LAZERLE DELME VE KESME ve JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDEKİ UYGULAMALARI

Transkript

1 BÖLÜM 18 LAZERLE DELME VE KESME ve JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDEKİ UYGULAMALARI Svl.Müh. Serkan KAPTAN 1nci HİBM K.lığı Jet Revizyon Müdürlüğü Şubat 2004, ESKİŞEHİR ÖZET tek renkli, oldukça düz, yoğun ve aynı fazlı paralel dalgalar halinde genliği yüksek güçlü bir ışık demeti üreten cihazdır. İngilizce; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (uyarılmış radyasyon salınımlarıyla ışığın kuvvetlendirilmesi) cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiş bir kelimedir senesinde ABD de Theodore H. Maiman tarafından keşfedilmiştir. Normal ışık, dalga boyları muhtelif, rengarenk, yani farklı faz ve frekansa sahip dalgalardan meydana gelir. ışığı ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel, tek renkli, hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak bir trilyon hertz ile üç bin trilyon hertz arasında yer alır. Bu bölge, kırmızı ötesi ışınları, görülebilen ışınları ve elektromanyetik spektrumun morötesi ışınlarını kapsar. Buna karşılık mikro dalga frekans bölgesi yaklaşık olarak 300 milyon hertzden 300 milyar hertze kadar uzanır. Yani, lazer çok yüksek frekanslarda çalışır. ışınının en büyük özelliği dağılmaz olması ve yön verilebilmesidir. Bu özelliğinden istifade ile mesafe ölçme ve fiber optik teknolojisi geliştirilmiştir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine belli yönlerde hareket ederler. Bu lazerin çok parlak olmasını doğurur. ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar lazer dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal jeneratörü olarak iş görür. Aynı anda birçok bilgi bir yerden başka yere gönderebilir. ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi mümkündür.kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. kendisinde bulunan yüksek enerji sayesinde kesme, kaynak ve delme endüstrisinde kullanılır. Ayrıca lazer darbesinin çok kısa olmasından yüksek hız fotoğrafçılığında faydalanılır. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır. Bütün özellikleri ile uzak mesafe ölçümlerini mümkün kılar. ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için lazer cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür. Bu dokümanda lazerle delme ve kesme prosesinin temel prensipleri, uygulama adımları, kullanılan teçhizat, gerekli emniyet tedbirleri, prosesin uygunluğunun kontrolü hakkında bilgi verilecektir. 18-1

