1. Giriş
Lazer kaynak teknolojisi, düşük ısı girdisi, yoğun ve estetik kaynak dikişleri, yüksek hassasiyet kontrolü ve kolay otomasyon entegrasyonu özelliklerine sahiptir ve bu da metal imalat endüstrisinde hızla benimsenmesini sağlamaktadır. Ancak, tüm malzemeler lazer kaynağı için uygun değildir. Isıl iletkenlik, optik emilim özellikleri, erime noktası farklılıkları, alaşım elementleri ve yüzey koşulları gibi faktörler kaynak kalitesini etkileyebilir. Bu nedenle, lazer kaynağının uygulanabilir malzeme aralığını ve sınırlamalarını anlamak, ekipman seçimi, proses planlaması ve üretim kalite kontrolü için çok önemlidir.
2. Uygulanabilir Malzeme Aralığı
Lazer kaynağı, çok sayıda metalik malzeme kategorisi için uygundur; bunların arasında demir esaslı malzemeler en olgun uygulama alanını temsil eder. Karbon çeliği, düşük alaşımlı çelik ve paslanmaz çelik gibi malzemeler, lazer ışınını iyi emer, kararlı kaynak oluşumu, kontrol edilebilir penetrasyon derinliği ve yeterli mekanik mukavemet sağlar. Nikel bazlı alaşımlar da kaynak sırasında düşük çatlama eğilimi ile kararlı mikro yapılar gösterir ve havacılık bileşenleri ve pil sekmelerinde yaygın olarak kullanılır. Bu malzemeler en lazer dostu olarak kabul edilir.
Alüminyum ve alüminyum alaşımları da kaynaklanabilir, ancak demir esaslı malzemelere kıyasla daha yüksek proses zorluğu vardır. Alüminyum, yüksek yansıtma, yüksek ısıl iletkenlik ve düşük erime noktası sergiler, bu da erimiş havuzu kararsız hale getirir ve gözenekliliğe eğilimlidir. Bu nedenle, alüminyum kaynağı tipik olarak daha yüksek lazer gücü, daha hassas odak konumu kontrolü ve proses kararlılığını ve kaynak yoğunluğunu sağlamak için optimize edilmiş koruyucu gaz seçimi gerektirir. Zorluklara rağmen, alüminyum alaşımları sıklıkla pil muhafazalarında, tüketici elektroniği kasalarında ve havacılık yapılarında kullanılır.
Bakır ve bakır alaşımları, daha da yüksek kaynak zorluğuna sahip malzemeleri temsil eder. Bakır, son derece yüksek yansıtma ve ısıl iletkenliğe sahiptir, bu da düşük ilk lazer eşleşme verimliliğine ve füzyon eksikliği, süreksiz kaynaklar veya katılaşma çatlakları gibi sık görülen kusurlara neden olur. Yüksek güçlü fiber lazerlerin, yeşil lazerlerin ve darbeli lazer kaynaklarının geliştirilmesiyle, bakır kaynak performansı iyileştirilmiş ve pil bara, elektrik konnektörleri, terminaller ve hassas elektronik bileşenlerde giderek daha fazla kullanılmaktadır.
Lazer kaynağı, altın, gümüş ve platin gibi değerli metaller için de uygundur. Bu malzemeler, mücevher imalatında ve elektrik kontağı üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalarına rağmen, kaynak kararlılıkları mükemmel kalır. Darbeli lazerler, olağanüstü kaynak tutarlılığı ve yüzey kalitesi sağlayan hassas mikro kaynak için yaygın olarak kullanılır.
3. Sınırlamaları Olan Malzemeler
Lazer kaynağı tüm malzemeler için uygun değildir. Yüksek karbonlu çelikler ve dökme demir, demir esaslı sisteme ait olmalarına rağmen, daha yüksek karbon içeriği içerir. Hızlı ısıtma ve soğutma sırasında, sert ve kırılgan mikro yapılar oluşturma eğilimindedirler, çatlaklar veya gözeneklilik oluştururlar. Bu tür malzemeler, kaynak kusurlarını en aza indirmek için ön ısıtma, kontrollü soğutma veya azaltılmış enerji yoğunluğu gerektirir.
