Lazer İle Kesimin Malzemeler Üzerine Termal Etkisi

LASER İLE KESİMİN, MALZEMELERE TERMAL ETKİSİ
Çeviri: Coşkun ORAL , L.Cenk KUMRUOĞLU
reprinted from The Fabricator, January 1997
Originally presented at the Alternative Methods for Precision Sheet Metal Fabricating Conference, June
1996, San Jose, CA
by Leonard Migliore
ÖZET:
Laser tekniği ile kesim, gerek metal levha kesimdeki kazanımları, gerekse hızlı ve esnek üretim
tekniği olması nedeni ile kısa zamanda yaygın bir imalat metodu oldu. Mevcut laserli kesim
sistemleri istenilen, bilgisayar ortamında oluşturulmuş uygun formatlı çizimi kolayca kesime
dönüştürebilmektedir. Bilgisayarlar takım yolu üretebilmekte, kesim parametreleri, optimal
yerleştirmeler yapabilmekte ve imalat sürecini otomatize etmektedir. Hatta bu durum neredeyse
makinaya teknik resmi oluşturup, bundan kaç adet istediğinizi belirtip kısa sürede ihtiyacınız
olan parçaları elde edebilir hale gelmiştir. Fakat bu otomasyonda unutulan bir detay laser
kesimin ısıl etkisidir , metali eritir veya değişime uğratır böylelikle kesim yapılır. Bu işlemden
çoğunlukla etkilenmeyiz fakat kritik işlerde bu işlemin ürün üzerindeki etkisinden haberdar
olmamız gerekir.Bundan dolayı malzemelerin mekanik özelliklerinin sınır değerlerde
kullanıldığı, ve mukavemet değerlerinin dar toleranslar arasında tutuldugu üretim ve kullanım
alanlarında, bu özellik önem teşkil etmektedir. Bu çalışmada Laser ile üretimi gerçekleştirilmiş
mühendislik malzemelerinin termal özelliklerine laserin etkisi incelenmiştir.
GİRİŞ:
Laser kesim prensipleri:
Metaller ve pekçok diğer malzemelerin iki benzer metod ile laser kesimi yapılır. Birincisi, gaz
füzyon kesime yardımcı olur; ışık yüzeye noktasal yoğunlaşır, bu metali eritmesine neden olur.
Eriyen malzeme yine bu yardımcı gaz ile uzaklaştırılır. İkinci metod reaktif gazın kesime
yardımcı olmasıdır. Gaz malzeme ile reaksiyona girer ve işleme için daha çok enerji elde eder.
Tipik ekipmanlar ve işlem figür 1’de gösterilmiştir. Laser ışın hüzmesi dik olarak aşağı
yönlüdür, lens ile yüzeye odaklanmıştır.
Lens ve malzeme arası bir oda ile çevrilir. Bu oda basınçlı yardımcı gaz ile doldurulur ve nozul
üzerinden işparçası üzerine yönlendirilir.
Bu işlemin önemli karakteristikleri:
Metal erir , buhar olmaz. Bunun anlamı, ancak laser ışınının tamamen malzemeye nüfuz etmesi
ile iyi bir kesim elde edilebilirdir. Böylelikle eriyen malzeme dışarı atılabilir. Bu ayrıca eriyen
malzemenin yapışmasını engeller.
Metal gaz ile uzaklaştırılır laser ile değil. Laser sadece ısı kaynağı olarak görev yapar. İşlemin
değişkenleri gaz akışı ile oldukça ilgilidir.Kesim kenarında alt arkaya dogru eğimli çizgiler
görülür. Bunun anlamı malzeme kalınlığı arttıkça işlemin laser polarizasyonuna ne kadar hassas
olduğunu ve alt kenara ulaşmakta zorlandığını gösterir.
Figür 1: Laser ile kesimde ; tipik ekipmanlar ve işlemler
Karbon Çeliği:
Laser kesimde en yaygın uygulamalar karbonlu çelik levhadır. Oksijen genellikle kullanılan
yardımcı gazdır. 2Fe + O2 2FeO oluşturur ve açığa çıkan enerji yaklaşık laserin gücüne eşittir.
Oksijen ile elde edilen güç inert gazla karşılaştırılırsa yaklaşık iki kattır. Kesme bölgesi sıcaktır,
eriyik malzemeyi daha sıvı hale getirir ve gazın malzemeyi itebilmesi kolaylaşır. Kesim kenarı
ince demir oksit film tabakası ( kabuk ) ile kaplanır. Bu tezat olarak alt kaynak veya kaplama
işlemlerini etkiler.
