AISI 1045 çeliğinin yüzey kalitesinin lazerle yapılan işlemlere etkisi
The effects of surface quality of AISI 1045 grade steel on operations performed by laser
Yazar: MEHMET KORAY BİNGÖL
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde metaller, yarı metaller, yarı iletken ve ileri teknoloji seramik malzemeler gibi farklı mühendislik alanlarında kullanılan malzemelerin işleme ve şekil verme gibi işlemlerinde, bu işlemler sonucu ortaya çıkabilecek deformasyon ve boyut değişikliklerinin azaltılması ve işleme maliyetlerinin aşağı çekilmesi ihtiyaçları git gide önem kazanmaktadır. Bu ihtiyaçların sağlanabilmesi için geleneksel yöntemlere alternatif yeni ve hassas teknolojilerin kullanılması ihtiyacı kaçınılmaz olarak görünmektedir.
Lazerler,  bu hassas teknoloji alternatifleri arasında başı çekmektedir. Lazer kullanılarak, geleneksel yöntemlere nazaran işleme ve şekil verme işlemleri çok daha düşük toleranslar içinde kalınarak ve daha hassas bir biçimde gerçekleştirilebilmektedir. Bu sebeple, lazer teknolojilerinin mühendislikte kullanımı arttıkça çelik gibi geniş kullanıma sahip mühendislik malzemelerinin lazer ile nasıl etkileştiğinin araştırılması bir zorunluluk haline gelmektedir.
Lazerlerin çeliklerle etkileşimi ile ilgili çalışılırken, kullanılacak lazerin ve malzemenin özelliklerinin titizlikle ele alınması gerekmektedir. Lazerler için dalga boyu, güç yoğunluğu, geliş açısı gibi parametrelerin bilinmesi, lazer malzeme etkileşiminde lazerin malzeme üzerinde yaratacağı etkinin ayarlanmasında oldukça gereklidir. Buna ilaveten kullanılacak hedef malzemenin yüzey pürüzlülük ve kimyasal yapısı, sahip olduğu oksit tabakası, yüzydeki kirlilik gibi parametreler de lazer malzeme etkileşiminde ortaya çıkacak sonucu etkilemektedir. Tezin kapsamında gerek lazer tipinin, kullanılacak dalga boyunun ve kurulacak deney düzeneğinde lazerin nasıl bir optik konfigürasyonla malzeme üzerine yönlendirildiği  hususları tarif edilmektedir. Malzeme ile ilgili ise, sahip olunan yüzey topografyası, oksit tabakası ve özellikleri, yüzeyin kimyasal yapısının getireceği etkiler ile ilgili teorik bilgilere değinilmiş, yüzey özellikleri ile etkileşim sonrası sonuçlar numuneler bazında değerlendirilmiştir.
Lazer ile malzeme etkileşimi söz konusu olduğundan malzemenin optik özelliklerinin de biliniyor olması gerekmektedir. Işığın katılarla etkileşimi gerçekleşirken; gelen ışık demeti malzeme üzerinde yansıma, soğurma, saçılım ve  malzeme içinde kısmi kırılım olaylarını gerçekleştirir.
•	Reflection (yansıtma)=>metallerde de geçerli,
•	Absorbtion (soğurma)=>metallerde de geçerli, 
•	Refraction (kırılım)=>sadece non-metalik malzemelerde,
•	Transmission (geçirme)=>sadece non-metalik malzemelerde, 
görülen temel fiziksel olaylardır.
Tez kapsamında, yukarıda bahsedilen optik özelliklerden bizi ilgilendiren yansıtma ve soğurma değerleri, kurulan deneysel düzenek yardımıyla her bir numune için ayrı ayrı ölçülerek kayıt altına alınmış ve ilerleyen deneylerde deney sonuçları değerlendirilirken yorumlanmıştır. 
Bunlara ilaveten malzemelerin yüzey özelliklerini belirleyen önemli parametrelerden biri olan oksit tipi, kimyasal özellikleri ve kalınlığı da tez kapsamında değerlendirilmiş, SEM-EDS analizleri ile yorumlanmıştır. 
