Lazer kaynak, geleneksel yöntemlere göre nasıl daha güçlü dikişler oluşturur?

Daha güçlü ve dayanıklı kaynaklar elde etme amacı doğrultusunda birçok şirket lazer kaynağı gibi gelişmiş teknolojileri kullanmaya başlamaktadır. Birçok şirket dikiş mukavemetinin yanı sıra hassasiyeti de öncelikli tutar ve bu da lazer kaynağını en iyi çözüm haline getirir. MIG, TIG ve direnç kaynağı hâlâ endüstride kullanılmaktadır ancak lazer kaynağının avantajları daha fazladır.

Otomotiv ve havacılık endüstrilerinde en çok lazer kaynakları kullanılır. Lazer kaynağının sağladığı hassasiyet, sürecin fiziksel ayrıntılarına ve malzeme üzerinde yarattığı değişikliklere bağlıdır. Bu makalede, bir kaynağın mukavemetinin, üretim yöntemiyle birlikte nasıl değiştiğinin nedenleri açıklanacaktır.

Lazer Kaynağına Giriş

İki veya daha fazla malzeme parçasını birleştiren kaynak işlemi, bir lazer kullanılarak gerçekleştirilir. Lazerin birkaç modu vardır ve ısı iletimi kaynağına ve derin nüfuzlu kaynağa odaklanır. Malzemenin çok ince saclarını birleştirmek veya nüfuzun az ya da hiç olmaması gereken uygulamalar için kullanılan ısı iletimi kaynağında lazer gücü nispeten düşük tutulur (yaklaşık 105-106 W/cm ² ). Bu durumda iş parçası erir, ancak buharlaşma gerçekleşmez.

Yüzeydeki ısı daha sonra iletim yoluyla malzemenin iç kısmına aktarılır ve bu da katılaşıp iki parçayı birleştiren bir kaynak havzasının oluşmasına neden olur. Kaynağın genişliği ve derinliği, yapısal amaçlardan çok estetik amaçlar için daha uygundur.

Keynote kaynağı adı verilen lazer kaynak tekniği, derin nüfuz kaynağının (keyhole kaynağı olarak da bilinir) avantajlarını artıran çok daha yüksek kaynak güç yoğunluklarında (106 -107 watt/cm2) çalışır. Lazer ışını malzeme üzerindeki belirli bir noktaya çarptığında, hızla kaynama noktasına (buharlaşma eşiği) ulaşır, ardından metal ısınır ve metal buharı çeşitli dış taraflardan itilerek bir anahtar deliği oluşturur. Oluşan metal buharı sıvı metali kenara iter ve lazer enerjisinin malzeme yüzeyinde iletimin izin verdiği düzeyin çok ötesine kadar derinlere gitmesini sağlayan dar ve derin bir boşluk, yani keyhole oluşturur. Keyhole, derin nüfuz kaynağının tipik bir özelliğidir. Sıvı metal, keyhole'un ön kısmında ısınır ve lazer ışını kaynak yolunda ilerledikçe metal yanlardan etrafına doğru akar ve arkada katılaşarak olağanüstü derecede derin ve ince bir kaynak dikişi oluşturur.

Lazer kaynak ve derin delik (keyhole) kullanarak 10:1 oranındaki derinlik-genişlik enkesit oranları, geleneksel kaynak yöntemleriyle neredeyse imkânsızdır. Enkesit oranlarının önemi, kaynak dikişinin tamamında daha az gerilim oluşturan geometri ile birlikte nüfuz derinliğinin ötesine geçer. Yüzeyde gerilim birikimine neden olabilen sığ ve geniş dikişler bırakan geleneksel ark kaynağından farklı olarak lazer kaynak 'ın dar ve derin arkı, gerilimin malzeme kalınlığı boyunca eşit şekilde dağılmasını sağlar. Bu durum, ek yerinin gücünü dikkate değer ölçüde artırır.