Oksijen gazı saflığının kesim hızı ve kalitesine dramatik etkisi vardır. Testler saflığın %99.998
den %99.5 e düşmesi kesme hızını %20 oranında azalttığını göstermiştir. Bunun nedenleri
tamamen açık değildir. Çelik ve oksijenin arasında oluşan bu büyük exotermic reaksiyon O2
deki çok küçük bir değişim yavaşlatmaktadır. Süpriz bir şekilde reaksiyonun gücü bu hassas
kirliliğe bağlıdır. Neden inert gazın saflığındaki çok az değişimin çok etkili olduğunu kesme
işlemi kesitinde Figür 2 gösterilmiştir. Eriyik çeliğin oksijene büyük eğilimi vardır böylelikle
yardımcı gazlardan ayırır. Nitrojen ile reaksiyona girmez böylelikle bu gaz kalır. Yardımcı gaz
kesim kenarından akarken aerodinamik sınır katmanı olusur ki burada gaz yavaşlar ve bir miktar
karışım olusur. Saf olmayan gaz atomu sayısı alt bölgede önemli ölçüde artar çünkü oxijen sıvı
metal yüzeyinden uzaklaştırılır; ve kesim %99.5 ten daha düşük bir saflıkta gerçekleşir ,
reaksiyon oranı düşer , yüzey ısısı ve kesim hızı düşer.
Figür 2: İnert gazın saflığındaki çok az değişimin çok etkili olduğu kesme işlemi ve kesiti
Aynı etki kalın çelik keserken görülür (> 10 mm ). Nozul dan çıkan saf gaz olmasına ragmen
hava ile karşılaşır ve alt yüzeye dogru nitrojen oranı artmış olur. Kalın çelik kesme performansı
bileşik (double) nozul ile artırılabilir. Nozul merkez açıklığının etrafı daha düşük oksijen gaz
akışı sağlayacak bir çerçeve kanal ile sarılıdır. Dış gaz halkası kesme anında gazın hala oksijen
olabilmesini, sağlayacaktır , çevresel gaz karışımını engelleyecektir.
Kısıtlamalar kesim yüzeyinde demir ve oksijenin ekzotermik reaksiyona girmesi nedeni ile
oluşmaktadır.
Reaktif gaz yardımcı gaz olarak kullanıldığında kesim laser ışın odağının daha önünde erimemiş
malzeme tarafından soğutulacak kadar bir mesafede gider. Laser gücü , ilerleme hızı, oksijen
akısı uyumlu olduğunda yüzey dalgalanmaları azalır ve oldukça düzgün yüzey çıkarır. Eğer
oksijen akısı artırılırsa dalgalanma kuvvetlenir ve yüzey pürüzlülüğü artar.
Çelikte Termal Etki:
Laser kesim metalin eritilmesi ile olur. Laserin kestiği alan metalin ergime ısısına ulaşır, her
türlü etki bu nedenle oluşur. Soğuk çekilmiş düşük karbonlu çeliklerin kesim kenarı daha
yumuşaktır. Kısa bir bölgede ısıl etki görülür. Genelde yüzey işlemede veya parçanın
fonksiyonunda bir etkisi yoktur.
Eğer çelikteki karbon oranı 0.3% nin üzerinde ise , martensitik transfer oluşur ve sertleşmiş
yüzey meydana gelir. Kesim elde edebilmek için çelik erime sıcaklığına yükseltilmelidir. (çelik
yaklaşık 2800 °F de erir ), malzeme kesim çevreside olduça sıcaktır ve 1650°F civarına
yükselir bu da ostenite transferdir, ostenit malzemenin çabuk soğuması ile martenzitik yapı
oluşur ve sert çelik elde etme metodudur.
Bu etki bazen faydalıdır. Bazı takımlar, zımbalar, kesilip bu yöntemle sertleştirilebilirler;
sertleştirilmiş kenarların aşınma direnci artar. Bazende problem olabilir. Malzeme sertleşmeye
müsait ise kesim kenarında form verilecekse çatlamalar oluşabilir.
Laser ile As-rolled çelik kesiminde bazen beklenmeyen mikro yapılar oluşur. 1650F üzerinde
çelik hala ostenit yapıdadır ve oluşan metal homojen değildir. Genelde demir karbid yapıda olan
karbon, düşük karbonlu ferrit alana yayılması gerekir. Eğer orjinal yapı işlenmemiş ise ( coarse ).
