paslanmaz çeliklerin lazer kaynağında kaynak parametrelerinin ...

DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİFEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜPASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZERKAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİNBAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYONÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİSerap ÇELENHaziran, 2006İZMİR

PASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZERKAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİNİNBAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYONÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİDokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsüYüksek Lisans TeziMakina Mühendisliği Bölümü, Konstrüksiyon-İmalat Anabilim DalıSerap ÇELENHaziran, 2006İZMİR

TEŞEKKÜRBu çalışmanın her aşamasında gösterdikleri değerli yardımlar dolayısıyla Sayınhocam Prof. Dr. Süleyman KARADENİZ’e, deneysel uygulamaların yapılmasıamacıyla lazer kaynak alt yapısının sağlanmasında ve teorik bilginin hayataaktarılmasında çok büyük katkıları için Sayın Arif ÇAKMAK-LAZER METALfirmasına çok teşekkür ederim. Ege Üniversitesi Makina Mühendisliği BölümündekiSayın hocam Prof. Dr. Vural CEYHUN’a, ayrıca D.E.Ü. Makina MühendisliğiBölümü Metalografi-Malzeme Laboratuvarındaki deneylerin yapılmasında gösterdiğiyardımlar dolayısıyla Araş. Gör. Y. Müh. Fatih KAHRAMAN’a ve Ege ÜniversitesiMakina Mühendisliği Biyomekanik laboratuvarında mekanik testlerin yapılmasındagösterdiği yardımlar dolayısıyla Araş. Gör. Y. Müh. Mehmet SARIKANAT’ateşekkür ederim.Bana her konuda destek olan aileme ve arkadaşlarıma çok teşekkür ederim.Serap ÇELENiii

PASLANMAZ ÇELİKLERİN LAZER KAYNAĞINDA KAYNAKPARAMETRELERİNİN BAĞLANTININ DAYANIM VE KOROZYONÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİÖZLazer kaynağı son dönemde özellikle endüstriyel imalat için artan önemkazanmıştır. Lazer kaynağı yüksek enerji yoğunluğuna sahip bir ışınla kaynakişlemidir. Lazerin enerji yoğunluğu ışık dalgalarının konsantrasyonu ilesağlanmaktadır. Lazer, malzemeler tarafından absorbe edilebilecek ısı enerjisineçevrilebilecek ışık enerjisi üretir. Kaynak işleminde genellikle iki tip lazer sistemikullanılır, bunlar CO 2 ve Nd:YAG lazeridir.Bu çalışmada lazer kaynağı mekanizması ve darbeli lazer dikiş kaynağınınparametrik analizi araştırılmıştır. Darbeli lazer dikiş kaynağı çeşitli parametrelertarafından kontrol edilir. Bunlar ortalama tepe güç yoğunluğu (APPD), lazer gücü,kaynak hızı ve darbe süresidir. Çalışma kapsamında temel işlem parametrelerininözellikle birleştirme dayanımı ve kaynak kalitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir.Ayrıca, bir darbeli Nd:YAG lazer ışın kaynağıyla paslanmaz çeliklerin alın dikişişeklinde kaynak edilebilirliği konusu araştırılmıştır.Kaynaklı birleştirmelerde tam nüfuziyet, minimum ITAB ve kabul edilebilirkaynak profili elde edebilmek için, kaynak hızları, darbe süreleri ve koruyucu gazkombinasyonlarının uygun bir şekilde seçilmesi gerektiği anlaşılmıştır.Anahtar Kelimeler: anahtar deliği etkisi, lazer kaynağı, Nd:YAG lazeriiv

THE INVESTIGATION OF EFFECT OF LASER WELDING PARAMETERSON JOINT STRENGTH AND CORROSION CHARACTERISTICS OFSTAINLESS STEELSABSTRACTLaser welding has achieved increased significance especially for industrialproduction in recent years. Laser welding is a high energy beam process.. The energydensity of the laser is achieved by the concentration of light waves. Laser generatelight energy that can be absorbed into materials and converted to heat energy. Thereare two types of laser systems that are being used for welding operation; those areCO 2 and Nd:YAG lasers.In this study, we researched laser welding mechanisms and parametric analysis ofpulsed laser seam welding process. The pulsed laser seam welding process iscontrolled by a variety of parameters. These are; average peak power density(APPD), mean laser power, welding speeds and pulse duration. We focus on theeffects of the main processing parameters on joint strength and weld quality. Andalso we examined the weldability of stainless steels in butt joint configuration by apulsed Nd:YAG laser beam welding.In order to have complete penetration, minimum heat affected zone andacceptable weld profile at weld joints, we should carefully select welding speeds,pulse durations and shielding gas combinations.Keywords: keyhole mode, laser welding, Nd:YAG laserv

İÇİNDEKİLERSayfaYÜKSEK LİSANS TEZİ SINAV SONUÇ FORMU…………………………..…...iiiTEŞEKKÜR……………………………...…………………………………….……ivÖZ……………………………………………..………………………...…………....vABSTRACT……………………………………………..…………………………..viBÖLÜM BİR-GİRİŞ………………………………………………………………...11.1 Giriş………………….………………………..………………………………..…1BÖLÜM İKİ - LAZER IŞINI ÜRETİMİNİN FİZİKSEL TEMELLERİ……….22.1 Lazer Işını Üretiminin Esasları……………….………………..…….…………...22.1.1 Kendiliğinden Emisyon ve Uyarılmış Emisyon .................….……..............42.2 Lazer Işınının Karekteristikleri……………….…………………………………142.3 Lazer Işını ile Malzemelerin Etkileşimi……………….………………………...22BÖLÜM ÜÇ - LAZER KAYNAK YÖNTEMİNDE KULLANILANLAZERLER VE LAZER SİSTEMLERİ………………………………………...253.1 Lazer Kaynağı……….…………………………………………………………..253.2 Lazerlerin Sisteminin Temel Elemanları….……….……………………………273.2.1 Lazer Üreteci…………………...………………………………………….283.2.2 Pompalama Kaynağı…………...…………………………………………..283.2.3 Optik Resonatör...…………….……………………………………………283.2.4 Odaklama Optik Elemanları .…….………………………………………..323.3 Lazer Sistemleri…………….……………………..…………………………….343.3.1 Katı-Hal Lazer Sistemleri…….…………………………………………….343.3.1.1 Nd:YAG Lazer Sistemi………….………………………..…..……….353.3.1.2 Nd:CAM Lazer Sistemi…….………………………..……………..…403.3.1.3 Ruby Lazer Sistemi……….………………..……………………….....40vi

Sayfa3.3.2 Gaz Lazer Sistemleri……………….……………………….…………......413.3.2.1 CO 2 Lazer Sistemi…….………………………………………..…….41BÖLÜM DÖRT - METALURJİK AÇIDAN LAZER KAYNAĞI……………..444.1 Lazer İletim ve Nüfuziyet Kaynağı……....……………………………………...444.1.1 Lazer Kaynağının Avantajları……….………...…………..……..………..504.1.2 Lazer Kaynağının Dezavantajları……….…….………………....………...514.2 Metalik Malzemelerin Lazer Kaynağı…………………….…………………….524.3 Lazer Kaynağında Kaynak Edilebilirlik………….……………………………..524.4 Lazer Kaynak Yönteminde Birleşme Mekanizması…….……………..………..554.5 Lazer Kaynağı ve Konvansiyonel Kaynak Yönteminde Isı Tesiri Altında KalanBölgelerdeki Mikroyapılar…………………...……………………………………...61BÖLÜM BEŞ - LAZER KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİ…...635.1 Lazer Kaynağında Işın Bırakımı…………………….…………………………..635.2 Lazer Kaynağında Kaynak Sıcaklık Çevrimi…………….………………..........675.3 Lazer Kaynağında Temel Kaynak Parametreleri……….……………………….715.3.1 Lazer Gücü…………………….………………….....……………………...715.3.2 Odaklama……………….………….…………………………………….....745.3.3 Koruyucu Gaz………….……………….………………………………..…785.4 Birincil Ayarlanabilir Kaynak Parametreleri........................................................815.5 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağında Kaynak Parametreleri…...….……...845.5.1 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağı Prosesinin Parametrik Analizi….…915.5.2 Darbe Süresinin (Tp) Isı Akışı Üzerindeki Etkisi.…….................................92BÖLÜM ALTI - LAZER KAYNAĞINDA BİRLEŞTİRME TÜRLERİ VEKAYNAK VERİMİ………………………………………………………………..936.1 Lazer Kaynağında Birleştirme Türleri………....………………………………..936.1.1 Lazer Alın Birleştirmesi…………..………………………………………..956.1.2 Lazer Bindirme Birleştirmesi ….…………………………………………..956.1.3 Lazer Kenar Birleştirmesi ….….…………………………………………. 96vii

Sayfa6.1.4 Lazer T Alın Kaynağı ve Bindirme Radyüslü Birleştirmeler...……….…..966.1.5 Lazer Flare Birleştirmesi ……………….…………………………...……..976.1.6 Lazer Dar Aralık Birleştirmesi ……………...……………………………..956.2 Lazer Kaynağında Kaynak Verimini Arttırma Yöntemleri……….…………….996.2.1 Soğurucu Kaplamalar………………………….…………………….........1006.2.2 Yüzey Pürüzlülüğü Oluşturma...…………….…………...………….........102BÖLÜM YEDİ - LAZER GÜVENLİĞİ………………………………………..1047.1 Lazer Kaynak Yönteminde Lazer Güvenliği……….…….……………………1047.1.1 I.Sınıf (class I) Lazer...................................................................................1047.1.2 II.Sınıf (class II) Lazer................................................................................1057.1.3 III.Sınıf (class III) Lazer…………………….……………………………1057.1.3.1 III-a.Sınıf (class III-a) Lazer..............................................................1067.1.3.2 III-b.Sınıf (class III-b) Lazer...............................................................1067.1.4 IV.Sınıf (class IV) Lazer.............................................................................106BÖLÜM SEKİZ - DENEYSEL ÇALIŞMALAR……………………………….1088.1 Deneylerde Kullanılan Malzeme .................……...…….……………………..1088.2 Kullanılan Kaynak Parametreleri...……….……………………………………1128.3 Çekme Testi …………………….……………………………………………..1148.4 Bükme Testi ……….....................…..…………………………………………1278.5 Mikrosertlik Testi……………..……….……………………………………….1308.6 Lazer Kaynağında Kullanılan Kaynak Parametrelerinin Dikiş Formuna veNüfuziyete Etkileri.………………………………………………………………...1368.6.1 Darbe Süresi Değişiminin Etkileri……….……………………………….1378.6.2 Gerilim Değişiminin Etkileri……………….…….………………………1398.6.3 Darbe Enerjisi Değişiminin Etkileri……………….……………………...1418.7 Mikroyapı İncelemesi…….……………………………………………………143iix

SayfaBÖLÜM DOKUZ – SONUÇLAR……………………………………………….1539.1 Sonuçlar……………………….………………...……………………………..153KAYNAKLAR……………………………………………………….…………...157ix

3E: Fotonun enerjisiE 2 : Yüksek seviyedeki (uyarılmış durum) enerjiE 1 : Son seviyedeki (düşük enerji durumu) enerjih: Plank sabiti (6,625x10 -34 Js/molekül)ν: Lazer ışığının frekansını göstermektedir.Lazer üretimini tam olarak anlayabilmek için ilk önce şu örneği inceleyelim. Cambir tüpün içine konmuş bir gaz, bir dış kaynak vasıtasıyla ısıtılırsa; gaz atomlarıaldıkları enerji ile uyarılırlar. Elektronlar temel enerji seviyelerinden daha üst enerjiseviyelerine pompalanırlar. Sonuçta bu atomlar uyarılmış durumlarına yükseltilirler.Ancak bu durumda kararsız olduklarından, alt enerji seviyelerine (yarı kararlıkonumlara) geri dönerler. Einstein’ın ortaya koyduğu ışık yayınımı teorisine göre,uyarılmış enerji seviyesinde bulunan bir atom daha alt enerji seviyelerine foton(enerji yüklü ışın parçacığı) yayarak inebilir. Yani bu esnada kaybettikleri enerjiradyasyonla ışık fotonlar şeklinde yayılır. Bu yayılan fotonlar diğer atomlaradaçarparak bunları aşağı seviyedeki enerji durumuna indirirler. Ancak bu tür bir kaynakiçindeki atomlar soğurmuş oldukları enerjiyi gelişi güzel doğrultularda foton olarakbırakırlar. Yayılan fotonlar arasında faz bağlantısı yoktur. Faz hem zamansal hemdeuzaysal olarak değişmektedir. Lazer işleminde, yayılma sırasında açığa çıkanfotonlar aynı dalga boyunda , aynı doğrultuda, aynı fazda ve birbirleriyle uyumluşekildedir.Einstein’ın ışık yayınımı teorisinde uyarılmış bir atomun daha düşük enerjili birkonuma foton yayarak iki farklı şekilde geçebileceği anlatılmıştır. Bu iki durumunilki atomun kendiliğinden emisyonla (dışarıdan herhangi bir etki olmaksızın) düşükenerjili duruma geçmesidir. İkincisi ise uygun frekanslı bir elektromagnetik ışınımlatahrik edilerek ‘uyarılmış emisyonla’ enerji yayarak düşük enerjili durumageçmesidir. İkinci durum yani bir dış kaynak tarafından tetiklenerek yapılan‘uyarılmış emisyon’ olayı lazer üretiminin temelini oluşturur. Atomun uyarılmasıancak aşağıdaki yollarla mümkündür;1) Basınç uygulayarak,

42) Isıtılarak,3) Hızlandırılmış elektronlarla bombardıman ederek,4) Bir ışık demetine maruz bırakarak.Şimdi kendiliğinden emisyon ve uyarılmış emisyonun fiziksel prensipleriniinceleyelim.2.1.1. Kendiliğinden ve Uyarılmış EmisyonKendiliğinden emisyonda olay aniden olmaz. Elektronlar belirli bir zamanperiyodu sonunda düşük enerji seviyelerine inerler. (Şekil 2.2) Her kendiliğindenemisyon için sabit olan bu zamana ‘kendiliğinden emisyon ömrü’ denir.Kendiliğinden emisyon olayında atomun bir alt enerji seviyesine geçişindeelektromagnetik radyasyon olmayabilir. Bu durumda E enerji farkı atomunenerjisinin artmasına sebep olur.Şekil 2.2 Kendiliğinden (a) ve uyarılmış emisyon (b) oluşum şekilleriKendiliğinden emisyon (Şekil 2.2a) olasılığı denklem (2.2) yardımıylahasaplanmaktadır.⎛ dN⎜⎝ dt2⎞⎟⎠ke= −A* N2(2.2)N 2 : t anında E 2 enerji seviyesinde birim hacimde bulunan atom sayısıA: Kendiliğinden emisyon oranı

5⎛ dN2 ⎞⎜ ⎟⎠ : Kendiliğinden emisyon olasılığı⎝ dtkeYukarıda da söz ettiğimiz gibi E 1 taban enerji seviyesindeki bir atom uyarılmadığısürece bu durumda kalmaya devam edecektir.Bu atoma Şekil 2.2b’de görüldüğü üzere bir fotonun çarpması durumunda,fotonun sahip olduğu enerji atom tarafından yutulmaktadır. Böylece atom E 2 enerjiseviyesine yükselir. Bu olaya ‘yutma’ denmektedir.Yutma oranı denklem (2.3) ile hesaplanmaktadır;⎛ dN⎜⎝ dt1⎞⎟⎠ke= −W12* N1(2.3)N 1 : t anında E 1 enerji seviyesinde birim hacimde bulunan atom sayısıW 12 : Yutma oranıW12= σ 12* F (2.4)F: Atoma çarpan foton yoğunluğuσ 12 : Fotonların uyarılmış durumda bulunan atomlara çarpma olasılığıσ 21 : Fotonların uyarılmamış durumda bulunan atomlara çarpma olasılığıEinstein σ 12 ’nin σ 21 ’e eşit olduğunu göstermiştir. Yani birim hacimde bulunanuyarılmış ve uyarılmamış atomlara çarpma olasılıkları birbirlerine eşittir. ( σ=σ 12 =σ 21 )

6Şekil 2.3 Kendiliğinden emisyonŞekil 2.4 Uyarılmış emisyonE 2 uyarılmış durum enerji seviyesindeki bir atoma kendi frekansı ile aynı olanelektromagnetik dalga çarptığında bu atom E 1 taban durumu enerji seviyesinegeçecektir. Bu tip emisyon ile çarpan her bir atoma karşılık iki foton bırakılır.Kendiliğinden emisyon olayında bir atomun bıraktığı elektromagnetik dalgalararasında bir faz ilişkisi yoktur. Yayılma gelişi güzel bir şekilde olmaktadır. Bunakarşın, uyarılmış emisyon bir zaman periyodu gerektirmez ve çok ani bir şekildemeydana gelir. Enerjisi ‘hν’ olan bir foton elektronu uyarır ve yüksek enerjilidurumdan düşük enerjili duruma bir foton daha yayarak geçmesi için zorlar. Bu olaysonunda yayılan iki fotonun fazı, kutuplanması ve ilerleme doğrultusu aynıdır. (Şekil2.4) Atomlar genellikle taban durumlarında olduklarından daha çok kendiliğindenemisyon görülmektedir. (Şekil 2.5)

7Şekil 2.5 Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon ve resonatörde amplifikasyon(Unitek-miyachi)Uyarılmış emisyonla, uyarılmış atomun bıraktığı fotonun frekansı, enerjisi, yönüve fazı tahrik eden fotonunki ile aynıdır. Uyarılma şartı denklem (2.5) ilehesaplanmaktadır;⎛ dN⎜⎝ dt2⎞⎟⎠ue= −W21* N2(2.5)W 21 : Uyarılmış emisyon olasılığı (E 2 enerji seviyesinde bulunan atomların emisyonsonucunda sayılarının değişme oranı) denklem (2.6) ile hesaplanmaktadır. W 21iletimdeki parçacıklara ve çarpan elektromagnetik dalganın yoğunluğuna bağlıdır.W 21 = σ 12 * F (2.6)Lazerin oluşum şartı denklem 2.7 ile hesaplanmaktadır.W 12 = σ 12 * F (2.7)

8⎛ dN⎜⎝ dt2⎞⎟⎠ke= −W21* N2(2.8)Denklem (2.7) ve (2.8)’den;dF=σ (N 1 -N 2 )*dz (2.9) elde edilir.N 1 : E 1 enerji seviyesindeki atom sayısıN 2 : E 2 enerji seviyesindeki atom sayısıF: Atoma çarpan foton yoğunluğudz: z yönündeki diferansiyel ilerleme (Tarakçıoğlu, Özcan, 2004)Nüfusun tanımını yapmak gerekirse, verilen seviyedeki birim hacim başına düşenatom sayısına ‘o seviyenin nüfusu’ denmektedir. Atomları uyarılmış atom durumunagetirirsek yani alt enerji durumlarını boş bırakırsak ‘nüfus terslenmesi’ diyeadlandırdığımız olay meydana gelir. Bu şekilde belirli bir frekansla gelen atom, diğerfotonların yayılmasını tetikler ve olay zincirleme olarak devam eder. Sonuçta, aynıfazlı uyarılmış foton kümesi teşekkül eder. Enerji yarı-kararlı atomlardan henüzortaya çıkmakta olan ışık dalgasına aktarılır. Dalga aktif ortam içinde gidip gelerekgelişimini sürdürür. Bu durum dalga güçlenmesini arttırır, dolayısıyla akıyoğunluğuda artar.Nüfusun tanımını yaptığımıza göre, nüfus terslenmesi olayını daha iyiaçıklayabiliriz. Bir malzeme için nüfusun tersine çevrilmesi olayı, N 2 - N 1 >0 şartınınyerine getirilmesi ile mümkündür. Yani üst enerji seviyesinde, alt enerji seviyesindendaha fazla atom bulunması gerekmektedir. Nüfusu tersine çevrilmiş olan malzemeye‘aktif materyal’denir. Şekil 2.6’da üç düzeyli bir lazerde nüfus terslenmesi olayıgörülmektedir.

9Şekil 2.6 Üç düzeyli bir lazerde nüfus terslenmesi olayıTermal denge durumunda E 1 ve E 2 enerji seviyelerindeki N 1 ve N 2 nüfusdağılımları denklem (2.10) ile ifade edilmektedir.NN21⎡= exp⎢−⎣( E − E ) ⎤⎥⎦k2B*T1(2.10)k B : Boltzman sabiti (1,380x10 -23 J/K molekül)T: Malzemenin sıcaklığıSonuç olarak burada N 2 > N 1 ise, malzeme bir amplifikatör gibi davranır. Eğer, N 2< N 1 ise, gelen foton yani elektromanyetik dalga yutulmaktadır. (N 2 < N 1 →Malzeme gelen fotonu yutar. N 2 > N 1 → Malzeme bir amplifikatör gibi davranır.)Yukarıdaki eşitlikteki exponansiyelin eksi işaretinin anlamı nüfus terslenmesininnegatif sıcaklık koşulları altında olması gerektiğidir. Bu geçmişteki lazeraraştırmacıları tarafından oldukça şaşırtıcı bulunmuştur. Çünkü negatif sıcaklıklarfiziksel olarak kabul edilemez. Buna karşın, Boltzman denklemi sadece termal dengekoşullarında tanımlanabilir. Öyleyse, lazerler termal dengede çalıştırılamazlar. Üstenerji seviyelerine pompalama ile nüfuslandırılırlar. Bir ışık dalgası, bir elektriksel

10veya kimyasal reaksiyon optik pompalama için, yani üst enerji seviyesindeki nüfusuarttırmak için kullanılabilir.Örneğin; E 1 =1.0 eV ve E 2 = 2.10 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. E 1 enerjiseviyesinde 1,0*10 16 elektron/cm 3 olduğunu varsayalım. 1000 K’lik bir sıcaklıkta E 2enerji seviyesinde kaç elektron olduğunu şu şekilde hesaplarız.NN21⎡= exp⎢−⎣( E − E ) ⎤⎥⎦k2B*T1(2.10)( E − E ) ⎤⎥⎦⎡2 1N2= N1* exp⎢−(2.11)⎣ kB* TN2=163⎡( )( 2,10eV−1,0eV) ⎤1,0*10 elektron/cm *exp −⎥⎦⎢⎣kB* 1000KN 2 =2,85942 elektron/cm 3Örneğin; E 1 =1.0 eV ve E 2 = 2.10 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. E 1 enerjiseviyesinde 1,0*10 16 elektron/cm 3 , E 2 enerji seviyesinde 1,0*10 15 elektron/cm 3olsun. Termal dengede bu nüfus dağılımını oluşturmak için gerekli sıcaklık nedir?T( E2− E1)In( N − )−= (2.12)k * NB21T=kB* In−( 2,10eV−1,0eV)16153[( 1,0 *10 −1,0 *10 ) elektron / cm ]T= -5543,72 K olarak bulunur. (Kuhn, 1998)Optik pompalama kaynağı (lamba-ışık kaynağı) lazer üretecine enerji sağlar.Böylece ışık enerjisi ile tahrik edilen lazer üreteci elektronları daha önce izah

11ettiğimiz şekilde daha üst enerji seviyelerine yükseltilirler, atom uyarılmış konumayükseltilir. Bu olaya ‘optik pompalama’adı verilir. Elektronlar bu uyarılmış seviyedekalamazlar ve oradan alt enerji seviyelerine inerler. Bu işlemde, atom kendiğilindenbir foton yayarak sahip olduğu fazla enerjisini kaybeder. Fotonlar bu yöntemle ortayaçıkarılarak lazer üretiminin temelleri atılmış olur. Kendiliğinden olan emisyonlayayılan fotonlar nihai bir şekilde daha yüksek enerji seviyelerindeki diğerelektronlara çarparlar. Uyarılmış emisyon, ışığın hızı ve uyarılmış atomlarınyoğunluğu sayesinde çok kısa bir zamanda olur. Çarpılan elektrondan yeni bir fotonyayılması olur. Bu iki fotonda faz içerisinde tutarlıdır, aynı dalga boyunda ve aynıyöndedir. Olay zincirleme olarak devam eder. Fotonlar tüm yönlerde yayılırlar,bununla beraber bazıları lazer sisteminin resonatör aynalarına çarparlar ve tekrarüretecin içine geri yansırlar. Resonatörün aynaları uyarılmış emisyon için tercihli(ayrıcalıklı) amplifikasyon yönünü tayin ederler. Sonuç olarak amplifikasyonunmeydana gelmesi için uyarılmış atom yüzdesi düşük enerji seviyesindeki atomyüzdesinden daha büyük olmalıdır. Bu durum lazer üretimi için gereken koşullarınoluşumuna olanak sağlar.Şekil 2.7 Bir rubin kristalinde lazer oluşumu ve Cr +3 atomunun soğurma frekans şeritleriŞekil 2.7’de sol tarafta bir yakut lazerin enerji seviyeleri, yanında ise Cr +3iyonunun atomunun soğurma frekans şeritleri görülmektedir. Optik pompalamakaynağı olan, flaş tüpünün ateşlenmesiyle bir kaç milisaniyelik şiddetli bir ışık

12patlaması olşturulur. Bu enerjinin bir kısmı ısı enerjisi şeklinde kaybolurken, birkısmıda Cr +3 iyonlarının büyük bölümünü soğurma frekans şeridi içinde uyarılmışduruma geçirir.Uyarılmış durumdaki atomlar, aldıkları enerjinin bir kısmını kristal örgüsünevererek 10 ns gibi çok kısa bir sürede yarı kararlı hale geçerler. Bu geçiş, ışımasızolur ve iyonlar birbirine çok yakın bir çift alt konumu tercih ederler. Bu enerjikonumları ‘yarı-kararlı konum’ olarak isimlendirilir. Yarı-kararlı konumlar uzunömürlü geçici durumlardır. İyonlar bu durumda, taban durumuna geçinceye kadar, 3milisaniye kalırlar. Pompalama hızı arttırılırsa, nüfus terslenmesi oluşur.Kendiliğinden emisyonla yayılan bir kaç foton zincir reaksiyonunu başlatır, ve enerjiyarı-kararlı atomlardan henüz ortaya çıkmakta olan ışık dalgasına aktarılır. Bu dalgaaktif ortam içinde ileri geri gidip gelerek gelişmesini sürdürür. Kısmen gümüşlenmişolan uçtan yakut kristalinin kendine özgü şiddetli kırmızı ışıması olur. (Hecth, çev.,1999)İdeal bir lazer ışığı aynı frekanslı (dalga boylu) ve aynı fazlı bir foton grubutarafından oluşturulmaktadırÖrneğin; E 1 =1,0 eV ve E 2 = 2,50 eV olan iki enerji seviyesi düşünelim. Bu enerjiseviyeleri arasında kendiliğinden emisyonla açığa çıkan fotonun enerjisini vefotonların dalga boylarını aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz.E= h* ν= E 2 - E 1 =2.50 eV-1.0 eV=1.50 eVDalga boyu denklem (2.13) ile hesaplanır.h*coλ = (2.13)E − E21λ =−348h * co6,626*10 j.s *3*10 m / s== 827,216 nm−19E2 − E1(2,5J/ coul −1,5J / coul) *(1,602*10 coul)veya daha kolay bir şekilde denklem (2.14) yardımıyla hesaplanabilir.