2 1 PROSESİN ADI le Delme ve Kesme 2 PROSESİN AMACI Diğer konvansiyonel yöntemlerle delinmesi ve kesilmesi zor olan veya uzun zaman alan jet motoru parçalarının daha kısa sürede ve daha efektif bir şekilde delme ve kesme işlemlerinin yapılması 3 PROSESİN GENEL / DETAYLI TANITIMI 3.1 Nedir? Tek renkli, oldukça düz, yoğun ve aynı fazlı paralel dalgalar halinde genliği yüksek güçlü bir ışık demeti üreten cihazdır. İngilizce; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (uyarılmış radyasyon salınımlarıyla ışığın kuvvetlendirilmesi) cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiş bir kelimedir senesinde ABD de Theodore H. Maiman tarafından keşfedilmiştir. Normal ışık, dalga boyları muhtelif, rengarenk, yani farklı faz ve frekansa sahip dalgalardan meydana gelir. ışığı ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel, tek renkli, hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak bir trilyon hertz ile üç bin trilyon hertz arasında yer alır. Bu bölge, kırmızı ötesi ışınları, görülebilen ışınları ve elektromanyetik spektrumun morötesi ışınlarını kapsar. Buna karşılık mikro dalga frekans bölgesi yaklaşık olarak 300 milyon hertzden 300 milyar hertze kadar uzanır. Yani, lazer çok yüksek frekanslarda çalışır. in önemi uygulamasının yaygın olmasında ve onun daha da genişlemesinin beklenmesinde yatmaktadır.özellikle uygulamanın genişliği, ışınların frekansların hassas bir şekilde kontrolünden, yayılan ışının yayılma düzeninden veya ışınların olağanüstü yoğunluğundan kaynaklanmaktadır. dolayısıyla, holografide, opektraskopide çok önemli gelişmeler ortaya çıkmıştır. Bunlar yoluyla lazer diğer bilimsel ve teknolojik alanlarda da etkisini göstermektedir. 3.2 in Çalışma Prensibi Optik bakımdan saydam, bir ucunda tam sırlı ve yansıtıcı, diğer ucunda yarı sırlı kısmen yansıtıcı iki ayna bulunan bir tüp alınır. Buna gaz, sıvı ve katı bir madde doldurulur. Dışarıdan ışık verme, elektrik akımı geçirmek suretiyle veya kimyasal bir yolla elde edilen enerji, ortamdaki atomlara ulaşır. Bunların bazıları bu enerjiyi emerler. Fazla enerji, atomları kararsız hale getirir. Kendisine bir foton çarpan, uyarılmış ve kararsız atom, fazla enerjiyi foton neşrederek verir. Fotonlar, benzer şekilde diğer fotonların neşrini sağlar. Uçlara ulaşan fotonlar, aynalardan yansıyarak geri dönerler ve olay devam eder. Uyarma ve tahriklerde ortamdaki fotonlar artar. Atomların hemen hemen hepsi, foton yaymaya başlayınca kuvvetlenen ışık, yarı sırlı uçtan dışarı çıkar. Bu, lazer ışınıdır. dalgalarını, uygun adım giden aynı üniforma ve şekle sahip askerlere, normal ışığı ise rasgele karakteri bozuk bir orduya benzetmişlerdir. Normal ışıkta 18-2

3 dalgalar, birbirini zayıflatıcı karakterde olmasına rağmen, lazerde birbirini kuvvetlendirici olurlar. ışınları yüksek frekanslı olduklarından güneş ışını özelliklerine sahiptir. Ancak lazer ışınları tek frekanslı olduğu için kayıpları azdır. Ayrıca lazer ışınları aynı fazda yapılan ışık dalgaları olduğu için şiddeti büyük olur. Bu yüzden lazer ışınlarının şiddeti güneş ışınlarının şiddetinin bir milyon katıdır. Elektromanyetik dalga paketçiği de denen foton, güneş ışığı füzyon reaksiyonuyla meydana gelip, bu şekilde yayılan foton enerjisidir. ışında foton yayılmasından ibarettir. de foton üretimini anlayabilmek için atomların değişik seviyelerinde ne gibi hadiseler olduğunu bilmek gerekir. Bir atomun uyarılmış durumda bulunduğu kısa zaman aralığında üzerine belli bir dalga boyunda foton düşürülürse, atom aynı fazda foton yayar. Bu işlem peş peşe tekrarlanırsa, tamamen aynı fazda bir ışın demeti elde edilir. En düşük enerji seviyesinde bulunan bir atoma dışarından bir foton verilirse, atom enerjisi kazanarak E1 enerji seviyesinden E2 seviyesine uyarılmış olur. Bu atom kendi halinde bırakılırsa, uyarılmış bulunduğu E2 enerjisinden bir foton vererek E1 enerji seviyesine döner. Uyarılarak enerji seviyesi E1 den E2 ye yükseltilen atom enerjisini geriye foton olarak yaymaya başlarken bir foton daha çarptırılırsa atomu birbiri ile aynı özellikte iki foton terk eder. Bu şekilde atom kat kat enerji seviyelerine çıkarılırsa bu seviyelerden düşerken de katlar halinde foton ürer. Bu işlem iki paralel ayna arasında aynı fazda olan fotonların toplanması şeklinde devam eder. ışını dalgasının dalga boyu aynalar arasındaki mesafe ile uyumludur. Aynı frekansta yani, aynı dalga boyunda yapılan foton üretimine uyarılmış yayılma işlemi denir. Milyonlarca atom için bu işlem yapılırsa aynı yöne doğru milyonlarca foton paralel ışınlar halinde bir noktadan yayılır. Bu ışınlar aynı fazda, aynı frekansta, aynı yönde olduklarından adeta birbirine yan yana yapışıktır. Paralel aynalar arasında şiddeti bu şekilde çığ gibi artan ışınlar, ışık frekansına eş bir frekansta, darbeler halinde oldukça parlak ışık huzmesi olarak yayılır. ışınındaki enerjisinin büyümesinin esası işte bu milyonlarca küçük enerji kaynaklarının çok dar bir huzme halinde aynı yönde hem yan yana hem de art arda birleşmesi neticesidir. Resim 1 Işını Odaklanması 18-3

