Teknologi laser

1. Prinsip Pengelasan Laser

Pengelasan laser dapat dicapai menggunakan berkas laser kontinu atau berdenyut. Prinsip pengelasan laser dapat dibagi menjadi pengelasan konduksi panas dan pengelasan penetrasi dalam laser. Kerapatan daya kurang dari 10 ⁴ ~10⁵ W/CM ² adalah pengelasan konduksi panas, yang ditandai oleh penetrasi dangkal dan kecepatan pengelasan lambat. Ketika kerapatan daya lebih besar dari 10 ⁵ ~10⁷ W/CM ² , permukaan logam dipanaskan, menghasilkan "rongga" dan membentuk pengelasan penetrasi dalam, yang ditandai oleh kecepatan pengelasan tinggi serta rasio kedalaman terhadap lebar yang besar.

Prinsip pengelasan laser konduksi panas adalah sebagai berikut: radiasi laser memanaskan permukaan benda kerja yang akan diproses, dan panas di permukaan menyebar ke dalam melalui konduksi panas. Dengan mengatur parameter laser—seperti lebar pulsa, energi, daya puncak, dan frekuensi pengulangan pulsa laser—benda kerja meleleh dan membentuk kolam lebur tertentu.

Mesin pengelasan laser yang digunakan untuk pengelasan roda gigi dan pengelasan pelat tipis metalurgi terutama melibatkan pengelasan laser penetrasi dalam. Prinsip pengelasan laser penetrasi dalam akan dibahas secara mendetail di bawah ini.

Pengelasan penetrasi dalam dengan laser biasanya menggunakan sinar laser kontinu untuk menyatukan material. Fisika metalurginya sangat mirip dengan pengelasan berkas elektron, dengan mekanisme konversi energi yang tercapai melalui struktur "keyhole". Di bawah penyinaran laser dengan kerapatan daya yang cukup tinggi, material menguap dan membentuk keyhole. Keyhole yang diisi uap ini berfungsi seperti benda hitam, menyerap hampir seluruh energi dari berkas datang. Suhu kesetimbangan di dalam keyhole mencapai sekitar 2500 °C. Panas dipindahkan dari dinding luar lubang kunci (keyhole) bersuhu tinggi ini, sehingga melelehkan logam di sekitarnya. Lubang kunci diisi oleh uap bersuhu tinggi yang dihasilkan oleh penguapan terus-menerus bahan dinding akibat iradiasi berkas. Dinding lubang kunci mengelilingi logam cair, dan logam cair tersebut mengelilingi material padat (pada sebagian besar proses pengelasan konvensional dan pengelasan konduksi laser, energi pertama kali diserap pada permukaan benda kerja, kemudian dipindahkan ke bagian dalam). Aliran cairan dan tegangan permukaan di luar dinding lubang kunci mempertahankan keseimbangan dinamis dengan tekanan uap yang terus-menerus dihasilkan di dalam lubang kunci. Saat berkas laser terus memasuki lubang kunci, material di luar lubang kunci terus mengalir. Ketika berkas laser bergerak, lubang kunci tetap berada dalam keadaan aliran stabil. Dengan kata lain, lubang kunci dan logam cair di sekitarnya bergerak maju dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan berkas pandu. Logam cair mengisi celah-celah yang ditinggalkan setelah lubang kunci berpindah, lalu mengeras, sehingga membentuk lasan. Semua proses ini berlangsung sangat cepat sehingga kecepatan pengelasan dapat dengan mudah mencapai beberapa meter per menit.

2. Parameter Proses Utama pada Pengelasan Penetrasi Dalam dengan Laser

Kekuatan laser

Pengelasan laser melibatkan ambang kerapatan energi laser. Di bawah ambang ini, kedalaman penetrasi bersifat dangkal; begitu ambang tersebut tercapai atau dilampaui, kedalaman penetrasi meningkat secara signifikan. Plasma dihasilkan hanya ketika kerapatan daya laser pada benda kerja melebihi ambang ini (yang bergantung pada jenis material), menandai dimulainya pengelasan penetrasi dalam yang stabil. Jika daya laser berada di bawah ambang ini, hanya terjadi peleburan permukaan pada benda kerja, artinya proses pengelasan berlangsung dalam mode konduksi panas yang stabil. Ketika kerapatan daya laser berada di dekat kondisi kritis pembentukan lubang kunci (keyhole), pengelasan penetrasi dalam dan pengelasan konduksi saling bergantian, sehingga menghasilkan proses pengelasan yang tidak stabil dengan fluktuasi besar pada kedalaman penetrasi. Dalam pengelasan penetrasi dalam laser, daya laser secara bersamaan mengatur kedalaman penetrasi las dan kecepatan pengelasan. Kedalaman penetrasi las secara langsung berkaitan dengan kerapatan daya berkas dan merupakan fungsi dari daya berkas yang jatuh serta titik fokus berkas. Secara umum, untuk berkas laser dengan diameter tertentu, kedalaman penetrasi meningkat seiring peningkatan daya berkas.