13h*coλ ( µ m)= (2.14)E − E21h * c 1,24( eV * µ m)1,24( eV * µ m)λ(µ m)= === 0, 827E − E E(eV ) 1,50eV2oµ1mLazerin oluşumu için ayrıca bir osilasyona ve bunun içinde bir geri beslemeyegerek duyulmaktadır. Geri besleme için aktif materyalde, belli bir frekanslı optikrezonatör kullanılmalıdır. Geri besleme işlemi, aktif materyalin her iki ucunayerleştirilmiş yansıtıcı aynalarla yapılmaktadır. Osilasyon işlemi, elektromagnetikdalgaların aktif ortam içerisinde ileri geri gidip gelerek gelişimini sürdürmesidir.Yansıtıcı aynalara çarpıp, ileri geri yansıyan elektromagnetik dalgalar ‘aktifmateryal’ tarafından yükseltilir. Elektromagnetik demeti çıkışa iletmek için,aynalardan birisi kısmi geçirgen yapılır. Osilasyon işlemi başladığında, aktifmateryalde çıkış aynasından çıkan ışın demetlerinin karşılanması gerekmektedir.Aktif materyaldeki birim kazancın dolayısıyla çıkış ve giriş arasındaki fotonyoğunluğu oranının hesaplanması için denklem (2.15) kullanılır;dFdF[ * ( N N ) L]oexp2−1*i= σ (2.15)Denklem (2.15)’te;L: Aktif materyalin uzunluğuσ: Yutma kesit alanıYalnızca iletimsel kayıplar söz konusu ise;[ *( N − N )*L] 1r1 * r2*exp 2* σ2 1= (2.16)Eşik enerji konumuna ulaşıldığında, nüfus terslenmeside bir kritik değere ulaşır.Kritik nüfus terslenmesi denklem (2.17) yardımıyla hesaplanmaktadır;

14( N N )2( r r )In *− 1 21= (2.17)kr2 * σ * LKritik terslenmeye ulaşıldığında, kendiliğinden emisyon olayından osilasyonoluşmaktadır. Daha öncede izah ettiğimiz üzere boşluk ekseni boyunca,kendiliğinden fotonlar yayılmaktadır. Bu işlem yükseltme işleminin başlangıcıdır. Buolay bir lazer osilatörünün temelini teşkil eder.Lazer aktif materyalden ışın demeti elde etmek için gerekli koşullar şunlardır;1) Sistem uyarılmış durumda olmalıdır. Nüfus terslenmesi olmalıdır. Uyarılmışkonumdaki atom sayısı, taban konumundakinden fazla olmalıdır.2) Sistemin uyarılmış konumu yarı-kararlı bir durum olmalıdır. Böyle bir durumunömrü daha uzundur. Uyarılmış ışıma, kendiliğinden ışımadan önce olur.3) Yayılan fotonlar, uyarılmış atomlardan uyarılmış ışıma yaptırmaya yetecek kadaruzun süre sistem içinde tutulmalıdır. Buda, sistemin uçlarına yerleştirilmiş olanyansıtıcı aynalarla sağlanmaktadır. Uçlardan birisi tamamen yansıtıcı, diğer uç iselazer demetinin çıkışına izin verecek şekilde yarı geçirgen yapılmalıdır.(Tarakçıoğlu, Özcan, 2004)2.2 Lazer Işınının KarekteristikleriOdaklanmış bir lazer ışını, endüstride mevcut en yüksek güç yoğunluğuna sahipkaynaklardan biridir. Lazer gücünün hem uzaysal, hemde zamansal alanlardadağılımından dolayı lazer ışını özellikleri oldukça karmaşıktır. Lazer ışını güçdağılımına bağlı olarak değişen hesaplama modeli kullanarak farklı sıcaklık vegerilme şekil değişimi dağılımları elde edilebilir, bu durum lazerle mikro işlenmiş işparçasının kalitesini etkileyecektir. Bir lazer ışınının çıkış noktası enineelektromagnetik mod (Transverse Electro Magnetic Mode) olarak adlandırılır ve

15TEM m,n ile gösterilir. Burada mod terimi lazer ışını kesitindeki yoğunluk dağılımınıifade etmektedir. Bir lazer ışının TEM m,n ’i (enine elektromagnetik modu)elektromagnetik ışınımının ışın üretimine dik düzlemde ölçülen ışınım yoğunluğuşeklidir. m ve n indisleri, çıkan ışık demetine dik olan doğrultulardaki enine düğümsayılarını gösteren tam sayılardır. Demet dik kesitinde bir veya daha çok bölgeyeayrılmıştır.Şekil 2.8 Farklı enine elektromegnetik mod (TEM x,y ) şekilleri (Wikipedia)Ticari lazerlerin çoğunda en yaygın kullanılan enine elektromagnetik modTEM 0,0 ’dır. Bunun sebebi; ışının dik kesiti üzerindeki akı yoğunluğu ideal birGaussyen olmasıdır. Yoğunluk dağılımı Gaussyen fonksiyonu ile (Denklem 2.18)tanımlanmaktadır. Denklem (2.18)’de a>0, b ve c sabit sayılardır.f ( x)−(x−b) 2 / c= a.e (2.18)2Işının dik kesitindeki elektrik alan içinde (diğer modlarda ortaya çıkan) fazkayması hiç yoktur. Bu nedenle, tam olarak konumsal faz uyumludur, ışın demetininaçısal sapması çok küçüktür ve ışın demeti çok küçük bir nokta şeklindeodaklanabilir. Ayrıca lazer ışığı zamansal faz uyumludur. Lazer ışığı dar bir frekansşeridinde iletilebilen yüksek akı veya ışınım gücüne sahiptir.

16Gaussyen ışın demeti küçük bir nokta çapında odaklanarak delme, kesme vekaynak uygulamaları için çok yüksek bir güç yoğunluğu sağlamaktadır. Lazerlerinbir çok ticari özellikleri, örneğin odaklanmış yüksek enerjili lazer ışınlarının kaynakiçin kullanımı veya araştırma için lazer ışınlarının çok uzak mesafelere yayılımı,temel şekilde lazerlerin çaprazlama elektromagnetik mod özellikleri ile belirlenir.Gaussyen profili radyal olarak simetrik bir dağılıma sahiptir ve elektrik alanıdeğişimi denklem (2.19) ile hesaplanmaktadır.2⎛ r ⎞E S = E ⎜ ⎟0* exp−2(2.19)⎝ w0⎠Gaussyen enerji dağılımı, optik sistem aralığında yayılım yolu boyunca hernoktada Gaussyen kalmaktadır. (Şekil 2.9)Şekil 2.9 Gaussyen ışın demetindeki yoğunluk dağılımları (Wikipedia)Bu durum, özellikle optik sistemdeki her noktadaki dağılımı göz önündecanlandırmayı kolaylaştırmaktadır. Gaussyen yoğunluk değişimi aşağıdaki formüllehesaplanmaktadır.

172*⎛ 2r⎞I = ⎜ ⎟Sη * ES* ES*exp−2(2.20)⎝ w0⎠Denklem (2.20)’dan Gaussyen yoğunluk dağılımı denklem (2.21) elde edilir.⎛2()⎟ ⎞⎜2rI r = I0exp− (2.21)2⎝ w0⎠Bir r yarıçapında içerilen güç, P(r) yoğunluk dağılımının 0’dan r’ye integrasyonuile belirlenir ve denklem (2.22) ile hesaplanır.⎡ ⎛2⎞⎤() ⎢ ⎜2rP r = P ∞1 − exp ⎟−2⎥ (2.22)⎢⎣⎝ w0⎠⎥⎦Denklem (2.21)’de P(∞) toplam güçtür. Gücün yaklaşık %100’ü r=2w 0yarıçapında tutulmaktadır. Gücün yarısı 0.59w 0 ’da tutulur ve sadece yaklaşık % 10’u0.23w 0 ’da tutulmaktadır. Toplam güç, P(∞) Watt, eksen üzerindeki yoğunluk I(0)Watt/m 2 ile ilişkilidir ve denklem (2.23) ve (2.24) ile ifade edilmektedirler.P∞⎛ πw= ⎜⎝ 220⎞⎟I⎠( 0)(2.23)I⎛2⎞( 0) = P ⎜⎟ ∞ 2⎝ πw0⎠(2.24)Herhangi bir dönel simetrik lazer ışını aşağıdaki üç parametre ile karekterizeedilmektedir. Bunlar;

18a) Işın bel pozisyonu, zb) Işın (beli) yarıçapı, w 0c) Uzak alan ayrılma (difraksiyon) açışı, θ 0Şekil 2.10 Lazer ışınını karekterize eden parametrelerIşın beli yarıçapı w(z), z yayılım ekseninin merkezinden itibaren ışının en darolduğu yarıçap değeridir. Eksendeki yoğunluğun 1/e 2 veya 0.135 değerine düştüğüyarıçap olarakda tanımlanır. Tam bu noktada, ışın beli çapı minimumdur ve w 0 ilegösterilmektedir. Işın beli yarıçapı denklem (2.25) ile hesaplanır.w2⎛⎜2( ) ⎜0z = w + ⎟⎜⎟ ⎟ 012⎝ ⎝ πnw0⎠ ⎠⎛λ z⎞2⎞(2.25)Işın yarıçapı R(z), kararlı dalga (wavefront) eğriliğinin yarıçapıdır ve denklem(2.25) ile hesaplanır.R( z)⎛⎜ ⎛ πnw⎜0= z 1+⎜⎝ ⎝ λ0z2⎞⎟⎠2⎞⎟(2.26)⎟⎠

19Kararlı dalga profili z=0 ışının en dar olduğu yerdir ve R(z) sonsuza gitmektedir(R(z)→∞). Bu mesafe Rayleigh aralığı olarak adlandırılır ve denklem (2.27) ilehesaplanmaktadır. Işın yarıçapı ilk önce yavaşça, sonra hızlı bir şekilde, sonunda zile orantılı bir şekilde artacaktır.020πnwz R= (2.27)λRayleigh aralığı, yakın-alandan uzak-alana geçiş davranışını belirlemektedir.Örneğin; dalga boyu λ=514,5 nm olan bir argon iyon lazerinin ışın beli ölçüleri 3,5ve 7 mm olsun. Rayleigh aralığından daha küçük mesafelerde sonsuza doğru hızlı birazalma vardır (R(z)=∞). Rayleigh aralığından daha büyük mesafelerde R(z) yavaşçaartar ve yaklaşık z’ye eşit olur. (Şekil 2.12)Şekil 2.11 Gaussyen ışınının önemli karekteristikleri

20Şekil 2.12 Gaussyen ışınını eğrilik yarıçapı R(z) (Dalga boyu 514,5 nm olan bir argon-iyonlazeri üç başlangıçlı ışın beli için çizilmiştir.) (Kuhn, 1998)Uzak alan ayrılma (difraksiyon) açısı θ 0 ’dır ve denklem (2.28) ilehesaplanmaktadır.λ0θ0= (2.28)πnw0Açılar küçük olduğundan tanθ 0 =θ 0 yaklaşımı yapılır. Böylece θ 0 merceküzerindeki aydınlatılan çap D, merceğin odak uzaklığı f’e bölünmesi suretiylebulunur ve denklem (2.29) ile hesaplanır.Dθ = (2.29)fAyrıca odaklama derinliği, d f , odaklanmış bir ışının odak nokta çapının yaklaşıkolarak sabit kaldığı mesafedir ve denklem (2.30) ile hesaplanır.

21df⎛ 8λ⎞⎛= ⎜ ⎟⎜⎝ π ⎠⎝fD⎞⎟⎠2(2.30)İdeal durumda Gaussyen profile sahip olan enerji dağılımı, resonatör özelliklerinebağlı olarak sapmalar göstermektedir. Lazer ışının bu sapmaları, ‘ışın kalitesi’ olaraktanımlanmaktadır. Bir lazer ışınının kalitesini tanımlamak için çeşitli karekteristiksayılar kullanılmaktadır. Işın kalitesi M 2 ile gösterilmektedir. TEM lazer ışınınınkesitindeki enerji dağılımını göstermektedir. TEM 0,0 Gaussyen profiline sahip birışının kalitesi M 2 =1’dir. M 2 >1 olan lazer ışını düşük kalitelidir. Lazer kaynağı içinkullanılan ışınlarda ise M 2 1’den küçüktür. M 2 değeri 0,1 ve 1 aralığındadır. (HanW., 2004)Öyleyse minimum ışın beli çapı w 0 denklem (2.31) ile hesaplanmaktadır.2 ⎛ 4λf⎞w0 = M ⎜ ⎟ (2.31)⎝ πw⎠Ayrıca ışın parametresi çarpımı (beam parameter product,BPP) K ve M 2değerleriyle ifade edilmekte ve lazer ışınının fiziksel sınırlarını ve odaklanabilirliğinikarekterize etmektedir. K değerleri 1 ile 10 aralığındadır ve denklem (2.32) ile ifadeedilmektedir.1 λ 1K = = (2.32)2M π w θ00Lazer kaynağında son odaklama merceği odaklanan ışın demetinin çapını çokküçültmektedir. Bu sebepten odak noktasında çalışılmalıdır. Böylece odak (ışın) çapıküçük olduğu için ısıdan etkilenen bölge küçük olur. Ayrıca son odaklamamerceğinin azda olsa oynamaları karşısında odak derinliğinden dolayı odak çapısabit olacaktır. Son odaklama merceğinin odak noktası ve iş parçası arasındaki

22uzaklığın artması ışın çapının artması sebebiyle ergiyen malzeme miktarının artmasıve kaynak derinliğinin azalmasıyla sonuçlanacaktır.Lazer ışığının önemli özellikleri şunlardır;• Lazerlerde aynalara dik doğrultuda ışık oluştuğundan, yüksek derecedendoğrultu özelliğine sahip olması. Çok uzak mesafelere kadar açısalçarpılmaya uğramadan gidebilmesi.• Yüksek derecede uyumluluğa sahip olması.• Enerji aynı frekans değerinde yayıldığından hedeflenen noktada çok yüksekyoğunluğa ulaşabilmesi.• Lazerin tek dalga boyluluğa (monokromatikliğe) sahip olması. Her lazerkendi karekteristik dalga boyunda ışık yayar. Örneğin;Yakut lazeri 6943 Aº,He-Ne lazeri 6328 Aº, Argon lazeri 5145 Aº gibi. Diğer ışık kaynaklarındanelde edilen ışığın frekans şeridi 100 Aº iken, lazer ışığının frekans şeridiyaklaşık 10 -3 Aº’dur. Yani lazerler normal ışığa göre 10 5 kat daha fazlamonokromatikliğe sahiptir.2.3 Lazer Işını ile Malzemelerin EtkileşimiFotonlar malzemenin elektronik veya kristal yapısı ile etkileştiğinde pek çok optikolaylara neden olur. Bunlar; absorbsiyon, geçme (transmisyon), kırılma veyansımadır. Bu olayları tek tek inceleyecek olursak;Absorbsiyon: Bir malzemeye çarpan foton enerjisini bırakarak absorbe edilir.Metallerde valans bandı doldurulmadığı için hemen hemen herhangi bir foton birelektronu iletim bandına uyaracak yeterli enerjiye sahiptir. (Pauli prensibine göre herenerji seviyesi bir band içerisine genişler ve bu teori ‘band teorisi’ olarakadlandırılır.) Bu nedenle metaller çok ince olmadıkça görülebilir ışıkları absorbeederler ve ışığı geçirmezler. Absorbsiyon katsayısı malzemenin yoğunluğuna,ışınımın dalga boyuna, iletim ve valans bandları arasındaki enerji aralığına bağlıdır.(Şekil 2.13)

23Şekil 2.13 Metallerde absorbsiyon ve enerji aralığı arasındaki ilişki(Askeland, çev., 2002)Geçme (Transmisyon): Fotonlar, bir elektronu yüksek bir enerji seviyesineuyarmak için yeterli enerjiye sahip değilse, absorbe edilme yerine geçme olayımeydana gelir. Bir fotonun absorbe edilmesi veya geçirilmesi fotonun enerjisine veiletim veya valans bantları arasındaki enerji aralığına bağlıdır. Metallerde bant aralığıyoktur ve hemen hemen bütün fotonlar metal (istisna olarak çok ince değilse)absorbe edilir.Geçmenin düzeyide atomik dizilişler ile ilgilidir. Cam ve bazı polimerler gibiamorf malzemeler saydam olabilir. Buna karşın malzeme kristalize olduğundafotonlar kristal yapı ile etkileşebilir ve kısmen absorbe edilebilir.Kırılma: Fotonlar bir malzemeden geçse bile, foton bir miktar enerji kaybeder vebu nedenle hafif daha uzun bir dalga boyuna sahiptir. Bundan sonra foton malzemedeışığın hızı azaltılmış yönü değiştirilmiş bir foton demeti gibi davranış gösterir. α ve βsırasıyla çarpan ve kırılan ışınların açıları malzemenin yüzeyine bir dik oluşturur. Budurumda n kırılma indisi denklem (2.33) ile hesaplanmaktadır. (Şekil 2.14)c λvakumsinαn = = = (2.33)v λ sin βBurada; n kırılma indisi, c ışığın boşlukta yayılma hızı, ν ışığın malzemedekihızıdır. Fotonlar, malzemedeki elektronlar daha kolay kutuplaştığında etkileşir vedaha fazla kırılır. Bu nedenle kırılma indisi ve malzemenin dielektrik sabiti arasındadenklem (2.34) bağıntısı vardır.

24n = K (2.34)Dielektrik malzemeler gibi kolay kutuplaşan malzemeler, daha yüksek birkırılmaya sahiptir. Kırılma indisi, yoğun malzemeler için daha büyüktür.Şekil 2.14 Foton demetlerinin bir malzemeyi geçerken etkileşimden dolayı yönlerini değiştirmeleri(Askeland, çev., 2002)Yansıma: Malzeme yüzeyi düzgünse ve çarpan fotonlar düşük bir enerjiye sahipseçarpan fotonların bir kısmı metal yüzeyinden yansıyacaktır. Yansıma oranı R,kırılma indisi ile ilgilidir ve denlem (2.35) ile ifade edilmektedir. Yüzeyleri çokdüzgün metallerde yansıma oranı çok yüksek olup, %100’e yakındır.⎛ n − 1 ⎞2R = YüzdeYansıma = ⎜ ⎟ 100⎝ n + 1x (2.35)⎠Yüksek kırılma indisli malzemeler düşük kırılma indeksli malzemelerden dahayüksek bir yansımaya sahiptir. Işık düşük kırılma indisli malzemelerde yansımadandaha çok geçer. (Askeland, çev. ,2002)

BÖLÜM ÜÇLAZER KAYNAK YÖNTEMİNDE KULLANILAN LAZERLER VE LAZERSİSTEMLERİ3.1. Lazer KaynağıTicari olarak metallerin kaynağı için yüksek güvenilirlik, kolay operasyon vedüşük maliyetli lazer kaynak sistemleri gerekmektedir. Buna ilaveten lazer sistemikaynağın gerçekleştirileceği iş parçası üzerinde spesifik bir bölgede 1-5*10 6W/cm 2 ’lik bir ışınım yoğunluğu sağlamak zorundadır. Bu optimize edilmiş koşulkaynak operasyonu boyunca sürdürülmek ve bir kaynak dizisi oluşturabilmek içindezamana göre tekrarlanabilir olmak zorundadır. Bu koşullar sadece lazer güçkaynağını değil ayrıca iş parçasına bırakılan lazer ışınımının biçiminidesınırlamaktadır. Lazer kaynağı ve diğer kaynak yöntemlerinin enerji yoğunluğukarşılaştırması Tablo 3.1’de verilmiştir.Tablo 3.1 Lazer kaynağı enerji yoğunluğunun çeşitli kaynak yöntemleriyle karşılaştırması.KAYNAK YÖNTEMİEnerjiYoğunluğu[W/cm2](Derinlik/Genişlik Oranı)LAZER 10 6 -10 7 YüksekELEKTRON IŞIN 10 6 -10 7 YüksekTIG 10 2 -10 4 Küçük-OrtaMIG-MAG 10 2 -10 4 Küçük-OrtaDİRENÇ 10 2 Küçük25

26Tablo 3.2 Lazer kaynağının çeşitli parametreler bakımından diğer kaynak yöntemleriylekarşılaştırılmasıPARAMETRE LAZERIŞIN K.ELEKTRONIŞIN K.TIG K. MIG K. DİRENÇKAYNAĞIYüksek derinlik/genişlik oranı+ + - - -Birleştirme verimiφ φ - - +Küçük ITAB + + - - φDikiş profili + + φ φ φYüksek işlem hızı + + - - -Atmosferik basınçtakaynakYansıtma katsayısıyüksek olan metallerinkaynağıİlave katkı maddesiylebirleştirme+ - + + +- + + + +φ - + + -Otomasyon + - + φ +Yatırım maliyeti - - + + +İşletme maliyetiφ φ + + +İş parçasınınsabitlenmesi+ - - - -Güvenilirlik + - + + ++:Avantajlı, φ: Nötr, -: DezavantajlıLazer ışın kaynak yönteminde çoğunlukla kullanılan lazer sistemleri iki gruptatoplanmaktadır. Bunlar şu şekildedir;

27-Katı-Hal Lazer Sistemleri:-Gaz Lazer SistemleriLazer sistemlerini daha iyi anlayabilmek için ilk önce bir lazer sistemini oluşturantemel elemanları ve bu elemanların özelliklerini incelememiz gerekmektedir. Şekil3.1’de lazer kaynağı için gerekli temel eleman şeması verilmiştir.Şekil 3.1 Lazer kaynağı temel eleman şeması3.2 Lazer Sisteminin Temel ElemanlarıBir çok lazer sistemi dört temel elemandan oluşmaktadır. Bunlar;1. Lazer Üreteci (Aktif Materyal)2. Pompalama Kaynağı3. Optik Resonatör4. Odaklama Optik Elemanları

283.2.1 Lazer Üreteciİçerisinde uyarılmış emisyonun gerçekleştiği bölgedir. Lazer aracı malzemesi katı(Nd:YAG, Nd:CAM, alexandrite, zümrüt, Cr:safir, Ti:safir ve içerisinde üç değerlikliNd +3 , Ho +3 , Gd +3 , Tm +3 , Er +3 , Pr +3 elementleri bulunan cam vb.), sıvı, gaz (krypton,argon, nitrojen, helyum-neon, CO 2 , KrF, XeCl vb.) veya plazma (x-ışını vb.) olabilir.3.2.2. Pompalama KaynağıUyarılmış emisyonun gerçekleşmesi için gerekli enerjiyi sağlayan kaynaktır.Lazerler lambalar veya diğer lazerlerle (en çok katı hal lazerlerinde), elektriki olarakp-n malzeme birleşimi ile (yarı iletken diodlarda), elektrik boşalmasıyla (en çok gazlazerlerinde) veya bir kimyasal reaksiyonla (HF, iyot vb.) pompalanabilirler.3.2.3 Optik ResonatörOptik resonatör foton yayılımı için bir patika oluşturur. Optik resonatörün asılfonksiyonu lazerlerin fiziksel boylarının kısalmasını ve elektromagnetik modprofilini oluşturmaktır. Lazer oluşumunun başlangıcında, uyarılmış emisyonlayayınan fotonların yanında; kendiliğinden emisyonla yayınan fotonlarda görülür.Eksenel ışın demeti, aktif ortamda resonatör aynalarına çarparak ileri gerihareketlerle gelişimini sürdürür. Sonunda faz uyumlu bir düzlem dalga elde edilir.Yani bu ortam dalga yükseltici gibi görev yapmaktadır. Resonatör içerisinde aynalararasındaki uzaklıkla belirlenen bir duran dalga oluşturulur. Lazer ışını dalgasınındalga boyu aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynalar arası uzaklık yarımdalga boyunun tam katına eşit olduğunda optik resonatör rezonansa geçer. Bununanlamı resonatörde duran dalga oluşumudur. Optik resonatörle bir optik geri beslemesağlanmakta ve bir osilasyon oluşmaktadır. Şekil 3.2’de optik resonatörde durandalga oluşumu görülmektedir.

