Giriş:
Bir önceki makalede Derin Nüfuziyet Lazer Kaynağının prensiplerini ve özelliklerini tartıştık. Burada, ana işlem parametrelerine odaklanacağız. Bu, bu kaynak tekniği hakkında daha fazla bilgi edinmeniz için yararlıdır.
Derin Penetrasyon Lazer Kaynağının Ana Proses Parametreleri
1. Lazer gücü
Lazer kaynağında lazer enerji yoğunluğunun bir eşik değeri vardır. Bu değerin altında nüfuziyet derinliği çok azdır. Bu değere ulaşıldığında veya bu değer aşıldığında, nüfuziyet derinliği büyük ölçüde artacaktır. Sadece iş parçası üzerindeki lazer güç yoğunluğu bir eşik değerini aştığında (malzemeye bağlı olarak) plazma üretilecektir. Bu, kararlı derin nüfuziyet kaynağının ilerlemesini işaret eder.
Lazer gücü bu eşiğin altındaysa, iş parçasında sadece yüzey erimesi meydana gelir. Bu kararlı ısı iletim kaynağıdır. Bununla birlikte, lazer güç yoğunluğu küçük deliklerin oluşumu için kritik koşula yakın olduğunda, derin nüfuziyet kaynağı ve iletim kaynağı dönüşümlü olarak gerçekleştirilir. Bu, nüfuziyet derinliğinde büyük dalgalanmalara neden olan kararsız bir kaynak işlemi haline gelir.
Lazer derin nüfuziyet kaynağı sırasında lazer gücü, nüfuziyet derinliğini ve kaynak hızını aynı anda kontrol eder. Kaynak nüfuziyeti doğrudan ışın gücü yoğunluğuyla ilgilidir ve gelen ışın gücünün ve ışın odak noktasının bir fonksiyonudur. Genel olarak, belirli bir çaptaki lazer ışını için, ışın gücü arttıkça nüfuziyet derinliği de artar.
2. Işın odak noktası
Işın noktası boyutu, lazer kaynağındaki en önemli değişkenlerden biridir. Çünkü güç yoğunluğunu belirler. Ancak yüksek güçlü lazerler için ölçümü zordur. Birçok dolaylı ölçüm tekniği olmasına rağmen.
Işın odağının kırınım sınırlı nokta boyutu, ışık kırınım teorisine göre hesaplanabilir. Ancak odaklama merceği sapmasının varlığı nedeniyle, gerçek nokta boyutu hesaplanan değerden daha büyüktür. En basit pratik yöntem izotermal profilleme yöntemidir. Bu, kalın kağıtlı bir polipropilen plakayı kömürleştirdikten ve deldikten sonra odak noktasını ve perforasyon çapını ölçmektir. Bu yöntem, ölçüm pratiği yoluyla lazer gücüne ve ışın hareket süresine hakim olmayı gerektirir.
3. Malzeme emilim değeri
Lazer ışığının bir malzeme tarafından emilmesi, malzemenin bazı önemli özelliklerine bağlıdır. Örneğin emicilik, yansıtıcılık, termal iletkenlik, erime sıcaklığı, buharlaşma sıcaklığı vb.
En önemli şey emilim oranıdır.
Malzemenin lazer ışınını soğurma oranını etkileyen faktörler iki hususu içerir:
- İlk olarak, malzemenin parlatılmış yüzeyinin absorbansını ölçün. Malzemenin özdirencinin, özdirenç katsayısının karekökü ile orantılı olduğu bulunmuştur. Özdirenç katsayısı sıcaklıkla değişir.
- İkinci olarak, malzemenin yüzey durumu (veya finişi) ışın emme oranı üzerinde daha önemli bir etkiye sahiptir. Bu nedenle kaynak etkisi üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Seramik, cam, kauçuk ve plastik gibi metal olmayan malzemeler oda sıcaklığında yüksek emilim oranına sahiptir. Bununla birlikte, metalik malzemeler oda sıcaklığında zayıf bir emilim oranına sahiptir. Malzeme eridiğinde veya hatta buharlaştığında, bu oran keskin bir şekilde artacaktır. Bir yüzey kaplaması veya yüzey oksit filmi kullanmak, malzemenin ışık demeti emilimini etkili bir şekilde iyileştirir.