Yayılma için gerekli zaman ısıtmanınkinden büyüktür. Çelik soğutulduğunda , yüksek karbonlu
bölge sert olacaktır ve düşük karbonlu bölge yumuşak olacaktır. Böyle karışık yapılı
malzemelerin zayıf mekanik özellikleri vardır. Eğer laser kesim ile sertleştirilmiş bir kenar
isteniyorsa, levha önce ısıl işlem görmeli böylelikle eşit bir mikroyapı sağlanabilir. Bunun eniyi
yolu malzemeyi sertleştirin ve malzemeyi gerekli ortalama sertliğe ulaştırın. İyi bir
mikroyapıdaki sertleştirilmiş ve temperlenmiş çelik çabukça ve düzgünce hızlı ısıtma ve
soğutma döngülerine cevap verebilmektedir.
Alaşımlı Çelik
Düşük alaşımlı çelikler 4140 ve 8620 laser kesime iyi cevap verirler. Alaşım oranı fazla
çelikleri, pekçok takım çeliği bile iyi kesilemezler. Pekçok alaşım elementi , ör: krom eriyik
akışkanlığını artırır ve adherent oxide oluşturur. Bu siyah ve yapışkan yüzey oluşturur , kaba
köşelerin oluşmasına neden olur ( 6mm üzeri ) . Kabul edilebilir karbon seviyeli alaşımlı çelik
kesim kenarlarında martenzit oluşturur.
Paslanmaz Çelik
Bütün paslanmazlar yüksek kromlu alaşımlı çeliktir. Oksijen yardımı ile kesildiğinde yukarıda
bahsedildiği gibi davranırlar: kenarlar yüksek krom oksit tabaka oluşturur. Bu pekçok durumda
sonraki proses veya kullanım için zarar vericidir. Nitrojen kullanıldığında ise ki paslanmaz ile
herhangi bir reaksiyona girmez, kenarda tabaka oluşmaz.
Bir yardımcı soygaz eritmek için laserin tüm gücüne ihtiyaç duyar. Soygaz ile kesme hızı ve
kalınlığı oksijen ile kesmeye göre düşüktür. Eriyen malzemenin akışkanlığı oldukça yüksektir
ve malzemeye akıntı yapışması bir problemdir. Bunun çözümü genellikle yüksek gaz basıncı ile
sağlanır.
Bir soygaz laserden gelen bütün güce ihtiyaç duyar ve çok az metalurjik etki yapar. Ostenitik
çelik te bazı yumuşak kenarlar oluşur. Ferritik veya martensitik paslanmaz da kenar sertleşmesi
olur.
Alüminyum
Alüminyum ve alaşımlı yüksek yansıtıcı ve termal iletken olarak tanımlandırılırlar. Bu
kesimlerinin laser ile zor olduğu anlamına gelir. Yüksek güçlü laserler , iyi odaklanmış ışın ile
kesilebilir, çeliğe göre daha ince kalınlıklar kesilir. Pekçok alüminyum alaşımı özellikle yüksek
dayanıklı ve ısıl işlem görebilen 2000 ve 7000 serisinde kesilen kenarlarda mikro çatlaklar
oluşturur. Aerospace uygulamalarda ki bu alaşımların en çok kullanıldığı yerlerdir bu şekildeki
kenar şartları tercih edilmez parçanın metal yorulması zamanını düşürür. Bu tip parçalar
kenarları mekanik olarak temizlendikten sonra kullanılır. Bu temizleme operasyonundan dolayı
laser kesimi pratik olmaktan çıkmaktadır.
Aerospace alanında su jeti ile alaşım kesimi malzeme üzerinde gözlemlenebilir bir ısıl işlem
alanı oluşturmadığı için daha kullanışlıdır.
Titanium
Titanyum ve alaşımları oksijen ve nitrojen ile güçlü bir reaksiyona girerler. Titanyum oksijen
ile kesilirse oldukça kuvvetli yanar. Eğer hava kullanılırsa kesim kalın oxide veya nitride bir
katman oluşturur. Böyle parçalar kullanışsızdır. Nitrojen benzer sonuçlar verir.
Titanyum kesimde en uygun gaz
tamamıyle soygaz olan argon ve helium dur.
Argon mantıksal seçim olarak görünürken ; Helyumdan ucuzdur . olası metallurjik problemleri
dikkate almak gerekir. Kesim kenarının aşırı ısınması Ti 6Al 4V faz balansını değiştirir ve
kesim kenarında "alpha durumu" oluşturur.
Bu şartlar
pekçok uzay ve havacılık
uygulamalarında kabul edilemez çünkü kompanentin metal yorgunluğu direncini azaltır.