Lazer kaynak dikişlerinin dayanıklılığı yalnızca geometriye bağlı değildir, aynı zamanda esas malzemenin temel özelliklerini koruyan temel metalürjik değişimlerden kaynaklanır. Kaynak işlem tekniklerinin ve yöntemlerinin azaltılması, lazer kaynakla çok daha fazla tercih edilen MIG ve TIG kaynaklarına kıyasla HAZ bölgesinin (ısı etkisiyle değişen bölge) büyüklüğünü önemli ölçüde sınırlar.

Isıyla bu birkaç saniye, birkaç saniyelik süreyle çeşitli mukavemet artırıcı etkiler sağlar. Kaynaklı parçalardaki artık gerilmeleri ve deformasyonu azaltır. Diğer kaynak yöntemlerinde, ısı girişi kaynak bileşenlerinin dengesiz termal genleşmeye ve daralmaya uğramasına neden olur ve bunun sonucunda içe hapsolmuş gerilme ve distorsiyon meydana gelir. Bu içe hapsolmuş gerilme bölgesi, kaynaklı birleşimin yapısal bütünlüğünü ciddi şekilde tehlikeye atabilir. 'i̇çe hapsolmuş bu gerilmeler, çevrimsel yüklemeler nedeniyle yorulma çatlaklarının başlamasına da yol açabilir. Distorsiyon nedeniyle çevrimsel yükleme altındaki bir bileşen, çok fazla düzeltme talaşlamasının yapılmasını gerektirir. Lazer kaynak durumunda bu distorsiyon çok daha az olduğundan, bileşen boyutlarında mukavemete odaklanmak yerine diğer özelliklere odaklanabiliriz.

Lazer kaynak, daha ince taneli yapıların geliştirilmesine olanak tanıyan ısıtma ve soğutma döngülerine de yardımcı olur. Daha ince taneli metaller genellikle daha güçlü ve tok olduğundan bu durum bileşenin gücünü artırır. Bir çalışma, paslanmaz çelik üzerinde lazer kaynak uygulamasının katılaşmanın meydana geldiği bir eriyik havuzunun oluşumunu içerdiğini doğrulamıştır. Katılaşma süreci ardından paslanmaz çelikteki mikroyapıda değişikliklere neden olur ve böylece mekanik özellikleri iyileştirir. 'mikroyapı, dolayısıyla mekanik özellikleri artırır. Bu durum, yavaş soğuma sürecinin kaba taneli yapılar ve zayıf bir birleşim noktasına yol açtığı geleneksel kaynak tekniğinin tam tersidir.

Mukavemet avantajının en iyi örneklerinden biri, mühendislik özelliklerini kaybetmeden en modern yüksek mukavemetli malzemelerin lazer kaynağı ile birleştirilmesidir. Birçok ileri düzey yüksek mukavemetli alaşım ve alaşımlar, mekanik özelliklerini yüksek seviye termal işlem teknolojisinden alır. Bu malzemeler geleneksel kaynak yöntemleriyle termal döngüden geçirilmiş ve mikroyapıları mühendislik açısından yeniden şekillendirilmiştir. Bu malzemelerin sahip olduğu istenen düzeydeki mikroyapılar değiştirilmiştir. Lazer kaynağında ise ana metalin özellikleri korunur ve orijinal malzemenin mukavemeti kaynaklı birleşimde korunmuş olur.

Üretim Verimliliği ve Süreç Esnekliği

Kaynak dikişlerinin parça kenarına yerleştirilmesiyle elde edilen açık teknik avantajlara ek olarak, lazer kaynak yöntemi modern üretimde bu süreçlerin benimsenmesini daha da cazip hale getiren önemli verimlilik kazanımlarının da kanıtlanmıştır. Bu süreçler, geleneksel kaynak yöntemlerine kıyasla çok daha hızlı çalışır. Lazer kaynak dakikada 200 inçten fazla kaynak hızı elde edebilirken, MIG kaynak dakikada 20 ile 40 inç arasında ilerler. Bir süreç saatlerce sürebilirken, diğer süreçle yalnızca birkaç dakikada tamamlanabilir. Lazer kaynak kullanımına bir örnek olarak; yaklaşık on saat süren bir kapının kaynak işlem süresi, 40 dakikaya indirilebilmiştir.

