan sonsuz yüksek bir sıcaklık süreksizliği bırakmaktadır. Radyan enerji de ışın içinde düzgün bir şekilde dağılmaz. Bazı cihazlar Gauss enerji dağılımları üretirken diğerleri çift modlu olabilir.^[11] Güç yoğunluğunu aşağıdaki gibi bir fonksiyonla çarparak bir Gauss enerji dağılımı uygulanabilmektedir:^[14]${\displaystyle f(r)=\exp(-r^{2}/a_{o}^{2})}$ burada r, ışının merkezinden radyal mesafedir, a₀ ise ışın yarıçapı veya nokta boyutu.

Nokta kaynak varsayımı yerine sıcaklık dağılımının kullanılması, soğurma gibi sıcaklığa bağlı malzeme özelliklerinin daha kolay hesaplanmasını sağlamaktadır. Işınlanmış yüzeyde, bir anahtar deliği oluşturulduğunda, Fresnel yansıması (anahtar deliği boşluğu içindeki çoklu yansıma nedeniyle ışın enerjisinin neredeyse tamamen absorpsiyonu) meydana gelir ve şu şekilde modellenebilir: ${\displaystyle \alpha _{\theta }=1-R_{\theta }=1-0.5{{1+(1-\epsilon \cos \theta )^{2} \over {1+{1+\epsilon \cos \theta )^{2}}}}+{{{\epsilon ^{2}}-2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta } \over {\epsilon ^{2}}+2\epsilon \cos \theta +2\cos ^{2}\theta }}}$, burada ε dielektrik sabiti, elektrik iletkenliği ve lazer frekansının bir fonksiyonudur. θ geliş açısıdır.^[13] Absorpsiyon verimliliğini anlamak, termal etkileri hesaplamanın anahtarıdır.

Lazerler iki moddan birinde kaynak yapabilir; iletim ve anahtar deliği. Hangi modun çalışacağı, güç yoğunluğunun buharlaşmaya neden olacak kadar yeterince yüksek olup olmadığına bağlıdır. İletim modu buharlaşma noktasının altında gerçekleşirken anahtar deliği modu buharlaşma noktasının üzerinde gerçekleşmektedir. Anahtar deliği bir hava cebine benzer. Hava cebi bir akış halindedir. Buharlaşan metalin geri tepme basıncı gibi kuvvetler anahtar deliğini açarken yerçekimi (diğer bir deyişle hidrostatik kuvvetler) ve metal yüzey gerilimi onu daraltma eğilimindedir. Daha da yüksek güç yoğunluklarında, buhar bir plazma oluşturmak üzere iyonize edilebilir.^[15]

Geri tepme basıncı Clausius-Clapeyron denklemi kullanılarak belirlenir.^[14]${\displaystyle {dP \over dT}={d\Delta H_{LV} \over dT\Delta V_{LV}}\thickapprox {d\Delta H_{LV} \over T_{LV}V_{LV}}}$,burada P denge buhar basıncı, T sıvı yüzey sıcaklığı, HLV buharlaşmanın gizli ısısı, TLV sıvı-buhar ara yüzeyindeki denge sıcaklığıdır. Buhar akışının sonik hızlarla sınırlı olduğu varsayımıkullanıllır;^[16] ${\displaystyle P_{r}\approxeq 0.54P_{o}exp(\Delta H_{LV}{T-T_{LV} \over RTT_{LV}})}$,burada Po atmosferik basınç ve Pr geri tepme basıncıdır.

Bu, anahtar deliği profilleriyle ilgilidir. Akışkan akış hızları şu şekilde belirlenir:^[13]

${\displaystyle \bigtriangledown *{\overrightarrow {v}}=0}$

${\displaystyle {\partial {\overrightarrow {v}} \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown ){\overrightarrow {v}}=-{1 \over \rho }\bigtriangledown P+v\bigtriangledown {\overrightarrow {v}}+\beta {\overrightarrow {g}}\Delta T}$

${\displaystyle {\partial F \over \partial t}+({\overrightarrow {v}}*\bigtriangledown )F=0}$

burada hız vektörü, P=basınç, ρ= kütle yoğunluğu, v=viskozite, β=termal genleşme katsayısı, g=yerçekimi ve F bir simülasyon ızgara hücresindeki sıvının hacim oranıdır.