4 in çalışması için enerji seviyesi düşen atomlarda daha fazla sayıdaki atomların uyarılacak enerji seviyelerine yükseltilmesi gerekir. Bu durum ise normal olarak atomların enerji seviyesi dağılımının tersidir. Bu sebepten lazerin çalışması için gerekli durum tersine çevrilmiş dağılım olarak adlandırılır. Tersine çevrilmiş dağılımı ortaya koymak çıkarmak için pompalama işlemi kullanılır. Optik pompalama ise, yüksek frekanslı yoğun ışınların neşriyle yapılabilir. Yarı iletkenli lazerlerde pompalama elektrik akımı yardımıyla gerçekleştirilir ve işlem elektriksel pompalama olarak isimlendirilir. Gaz lazerlerinde ise pompalama işlemi elektron-atom veya atom-atom çarpıştırılmasıyla ortaya çıkarılır ve çarpışma pompalaması olarak bilinir. Kimyasal pompalama işleminde ise kimyasal lazerlerde kimyasal reaksiyonlarla atom ve moleküller uyarılır. Gaz- dinamik lazerlerde de pompalama ses hızı üstü gaz genişlemesi yoluyla gerçekleştirilir ve gaz genişleme pompalaması olarak isimlendirilir. 3.3 Osilasyon Yukarıda açıklanan tersine çevrilmiş dağılım elde edildikten sonra, bu ortamdan geçen ışık rezonans durumuna getirilir. Optik asilator olarak da isimlendirilebilecek bu ortam yansıma, kırılma ve diğer kayıpları karşılayacak durumda olmalıdır. Bu amaçla lazer ortamı, uzunluğuna doğru bir parça şeklinde düzenlenir ve iki ucuna çok kuvvetli yansıtıcılar konarak ışının bunlar arasında ileri-geri yansıması sağlanır. Bu yansıtıcılardan biri bir ölçüde saydam yapılarak rezonans frekansına ulaşan ışının lazer ışını olarak ortamından dışarı çıkmasını sağlar. 3.4 Q-Anahtarlaması Çok kısa ve çok güçlü çıkışlar q-anahtarlaması kullanılarak depo edilmiş lazer ışınlarından elde edilebilir. Bu tür teknikte yansıtıcılardan biri pompalama aralığının bir kısmında yansıtmayacak şekilde düzenlenir. Daha sonra yansıtıcı hale getirilir. Bu düzenleme sonucu pompalama devresinin bir kısmında depo edilen enerji diğer kısmında büyük bir darbe olarak yayılır. Q-anahtarlamasının en kolay şekli bir aynanın çok hızlı dönmesiyle gerçekleştirilir. Bu aynanın diğer ayna ile aynı eksene geldiği zaman da lazer yayılımı ortaya çıkar. Bu konuda uygulanabilecek diğer teknik lazer frekansına ışık absorbe eden seyreltilmiş bir çözelti ortamı kullanmaktır. Bu şekildeki absorbsiyon enerjinin depo edilmesini sağlar. 3.5 Mode Kilitlenmesi Çözelti kullanılarak ve anahtarlama ile elde edilen lazer ışınının gücü mode kilitlenmesi ile daha da artırılabilir. Böyle bir durumda birbirine yakın ve aralarında belirli bağıntının bulunduğu kilitli frekanslarda aynı zamanda titreşim meydana gelir. Böylece çok daha kısa zamanda yüz trilyon Watt a yaklaşan bir güç elde edilir ki, bu dünyadaki bütün elektrik santrallerinin toplam üretiminden daha fazladır. 18-4