29Şekil 3.2 Optik resonatörde dalga oluşumu (değişik dalgaşekilleri)Aynalar arasındaki uzaklıkla (L), lazer ışını dalgasının dalga boyu (λ) uyumluolmalıdır. Aynalar arası uzaklık (L) yarım dalga boyunun (λ/2) tam katına eşitolduğunda resonatör rezonansa geçer ve bu durum denklem (3.1) ile ifadeedilmektedir.L=m*(λ/2) (3.1)Dalgaların üst üste binme koşulları ortaya çıkacak olan optik dalgayı belirler. Birortamın herhangi bir noktasındaki bileşke dalga, bileşen dalgaların üst üstebinmesiyle oluşur. Işık dalgalarının hepsi aynı doğrultu boyunca ilerler ve titreşimdüzlemleride aynı olursa, bunların her biri bir tek elektrik alan bileşeni ile temsiledilebilir. Ayrıca bunların hepsi, herhangi bir zamanda birbirleriyle aynı veya zıtyönlü olacaklarından, skaler işlem görebilirler. Bundan dolayı denklem (3.2) eldeedilir. Bileşke dalga ise, bu dalgaların doğrusal olarak üst üste gelmesiyle elde edilir.E=E 1 +E 2 (3.2)

30Şekil 3.3 Aynı fazda ve zıt fazda iki harmonik dalganın üst üste binmesi(Hecth, çev., 1999)Böylece tek bir dalga, E 1 ve E 2 sinüsel dalgalarının üst üste binmesiyle oluşmuşolur. Bileşke dalga harmoniktir, genliği ve fazı bileşenlerinkinden farklı olmasınarağmen frekansı bileşenlerinki ile aynıdır. Yani belirli frekansta aynı doğrultudailerleyen herhangi bir sayıda faz uyumlu harmonik dalganın üst üste binmesi aynıfrekanslı harmonik bir dalga vermektedir. (Şekil 3.3a)Girişimde iki durum olabilir. Birinci durumda dalgalar aynı fazlıdır; tepe tepeyleüst üste biner. (Şekil 3.3a) İkinci durumda ise dalgalar 180 ° zıt fazlıdır ve tepeçukurla üst üste biner. (Şekil 3.3b) Birinci durumda, yapıcı girişimden; ikincidurumda yıkıcı girişimden söz edilir. Lazer ışığının faz uyumu birinci duruma uygunortamı hazırlar. Ayrıca bir ışık dalgasının akı yoğunluğu, genliğinin karesiyleorantılıdır.Bir optik resonatördeki enerji azalışı resonatörün nitelik sayısı ile tarifedilmekte olup ‘Q’ sembolü ile gösterilmektedir. Resonatör bir titreştirici devredir.

31Nitelik sayısı Q titreştirici devrenin işleyiş niteliğini tanımlamaktadır. Amaç Q’nunyüksek olmasıdır. Eğer herhangi bir nedenle optik resonatörün geometrisi bozulursalazerin çalışması durur. Bu durum daha çok aynalardan birinin yer değiştirmesi veyatamamen kaldırılmasıyla meydana gelir. Optik pompalama devam eder ve yarıkararlı duruma pompalanan atomların sayısı epeyce artar. Bir anda rezonansoyuğunun çalşıtırılmasıyla tüm atomlar hep beraber daha alt düzeye inerken çokgüçlü bir enerji ortaya çıkmaktadır. Resonatördeki titreşimin başlaması kasıtlı olarakgeciktirilerek yapılan bu olaya ‘Q-anahtarlaması’ denir. Aksi taktirde rezonatördekiışınım alanı sebebiyle uyarmayla emisyon esnasında nüfus terslenmesi sürekli olarakazalacağından, bir lazerin çıkış gücü kendiliğinden sınırlı olurdu. Q-anahtarlamasıbazı kontrol sistemlerinde kullanılmıştır.Resonatörler , kararlı ve kararsız olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. Kararlırezonans oyuğunda ışın demetinin yansıma sırasında optik eksene yakınlığı vedoğrultusunda kalma eğilimi yüksektir. Kararsız yansımada ise ışın demeti heryansımada eksenden bir miktar ayrılır. Kararsız resonatörler CO 2 lazeri gibi yüksekgüçlü sistemlerde kullanılmaktadır. Bu şekilde ışın demeti, aktif ortamı her geçişindedaha büyük bir bölgeyi tarar ve yükseltme artar, üzerine daha büyük enerji alabilir.Resonatörlerde, sonsuz sayıda belirtgin ν m frekanslı ‘boyuna (eksenel) titreşimmodu’(longitudinal mode) vardır. (Şekil 3.4) Bir resonatörün boyuna titreşim modu,resonatör içinde duran dalga oluşum şeklini ifade etmektedir. Ayrıca ardışık modfrekansları arasındaki fark sabittir. Resonatör modlarının rezonans genişliği,kendiliğinden atomsal geçişlere göre oldukça dardır. Sözü edilen modlardan biri veyadaha fazlasını içinde bulunduracak bir aygıtta , bu modlar resonatör içerisindegüçlendirilir. Böylece ışık bu frekanslara çok yakın bir bölgeye sınırlandırılmışolarak aygıttan çıkar.Işımalı geçiş, oldukça geniş bir frekans bölgesini oluşturur. Resonatör, bunlararasından belli, dar frekans şeritlerini seçip, çoğaltır. Lazerin monokromatikliğisayesinde tek bir frekans şeridi bile seçilebilir. Resonatör içinde sadece tek modoluşturmanın şartı ; modlar arasındaki farkı , geçişin frekans şerit genişliğinden daha

32büyük yapmaktır. Böylece, geçişle sağlanan uygun frekanslar bölgesi içinde sadecebir tek mod bulunur. Örneğin; bir rubin lazerinde bir kaç santimetrelik resonatöruzunluğu bir tek mod için yeterli olur. Buna karşın, bu durum ışınıma enerji katkısıyapan aktif bölgenin uzunluğunu ve dolayısıyla çıkış gücünüde sınırlar. (Hecth, çev.,1999)Şekil 3.4 Bir resonatörde boyuna (eksenel) titreşim modlarının gösterimi (Wikipedia)3.2.4 Odaklama Optik ElemanlarıOdaklama başlığı, ışını verimli şekilde fiberin sonundan parçanın üzerine iletir.Odaklama başlığına bir eksenel kamera yerleştirilir. Böylece kaynak işleminden önceve kaynak esnasında kaynak alanını lazer ışınının yolu boyunca doğrudan izlemekmümkün olmaktadır. (Şekil 3.4) Odaklama dağıtıcı ve toplayıcı optik merceklerlesağlanmaktadır.Lazer operasyon alanına bir fiber optik kablodan geçerek bırakılabilir. Bu kablo;lazer taşıyıcı merkezi bir öz, tüm ışığın merkezde kalmasını sağlayacak şekilde aynagiydirilmiş bir bölge ve en dış kısımda ise ışığın dışarı sızmasını önleyecek bir metalceket giydirilmiş şekilde dizayn edilmiştir. Fiberin öz çapı lazer gücüne göre değişikçaplarda yapılabilir.

33Şekil 3.5 Odaklama başlığı (lazer kafası) prensip şeması (Unitek-miyachi)Şekil 3.6 Bir Nd:YAG odaklama başlığı (Dilthey, 2000)

343.3 Lazer SistemleriBir lazer sistemini oluşturan elemanlar ve özelliklerini inceledik, şimdi de katı vegaz lazer sistemlerini ve temel özelliklerini inceleyelim.3.3.1 Katı-Hal Lazer Sistemleri:Lazer kaynak işlemlerinde en çok kullanılan ışınlardan biridir. Dalga boyuyaklaşık 170 nm 3900 nm arasında değişmektedir. Sistemin ana elemanları şunlardır;-Lazer Üreteci: Nd:YAG (Lazer aracı olarak içerisinde neodinyum (Nd +3 ) aktifelementini barındıran YAG (Yttrium Aluminium Garnet) suni kristalikullanılmaktadır. YAG kelimesinin açınımı Yitrium (Itriyum)-Alüminyum-Granat’tırve kimyasal formülü de Y 3 Al 5 O 12 ’dir. Daha önceleri Y 3 Ga 3 O 12 (YGaG), Gd 3 Ga 5 O 12(GdGaG) alaşımlarıda kullanılmış, en düşük optik kayıplara YAG ile ulaşılmıştır.Dalga boyu 1,06 µm olan ışınım yaymaktadır. YAG’ın lazer üretimindekullanılmasının sebebi; oldukça sert, dayanıklı, iyi optik özelliklere ve iyi ısıliletkenliğe sahip olmasıdır. Ayrıca Neodinyum oranı arttırıldıkça uyarılmış emisyonolayının zamanında bir azalma olduğu gözlenmiştir. Bunun sebebi Nd iyonlarınınbirbirleriyle reaksiyonudur.), Nd:CAM, alexandrite, zümrüt, Cr:safir, Ti:safir veiçerisinde üç değerlikli Nd +3 , Ho +3 , Gd +3 ,Tm +3 ,Er +3 ,Pr +3 elementleri bulunan cam.-Optik Pompalama Kaynağı-Resonatör-Odaklama Optik Elemanları: Arka Tam Yansıtıcı Ayna, Ön Kısmi Yansıtıcı Ayna,MerceklerKatı hal lazer malzemelerinin iki önemli sınıfı vardır.1) Kristal katı hal lazer malzemeleri (Nd:YAG gibi)2) İzotropik katı hal lazer malzemeleri (Cam gibi)

35Katı hal lazerlerinde, istenen mekanik ve ısıl özelliklere sahip bir ev sahibimalzeme (tıpkı YAG gibi) içine istenen lazer özelliklerine sahip bir elementdepolanır (Neodmiyum gibi).Malzemenin yapısal ve lazer özellikleri depolanan element atomunun atomikçevresi ile ilişkili olduğundan, lazer geçişinin doğasını belirlemektedir. Nd:YAG veNd:CAM lazerlerinde, lazer geçişi oldukça dardır (300 K’de yaklaşık 5 Angstrom)ve 1,064 µm dalga boyundadır. Örneğin; Nd:Cam ve Nd:YAG lazerlerindedepolanan element olarak neodmiyum kullanılır. Nd:YAG lazerlerinde kristal kafesiçine hapsedilmiş atom arasında, her atom iyi düzenlenmiş ve simetriktir. Nd:Camlazerlerinde atom amorf bir yapı içindedir, en yakın çevre atomlarının her biri kötüdüzenlenmiştir ve her bir atom için farklıdır. Sonuçta, lazer geçişi Nd:YAGlazerlerinden daha geniştir. (300 K’de yaklaşık 300 Angstrom) ve dalga boyu 1,062µm (silikat cam) 1,054 µm (fosfat cam) aralığındadır.Bir çok katı hal lazerleride aktif iyonlar olarak üç katlı nadir bulunan elementlerkullanılmaktadır. Bu elementler kısmi bir doluluğa sahip olan 4f kabuğuna sahiptir,ve bu kabuk etrafında çeşitli geçişler gözlemlenmektedir. Tüm üç katlı lazer geçişleridört seviyelidir. Katı hal lazerlerinin çalışması için önemli bir faktörde pompalamaenerjisinin üst lazer seviyelerine etkin bir şekilde transfer edilmesidir.Katı hal lazer sistemleri ile ilgili olarak temel bilgileride verdiğimize göre artık bulazer sistemlerini tek tek inceleyebiliriz.3.3.1.1 Nd:YAG Lazer SistemiKaynak uygulamaları için kullanılan mevcut Nd:YAG lazerlerinin ortalama çıkışgüçleri 0,3-3 kW aralığındadır, fakat lazer teknolojisindeki son gelişmelerle eldeedilebilir maksimum güç 4 kW’a kadar çıkmaktadır. Bu lazerler aşağıdaki modlardaçalıştırılabilirler;1. Sürekli Mod (Biçim)

362. Darbeli Mod3.Q-Anahtarlamalı ModYukarıdaki bu üç durum için lazer çıkış karekteristikleri Tablo 3.3’deözetlenmiştir.Tablo 3.3 Farklı uygulama koşullarında Nd:YAG lazerlerinin karekteristikleriModOrtalamaGüç (kW)TepeGücü (kW)DarbeSüresiDarbeFrekansıEnerji/DarbeSürekli 0,3-4 - - - -Darbeli → 4 → 50 0,2-20 mS 1-500 Hz → 100Q-Anahtarlamalı → 4 → 100 < 1 mS → 100 kHz 10 -3Darbeli pompalamalarda, pompa girişi lazer çıkış darbelerinin zamansal olarakşekillendirilmesiyle kontrol edilmektedir. Darbe şekillerinin düzenlenmesi sık sıkkaynak koşullarının optimizasyonu için yararlıdır, (özellikle bazı Al alaşımlarınınnokta kaynağı uygulamaları için.) Darbe şekillerinin düzenlenmesine ilişkin tam birçalışmada Weedon (1987) tarafından yapılmıştır.Darbeli pompalama ∼0,1 mS’den başlayan ve sürekli mod’a kadar uzanan birdarbe genişliği imkanı sunmaktadır. Kaynak uygulamaları için kullanılan genel darbesüreleri 0,1-20 ms aralığındadır. Bu aralığın sonunda darbe tekrar frekansları 1 kHz’eulaşabilir.Lazer güç çıkışının Q-Anahtarlaması kaynak uygulamaları için daha az yararlıdır,çünkü darbe süresi darbe tekrar frekansları 100 kHz’e kadar yükselmesine rağmen1µs’den çok daha kısadır.(≥ 1µs) Bu darbelerde daha yüksek tepe gücü plazmaoluşumunu ve gaz kesilmesini kolaylaştırmaktadır. Yüksek ortalama güçlü (≥ 1 kW)lazerlerle sürekli modda lazer nüfuziyet kaynağı mümkün olduğu halde bu durumdüşük ortalama güçle sürdürülemez. (Duley, 1998) Bir Nd:YAG lazer sisteminintemel elemanları Şekil 3.5’te görülmektedir.

37Şekil 3.7 Bir Nd:YAG lazer sisteminin temel elemanları (SLV Duisburg, 2003)Lazer Üreteci: Nd:YAG (Şekil 3.7)Pompalama Kaynağı: Nd:YAG lazer sistemini tahrik eden üç tip flaş lambasıvardır. Bunlar;-Tungusten Filament Lamba: Genelde düşük güç ve verimdedir. Yaklaşık 3473º Cçalışma ısısına sahiptir.-K_Hg Lambası: Aşınma etkisinden ve yüksek sıcaklıktan dolayı safir koruyucukullanılmaktadır. Bu sebepten oldukça pahalı bir sistemdir. Çalışma ısısı yaklaşık4000º K civarındadır.-Xe ve Kr Ark Lambası: Yüksek güçte çalışma imkanı sağlamak için susoğutmasıyla beraber kullanılmaktadır.Resonatör: Bir resonatör içinde lazer üreteci, flaş lambası bulunmaktadır.Genellikle silindirik veya eliptik iç yüzeyi yüksek yansıtma kabiliyetine sahip birmetal (altın,gümüş vb.) ile kaplanmış, bir ucunda tam, diğer ucunda kısmi(maksimum %60’a kadar) yansıtıcı aynalar bulunan eleman kullanılmaktadır.Birbirine yüz yüze bakan iki düz veya küresel (iç bükey, dış bükey) ayna

38kullanılmaktadır. Işın üretim özellikleri bu aynalar arasındaki uzaklık ve yansıtıcıaynaların eğriliğiyle belirlenir. Ayna eğriğinin ve aralığın optimizasyonu karmaşıkbir analizi gerektirmektedir; bunun sebebi lazer üretimi esnasında lazer üretecikristali içinde meydana gelen kompleks termal etkilerdir.Lazer aracı, optik pompalama enerjisini absorbe ettiğinde ısınır. Eğer pompalamaenerjisinin frekansı kristalde ısıl dinlenme zamanını aşıyorsa, kristalin sıcaklığıazalır. Bu lazer aracı kristali içindeki sıcalık düşümü gradyeni termal merceklemeyeartış verir, onun vasıtasıyla kristal bir lens (mercek) gibi lazeri kırma eğilimi gösterirki buda gücü azaltır.Lazer çubuğunun ve flaş lambasının soğutulması pompa boşluğunda akan su ilesağlanmaktadır.Şekil 3.8 Bir Nd:YAG lazer sistemi elemanları prensip şemasıŞekil 3.8’de bir Nd:YAG lazer sistemi elemanları prensip şeması, Şekil 3.9’da birNd:YAG lazer sistemi içinde uyarılmış emisyon ve Şekil 3.10’da YAG çubuğuiçinde uyarılmış emisyon olayı gösterilmektedir.

39Şekil 3.9 Bir Nd:YAG lazer sistemi içinde uyarılmış emisyonNd:YAG Lazer Kaynağının Avantajları:1- Yansıtıcı metallerde daha az yansıtma2- Düşük işletme maliyeti3- Fiber optik ışın bırakım sistemi.Şekil 3.10 Bir katıhal lazer kristali içindeki uyarılmış emisyonunyakından gösterimi

403.3.1.2 Nd:CAM Lazer SistemiLazer Üreteci: Lazer aracı olarak içerisinde neodinyum (Nd +3 ) aktif elementidepolanmış cam kullanılmaktadır. Optik özellikleri çok iyi olmasına karşın, düşükbir ısıl iletkenliğe sahiptir. Darbeli veya Q-anahtarlamalı şekilde dizayn edilebilir.Lazer çubuğunun boyu Nd:YAG sisteminde kullanılanlara göre oldukça uzundur.Pompalama kaynağı ve rezonans boşluğu geometrisi ve özellikleri Nd:YAGsistemine benzerdir. Ancak boşlukta kullanılan flaş lambası sayısı daha yüksektir.3.3.1.3Ruby Lazer SistemiLazer Üreteci: İçine 0.001 oranında aktif element olarak Cr +3 (Cr 2 O 3 ) iyonudepolanmış Al 2 O 3 kristalinden yapılmıştır. Yani aktif ortam sentetik açık pembe biryakuttur. Silindirik çubuğun her iki ucu eksene dik doğrultuda kesilmiş veparlatılmıştır. Bir ucu tamamen ikinci ucu ise kısmen gümüş kaplanmıştır. Bu şekildebir rezonans oyuğu oluşturulmuştur.Yüksek ısıl iletkenliğe, iyi optik kaliteye sahipoldukça sert ve dayanıklıdır. İlk geliştirilen lazer sistemidir. (Şekil 3.11)Şekil 3.11 Bir Ruby lazer sistemi ve ana elemanları

41Optik pompalama, lazer çubuğunun etrafına sarılmış bir helisel flaş tüpü ilesağlanmaktadır. Flaş tüpünün ateşlenmesiyle birkaç milisaniyelik şiddetli bir ışıkpatlaması olur. Bu esnada enerjinin bir kısmı Cr +3 iyonlarını uyarır, geri kalanı ise ısıenerjisi şeklinde kaybolur. İyonlar çok kısa sürede uyarılmış duruma geçerler.İyonlar taban durumlarına dönerlerken yakut kristali kırmızı ışımasını yapar. Işımatüm doğrultularda olur ve faz uyumu yoktur. İşte bu durumda optik pompalama hızıarttırılırsa ‘nüfus terslenmesi’ oluşur. Kendiliğinden yayınan fotonlarla olaybaşlatılır. Enerji yarı kararlı atomlardan ışık dalgasına aktarılır. Dalga aktif ortamiçinde gidip gelerek gelişimini sürdürür. Kısmen gümüşlenmiş uçtan bir ışık atmasıolur. Lazer karekteristikleri lazer çubuğunun sıcaklığıyla yakından ilgili olduğundandolayı efektif bir soğutma işlemi gerekmektedir.3.3.2 Gaz Lazer Sistemleri3.3.2.1 CO 2 Lazer SistemiYüksek ve devamlı güç (50 kW’a kadar) elde edilebilen bir lazer sistemidir. Diğersistemlere göre verimi en yüksek olan sistemdir. Çıkış verimi; çıkış lazer gücününelektriksel giriş gücüne oranı olarak tanımlanır ve %10’a yaklaşır. Lazerin üretimibir doğru akım kaynağıyla veya radyo frekanslarıyla sağlanabilmektedir. Dalga boyu9-11 µm arasında değişen kızıl ötesi ışınım yayarlar. Ancak en çok kullanılan dalgaboyu 10,6 µm’dir. Şekil 3.12’de bir CO 2 lazer üretim sistemi görülmektedir.Şekil 3.12 CO 2 lazer üretim sistemi

42Gaz lazer sistemlerinde aktif ortam olarak bir gaz karışımındanfaydalanılmaktadır. CO 2 , N 2 , He gazlarının karışımı tüp içersine sürekli olarakpompalanır. Bu işlemin amacı, tüp içinde lazer olayının meydana geldiği esnadaoluşabilecek bozulma ve yığılmaları engellemek içindir. CO 2 gazı lazer ışığınıoluşturmaktadır, N 2 molekülleri CO 2 moleküllerinin uyarılmasına yardım ederler veışık üretimi işleminin verimini arttırırlar. Helyum burada ikili rol oynamaktadır. Gaziçerisindeki ısı transferine ve ayrıca CO 2 moleküllerine taban enerji konumlarına geridönmelerinde yardımcı olmaktadır. Tüp su soğutmalı olup, katı hal lazersistemlerinde olduğu gibi iki ucuna tam ve kısmi yansıtıcı aynalar yerleştirilmiştir.Bir gaz lazer sistemi Şekil 3.13’de ve gaz lazer sistemi ve prensip şeması Şekil3.14’de verilmiştir.Şekil 3.13 Bir CO 2 lazer sistemi (Dilthey, 2000)CO 2 Lazer Kaynağının Avantajları:1- Yüksek elektriksel verim2- Düşük işletme maliyeti3- Kolayca yüksek güçlere ölçeklendirilme imkanı

BÖLÜM DÖRTMETALURJİK AÇIDAN LAZER KAYNAĞI4.1 Lazer İletim ve Nüfuziyet KaynağıLazer kaynağı temassız yüksek enerjili bir ışın kaynağıdır. Kaynak, şiddetli lazerışınının mili-saniyelerle hesaplanan mertebelerde malzemeleri hızlı bir şekildeısıtmasıyla yapılmaktadır. Lazerler malzeme tarafından absorbe edilebilecek ve dahasonra ısı enerjisine çevrilebilecek ışık enerjisi üretirler. Lazerin enerji yoğunluğu ışıkdalgalarının konsantrasyonuyla sağlanır. Biz ışık ışınını elektromagnetik spektrumungörünür veya kızıl ötesi bölümünde kullanmakla, optik elemanlarla odaklayarakenerjiyi tam noktasına yüksek bir yoğunlukla bırakabilmekteyiz. Küçük alanlara ısılenerji uygulamakta lazerler kadar verimli bir diğer metod yoktur. Lazer çıkışıelektriki değildir, elektriki süreklilik gerektirmez dolayısıyla magnetik olarak biretkisi yoktur.Lazer kaynağı, sürekli (CW), darbeli (Pulsed) veya Q-anahtarlamalı (darbeiçerisinde lazer konsantrasyonunun arttırılması) modda çalıştırılabilir. Darbelioperasyonlar genellikle lazerin ısısını azaltmak için kulanılırlar. Buna karşın, bir çokdurumda, darbeli operasyonlar Q-anahtarlaması ve mod-kilitlenmesi (zaman içindekidarbe genişliğinin kısaltılması) gibi tekniklerle kombine olarak kullanılırlar. Qanahtarlamalı ve mod kilitlemeli lazerler çok yüksek zirve güç yoğunluklarınınkonsantrasyonunda, bağıl olarak kısa darbe uzunlukları sağlama kabiliyetinesahiptirler.Sürekli lazerlerde optik pompalama kaynağı, devamlı olarak yanan yüksekbasınçlı bir lambadır. Lazer çıkışıda süreklidir. (Zamana göre değişmeyen, sabit birgüç değerindedir.) Darbeli lazerlerde, optik pompalama kaynağı olarak bir flaştanfaydalanılır. Salınım titreşimleriyle yüksek amplitütlü (genlikli) titreşimlerden oluşanışık darbeleri verirler. Q-anahtarlamalı lazerde ise, optik pompalama kaynağı bir tüp44