4. Kaynak hızı
Kaynak hızının nüfuziyet derinliği üzerinde büyük bir etkisi vardır. Hızı arttırmak nüfuziyeti daha sığ hale getirecektir. Ancak hız çok düşükse, malzeme aşırı eriyecek ve iş parçası kaynaklanacaktır. Bu nedenle, belirli bir lazer gücüne ve kalınlığına sahip belirli bir malzeme için uygun bir kaynak hızı aralığı mevcuttur. Maksimum nüfuziyet derinliği, ilgili hız değerinde elde edilebilir.
5. Koruyucu gaz
Lazer kaynağı sırasında erimiş havuzu korumak için genellikle inert gaz kullanılır. Bazı malzemeler yüzey oksidasyonundan bağımsız olarak kaynaklanır ve koruma dikkate alınmayabilir. Ancak çoğu uygulama için helyum, argon, nitrojen ve diğer gazlar genellikle koruma olarak kullanılır.
-
Helyum
Helyum kolay iyonize olmaz (daha yüksek iyonizasyon enerjisi). Bu, lazerin sorunsuz bir şekilde geçmesine izin verir ve ışın enerjisi iş parçasının yüzeyine engel olmadan ulaşır. Bu, lazer kaynağında kullanılan en etkili koruyucu gazdır. Ancak daha pahalıdır.
-
Argon gazı
Argon gazı daha ucuz ve yoğundur, bu nedenle koruma etkisi daha iyidir. Ancak, yüksek sıcaklıkta metal plazma iyonizasyonuna karşı hassastır. Bu, ışının bir kısmının iş parçasına çarpmasını engelleyebilir, kaynak için etkili lazer gücünü azaltabilir ve kaynak hızına ve nüfuziyetine zarar verebilir. Argon ile korunan kaynak yüzeyi, helyum ile korunana göre daha pürüzsüzdür.
-
Azot
Azot en ucuz koruyucu gazdır. Ancak, emilim gibi metalürjik sorunlar nedeniyle bazı paslanmaz çelik türlerinin kaynağı için uygun değildir. Bazen bu, üst üste binen alanda gözeneklilik oluşturur.
Koruyucu gaz kullanımı temel olarak aşağıdaki üç açıdan faydalıdır:
- Lehimleme sırasında iş parçasını oksidasyondan koruyun.
- Odaklama lensini, özellikle yüksek güçlü lazer kaynağında metal buharı kontaminasyonundan ve sıvı damlacıklarının püskürtülmesinden koruyun. Fırlatma güçlü hale geldiğinden, lensi şimdi korumak gerekir.
- Yüksek güçlü lazer kaynağı tarafından üretilen plazma kalkanını dağıtın. Metal buharı lazer ışınını emer ve bir plazma bulutu halinde iyonize olur. Metal buharı etrafındaki koruyucu gaz da ısı nedeniyle iyonize olur. Çok fazla plazma mevcutsa, lazer ışını plazma tarafından bir şekilde tüketilir. Plazma, çalışma yüzeyinde ikinci bir enerji olarak bulunur, bu da penetrasyonu sığlaştırır ve kaynak havuzunun yüzeyini genişletir. Plazmadaki elektron yoğunluğunu azaltmak için elektronların iyonlar ve nötr atomlarla üç cisim çarpışmaları artırılarak elektronların rekombinasyon oranı artırılır. Nötr atomlar ne kadar hafif olursa çarpışma frekansı ve rekombinasyon oranı da o kadar yüksek olur. Öte yandan, sadece yüksek iyonlaşma enerjisine sahip koruyucu gaz, gazın kendisinin iyonlaşması nedeniyle elektron yoğunluğunu artırmayacaktır.