5 3.6 Işınının Özellikleri En büyük özelliği dağılmaz olması ve yön verilebilmesidir. Bu özelliğinden istifade ile mesafe ölçme ve fiber optik teknolojisi geliştirilmiştir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine belli yönlerde hareket ederler. Bu lazerin çok parlak olmasını doğurur. ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar lazer dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal jeneratörü olarak iş görür. Aynı anda birçok bilgi bir yerden başka yere gönderebilir. ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi mümkündür.kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. kendisinde bulunan yüksek enerji sayesinde kesme, kaynak ve delme endüstrisinde kullanılır. Ayrıca lazer darbesinin çok kısa olmasından yüksek hız fotoğrafçılığında faydalanılır. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır. Bütün özellikleri ile uzak mesafe ölçümlerini mümkün kılar. ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için lazer cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür. 3.7 Kaynağı kaynağı, endüstriyel gaz (Karbondioksit) ve Nd: YAG (Katı hal lazeri) şeklinde sanayide son yıllarda hızla gelişen bir uygulama sahasına sahiptir. ışınının yüksek enerji yoğunluğuna sahip olmasından dolayı hızlı kaynak yapma yetisi ve dolayısıyla birim alanda daha düşük ısı girdisine, yüksek nüfuziyete ve kaynak bölgesinde düşük çarpılma riskine ihtimal verir. Bu işlemde lazer ışını kaynak yapılacak malzemeye odaklanır ve herhangi bir dolgu maddesi gerekmeden işlem kendi kendine (otojen olarak) tamamlanır. Kaynak sırasında işlem verimliliğini, kaynak kalitesini ve kaynak banyosunu (ergimiş metal oksitlenmeden) korumak için koruyucu gaz olarak kullanılır. Karbondioksit lazer kaynağında genellikle koruyucu gaz olarak helyum kullanılır, çünkü helyumun yüksek bir iyonlaşma potansiyeli vardır ve buda plazma oluşumunu azaltarak nüfuziyeti artırıp yüksek kaliteli kaynak yapılmasını sağlar. Özel uygulamalarda,koruyucu gazlar karışım halinde kullanılırsa daha iyi sonuç vermektedir. 3.8 Gazları Endüstriyel lazerlerin birçoğunda, lazer ışınının oluşabilmesi için özel gazların kullanılması gereklidir. Gazın kalitesi ve seçimi, lazerin güvenilirliğini ve işlemin verimliliğini doğrudan etkiler. gazları genellikle yüksek saflıkta özel gazlardır. gazları, makineye ayrı ayrı tüplerde ya da önceden belli oranlarda karıştırılmış olarak verilir. Bu ön karıştırma ya da gazların aynı tüplerde verilmesindeki işlem parametreleri (Gaz debisi, basınç saflığı ) her lazer makinası üreticisi tarafından belirlenir ve o şartlarda makinaya verilir. 18-5