Çinko, magnezyum ve bazı magnezyum–alüminyum alaşımları da proses sınırlamaları sergiler. Bu malzemeler düşük erime noktalarına ve yüksek buhar basınçlarına sahiptir, bu da gözeneklilik, sıçrama ve kararsız erimiş havuzlar üretme eğilimindedir ve bu da zayıf kaynak görünümüne ve yoğunluğuna neden olur. Proses optimizasyonu performansı iyileştirebilse de, endüstriyel uygulamalar nispeten sınırlı kalmaktadır.
Gümüş, nikel veya altın gibi yüzey kaplamalı malzemeler ek zorluklar sunar. Kaplama tabakası, lazer enerjisi emilimini değiştirerek yetersiz eşleşmeye veya tutarsız erimeye yol açar. Ayrıca, çok katmanlı kaplamalar, zayıf arayüz yapışması nedeniyle ısı altında ayrılabilir. Emilimi iyileştirmek için genellikle yüzey zımparalama veya darbeli veya yeşil lazerlerin kullanılması gerekir.
Metal olmayan malzemeler için, geleneksel metal lazer kaynak sistemleri plastikler, kauçuk veya kompozitler için uygun değildir. Plastik kaynak, özel iletim kaynak prosesleri ve malzeme eşleşmeleri gerektirir ve tipik olarak geleneksel metal lazer kaynakları yerine özel lazer plastik kaynak sistemleri uygulanır.
4. Farklı Metal Kaynağı
Lazer kaynağı, farklı metalleri birleştirmek için de kullanılır. Ancak, metalurjik uyumluluk, termal genleşme uyumsuzluğu ve erime noktası farklılıkları önemli kısıtlamalar getirir. Paslanmaz çelik ve karbon çeliği birbirine daha kolay kaynak yapılırken, alüminyum–paslanmaz çelik, bakır–paslanmaz çelik ve alüminyum–bakır çiftleri kırılgan intermetalik bileşikler oluşturmaya eğilimlidir ve bu da bağlantı mukavemetini azaltır. Endüstriyel uygulamada, bağlantı performansını iyileştirmek için genellikle lazer lehimleme, salınım taraması, dolgu teli eklenmesi veya optimize edilmiş ışın yolları benimsenir. Uygulanabilirlik, temel malzemelerin kendisinden çok proses stratejisine bağlıdır.
5. Proses Sınırlamaları ve Etkileyen Faktörler
Lazer kaynağı için malzeme uygunluğu, lazer dalga boyu, yüzey emilim özellikleri, alaşım elementleri, ısıl iletkenlik, yansıtma, yüzey kirliliği, oksit tabakaları, hareket hızı, odak konumu ve koruyucu gaz dahil olmak üzere çok sayıda etkileyen faktör tarafından belirlenir. Farklı malzemeler, malzeme özelliklerine göre dikkatli ekipman seçimi ve parametre ayarlaması gerektiren farklı işleme pencerelerine sahiptir.
6. Sonuç
Özetle, lazer kaynak makineleri metal işlemede geniş bir uygulama alanı sergiler. Demir esaslı ve nikel bazlı malzemeler en uygun olanlardır, alüminyum ve bakır alaşımları ise kaynaklanabilir ancak gelişmiş proses kontrolü gerektirir. Bazı yüksek karbonlu malzemeler, kaplamalı metaller ve hafif alaşımlar uygulama sınırlamaları gösterir ve plastikler veya metal olmayan malzemeler, geleneksel metal kaynak kaynakları yerine özel lazer sistemleri gerektirir. Yüksek güçlü fiber lazerlerin, yeşil/mavi lazer kaynaklarının ve ultra hızlı lazerlerin ilerlemesiyle, uygulanabilir malzeme aralığı genişlemeye devam etmekte ve mevcut kaynak darboğazlarının daha fazla endüstriyel sektörde aşılması beklenmektedir.