45flaştır. Diğerlerine benzer yapıya sahiptir. Burada lazer resonatörünün içindekiaynalardan birinin yansıtma gücünü kontrol imkanı vardır. Bu sayede lazeraracındaki atom topluluğunun dengesini bozmak ve bu denge bozulması maksimumolduğunda titreşimi başlatmak mümkün olmaktadır. Bir kaç nanosaniyelik büyüktepe güçlü tek tek darbeler elde edilir.Metal malzemeler üzerindeki lazer ışın absorbsiyonu ve kaynak mekanizması,lazer ışınının güç yoğunluğuna bağlı olarak aşağıda gösterilen üç şekildesınıflandırılmaktadır. (Şekil 4.1)(1)Metalyüzeyinden ısıliletime bağlıolarak kaynakedilir.(2)Kaynakyüzeyindeabsorbsiyon vebuharlaşmameydana gelir.(3) Kaynak edilmişmetal parlak ışık yayar,bir anahtar deliğioluşturur.(4) Kaynak edilmişmetal anahtardeliğindenpüskürür.Düşük< İletim Biçimi > < Nüfuziyet Biçimi > < Delme >Güç YoğunluğuŞekil 4.1 Lazer ışınının güç yoğunluğuna bağlı olarak sınıflandırılmasıYüksekLazer ışınının verilişinin esnekliğine (güç yoğunluğu ve süre) göre üç çeşitkaynak yapılabilmektedir.Bunlar;1.İletim Biçimi (Şekil 4.2)2.İletim-Nüfuziyet Biçimi (Şekil 4.3)3.Nüfuziyet veya Anahtar Deliği (Keyhole) Biçimi (Şekil 4.2)

46Şekil 4.2 Lazer iletim kaynağıŞekil 4.3 Lazer iletim kaynağı ve nüfuziyet kaynağı (Dilthey, 2000)Lazer iletim kaynağında, Şekil 4.2’de görüleceği üzere düşük enerji yoğunluğuylayüzeysel derine inmeyen, sığ ve geniş bir kaynak dikişi oluşturulur.Lazer Nüfuziyet kaynağında ise derin ve dar bir kaynak dikişi oluşturulur. Lazerinodaklanmasıyla bir noktayı ergime sıcaklığının üzerine ısıtarak erimiş metaliçerisinde buharla çevrelenmiş bir ergime bölgesi oluşturulur.(Şekil 4.4) Metalin birkısmı buharlaşıncaya kadar ısınarak bir boşluk (delik) oluşturur. Bu oluşturulanboşluk iyonize edilmiş metalik gaz ile plazma dolarak verimli olur. Buharlaşmışmetal, çevreleyen sıvıyı buhar basıncıyla arkasında tutarak, iş parçası boyuncaaşağıya doğru anahtar deliği olarak adlandırılan bir silindirik hacim oluşturur. Buhariyonize olarak gelen lazer ışınımını absorbe eder ve enerjiyi anahtar deliği etrafındaki

47ergimiş metal boyunca sevkeder. Böylece deliğin etrafındaki malzeme lazerışınından gelen tüm enerjiyi soğurur. Böylece lazer enerjisinin % 95 civarı birsilindirik hacim içerisine hapsedilir. Anahtar deliği içerisindeki sıcaklık 25000º C’yekadar ulaşabilir. Enerji tüm anahtar deliği (silindirik hacim) boyunca transferedildiğinden lazer plazma kolonu içerisinde kayıp vermeden derine inebilir (nüfuzeder). Anahtar deliği tekniğini çok verimli kılan temel sebepte budur. Lazer kafası veiş parçası arasındaki bağıl hareket anahtar deliğinin malzeme boyunca hareketiyle birdikiş kaynağı oluşumunu sağlar. Anahtar deliği hareket ettiğinde, sıvı metal onun önyüzeyinden arkasına doğru akar ve orada katılaşır. Bu akış, ergimiş metalin yüzeygerilimi ve sıcaklığın sebep olduğu değişimlerle sürdürülmektedir.Şekil 4.4 Lazer nüfuziyet kaynağıNüfuziyet kaynağının çok verimli olmasının sebepleri şunlardır;-Buhar kanalı lazer ışınını hapsederek, yansımayla olan enerji kaybını azaltmaktadır.Buhar kanalı içinde lazer kayıp vermeden derine iner.-Anahtar deliği bir silindirik ısı kaynağı gibi hareket etmekte, iş parçası yüzeyiniaşağıya doğru genişleterek ergime bölgesinin dışındaki ısıl iletimle enerji kaybınıazaltmaktadır.

48Şekil 4.5 Lazer nüfuziyet kaynağının üç boyutlu gösterimiİletim ve nüfuziyet kaynağı arasındaki en temel fark; iletim kaynağı esnasındakaynak banyosu aralıksızdır, lazer ışını tarafından kesilmemiş olmasıdır. Ancaknüfuziyet (anahtar deliği) kaynağında kaynak banyosu boyunca açılır ve lazerışınının ergimiş banyonun içine girmesine izin verir. İletim kaynağı sistem için dahaaz rahatsızlık vericidir, çünkü lazer ışınımı kaynak edilmiş malzeme içine nüfuzetmez. Sonuçta iletim kaynakları, kaynak esnasında daha az gaz tutucu özelliğesahiptir. Nüfuziyet kaynağı ise kaynak banyosunun aralıklı kapanmaları nedeniylegözenekliliğe neden olabilmektedir. Şekil 4.6’da bir nüfuziyet kaynağında oluşumbasamakları görülmektedir.Şekil 4.6 Bir nüfuziyet kaynağında oluşum evreleriÇeliğin iletim ve nüfuziyet kaynağında enerjiyi absorbe etme yüzdesi, enerjiyoğunluğuna bağlı olarak Şekil 4.7 ’de verilmiştir. Enerji yoğunluğunun artmasıyla,

49malzemenin enerji absorbe etme yüzdeside artmakta ve iletim kaynağından nüfuziyet(anahtar deliği) kaynağına geçilen bir durum oluşmaktadır.Şekil 4.7 Çeliğin enerji absorbe etme davranışı (Rath Manufacturing)Şekil 4.8 Nüfuziyet kaynağında buhar kolonu oluşumu ve kaynak banyosundayarattığı hareketler

504.1.1 Lazer Kaynağının Avantajları:1. Lazer gücüne ve malzemeye bağlı olarak 10 m/dakika’nın üzerinde yüksek kaynakhızlarına olanak sağlar.2. Çok düşük ısı girdisi. (Deformasyon ve distorsiyonlar çok azdır veya hiç yoktur.)3. Çok iyi imalat hızı; güçlü ve güvenilir kaynak dikişi.4. Estetik açıdan güzel görünüm, taşlama gerektirmez.5. Yüksek derinlik/genişlik oranına sahip dar kaynak dikişi.6. Hızlı soğumadan dolayı küçük Isı Tesiri Altında Kalan Bölge (ITAB-HAZ); anamalzeme hemen hemen hiç etkilenmez. Sonuçta distorsiyon çok az olur veya hiçolmaz.7. Konvansiyonel kaynak yöntemleriyle ulaşılamayacak yerlerde kaynak imkanı.8. İstenilen her birleştirme şekli elde edilebilir.9. Esnek, basit ve çabuk kaynak işlemi.10. Otomasyona oldukça elverişli.11. Endüstriyel bir işlemdir, sürekli üretime açıktır.12. Diğer kaynak yöntemleriyle kaynak edilmesi zor malzemelerin kaynağıyapılabilir, özellikle farklı malzemelerin kaynak işlemlerinde oldukça iyi sonuçlarelde edilebilir.13. Lazer çıkışı elektriki değildir,elektriki süreklilik gerektirmez dolayısıylamagnetik olarak bir etkisi yoktur. Konvansiyonel kaynak yöntemlerinin bir kısmındagörülen magnetik üfleme söz konusu değildir.14. Şeffaf malzemelerin kaynağı yapılabilir.

51Şekil 4.9 Lazer kaynağının en iyi çözüm olduğu uygulamalar4.1.2 Lazer Kaynağının Dezavantajları:1. Sertleştirilebilir malzemelerde son derece sert kaynak dikişi; hızlı ısıtma vesoğutmaya bağlı soğuk çatlak veya sıcak çatlak oluşabilir.2. Diğer bir çok kaynak yöntemiyle karşılaştırıldığında çok yüksek yatırım masraflarıgerektirir. Ancak kaynak kalitesinin iyileşmesi,zaman tasarrufu, düşük işletme vebakım giderlerine sahiptir.3. Kaynak işleminde nüfuziyet derinliğinin 0,1-8 mm arasında olması, özellikle kalınparçaların kaynağında kullanımını sınırlamaktadır.4. Kullanılan lazerler göze veya deriye direkt veya dolaylı olarak temas ettiklerindeciddi sağlık sorunlarına neden olmaktadırlar. Bundan dolayı, lazerin radyasyontehlikesine karşı uyarı işaretleri, lazer çalışırken yanan ikaz lambaları kullanmakgerekmektedir. Lazer operasyonu eğitim ve tecrübe gerektirmektedir. Çalışanpersonelin lazerin tehlikelerinden haberdar olması gereklidir.5. Lazer ekipmanlarındaki, optik elemanların korunması bakımından temiz bir çevregerektirmektedir.6. Özellikle yüksek yansıtma kabiliyetine sahip malzemelerin kaynağında ektedbirler almak gerekebilir. (Örneğin; yüzeyin siyah boya ile boyanması, grafit,manganez vb. maddelerle kaplanması gibi)

524.2 Metalik Malzemelerin Lazer KaynağıMetallerin kaynak edilmesi lazerlerin ilk endüstriyel uygulamalarındandır.Doğrudan yoğun bir radyasyon (ışınım) dalgasının uzak bir bölgeye, bir optik sistemkullanarak verilmesi teknolojinin tanıdığı imkan sayesinde farkedilmiştir. Sonuçta,lazer kaynak yöntemlerinde ve lazer kaynağının çeşitli endüstriyel şartlardametallerin birleştirilmesinde standart bir işlem olarak benimsenmesinde hızlı birgelişim olmuştur.4.3 Lazer Kaynağında Kaynak EdilebilirlikLazer kaynağı metalleri birleştirmeye yeni bir esneklik kazandırmasına ve lazerkaynakları genellikle yüksek kaliteye sahip olmasına rağmen, lazer kaynağı her derdedeva olan bir ilaç değildir ve yüksek kaliteli lazer kaynakları sadece önemli prosesdeğişkenlerinin optimizasyonundan sonra elde edilebilir. Bu değişkenlerden bazılarışunları kapsar;-Birleştirme Dizaynı ve Hazırlanması-Kaynak Termal Çevrimi-Gaz Akışı ve Kompozisyon-Ön Isıtma (Şayet gerekliyse)-Doldurucu Tipi ve Besleme Hızı-Alaşım Kompozisyonundaki DeğişikliklerIsı Tesiri Altındaki Bölgeye Termal Etkileri (Duley, 1998)

53Şekil 4.10 Çeşitli malzeme çiftlerinin kaynak edilebilirliği (Wirth, 2004)-Tablo 4.1’de farklı metallerin birbirleriyle kaynak edilebilirliğine ilişkin bilgi veŞekil 4.10’da çeşitli metallerin kaynak edilebilirliğine ilişkin bazı genelleştirmelerözetlenerek verilmiştir. Farklı metallerin kaynağında kusursuz kaynak özellikleri içiniyi bir katı çözünebilirliği gereklidir. Buda sadece uyuşabilir ergime sıcaklıklarınasahip malzemeler, örneğin Nikel ve Kobalt için başarılabilir. Diğer malzemelerde;örneğin Al ve Fe gibi , bir bileşenin ergime sıcaklığı diğerinin buharlaşma sıcaklığınayakın olduğundan nüfuziyet yetersizliği söz konusudur ve sık sık intermetalikfazlarda çatlak oluşumunu beraberinde getirir. Son zamanlarda farklı metalkombinasyonlarının lazer kaynağı değerlendirmesi Sun ve Ion (1995) tarafındanyapılmıştır.Tablo 4.1 Çeşitli malzemeler ve bu malzemelerin lazerle kaynak edilebilirliğine ilişkin yorumlarMALZEMEYORUMLARAluminyum 1100 İyi kaynak edilir. Çatlak veya dönüşüm sertleşmesi problemiyoktur.Aluminyum 2219 Çatlak problemi yoktur. İlave metal gerekmez.Aluminyum 2024 Sızdırmaz dikiş için 4047 Al gerektirmektedir. Çatlak

54/5052/6061 oluşumu görülebilir.Bronz(Cu-Zn) Çinko gaz çıkışı iyi bir kaynağı önler.Berilyum Bakır Kaliteli kaynak edilir. Bakır içeriği düşük alaşımlarınyansıtması düşük olduğundan dolayı daha iyi kaynak edilir.Zehirli Berilyum oksit gazlarından dolayı bir güvenliktehlikesi vardır.BakırUygulama alanı genellikle nokta kaynağıyla sınırlıdır. Yüzeyyansıtmasını yenmek için yüksek enerji seviyelerigerekmektedir. Kaplama yapılarak kaynaklanabilirliğiarttırılabilir.Hastelloy-X Sıcak kısalık çatlamasını önlemek için yüksek dalga hızındaçalışma gerektirmektedir. İyi kaynak edilir.Molibden Genellikle kaynakları kırılgandır, yüksek dayanımıngerekmediği yerlerde kullanımı uygun olabilir. İyi kaynakedilir.Inconel 625 Derin nüfuziyetli kaynaklarda gözeneklilik eğilimi vardır.MonelKaliteli tok kaynak dikişi ve iyi nüfuziyete sahiptir.NikelKaliteli tok kaynak dikişi ve iyi nüfuziyete sahiptir.Karbonlu Çelik Kaynak içeriği % 0.25’in altında ise iyi kaynak dikişi, eğerdaha yüksekse kırılgan ve çatlak oluşumuna müsait kaynakdikişi elde edilir. CO2 ve Nd:YAG lazerleriyle iyi kaynakedilir.Galvanizli Çelik Ciddi çinko kaynaması gözeneklilik yaratabilir.Paslanmaz Çelik,3003030 ve 303SE dışında iyi kaynak edilir.304 ve 304Lmükemmel kaynak edilir. 316 ve 316L Cr/Ni oranı 1,7’denbüyükse iyi kaynak edilir. Diğer 300 serisi test gerektirir.PaslanmazÇelik,400Genellikle kaynakları oldukça kırılgandır; ön ve son ısıl işlemgerektirebilir.Paslanmaz Çelik Dayanımı arttırmak için kaynak sonrası ısıl işlemgerektirebilir.TantalTok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almak

55TitanyumTungustenZirkonyumMagnezyumgerekir.Tok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almakgerekir.Kırılgan kaynaklar, yüksek enerji gerektririr.Tok kaynak dikişi, oksidasyona karşı özel tedbirler almakgerekir.İyi CO2 lazer kaynakları elde edilir.4.4 Lazer Kaynak Yönteminde Birleşme MekanizmasıLazer kaynağı bir ergitme kaynağı işlemidir, malzemeler ergitilmiş arayüzeylerinden birleştirilir ve sonra katılaşma meydana gelir. Böyle işlemlerde üçfarklı bölge oluşur; kaynak işlemiyle herhangi bir değişim göstermeyen ana metal,kaynak esnasında ergimiş malzeme tarafından oluşturulmuş ergime bölgesi ve anametalde kaynak ısısıyla bazı değişikliklerin olduğu ısı tesiri altında kalan bölge(ITAB).Kaynak işlemi yapılırken en çok endişe duyulan konu, olası düşük ısı miktarıdır.Bu bakımdan lazer kaynağının en verimli metodu derin nüfuziyet veya anahtar deliğiolarak adlandırılan yöntemdir. Lazer kaynağı mekanizmasını anlamak için, kaynakbanyosundaki sıvının kaynak geometrisi üzerindeki etkisini incelemekgerekmektedir. Lazer kaynağında kaynak banyosu üç kuvvetin etkisi altındadır.Kaynak banyosu içindeki sıvı akışı için en önemli itici güç, kaldırma kuvvetininoluşturduğu gerilmeyi, yüzey gerilimi değişiminin oluşturduğu kesme gerilmesini veplazma tarafından banyo yüzeyine etki eden kesme gerilmesini kapsamaktadır.Kaldırma kuvveti için, sıvı metal yoğunluğunun artan sıcaklıkla azaldığını dikkatealmalıyız. Çünkü lazer ısı kaynağı, banyo yüzeyi merkezinin üzerine yerleştirilir.Dolayısıyla banyonun merkezindeki sıvı metal daha sıcak, banyo kenarlarındaki isedaha soğuktur. Öyleyse yerçekimi kuvveti, banyo sınırındaki daha ağır sıvı metalinbatmasına sebep olur. Sonuç olarak; sıvı metal banyo sınırı boyunca alçalır ve banyoekseni boyuncada yükselir. Kaldırma kuvvetinin sebep olduğu ısı yayılımı banyo

56ekseninde maksimum hız meydana getirir, ısıtma ve ergimedeki metalgenleşmesinden dolayı banyo yüzeyi iş parçasından birazcık yukarıdadır.Şekil 4.11 Kaynak banyosu konveksiyonu için itici kuvvetler: .(a) kaldırma kuvveti,(b) yüzey gerilim gradyanının neden olduğu kesme gerilmesi, (c) plazmanın nedenolduğu kesme gerilmesi (Kou, 2002)Yüzey gerilimi değişiminin neden olduğu kesme gerilmesi için, yüzey aktifelementinin yokluğu durumunda yüzey gerilimi γ, sıcaklığın artmasıylaazalmaktadır.( ∂γ/ ∂T< 0 ) Şekil 4.11’den de görüldüğü gibi, kaynak banyosuyüzeyinin merkezindeki düşük yüzey gerilimine sahip sıcak sıvı metal banyo yüzeyikenarlarındaki daha yüksek yüzey gerilimine sahip daha soğuk sıvı metal tarafındandışarıya doğru çekilir. Diğer taraftan, yüzey gerilimi değişimi tarafından banyoyüzeyi boyunca bir dış kesme gerilmesine neden olur. Şekil 4.11 ’de görüldüğü gibi

57bu durum sıvı metalin banyo yüzeyi merkezinden kenara akışına ve banyo yüzeyialtında dönmesine neden olur. Heiple ve diğerleri bu konuda bir modelönermişlerdir; sıvı metal içinde küçük fakat önemli bir miktarda bir yüzey aktifelementi olduğu zaman∂ γ / ∂Tnegatiften pozitife değiştirilebilir, böyleceMarangoni konveksiyonu meydana gelir ve kaynak banyosunu daha derinyapar.(Kou, 2002)Çok az bir miktardaki yüzey aktif elementinin varlığı banyoyu daha derin yapar.Isıl dinamikler böyle bir elementin varlığında yüzey geriliminin artan sıcaklıklaarttığını gösterebilir. ∂γ / ∂T> 0 Akış doğrultusu tercih edilen konvektif ısı transferiyönüne yani ısı kaynağından banyo altına doğru çevrilirse daha derin bir banyoüretilebilir.Daha önceki çalışmalarda yapılan fiziksel simülasyonun sonuçları Marangonikonveksiyonunun kaynak banyosu şekli üzerindeki önemli etkisini anlamakbakımından önemlidir.Marangoni konveksiyonu, yüzey-gerilimi-itici konveksiyonu veya termokapilerkonveksiyon olarakta adlandırılır ve kaynak nüfuziyet derinliği üzerinde büyük biretkiye sahiptir. Şekil 4.12’de herhangi bir yüzey aktif elementi içermeyen bir kaynakbanyosundaki Marangoni konveksiyonu görülmektedir. Bir sıvı içerisindeki yüzeyaktif elementi, örneğin sıvı çelikte kükürt, sıvının yüzey gerilimini ve sıcaklığabağımlılığını kayda değer bir şekilde düşüren bir elementtir. Hız profilindegörüldüğü üzere, banyo yanındaki sıvı akışı dışa doğrudur ve maksimum v s hızıylabanyo yüzeyine teğettir. Burada s indisi tanjant doğrultusunu göstermektedir. Banyoyüzeyindeki dış nokta kayma gerilmesi = ( − ∂ / ∂n> 0)τ banyo yüzeyinsµ v sboyunca oluşan yüzey gerilimi değişimleri tarafından oluşturulmuştur. ∂γ/ ∂s( > 0)Burada n indisi normal doğrultuyu göstermektedir, µ viskozite ve γ yüzeygerilimidir.

58Şekil 4.12 Kaynak banyosunda odaklanmamış bir lazer ışınının(ark boyutlarında) sebep olduğu marangoni konveksiyonu (Kou , 2002)Bu yüzey gerilimi değişimleri ∂ / ∂s( = ∂T/ ∂sx∂γ/ ∂T)boyunca sıcaklık değişimlerine ∂T/ ∂s( < 0)γ hem banyo yüzeyi, hemde yüzey geriliminin sıcaklıkbağımlılığına ∂γ / ∂T ( < 0)sebep olurlar. Sıvı banyo yüzeyi boyunca merkezden(sıcaklık yüksek, yüzey gerilimi düşük) kenara doğru çekilir. Bundan dolayı banyoyüzeyi boyunca olan dış akış yüzey akışı olarak, banyo içindeki akışta dönüş akışıolarak adlandırılır. Kaynak banyosu içinde nüfuziyeti arttırmak için dönüş akışıyüzey akışından çok daha kuvvetli olmalıdır.Çelik için kullanılan yüzey aktif elementleri S, O, Se ve Te’dur. Marangonikonveksiyonu tersine çevrildiğinde, banyo kenarı yüzeyindeki düşük yüzey gerilimlisoğuk sıvı metal, banyo yüzeyi merkezinin yanındaki daha yüksek yüzey gerilimlidaha sıcak sıvı metal tarafından içeriye doğru çekilir ve bu model konveksiyonla ısıtransferinin ısı kaynağından banyonun altına doğru olmasını desteklemektedir.Plazma yüksek hızla banyo yüzeyinden dışarı doğru hareket etmektedir, bu banyoyüzeyinde bir dış kesme gerilmesi oluşturur. Buda sıvı metalin banyo yüzeyimerkezinden banyo kenarına akmasına ve banyo yüzeyi altına dönmesine neden olur.Türbülansın etkisi ve ayrıca kaynak banyosundaki akışkan dinamiği yapılan bazıçalışmalarda dikkate alınmıştır. Laminer akış varsayımı ile, kaynak derinliğihakkında tahminler yapıldığından dolayı türbülansın daha kabul edilebilir bir

59yaklaşım olduğu kanıtlandı. Ayrıca çalışmalar viskozitenin artmasını vekonveksiyonda yavaşlama sonucunuda kapsamaktadır. (Han, 2004)Şekil 4.13 Lazer ışını çapının akış paterni üzerindeki etkisi (Kou , 2002)Şekil 4.12’den görüleceği üzere maksimum hız banyo yüzeyindedir, dış yüzeyakışı iç dönüş akışından çok daha hızlıdır ve sıvı akışı merkezleri banyo kenarınayakındır. Bu özellikler banyo içerisindeki Marangoni konveksiyonunun yer çekimitarafından oluşturulmuş konveksiyona baskın olmasını teşvik etmektedir. Artan ışıngücü (0,5’ten 5,4 W’a) ve azalan ışın çapı (5,9’dan 1,5 mm’ye) Marangonikonveksiyonunu güçlendirmektedir. Bununla beraber azalan ışın çapı kaynaknüfuziyeti üzerinde daha büyük ve kayda değer bir etkiye sahiptir. (Şekil 4.13)

60Şekil 4.14 Lazer ışını gücünün akış paterni üzerindeki etkisi (Kou , 2002)Marangoni konveksiyonu, kaynak banyosu içindeki elektromagnetik kuvvet vearkın aerodinamik sürükleme kuvveti tarafından engellendiğinden dolayı arkkaynağında araştırılamaz. Ark kaynağında iletim eritilen üst yüzey boyuncadır(iletim kaynağı olarak adlandırılır) ve lazer ışını tarafından üretilene benzer bir buharkolonuda oluşmaz. Marangoni konveksiyonunun büyüklüğünü ölçmek içinkullanılan boyutsuz sayıya “Marangoni Sayısı” adı verilmektedir ve denklem (4.13)ile ifade edilmektedir.∂γ− ( ∆T) LMa =∂T(4.13)µαBurada;∂γ: Yüzey geriliminin sıcaklık katsayısı∂T∆t: Banyo yüzeyi merkezi ve sınırı arasındaki sıcaklık farkıL : Karekteristik uzunlukµ : Dinamik viskoziteα : Isıl geçirgenlik (Kou, 2002)

614.5 Lazer Kaynağı ve Konvansiyonel Kaynak Yönteminde Isı Etkisi AltındaKalan Bölgelerdeki MikroyapılarKullanılan malzemeye ve kaynak yöntemine bağlı olarak kaynak bölgesindekimalzeme, ısıl çevrimler nedeniyle meydana gelen iç yapı değişimlerinden dolayıolumsuz bir şekilde etkilenmektedir. Şekil 4.15’de konvansiyonel bir kaynakyöntemi ve lazer kaynak yöntemi kullanılarak yapılan kaynaklarda ısı tesiri altındakalan bölgeler karşılaştırılmıştır.Şekil 4.15 Konvansiyonel kaynak yöntemi ve lazer kaynak yönteminin ısı tesiri altında kalan bölgeleraçısından karşılaştırılması (Dilthey , 2000)Şekil 4.15’da görüldüğü üzere lazer kaynak yöntemiyle yapılmış olanbirleştirmede konvansiyonel kaynak yöntemine göre hem kaynak dikişi, hemdeITAB oldukça dar bir bölge oluşmakta ve bunun sonucunda ana metalde ısıl etkilerminimuma inmektedir.Görüldüğü üzere konvansiyonel kaynak yöntemiyle yapılan kaynak işlemindetoplam altı bölge varken, lazer kaynak yöntemiyle yapılan birleştirmede sadece beşbölge oluşur. Konvansiyonel kaynak yöntemiyle yapılan birleştirmede ergime