6 Aşağıda en çok kullanılan endüstriyel lazer türleri belirtilmiştir: KARBONİK OKSİT LAZERİ Nd: YAG LAZERİ EXCIMER LAZERİ KARBONDİOKSİT AZOT Helyum lazeri oluşturan ortam katı olduğu için kullanılmaz. Jet Revizyon Müdürlüğü Halojen (HCL ya da F2), asal (Argon, Kripton, Zenon) gazlar kullanılır. Gaz karışımı, lazerin dalga boyunu etkiler. 3.9 Işığının Özellikleri in önemini anlamak için önce biraz karakteristiğine ve normal ışıktan farkına bakalım: ışını herhangi bir ışık kaynağından daha yoğun ve şiddetlidir. Bazı lazerlerin şiddetine ulaşmak için bir cisim Kelvin e kadar ( O C+273) ısıtılmalı ki o yoğunlukta ışık yaysın. Bir lambadaki tungsten 3000 Kelvin, güneş ise yalnız 10 8 Kelvin sıcaklığındadır. Son derece düzgün bir ışıktır ve çok az sapar. Bir keresinde Dünyadan gönderilmiş olan lazer ışını Apollo 11 in Aya bıraktığı bir aynadan yansıyıp hiç sapmadan geri dönmüştür. Işığın bu seyahatinde aldığı yol km idi. ışını keskin bir şekilde hedeflendirilebilir ama normal ışık her yöne dağılır; bu da demektir ki lazer ışını küçük bir yere büyük enerjiler verebilir ve böylece çok ince işler yapılabilir Çeşitleri Optik Pompalamalı Yakut i En eski lazerdir ve T.H. Maiman adlı bir şahıs tarafından 1960 ta yapılmıştır. Bu kristalin yapı taşı Al 2 O 3 tür ve küçük sayıda olmak üzere Al +3 iyonları Cr +3 iyonlarıyla değiştirilmiş durumdadır. Cr +3 iyonları kırmızı ışıktan sorumludur bu la zer çeşidinde. Tersine birikime ulaşmak için bir flaş kullanılır. Flaşın güçlü ışığı, kristalin elektronlarını yüksek seviyelere pompalar. Flaş beyaz ışık yayar ve çok şiddetlidir. (beyazın içinde her renk vardır yani bu görünür bölgeye düşen her dalga boyu anlamına gelir). Kristal çubuk flaş lambasından gelen uygun frekanslı ışığı emer ve lazer ışığı yaymaya hazır olur. Kendiliğinden yayımlanan bir foton zincirleme reaksiyon başlatır ve 693nm (kırmızı) dalga boyunda lazer ışığı oluşur. 18-6

