FİBER LAZER

Fiber Lazer ışını bildiğimiz ışıktan farklılık gösterir; belirli bir frekans, dalga boyu ve faza sahip fotonları vardır. Bu nedenle lazer ışınları sıradan ışığın aksine, çok yönlü, yüksek güç yoğunluğunda ve daha iyi odaklanma özelliğine sahip olabilirler. Fiber Lazer ışını yüksek yoğunluklu bir ışık olup 0,1…0,2 mm gibi dar bir alana odaklanabilir. Böylece lazer ışınının enerjisi çok küçük bir alana indirgenerek malzeme işleme için gerekli olan güç yoğunluğuna ulaşılabilir. Çelik malzemelerin imalatında en iyi sonuçlar için 10⁷…10⁸ W/cm² değerinde güç yoğunluğuna ihtiyaç duyulur. Bu kadar küçük bir noktaya bu değerde bir enerjiyi aktarmak için lazer kullanımı gerekir. Malzeme saniyeden kısa sürede ergitilebilir. Kesme işlemi lazer ışınına paralel gönderilen bir gaz ile de desteklenir. Metallerin kesilmesinde destek gazı olarak; nitrojen, hava veya oksijen kullanılır. Basınçlı gaz kesilen bölgeyi soğutarak aşırı ısınmış bölgenin sınırlandırılmasını da sağlar ve kesme işlemi sonrası ortaya çıkan cürufu da bölgeden uzaklaştırır. İstenilen kesme profili lazer ışını ile takip edilerek kesme işlemi yapılır. Lazer ışını ve tezgâhın birbirine uygun hareketleri CNC kontrollü bir sistem ile sağlanır.

Fiber Lazer ışını kullanılarak malzeme uzaklaştırma işlemi üç adımdan oluşur:

1. Eritme (melting).
2. Buharlaştırma (vaporization).
3. Kimyasal bozulma; malzemenin bozulması sonucu kimyasal bağlar kırılır (chemical degradation).

Farklı tipleri olmasına rağmen uygulamada en çok kullanılan lazer tipleri Nd:YAG ve CO₂ lazerlerdir. CO₂ lazer kızılötesi bölgede 10 µm dalga boyuna sahip olup, ışın gücü fazla, verimliliği iyi ve ışın kalitesi yüksektir. İnce saçların yüksek hızda kesilmesi işlemi için çok uygundur. Modern lazerle işleme tezgahları arasına günümüzde fiber lazerler de girmeye başlamıştır.

Lazerle işleme konusundaki deneysel çalışmalarda genellikle dikkate alınan süreç parametreleri; lazer gücü, yardımcı gazın tipi ve basıncı, kesilen malzemenin kalınlığı ve kompozisyonu, kesme hızı ve operasyon modu (sürekli veya darbeli) olup bunların süreç üzerine etkileri araştırılmaktadır. Sürecin performansı yani kalite karakteristiği olarak da malzeme uzaklaştırma oranı, işlenmiş yüzey geometrisi (kesme aralığının genişliği, delik çapı, koniklik), yüzey kalitesi (yüzey pürüzü, yüzey morfolojisi), metalürjik özellikler (yeniden biçimlenen tabaka, ısıdan etkilenmiş bölge, cüruf atık oluşumu) ve mekanik özellikler (sertlik, mukavemet) incelenmektedir. Tipik bir lazerle kesme çalışmasında incelenebilecek geometrik değişkenlerden bazıları Şekil 1’de görülmektedir.

K_g

Şekil 1:

Lazerle kesme işleminde kalite için dikkate alınan parametreler

K_g: Kesme işlemi başlangıcındaki ve K_ç: Kesme işlemi sonundaki kesme aralığı genişliği, R_a; Yüzey pürüzü, S: Malzemenin kalınlığı, 1: Oksitlenen tabaka, 2: Tekrar döküm bölgesi ve 3: Isıdan etkilenen bölge (HAZ: Heat Affected Zone).