6. Lens odak uzaklığı
Odaklama yöntemi genellikle kaynak sırasında lazeri yoğunlaştırmak için kullanılır ve genellikle 63~254 mm odak uzaklığına sahip bir lens kullanılır. Odak noktası boyutu odak uzaklığı ile orantılıdır. Odak uzaklığı ne kadar kısa olursa, nokta o kadar küçük olur. Bununla birlikte, odak uzaklığı odak derinliğini de etkiler. Yani, odak derinliği odak uzaklığı ile eşzamanlı olarak artar. Dolayısıyla, kısa bir odak uzaklığı güç yoğunluğunu artırabilir. Küçük odak derinliği nedeniyle, lens ile iş parçası arasındaki mesafe hassas bir şekilde korunmalıdır ve penetrasyon derinliği büyük değildir.
Kaynak işleminde oluşan sıçrama ve lazer modunun etkisi nedeniyle, gerçek kaynakta kullanılan en kısa odak derinliği çoğunlukla 126mm (5″) odak uzaklığıdır. Bağlantı büyük olduğunda veya kaynak dikişinin nokta boyutunu artırarak büyütülmesi gerektiğinde, 254 mm odak uzunluğuna sahip bir lens seçebilirsiniz. Bu durumda, derin penetrasyonlu iğne deliği etkisini elde etmek için daha yüksek bir lazer çıkış gücü (güç yoğunluğu) gerekir.
Lazer gücü 2kW'ı aştığında (özellikle 10.6μm CO2 lazer ışını için), optik sistemi oluşturmak için özel optik malzemelerin kullanılması nedeniyle, odaklama merceğine optik hasar riskini önlemek için genellikle yansıtıcı odaklama yöntemi kullanılır. Reflektör olarak genellikle cilalı bir bakır ayna kullanılır. Etkili soğutma nedeniyle genellikle yüksek güçlü lazer ışınlarının odaklanması için önerilir.
7. Odak pozisyonu
Odak noktası konumu, kaynak yaparken yeterli güç yoğunluğunu korumak için kritik öneme sahiptir. Odak noktasının iş parçası yüzeyine göre konumundaki değişiklikler, kaynak genişliğini ve derinliğini doğrudan etkiler.
Çoğu lazer kaynak uygulamasında, odak noktası tipik olarak iş parçası yüzeyinin altında istenen füzyon derinliğinin yaklaşık 1/4'ü kadar bulunur.
8. Lazer ışını konumu
Birbirine benzemeyen malzemelerin lazerle kaynağında lazer ışını konumu, özellikle bindirmeli bağlantılardan ziyade alın bağlantılarında kaynağın nihai kalitesini kontrol eder. Örneğin, sertleştirilmiş çelik bir dişli yumuşak çelik bir tambura kaynaklandığında, lazer ışını konumunun uygun şekilde kontrol edilmesi, nispeten çatlamaya dayanıklı ve ağırlıklı olarak düşük karbonlu bir bileşene sahip bir kaynak üretilmesine yardımcı olacaktır. Bazı uygulamalarda, kaynak yapılacak iş parçasının geometrisi lazer ışınının bir açı ile saptırılmasını gerektirir. Işın ekseni ile birleştirme düzlemi arasındaki sapma açısı 100 derece içinde olduğunda, lazer enerjisinin iş parçası tarafından emilmesi etkilenmeyecektir.
9. Kaynağın başlangıç ve bitiş noktalarında lazer gücünün kademeli olarak yükselme ve düşme kontrolü
Lazer derin nüfuziyet kaynağı sırasında, kaynak derinliğinden bağımsız olarak küçük delikler her zaman mevcuttur. Kaynak işlemi sonlandırıldığında ve güç anahtarı kapatıldığında, kaynağın sonunda bir çukur görünecektir. Ek olarak, lazer kaynak katmanı orijinal kaynak dikişini kapladığında, lazer ışınının aşırı emilimi meydana gelecektir. Bu, kaynak parçasının aşırı ısınmasına veya gözeneklerin oluşmasına neden olur.
Yukarıdaki olayların meydana gelmesini önlemek için, güç başlangıç ve bitiş zamanlarını ayarlamak üzere güç başlangıç ve bitiş noktaları programlanabilir. Başlangıç gücü elektronik olarak kısa bir süre içinde sıfırdan ayarlanan güç değerine yükseltilir. Ve kaynak süresi ayarlanabilir. Son olarak, kaynak sonlandırıldığında güç kademeli olarak ayarlanan güçten sıfıra düşürülür.