Çelik, oda koşullarında hematit (Fe2O3) denilen oksit tabakasıyla kaplıdır. Sıcaklık arttıkça Fe'nin daha az kararlı olan formları olan manyetit (Fe3O4) ve wüstit (FeO) adlı yapılar ortaya çıkmaktadır. Tez kapsamında çeliğin standart oda koşullarında sahip olduğu doğal oksit tabakasının yanı sıra metalografik yöntemlerle zımpara ve parlatma yapılarak ve kumlanarak bilinçli olarak oksit tabakasını kaldırdığımız farklı numunelerde lazer ile etkileşim gerçekleştirilmiş ve sonuçlar kaydedilmiştir.
Farklı yüzey karakteristiğine sahip 18 adet numune hazırlanmış ve yüzey karakteristikleri ile optik özellikleri her biri için deneysel olarak hesaplanmıştır. Bu işlemlerin ardından seçilen 14 adet numune üzerinde zaman sabit tutulup lazer gücü arttırılarak lazer etkileşim deneyleri tamamlanmıştır. Aynı numuneler üzerinde lazer gücü sabit tutularak ve süre değiştirilerek bir set etkileşim çalışmaları yapılmış ve her bir numune üzerinde 12'şer adet etkileşim bölgesi oluşturulmuştur. Daha sonra da bu numuneler üzerindeki etkileşim bölgelerinin her birinin ablasyon çap ve derinlikleri tek tek ölçülerek kayıt altına alınmış ve yüzey özellikleri ve optik özelliklerine göre değişimleri değerlendirilmiştir.  
Bu tezde AISI 1045 çeliğinin farklı yüzey pürüzlülüklerinin 1070 nm dalgaboyunda yakın kızılötesi bölgede yansıtma ve soğurma özelliklerinin değişimi incelendi. Özellikle yüzey pürüzlülüğünün düzgün ve dağınık yansımalarının lazerin malzeme üzerinde ne kadar enerjisinin ısıya dönüştüğünün detaylı benzetim ve deneysel çalışmaları gerçekleştirildi. Lazer emisyon enerjisinin hedef üzerinde oluşturduğu ısıl etkiler, delme kalitesi (ısıdan etkilenmiş bölge, ablasyon ve yeniden çekirdeklenme) ve hasar eşik enerjisi bağlamında irdelendi. Farklı yüzey pürüzlülüklerinde hazırlanan numunelerdeki optik özelliklerin (absorptance/reflectance/refraction/transmission)  ölçümleri özel yansıtma küresi kullanılarak gerçekleştirildi. Her bir etkileşim numunesinin yüzey profili etkileşim öncesi ve etkileşim sonrasında optik profilometrede ölçüldü. Etkileşim sonrasında detaylı yüzey özellikleri taramalı elektron mikroskobu kullanılarak incelendi.

Abstract:
Nowadays, the need to reduce the deformation/distortion in the processing and shaping of materials used in different engineering fields such as metals, semi-metals, semiconductor and high-tech ceramic materials, which may arise as a result of these processes and the need to reduce the processing costs is becoming increasingly important. In order to meet the mentioned requirements, the need to use new and sensitive technologies alternative to traditional methods seems inevitable.
Lasers are among the most important alternatives for this technology. By using laser, machining and shaping operations can be performed with much lower tolerances and more accurately, than with conventional methods. For this reason, as the use of laser technologies in engineering increases, it becomes a necessity to investigate how laser materials such as steel interact with the laser.
When we look at laser material processing technologies, it is seen that there are application areas in many fields such as cutting, drilling, laser welding, laser insertion production, marking and ablation. In each of these processes, there are many sensitive parameters and selection criteria such as laser power, wavelength, laser type, gases used according to the process and material to be processed. These parameters directly affect the results to be obtained in laser operations. The information related to these issues is discussed within the scope of the thesis.
When working on the interaction of lasers with steels, the properties of the laser and the material to be used must be meticulously handled. Knowing the parameters such as wavelength, power density, angle of incidence for lasers is very necessary for adjusting the effect of laser on the material. In addition, parameters such as surface roughness and chemical structure of the target material to be used, oxide layer, and percentage of pollution affect the result of the laser material interaction. Within the scope of the thesis, both the type of laser, the wavelength to be used and how the laser is directed on the material in an experimental configuration are described. Regarding the material, theoretical information about the surface topography, oxide layer and its properties, and the effects of the chemical structure of the surface were mentioned. The results after interaction with the surface properties were evaluated on the basis of samples.
