Hem lazer ışın kaynağı hem de ark kaynağı uzun zamandır endüstriyel üretimde kullanılmaktadır ve malzeme birleştirme teknolojisi alanında geniş bir kullanım yelpazesi sunmaktadır. Bu işlemlerin her birinin, enerjinin iş parçasına iletilmesinin fiziksel süreçleri ve elde edilebilen enerji akışları ile tanımlanan kendine özgü uygulama alanları vardır. Enerji, fiber optik kablo kullanılarak yüksek enerjili kızılötesi koherent radyasyon yoluyla lazer ışın kaynağından işlenecek malzemeye iletilir. Ark, kaynak için gerekli ısıyı, ark sütunu yoluyla iş parçasına akan yüksek bir elektrik akımı vasıtasıyla iletir. Lazer radyasyonu, kaynak derinliğinin dikiş genişliğine oranının yüksek olduğu (derin kaynak etkisi) çok dar bir ısıdan etkilenen bölgeye yol açar. Lazer kaynak işleminin boşluk kapatma yeteneği, küçük odak çapı nedeniyle çok düşüktür, ancak diğer yandan çok yüksek kaynak hızlarına ulaşabilir. Ark kaynak işlemi çok daha düşük enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak iş parçasının yüzeyinde daha büyük bir odak noktası oluşturur ve daha yavaş bir işlem hızı ile karakterize edilir. Bu iki sürecin birleştirilmesiyle faydalı sinerjiler elde edilebilir. Sonuç olarak, bu durum hem kalite avantajları hem de üretim mühendisliği faydaları ve ayrıca iyileştirilmiş maliyet verimliliği elde etmeyi mümkün kılar. Bu süreç, özellikle kaynak işlemlerinde daha yüksek toleranslara izin verilmesi, daha yüksek birleştirme oranlarının mümkün olması ve çok iyi mekanik/teknolojik parametrelerin elde edilebilmesi nedeniyle otomotiv endüstrisinde ilginç ve ekonomik açıdan cazip uygulamalar sunmaktadır.
1. Giriş:
Lazer ışığı ve arkın birleştirilmiş bir kaynak işleminde nasıl birleştirilebileceği 1970'lerden beri biliniyordu, ancak uzun bir süre sonra bu konuda daha fazla geliştirme çalışması yapılmadı. Son zamanlarda araştırmacılar bu konuya tekrar yöneldiler ve hibrit bir kaynak işleminde arkın avantajlarını lazerin avantajlarıyla birleştirmeye çalıştılar. İlk zamanlarda lazer kaynaklarının endüstriyel kullanıma uygunluğunu kanıtlaması gerekirken, günümüzde birçok üretim işletmesinde standart teknolojik ekipman haline geldiler.
Lazer kaynağının başka bir kaynak işlemiyle birleştirilmesine "hibrit kaynak işlemi" denir. Bu, bir lazer ışınının ve bir arkın aynı kaynak bölgesinde eş zamanlı olarak etkileşime girmesi ve birbirlerini etkileyip desteklemesi anlamına gelir.
2. Lazer:
Lazer kaynağı, istenen "derin kaynak etkisi"ni elde etmek için yalnızca yüksek lazer gücüne değil, aynı zamanda yüksek kaliteli bir ışına da ihtiyaç duyar. Elde edilen daha yüksek kaliteli ışın, daha küçük bir odak çapı veya daha büyük bir odak mesafesi elde etmek için kullanılabilir.
Hali hazırda devam eden geliştirme projelerinde, 4 kW lazer ışın gücüne sahip lamba pompalamalı katı hal lazeri kullanılmaktadır. Lazer ışığı 600 µm'lik bir cam fiber aracılığıyla iletilmektedir.
Lazer ışığı, başlangıcı ve sonu su ile soğutulan bir cam elyafı aracılığıyla iletilir. Lazer ışını, 200 mm odak uzaklığına sahip bir odaklama modülü tarafından iş parçasına yansıtılır.