Titik Fokus Berkas

Ukuran titik berkas merupakan salah satu variabel paling penting dalam pengelasan laser karena menentukan kerapatan daya. Namun, pengukurannya untuk laser berdaya tinggi sangat menantang, meskipun terdapat banyak teknik pengukuran tidak langsung.

Ukuran titik berkas laser yang dibatasi oleh difraksi dapat dihitung berdasarkan teori difraksi optik. Namun, akibat adanya aberasi pada lensa fokus, ukuran titik aktual lebih besar daripada nilai yang dihitung. Metode pengukuran praktis paling sederhana adalah metode profilometri isotermal, yang melibatkan pembakaran selembar kertas tebal dan penetrasi pelat polipropilena sebelum mengukur titik fokus serta diameter lubang tembus. Metode ini memerlukan pengukuran praktis untuk menguasai daya laser dan durasi kontak berkas.

Nilai Penyerapan Bahan

Penyerapan cahaya laser oleh suatu material bergantung pada beberapa sifat penting, seperti kemampuan menyerap (absorptivitas), kemampuan memantul (reflektivitas), konduktivitas termal, suhu lebur, dan suhu penguapan, di mana absorptivitas merupakan sifat yang paling penting.

Faktor-faktor yang memengaruhi absorptivitas suatu material terhadap berkas laser meliputi dua aspek: Pertama, resistivitas material. Pengukuran absorptivitas permukaan yang dipoles menunjukkan bahwa absorptivitas sebanding dengan akar kuadrat dari resistivitas, yang pada gilirannya bervariasi tergantung suhu. Kedua, kondisi permukaan (atau kehalusan) material memiliki pengaruh signifikan terhadap absorptivitas berkas, sehingga secara nyata memengaruhi hasil pengelasan.

Panjang gelombang keluaran laser CO2 biasanya 10,6 μ m. Bahan non-logam seperti keramik, kaca, karet, dan plastik memiliki tingkat penyerapan yang tinggi pada suhu ruang, sedangkan bahan logam menyerapnya dengan buruk pada suhu ruang; penyerapan baru meningkat tajam setelah bahan meleleh atau bahkan menguap. Lapisan permukaan atau lapisan oksida merupakan metode efektif untuk meningkatkan penyerapan berkas laser oleh bahan.

Kecepatan Pengelasan

Kecepatan pengelasan secara signifikan memengaruhi kedalaman penetrasi las. Peningkatan kecepatan menghasilkan penetrasi yang lebih dangkal, sedangkan kecepatan yang terlalu rendah menyebabkan peleburan berlebih dan tembus las (burn-through). Oleh karena itu, untuk suatu bahan tertentu dengan daya laser dan ketebalan tertentu, terdapat rentang kecepatan pengelasan yang sesuai, di mana penetrasi maksimum dapat dicapai. Gambar 10-2 menunjukkan hubungan antara kecepatan pengelasan dan kedalaman penetrasi untuk baja 1018.

Gas Pelindung

Gas inert umumnya digunakan untuk melindungi kolam cair selama pengelasan laser. Meskipun oksidasi permukaan mungkin tidak menjadi perhatian bagi bahan tertentu, helium, argon, dan nitrogen umumnya digunakan dalam sebagian besar aplikasi untuk mencegah oksidasi benda kerja selama pengelasan.

Helium terionisasi dengan buruk (namun memiliki energi ionisasi tinggi), sehingga memungkinkan berkas laser melewati secara lancar dan mencapai permukaan benda kerja tanpa hambatan. Ini merupakan gas pelindung paling efektif yang digunakan dalam pengelasan laser, namun relatif mahal.

Argon lebih murah dan memiliki densitas lebih tinggi, sehingga memberikan perlindungan yang baik. Namun, argon mudah terionisasi oleh plasma logam bersuhu tinggi, yang menghalangi sebagian berkas laser agar tidak mencapai benda kerja, sehingga mengurangi daya laser efektif serta menurunkan kecepatan pengelasan dan penetrasi. Hasil las yang dilindungi dengan argon memiliki permukaan yang lebih halus dibandingkan yang dilindungi dengan helium.

