Lazer Kesim Nedir

İngilizce yazılışı ile LAZER sözcüğü bir akronimdir (Light amplification by stimulated emission of radiation): Dürtülmüş ışıma yayımıyla ışığın kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi, güçlendirilmesi). 

Etkin ortamın bazı atomlarına ait elektronlar, verilen enerji sebebiyle üst enerji seviyelerine sıçrarlar (uyarılmış durum). Bu üst düzeye "pompalanmış elektronlar" bir süre sonra aradaki metastabil enerji düzeyinden temel durumlarına, alt enerji düzeyine dönerken aradaki fark kadar enerji açığa çıkar (ışıma); diğer bir deyişle ışık dalgası (foton) yayımlanır. Yayımlanan ışık dalgası ortamdaki yansıtıcı uçlar arasında gidip gelir. Uyarılmış atomlar diğer komşu atomları uyararak zincirleme reaksiyon oluştururlar. Bu zincir reaksiyonun sürekli tekrarlanmasıyla şiddeti giderek artan dalgalar sonuçta tam yansıtıcı olmayan aynadan dışarı çıkarak lazer adı verilen söz konusu ışın demetini oluştururlar. Bu ışın demetinin en önemli özelliği; bütün ışınların aynı dalga boyuna sahip olmaları ve aynı fazda yayılmalarıdır. Bu nedenle hemen hiç yayılma göstermeyen ışınlar bir mercek yardımı ile odaklanabilir. Öyle ki 0.05 mm çaplı bu noktada enerji yoğunluğu 10⁴ - 10¹⁰ W/cm² değerlerine ulaşır. Bu da bilinen herhangi bir malzemeyi buharlaştırmaya yeterlidir. 

Lazer Kesme Metotları 

Lazer Fizyon Kesme 

Lazer fizyon kesmede iş parçası lokal olarak eritilir. Ergimiş malzeme gaz akımı yoluyla dışarı atılır. Malzemenin taşınımı sıvı fazda olduğundan, bu işlem lazer fizyon kesme olarak adlandınlır.
 
Lazer ısını ergimiş malzemeyi kesme aralığından çıkmaya zorlayan fakat kesme işlemi ile ilgisi olmayan yüksek saflıkta inert kesme gazlar ile desteklenir.

Bir malzemeyi buharlaştırmak için gerekli enerji daima malzemeyi eritmek için harcanacak enerjiden daha yüksektir. Bu yüzden Lazer fizyon kesme, lazer süblime kesmeden daha yüksek kesme hızı sağlar. Lazer fizyon kesmede, lazer ışını sadece malzeme tarafından absorbe edilir. Bu nedenlerden dolayı kesme işlemi süblime kesmeye göre daha ekonomik olmaktadır. 

Maksimum kesme hızı lazer gücü ile artar ve sac kalınlığına, malzeme fizyon sıcaklığına ters orantılı olarak düşer. Kesme hızı için limit faktörler, önce lazer gücü, kesme aralığuıdalci gaz basıncı ve ısı iletimidir. 

Lazer fizyon kesme demir esaslı ve titanyum alaşımlı malzemelerde oksitsiz kesme sağlar. 

Fizyonu oluşturan güç akışının yoğunluk alanı (Buharlaşma olmadan) çelik malzeme için 10⁴ W/cm² ile 10⁵ W/cm² arasındadır. 

Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik kare profil sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.

Lazer Alevli Kesme 

Lazer alevli kesim fizyon kesimden farklı olarak kesme gazı olarak Oksijen kullanır. Oksijen ile kesme, tavlanmış metalin üzerine oksijen gönderilerek malzeme ile oksijen arasında ekzotermik bir reaksiyon boşaltılarak gerçekleştirilir. Bu etkiden dolayı, DKP sacda bu metot ile sağlanabilen kesme hızı fizyon kesmeye göre daha yüksektir. 

Diğer taraftan bu işlem fizyon kesme ile kıyaslandığında daha düşük kaliteli kesme üretilir. Daha geniş kesme aralığı, fark edilebilir derecede yüzey pürüzlülüğü, ısıdan etkilenen bölgenin büyümesi ve kenarlarda kesim kalitesinin azalması gibi olumsuz sonuçlar doğurur. 