3. Lazer Hibrit İşlem:
Metal iş parçalarının kaynaklanmasında, Nd:YAG lazer ışını 10⁶ W/cm²'nin üzerinde yoğunlukta odaklanır. Lazer ışını malzemenin yüzeyine çarptığında, bu noktayı buharlaşma sıcaklığına kadar ısıtır ve kaçan metal buharı nedeniyle kaynak metalinde bir buhar boşluğu oluşur. Kaynak dikişinin ayırt edici özelliği, yüksek derinlik-genişlik oranıdır. Serbestçe yanan arkın enerji akış yoğunluğu 10⁴ W/cm²'nin biraz üzerindedir. Şekil 1, hibrit kaynağın temel prensibini göstermektedir. Lazer ışını
Burada gösterilen, arkın ısısına ek olarak, dikişin üst kısmındaki kaynak metaline ısı sağlar. İki ayrı kaynak işleminin ardışık olarak gerçekleştiği sıralı bir konfigürasyonun aksine, hibrit kaynak, aynı işlem bölgesinde eş zamanlı olarak çalışan her iki kaynak işleminin bir kombinasyonu olarak görülebilir. Kullanılan ark veya lazer işlemine ve işlem parametrelerine bağlı olarak, işlemler birbirini farklı derecelerde ve farklı şekillerde etkileyecektir [1, 2].
Lazer ve ark işlemlerinin birleşimi sayesinde, kaynak penetrasyon derinliğinde ve kaynak hızında da (her iki işlemin tek başına kullanılmasına kıyasla) bir artış meydana gelir. Buhar boşluğundan çıkan metal buharı, ark plazmasına geri etki eder. Nd:YAG lazer radyasyonunun işleme plazmasında emilimi ihmal edilebilir düzeydedir. İki güç girişinin hangi oranının seçildiğine bağlı olarak, genel işlemin karakteri daha büyük veya daha küçük ölçüde lazer veya ark tarafından belirlenebilir [3,4].
Şekil 1: Şematik gösterim: Lazer-Hibrit kaynak
Lazer radyasyonunun emilimi, iş parçası yüzeyinin sıcaklığından önemli ölçüde etkilenir. Lazer kaynak işlemine başlamadan önce, özellikle alüminyum yüzeylerde, ilk yansıma aşılmalıdır. Bu, özel bir başlatma programı ile kaynak işlemine başlanarak sağlanabilir. Buharlaşma sıcaklığına ulaşıldıktan sonra, buhar boşluğu oluşur ve sonuç olarak radyasyon enerjisinin neredeyse tamamı iş parçasına aktarılabilir. Bunun için gereken enerji, sıcaklığa bağlı emilim ve kaybedilen enerji miktarı tarafından belirlenir.
İletkenlik yoluyla iş parçasının geri kalanına yayılır. LaserHybrid kaynakta, buharlaşma sadece iş parçasının yüzeyinden değil, aynı zamanda dolgu telinden de gerçekleşir; bu da daha fazla metal buharının mevcut olduğu ve bunun da lazer radyasyonunun girişini kolaylaştırdığı anlamına gelir. Bu aynı zamanda işlem kesintisini de önler [5, 6, 7, 8, 9].
4. Otomotiv uygulaması:
Uzay kafes teknolojisi kullanılarak, çelik araç gövdesine kıyasla %43 oranında ağırlık azaltımı mümkün olmaktadır.
Şekil 2: Audi Space Frame A2 konsepti
Audi A2 uzay çerçevesi, 30 metre lazer (şekil 2'deki sarı şeritler) ve 20 metre MIG kaynak uzunluğundan oluşmaktadır. Ayrıca 1700 adet perçin de kullanılmıştır.
Şekil 3: Audi-A2'de profillerin ve birleştirme tekniklerinin karşılaştırılması
Şekil 4, ALMg3 döküm malzemesi ile AlMgSi levha malzemesinin LaserHybrid kaynaklı birleşimini göstermektedir. Dolgu teli AlSi5 olup, koruyucu gaz olarak Argon kullanılmıştır. Lazer gücü arttıkça daha derin penetrasyon mümkün olmaktadır. Lazer ışınını ark ile bu şekilde birleştirmek, tek başına lazer ışını kaynak işlemine göre daha büyük bir kaynak havuzu elde edilmesini sağlar. Bu da daha geniş aralıklı bileşenlerin kaynaklanmasını mümkün kılar.