Verimlilik hikayesi, sonrası işlem gerektirme ihtiyacının/sonradan işleme miktarının azalması dikkate alındığında daha da dikkat çekicidir. Kaynaklı parçalar genellikle çarpılmadan arındırılmış bir yüzey elde etmek için yoğun şekilde taşlama işlemleri gerektirir. Bu işlemler arasında zımparalama, tornalama ve düzeltme işlemleri yer alır ve bu aşamalar, eklenen değer miktarına karşılık parasal bir kazanç sağlamaz. Lazer ışın tekniği kullanılarak yapılan laminat kaynaklı sac levhalar, temiz ve keskin kenarlar ile yüzeylerin korunması gibi bir avantajla birlikte kaynaklı laminat bir yapı oluşturur. Bu durum, özellikle lazer kaynaklı yapıların daha sonra kaplanması gereken durumlarda kritik öneme sahiptir çünkü kaplama uygulaması, kenarlar gibi yüzey özelliklerinin çarpılmadan arındırılmış olmasını gerektirir. Bununla birlikte ikincil işlemlerin azalması, çok büyük miktarda zaman tasarrufu sağlar.

Lazer kaynak, otomatik fabrika kurulumlarıyla son derece iyi çalışır ve bu da verimliliğini daha da artırır. Robotik sistemler iş parçasına dokunmadan lazer ışınını kolayca yönlendirebilir ve özellikle vurgulanması gereken bu durum, iş parçasıyla fiziksel olarak temas etmeden gerçekleştirilir. Birçok durumda tek bir lazer kaynağı, birden fazla iş istasyonuna hizmet edebilir; bu da ışın bölme konfigürasyonu olarak bilinir ve sırayla, lazer işletim sistemlerinin bağımsızlığını artırmaya yardımcı olur. Bu özerklik, üreticilerin üretim hatlarını çok fazla ara vermeden sabit tutmalarını sağlar. Benzer şekilde, lazer kaynak işleminin temas olmayan özelliği, geleneksel kaynak sistemlerini eşlik eden aşınmış aletlerin bulunmaması anlamına gelir ve bu da sistemin daha uzun süre daha iyi performans göstermesine yardımcı olur. Bu durum, temel optik bakımı dışında sistemin bakım gerektirmeden çalışabileceği süreyi uzatır.

Lazer kaynak işleminin çeşitli malzeme türlerine ve kalınlıklara uyum sağlama yeteneği, bu yöntemin avantajlarını daha da artırmaktadır. Bu süreç, milimetrenin bir kesri kadar ince malzemelerden başlayarak 25 mm kalınlığa kadar olan çelik bölümlere tek bir geçişte işlem yapabilmektedir. Bu özellik, daha kalın malzemeler için geleneksel kaynak tekniklerinde olduğu gibi birden fazla geçiş ihtiyacını ortadan kaldırır. Ayrıca, diğer kaynak sistemlerinin işlemekte zorlandığı titanyum, alüminyum ve farklı metal kombinasyonları gibi zorlu malzemeler üzerinde lazer kaynak işleminin çalışabilme yeteneği hayret vericidir.

Lazer kaynaklemenin bir diğer önemli avantajı, dikiş gücünün güvenilirliğiyle doğrudan ilişkili olan tutarlı kaynak kalitesidir. Bu süreç, operatöre kaynak işleminin önemli bileşenlerini gerçek zamanlı olarak sürekli izleyen gelişmiş sensörlerle yüksek düzeyde kontrol imkanı sunar. İzleme sırasında kullanılan sistemler genellikle üç kategoriye ayrılır. İlk kategori, lazer ışınının doğru konumlandırılmasını sağlamak için birleştirme hattını takip eden önkaynak sistemlerini içerir. İkinci kategoride, kaynak aşaması sırasında kameralı izleme sistemleri erime havuzunu ve anahtar deliği izler ve analiz eder. Son kategori olan sonraki kaynak sistemleri ise dikişi kalite standartlarını karşılayıp karşılamadığını kontrol etmek üzere değerlendirir.

