Lazer ve malzemeler arasındaki etkileşim birçok fiziksel olgu ve özelliği içerir. Sonraki üç makale, lazer kaynak işlemine ilişkin üç temel fiziksel olguyu tanıtarak meslektaşlarımıza bu konuda daha net bir anlayış sağlamayı amaçlamaktadır.lazer kaynak işlemiLazer emilim oranı ve hal değişimleri, plazma ve delik etkisi olmak üzere ikiye ayrılır. Bu sefer, lazer ve malzemelerin hal değişimleri ile emilim oranı arasındaki ilişkiyi güncelleyeceğiz.
Lazer ve malzemeler arasındaki etkileşim sonucu maddenin halindeki değişiklikler.
Metal malzemelerin lazerle işlenmesi esas olarak fototermal etkilerin termal işlenmesine dayanmaktadır. Malzeme yüzeyine lazer ışınımı uygulandığında, farklı güç yoğunluklarında malzemenin yüzey alanında çeşitli değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler arasında yüzey sıcaklığının yükselmesi, erime, buharlaşma, delik oluşumu ve plazma oluşumu yer alır. Dahası, malzeme yüzey alanının fiziksel durumundaki değişiklikler, malzemenin lazeri emilimini büyük ölçüde etkiler. Güç yoğunluğunun ve etki süresinin artmasıyla metal malzeme aşağıdaki durum değişikliklerine uğrayacaktır:
Ne zamanlazer gücüYoğunluğu düşük (<10^4 W/cm²) ve ışınlama süresi kısa olduğundan, metal tarafından emilen lazer enerjisi malzemenin sıcaklığının yalnızca yüzeyden içe doğru yükselmesine neden olur, ancak katı faz değişmeden kalır. Esas olarak parça tavlama ve faz dönüşümü sertleştirme işleminde kullanılır; en çok kullanılanlar ise takımlar, dişliler ve rulmanlardır.
Lazer güç yoğunluğunun (10^4-10^6 W/cm²) artması ve ışınlama süresinin uzamasıyla malzemenin yüzeyi kademeli olarak erir. Giriş enerjisi arttıkça, sıvı-katı arayüzü kademeli olarak malzemenin derin kısımlarına doğru hareket eder. Bu fiziksel süreç esas olarak metallerin yüzey yeniden eritilmesi, alaşımlanması, kaplanması ve ısı iletkenliği kaynağı için kullanılır.
Güç yoğunluğunu daha da artırarak (>10^6 W/cm²) ve lazer etki süresini uzatarak, malzeme yüzeyi sadece erimekle kalmaz, aynı zamanda buharlaşır ve buharlaşan maddeler malzeme yüzeyine yakın toplanır ve zayıf bir şekilde iyonlaşarak plazma oluşturur. Bu ince plazma, malzemenin lazeri emmesine yardımcı olur; buharlaşma ve genleşme basıncı altında, sıvı yüzey deforme olur ve çukurlar oluşturur. Bu aşama, genellikle 0,5 mm'ye kadar olan mikro bağlantıların termal iletkenlik kaynağında lazer kaynağı için kullanılabilir.
Güç yoğunluğunu daha da artırarak (>10 ^ 7 w/cm ^ 2) ve ışınlama süresini uzatarak, malzeme yüzeyinde güçlü bir buharlaşma meydana gelir ve yüksek iyonlaşma derecesine sahip bir plazma oluşur. Bu yoğun plazma, lazer üzerinde bir kalkan etkisi yaratarak, malzemeye gelen lazerin enerji yoğunluğunu büyük ölçüde azaltır. Aynı zamanda, büyük bir buhar reaksiyon kuvveti altında, erimiş metalin içinde anahtar deliği olarak bilinen küçük delikler oluşur. Anahtar deliklerinin varlığı, malzemenin lazeri emmesi için faydalıdır ve bu aşama lazer derin kaynak, kesme ve delme, darbe sertleştirme vb. işlemler için kullanılabilir.
Farklı koşullar altında, farklı metal malzemelere uygulanan farklı lazer ışınımı dalga boyları, her aşamada belirli güç yoğunluğu değerlerine yol açacaktır.