Şekil 4: 0,5 mm aralıklı bindirme bağlantısı
Otomotiv sektöründe, birleştirme hazırlığı gerektirmeyen birçok bindirme kaynağı uygulaması bulunmaktadır. Şu anda, bu kaynak işi için en gelişmiş yöntem, AA 6xxx alaşımının sıcak çatlaması nedeniyle soğuk dolgu teli ile lazer kaynak işlemidir. Birleştirme dolgu teli ile kaynaklandığında, lazer enerjisinin büyük bir kısmı bu dolgu telini eritmek için harcanacaktır.
Aşağıdaki şekil, 2,4 m/dak kaynak hızıyla bindirme kaynağında LaserHybrid ve lazer kaynak yöntemleri arasındaki farkları göstermektedir. Lazer kaynak yönteminde, kaynak dikişinin doldurulması mümkün değildir ve alt oyuk oluşur. Ayrıca, ana malzemeye çok az nüfuz edilir. Kaynak dikişinin genişliği çok küçüktür ve bu nedenle düşük çekme dayanımı beklenir. LaserHybrid kaynak yönteminde ise,
Ek malzeme kaynak havuzuna taşınır. Alt kesim, MIG işleminden gelen tel ile doldurulur ve lazer enerjisinin bir kısmı tasarruf edilir. Bu tasarruf edilen lazer enerjisi, ana malzemeye nüfuzu artırmak için kullanılabilir ve kaynak dikişi genişliği, sayısal simülasyondan elde edilen gereksinime göre malzeme kalınlığından daha büyük olur.
Şekil 5. LaserHybrid ve dolgu teli kullanılmadan yapılan lazer kaynağının karşılaştırılması.
LaserHybrid kaynak yöntemiyle, 4 mm'ye kadar kalınlıktaki alüminyum, çelik ve paslanmaz çelik malzemelerin kaynaklanması mümkündür. Kalınlık çok fazla olduğunda, tam penetrasyon mümkün olmaz. Çinko kaplı malzemelerin birleştirilmesi için de lazer lehimleme yöntemi tercih edilir.
Otomotiv sektöründe lazer hibrit kaynak işleminin uygun olabileceği diğer uygulama alanları arasında güç aktarım sistemleri, akslar ve araç gövdeleri yer almaktadır.
Kaynak başlığı:
Kaynak başlığı, özellikle otomotiv kaporta alanında, kaynak yapılacak parçalara iyi erişim sağlamak için küçük geometrik boyutlara sahip olmalıdır. Ayrıca, robot başlığına uygun bir şekilde sökülebilir bağlantıya ve odak uzaklığı ve kaynak torçunun mesafeleri gibi işlem değişkenlerinin tüm Kartezyen koordinatlarda ayarlanabilirliğine izin verecek şekilde tasarlanmalıdır. Şekil 5, işlem devam ederken kaynak başlığını göstermektedir. Kaynak işlemi sırasında oluşan sıçramalar, koruyucu camın giderek daha fazla kirlenmesine yol açar. Kuvars cam, her iki tarafında da yansıma önleyici bir malzeme ile kaplanmıştır ve lazer optik sistemini hasardan korumayı amaçlamaktadır.
Kirlilik derecesine bağlı olarak, cam üzerinde biriken sıçramalar, iş parçasına etki eden lazer gücünün %90'a kadar azalmasına neden olabilir. Daha ağır kirlilik genellikle koruyucu camın tahrip olmasına yol açar, çünkü yayılan enerjinin büyük bir kısmı cam tarafından emilir ve camda termal gerilmelere neden olur. Bu kaynak başlığı ve kaynak ekipmanı ile LaserHybrid kaynak, lazer kaynak, MSG kaynak ve diğer kaynak yöntemlerinde kullanılabilir.Lazer Sıcak tel lehimleme.
