Lazer Kesim Uygulamalarında Azot Gazı Kullanımı

Tarih : 2022-03-30

Tuğba MEMİLİ – Mikropor Makina San. ve Tic. A.Ş. – Ar-Ge Takım Lideri
Burcu ÖZGÜMÜŞ – Mikropor Makina San. ve Tic. A.Ş. – Ar-Ge Teknik Dokümantasyon Sorumlusu

Lazer teknolojisi ile yapılan metal kesim işlemleri, bilinen diğer yöntemlere kıyasla bir çok açıdan daha başarılıdır. Lazer kesim yöntemi; yüzey kalitesi yüksek, hassas ve hızlı kesim elde edebilmek için endüstride sıkça tercih edilmektedir. Prensip olarak lazer kesim; odaklanmış ve güçlendirilmiş olan ışığın kesilecek olan yüzeye gönderilerek malzemenin lokal olarak yanması, erimesi ve buharlaşmasına dayanır. Yönlendirilen güçlü ışınlar malzemeyi oluşturan bağları koparır ve kesim işlemi gerçekleşir.

Diğer tüm yöntemlerde olduğu gibi, lazerle kesim teknolojisinde de üretim verimliliğini arttıran ve ürün kalitesine doğrudan etki eden bir takım parametreler bulunmaktadır. Bu parametrelerden biri de kesim sırasında kullanılan ve malzeme ile doğrudan temas halinde olan gazlardır. Işınların yönlendirilmesi ile eriyen malzemeyi yüzeyden uzaklaştırabilmek için malzeme türüne bağlı olarak lazer kesim işleminde çeşitli gazlar kullanılır. Paslanmaz çelik, alüminyum, alaşımlı çelik ve nikel alaşımlarında çapaklar, basınçlı azot gazı (ortalama 12-20 barg) kullanımıyla, uygulanan basınç sayesinde mekanik bir kuvvet oluşturularak kesim alanından uzaklaştırılır. Kesim yapılan malzeme üzerine gönderilen azot gazı kalitesi çok önemlidir. Azot gazı içerisinde safsızlık olarak bulunan oksijen yüzdesi artarsa malzeme oksitlenmekte ve kesim kalitesi bozulmaktadır.

Saf azot gazı kesim işlemi sırasında hava ile ürün arasında bir bariyer görevi görüp, ürünün korozyona uğramasını engeller. Böylelikle kesim sırasında oksijenle olan temasından kaynaklı paslanma, kararma ve çapaklanma veya korozyondan kaynaklı renk değişimi gibi problemler minimuma indirgenir. Özellikle kalın malzemelerde daha yavaş bir kesim işlemi olacağı için malzeme yüzeyi oksijen ile daha fazla temas edebilme kapasitesine sahiptir. Bu yüzden yüksek kalitede bir kesim yüzeyi elde edebilmek için metal kesim işlemlerinde minimum azot saflığı 99,99% olmalıdır.

Metal kesim işlemlerinde azot gazı kullanmak ilaveten üretim hızını da arttırmaktadır. Oksijen gazı ile yapılan kesimlerde kesim sırasında, oluşan ekzotermik reaksiyon sonucu açığa çıkan ısıdan da yararlanılmaktadır. Kontrollü bir kesim olması açısından, oksijen gazı ile yapılan kesim işlem hızı, azot gazı ile olan işlem hızından çok daha yavaştır.

Bu çalışmada, lazer kesim endüstrisinde kesim kalitesine doğrudan etki eden parametre olan azot gazı kalitesi ve bu gazın son ürün kalitesine etkileri incelenmiştir.