7 Tersine birikime uğramış atomlar, çubukta saniye kalırlar yani devamlılık için flaş bu sıklıkta yakılmalıdır Helyum-Neon i Bu tip lazer devamlı ışık veren bir sistemdir. Genelde öğrenci laboratuarlarında kolaylıkla bulunabilir. Cam deşarj tüpü %80-%20 oranda helyum ve neon ile doludur. Gerekli tersine birikim, neon ve helyum atomları arsındaki çarpışmalarla sağlanır. Bu lazer işleminde, yüksek voltaj deşarj tüpüne verilir ve helyum atomları 20.61eV alarak, temel halden, yarı kararlı hale geçer. Neon ile çarpışır ve ona 20.61eV ve ekstradan 0.05eV kinetik enerjisinden verir. Bu sefer neon 20.66eV enerji alarak yarı kararlı seviyesine gelir. Helyum, temel hale foton yaymadan iner, çünkü bütün enerjisini neon a vermiştir. Bunlardan sonra kendiliğinden ışıyan bir neon atomu diğer neon atomlarını salınım yapmak için zorlar ve zincirleme reaksiyon devam eder, sürekli bir lazer ışını oluşur, ta ki yüksek voltaj kesilerek tersine birikim engelleninceye dek. He-Ne gaz lazeri nm lazer ışığına ve ayrıca kızılötesi birçok ışımaya neden olur. Ama bu lazer çok güçlü bir enerji açığa çıkarmaz Karbon Dioksit Nitrojen i Çok güçlüdür. Çalışması helyum-neon lazerininkine benzer. Karbondioksit molekülleri lazeri oluşturur ve nitrojen ise CO 2 nin tersine birikime ulaşmasını sağlar. Bu tip lazerler, kolayca 10kW sürekli enerji sağlarlar. Ayrıca kısa şoklarla çok daha güçlü enerjiler verebilirler. Bu lazer ışını görünmezdir ve elektromanyetik spektrumun kızılötesi bölgesinde yer alır. (Kızıl ötesi ışınlar ısı ışınları diye de adlandırılabilir.) Neodymium i Termonükleer füzyon deneyleri için yapılmıştır ve bu lazer 10-9 saniyelik sürelerle 8x10 10 kw enerji verir. Bu sayı Amerika nın toplam enerji ürettim kapasitesinden fazladır Kripton i Bu lazer yeşil ışık yayar. Bu da fazla güçlü değildir. 4 JET REVİZYON MÜDÜRLÜĞÜNDE LAZERLE DELME VE KESME 4.1 Uygulama Alanı YAG lazerde lazer ışınını oluşturmak için Yitrium-Alüminyum-Garnet (lal taşı) kristalden oluşan rod kullanılır. Bütün YAG lazerler sürekli/anlık (pulsed) ve Q-switched modda çalışabilirler. HP-85S 2nci sınıf bir lazer sistemidir. 2nci sınıf bir lazer sistemi 400 manometreden daha büyük ve 110 manometreden daha küçük dalga boyu olup 25 saniyeden daha uzun sürede 1.0 X 10-3 wattlık radiant power (yayılma gücü) daha fazla olan radyasyon kademelerindeki çalışmalara, insan girişine izin vermeyen bir lazer ürünüdür. 18-7

8 Resim 2 Uygulaması Resim 3 Jet Revizyon Müdürlüğünde Yapılan Parçalar HP-85S in 8 mm kalınlığa kadar delme, 5 mm kalınlığa kadar kesme kabiliyeti mevcuttur. 18-8

9 Resim 4 J79 Motorunun Yanma Odalarının İmali Esnasında le Delme İşlemi Bu tezgahla aşağıdaki parçaların delme ve kesme işlemleri yapılmaktadır J79 Motorlarının Yanma Odaları F110 Motorlarının Mixing Ductları F110 LPT Support Nozul F110 Inner Shell F110 Outer Shell Forward Liner 18-9

10 4.2 Uygulama İçin Gerekli Tezgah/Ekipman Jet Revizyon Müdürlüğünde bulunan lazer tezgahı Huffman marka HP-85S M34 YAG lazerdir. Resim 5 Tezgahı 4.3 Proses Öncesi Yapılması Gerekenler Powermetre ile her proses öncesi lazer gücü ölçülmelidir. 4.4 Emniyet Tedbirleri Kabin kapağı kapalı olmalıdır. Optik ayar yapılırken saat yüzük gibi takılar takılmamalıdır. Koruyucu gözlük kullanılmalıdır 4.5 Prosesin Uygulama Adımları İş parçası tablaya bağlanır. Yapılacak işlem programlanır (delme, kesme) İşleme başlanır

11 4.6 Proses Uygunluğunun Kontrolü Her lazer prosesine tabi tutulan parça için yılda bir kez aşağıdaki maddelerden laboratuvar kontrolü yapılır. Sürekli recast Lokal recast Mikroçatlak 4.7 Proses Bitiminden Sonra Yapılması Gerekeneler prosesinden sonra tesviye yapılıp çapaklar alınmalıdır 4.8 Kapasite Tezgah kapasitesi: 4.9 Tezgahının Özellikleri Güç: 50 joule PFN Voltage: 1900 volt x +/-12 inç, y +/-24 inç, z 0-24 inçtir 18-11

12 REFERANSLAR [1] HP-85S CNC Sistemi Operatör El Kitabı [2] Miller, Carl B., Laser Welding Article, US Laser Corporat 18-12