Şekil 6: Kaynak başlığı ve işlem
5. Lazer Hibrit Kaynak Yönteminin Avantajları:
Ark ve lazer ışınının birleştirilmesinden aşağıdaki avantajlar elde edilir: Lazer kaynağına göre LaserHybrid kaynağının avantajları:
• daha yüksek süreç istikrarı
• daha yüksek köprüleme kapasitesi
• daha derin nüfuz
• Daha düşük sermaye yatırım maliyetleri
• daha yüksek süneklik
Lazer-hibrit kaynak yönteminin MIG kaynak yöntemine göre avantajları:
• daha yüksek kaynak hızları
• Daha yüksek kaynak hızlarında daha derin nüfuz
• daha düşük termal giriş
• daha yüksek çekme dayanımı
• daha dar kaynak dikişleri
Şekil 7: İki işlemi birleştirmenin avantajları
Ark kaynak işlemi, düşük maliyetli enerji kaynağı, iyi köprüleme yeteneği ve dolgu metalleri ekleyerek yapıyı etkileme kolaylığı ile karakterize edilir. Lazer ışınlı kaynak işleminin ayırt edici özellikleri ise, elde ettiği büyük kaynak derinliği, yüksek kaynak hızı, düşük termal yük ve dar kaynak dikişleridir. Belirli bir ışın yoğunluğunun üzerinde, lazer ışını metalik malzemelerde "derin kaynak etkisi" oluşturarak, lazer gücü yeterince yüksek olmak koşuluyla, daha kalın duvar kalınlığına sahip bileşenlerin kaynaklanmasını sağlar. Lazer hibrit kaynak, bu nedenle daha yüksek kaynak hızları, ark ve lazer ışını arasındaki etkileşim nedeniyle işlem stabilizasyonu, artırılmış termal verimlilik ve daha büyük iş parçası toleransları sağlar. Kaynak havuzu MIG işlemine göre daha küçük olduğundan, daha az termal girdi ve dolayısıyla daha küçük bir ısıdan etkilenen bölge vardır. Bu da daha az kaynak parçası anlamına gelir.
Bu da, kaynak sonrası yapılması gereken düzeltme işlerinin miktarını azaltır.
İki ayrı kaynak havuzunun bulunduğu durumlarda, arkın sağladığı sonraki termal girdi, özellikle çelik söz konusu olduğunda, lazer ışını-kaynaklı bölgeye kaynak sonrası temperleme işlemi uygulanmasını sağlayarak sertlik değerlerinin kaynak dikişi boyunca daha eşit bir şekilde dağılmasını sağlar. Şekil 6, birleşik (yani hibrit) işlemin avantajlarını özetlemektedir.
Hibrit kaynak yönteminin lazer kaynağına göre ekonomik avantajlarına gelince, şu ifadeler kullanılabilir: Kaynak dikişi kısmen lazer kaynağı ve kısmen MIG kaynağından oluşmaktadır. Hibrit işlem, lazer ışınının gücünü azaltmayı mümkün kılar; bu da lazer kaynağının enerji tüketiminin büyük ölçüde azaltılabileceği anlamına gelir, zira lazer ışını cihazının verimliliği sadece %3'tür. Başka bir deyişle: İş parçasına etki eden lazer ışını gücündeki 1 kW'lık bir azalma, elektrik şebekesinden tüketilen güçte yaklaşık 35 kVA'lık bir azalmaya yol açar.
Bir lazer ışın cihazının 1 kW'lık gücü için maliyeti yaklaşık 0,1 milyon Euro civarındadır.lazer ışını gücüSadece bir örnek vermek gerekirse, hibrit prosesin kullanımı sayesinde 4 kW ışın gücüne sahip bir cihaz yerine 2 kW'lık bir lazer ışın cihazı kullanılabiliyorsa, bu durum yatırım harcamalarında 0,2 milyon Euro tasarruf sağlıyor. Ancak burada hibrit proses için yaklaşık 20.000 Euro'ya mal olan bir MIG makinesine ihtiyaç duyulacağını da hatırlatmak gerekir.
Daha yüksek kaynak hızı sayesinde hem imalat süreleri hem de kaynak maliyetleri azaltılabilir.