62bölgesi (kaynak metali), kısmi ergime bölgesi, kaba tane bölgesi, ince tane bölgesi,yarı dönüşmüş bölge ve ana malzeme olmak üzere altı bölge vardır. Lazer kaynakyönteminde ise çok daha dar bir ergime bölgesi, daha dar kısmi ergime bölgesi, incetane bölgesi, yarı dönüşmüş bölge ve ana malzeme olmak üzere beş bölge vardır.Lazer kaynak yöntemiyle yapılmış olan birleştirmede üçüncü bölgenin oluşmadığıgörülmektedir. Bu yöntemde hızlı soğumadan dolayı, konvansiyonel kaynakyönteminde oldukça geniş bir alanı kapsayan kaba tane bölgesi oluşmaz. Bu da lazerkaynağında olduça yüksek dayanım sağlamaktadır.Şekil 4.16 Konvansiyonel kaynak yöntemi ve lazer kaynak yönteminin maksimum sıcaklıkaçısından karşılaştırılması (Dilthey, 2000)Şekil 4.16’da da konvansiyonel ve lazer kaynak yönteminde ortaya çıkanmaksimum sıcaklıklar karşılaştırılmıştır. Görüldüğü üzere lazer kaynağında sıcaklıkAc 1 ’in oldukça üzerindedir. (Dilthey, 2000)

BÖLÜM BEŞLAZER KAYNAĞINDA KAYNAK PARAMETRELERİLazer kaynak yönteminde kaynak parametrelerinden önce lazer kaynağında ışınbırakımı ve lazer kaynağında ısıl çevrim konularını ele alalım.5.1 Lazer Kaynağında Işın BırakımıBaşarılı bir lazer kaynak prosesi için lazer ışınının iş parçasına gönderilmesioldukça kritik bir faktördür. Ve bu işlem ‘ışın bırakımı’ olarak adlandırılır. Buişlemde kontrol edilecek parametreler aşağıdakileri kapsamaktadır;1. Işın merkez hattı pozisyonunun kaynak dikişine göre durumu2. Işın odaklama düzlemi pozisyonunun yüzeye göre durumu3. Işın yoğunluğu (Uzaysal ve geçici dağılımı)4. Kaynak hızı5. Kaynak yerindeki, takip eden kenar boyunca ve kaynağın alt tarafındaki ortamatmosferi.Bazı kaynak uygulamalarında, yukarıdaki faktörler kaynak edilecek parçanıngeometrisi ve tüm kaynak işlemi boyunca sürdürülmesi gereken hassas toleranslıyerleştirmeden de etkilenir. Ayrıca bunlara parçaların mengeneyle sıkıştırılması,mengeneyle sıkıştırmadan önce kenar hazırlığı ve minimum distorsiyon olacakşekilde sistem dizaynı gibi çeşitli sınırlamalarda eklenir.Bir boyutlu kaynak uygulamalarında, (örneğin otomobil gövdeleri), en uygunçözüm basit tek eksenli kaynak istasyonunda sabitlenmiş bir kaynak başlığı altındaparçaların ayarlanmış doğrusal bir iz boyunca ilerlediği uygulamadır. Lazerodaklaması kaynak yüzeyine bağlı olarak uygun bölgeye yerleştirilir ve kaynakişlemi boyuncada değiştirilmez. (Şekil 5.1)63

64Şekil 5.1 Tek eksenli bir kaynak istasyonunda bir boyutlu kaynak uygulamasıLazer ışınının merkez hattının pozisyonu kaynak edilecek parçalar arasındakibirleştirmeye bağlı olarak bir sabitlenmiş bölgeye yerleştirilir. Kenar hazırlığınadayalı olarak güvenli mengeneyle sıkıştırma düzeni kaynak işlemi boyuncasürdürülür. Kaynak hızı ve lazer yoğunluğu kaynak kalitesini optimize etmek içinkaynak esnasında kontrol edilir. (Şekil 5.2)

65Şekil 5.2 Sabitlenmiş bir makina parçasının lazer kaynağı (TWI)Lazer kaynağı uygulamaları için ışın çapı genellikle 100-1000 mikronarasındadır. Daha küçük odak çapları (25-50 mikron) medikal kılavuz telleri veyamikro-elektronik devreler gibi çok daha hassas kaynak uygulamaları içindir.Birleştirmenin sağlıklı bir şekilde yapılabilmesi için, iş parçasının lazer ışını altındakipozisyonu titizlikle yapılmalıdır. Bu, yanlış hizalanma toleransı, odaklanmış ışınçapının ve daha az önemli olarakta birleştirme dizaynı boyutunun birerfonksiyonudur. Düşey hizalama daha az kritiktir, en dar odaklanmış ışınınoluşturulmasında yeterli enerji yoğunluğunun temin edilmesiyle ilgili olarak bir roloynar. (Şekil 5.3)

66Şekil 5.3 Lazer kaynağında hizalama toleransları (Unitek-miyachi)Üç boyutlu parçaların kaynağıda robotik ışın bırakımı kullanılmaktadır. Başlıcauygulama, sabitlenmiş bir parçanın bir robot kullanılarak 3 boyutlu olarak kaynakedilmesidir. Fakat birleştirme yerleştirmesi ve mengeneyle sıkıştırma böyle birsistemde işlem zamanını uzatmaktadır. (Şekil 5.4)Şekil 5.4 Robotik ışın bırakımı ile lazer kaynak işleminin şematik gösterimi (Dukane Laser)Nd:YAG ve CO 2 lazerlerinin her ikiside böyle bir üç eksenli sistemdekullanılabilirler, fakat fiber optik ışın gönderimi bu uygulamada Nd:YAG lazersistemlerinin tercih edilmesine sebep olmaktadır.

67Şekil 5.5 Robotik ışın bırakımı ile lazer kaynağı (TWI)Lazer tipine ilave olarak, lazer gücü ve kaynak hızıda iş parçasına verilen enerjigirdisi hızının belirlenmesi için gereklidir. Başarılı bir lazer kaynağı için odaklamanoktasının boyutu, yeri, tipi, koruyucu gaz akış hızı ve lazer geometrisi gibi ilaveparametrelerin optimizasyonu gerekmektedir.Bu parametrelerin optimizasyonu kaynak koşullarını belirler. Bir çok durumda, bubelirleme kaynakları parçalara ayırıp, kaynak kesit alanını ve şeklini ölçerek; bunailaveten metalurjik ve mikroyapısal özelliklerinin değerlendirilmesinidegerektirmektedir. Ayrıca mekanik testlerde uygun kaynak parametreleri aralığınıtanımlayacaktır. (Duley, 1998)5.2 Lazer Kaynağında Kaynak Sıcaklık ÇevrimiBir kaynak içindeki belirli bir noktada kaynak esnasında ve sonrasında zamanakarşı sıcaklık değişimi mikroyapı, ısı tesiri altında kalan bölge (ITAB) vemenevişleme gibi faktörleri belirleyen kritik bir parametredir. Bu ısıl çevrim hemiletim, hemde nüfuziyet kaynağı için lazer kaynak prosesinin modellerinden

68hesaplanabilir. (Mazumder ve Steen (1980), Metzbower ve diğerleri (1994) veyaçeşitli probların kullanımıyla ölçülebilir. ( Aoh, Kuo ve Li (1992))Sıcaklık çevriminin genel şekli Şekil 5.2’de gösterilmiştir. Burada sıcaklığın birmaksimum değere hızlı yükselişini dengeli exponansiyel düşüş takip eder. Lazerışının odaklanmasına ve anahtar deliğine yakın noktalar için malzemeyi üzerindenveya içinden tarar, başlangıçtaki yükselişin artış zamanı τ1denklem (5.1) yardımıylahesaplanmaktadır.τ l 2 / k (5.1)1≈Burada l ısı kaynağının sıcaklığın kaydedildiği noktaya olan en kısamesafesidir. Isı kaynağının merkez hattına yerleştirilmiş bir nokta üzerindengeçtiğinde τ 1 , τ 1 ∼w 2 /κ olur, burada w ışının yarıçapıdır. κ∼0.1 cm 2 /s, l 1 =1 mm vew=0.2 mm ile sırasıyla 0.1 s ve 0.4 s değerleri elde edilir. Hareket eden bir ısıkaynağı için T(t)’nin bir analitik ifadesi Ashby ve Esterling (1984) tarafındantüretilerek elde edilmiştir ve denlem (5.2) ile ifade edilmektedir.Şekil 5.6 Lazer kaynağında zamana bağlı sıcaklık değişimi

692P ⎛ v ⎞T(r,t)− T =⎜ −⎟0exp (5.2)4πvκt⎝ 4κt⎠Daha kalın bir katman ve d levha kalınlığı için,2P ⎛ r ⎞T(r,t)− T =⎜ −⎟0exp (5.3)1/ 2vd(4πκ Pct)⎝ 4κt⎠Burada P lazer gücü, v kaynak hızı ve T 0 ’da ortam veya ön ısıtma sıcaklığıdır.Kalın bir levha için T max maksimum sıcaklığına ulaşma zamanı denklem (5.4) ilehesaplanmaktadır.2rτ1= (5.4)4κVe dT/dt sıcaklığın değişim hızı olarak denklem (5.5) yardımıyla hesaplanır.dTdt2 2⎛ P ⎡− r ⎤⎞⎛r ⎞= ⎜⎟⎜ −⎟exp⎢⎥12⎝ 4πvκt⎣ 4κt⎦⎠⎝4κt⎠(5.5)(5.2) - (5.5) arasındaki denklemlerle zamana bağlı yaklaşık T ve dT/dt tahminleriyapılmıştır. Buna karşın, bu modelin diğer sınrlamaları verilmiş ve deneyselbilgilerle makul uyuşma elde edilmiştir. (Easterling, 1983)Demir (Fe) için numerik değerlerin kullanımı, P=3 kW ve v=5x10 -2 m/s iledTdt117 ⎡6,25*10=1/ 2 ⎢t ⎣ t−3⎤ ⎡− 6,25x10−1⎥exp⎢⎦ ⎣ t−3⎤⎥⎦maksimum sıcaklığa (T max ) τ 1 =6,25 m/s’lik zamanda ulaşılır.

70İş parçası içindeki bölgesel ısıl çevrimler nüfuziyet kaynağı koşulları altındageçerlidir ve ısı denkleminin nümerik bir çözümünü gerektirmektedir. Bu tiphesaplama sonuçlarıyla yapılan bir örnekte de (Mazumder ve Steen (1980)) (5.2) ve(5.3) denklemlerinin benzer bir fonksiyonel şekli yatmaktadır. İlave örneklerMetzbower (1994) tarafından verilmiştir. T(t)’nin ölçümleri termokupllarkullanılarak yürütülmüştür. (Aoh, Kuo ve Li (1992)) Yapılan çalışmalardaki sonuçlarŞekil 5.6’da gösterilen profile benzerdir, T max ve diğer parametreler kaynak hızına,lazer gücüne ve malzeme sabitlerine bağlı olarak değişmektedir.Şekil 5.7 Lazer kaynağında sıcaklık profiliIsıl çevrim, kaynağın komşu bölgesi olan ITAB’daki sıcaklık etkisini anlamakiçinde kullanılabilir. Çünkü bu bölgedeki ısınma hızı tane büyümesini, ITAB’ın ısıldavranışını ve mikroyapıyı belirler.Farklı kalınlıklardaki levhaların alın kaynağında, farklı noktalardaki sıcaklıkçevrimini hesaplamak için bir sonlu eleman tekniğide Yang, Hsu ve Allbright (1993)tarafından geliştirilmiştir. Soğuma hızları bu termal çevrimlerden faydalanılaraktahmin edilmiş ve 700-3500 ° C/s aralığında olduğu bulunmuştur. Aynı kalınlıktakiiki levhanın alın kaynağı için en yüksek değerler ergime bölgesi kenarında elde

71edilmiştir. ITAB sınırının ve erime bölgesinin simülasyonuyla deneyler arasında iyibir uyum yatmaktadır. (Duley, 1998)5.3 Lazer Kaynağında Temel Kaynak ParametreleriSürekli ve darbeli lazer kaynağı için başlıca temel işlem parametreleri aşağıdaaçıklanmaktadır.5.3.1 Lazer GücüBir lazer kaynak sisteminin çalışma aralığında, verilen bir malzeme ve kaynaknüfuziyet derinliğinin belirlenmesi için lazer gücü ve kaynak hızı arasındaki bağıntıtanımlanması gereken ilk parametredir. Bu eğri veya eğriler kümesi bazı öncekideneysel bilgilerin ışığında sistem üzerinde deneysel bir şekilde türetilir. Böyle birörnek; karbonlu çeliğin CO 2 lazer kaynağı için Şekil 5.4’de gösterilmektedir.Şekil 5.8 Farklı kalınlıklardaki karbonlu çelik levhalar içinkaynak hızının [CO 2 ] lazer gücüne göre fonksiyonu (Duley, 1998)

72Şekil 5.8’deki bu eğriler, nüfuziyet derinliği bu koşullar altında optimizasyonkriterine dayalı olarak çok sınırlandırılmış dar bir aralıkta olabildiği halde, genellikleuygun kaynak edilebilirliğe yol gösteren koşullar aralığının belirlenmesinisağlamaktadırlar. Şekildende görülebileceği üzere levha kalınlığının artmasıylakaynak hızı azalırken, iş parçasına verilen güç, dolayısıyla enerji miktarıyükselmektedir.Ayrıca bu değerler, nüfuziyet derinliği d dikey eksende ve kaynak hızı v yatayeksende olacak şekilde sabit lazer gücü içinde verilebilir. Şekil 5.9’da 1 kW ortalamagüç kapasiteli bir Nd:YAG lazerinin farklı metalleri kaynak etmesi ve farklı kaynakkoşulları altındaki kaynak profilinin şeklini göstermesi bakımından önemlidir. Buşekilde nüfuziyet derinliğinin veya kaynak hızı eğrisinin fonksiyonel formugenellikle lazer kaynağında gözlemlenir ve yaklaşık olarak d=c/v’dir. Burada csabittir.Şekil 5.9 1 kW Nd:YAG lazerinin kaynak performansı (Hoult, 1990)

73Dikiş genişliğide ayrıca ölçülebilir ve kaynak hızı ile arasında bağlantı kurulabilir.Şekil 5.10’da tipik bir kaynak profilinin şekli gösterilmektedir. Genel olarak,kaynağın en üstündeki dikişin genişliği (L 1 ), kaynağın daha derinlerindekinden dahabüyüktür. Bu iki değer arasındaki farklılık kaynak hızına ve iş parçasına giren lazeryoğunluğuna bağlı olarak değişmektedir. Kimara, Sugiyama ve Mizutome (1987) L 1ve L 2 arasındaki farklılıkları azalan kaynak hızı ve sabit lazer gücü için raporetmişlerdir.Şekil 5.10 Kaynak dikişi formu (Duley, 1998)Gözeneklilikte, kaynak kalitesinin değerinin biçilmesinde önemli olabilen diğerbir parametredir ve kaynak işlemi koşullarına bağlı olarak değişir. Gözenekliliközellikle tam nüfuziyetin olmadığı derin kaynaklarda önemlidir. Örneğin, Şekil5.7’de bir Al alaşımının kaynağında gaza dönüşebilen oluşumlar görülmektedir.Doğru çalışma koşullarının seçimiyle bu problem minimum düzeye indirilebilir.Richter, Eberle ve Maucher (1993) darbeli-dalga (PW) ve sürekli-dalga (CW) tahriklilazer kaynağı için gözenekliliği azaltan verimli bir kombinasyon göstermişlerdir.(Duley, 1998)

74Şekil 5.11 Al alaşımının lazer kaynağında gaza dönüşebilen oluşumlar(Duley, 1998)5.3.2 OdaklamaOptimum odaklama koşullarının belirlenmesi bazı detaylarıyla Dawes (1992)tarafından incelenmiştir. Bir lazer ışınının ayna ve lens kullanarak odaklanması Şekil5.12’de gösterilmektedir. Lazer ışınının iş parçasının yüzeyine odaklanmasıyla çokiyi sonuçların temin edileceği beklenir, fakat gerçek durum genellikle böyle değildir.İlk problem, odaklamanın nerede meydana geleceğinin tahmin edilmesidir. Bazıdurumlarda odaklamanın yakınındaki bölgeler testlerde sık sık yanmaktadır. Buözellikle odaklama sistemi geniş bir f odaklama derinliğine (f/sayısına) sahipolduğunda gerçekleşir.

75Şekil 5.12 Bir ayna veya lens kullanımıyla lazer ışınının odaklanması (Wirth, 2004)Odaklama için kama-şekli (wedge-shaped) akrilikten yapılmış bir numunekullanılır; burada ışının merkez hattından odaklama yapılır. Bu odaksal düzlemiyerleştirmek için kullanılan bir metoddur. Diğer bir metodda odaksal düzlemin, ışınprofilinin her iki tarafındaki analizinden pozisyonun hesaplanmasınıgerektirmektedir.

76Şekil 5.13 Lazer ışınının odaklanması ve kaynak işleminin yapılabileceği bölge(Laserstar)Lazer yoğunluğu, odaksal düzlemde en yüksek olduğu halde, optik veya lazerışını ekseninin her iki tarafında odaksal düzlemden uzaklaştıkça azalır. (Şekil 5.13)Nüfuziyet kaynağı için anahtar deliği gerektiği gibi, derin bir kaynak dikişininoluşturulmasında lazer odaklamasının iş parçasının üzerinde olması kolaylıksağlamaz. Bunun yerine, böyle koşullarda odaklama yüzeyden içerideki bir noktayayapılmalıdır. Bu etki ile ilgili deneysel bir çalışma olarak Matsumura ve diğerlerinin(1992) Al alaşımlarının CO 2 lazer kaynağı ile kaynak edilmesi verilebilir. Şekil5.14’de bu durumla ilgili olarak elde edilen etki verilmiştir. Bu şekilde, negatifodaksal nokta iş parçası yüzeyinden aşağıdaki uzaklığa gönderme yapmaktadır.Nüfuziyet derinliğindeki artış, yüzeyin içindeki odaklamadaki yükselmeyle görülmüşve parça içindeki çoklu yansımaların gücündeki artışıda beraberinde getirmiştir.

77Şekil 5.14 Al alaşımları için çeşitli kaynak hızları için odaklama noktasınınnüfuziyet derinliği üzerindeki etkisi (Duley, 1998)Odaklamadaki kritikliğin artmasıyla odaklama derinliği (f/sayısı) oldukçaazalmaktadır.Bundan dolayı odaksal düzleme bağlı küçük pozisyon değişimleriyoğunluktaki büyük bir değişimle sonuçlanmaktadır. Lazer kaynağı için seçilmişhızda gerekli yoğunluğun odaklama derinliğinin en yüksek ve sürekli olduğu yerdekulanılması gerekmektedir.

78Şekil 5.15 Al alaşımları için lazer ışınının odak noktası, odaklama derinliği ve odaksal düzleme olanuzaklıkların gösterimiOdaksal düzlemin kaynak edilecek birleştirmeye bağlı pozisyonuda ayrıca önemlibir husustur. Ve sık sık bağlantının yerleştirilmesine, boşluk ayrımına ve hareketkontrol sisteminin dengesine bağlı olarak oldukça kesin gerekliliklere yolgöstermektedir. Farklı kalınlıklardaki bileşenlerin kaynak işlemi esnasında,metalurjik özellikler açısından ışın profilini dikişin diğer tarafına ötelemekavantajlıdır. Örneğin; ağır-ölçekli bir malzeme ile hafif-ölçekli bir malzemenin alınkaynağı yapılacağı zaman, ışının merkezini daha kalın malzemenin üzerine lazergücünün daha etkili olacağı şekilde ötelemek daha avantajlı olabilmektedir. Böyleceince bileşen boyunca yanma olasılığı olmadan kaynağın her iki tarafında tamnüfuziyeti temin edilebilmektedir. Kesin koşullar altında, faklı yoğunluk dağılımlarıve odaklama karekteristikleriyle lazer ışınının iki bileşene ayrılması oldukçaönemlidir. Bu durum kaynak kabiliyetini iyileştirmektedir. (Duley, 1998)5.3.3 Koruyucu GazBütün kaynak işlemlerinde en önemli parametrelerden biri koruyucu gazınözellikleridir. Örneğin; ark kaynağında gaz özellikleri ve gaz karışımı kompozisyonu

79kaynak edilecek malzemeye bağlı olarak değişir. Koruyucu gazın seçiminde gazlarve ergimiş metal arasındaki kimyasal ve metalurjik etkileşimler dikkate alınmalıdır.Ark kaynağında arkın korunmasında koruyucu gazın yoğunluğunun önemli bir etkisivarken, lazer kaynağında ise koruyucu gaz plazma oluşumunu minimuma indirerekistenilen kaynak nüfuziyetini elde edebilmek açısından önemli bir role sahiptir.Bu gazın ilk rolü kaynak bölgesinde oksidasyonu önlemektir. İkinci ve kritikfonksiyonuda, kaynak bölgesi üzerindeki buhar ve kaynak bölgesi içindeyaratılabilecek plazma oluşumunu bastırmak ve plazma oluşumunu durdurmaktır. Enson rolü ise, lazer ışınının kaynak bölgesine minimum kesilme ile ulaşmasını teminetmektir. Böylece kaynak kalitesi iyileştirilir. Koaksiyel ve taraflı gaz akışnozullarıyla gazı kaynak bölgesine yönlendirmenin her ikisi de kullanılanalışılagelmiş yöntemlerdir.Genellikle koruyucu gaz olarak Helyum ve Argon kullanılmaktadır, yüksekiyonizasyon enerjisinden dolayı Helyum gazı tercih edilir. Azotda Helyum ile yerdeğiştirebilecek ve genellikle kullanılan bir gazdır, aynı özelliklerin bir çoğunasahiptir fakat daha ucuzdur.Gaz debileri genellikle 10-40 litre/dak, daha yüksek kaynak hızları için dahayüksek debiler gereklidir (>10 m/dak). Gaz akışının optimizasyonunun kaynaknüfuziyeti etkisi Şekil 5.16’da görülebilir. Azot gazının kullanımı, Helyum’dan dahaçok plazma ateşlemesine ve sınırlandırılmış bir kaynak nüfuziyet derinliğine yolgöstermektedir.(Behler ve diğerleri, 1988)

80Şekil 5.16 Yardımcı gazın tipinin plazmanın ateşlenmesinin ve kaynaksonuçlarının üzerindeki etkisi (Duley, 1998)Şekil 5.17 Nozul geometrisinin kaynak kalitesi üzerindeki etkisi(Duley, 1998)Kaynak bölgesi boyunca gaz akışı banyodaki sıvı akışının dengesini bozabilir, buda düşük kalitede kaynaklara sebep olmaktadır. (Şekil 5.17) Bu akış etkileri nozul

81geometrisinin kuvvetli bir fonksiyonudur ve bu problemi minimuma indirmek içinçeşitli nozul dizaynları gerçekleştirilmiştir.Aluminyum ve titanyum gibi hızlı oksitlenebilen malzemelerin kaynağı yapıldığızaman kaynağın kökünün havadan çok etkilenen arka tarafından korunmasıgereklidir. Argon ve N 2 gazları bu uygulamada sık sık kullanıldığı halde, He gazıtercih edilir çünkü havadan hafif olduğu için kaynağın altından iş parçasınınyüzeyine doğru yükselir.Kesin koşullar altında, su altında kaynak için CO 2 lazer ışınımı su boyunca 1-2mm uzaklığında kendi dalga kılavuzuna benzer bir yapı oluşturarak yayılır. (Dunn,Bridger ve Duley (1993)) Lazerin yoğunluğu bu işlemle dağılmıştır, fakat Shannonve diğerleri (1994) çeliğin su altında lazer kaynağını yaparak kabul edilebilirkaynaklar elde edilebildiğini göstermişlerdir.Koruyucu gazlar ile ilgili olarak yapılan çalışmalarda istenilen amaçlara ulaşmakiçin, numune yüzeylerinde gaz akışı tarafından yaratılan basınç kaydedilerek çalışmaparametreleri üzerindeki etkisi analiz edilmektedir. Bu sebepten araştırmalardagenellikle malzemeyi oksidasyondan korumayı garanti edecek, plazma oluşumunubastırarak maksimum kaynak nüfuziyeti gerçekleştirecek minimum gaz akışhızlarının belirlenmesi gerekir. (Duley, 1998)5.4 Birincil Ayarlanabilir Kaynak ParametreleriLazer kaynağında parametrelerin detaylı analizi konusuna geçmeden önce genelolarak bu parametrelerin etkilerini inceleyelim. Lazer kaynağında parametreleripratik olarak birincil ve ikincil parametreler olmak üzere iki gruba ayırabiliriz. Lazerkaynağında birincil ayarlanabilir kaynak parametreleri gerilim, darbe süresi ve ışınçapıdır. Gerilim ve darbe süresi arttıkça ışının taşıdığı enerji miktarıda artacak, ve buiki parametrenin azalmasıyla birlikte de azalacaktır. Bu sebepten gerilim ve darbesüresinin enerjiyle doğrudan ilişkili olduğunu unutmamak gereklidir, fakat herikiside farklı sonuçlar yaratan iki farklı parametredir. Gerilim enerji gerektiren

82fiziksel bir basınç olarak tesir eder ve etkin nüfuziyet oluşturur. Darbe süresi ise lazerışınına maruz kalma zamanıdır ve iş parçasında ergimeyle sonuçlanır. Genelliklegerilim ve darbe süresi için “enerji ayarları” olarak bahsedilir. Şekil 5.18’de gerilimve darbe süresindeki değişimin etkileri gösterilmektedir.Şekil 5.18 Gerilim ve darbe süresindeki değişimin ergime venüfuziyet üzerindeki etkileriŞekil 5.19 Hem gerilim hemde darbe süresindeki değişimin ergime ve nüfuziyetüzerindeki etkileri

83Lazer ışını tarafından oluşturulan toplam enerjinin yayıldığı alan ışın çapıgenişliğinin bir fonksiyonudur. Bu parametre “fokus (odaklama)” olarakisimlendirilmektedir. Işın çapını değiştirerek enerjinin içine odaklandığı alandeğiştirilir. Şekil 5.20’de bu değişimin etkisi gösterilmektedir.Şekil 5.20 Işın çapındaki değişimin ergime ve nüfuziyet üzerindeki etkileriŞekil 5.21 Gerilim, darbe süresi ve ışın çapındaki değişimin ergime ve nüfuziyetüzerindeki etkileriDarbe frekansı ise ikincil bir parametredir. Lazer darbelerinin birim zamanda (1s)hangi sıklıkta verildiğini göstermektedir ve birimi Hertz’dir. Mevcut lazer kaynakmakinaları 5 Hz-20 Hz aralığında değişen darbe frekanslarına sahiptirler. Darbefrekansının artması önceden seçilmiş birincil parametrelerin birim zamandakibırakımını arttırır. Daha yüksek bir frekansın sonuçları aynı parametrelereayarlanmış tek bir darbeden daha güçlü olacaktır, çünkü kaynak metalinin kaynakdikişindeki darbeler arasında enerjiyi uzaklaştıracak daha az zamanı olacaktır.