Alevli kesme hassas parçalar ve dar geometrili köşelerde kritik (Köşeyi yakarak yok etme tehlikesi) olabilir. 

Kullanılan lazer gücü kesme hızını belirler. Kesme hızı için limit faktörler, lazer gücü ayarlandığında, oksijen ve ısı iletimidir.

Lazer Süblime Kesme 

Lazer süblime kesim işleminde, kesme aralığındaki malzeme çok yoğun lazer ile buharlaştırılır. Malzeme buharının kesme aralığında yoğunlaşmaması için malzemenin kalınlığının lazer ışın çapını çok fazla aşmaması gerekir. Bu işlem yalnızca ergimiş malzemenin atılmasından kaçınılması gereken uygulamalar için uygundur. Tahta veya seramikten yapılmış malzemelerde kalınlık ışın çapından büyük olsa bile bu malzemeler bu yöntem ile kesilebilir. Çünkü bu malzemelerde yoğunlaşma olayı görülmez. 

Lazer süblime kesimde, optimum ışın odaklaması, malzeme kalınlığına ve ışın kalitesine bağlıdır. Lazer gücü ve buharlaşma ısısının optimum odak mesafesine etkisi azdır. Maksimum kesme hızı belirli bir malzeme kalınlığı için malzemenin buharlaşma ısısı ile ters orantılıdır. Gerekli güç yoğunluğu 10⁸ W/cm² den büyük olmalıdır. Bu yoğunluk malzemeye, kesme derinliğine ve odak noktasına bağlıdır. Kesme hızı için limit faktör, kesilecek malzeme kalınlığı için yeterli lazer gücü ayarlandığında gaz jeti hızıdır. 

İşleme Prosesi 

İşleme prosesi terimi lazer işim, kesme gazı ve iş parçası arasındaki etkileşime karşılık gelir. Bu işlemin olduğu bölgeye kesme bölgesi denir. Bu bölgede bulunan lazer gücü, parçayı eritmek ya da buharlaştırmak için yeterli olmalıdır. Absorbe edilen lazer tarafından ısıtılan ve eritilen kesme bölgesine dik yüzey oluşur. 

Lazer alevli kesmede, ergime bölgesi oksijen akışı ile ileri derecede ısıtılır ve kaynama noktasına yakın sıcaklığa gelinir. Yüksek buharlaşmanın sonucu olarak malzeme kaldırılır. Aynı zamanda kesme gazı ile sıvı malzeme iş parçasının altından atılır. 

Lazer fizyon kesmede, sıvı malzeme kesme aralığını oksitten koruyan gaz yardımı ile atılır. Sürekli ergime bölgesi kesme yönünü takip ederek kayar. Bundan dolayı sürekli kesme aralığı yaratılmış olur. Birçok önemli lazer kesme uygulaması bu bölgede oluşur. Bu uygulamaların analizi lazer kesim işlemi açısından önemli bilgiler içerir. Bu yolla kesme hızını hesaplamak ve kesim çizgilerinin oluşum karakteristiğini açıklamak mümkündür. 

Malzeme Özellikleri 

İş parçası üzerindeki kesme işlemi sonucu temiz ya da tam tersine pürüzlü ve yanmış olabilir.

Kesme kalitesine etkileyen en önemli faktörler şunlardır:

• Alaşım maddeleri 
• Malzemenin mikro yapısı 
• Yüzey kalitesi 
• Yüzeyin pürüzlülüğü 
• Yüzeyin kaplanmış olması 
• Işının yansıması 
• Isı iletimi 
• Ergime noktası 
• Ergime ısısı 
• Buharlaşma sıcaklığı 

Alaşım Maddeleri 

Alaşım maddeleri malzemenin mukavemetini, özgül ağırlığını, kaynak kabiliyetini, oksitlenme ve asitlere olan direncini belirler. Demir esaslı alaşımları oluşturan en önemli maddeler; karbon, krom, nikel, magnezyum ve çinkodur.
 