Lazer çarpma yüzeyindeki sınır sıcaklığını belirlemek için aşağıdaki gibi bir denklem uygulanmaktadır.${\displaystyle k_{n}{\partial T \over \partial n}-q+h(T-T_{o})+\sigma \epsilon (T^{4}-T_{o}^{2})=0}$,^[15] burada kn=lazerin vurduğu yüzeye normal termal iletkenlik, h=hava için taşınımla ısı transfer katsayısını, σ radyasyon için Stefan-Boltzmann sabitini ve ε kaynak yapılan malzemenin emisyon gücünü, q lazerdir ışın ısı akısını temsil etmektedir.

Hareketli bir termal döngü içeren CW (Sürekli Dalga) lazer kaynağından farklı olarak, darbeli lazer, aynı noktaya tekrar tekrar çarpmayı içerir, böylece birden fazla örtüşen termal döngü oluşturmaktadır. Bunu ele almanın bir yöntemi, kiriş açıkken ısı akışını bir ile, kiriş kapalıyken ise ısı akışını sıfırla çarpan bir adım fonksiyonu eklemektir. Bunu başarmanın bir yolu, q'yu aşağıdaki gibi değiştiren bir Kronecker deltası kullanmaktır; burada δ= Kronecker delta, qe=deneysel olarak belirlenmiş ısı akışını temsil etmektedir. Bu yöntemin sorunu, darbe süresinin etkisini görmenize izin vermemesidir. Bunu çözmenin bir yolu, aşağıdaki gibi zamana bağlı bir işlev olan bir değiştirici kullanmaktır:^[14][15]

${\displaystyle f(n)={\begin{cases}1,&{\text{if }}n/v\leq t\leq n/v+\tau \\0,&{\text{if }}n/v+\tau \leq t\leq (n+1)/v\end{cases}}}$

burada v = darbe frekansı, n = 0,1, 2, ..., v-1), τ = darbe süresi.

Daha sonra, bu sınır koşulunu uygular ve iç sıcaklık dağılımını elde etmek için Fourier'in 2. Yasasını çözersiniz. Dahili ısı üretimi olmadığı varsayıldığında, çözüm ${\displaystyle \rho C_{p}({\partial T \over \partial t}+{\overrightarrow {v}}\bigtriangledown T)=k\bigtriangledown T}$ seklindedir, burada k=termal iletkenlik, ρ=yoğunluk, Cp=özgül ısı kapasitesi, ${\displaystyle {\overrightarrow {v}}}$=akışkan hız vektörüni temsil etmektedir.

Arttırma, önceki adımlarda sunulan ana denklemlerin ayrıklaştırılması ve sonraki zaman ve uzunluk adımlarının uygulanmasıyla yapılmaktadır.

Sonuçlar, belirli deneysel gözlemler veya genel deneylerden elde edilen eğilimlerle doğrulanabilmektedir. Bu deneyler, füzyon derinliğinin metalografik doğrulamasını içermektedir.^[17]

Darbeli lazerin fiziği çok karmaşık olabilmektedir. Bu nedenle, hesaplamayı hızlandırmak veya malzeme özelliklerinin eksikliğini telafi etmek için bazı basitleştirici varsayımların yapılması gerekmektedir. Özgül ısı gibi malzeme özelliklerinin sıcaklığa bağımlılığı, hesaplama süresini en aza indirmek için göz ardı edilmektedir.

Sıvı-metal ara yüzeyinden çıkan buhardan kaynaklanan kütle kaybından kaynaklanan ısı kaybı miktarı hesaba katılmazsa, sıvı sıcaklığı fazla tahmin edilebilir.^[14]

• Dual beam laser welding; research article from the 2002 Welding Journal 10 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Weld morphology and thermal modeling in dual-beam laser welding; research article from the 2002 Welding Journal 10 Nisan 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Laser welding articles from the Industrial Laser Solutions Magazine
• Robotic laser welding 21 Ocak 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.