84Şekil 5.22 Üç farklı lazer kaynak dikişi uygulamasıŞekil 5.16’da üç farklı kaynak uygulaması görülmektedir. Uygulama A’dakikaynak bir dikiş olarak adlandırılamaz, çünkü noktalar üst üste binmemektedir. Busebepten sadece yan yana dizilmiş bir nokta kaynağı serisidir. Uygulama B’de dikişioluşturan noktalar üst üste binmektedir, fakat üst üste binme yeterli olmadığındandolayı zayıf erimemiş alanlar söz konusudur. Başarılı bir kaynak dikişi oluşturmakiçin nokta kaynaklarının üst üste binme yüzdesi kaynak edilecek parçaların lazerışınının odak noktasına göre hareketi ve lazerin darbe frekansıyla ilişkili olarakbelirlenir. Bu kaynak makinası üzerinde yapılması kolay bir ayarlamadır. (Brown,2003)5.5 Darbeli Nd:YAG Lazer Dikiş Kaynağı ParametreleriModern Nd:YAG lazerleri çeşitli darbe frekanslarına sahip her bir darbenin güçprofilini şekillendirme kabiliyetine sahiptirler. Bu durum ısı girdisini kontrolimkanını vermektedir. Böylece nüfuziyetin, kaynak banyosu şeklinin ve boyutunun,ergime ayarının, anahtar deliği oluşumunun kontrolü sağlanabilmektedir. Dahayüksek birleştirme verimleri, daha yüksek tepe gücü, daha esnek ışın bırakımı veartan sayıda endüstriyel Nd:YAG cihazlarıyla, Nd:YAG lazerlerini 250W-2kW güçaralığındaki CO 2 lazerlerinin önemli bir rakibi yapmıştır.Darbeli lazer kaynak yöntemi çeşitli parametreler tarafından kontrol edilmektedir.Bunlar; ortalama tepe güç yoğunluğu (P D ), ortalama güç (P M ) , kaynak hızı (V) ve

85darbe süresidir (T P ). Şekil 5.23’de darbeli lazer kaynağında kaynak kalitesinietkileyen temel kaynak parametreleri, Şekil 5.24’de lazer kaynağında kullanılançeşitli darbe şekilleri görülmektedir.Şekil 5.23 Darbeli lazer kaynağında kaynak kalitesini etkileyen temel kaynak parametreleri (Tzeng,1998)

86Şekil 5.24 Darbe şekli opsiyonlarının şematik gösterimi (Unitek-miyachi)Şekil 5.25 Darbeli lazer kaynağında kaynak parametrelerinin şematik gösterimi(Unitek-miyachi)Şekil 5.25 şematik olarak darbeli lazer kaynağında kaynak parametrelerigöstermektedir. Darbeli Nd:YAG lazer kaynak parametreleri ve etkileri aşağıdaverilmiştir.T P : Darbe Süresi (Darbe Genişliği) : Darbe süresi, iş parçasına uygulanan ısıgirdisini kontrol etmektedir ve birimi milisaniyedir (ms). Darbe süresinin optimumaralığı malzemeye bağlı olarak değişmektedir. Artan darbe süresi kaynak dikişiboyutlarını ve ısı etkisi altında kalan bölgenin genişliğini arttırır. Darbe süresiarttıkça iletim kaynakları biçiminde sığ ve geniş kaynak dikişleri elde edilmektedir.T F : Darbe Periyodu : Birbirini takip eden iki darbenin başlangıç zamanlarıarasındaki farktır. Birimi milisaniyedir.

87Ep: Darbe Enerjisi: Bu parametre kaynak işlemi sırasında bir darbe tarafındankaynak bölgesine verilen toplam enerjidir. Birimi Joule’dür. Darbe şekli ve süresi ileilişkilidir.P P : Tepe Gücü: (kW) Belirli bir darbe süresi boyunca lazer darbesinin kaynakbölgesine verdiği enerji miktarıdır. Birimi kilowatt’tır ve denklem (5.6) ilehesaplanmaktadır.P P=DarbeEnerjisi(J )DarbeSüresi(ms)⎡ Ep⎤PP= ⎢ ⎥ (5.6)⎢⎣Tp⎥⎦Şekil 5.26 Darbe süresi ve tepe gücündeki artışın kaynak dikişikesit alanı boyutları üzerindeki etkileri (Unitek-miyachi)P D : Tepe Güç Yoğunluğu (kW/mm 2 ): Belirli bir darbe süresi boyunca lazerdarbesinin kaynak bölgesinde odaklanan ışın tarafından oluşturulan alana verdiğienerji miktarıdır. Birimi kilowatt/ mm 2 ’dir.TepeGücü(kW )P D=Odak(Işşı ) Alanı(mm2)EPPD = (5.7)T xAP

88Tepe güç yoğunluğunun (P D ) lazer kaynağını etkileyen en kritik faktör olduğudeneysel olarak bulunmuştur. Tepe güç yoğunluğu doğrudan kaynak nüfuziyetinikontrol etmektedir. Çok yüksek P D değerleri, kaynak işlemi yerine kesme işlemioluşumuna sebep olmaktadır. Aksine düşük P D değerleri ise ise nüfuziyetyetersizliğine sebep olmaktadır. Darbeli lazerlerle kaynak yöntemini etkileyen diğerparametrelerde lazer ortalama gücünü (P M ) ve kaynak hızını kapsamaktadır. Öyleyseyüksek kaliteli kaynaklar , tepe gücünün (P D ), ortalama gücün (P M ) ve hızın (V)doğru seçimi ile imal edilebilmektedir.PRR: Darbe Frekansı: Denklem (5.7) ile hesaplanmaktadır birimi1/saniye,Hertz’dir.1 1PRR = = (5.7)DarbePeriyoduT FP M : Ortalama Güç: Denklem (5.8) ile hesaplanmaktadır, birimi kilowatt’tır.P M = Darbe Enerjisi (Joule)x Darbe Tekrar Hızı (Hertz) (5.8)⎡ EP⎤PM= EPxPRR = ⎢ ⎥ (5.8),⎣TF⎦C D : Çevrim Oranı: Darbe süresinin darbe periyoduna oranıdır.⎡TP⎤CD= ⎢ ⎥ (5.15)⎣TF⎦Ortalama lazer gücü P M aşağıdaki denklemler yardımıyla hesaplanabilmektedir.A: Lazer Odak (Işın) Alanı (mm 2 ) olmak üzere;EP =P PM= EPxPRR x (5.9)TPTFT

89P =EPPM= PPxCDxAx (5.10)TPxA TFP = P xAxC (5.11)MDDTPM= PDxAxTP xPRR (5.12) denklemleri elde edilmektedir.P ER : Üst üste binme yüzdesi: Lazer darbeleriyle oluşturulan dikiş kaynağındanoktaların yüzde üst üste binme oranıdır.PERıı[ S − S ] ⎡ Sx100%= 1 − x100%⎤= ⎢ ⎥ (5.16)S⎣ S ⎦S: Bir tek darbe ile oluşturulan nokta kaynağının çapıdır ve denklem (5.17) ilehesaplanmaktadır.S=W+VxT P (5.17) (Şekil 5.21)V: Kaynak hızıW: Nokta kaynağının en küçük çapıS ı : Nokta kaynağında üst üste binmenin olmadığı uzunluk olup denklem (5.18) ilehesaplanmaktadır.S ı =VxT F (5.18) (Şekil 5.21)S ve S ı değerlerinin denklem 5.16’da yerlerine konmasıyla ;PER⎡ VxT ⎤F= ⎢1 − ⎥x100%(5.19)⎢⎣W + VxTp⎥⎦denklemi elde edilmektedir.

90Şekil 5.27 Nokta kaynağı (solda) ve dikiş kaynağında dikiş boyutları(Tzeng, 1999)Denklem (5.19)’dan üst üste binme yüzdesinin, darbe süresi, darbe periyodu,kaynak hızı ve nokta kaynağının en küçük çapına bağlı olarak değiştiğigörülmektedir. Darbeli lazer kaynağı uygulamaları için, genel kural 0 ≤ P ER ≤ 1eşitliğinin denklem (5.19)’a uygulanmasıdır. Çünkü darbeli lazer ışını ve iş parçasıarasında bağıl bir hareket vardır. Öyleyse denklem (5.19) takip eden şekilde yenidendüzenlenmelidir;W0 < V ≤ (5.20)T F− T PDenklem (5.20)’den şöyle bir sonuç çıkarılmaktadır. Uygun kaynak hızlarıortalama lazer gücüne bağlı olarak değişen bir lazer odak(ışın) çapı ayarına bağlıdır.Daha yüksek güç kullanımı darbeler arasındaki zamana ve darbe süresine bağlıolarak daha yüksek kaynak hızlarına olanak sağlayacaktır. Pratikte darbeli lazer ışınkaynağında tam nüfuziyetli bir kaynak dikişi elde etmek için, P ER en az % 50 ve dahabüyük seçilmelidir. Öyleyse kaynak hızı operasyon aralığı takip eden sınırlararasında olmalıdır;W0 < V < (5.21)2T F− T PDarbeli lazer ışın kaynağı için, en önemli işlem parametreleri lazerdenetkilenmiş alan üzerindeki ısıl giriş hızını idare eden ortalama tepe güç yoğunluğu(P D ), lazer ışınımı ve iş parçası arasındaki etkileşim zamanını kontrol eden darbesüresidir (T P ). Lazerlerin dikiş kaynağı uygulamaları için, yüksek bir güç yoğunluğu

91talebini karşılamak için önemli olan uygun P D ’lerin seçimidir. Uygun bir P D eldeetmek için, lazer odak çapı elde edilebilir düşük güç kısıtlaması yüzünden dikkatli birşekilde seçilmek zorundadır. (Tzeng, 1999)5.5.1 Darbeli Lazer Dikiş Kaynağı Prosesinin Parametrik AnaliziDarbeli lazer dikiş kaynağı uygulamaları için temel kaynak parametreleri hemdarbeli hemde sürekli mod için aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır.1) Darbeli lazer dikiş kaynağı için ortalama tepe güç yoğunluğu. Sürekli modda isedoğrudan ortalama güç yoğunluğu. (Tzeng, 1999)P E= xC (5.24)MPPD= ( )D TPxDD2) Etkileşim Zamanı (T IN ) (Darbeli lazer kaynağı için)dSTPTIN= xCD( = ) (5.25)V T3) Özgül Enerji (E ORT )FP xT xP P xC E P P xT π= xP xT (5.26)P P RR P DPM P INEORT= = = = = ( )2dSxV dSxV dSxVxTFdSxV d 4S4) Kaynaklardaki üst üste binme yüzdesi (P ER )⎡ VxTF⎤PER= ⎢1 − ⎥ (5.27)⎣ W + VxTP⎦DINPPPERERER⎡1⎤= ⎢1 −⎥ (5.28)⎣ (( WxdSxEORT) / EP) + TP/ TF⎦⎡1 ⎤= ⎢1 −⎥ (5.29)⎣ (( WxdSxEORT) / EP) + CD⎦⎡1 ⎤= ⎢1 −⎥ (5.30)⎣ (( WxTIN) /( dSxTP) + CD⎦

925.5.2 Darbe Süresinin (T P ) Isı Akışı Üzerindeki EtkisiKaynak dikişi boyutları, kaynak parametreleri değişiminin ısı akışı üzerindekietkisinin bir ölçüsüdür. Kaynak banyosundaki ısıl denge için, lazer ışını tarafındankaynak bölgesine verilen tüm enerjinin kaynak bölgesinin ergimesi için kullanıldığıvarsayılmaktadır. Ve ilgili denklem takip eden şekilde ifade edilmektedir.dW ( W + TPxV )EPxη = πxρx(CP∆T+ Lm) (5.31)4η: VerimW: Kaynak Genişliği (m)d: Kaynak Nüfuziyeti (m)V: Kaynak Hızı (m/s)ρ: İş Parçasının YoğunluğuC P : Özgül Isı (J/kgK)∆T: Ergimeden kaynaklanan sıcaklık artışı (K)L M : Ergime Gizli Isısı (J/kg)Düşük kaynak hızlarında, kaynak dikişinin uniformluğuna olanak sağlayan darbeüst üste binme yüzdeleri önemlidir. (Tzeng, 1998)

BÖLÜM ALTILAZER KAYNAĞINDA BİRLEŞTİRME TÜRLERİ VE KAYNAK VERİMİ6.1 Lazer Kaynağında Birleştirme TürleriLazer kaynak sistemlerinin en önemli özelliği esnekliktir ve malzemelerin çeşitligeometrilerde birleştirilmesine geniş bir olanak sağlamaktadırlar. Birçok durumda,lazer kaynağı ilave dolgu malzemesi kullanılmadan yürütülür, fakat iyi bir kaynakiçin tüm şartlarda karşılaşılan ortak sorun kaynak edilecek parçaların yerleştirmeuygunsuzluğudur. Kaynak edilecek parçaların uygun bir şekilde yerleştirilmesigerekmektedir. Bu gereklilik dikiş geometrisindeki dar toleransla sonuçlanmaktadırve buda dikişe olan lazer odaklamasıyla ilişkilidir.Lazer kaynağı, lazer ışınının ısıtma etkisi kaynak edilecek birleştirme içineyayıldığında meydana gelir ve bu lazer ışını ve kaynakla birleştirilecek parçaların arayüzeyleri arasındaki kesin optimizasyon yaklaşımına olanak sağlar. Lazerkaynağında kullanılan bir dizi standart birleştirme geometrisi şekli Şekil 6.1’deözetlenmiştir.Lazer kaynağıyla birleştirilecek parçalar çok ince olmadıkça lazer nüfuziyetkaynağı iletim kaynağından daha çok tercih edilir. (Duley, 1998)93

Şekil 6.1 Lazer kaynağında birleştirme türleri (Duley, 1998)94

956.1.1 Lazer Alın BirleştirmesiLazer kaynağı için en basit birleştirme şekli kaynak edilecek parçaların alınbirleştirilmesidir. Kaynak edilecek levhalar arasındaki boşluk levha kalınlığının ∼0,05’inden küçük olmalıdır. Lazer ışını her iki levhaya da eşit olarak gönderilmeli,ışın çapı merkez hattı boyunca ± % 10’dan daha fazla sapmamalıdır. Örneğin; 300µm’lik bir ışın çapı için bu değer ±30 µm demektir.Farklı kalınlıklardaki malzemelerin kaynağında optimum odaklama pozisyonubirleştirmenin merkez hattı dışında, ışının büyük kısmı kalın olan malzeme üzerineyapılmslıdır. Galvanizli çelik sacların kaynağında özellikle alın birleştirmesi tercihedilmektedir, çünkü birleştirmedeki çinko buharı tahliyesi bu şekilde daha kolaymümkün olmaktadır.Alın birleştirmesinde en önemli şart kaynak edilecek parçaların mengeneylesıkıştırılıp kaynağın yapılmasıdır. Levhalar termal gerilmeler ve distorsiyondandolayı kaynak sırasında distoriyon eğilimine sahip olacağından ince levhalarınkaynağa başlanmadan önce puntalanması gereklidir.Düşük viskoziteli malzemelerin alın kaynağı prosesinde (örneğin; Al alaşımları)destek plakası kullanılmalıdır. Kaynağın kökü destek noktasına bir T birleştirmesişeklinde uzar. Bu kaynağın kök kısmından damlanın düşmesini ve kaynakbaşlangıcındaki oluk oluşumunu önlemektedir. (Duley, 1998)6.1.2 Lazer Bindirme BirleştirmeleriBindirme birleştirmelerinde kaynak dikişinin pozisyonu çok kritik olmadıkçalazer ışının iş paraçsına olan yanlış hizalamalarında bile iyi sonuçlar vermektedir.Kaynak dikişi pozisyonu kritik olmadıkça, bindirme kaynakları ışının yanlışayarlamalarını dahi affetmektedir. Yerleştirmede mengene kullanımı gereklidir,bununla beraber levha ara yüzeylerinde iyi bir birleştirme elde edilmek istenirse,

96galvanizli çeliklerin veya diğer kaplama yapılmış malzemeler CW lazer ışınıylabindirme kaynağı yapılacaksa bu sıkıştırmada ince bir boşluk bulunmak zorundadır.Bu mengenenin saclar arasında ∼0,1 mm boşluk olacak şekilde ayarlanmasıylasağlanmalıdır.Derin nüfuziyet (anahtar deliği) kaynak koşulları altında eğer mengeneylesıkıştırmada uygun yöntem kullanılırsa çoklu scalar başarılı bir şekilde kaynakedilebilir. Farklı kalınlıklardaki iki veya daha fazla levhanın kaynağında tercih edilengeometri ince sacın kalın sac üzerinde olmasıdır. (Duley, 1998)6.1.3 Lazer Kenar BirleştirmeleriHizalamanın, kaynak hızının, lazer gücünün dikkatli bir şekilde seçimi ile ince sacmalzemelerin sac kalınlıklarının kat kat üstündeki derinliklerde nüfuziyet kaynağıyapılabilir. Bu konfigürasyondaki yanlış ayarlama boyunca yanmaya, nüfuziyetyetersizliğine ve birleştirmedeki tüm dayanımın nüfuziyet yetersizliğine bağlı olarakdeğişimine sebep olur.Bu geometride boşluk toleransı çok daha önemlidir, çok iyi bir yerleştirmegerektirmektedir ve maksimum boşluk en ince sac kalınlığının 0,05 katınıaşmamalıdır. Galvanizli sacların kaynağında bir kenarın varlığı işlemikolaylaştırmaktadır, buna karşın, derin nüfuziyetli kaynaklarda basınç artımınıengellemek için bir boşluk gerekmektedir. (Duley, 1998)6.1.4 Lazer T Alın ve Bindirme Radyüslü BirleştirmeleriBu geometrideki birleştirmelerde bir köşe yoksa ve normal giriş mümkünse lazerışını 7-10°’lik bir açı ile girmek zorundadır. Birleştirmeye bağlı olarak odak noktasıpozisyonu oldukça kritiktir, çünkü ışın yansıması meydana gelebilir ki bu da tamnüfuziyetin temininde önemlidir. İyi bir kaynak dayanımı tüm bileşenlerin dikiş hattıboyunca tamamen ergitilmesiyle elde edilir. Bu birleştirmede de boşluk genelliklekalınlığın 0,05 katı olabilir ve lazer ışını dikişe lazer odak (ışın) çapının maksimum

97∼0,5 katı olacak şekilde hizalanmalıdır. Ağır-ölçekli malzemelerde T alın kaynaklarıbirleştirmenin her iki tarafından yapılabilir. Erime bölgesinde giren lazer ışınındandışarı doğru bir eğri gözlemlenir ve bu durum erime bölgesinin doldurulmasınıarttırır. Anahtar deliğinin yeniden açılanması ısıl iletimi arttırır ve “ışın kayması”veya “kaymış kaynak” etkisini üretir. (Duley, 1998)6.1.5 Lazer Flare BirleştirmeleriBu birleştirme geometrisi yüksek yansıtmaya sahip metallerde kullanılmaktadır.Eğik gelen lazer ışını iki levha içerisine alınarak kaynağın kökünde bir kama formuoluşturur. Lazer ışınının doğru kutuplanmasıyla giren lazer gücü iki levhanınbirleştirildiği noktada etkin bir şekilde depolanabilir. (Behler ve diğerleri, 1988 a,c)Bu uygulama boru kaynağında ve kaplamalı metal levha imalatında kullanılmaktadır.Lazer ısıtma elektrik direnç kaynağıyla birleştirilebilir,bu uygulama proses verimininarttırılması için kullanılmaktadır.Bu geometri, birleştirme geometrisinin lazer ışınını hapsetmesi ve dikiştençevreleyen birleştirme bileşenlerine yansımasını engellemesi bakımından dayararlıdır. Çünkü bu metod lazer gücü verimini arttırır, kaynak hızı daha yüksekolabilir. Bu uygulama halkaların eliptik bindirme kaynağı şeklinde birleştirlmesinikapsamaktadır. (Şekil 6.2) (Duley, 1998)

Şekil 6.2 Lazer flare birleştirmesi (Duley, 1998)98

996.2 Lazer Kaynağında Kaynak Verimini Arttırma YöntemleriMetallerin temiz yüzeyleri, hem CO 2 hemde Nd:YAG lazeri dalga boylarınıyüksek derecede yansıtırlar, fakat bu yansıtma artan sıcaklıkla azalmaktadır. Ayrıcabir çok metal ergime noktaları yakınındaki sıcaklıklara ısıtıldıklarında hızlı birşekilde oksidasyona uğrarlar. Sonuçta, lazer ışını soğurulmasında bir artış olur.Sonuçta, I τ , I giren lazer ışını yoğunluğu ve τ metal yüzeyi üzerindeki belirli birnoktada durma zamanıdır. (Kinsman ve Duley, 1986)I τ ’nun yüksek (geniş) değerlerinde bir ısıl kaçış etkisi buharlaşmaya, yüzeybölünmesine ve bir anahtar deliği oluşumuna yol göstermektedir. Kaynak verimi birgüç (veya enerji) transfer katsayısı olarak tanımlanır ve ηsembolü ile ifade edilir.Lazer.Gücü(İş.Parçası.tarafıarafn.absorbe..edilen).η =(6.1)Giren.Lazer.GücüBurada anahtar deliği oluşumu için η eşiğin altındadır, fakat bir anahtar deliğioluştuğu zaman bire yaklaşabilir. Erime verimi veya erime oranı, ε ilegösterilmektedir.vdW∆Hε =m(6.2)PBu formülde ε giren lazer gücünün eritme hızıyla ilişkilidir ve P giren lazergücünü, v kaynak hızını, d levha (sac) kalınlığını, W ışın genişliğini, ∆H m erimesıcaklığında metalin ısı içeriğini ifade etmektedir.ε’nun maksimum değeri nüfuziyet kaynağı için 0,48 ve iletim kaynağı için0,37’dir. (Swift-Hook ve Gick 1973) Ayrıca η≅1 olsa bile, ε asla 1’e yaklaşamaz.

100Anahtar deliği oluşumu için eşiğin altında, hem η hemde ε soğurma katsayısıA’nın artmasıyla arttırılabilmektedir. Bu durum aşağıdaki yollarla başarıylasonuçlanabilmektedir.1. Soğurucu (absorbant) bir kaplama uygulanması2. Yüzey pürüzlülüğü arttırma veya (texturing)3. Ön tav4. Geçici ışınlama (şualandırma) profiline yeni bir biçim verilmesi5. Oksitleme/Nitritleme (Oxidation/ Nitridation)6.2.1 Soğurucu KaplamalarBu kaplamalar Steen (1986) ve tarafından araştırılmıştır. Bazı kaplamalarınözellikleri Tablo 6.1’de özetlenmiştir. Bu kaplamalardan beklenen özelliklerşunlardır;1. Uygulama(nın) kolaylığı2. Metal yüzeye yapışma3. Metal yüzeye iyi ısıl iletim4. Kimyasal kararlılık5. Kaynak metalurjisiyle karışmamaSiyah boya bu kriterlerin çoğunu karşılamaktadır, fakat ısıtmanın erkenbasamaklarında katmanlarda gaza dönüşümden dolayı kaybolmaktadır ki buda etkinη değerini düşürmektedir.Kolloidal grafit daha kararlıdır, fakat karbonun alaşımlandırması genel bir etkidir.