Yüksek karbon ( >%0.8 C) içeren malzemeyi kesmek daha zordur. Aşağıdaki karbon çelikleri lazerle çok iyi kesilebilir. (St 37-2 , StW 22 , DIN 1.203) 

Malzemenin Mikro Yapısı 

Kesilecek malzemenin mikro yapısını oluşturan tanecikler ince ise kenarlarda daha iyi kesme yüzey kalitesi görülür.
 
Yüzey Kalitesi ve Pürüzlülüğü 

Eğer kirli veya oksit tabakası ile kaplı ise malzemeyi kesme zorlaşır. Malzeme kesilmeden önce kumlama işlemine tabi tutulursa daha iyi bir kesme kalitesi elde edilir.

Kaplanmış Yüzeyler 

En sık karşılaşılan yüzey uygulamaları; galvanizleme, boya, lamine plastik film ile kaplamadır. 

Çinko kaplanmış parçalar, kaplamanın kalınlığına bağlı olarak kenarlarda düşük kesme kalitesi oluşturur.

Boyalı ürünlerdeki kesme kalitesi boyalı üründeki malzemelerin bileşimine bağlıdır. Boyalı panelleri işlemek için önce düşük güç parametreleri seçilerek yüzey üzerindeki boya yakılır. Daha sonra istenecek malzemeye uygun parametreler seçilerek önceden yakılmış yerler kesilir. 

Lamine kaplı plakalar lazer kesimi için çok uygun malzemelerdir. Kapasitif sensörle, (kesici nozulun sacdan olan mesafesini kapasitif olarak belirleyerek odak mesafesinin korunmasını sağlayan elektriksel sistem) problemsiz çalışmak ve lamine kaplama için optimum yapışma sağlamak (Kabarcık oluşmasını engellemek) amacıyla lamineli yüzey üste gelecek biçimde kesme yapılır. 

Işının Yansıması 

Her malzeme yüzeyi, yüzeyin pürüzlülüğüne bağlı olarak farklı ışın yansıtma özelliklerine sahiptir. Birçok alüminyum alaşımı, bakır, pirinç ve paslanmaz çelik yoğun olarak ışın yansıtırlar. 

Böyle malzemeleri kesmek için, çok hassas ayarlanmış odak pozisyonuna gereksinim duyulur. Zımpara kağıdı ile ya da kumlama ile yüzeyde ön bir işlem yapılarak malzemenin kesme kalitesi arttırılır.
 
Termal İletkenlik 

Düşük termal iletkenliğe sahip malzeme, yüksek termal iletkenliğe sahip malzeme ile kıyaslandığında ergime için daha düşük güce ihtiyaç gösterir. 

Örneğin çelikte ve krom-nikelde gerekli olan güç, bu işlemde daha az ısı absorpsiyonu olması nedeniyle imalat çeliklerine gerekli güçten daha azdır. 

Diğer taraftan bakır, alüminyum ve pirinç gibi malzemeler lazer işim absorpsiyonu ile yaratılan büyük bir ısı miktarını dağıtırlar. Isı, ışın hedef noktasından uzaklara iletildiği için, ısıdan etkilenen bölgedeki malzemeyi eritmek daha zordur.

Isıdan Etkilenen Bölge 

Lazer alevli kesme ve lazer fizyon kesme, kesilecek malzemenin kenar bölgelerinde değişikliğe yol açar. 

Düşük karbonlu çelikler veya paslanmaz çelikleri işlerken ısıdan etkilenen bölgede sertlik düşer. Yüksek karbonlu çeliklerde (Ck60) kenarlarda sertliğin arttığı görülür. 

Sıcak haddelenmiş alüminyum alaşımlarda ısıdan etkilenmiş bölgedeki malzeme diğer kısımlara oranla daha yumuşak olacaktır.

Endüstriyel Çelikler 

Bu tip malzeme oksijen ile kesildiğinde iyi sonuç verir. Lazer CW modunda kullanılır . 

Kesme gazı olarak oksijen kullanıldığında kesim kenarı çok az olmak üzere oksitlenir. 4 mm'ye kadar kesme gazı olarak yüksek basınçlı azot kullanmak mümkündür. Kesim kenarlarında bu halde oksit görülmez. Kesme hızı oksijen ile elde edilen maksimum kesme hızının sadece % 10 ile % 30 'una erişebilir. 