Since there is a material interaction with the laser, the optical properties of the material must also be known. Light interacts with solids; the incoming light beam performs reflection, absorption, scattering and partial refraction on the material.
• Reflection => also applies to metals,
• Absorbtion => also applies to metals,
• Refraction => non-metallic materials only,
• Transmission => only on non-metallic materials,
are basic physical events.
Within the scope of the thesis, the reflectance and absorption values of the above mentioned optical properties are measured and recorded separately for each sample with the help of the experimental set up and interpreted in the following experiments.
In addition, oxide type, chemical properties and thickness, which are the important parameters determining the surface properties of materials, were evaluated within the scope of the thesis and interpreted with SEM-EDS analysis.
Steel is covered with an oxide layer called hematite (Fe2O3) at room temperature conditions. As the temperature rises, the less stable forms of Fe are magnetite (Fe3O4) and wüstit (FeO). In the scope of the thesis, besides the natural oxide layer which the steel has under standard room conditions, the interaction with the laser was realized in different samples where we deliberately removed the oxide layer by sanding and polishing using metallographic methods and sandblasting.
Eighteen samples with different surface characteristics were prepared, each number from 1 to 18 was assigned and the surface characteristics and optical properties were calculated experimentally for each. The samples used in the experiments were 3 mm thick and 3 cm x 3 cm cut. 3 samples are made of AISI 304 stainless steel material and others are AISI 1045 type steel material. The surface properties of the samples were measured directly by optical profilometer without any surface treatment on 5 samples. While preparing the samples, sanding, polishing and sanding processes were applied to the samples with different variations in order to create different surface properties (Sdq and Ra). It is aimed to observe the change of the optical properties of the samples for different Sdq values by creating low, medium, high Sdq values which are pre-determined Sdq values to be obtained. Likewise, it is aimed to determine how the diameter and depth of ablation changes with Sdq after laser interaction.
When preparing the sample, it is aimed to change the surface topography without creating deep scratches on the surface of the sample. For this purpose, a sample preparation practice was developed, all sanding steps were carried out in order to bring the surface roughness up to nm level from raw samples and to obtain very low Sdq values, then polished with diamond particles wetted with different particle sizes, and then the mirror-like appearance and Ra was obtained at about 15 nm and thus very low targeted Sdq values were obtained. Different tests were performed for higher Sdq values, some samples were sandblasted before sanding and then directly polished. Some samples were sandblasted for different periods while they were in the raw state, while others were sandblasted for different periods after all sanding and polishing stages were realized and mirror-like surfaces were formed. In this method, when sandblasting is applied to bright samples, it is observed that there is a direct correlation between sandblasting time and surface roughness. 18 samples were subjected to these processes and different surface properties were obtained and recorded.
The samples were put into the reflecting sphere for the determination of their optical properties and the low power laser was dropped on them and the values were formed by the device according to how the samples reflect the incoming beam. These values were made meaningful by applying a formulation and as a result the uniform and diffuse reflectance ratios and absorption rates of each sample were calculated. The results obtained were correlated with surface properties.
During the interaction, LWIR camera images were taken for each sample and the temperatures of the interacting regions and the appearance of the laser beam on the material were recorded.
After these procedures, the laser interaction experiments were completed by keeping the time constant on the selected 14 samples and increasing the laser power from  40W to 100W. A set of interaction studies were performed on the same samples by keeping the laser power constant and changing the time within a range of 0.7 s to 2 s, creating 12 interaction zones on each sample in total. Then, the ablation diameter and depth of each of the interaction regions on these samples were measured and recorded individually, and their changes according to surface and optical properties were evaluated and interpreted. During the interaction, LWIR camera images were taken for each sample and the temperatures of the interacting regions and the appearance of the laser beam on the material were recorded.
In this thesis, the change of reflectance and absorption properties of different surface roughness of AISI 1045 steel in near infrared region at 1070 nm wavelength was investigated. In particular, detailed simulation and experimental studies were carried out on how much energy of the laser is converted to heat by the smooth and diffuse reflections of surface roughness. The thermal effects of the laser emission energy on the target were examined in the context of puncture quality (heat-affected zone, ablation and re-nucleation) and damage threshold energy. The optical properties (absorbance / reflectance / refraction / transmission) of the samples prepared at different surface roughnesses were measured using a special reflecting sphere. Surface profile of each interaction sample.