Vaka Analizi:
Genellikle otomotiv sektörüne veya fason üretim olarak paslanmaz çeliklerde lazer kesim yapan bir firma, var olan azot ihtiyacını manifoldlar sayesinde tedarik ediyordu. Fakat, azot gazı kaynağı olarak manifold kullanımı şirkete, azot ihtiyacını istenildiğinde karşılayabilmek için bolca depo alanı ihtiyacı gerektirmekteydi ve manifoldların taşınması içinde ayrı bir maliyet ve güvenlik sorunları ortaya çıkarıyordu. Hem ekonomik hem de verimli bir kaynak olmağı için şirket azot kaynağı olarak başka bir marka azot jeneratörü satın almıştır. Kullanılan azot jeneratörünün saflık değeri metal kesim işlemi için yeterli olmadığından ötürü ürün yüzeyi çapaklı ve sarı-siyah renklere dönerek düşük kalite ürünlere sebep olmuştur. Resim 1’den de görüldüğü üzere malzeme kalınlığı ince (4mm) olmasına rağmen azot jeneratöründen gelen azotun saflığının düşük olması sebebi ile kesim yüzeyi okside olmuş ve sararmıştır. Bu azot jeneratöründen üretilen azot saflığı firmamız teknik uzmanlarınca ölçülmüş ve 99,999% saflıkta olması gereken jeneratörden üretilen azot kalitesinin 92%’yi geçmediği görülmüştür ve müşteriye raporlanmıştır.

Bu kesim yüzeyinden elde edilen SEM görüntüleri de incelendiğinde (Resim 2) topolojik olarak pürüzlü bir yüzey oluştuğu micron boyutunda da gözlemlenmiştir.

Şirket, safsızlık sonucu düşen ürün kalitesinden dolayı, kısa süreliğine manifold kullanımına geri dönmüş ve ödediği yüksek maliyetlerden ve artan servis maliyetlerinden ötürü başka firmadan almış olduğu azot jeneratörünü iade etmiş ve Mikropor Azot Jeneratörü (MNG) almaya karar vermiştir.

Mikropor 1987’den beri edindiği tecrübeler ile müşteri problem ve şikayetlerine çözüm olabilme adına şirketten gerekli bilgileri (üretim portföyü/ hacmi, gerekli debi, saflık vb.) alarak, ihtiyaca uygun tam kapsamlı bir sistem kurulumu gerçekleştirmiştir. Sistem, MNG-1110 azot jeneratörü, MDX-1110 azot saflaştırıcı ünite ve MGD-60 gaz saflaştırıcıdan oluşmaktadır. Kurulan sistem ile müşterinin ihtiyacı olan 100m³/h debide ve 99,999% saflıkta ve -40°C çiğlenme noktası kalitesinde azot gazı sistemi kurulmuş ve müşteriye kesintisiz, yüksek kaliteli azot üretme imkanı sağlanmıştır.

Sistemde yer alan MNG-1110 azot jeneratörü ile 99,5% saflıktaki azot MDX-1110 ünitesi ile 99,999% saflığa yükseltilmiş ve metal kesim işlemi için gerekli olan minimum 99,995% saflıktaki azot ihtiyacı karşılanmıştır. Üretilen saf azot çiğlenme noktası ise MGD-60 gaz kurucu sistemi ile -40°C ‘ye kadar indirgenip hiçbir azot kaybı yaşanmayarak 100m3/h sistem sonunda kullanıma hazır hale getirilmiştir. MGD sistemi ile sağlanan düşük çiğlenme noktası sayesinde ayrıca neme karşı hassasiyeti bulunan malzemelerde oluşabilecek korozyon problemlerinin de önüne geçilmiştir. Yeni Mikropor hat kurulumu sayesinde son ürün yüzey kalitesi Resim 3’teki gibi olmuştur.

Malzeme kalınlığı Resim 1’de ki ürüne göre daha kalın olmasına rağmen (20mm) yüzeyde herhangi korozyon belirtisi sarı leke oluşumu görülmemektedir (Resim 3). Ayrıca doğru seviyede gaz basıncı ile de kesilen ürün üzerinde herhangi bir kalıntı, çapak kalmayıp, yüzey kalitesi yüksek bir son ürün elde edilmiştir.

SEM görüntüsünden de görüldüğü üzere çapak oluşumu micron boyutunda dahi gözlenmemektedir (Resim 4).

Böylece kurulan sistem ile yerinde, 99,999% saflıkta ve -40°C’ de çiğlenme noktasına sahip azot üretimi ve %100 müşteri memnuniyeti sağlanmıştır (Resim 5).