Daha zor şekilli parçalar için lazer ünitesi darbe modunda çalıştırılır. Bu dar açılı ve ince kesitli bağlantılardaki yanıkları önler. 

Çelikteki daha çok karbon ihtivası, kesim kenarlarındaki sertleşmeye ve köşelerde yanık izlerinin oluşmasına neden olacaktır. Sertliğin kesme hızı üzerinde hiç bir etkisi yoktur. Alaşım yüzdesi yüksek olan malzemeleri kesmek fakir alaşımlı malzemeleri kesmekten zordur. 

Oksitli ya da kumlanmış yüzeyler daha düşük kesme kalitesine izin verecektir. 

Malzeme yüzeyinde kalan sıcaklık kesme kalitesine negatif yönde etki eder.

Çelikleri keserken gerilmelerin giderilmesi önemlidir. Saf olmayan çelikler deki köpürme kesme sonucuna büyük oranda etki eder. Haddeleme ile oluşmuş iç gerilmede kesme işlemini etkiler. 

Küçük boyutlu parçalarda ve 15 - 20 mm kalınlıklarda ince tane yapısına sahip çelik tavsiye edilir. 

Örneğin: Reax - 250 - lazer çeliği; bu çelik maksimum %0.03 silikon ve maksimum % 0.012 karbon ihtiva eder. Çekme dayanımı 360- 440 N/mm²' ye eşittir. Bu çelik aşağıdaki özelliklere sahiptir. 

• Lazer kesme sırasında cüruf oluşumunu yok eder. 
• Kesilen parçalarda artık yok. 
• Optimum büküm 
• Geri yaylanma azaltılmış 
• Kaynak kabiliyeti yüksek 
• Bu çelikten 30 mm kalınlığa kadar mevcuttur . 

St 52-3 kullanıldığında artık malzeme ve yapışkan cürufun yarattığı çapaklar gibi ikinci sınıf kesme sonuçları elde edilir. 

Endüstriyel çeliği temiz yüzey elde ederek kesmek için, aşağıdaki yönergeler göz önünde bulundurulur. 

• Si≤%0.04; mükemmel lazer işleme için tercih edilmeli.
• Si<%0.25; bazı hallerde daha az kaliteli kesimler elde edilir. 
• Si>%0.25; çeliğin kalitesi lazer kesme için az uyumlu, daha kötü ve tutarsız sonuçlar elde edilir. 

Not: DIN normunda St 52 ye kadar olan çeliklerde Si≤%0.55 dir ki bu değer lazer kesim için uygun değildir. 

Paslanmaz Çelik 

Bu malzemeyi kesmek için; eğer oksitli kenarlar önemli değil ise, oksijen ile başka bir müdahaleye gerek kalmadan oksitsiz ve çapaksız bir kesme için azot ile yüksek lazer gücü kullanarak, yüksek basınçlı azot ile aynı kalmlık için oksijen kullanarak elde edilen kesmeden daha hızlı kesim elde edilir. 

5 mm'den itibaren tüm tabla yüzeyindeki paslanmaz çeliği azotla çapaksız kesmek için, odak pozisyonun ayarı gerekmektedir. Odak noktasının yeniden ayan ve kesme hızının azaltılması temiz kesme yapabilmeyi mümkün kılar. 

Plaka üzerinde yağ film tabakası oluşturmak işleme kalitesini azaltmadan başlangıç deliklerindeki sonucun daha iyi olmasını sağlayacaktır. 

Paslanmaz çelik için: Başlangıç delik ve kesme için aynı nozul mesafesi kullanılır. 

Oksijen ile kesme: 5 mm sac kalınlığı için düşük hızda ve darbe modunda kesim yapılır. 

Alüminyum 

Alüminyum ve alaşımlarının sürekli modda kesilmesi tavsiye edilir. Çok yüksek yansıtma özelliğine ve ısı transferine rağmen alaşım ve lazer gücüne bağlı olarak 6 mm` ye kadar olan plakalar kesilebilir.

Alüminyum hem oksijen hem de azot ile yüksek basınç altında kesilebilir. Kesme gazı olarak oksijen kullanılması, yüzeyin pürüzlü olmasına, az fakat temizlenmesi zor çapak oluşumuna neden olur. 