 

2.   LAZERLE İŞLEME KONUSUNDAKİ MEVCUT ÇALIŞMALAR

 

• Deneysel Çalışmalar

 

Konu ile ilgili literatürde çok sayıda çalışma ile karşılaşmak mümkündür. Ancak çalışmaların çoğu sadece deneylerin yapılıp sonuçların sunulması şeklinde olduğundan, genelleştirme yapmaya uygun değildir.

Baumeister ve diğ. (2006), 100 W’lık fiber lazer yardımıyla paslanmaz çeliğin mikro kesim işlemi sonuçlarını vermişlerdir. Çalışmada, 100 mm’den 300 mm’ye farklı materyal

 

 

 

kalınlıkları incelenmiş olup deneylerde oksijen ve nitrojen yardımcı gaz olarak kullanılmıştır. Oksijen kullanılarak yapılan kesmede yüksek kesme hızının yanı sıra daha düşük bir kesme aralığı genişliği ve daha iyi bir kesme performansı elde edilmiştir. Bir diğer fiber lazerle kesme uygulaması da Muhammad  (2010) tarafından verilmiştir. Stent imalatında kullanılan  ince paslanmaz çelik silindirlerde (çap < 4 mm ve duvar kalınlığı < 200 µm) lazerle kesme işleminde arka duvarda yüzey durumu kötüleşmekte olup çalışmada bunu iyileştirmek için 316L paslanmaz çeliğinin sulu ve kuru şekilde darbeli fiber lazerle kesme işlemi incelenmiştir. Çalışmalar sonucunda; HAZ, kesme aralığı genişliği, yüzey sertliği ve cüruf birikmesinin sulu kesimle daha iyi hale getirildiği savunulmaktadır. Ayrıca bilimsel bir çalışmada ilk kez içten su akışının ince boru profilli paslanmaz çeliğin lazer kesimi işleminde kullanımı araştırılmıştır. Kuru ve sulu lazerli kesim için mantıksal şema Şekil 2’de görülmektedir.

Şekil 2:

Kesme kanalından eriyik malzemenin çıkartılma mekanizması; a) kuru ve b) sulu kesim

 

Paslanmaz çelikler ile ilgili bir diğer çalışmada Ghany ve Newishy (2005) 1,2 mm kalınlığındaki ostenitik paslanmaz çelik plakaların darbeli Nd:YAG lazer ışını kullanılarak, uygulamada ayrı ayrı oksijen ve nitrojeni yardımcı gaz olarak seçip optimum lazer kesim parametrelerine ulaşmayı amaçlamışlardır. Çalışmada lazer kesim kalitesinin; lazer gücüne, darbe frekansına, kesme hızına ve odak noktası değerine bağlı olduğu gösterilmiştir. Optimum kesimin, darbeli mod kullanılırken uygulanan lazer gücünün 210W, frekansın 200-250 Hz, kesme hızının 1,0-1,5 m/dak, odak pozisyonunun -0,5 mm’den -1 mm’ye, nitrojen gazı basıncının 9-11 bar ve oksijen basıncının ise 2-4 bar olduğu şartlarda oluşacağı vurgulanmıştır. Nitrojen, oksijene oranla daha küçük çentikle daha parlak ve pürüzsüz kesme yüzeyi ortaya koymuştur, ancak ekonomik açıdan daha pahalıdır. Darbeli modun da ekonomik olmadığı, özellikle darbe bindirmesinin frekans ve hızla kontrol edilmesi gerektiği, limitli frekans lazer sistemlerinde görülmüştür. Hız, sürekli dalga modunda (CW)  maksimum sistem limitine kadar çıkarılabilir. Çalışmanın sonuçlarının lazer kesme işleminin otomatik olarak yaptırılabilmesi için PC programında kullanılabilirliği de vurgulanmaktadır. Deneyler sonucu kesme aralığı genişliğindeki değişimler Şekil 3’te görülmektedir.