Lazer kesim, temassız malzeme işleme gerçekleştirmek için CNC ekipmanıyla birlikte yüksek-güç-yoğunluklu lazer ışınlarını kullanan gelişmiş bir üretim teknolojisidir. Teknolojinin kökenleri, ilk lazer kesme makinesinin elmas kalıplı delmede uygulandığı 1965 yılına kadar uzanır; Birleşik Krallık, 1967'de metalleri ilk lazer- destekli oksijenle kesmeyi başarır. 1970'lerde, lazer kesme teknolojisi havacılık sektörüne nüfuz etmeye başladı ve 1980'lerde CO₂ lazerlerin yaygın olarak benimsenmesinin ardından, giderek geleneksel plazma kesme işlemlerinin yerini aldı.
Termal bir kesme yöntemi olarak lazer kesim, tek-özel işlerden yüksek-hacimli üretime kadar çeşitli üretimlere olanak tanıyan üstün kesim kalitesi, yüksek verimlilik ve olağanüstü esneklikle öne çıkar.
Çalışma Prensipleri
1.1 Lazer Üretimi ve Işın Özellikleri
Lazer (Uyarılmış Radyasyon Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu), uyarılmış emisyon yoluyla oldukça tutarlı, monokromatik bir ışın üretir. Bir lazer sistemi üç temel bileşenden oluşur: aktif bir ortam (katı, sıvı veya gaz), bir enerji kaynağı (pompalama mekanizması) ve bir optik rezonatör. Aktif ortama enerji verildiğinde fotonlar yayar; rezonatör bu fotonları ortamda ileri geri yansıtır, sonuçta yüksek-enerji-yoğunluğunda bir lazer ışını oluşturmak için ışık dalgalarını güçlendirir ve hizalar.
Lazer ışınları birkaç kritik açıdan sıradan ışıktan farklılık gösterir: yüksek yoğunluk, son derece dar frekans aralığı (tek renklilik), keskin kolimasyon ve yüksek tutarlılık.
1.2 Fiziksel Kesme Mekanizması
Lazer kesim işlemi iki eşzamanlı işlemi içerir:
Malzemenin Isınması ve Faz Dönüşümü: Odaklanmış, yüksek-güç-yoğunluklu bir lazer ışını iş parçası yüzeyini ışınlayarak ışınlanan bölgenin hızlı sıcaklık yükselmesine, malzemenin hızla erimesine, buharlaşmasına, aşındırılmasına veya tutuşmasına neden olur.
Eriyik Püskürtme: Kirişle eş eksenli olan yüksek-hızlı bir yardımcı gaz, erimiş malzemeyi çentikten üfleyerek malzemenin ayrılmasını sağlar. Bu gaz akışı aynı zamanda odaklama optiklerini buhar ve sıçrama kirliliğinden korur.
1.3 Hassasiyet ve Proses Parametreleri
Lazer kesim, ±0,05 mm boyutsal doğruluk, 0,10–0,20 mm çentik genişliği ve onlarca mikron mertebesinde yüzey pürüzlülüğü sağlar. Kesim kalitesini etkileyen temel parametreler şunları içerir:
Lazer gücü ve güç yoğunluğu: Ulaşılabilir malzeme kalınlığını ve kesme hızını belirleyin
Işın odak konumu: Kerf genişliğini ve dikeyliğini etkiler
Yardımcı gaz türü ve basıncı: Eriyik püskürtme verimliliğini belirler
Meme çapı: Tipik olarak 0,8 mm ile 3 mm arasında değişir; malzeme ve kalınlığa göre seçilir
Bakır ve alüminyum gibi oldukça yansıtıcı malzemelerin belirli lazer dalga boyları için son derece düşük emme oranları sergilediğini ve bu durumun önemli işleme zorlukları ortaya çıkardığını belirtmekte fayda var.
Birincil Proses Sınıflandırmaları ve Teknik Özellikler
Lazer kesim işlemleri, malzeme kaldırma mekanizmalarına göre dört ana türe ayrılır:
2.1 Lazer Buharlaştırma Kesimi
Yüksek-enerji-yoğunluklu bir lazer ışını iş parçasını ısıtır, hızla malzemenin kaynama noktasına ulaşır ve doğrudan buharlaşmaya neden olur. Yüksek-hızlı buhar püskürtme aynı anda çentiği oluşturur.