Azot ile kesme yüzeyi daha temiz olur. 4 mm'ye kadar olan uygulamalarda optimum regülasyon sağlama ve çapaksız kesme elde etmek mümkündür. Daha kalın parçalarda temizlenmesi zor çapaklar oluşacaktır. 

Saf alüminyumu yapısı nedeniyle kesmek daha zordur. Yüksek akışını oranlarında malzemeyi kesmek daha kolaydır. 

Titanyum 

Titanyum saçlar argon ve azot kesme gazlan ile kesilebilir. Krom-nikel parametreleri kullanılabilir.

Bakır ve Pirinç
 
Her iki malzemede çok yüksek yansıtma seviyesine ve çok iyi ısı iletkenliğine sahiptir. 

Pirinç ancak 3 mm' ye kadar azot ile kesilebilir. Bakır ancak 3 mm' ye kadar kesilebilir ve kesme gazı olarak oksijen kullanılmalıdır. 

Sentetik Malzemeler 

Sentetik malzeme olarak; termoplastik, termoset malzemeler ve sentetik kauçuk malzemeler işlenebilir. PVC ve polietilen malzemelerden lazer işlemede çok yoğun duman çıkmasından dolayı bu malzemeler için su jeti kullanılmalıdır. 

Akrilik cam lazer ile kesilebilir. Kesme gazı olarak basıncı 0.5 bar dan daha düşük olmak üzere azot kullanılır. Bu yolla daha parlak kesme yüzeyi elde edilir. 

Organik Malzemeler 

Tahta, deri ve kağıt lazer ile kesilebilir. Kesim kenarı yanmaktan kömür haline gelecektir (kahve rengi). Daha yüksek hız, daha az karbonlaşma demektir. Yapışkanlı tahta keserken, her yapışkanın tipi ve çeşidine bağlı olarak temiz bir kesme garantisi etmek imkansızdır.
 

Lazer parametreleri aşağıdakileri içerir: 

• Dalga boyu 
• Işın kısmındaki yoğunluk dağılımı 
• Lazer ışın polarizasyonu 
• Işının ayrılması 
• Işın çapı, iş parçası üzerindeki tanıması ve odak pozisyonu 
• Lazer gücü 
• Mod tipi 

Lazer dalga boyu polarizasyonu ve odak pozisyonu, lazer ışımasının iş parçası tarafından absorbe edileceği noktaya gelmesine karar verir. Lazer modu (lazer ışınındaki yoğunluk dağılımı), lazer gücünün bir fonksiyonudur. Farklı lazer modelleri ile elde edilen mod değerleri çok farklıdır, bundan dolayı kategorilere ayrılırlar. 

Işının açılmasından ve ışının en dar noktasının çapında; odak noktasındaki ışının çapı elde edilir. Işının çapı, makine üzerindeki mercek sistemlerinin odak uzunlukları ile birlikte lazer ışınını odaklayabilme imkanı veren bir parametredir. 

Eğer ışın uzatma ( Beam expansion ) sistemi kullanılıyor ise odak çapı, uzatma faktörü kadar azaltılabilir. Işın odak çapı uzunluğu ışın çapına ve kesme mercek sisteminin odak uzunluğuna bağlıdır. 

Gaz Parametreleri

Gaz parametreleri aşağıdakileri içerir: 

• Gaz tipi 
• Gaz basıncı 
• Nozul çapı
• Nozul geometrisi 

Gaz basıncı ve nozul geometrisi kenarların düzgünlüğünü ve çapak oluşumunu etkiler. 

Kesme gazı tüketimi nozul çapına ve gaz basıncına bağlıdır. Kesme uygulamalarında gaz basıncı düşük basınç için 5 bar, yüksek basınç için ise 20 bar'a yaklaşır.
 
Kullanılan nozullar dairesel ağız açıklığına ve gittikçe incelen konik yapıya sahiptir. Mümkün olduğu kadar nozul ile iş parçası arasındaki mesafeyi korumak gereklidir. Daha çok mesafe kesim bölge genişliğini etkileyecek daha yüksek gaz tüketimine neden olacaktır. 0.5 ile 1.5 mm arasındaki mesafeler sıkça kullanılır.