Ayarlanabilir çift ışın demetli yüksek güçlü fiber lazer sisteminin geliştirilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, geleneksel lazer kaynak teknolojilerinin sınırlamalarını aşmak üzere, ayarlanabilir çift ışın yapısına sahip yüksek güçlü bir fiber lazer sistemi (Adjustable Beam Laser – ABL) tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Fiber lazerlerin endüstriyel üretim süreçlerinde sunduğu avantajlara rağmen, standart tek ışınlı yapıların özellikle farklı kalınlık ve yapıya sahip malzemelerde sınırlı performans sergilediği bilinmektedir. Bu bağlamda, tez kapsamında geliştirilen ABL sistemi, iki bağımsız lazer modülünden elde edilen ışınların özel bir optik birleştirici aracılığıyla tek bir fiber kablo üzerinden taşınması prensibine dayanmaktadır. ABL sisteminde kullanılan dış halka biçimindeki ilk ışık bileşeni (donut-shaped beam), kaynak bölgesinde dengeli bir ergiyik havuzu oluşturmakta; bu sayede yüzeydeki ısı dağılımı homojenleşmekte ve termal stresler azaltılmaktadır. Aynı zamanda, merkezde konumlandırılan ikinci ışık bileşeni daha yüksek enerji yoğunluğuyla doğrudan malzeme içine yönelerek, nüfuziyetin artırılmasını sağlamaktadır. Bu iki ışığın ayrı ayrı kontrol edilebilmesi sayesinde, lazer ışınının şekli ve enerji dağılımı kaynak sırasında dinamik olarak uyarlanabilmekte; bu da işlem kalitesinde önemli bir iyileşme sağlamaktadır. Sistem ilk olarak kavramsal olarak tasarlanmış, ardından optik, mekanik ve elektronik bileşenlerin entegrasyonu sağlanarak laboratuvar düzeyinde bir prototip üretilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması kapsamında geliştirilen ayarlanabilir çift ışınlı fiber lazer sistemi, hem ince hem de kalın metallere uygulanabilirliği ile dikkat çekmekte; özellikle hassas kaynak uygulamaları için önemli bir yenilik sunmaktadır. Sistem, mevcut endüstriyel lazer kaynak teknolojilerine güçlü bir alternatif olarak değerlendirilmekte olup, üretim maliyetlerini düşürme, kaliteyi artırma ve çevresel etkileri azaltma potansiyeline sahiptir.

In this thesis study, a high-power fiber laser system with an adjustable dual-beam structure (Adjustable Beam Laser – ABL) was designed and developed to overcome the limitations of conventional laser welding technologies. Despite the advantages that fiber lasers offer in industrial manufacturing processes, it is well known that standard single-beam configurations exhibit limited performance, especially when applied to materials with varying thicknesses and structural properties. In this context, the ABL system developed within the scope of this thesis is based on the principle of transmitting two independently generated laser beams through a single fiber cable using a specially designed optical beam combiner. The first light component in the ABL system, shaped as an outer ring (donut-shaped beam), creates a stable molten pool in the welding zone, thereby promoting uniform heat distribution on the surface and reducing thermal stresses. Simultaneously, the second component, concentrated at the center, delivers higher energy density directly into the material, enabling deeper penetration. The ability to independently control these two beams allows the laser beam shape and energy distribution to be dynamically adjusted during the process, significantly improving weld quality. The system was initially designed conceptually, and then a laboratory-scale prototype was developed by integrating optical, mechanical, and electronic components. As a result, the adjustable dual-beam fiber laser system developed in this thesis demonstrates applicability to both thin and thick metals and presents an important innovation, particularly for precision welding applications. The system is considered a strong alternative to existing industrial laser welding technologies and has the potential to reduce production costs, enhance quality, and minimize environmental impact.