101Tablo 6.1 Lazer yüzey ergimesi için soğurucu kaplamalar Steen, Chen ve West (1987)KAPLAMA YORUMLAR SOĞURMA (%)Kolloidal Grafit Kaplama sonucu birleşimde hata olursaergime öncesinde gaz haline geçme veyayanma meydana gelebilir; eğer erime ∼78başarılırsa kaplamada karbonalaşımlandırması olacaktır.Manganez- Oksijeni vererek ayrışır.DioksitManganez fosfat Bazı döküm proseslerinin bir yan ürünüdür. ∼75Bir miktar fosforun kaplamadan erimişbanyoya girmesi bir sanştır.Çinko fosfat Manganez fosfatla aynı etkiye sahiptir.Siyah Boya Boya erime başlamadan önce yok olabilir. ∼95AlcalineHalides, sodyumveya potasyumsilikat (waterglass)+ grafitKum PüskürtmeIsınmada hasara uğramaz, fakat kaynakbanyosunu alaşımlandırabilir. Bu formda“grafitlenmiş curuf” fosfatlama için üstün ∼80nitelikli olarak bulunur.Isıtmayı sağlamaktadır ve hiç bir alaşım∼70ilavesi içermemektedir.Kaplamanın malzemesi ve metodu kaynak işlemine önemli düzeyde etki edebilir.Örneğin; elektrolitik olmayan nikel kaplamalarının kaplama kaplama işlemiesnasında içlerine katılan fosfor ve diğer kirletici unsurlar kaynak problemlerineneden olmaktadırlar. Tavsiye edilen kaplama tipi elektrolitik kaplamadır.Kaplamanın kalınlığı ve tipide düşünülmesi gerekli diğer bir unsurdur. Örneğin; 1,27mikrometre’nin üzerindeki bir altın kaplama bir kaynak çatlağına neden olabilir.

1026.2.2 Yüzey Pürüzlülüğü OluşturmaZımparalama, kum püskürtme veya ovalama metallerin yüzey pürüzlülüğünüarttırmada etkin yollardır. Pürüzlülüğün derecesi çakıl boyutuna, mekanik basınca,gaz akışına v.b. bağlı olarak değişmektedir. Bu etki farklı prosesler için Tablo 6.2’degösterilmektedir. Çeşitli malzemelerin kaplanması ve boyanmasıyla elde edilmiş olanson yansıtma karşılaştırılmaktadır. Yansıtmadaki en büyük düşüş beklendiği gibikıyaslanabilir boyutta çakılla 10,6 µm’lik lazer dalga boyunda kum püskürtmesonunda meydana gelmektedir.Kum püskürtme yöntemi ile yansıtmadaki (R) etkileyici düşüşe rağmen, buyöntemin uygulanması çevresel üretim bakımından bir çok kısıtlamaya sahiptir.Sonuçta artan ışın emilimi (A) nedeniyle kum püskürtme diğer tekniklere kıyaslapratik bir teknik değildir. Benzer sınırlamalar zımpara kağıdı kullanımıyla yapılanuygulamalarda da ortaya çıkmaktadır.Ayrıca kapsamlı bir çalışmada Weiting ve Rosa (1979) tarafından 304 paslanmazçeliğinin yüzey absorbsiyonun SiC kağıdı kullanılarak yapılan yüzey pürüzlülüğüetkileri araştırmasıdır. Yutma katsayısında (A) T

103YANSITMA (R) %10090807060504030201001 2 3 4 5 6 7 8 9Doğrudan YansıtmaGeçirgen YansıtmaŞekil 6.5 Uygulanan çeşitli yöntemlerin malzemenin lazer ışınını yansıtması üzerindeki etkileri(Duley, 1998)1. Zımparalama (1 µm)2. Kum Püskürtme (19 µm)3. Kum Püskürtme (50 µm)4. Yüzey İşlemleri5. Oksidasyon6. Grafit Kaplama7. MoS 28. Boyama (Dispersion)9. Boyama (Plaka)

BÖLÜM YEDİLAZER GÜVENLİĞİ7.1. Lazer Kaynak Yönteminde Lazer GüvenliğiLazer güvenlik standartı, IEC 60825-1 ve ANSI Z136.1, dünya çapında kabuledilmiş maksimum izin verilebilir korunmasızlık değerlerini çeşitli dalga boyları veçalışma modları için listelemiştir. Bu yönetmeliğe uymak Avrupa Topluluğundazorunludur. Ayrıca bazı ülkelerde bazı ilave ulusal yönetmeliklerdegözlemlenmektedir. Örneğin; Amerika Birleşik Devletlerinde lazer ürünlerininkullanımı 21 CFR 1040 yönetmeliğiyle yürütülmektedir ve “Lazer Bildirisi 50”FDA’nın bir parçası olan CDRH tarafından 2001 yılında yayımlanmıştır.Tehlike potansiyelleri göz önünde tutularak lazerler, yayılan ışının dalga boyunave gücünede bağlı olarak dört güvenlik sınıfında kategorize edilmektedirler.Malzemelerin işlenmesi için kullanılan yüksek güçlü lazerler (CW modunda ve >0.5W) 4.sınıf lazerlerdir ve en katı güvenlik korumasını gerektirmektedirler. Yüksekgüçlü lazerler dalga boylarından ve onların insan gözü üzerindeki etkilerinden dolayıoluşturdukları tehlike potansiyelleri bakımından önemli farklılıklar gösterirler.7.1.1. I.Sınıf (class I) LazerDüşük güçlü (

105Şekil 7.1 Lazer İkaz İşaretleri (Wirth, 2004)7.1.2 II.Sınıf (class II) LazerYaklaşık olarak 1mW gücünde , görülebilir dalga boyunda ışık yayan yüksekfrekanslı darbeli lazer cihazları bu sınıfa girmektedirler. Korunma parlak ışık yayankaynaklara karşı insanın doğal göz kırpma refleksi ile sağlanmaktadır. Ancak çıplakgözle uzun zaman periyotları boyunca bu ışığa doğrudan bakmak retinaya zararverebilmektedir. Helyum-Neon lazerleri bu sınıfa girmektedir.7.1.3 III.Sınıf (class III) LazerDirekt olarak veya yansıyan ışığına bakılması zararlı olan, ancak ciltle temasıhalinde zararlı etkisi olmayan lazerler olup iki sınıfa ayrılmaktadır.

1067.1.3.1 III-a.Sınıf (class III-a) LazerÜrettikleri ışığa korumasız gözle doğrudan bakılmaması gereken, odaklayıcı optikcihazlarla (teleskop,mikroskop,dürbün v.b.) tehlikeli olan, 1-5 mW güçleriaralığındaki lazerleri ve lazer sistemlerini kapsamaktadır. Örneğin, helyum-neonlazerler.7.1.3.2 III-b.Sınıf (class III-b) LazerYangın tehlikesi oluşturabilen, orta güç sınıfında (5 mW-500 mW) bulunan lazerve lazer sistemleridir. Koruyucu gözlük olmadan doğrudan ürettikleri ışığabakılmaması gereken lazerlerdir.7.1.4 IV.Sınıf (class IV) LazerYüksek güç sınıfına giren, yangın tehlikesi oluşturan lazerlerdir. Yansımaları dahihem cilt hemde çıplak gözle bakıldığında tehlikelidir. Yönetmeliklerde bu tipcihazların kapalı bir odada çalıştırılması ve gerekli emniyet tedbirlerinin alınmasıönerilmektedir.İnsan gözü merceği ve korneası odaklanmış lazer ışınını retina üzerinemilimetrenin yüzde biri kadar küçük bir nokta olarak odaklar. Öyleki yoğunlukyaklaşık 300.000 katlık bir faktörle yükseltilmektedir. Bu konu “yakıcı-cam etkisi”(burning-glass effect) olarak bilinir ve kolayca retinaya zarar verebilir. Buna karşın,bu durum sadece ulraviole ve kızıl ötesi yakınındaki görünür ışınım bölgesindegeçerlidir. CO 2 lazer ışınımı, 10,6 µm’lik bir dalga boyuyla kızıl-ötesi aralıkta olup,en dış korneal tabaka tarafından tamamen emilir, böylece “yakıcı-cam etkisi”nden dekorunulmuş olur. Çünkü bu durumda temel tehlike korneal yanmadır. Diğer taraftan1,06 µm’lik bir dalga boyuna sahip Nd: YAG lazerlerinde ışınımın % 40’ı retinayaulaşır ve retinal yanmalarla göze şiddetli hasarlar verebilir. Özellikle 0,8-1,0 µmaralığındaki dalga boyunda yayılan diyod lazerlerinde ışınımın hemen hemen tamamı

107retina ile karşılaştığından dolayı yeterli göz koruması tüm güvenlik talimatlarında birönceliğe sahiptir. (Wirth, 2004)Şekil 7.2 İnsan gözü üzerinde “yakıcı cam etkisi” (Wirth, 2004)

BÖLÜM SEKİZDENEYSEL ÇALIŞMALAR8.1 Deneylerde Kullanılan MalzemeDeneylerde ana malzeme olarak paslanmaz çelik kullanılmıştır. Paslanmazçeliklerin en önemli özelliği oksidasyona ve korozyona karşı mükemmeldirençleridir. En az % 12 Cr ihtiva ederler. Şekil 8.1’de demir-krom denge diyagramıgörülmektedir. Paslanmaz çeliklerin artan krom miktarına bağlı olarak yükseksıcaklıklarda oksidasyon dirençleri artmaktadır. Paslanmaz çelikler üç gruptatoplanmaktadır. Bunlar;1) Ferritik Kromlu Paslanmaz Çelikler2) Martenzitik Kromlu Paslanmaz Çelikler3) Ostenitik Krom-Nikelli Paslanmaz ÇeliklerBizim deneyde kullandığımız malzeme olan 304 paslanmaz çelik östenitik kromnikellipaslanmaz çelikler grubuna girmektedir. Bu çeliklere korozyon dirençleriniarttırmak için çeşitli alaşım elementleri katılmaktadır. Çeliğin içinde yüksekmiktarda krom bulunması paslanmayı önler, kromla beraber nikel bulunmasıözellikle asidik ortamlarda yüksek bir korozyon direnci sağlamaktadır. Ostenitikkrom-nikelli paslanmaz çelikler, bileşimlerinde % 12-25 Cr ve % 8-25 Niiçermektedirler ve antimagnetiktirler. Ancak yüksek krom ve nikel miktarı buçeliklerin maliyetlerinin artmasına neden olmaktadır. Çok iyi kaynak kabiliyetinesahiptirler. Ostenit oluşturucu element nikel, demir-karbon alaşımlarından ferritihemen hemen yok ederken östenit alanını genişletir. (Şekil 8.2) Karbon miktarı %0,03’den az ise karbür oluşmaz ve çelik oda sıcaklığında tamamen ostenitik olarakkalır.108

109Şekil 8.1 Fe-Cr (demir-krom) denge diyagramı (Kou, 2002)Şekil 8.2 Fe-C (demir-karbon), Fe-Cr (demir-krom) ve Fe-Ni-Cr (demir-nikel-krom)denge diyagramları (Kou, 2002)

110Ostenitik krom-nikelli paslanmaz çeliklerin kaynağında en önemli metalurjikproblem ısı etkisi altında kalan bölgede, bu bölgenin 500-900 °C sıcaklık değerleriarasında uzun süre kalması sonucu ortaya çıkan krom karbür çökelmesidir. (Şekil8.3) Krom karbürler tane sınırlarında çökelirler ve çeliği taneler arası korozyonakarşı hassas hale getirirler. Bundan dolayı ostenitik krom nikelli paslanmaz çeliklerinkarbon içeriğinin maksimum % 0,06, optimum %0,03 olması gerekmektedir. Kromkarbür çökelmesinin önlenmesi için çeliğin karbon içeriği azaltılmalıdır. Ayrıcakrom karbür çökelmesini önlemek için kullanılan diğer yöntemde çeliğin bileşimineTi, Nb ve Ta gibi elementlerin katılmasıdır. Karbon krom atomu yerine titanyum,niobyumu tercih ederek TiC ve NbC oluşturur. Bu işlem stabilizasyon olarakadlandırılmaktadır.(Şekil 8.3) (Böhler)Şekil 8.3 Krom-nikelli ostenitik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarında krom karbür çökelmesi(Kou, 2002)Korozyonu önlemek için su verme ısıl işlemi kullanılmaktadır. Korozyona hassasçelik 1100 °C’nin üzerine ısıtıldığında krom karbürler çözündükten sonra hızlasoğutularak karbürlerin yeniden oluşması önlenir. (Askeland, çev.,2002)

111Şekil 8.4 Krom-nikelli ostenitik paslanmaz çeliklerde tane sınırlarındakrom karbür, titanyum karbür ve neodinyum karbür çökelmesi (Kou, 2002)Tablo 8.1 Deneylerde kullanılan malzemenin kimyasal bileşimi304 %Karbon 0,08 max.Mangan 2,0 max.Fosfor 0,045 max.Kükürt 0,030 max.Silisyum 0,75 max.Krom 18,00-20,00 max.Nikel 8,00-12,00 max.Azot 0,10 max.Demir 65-71 max.

1128.2 Kullanılan Kaynak ParametreleriBu çalışmada 0,6 mm kalınlığındaki 180mm*200 mm boyutlarına sahip ostenitikkrom-nikelli paslanmaz çelik (304) levhalar Rofin Star Weld Open Tool lazer kaynakmakinasında farklı kaynak parametreleri kullanılarak alın birleştirmesi şeklindekaynak edilmiştir. (Şekil 8.4, Şekil 8.5, Şekil 8.6) Lazer kaynak işleminde kullanılanparametreler Tablo 8.2’de verilmektedir. Kaynak parametreleri olarak gerilim, darbesüresi ve darbe enerjisi alınmış ve bu parametrelerin değişiminin etkileriincelenmiştir. Bu çalışmanın amacı, birleştirmenin hem mekanik özellikler hemdemikroyapı özellikleri açısından uygun kaynak parametrelerinin bulunmasıdır.Şekil 8.4 Deneyler için kullanılan numunelerin imalatının yapıldığı Rofin Star Weld Tool Open Lazerkaynak makinası (Rofin)

113Şekil 8.5 Deneyler için kullanılan numunelerin imalatınınyapıldığı Rofin Star Weld Tool Open Lazer kaynak makinasılazer kafası ve dijital ekran (Rofin)Şekil 8.6 Lazer kaynak makinasında deney numunelerinin hazırlanması(Lazer Metal )

114Tablo 8.2 Lazer kaynaklı birleştirmelerde kullanılan kaynak parametreleriNumune No Darbe Süresi DeğişimiGerilim DarbeSüresiDarbeFrekansıDarbeEnerjisiOdak(Işın)Çapı1 240 Volt 4,5 ms 6 Hz 5,4 Joule 0,7 mm2 240 Volt 6,5 ms 6 Hz 6,1 Joule 0,7 mm3 240 Volt 8,5 ms 6 Hz 9,5 Joule 0,7 mmGerilim DeğişimiGerilim Darbe Darbe Darbe Odak ÇapıSüresi Frekansı Enerjisi1 230 Volt 6,5 ms 6 Hz 5 Joule 0,7 mm2 240 Volt 6,5 ms 6 Hz 7,4 Joule 0,7 mm3 250 Volt 6,5 ms 6 Hz 8,9 Joule 0,7 mmDarbe EnerjisiGerilim Darbe Darbe Darbe Odak ÇapıSüresi Frekansı Enerjisi1 260 Volt 3 ms 6,5 Hz 5,8 Joule 0,8 mm2 260 Volt 3,5 ms 5 Hz 7,7 Joule 0,8 mm3 260 Volt 8 ms 7 Hz 12,2 Joule 0,8 mm8.3 Çekme TestiÇekme deneyi malzemelerin mukavemeti hakkında esas dizayn bilgilerinisaptamak ve malzemelerin özelliklere göre sınıflandırılmasını sağlamak amacı ilegeniş çapta kullanılır. Çekme deneyi standartlara göre hazırlanmış deneynumunesinin tek eksende, belirli hızda ve sabit sıcaklıkta koparılıncaya kadarçekilmesidir. Deney sırasında, standart numuneye devamlı olarak artan bir çekmekuvveti uygulandığında, aynı esnada da numunenin uzaması kaydedilir.Çekme deneyi sonucunda numunenin temsil ettiği malzemeye ait aşağıdakimekanik özellikler bulunabilir.(Şekil 8.7)

115Şekil 8.7 Gerilme-şekil değiştirme diyagramı üzerinde mekanik özelliklerin gösterimi(Askeland, 1998)a) Elastisite Modülüb) Elastik sınırıc) Rezilyansd) Akma Mukavemetie) Çekme Mukavemetif) Toklukg) % Uzamah) % Kesit DaralmasıÇekme deneyine tabi tutulan numunenin yukarıda belirtilen özelliklerinin sıhhatlibir şekilde ortaya çıkarılabilmesi için, alındığı malzemenin tam olarak temsiledilebilmesi şarttır. Ayrıca şu hususların bilinmesi de sonuçların irdelenmesibakımından gereklidir.Numunenin alındığı malzemenin:a) İmalat Şekli-Döküm

116-Kaynak-Sıcak Dövme veya Haddeleme-Soğuk Dövme veya Haddelemeb) İmalat Şekline Göre Yönlenmec) Tatbik Edilen Isıl İşlemlerDeney sonuçlarının irdelenmesinde, numunenin alındığı malzemenin yanısıra,alınan numunede de şu hususların bilinmesi faydalıdır:a) Numunenin alındığı bölgelerb) Numunenin alınış şeklic) Numunenin hazırlanış şekliÇekme deneyine tabi tutulacak numunelerin şekil ve boyutları standartlardabelirtilmektedir. Deney sonuçlarının belirli bir standarda uyma zorunluluğu vardır.(Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996) Çekme deneyi numunesi hazırlanırken kullanılanstandart TS 287 EN 895 olup, Metalik Malzemeler-Kaynaklar Üzerinde TahribatlıDeneyler-Enine Çekme Deneyini kapsamaktadır. Çekme deneyleri SHIMADZUmarka çekme test cihazında yapılmıştır. (Şekil 8.8) Çekme deneyi numunesi şekli veboyutları Şekil 8.9’de verilmiştir.

117Şekil 8.8 Çekme testlerinin yapıldığı SHIMADZU test makinasıŞekil 8.9 Kaynaklı birleştirme çekme testi numunesi

118Tablo 8.3 Darbe süresi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisiDarbe Süresi (ms) 4,5 6,5 8,5Çekme Mukavemeti(σ Ç , N/mm 2 )σ Ç σ Ç σ Ç1 104 188 227,47Ölçüm 2 124,8 232 354No 3 149,33 312 346,43Ortalama Değer126,04 244,00 309,3Kaynak EdilmemişMalzeme309,3Kopma Bölgesi KaynakKaynakBölgesinden BölgesindenEsas MetaldenDarbe Süresi Değişiminin Çekme Mukavemeti ÜzerindekiEtkisiÇekme Mukavemeti (N/mm 2 )340310280250220190160130100Kaynak EdilmemişMalzemeDarbe SüresiDeğişimi4 5 6 7 8 9Darbe Süresi (ms)Şekil 8.10 Darbe süresi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

119Tablo 8.4 Darbe süresi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisiDarbe Süresi (ms) 4,5 6,5 8,5Akma Mukavemeti(σ A , N/mm 2 )σ A σ A σ A1 61,33 50,67 66,67Ölçüm No2 64 66,67 72,353 72 85,33 73Ortalama Değer 65,78 67,56 70,67Kaynak EdilmemişMalzeme70,67Akma Mukavemeti (N/mm 2 )76747270686664Darbe Süresi Değişiminin Akma Mukavemeti ÜzerindekiEtkisiKaynak EdilmemişMalzemeDarbe SüresiDeğişimi4 5 6 7 8 9Darbe Süresi (ms)Şekil 8.11 Darbe süresi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

120Tablo 8.5 Darbe süresi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisiDarbe Süresi (ms) 4,5 6,5 8,5Kopma Uzaması % % %1 2,56 15,87 20,43Ölçüm No2 6,09 23,9 253 6,8 46 30Ortalama Değer 5,15 28,59 25,14Kaynak EdilmemişMalzeme31,67Darbe Süresi Değişiminin Kopma Uzaması (%) ÜzerindekiEtkisiKopma Uzaması (%)3530252015105Kaynak EdilmemişMalzemeDarbe SüresiDeğişimi4 5 6 7 8 9Darbe Süresi (ms)Şekil 8.12 Darbe süresi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik

121Tablo 8.6 Gerilim değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisiGerilim (Volt) 230 240 250Çekme Mukavemeti(σ Ç , N/mm 2 )σ Ç σ Ç σ Ç1 125,52 157 271,36Ölçüm No2 137,5 199,47 295,573 154,66 280,99 360,96Ortalama Değer 139,23 212,49 309,3Kaynak EdilmemişMalzeme309,3Kopma BölgesiKaynakBölgesindenKaynakBölgesindenEsas MetaldenGerilim Değişiminin Çekme Mukavemeti Üzerindeki EtkisiÇekme Mukavemeti (N/mm 2 )340310280250220190160130100Kaynak EdilmemişMalzemeGerilim Değişimi220 230 240 250 260Gerilim (Volt)Şekil 8.13 Gerilim değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

122Tablo 8.7 Gerilim değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisiGerilim (Volt) 230 240 250Akma Mukavemeti(σ A , N/mm 2 )σ A σ A σ A1 66,67 64 61,33Ölçüm No2 69,33 64 643 76 69,33 74,67Ortalama Değer 70,67 65,78 66,67Kaynak EdilmemişMalzeme70,67Gerilim Değişiminin Akma Mukavemeti Üzerindeki EtkisiAkma Mukavemeti (N/mm 2 )12011010090807060Kaynak EdilmemişMalzemeGerilim Değişimi220 230 240 250 260Gerilim (Volt)Şekil 8.14. Gerilim değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

123Tablo 8.8 Gerilim değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisiGerilim (Volt) 230 240 250Kopma Uzaması % % %1 6,66 9,43 33,9Ölçüm No2 6,8 18,97 31,123 6,8 37,9 30Ortalama Değer 6,75 22,10 31,67Kaynak EdilmemişMalzeme31,67Gerilim Değişiminin Kopma Uzaması (%) Üzerindeki EtkisiKopma Uzaması (%)35292317115Kaynak EdilmemişMalzemeGerilim Değişimi220 230 240 250 260Gerilim (Volt)Şekil 8.15 Gerilim değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik

124Tablo 8.9 Darbe enerjisi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisiDarbe Enerjisi (Joule) 5,8 7,7 12,2Çekme Mukavemeti(σ Ç , N/mm 2 )σ Ç σ Ç σ Ç1 128,64 138,53Ölçüm No 2 161,97 150,273 167,97 194,67315,34302,4310,15Ortalama Değer 152,86 161,157 309,30Kaynak EdilmemişMalzeme309,3Kopma Bölgesi KaynakKaynakBölgesinden BölgesindenEsas MetaldenDarbe Enerjisi Değişiminin Çekme Mukavemeti Üzerindeki EtkisiÇekme Mukavemeti (N/mm 2 )340310280250220190160130100Kaynak EdilmemişMalzemeDarbe EnerjisiDeğişimi5 6 7 8 9 10 11 12 13Darbe Enerjisi (Joule)Şekil 8.16 Darbe enerjisi değişiminin çekme mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

125Tablo 8.10 Darbe enerjisi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisiDarbe Enerjisi (Joule) 5,8 7,7 12,2Akma Mukavemeti(σ A , N/mm 2 )σ A σ A σ A1 53,33 53,33 53,33Ölçüm No2 61,33 56 643 64 58,67 66,67Ortalama Değer 59,55 56 61,33Kaynak EdilmemişMalzeme70,67Akma Mukavemeti (N/mm 2 )75706560555045Darbe Enerjisi Değişiminin Akma Mukavemeti ÜzerindekiEtkisiKaynak EdilmemişMalzemeDarbe EnerjisiDeğişimi5 6 7 8 9 10 11 12 13Darbe Enerjisi (Joule)Şekil 8.17 Darbe enerjisi değişiminin akma mukavemeti üzerindeki etkisini gösteren grafik

126Tablo 8.11 Darbe enerjisi değişiminin kopma uzaması üzerindeki etkisiDarbe Enerjisi (Joule) 5,8 7,7 12,2Kopma Uzaması % % %1 6,8 8,69 31,8Ölçüm No2 7,53 8,74 31,123 13,71 15,27 32,1Ortalama Değer 9,35 10,90 31,67Kaynak EdilmemişMalzeme31,67Darbe Enerjisi Değişiminin Kopma Uzaması (%) Üzerindeki EtkisiKopma Uzaması (%)36302418126Kaynak EdilmemişMalzemeDarbe EnerjisiDeğişimi5 6 7 8 9 10 11 12 13Darbe Enerjisi (Joule)Şekil 8.18 Darbe Enerjisi değişiminin kopma uzaması (%) üzerindeki etkisini gösteren grafik

1278.4 Bükme TestiMetalik malzemelerin bükme deneyi, malzemelerin şekil değiştirme özelliklerihakkında genellikle kalitatif bir bilgi edinme gayesiyle yapılır. İmalat esnasındaeğerek veya katlayarak form verilen malzemelerin şekil değiştirme kapasitesinintayininde çoğu kez bu testlerden faydalanılır. (Örneğin; kazan sacı, gemi sacı v.s.)Bükme deneyi, malzemenin kendisi için uygulandığı gibi, bu malzemelerdenkaynak yoluyla birleştirilmiş parçalar içinde uygulanabilir. Böylece kaynak dikişininşekil değiştirme kapasitesi, hatta kaynak dikişi ile esas malzeme arasında iyi birbağlantının olup olmadığı tesbit edilebilir.Şekil 8.19 Kaynaklı birleştirmelere uygulanan çeşitli bükme testleri (TWI)Deney genellikle, yuvarlak veya dikdörtgen kesitli ürünlerden çıkarılannumunelere uygulanır. Yuvarlak kesitli ürünlerde uygun bir boyda kesilen parça,genellikle, olduğu gibi deneye tabi tutulur. (Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996)

128Deneylerin uygulanması ve deney numunesi boyutları TS 282 EN 910 standardınauygun olarak yapılmış olup, deneyler Shimadzu test makinasında yapılmıştır.(Şekil8.13) Deney numunesi şekil ve boyutları Şekil 8.14’te verilmiştir.Şekil 8.20 Bükme testlerinin SHIMADZU test makinası yapılmasıŞekil 8.21 Bükme deneyi numunesi şekli ve boyutlarıAyrıca deneylerin yapılmasında kullanılan test makinasının boyutları (mandrelçapı, makaralar arası mesafe, vb.) Şekil 8.15’te görülmektedir.