Power density requirement: Typically >10⁸ W/cm²
Uygulanabilir malzemeler: Son derece ince metaller ve-metalik olmayan malzemeler (kağıt, kumaş, ahşap, plastik, kauçuk vb.)
Özellikleri: Yüksek enerji talebi; erimiş kalıntının önlenmesini gerektiren uygulamalar için uygundur
2.2 Lazer Eritme Kesimi
Lazer ısıtma malzemeyi eritir ve-oksitleyici olmayan bir yardımcı gaz (Ar, He, N₂, vb.) erimiş metali yüksek basınçla dışarı atarak çentik oluşturur.
Enerji verimliliği: Buharlaşma kesme enerjisinin yalnızca 1/10'unu gerektirir
Uygulanabilir malzemeler: Paslanmaz çelik, titanyum, alüminyum ve bunların alaşımları-oksidasyona veya reaktif metallere dirençli malzemeler
İşlem avantajı: Yüksek kenar kalitesine sahip oksitsiz-kesilmiş kenarlar üretir
2.3 Lazer Oksijen Kesim (Alev Kesim)
Oksiasetilen kesmeye benzer şekilde, bu işlemde ön ısıtma ısı kaynağı olarak lazer ve kesme gazı olarak oksijen kullanılır. Oksijen metalle ekzotermik reaksiyona girerken aynı anda erimiş oksitleri dışarı üfler.
Enerji verimliliği: Eritme kesme enerjisinin yalnızca 1/2'sini gerektirir; kesme hızı hem buharlaşmayı hem de erimeyi önemli ölçüde aşıyor
Uygulanabilir malzemeler: Karbon çeliği, titanyum çeliği ve ısıyla-işlenmiş çelikler-oksidasyona duyarlı metaller
İşlem sınırlamaları: Daha geniş çentik, daha büyük ısıdan-etkilenen bölge, köşe yanmasına karşı duyarlılık ve nispeten düşük kenar kalitesi
2.4 Lazer Çizme ve Kontrollü Kırılma
Lazer çizme, kırılgan malzemelerin yüzeyini taramak için yüksek-enerji-yoğunluklu bir lazer kullanır, sığ bir oluğu termal buharlaşma yoluyla buharlaştırır ve ardından malzemeyi oluk boyunca kırmak için mekanik kuvvet uygulanır. Kontrollü kırılma, kırılgan malzemede lokalize termal stres oluşturmak ve oluk boyunca ayrılmaya neden olmak için lazer oluk açma tarafından oluşturulan dik termal eğimi kullanır.
Uygulanabilir malzemeler: Seramikler, yarı iletkenler ve diğer kırılgan malzemeler
Tipik lazerler: Q-anahtarlamalı lazerler, CO₂ lazerler
Uygulama Alanları ve Sektör Değeri
Lazer kesim teknolojisi birçok kritik endüstriyel sektöre nüfuz etmiştir:
Otomotiv İmalatı: Gövde çerçeveleri, hava yastığı bileşenleri, iç paneller
Havacılık: Motor bileşenleri, titanyum alaşımlı kanallar, gövde kaplaması sertleştiricileri
Elektronik Üretimi: Hassas mikro-bileşenler, devre kartları, konektörler
Tıbbi Cihazlar: Koroner stentler, cerrahi aletler, mikroakışkan cihazlar
Sac Metal İmalatı: Geleneksel yöntemlerin yerini alarak baskın süreç haline geldi
Çözüm
Temel bir üretim teknolojisi olarak lazer kesim, yüksek hassasiyet, yüksek verimlilik ve olağanüstü esnekliğin birleşik avantajlarıyla endüstriyel dönüşümü yönlendirmeye devam ediyor. Buharlaştırmalı kesimden oksijen- destekli kesime ve CO₂ lazerlerden fiber lazerlere kadar sürekli teknolojik gelişme, lazer kesimin uygulama sınırlarını genişleterek daha geniş bir malzeme ve kalınlık yelpazesinde yüksek-kaliteli, verimli işlemeyi mümkün kıldı.