Nitrogen adalah gas pelindung termurah, tetapi tidak cocok untuk mengelas jenis baja tahan karat tertentu, terutama karena masalah metalurgi seperti penyerapan, yang kadang-kadang dapat menyebabkan porositas di area sambungan.

Fungsi kedua gas pelindung adalah melindungi lensa fokus dari kontaminasi uap logam dan percikan tetesan cairan logam. Fungsi ini sangat penting dalam pengelasan laser berdaya tinggi, di mana material yang terlempar menjadi sangat kuat.

Fungsi ketiga gas pelindung adalah efektivitasnya dalam menghamburkan plasma yang dihasilkan oleh pengelasan laser berdaya tinggi. Uap logam menyerap berkas laser dan terionisasi menjadi awan plasma. Gas pelindung yang mengelilingi uap logam juga terionisasi akibat pemanasan. Jika jumlah plasma terlalu besar, sebagian berkas laser akan diserap oleh plasma tersebut. Plasma hadir sebagai sumber energi sekunder di permukaan kerja, sehingga mengakibatkan penetrasi las yang lebih dangkal dan kolam las yang lebih lebar. Laju rekombinasi elektron meningkat dengan meningkatnya tumbukan antara elektron, ion, dan atom netral, sehingga mengurangi kerapatan elektron dalam plasma. Semakin ringan massa atom netral, semakin tinggi frekuensi tumbukan dan laju rekombinasi; di sisi lain, hanya gas pelindung dengan energi ionisasi tinggi yang mampu mencegah peningkatan kerapatan elektron akibat ionisasi gas itu sendiri.

Ukuran awan plasma bervariasi tergantung pada gas pelindung yang digunakan, dengan helium memiliki ukuran paling kecil, diikuti oleh nitrogen, dan argon memiliki ukuran paling besar. Semakin besar ukuran awan plasma, semakin dangkal penetrasi lasnya. Perbedaan ini terutama disebabkan oleh tingkat ionisasi molekul gas yang berbeda-beda, serta perbedaan difusi uap logam akibat kerapatan gas pelindung yang berbeda.

Helium memiliki tingkat ionisasi dan kerapatan paling rendah, sehingga mampu dengan cepat mengusir uap logam yang naik dari kolam logam cair. Oleh karena itu, penggunaan helium sebagai gas pelindung secara maksimal menekan pembentukan plasma, sehingga meningkatkan penetrasi las dan kecepatan pengelasan; bobotnya yang ringan juga memungkinkannya mudah keluar, sehingga mengurangi kemungkinan terbentuknya porositas. Namun, berdasarkan hasil pengelasan aktual kami, pelindung argon terbukti cukup efektif.

Dampak awan plasma terhadap penetrasi las paling nyata pada kecepatan pengelasan rendah. Pengaruhnya berkurang seiring peningkatan kecepatan pengelasan.

Gas pelindung dikeluarkan pada tekanan tertentu melalui sebuah nosel dan mencapai permukaan benda kerja. Bentuk hidrodinamis nosel serta diameter lubang keluarannya sangat menentukan. Gas pelindung harus cukup besar untuk menutupi permukaan pengelasan, namun ukuran nosel harus dibatasi guna melindungi lensa secara efektif serta mencegah kontaminasi uap logam atau kerusakan akibat percikan logam. Laju aliran juga harus dikendalikan; jika tidak, aliran laminar gas pelindung akan berubah menjadi turbulen, sehingga udara atmosfer terbawa masuk ke dalam kolam cair dan akhirnya membentuk porositas.

Untuk meningkatkan efek pelindungan, dapat digunakan metode tiupan lateral tambahan, di mana gas pelindung diinjeksikan secara langsung ke dalam lubang (pinhole) las penetrasi dalam melalui nosel berdiameter lebih kecil pada sudut tertentu. Gas pelindung tidak hanya menekan awan plasma di permukaan benda kerja, tetapi juga memengaruhi plasma di dalam lubang (pinhole) serta pembentukan lubang tersebut, sehingga penetrasi menjadi lebih dalam dan menghasilkan las dengan rasio kedalaman-lebar yang ideal. Namun, metode ini memerlukan pengendalian presisi terhadap laju aliran dan arah gas; jika tidak, turbulensi dapat dengan mudah terjadi, merusak kolam cair (molten pool) dan menyebabkan proses pengelasan menjadi tidak stabil.