129Bir mandrelle bükme deneyinde kaynak, makaralar arası mesafenin ortasındaolmalıdır. Deney numunesi, deney numune yüzeyine dik olarak açıklığın tamortasında kaynak ekseni üzerine bir mandrel vasıtasıyla yükün tedrici ve sürekliolarak uygulanmasıyla bükülmelidir.Şekil 8.22 Bükme deneyi numunesi test düzeneği şekli ve boyutları (TS 282 EN 910)Bükme deneyi için kullanılan test düzeneğinin şekli Şekil 8.22’de verilmiştir.

130Tablo 8.12 Bükme deneyi için kullanılan test düzeneği boyutları ve deney sonuçlarıDeney Deney Mandrel Makaralar Eğme Muayene SonucuNumunesi Tipi Çapı (mm) Arası Açısı ° (Göz ile)NoMesafe (mm)1 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi2 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi3 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi4 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi5 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi6 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi7 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi8 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi9 Kök Eğme 10 11,5 120 Çatlak Gözlenmedi8.5 Mikrosertlik TestiMikrosertlik deneyi, özellikle çok küçük numunelerin ve ince sacların sertlikleriniölçmede elverişlidir. Karbürize, dekarbürize ve azotla sertleştirilmiş yüzeylerle,elektrolitik olarak kaplanmış malzemelerin sertlikleri bu deney ile tespit edilebilir.Ayrıca, alaşımlarda fazların sertliklerinin tesbitinde, segregasyonların ve cam,porselen, metalik karbürler gibi çok sert ve kırılgan malzemelerin sertlikleriniölçmede de kullanılır. Deney malzemesinin sertliğine göre seçilen uygun yükler için,batıcı ucun malzemeye girdiği derinlik hiç bir zaman 1 mikronu geçmez.Mikro-sertlik aleti hassas bir alettir. Diğer sertlik ölçme aletlerinden farklı olanyanı, aletin komple metal mikroskobunu ihtiva etmesidir.Sertliği ölçülecek numune mikroskobun tablasına oturtulur ve okülerde netgörüntü elde edillinceye kadar mikroskop tablası hareket ettirilir. Bundan sonramikroskop tablası elle, sertlik ölçen kısmın altına getirilir ve düğmeye basarak sertlikölçen ucun hareketi sağlanır. Uç otomatik olarak numuneye batar ve 20 saniye sonrayine otomatik olarak geriye döner. Böylece numunenin üzerinde bir iz elde edilir.

131İzin boyutlarını ölçmek için mikroskobun tablası yine elle objektifin altına getirilir veokülerden iz gözlenir. Oküler üzerindeki özel taksimat ile izin boyutları tesbit edilir.Şekil 8.23 Mikrosertlik testi prensip şeması (TWI)Mikrosertlik deneyi için iki standart uç kullanılmaktadır. Bunlardan biri 136 °’likpiramit uç (Vickers ucu)dur. Diğeri ise National Bureu of Standarts tarafındangeliştirilmiş olan ve Knoop diye bilinen 172°30′ lik piramit ucdur. 136 °’lik uçmalzemede kare şeklinde iz bırakmasına karşın Knoop ucu eşkenar dörtgen şeklindebir iz bırakır.Şekil 8.24 Vickers sertlik deneyinde kullanılan kare piramit uç geometrisi (TWI)

132Vickers sertlik deneyinde meydana gelen iz, taban köşegeni (d) olan kare birpiramittir ve tepe açısı dalıcı ucun tepe açısının aynınır.(=136 °) Vickers sertlikdeğeri kg olarak ifade edilen deney yükünün; mm 2 olarak ifade edilen iz alanınabölümüdür. Vickers sertlik değeri için aşağıdaki formül bulunur:2P.sin(α / 2) 1,8544PVSD= =22d dBurada;P= Kgf cinsinden uygulanan yükα= Tepe açısı =136° (iz veya dalıcı ucun)d= Taban köşegeni (izin)Mikrosertlik aletinde 25 gr’dan 10 000 gr’a kadar yük tatbik etmek mümkündür.En uygun yükü bulmak için, meydana gelen izin köşegenlerinin kolaycagörülebilecek bir uzunlukta olması esas alınır. Bu bakımdan malzemenin sertliğinegöre, deneme ile en uygun yük tesbit edilir.Vickers sertlik değeri, VSD işareti ile beraber bazen uygulanan yük ve yükünuygulama zamanını belirten sayısal işaretlerde ilave edilir. VSD/30/20, 30 kg.’lıkyükün 20 saniye süre ile uygulanması sonucu elde edilen Vickers sertlik değerinigösterir. (Kayalı, Ensari, Dikeç, 1996) Mikrosertlik ölçümlerinin yapıldığıSHIMADZU marka mikrosertlik ölçüm cihazı Şekil 8.25’te verilmiştir.

133Şekil 8.25 Mikrosertlik ölçümlerinde kullandığımız SHIMADZUmarka mikrosertlik ölçüm cihazıŞekil 8.26 Kaynaklı birleştirmede darbe süresi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi

Şekil 8.27 Kaynaklı birleştirmede gerilim değişiminin sertlik üzerindeki etkisi134

Şekil 8.28 Kaynaklı birleştirmede darbe enerjisi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi135

1368.6 Lazer Kaynağında Kullanılan Kaynak Parametrelerinin Dikiş Formuna veNüfuziyete EtkileriLazer kaynağında temel parametreler olarak kullandığımız darbe süresi, gerilimve darbe enerjisi değişiminin kaynak dikiş formuna ve kaynak nüfuziyetine etkileriniinceledik.

1378.6.1 Darbe Süresi Değişiminin Etkileria) 4,5 msb) 6,5 msc) 8,5 msŞekil 8.29 Lazer kaynağında darbe süresi değişiminin kaynaknüfuziyeti ve dikiş genişliğine etkisi (a) 4,5 ms, b) 6,5 ms,c) 8,5 ms darbe süreleri ile gerilim 240 Volt frekansı 6 Hz,Odak çapı 0,7 mm)

138Tablo 8.13 Darbe süresi değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileriDarbe Süresi (ms) Nüfuziyet Miktarı (mm) Dikiş Genişliği (mm)4,5 0,3498 1,1066,5 0,3686 1,16878,5 0,552 1,2903Nüfuziyet Miktarı (mm)0,6000,5500,5000,4500,4000,3500,300Darbe Süresi Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi0,5520,36860,34984 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9Darbe Süresi (ms)Şekil 8.30 Darbe süresi değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisiDikiş Genişliği (mm)1,3001,2501,2001,1501,1001,050Darbe Süresi Değişiminin Dikiş Genişliğine Etkisi1,29031,16871,1064 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9Darbe Süresi (ms)Şekil 8.31 Darbe süresi değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi

1398.6.2 Gerilim Değişiminin Etkileria) 230 Voltb) 240 Voltc) 250 VoltŞekil 8.32 Lazer kaynağında gerilim değişiminin kaynak nüfuziyetive dikiş genişliğine etkisi ( a) 230 Volt , b) 240 Volt, c) 250 Voltgerilimler ile darbe süresi 6,5 ms, frekansı 6 Hz, Odak çapı 0,7 mm)

140Tablo 8.14 Gerilim değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileriGerilim (Volt) Nüfuziyet Miktarı (mm) Dikiş Genişliği (mm)230 0,1820 0,8571240 0,2451 1,1283250 0,5327 1,3519Nüfuziyet Miktarı (mm)0,6000,5500,5000,4500,4000,3500,3000,2500,2000,1500,100Gerilim Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi0,1820,24510,5327220 230 240 250 260Gerilim (Volt)Şekil 8.33 Gerilim değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisiGerilim Değişiminin Dikiş Genişliğine EtkisiDikiş Genişliği (mm)1,5001,4001,35191,3001,2001,1001,12831,0000,9000,85710,8000,700220 230 240 250 260Gerilim (Volt)Şekil 8.34 Gerilim değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi

1418.6.3 Darbe Enerjisi Değişiminin Etkileria) 5,8 Jouleb) 7,7 Joulec) 12,2 JouleŞekil 8.35 Lazer kaynağında darbe enerjisi değişiminin kaynaknüfuziyeti ve dikiş genişliğine etkisi ( a) 5,8 Joule , b) 7,7 Joule,c) 12,2 Joule darbe enerjileriyle gerilim 260 Volt, Odak çapı 0,8 mm)

142Tablo 8.15 Darbe enerjisi değişiminin kaynak nüfuziyeti ve dikiş genişliği üzerindeki etkileriDarbe Enerjisi (Joule) Nüfuziyet Miktarı (mm) Dikiş Genişliği (mm)5,8 0,1682 0,99197,7 0,2625 1,357412,2 0,6315 1,5083Nüfuziyet Miktarı (mm)0,7000,6000,5000,4000,3000,2000,100Darbe Enerjisi Değişiminin Nüfuziyet Miktarına Etkisi0,63150,26250,16825 6 7 8 9 10 11 12 13Darbe Enerjisi (Joule)Şekil 8.36 Darbe enerjisi değişiminin kaynak nüfuziyeti üzerindeki etkisiDikiş Genişliği (mm)1,6001,5001,4001,3001,2001,1001,0000,900Darbe Enerjisi Değişiminin Dikiş Genişliğine Etkisi1,50831,35740,99195 6 7 8 9 10 11 12 13Darbe Enerjisi (Joule)Şekil 8.37 Darbe enerjisi değişiminin dikiş genişliği üzerindeki etkisi

1438.7 Mikroyapı İncelemesiLazer kaynağıyla kaynak edilmiş olan numuneler, mikroyapılarının incelenmesiiçin sırasıyla polyester malzeme içine soğuk kalıplama, kaba ve ince zımparalama,parlatma ve dağlama işlemlerine tabi tutulmuşlardır. Zımparalama işleminde 180,320, 600 ve 1200 numaralı zımpara kağıtları kullanılmıştır. Parlatma kademesindeise 1 mikronluk elmas tozlu süspansiyon kullanılmıştır. Bu işlemler tamamlandıktansonra, % 42 HCl (Hidroklorik asit), % 28 HNO 3 (Nitrik asit), % 28 CH 3 COOH(Asetik asit) ve % 2 Gliserin içeren dağlama reaktifi kullanılarak daldırma yöntemiile dağlama işlemi yapılmıştır. Mikroyapı incelemesi için METKON IMM 901metalurji mikroskobu kullanılmıştır.Bu işlemler tamamlandıktan sonra her bir numune için, sırasıyla ana metal, geçişbölgesi ve kaynak metalinden 250(/ 400) katlık büyütmeler ile mikroyapı fotoğraflarıçekilmiştir.

144a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.38 Lazer kaynağında 230 Volt gerilim kullanılarak yapılanbirleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

145a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.39 Lazer kaynağında 240 Volt gerilim kullanılarak yapılanbirleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

146a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.40 Lazer kaynağında 250 Volt gerilim kullanılarak yapılanbirleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

147a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.41 Lazer kaynağında 5,8 Joule darbe enerjisi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

148a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.42 Lazer kaynağında 7,7 Joule darbe enerjisi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

149a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.43 Lazer kaynağında 12,2 Joule darbe enerjisi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

150a) ANA METAL 400Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.44 Lazer kaynağında 4,5 ms darbe süresi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 400Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

151a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.45 Lazer kaynağında 6,5 ms darbe süresi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali

152a) ANA METAL 250Xb) KAYNAK METALİ veGEÇİŞ BÖLGESİ 250Xc) KAYNAK METALİ 250XŞekil 8.46 Lazer kaynağında 8,5 ms darbe süresi kullanılarakyapılan birleştirmenin mikroyapı fotoğrafları a) Ana metal 250Xb) Kaynak Metali ve Geçiş Bölgesi 250X c) Kaynak Metali 250X

BÖLÜM DOKUZSONUÇLAR9.1 SonuçlarDarbe süresi arttıkça çekme mukavemetide artmaktadır. En yüksek çekmemukavemeti 8,5 ms’lik darbe süresinde elde edilmiş olup, kopma ana metaldengerçekleşmiştir.Yapılan çekme testlerinde 8,5 ms’lik darbe süresinde kaynaklı numunelerin akmamukavemetleri kaynak edilmemiş ana metalin akma mukavemetini sağlamaktadır.En yüksek kopma uzaması 6,5 ms’lik darbe süresinde görülmüştür.Mevcut şartlar altında kaliteli bir kaynak dikişi elde edebilmek için ideal gerilim250 Volt olarak bulunmuştur. Bu değerden daha düşük gerilim değerlerinde kopmakaynak bölgesinden gerçekleşmekte ve ana metalin çekme mukavemeti değerlerininaltında değerler ortaya çıkmaktadır.Akma mukavemeti açısından sonuçlar incelendiğinde ana metalin akmamukavemeti değerine 230 Volt’luk gerilim kullanıldığında ulaşılmaktadır.Kopma uzaması açısından da en iyi gerilim minimum 250 Volt olarakbulunmuştur.Darbe enerjisi değişiminin dayanım üzerindeki etkisini görmek amacıyla sırasıyla5,8 Joule, 7,7 Joule ve 12,2 Joule’lük darbe enejileri kullanılmış olup, 12,2 Joule’lükdarbe enejisiyle kaynak edilmiş numunenin çekme mukavemeti açısından anametalin çekme mukavemeti değerine sahip olduğu bulunmuştur.Ana metalin kopma uzaması değerine ancak 12,2 Joule’lük darbe enerjisiyleulaşılmıştır.153

154Çekme testi sonuçaları incelendiğinde, sağlam bir kaynak dikişi elde edebilmekiçin mukavemet açısından en iyi parametrelerin 8,5 ms darbe süresi ve 250 Voltgerilim ve 12,2 Joule darbe enerjisi değerlerleri olduğu bulunmuştur. Bu değerlerkullanılarak yapılacak olan birleştirme ana malzemenin çekme mukavemetine sahipolabilecektir.Birleştirmenin kaynak bölgesinde kusurların mevcut olup, olmadığınıdeğerlendirmek için yapılan enine kök bükme deneyinde hiç bir numunede kaynakdikişinde çatlak gözlenmemiştir.Makroyapı fotoğrafları incelendiğinde, sırasıyla 4,5 ms, 6,5 ms ve 8,5 ms’likdarbe sürelerinin kullanımında yeterli nüfuziyetin sağlandığı görülmektedir. Dikişgenişliği ve nüfuziyet derinliği darbe süresi arttıkça artmaktadır. En yüksek nüfuziyetderinliği 8,5 ms’lik darbe süresinin kullanılmasıyla elde edilmiş olup, değeri 0,552mm’dir.Gerilim değerlerinin sırasıyla 230 Volt, 240 Volt ve 250 volt olarak kullanıldığıbirleştirmelerde 230 Volt ve 240 Volt’luk gerilmlerde nüfuziyet yetersizliğigözlenmiştir. Tam nüfuziyet ancak 250 Volt’luk gerilim değerinin kullanımıyla eldeedilmiş olup, değeri 0,5327 mm’dir.Yapılan birleştirmelerde darbe enerjisi olarak sırasıyla 5,8 Joule, 7,7 Joule ve 12,2Joule’lük enerji değerleri uygulanmış olup, 5,8 Joule ve 7,7 Joule’lükbirleştirmelerde nüfuziyet yetersizliği görülmüş, 12,2 Joule kullanımında tamnüfuziyet sağlanmıştır. Makroyapı incelemesiyle ilgili grafik Şekil 9.1’de verilmişolup, grafiktende görüleceği üzere 250 Volt ve 8,5 ms darbe sürelerinin kullanımı,tam nüfuziyetli sağlam kaynak dikişlerinin elde edilmesine olanak sağlamaktadır.

155Darbe Süresi(ms)4,5 ms 6,5 ms 8,5 ms0,6Gerilim Sabit(240 Volt)Nüfuziyet Darbe SüresiYetersizligiSabit (6,5 ms)NüfuziyetYetersizligiOlabilir!Tam Nüfuziyet Bölgesi0,50,40,30,20,1Nüfuziyet Derinligi (mm)230 Volt 240 Volt 250 Volt0Gerilim (Volt)Şekil 9.1 Makroyapı incelemelerine bağlı olarak birleştirmede kullanılan kaynak parametrelerininnüfuziyete etkisiDarbe sürelerine bağlı olarak en yüksek sertlik değeri kaynak dikişi merkezhattında 4,5 ms ve 6,5 ms darbe süresi uygulanması ile yapılmış olan birleştirmelerdeölçülmüş olup, bu değer ∼260 HV değerindedir. Ana metalin sertlik değeri ise ∼160HV’dir.Gerilime bağlı olarak ise en yüksek sertlik değeri ∼220 HV olarak yine kaynakdikişi merkezinde ölçülmüştür. Esas metal ve ısı etkisi altında kalan bölge boyuncasertliğin çok az bir değişim gösterdiği ancak kaynak metalinde bu değişimin oldukçaarttığı gözlemlenmiştir. En yüksek sertlik değeri 230 Volt’luk gerilimuygulanmasıyla yapılan kaynaklı birleştirmede görülmektedir.Darbe enerjisi değişiminin sertlik üzerindeki etkisi ise şöyledir; 7,7 Joule’lükenerji uygulanımında maksimum sertlik değişimi ortaya çıkmakta olup, 5,8 Joule ve12,2 Joule’lük enerjilerde kaynak metali, ısı etkisi altında kalan bölge ve anametaldeki sertlik ölçümlerinde çok büyük farklılıklar görülmemiştir.Mikroyapı fotoğrafları incelendiğinde tüm lazer kaynaklarının mikroyapısınınostenit olduğu görülmüştür. Esas metaldeki eş eksenli ostenitik tane şeklinin kaynak

156metalinde ergime çizgilerine doğru sütunsal (dendritik) şekle dönüştüğügörülmektedir. Gerilimin, darbe süresinin ve darbe enerjisinin artmasıyla birliktekaynak metalinde tane boyutunun küçüldüğü görülmektedir. Birleştirmelerin hiçbirinde çatlağa veya gözeneğe rastlanmamıştır.

157KAYNAKLARAoh J. N., Kuo F. H., Li Y. M.(1992). International Trends in Welding Science andTechnology , 649.Aoh J. N., Kuo F. H., Li Y. M.(1992) Proceeding Conference Electron LaserBeamWelding Inst. Weld, 159.Ashby M. F., Easterling K. E. (1984) Acta. Metall 32-s1935.Askeland D. R., (1989) The Science and Engineering of Materials, (Üçüncü Basım).United States of America: PWS.Askeland D. R., (1989) The Science and Engineering of Materials, (Üçüncü Basım).(M. Erdoğan, Çev.). Ankara: Nobel.Behler K., Beyer E., Schafer R. (1988). Proceedings ICALEO s 98.Böhler Elektrod Kataloğu, (b.t). 2005.Brown D., (2003) Laser Welding Basics Primary Adjustable Welding Parameters,Rofin-Baassel, (2005), http://www.rofin.com/english/applications/laser-jewelry-jewellery-dental/whitepapers/01PARAMETERS.pdf.Dilthey U. (2000), Laserstrahlschweβen, Prozesse, Werkstoffe, Fertigung undPrüfung, Düsseldorf:DVS.Dawes C. (1992) Laser Welding, New York:McGraw Hill (originally published byAbington Publishing , England:Cambridge).Duley W. W. (1998). Laser Welding , United States of America:John-Wiley.Duley W. W., Mao Y. L., Kinsman G. (1991) Proceedings Conference Laser and

158Electron Beam, s 206.Dunn I., Bridger P.M., Duley W. W. (1993). Observation of stable propagationchannels for cw CO 2 laser radiation in liquid water, Journal of PhysicsD:Applied Physics ,26, s1138, (2005), http://www.iop.org/EJ/abstract/0022-3727/26/7/022.Easterling K. (1983) Introduction to the Physical Metallurgy of Welding,Butterwords, London.Han W. (2004). Computational and Experimental İnvestigations of Laser Drillingand Welding for Microelectronic Packaging, A Dissertation, WorcesterPolytechnic Institue, (2005), http://www.wpi.edu/Pubs/ETD/Available/ etd-0513104-155241/unrestricted/WHan.pdfHoult T. (1990) Proceedings SPIE b 209, s 1277.Hecth E. (1999). Optik ,( N. Armağan, N. Can ,Çev.), Akademi.Kayalı S., Ensari C., Dikeç F.(1996) Metalik Malzemelerin Mekanik Deneyleri,İstanbul:İTÜ Kimya Metalurji Fakültesi Ofset Atelyesi.Kimara S., Sugiyama S., Mizutame M. (1986). Proceedings ICALEO’91, SPIEs1722:156.Kinsman G., Duley W. W. (1986). Proceedings SPE 668-19.Kuhn K. J.(1988). Laser Engineering. United States of America:Printice-Hall Inc.Kuo S. (2002). Welding Metallurg,(İkinci basım). New Jersey:Wiley.Laser Welding, (b.t), 2005, http://www.unitekmiyachilasers.com

159Laser Welding, (b.t), 2005, http://www.rofin.comLaser Welding, (b.t), 2005, http://www.twi.comLaser Beam Welding,(b.t), 2005, http://www.wikipedia.comLaser Welding Automation, (b.t). 2005, http://www.twi.co.uk/j32k/unprotected/band_1/laser_automat.htmlLaser Welding Advantages, (b.t), 2005, http://www.dukcorp.com/usLaser Welding Machines, (b.t), 2005, http://www.laserstar.comLaser Technology,(b.t), 2005, http://www.dukcorp.com/usLimmaneevichıtr C., Kou S. (2000). Visualization of Marangoni Convection inSimulated Weld Pool, Welding Journal 79, s 231.Metalik Malzemeler-Kaynaklar Üzerinde Tahribatlı Deneyler-Enine Çekme Deneyi,(1996), TS 287 EN 895.Metalik Malzemelerde Kaynak Dikişleri Üzerinde Tahribatlı Muayeneler-EğmeDeneyleri, (2002), TS 282 EN 910.Mallory L., Orr R. F., Wells W. (1998) Laser Materials Processing III, s 123.Matsamura H., Orihashi T., Nakayama S. (1988). Join. Mat.Mazumder J., Steen W. M. (1980) Journal of Physics D:Applied Physics., 51, s 941.Richter K., Eberle H.G., Maucher K.H. (1993), Proceedings ISATA, 93,103.

160Shannon G. J., Nutall R., Watson J.(1994) Welding Journal b73, s 173.Steen W. M. (1986) Industrial Laser Annual Handbook, Tulsa:Pennwell Books.Sun Z., Ion J.C. (1995). Review: Laser Welding of dissimilar metal combinations,Journal of Materials Science, b30, s 4025.Tarakçıoğlu N., Özcan M. (2004) Lazerler ve Materyal İşleme Uygulamaları, AtlasYayın Dağıtım.The Welding Engineer’s Current Knowledge, (b.t), 2005, SLV Duisburg:DVS,http://www.slv-duisburg.deTzeng Y. (1998), Parametric Analysis of the Pulsed Nd:YAG Laser Seam WeldingProcess, Journal of Materials Processing Technology, b 102, s 40, ElsevierScience.Tzeng Y. (1999), Pulsed Nd:YAG Laser Seam Welding of Zinc Coated Steel,Welding Journal, b 78, s 238.Yang Y. S. , Hsu C. R., Allbright C. E. ,et al. (1993). J. Laser Appl., b5, s 17.What makes quality laser welded tubing for pressure tube applications?, (b.t), 2005,http://www.rathmfg.comWirth P. (2004). Introduction to Industrial Laser Material Processing, Rofin.Weedon T.M.W. (1987)., Nd:YAG lasers with controlled pulse shape, ProceedingsLAMP, s 87.Weiting T. J., de Rosa J. L., (1979) Journal of Applied Physics, b 50, s 1071.