Malzemelerin lazer ışınını emmesi açısından, malzemelerin buharlaşması bir sınır noktasıdır. Malzeme katı veya sıvı haldeyken buharlaşmadığı zaman, lazer ışınını emme özelliği yüzey sıcaklığının artmasıyla yalnızca yavaşça değişir; malzeme buharlaşıp plazma ve delikler oluşturduğunda ise, malzemenin lazer ışınını emme özelliği aniden değişir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi, lazer kaynağı sırasında malzeme yüzeyindeki lazer emilim oranı, lazer güç yoğunluğu ve malzeme yüzey sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. Malzeme erimediğinde, malzemenin lazeri emme oranı, malzeme yüzey sıcaklığının artmasıyla yavaşça artar. Güç yoğunluğu (10^6 W/cm²)'den büyük olduğunda, malzeme şiddetli bir şekilde buharlaşarak bir delik oluşturur. Lazer, çoklu yansımalar ve emilim için deliğe girer, bu da malzemenin lazeri emme oranında ve erime derinliğinde önemli bir artışa neden olur.
Metal Malzemeler Tarafından Lazerin Emilimi – Dalga Boyu
Yukarıdaki şekil, oda sıcaklığında yaygın olarak kullanılan metallerin yansıtma, soğurma ve dalga boyu arasındaki ilişki eğrisini göstermektedir. Kızılötesi bölgede, dalga boyunun artmasıyla soğurma oranı azalırken yansıtma oranı artmaktadır. Çoğu metal, 10,6 µm (CO2) dalga boyundaki kızılötesi ışığı güçlü bir şekilde yansıtırken, 1,06 µm (1060 nm) dalga boyundaki kızılötesi ışığı zayıf bir şekilde yansıtır. Metal malzemeler, mavi ve yeşil ışık gibi kısa dalga boylu lazerler için daha yüksek soğurma oranlarına sahiptir.
Metal Malzemeler Tarafından Lazerin Emilimi – Malzeme Sıcaklığı ve Lazer Enerji Yoğunluğu
Alüminyum alaşımını örnek alacak olursak, malzeme katı haldeyken lazer emilim oranı yaklaşık %5-7 iken, sıvı haldeyken bu oran %25-35'e kadar çıkabiliyor ve delikli haldeyken %90'ın üzerine ulaşabiliyor.
Malzemenin lazer ışınını emme oranı, sıcaklık arttıkça artar. Metal malzemelerin oda sıcaklığındaki emme oranı çok düşüktür. Sıcaklık erime noktasına yaklaştığında, emme oranı %40 ila %60'a ulaşabilir. Sıcaklık kaynama noktasına yaklaştığında ise emme oranı %90'a kadar çıkabilir.
Metal Malzemeler Tarafından Lazerin Emilimi – Yüzey Durumu
Geleneksel emilim oranı pürüzsüz bir metal yüzey kullanılarak ölçülür, ancak lazerle ısıtmanın pratik uygulamalarında, yüksek yansımadan kaynaklanan yanlış lehimlemeyi önlemek için genellikle belirli yüksek yansımalı malzemelerin (alüminyum, bakır) emilim oranını artırmak gerekir;
Aşağıdaki yöntemler kullanılabilir:
1. Lazerin yansıtıcılığını artırmak için uygun yüzey ön işlem süreçlerinin benimsenmesi: prototip oksidasyonu, kum püskürtme, lazerle temizleme, nikel kaplama, kalay kaplama, grafit kaplama vb. işlemlerin tümü malzemenin lazeri emme oranını artırabilir;
Buradaki temel amaç, malzemenin yüzey pürüzlülüğünü artırmak (bu da çoklu lazer yansımalarına ve emilimine elverişlidir) ve yüksek emilim oranına sahip kaplama malzemesinin miktarını artırmaktır. Lazer enerjisini emerek ve yüksek emilim oranına sahip malzemeler aracılığıyla eritip buharlaştırarak, lazer ısısı ana malzemeye iletilir; bu da malzemenin emilim oranını artırır ve yüksek yansıma olayından kaynaklanan sanal kaynaklanmayı azaltır.
Yayın tarihi: 23 Kasım 2023