Bu düzeyde kontrolü, insan operatörlerin beceri ve tutarlılıklarının çok daha önemli olduğu geleneksel kaynak yöntemleriyle sağlamak çok daha zordur. İnsan operatörler geleneksel kaynak üzerinde daha fazla kontrole sahiptir, ancak lazer kaynağı durumunda makine tamamen otomatikleşmiştir. Makine bir kez kaynak parametrelerini öğrendiğinde, bin ya da milyon parça üretim yapılsın fark etmeksizin bu parametreler üretim süreçlerinde tam olarak aynı şekilde tekrarlanır. Her bir kaynak dikişi aynı mekanik özelliklere sahip olacaktır. Tıbbi cihazlarda, otomotiv güvenlik parçalarında veya havacılıkta olduğu gibi bir kaynak hatasının kabul edilemediği sektörlerde, tutarlılık kaynaklı parçalardan daha önemlidir ve daha çok takdir edilir.

Lazer kaynak sırasında kontrollü katılaşmanın gerçekleşmesi, birleşimi zayıflatabilecek birçok kaynak kusurunun oluşumunu en aza indirir. Gaz gözenekliği ve alaşım elementlerinin ayrışması gibi kusurlar, sürecin hızlı soğuma aşaması ile sınırlanır. Ayrıca, enerji girdisinin kontrol edilmesi özellikle ince sac malzemelerde eksik kök ve yanma delinmesini ortadan kaldırılmasına yardımcı olur. Evet, lazer kaynağı bazı eski kaynak tekniklerine göre daha hassas bir birleşim hizalaması gerektirir. Ancak modern sistemler, daha büyük birleşimleri kapatan salınım yapan lazer ışınları ve lazerle birlikte geleneksel tel beslemeyi birleştiren hibrit sistemler gibi teknolojiler kullanarak bunu kolaylaştırır.

Sektör uzmanları, geleneksel kaynak tekniklerinin yetenekli uygulayıcılar ve yılların bilgi birikiminin sağlam temeline sahip olduğunu kabul ederken, lazer kaynağı daha iyi süreç kontrolü sayesinde daha güvenilir ve öngörülebilir sonuçlar sunar. Pazar üzerinde sürekli gelişen ve giderek daha uygun maliyetli hale gelen lazer teknolojisi, sıfır hata noktası gerektiren süreçlerin lazer kaynağını kullanabilmesiyle bu durumu her geçen gün daha da güçlendiriyor 'tutarlılığı önemli bir satış noktası olarak ortaya koyuyor.

Sonuç

Kanıtlar, daha güçlü dikişler için nüfuziyet, metalurji ve süreç kontrolü açısından lazer kaynağının diğer yöntemlerden üstün olduğunu göstermektedir. Nüfuziyet kaynağı ve anahtar deliği etkisi, gerilme dağılımını iyileştirir. Düşük ısı distorsiyonu ve minimum ısı girişi de esas malzeme özelliklerinin korunmasına yardımcı olur ve şekil bozukluğunu en aza indirir. Lazer teknolojisinin verimlilik, kalite ve üretim ile birleşik avantajları, yüksek eklem mukavemeti gerektiren kaynak uygulamalarında ikna edici bir argüman oluşturur.

Elbette geleneksel yöntemlerin hâlâ bir değeri vardır —özellikle ekipman maliyetleri düşük olduğunda veya montaj hacmi düşük ve karmaşık olduğunda otomasyon uygulamak pratik olmaz —ancak lazer kaynaklı bağlantıların sağlamlık sonuçlarına karşı çıkmak daha zordur. İmalat endüstrisindeki mevcut ve gelecekteki projeler ile ürünler her şeyin daha hafif, daha güçlü ve daha güvenilir olmasını gerektirir. Bu da lazer kaynak ihtiyacını daha da önemli hale getirecektir. Bu lazer kaynak projelerini kullanarak yeni ürünler geliştiren şirketler sektör lideri olacaklardır. Bu potansiyel, gelişmiş lazer birleştirme teknolojisi sayesinde ürünlerini örnek teşkil eder hale getirecektir.