Helyum, yüksek ısıl kapasitesi ve termal iletkenliği nedeni ile sıklıkla argon ile karıştırılır ve
laser kesim esnasında iyi bir soğutma sağlanır. 50% helyum bazen gerekli olmasına rağmen
25% helyum-argon karışım genellikle başarılıdır
A-metaller üzerindeki etki
Laser çok geniş bir yelpazede malzeme çeşidini sertlik veya elektriksel iletkenliğine bakmadan
kesim yapar. En yaygın kullanım metal kesim üzerineyken, işleme potansiyeli sert ve
iletkenlerle sınırlı değildir.
İnorganikler
Ametal inorganik malzemeler , sınıf olarak düşük buhar basıncı ve zayıf ısıl iletkenlikleri
vardır. Bu karakteristik. onların 10.6 um ışık soğurma özelliği ile birleştiğinde laser kesim için
iyi birer malzeme olurlar. Neyazıkki pekçok seramik ve cam yüksek ergime ısı noktasına ve
zayıf ısıl şok direncine sahip.
Bu onların metallerden daha zor kesilmesi anlamına gelir.
Alümina
Fired alumina (Al2O3) genellikle laser ile kesilir veya dilimlenir. Kesim yüksek güç darbeleri
(power pulse) ile malzemeyi buhar haline getirerek gerçekleştirebilir. Çünkü malzemenin tekrer
ergimesi problem olur. Alümina nın yüksek ergime noktası düşük laser gücü değişken darbe
modlu laser kullanıldığında ikiye katlanır ve düşük kesim hızı olarak sonuçlanır. Dilimleme
(scribing ) işlemi hibrid mikrodevreler için altlık hazırlanmasında standart hale gelmiştir.
Dilimleme işlemi deliklerin oluşturduğu satırların kısmen dilimnmesi ile elde edilir. Bu işleme
seramik parçanın bu hat boyunca oturmasını sağlar . Tipik 0.6 mm kalınlıkta alumina substrate
delikleri 0.2 mm derinlikte ve 0.18 mm aralıklarla delinir . Bu 1000 Hz laser pulse ile 10
metre/dk hızda gerçekleştirilebilir.
Kuartz
Kuartz ın yüksek termal şok direnci metal gibi işlenmesine izin verir. Sürekli CO2 ışınımı
kullanılır çünkü quartz 1.06 mm dalga boylu ışınım yapan Nd:YAG laser için oldukça
transparant bir özellik gösterir. Termal gerilim genellikle kesimden sonra yapılan annealing
işlemi ile serbest kalır.
Cam
Camın laser ile kesimi düşük termal şok direnci nedeni ile düşüktür. Bu nedenle camda
kesimden sonra çatlaklar oluşur. Cam kesim kenarında recast malzemeye sahip olma eğilimi
vardır çünkü iyi tanımlanabilen bir ergime noktası yoktur.
Organik
Organik malzemeler genelde laser ışığı ile bozulurlar. Bunun için gerekli enerji inorganik
maddelerinkinden çok daha küçüktür, bu nedenle kesim yüksek hızda veya düşük güçle
yapılmalıdır. Kesilen ürünlerin dekompozisyonu sırasındaki hacimsel genişleme bazı hatalara
sebep olabilirler: Kesim kenarından kaçan gaz kesim hızını düşürür ve kesim yüzeyi kalitesini
düşürür. Buna ek olarak pekçok organik malzeme laser kesim esnasında toxic bileşenler
oluşturur. Bu etkiler dikkate alınmalı ve operatore ve çevreye zararları engellenmeli.
Tahta
Laser kesimin en yaygın kullanım alanlarından biri de bıçakların takıldığı tahta zımbalardır.
Malzeme tipik birch plywood 20 mm kalınlıktadır, kesim aralığı hassas kontrol edilmelidir;
çünkü çelik bıçaklar buraya yerleştirilirler.
Tekstil
Çok ince olduğu için laser kesimde çok az problem çıkarır. Problemlerin çoğu laser yapısından
kaynaklanır. Tarama (Scanning ) sistemliler ki bilgisayarla aynalar kontrol edilir ve ışık
kesilecek malzeme üzerine odaklanır ki bu sistem konvansiyonel kesme kafasını gezdiren
kartezyen tezgahlardan çok daha hızlıdır. Tarama sistemi yardımcı gaz kullanamaz ve tekstilin
buharlaşması ile çalışır.