6. LaserHotwire lehimleme:
Lazer ışınını dolgu teliyle birleştirmenin bir diğer olasılığı LaserHotwire işlemidir [10]. Bu işlemde dolgu teli, aynı güç kaynağıyla önceden ısıtılır ve bu güç kaynağı şunlar için kullanılabilir:Lazer Hibrit kaynak işlemiDolgu teli 100 A ile 220 A arasında akım yüküne sahiptir. Tel besleme hızı, lehimleme dikişinin kesitine ve lehimleme hızına bağlıdır. Lehimleme, dolgu metal miktarı sayesinde, karşılaştırılabilir kaynak dikişlerine göre daha kolay işlenebilen bir kalıplama malzemesi sunar. Sac parçaların lehimlenmesiyle, onarım çalışmaları kaynaklı bağlantılara göre daha kolay bir şekilde gerçekleştirilebilir. LaserHotwire lehimlemenin bir avantajı da lehimli bölgenin iyi korozyon direncidir.
Dolgu metali olarak SG-CuSi3 gibi ucuz bakır bazlı alaşımlar kullanılır ve argon koruyucu gaz görevi görür.
Şekil 8: Şematik gösterimLazer Sıcak tel lehimleme:
Aşağıdaki şekil, lazer sıcak tel lehimleme yöntemiyle birleştirilmiş bir malzemenin kesitini göstermektedir. Çinko kaplı malzeme 3 m/dak hızla lehimlenmiş olup, dolgu teli 205 A akım yüküne sahiptir. Isı girişi çok düşük olduğundan, lehimleme işlemi sonucunda düşük bir deformasyon meydana gelmektedir.
7. Özet:
Lazer hibrit kaynak, metal işleme endüstrilerinde, özellikle de gerekli bileşen toleranslarının elde edilmesinin mümkün olmadığı veya maliyet açısından uygun olmadığı durumlarda, geniş uygulama alanları için sinerji sunan tamamen yeni bir teknolojidir.lazer ışın kaynağıBirleşik sürecin çok daha geniş uygulama alanı ve yüksek kapasitesi, daha düşük yatırım harcamaları, daha kısa üretim süreleri, daha düşük üretim maliyetleri ve daha yüksek verimlilik açısından rekabet gücünü artırmaktadır.
LaserHybrid prosesi, alüminyum kaynaklamasında da yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bununla birlikte, katı hal lazerlerinin daha yüksek çıkış güçleri sayesinde, pratikte kullanılabilen istikrarlı bir proses nispeten yakın zamanda mümkün hale gelmiştir. Çok sayıda çalışma, lazer-ark-hibrit kaynak proseslerinin temellerini incelemiştir. "Hibrit kaynak prosesi" ile, tek bir işlem bölgesinde (plazma ve eriyik) lazer ışın kaynağı ve ark kaynağı prosesinin birleşimini kastediyoruz. Temel araştırma çalışmaları, iki prosesin birleştirilmesiyle sinerjilerin elde edilebileceği ve her bir ayrı prosesin dezavantajlarının telafi edilebileceği, böylece birçok farklı malzeme ve yapı için gelişmiş kaynak olanakları, kaynaklanabilirlik ve kaynak güvenilirliği sağlayan bir prosesin mümkün olduğunu göstermiştir. Özellikle bu, alüminyum alaşımları için gösterilmiştir. Uygun proses parametreleri seçilerek, geometri ve yapısal bileşim gibi kaynak özelliklerini seçici olarak etkilemek mümkündür. Ark kaynağı prosesi, dolgu metali ekleyerek köprüleme özelliğini artırır; ayrıca kaynak dikişi genişliğini belirler ve böylece gereken iş parçası hazırlığı miktarını azaltır. Dahası, süreçler arasında gerçekleşen etkileşimler, sürecin verimliliğinde önemli bir artışa yol açmaktadır. Bu kombine süreç, lazer kaynak işlemine kıyasla çok daha düşük yatırım maliyetleri gerektirir.
Lazer sıcak tel lehimleme işlemi, özellikle çinko kaplı malzemelerde iyi bir korozyon direnci elde etmek için kullanılabilir.
Yayın tarihi: 18 Nisan 2025