Plastik
Polimerlerin çoğu laser ile kesilirler. Işın materyelin ergimesine, buharlaşmasına ve
(decomposition ) bozulmasına neden olur. Thermosetler fenolik veya epoksiler bozunum ile
kesilirken, termoplastikler polipropilen ve polisitren gibi eriyen malzemenin kırpılması ile
kesilirler. Bozunum ile kesilen materyaller kesim kenarında karbon kalıntısı bırakırlar. Parçalar
kullanılmadan önce bu kalıntı sıklıkla bazı operasyonlarla ( bead blasting gibi ) uzaklaştırılırlar.
Polimerin lazer kesimde dekompozisyon ile kesim sonucu oluşturduğu ürünün çok tehlikeli
olduğu bulunmuştur.
Kompozitler:
Kompozitler 2 veya daha fazla farklı unsurdan oluşur. Genellikle biri lifli yapıda diğeri
çevresini saran matriks yapıdadır. Uygun matriksler seçilerek ve elementleri güçlendirerek
özel amaçlı kullanım için malzemeler elde edilebilir. Laser kesim noktasından bakınca
kompozitler arasındaki fark matriks, fiber, veya organik olmalarıdır.
Organik
Eğer organik fiberler organik matriks içine yerleştirilirlerse laser kesimde biraz zorluklarla
karşılaşılabilir. Epoksi matriksteki kevlar (aramid) fiberler, çok yaygın yüksek performanslı
kompositlerdir, laser kesime 6 mm e kadar hazırdırlar. Daha kalında ise kesim kenarının
yanması ile sonuçlanırlar.
Organik–inorganik
Kompozistlerin laser ısısına cevabını inorganik materyaller değiştirirler. Fiberglass –epoxy
kesmek için laserin camı eritmesi gerekir. Bu epoksi yi bozmaktan daha çok enerji ister ama
işlemi kontrol eder. Grafit –epoksi kesimi çok zor bir materyaldir çünkü grafiti buharlaştırmak
için 3600 °C ye ihtiyacınız vardır. Oldukça iyi bir ısıl iletkenliği vardır. Kesim kenarındaki
epoksi yüksek ısıya maruz kalır ve kesim kenarına uzak bir mesafeden bile bozunuma uğrar.
Klasik laserler bu materyali keserken yanmış bir kesim kenar yüzeyi elde ederler. Mükemmel
sonuçlar diode-pumped , Q-switched veya Nd:YAG laserlerle elde edilebilirler. Bu cihaz çok
kısa süreli darbe üretebilir, (~100 ns) ve yeşil renkli ışığı ile çok küçük bir noktada odak
oluşturabilirler.
Kısa darbe süreleri ile kalan fiberlerin yapışmasını azaltır.
Inorganik
Bazı yüksek performanslı malzemeler vardır, bunlar metal-matriks kompozitlerdir. Refraktör
fiberlerin superalaşım matrikslere eklenmesi yüksek ısıya devasa bir direnc gösteren ve ek
olarak çok sert bir malzeme elde edilir. Ne yazık ki bu karakterde ki malzemelerin işlenmesi de
zordur. Laser metal matriks kompozitlerin pekçoğunu keser ve bu alanda artan uygulamalar
vardır. Matriksin kesim kenarında tekrar erimeyi kontrol altına almak gerekir, laser ısıl etkisine
maruz kalmış fiberler oluşabilir. Yüksek enerji darbeler, Nd:YAG laserlerde olduğu gibi bu
problemi en aza indirirler .
Sonuç
Laser kesiciler imalatın birçok, alanında yaygın olarak kullanılmaktadır. Üretim esnasında kesme
işleminin çok küçük bir noktada gerçekleşmesine karşın, laserin ürettiği güce baglı olarak
malzemelere ısıl bir etki söz konusu olabilmektedir. Ancak bu ısıl bölge kesimin olduğu yüzeyde
çok ince bir bölgede oluşmaktadır. Malzemelerin mekanik özelliklerinin sınır değerlerine yakın
kullanımları söz konusu olduğunda, malzeme seçiminde ve üretimindes laser prosesi kullanımı
söz konusuysa, bu etkinin göz önünde bulundurulması önemli olacaktır.
Referanslar
1. A. Ivarson, "On the Physics and Chemical Thermodynamics of
Laser cutting", Thecknska Hogskolan Lulea, 1993, p 69.
2.A. Ivarson, p132.
3. N. Kar and L. Migliore, Metallurgical Characteristics of Laser Cut
Aerospace Alloys, "ICALEO '90, Vol.71, Laser Material Processing
(Laser Institute of America, 1991), P167-168.
4. Yamazaki Mazak Optonics department