Panjang Fokus Lensa

Selama pengelasan, laser biasanya difokuskan, umumnya menggunakan lensa dengan panjang fokus 63–254 mm (2,5 ”~10”ukuran titik fokus berbanding lurus dengan panjang fokus; semakin pendek panjang fokus, semakin kecil ukuran titik tersebut. Namun, panjang fokus juga memengaruhi kedalaman fokus, artinya kedalaman fokus meningkat secara proporsional seiring dengan penambahan panjang fokus. Oleh karena itu, panjang fokus yang lebih pendek dapat meningkatkan kerapatan daya, tetapi akibat kedalaman fokus yang dangkal, jarak antara lensa dan benda kerja harus dijaga secara presisi, serta kedalaman penetrasi juga menjadi terbatas. Karena pengaruh percikan (spatter) dan mode laser yang dihasilkan selama pengelasan, panjang fokus terpendek yang sebenarnya digunakan dalam pengelasan umumnya adalah 126 mm (5 ”ketika sambungan besar atau ketika perlu meningkatkan ukuran las dengan memperbesar ukuran titik fokus, lensa dengan panjang fokus 254 mm (10 ”dapat dipilih. Dalam kasus ini, untuk mencapai efek lubang kunci (keyhole) penetrasi dalam, diperlukan daya keluaran laser yang lebih tinggi (kerapatan daya).

Ketika daya laser melebihi 2 kW, khususnya untuk 10,6 μ sinar laser CO2 berpanjang gelombang m, karena penggunaan bahan optik khusus dalam sistem optik, sering digunakan pemfokusan melalui refleksi untuk menghindari kerusakan optik pada lensa pemfokus. Cermin tembaga yang telah dipoles umumnya digunakan sebagai reflektor. Berkat sifat pendinginan yang efektif, cermin tersebut sering direkomendasikan untuk memfokuskan berkas laser berdaya tinggi.

Posisi fokus

Selama proses pengelasan, posisi fokus sangat penting untuk mempertahankan kerapatan daya yang memadai. Perubahan posisi relatif fokus terhadap permukaan benda kerja secara langsung memengaruhi lebar dan kedalaman las. Gambar 2-6 menunjukkan pengaruh posisi fokus terhadap kedalaman penetrasi dan lebar las pada baja 1018.

Pada sebagian besar aplikasi pengelasan laser, fokus biasanya ditempatkan sekitar seperempat jarak di bawah permukaan benda kerja untuk mencapai kedalaman penetrasi yang diinginkan.

Posisi Berkas Laser

Saat mengelas bahan-bahan berbeda dengan laser, posisi berkas laser mengontrol kualitas las akhir, terutama pada sambungan ujung-ke-ujung (butt joints) di mana kepekaannya lebih tinggi dibandingkan pada sambungan tumpang (lap joints). Sebagai contoh, saat mengelas roda gigi baja keras ke drum baja berkarbon rendah, pengendalian posisi berkas laser yang tepat akan menghasilkan las yang terutama tersusun dari komponen baja berkarbon rendah, sehingga menunjukkan ketahanan retak yang lebih baik. Pada beberapa aplikasi, geometri benda kerja yang akan dilas memerlukan pembelokan berkas laser pada suatu sudut. Apabila sudut pembelokan antara sumbu berkas dan bidang sambungan berada dalam kisaran 100 derajat, penyerapan energi laser oleh benda kerja tidak akan terpengaruh.

Pengendalian peningkatan dan penurunan daya laser pada titik awal dan akhir pengelasan

Selama pengelasan penetrasi dalam dengan laser, fenomena lubang (pinhole) selalu terjadi, terlepas dari kedalaman las. Ketika proses pengelasan dihentikan dan saklar daya dimatikan, sebuah lekukan akan muncul di ujung hasil las. Selain itu, ketika lapisan las laser menutupi las awal, penyerapan berlebihan terhadap berkas laser dapat terjadi, yang mengakibatkan kepanasan berlebih atau porositas pada sambungan las.

Untuk mencegah fenomena-fenomena tersebut, titik awal dan akhir daya dapat diprogram sehingga waktu penyalaan dan pemadaman daya menjadi dapat disesuaikan. Artinya, daya awal secara elektronik dinaikkan dari nol hingga nilai daya yang telah ditetapkan dalam waktu singkat, dan durasi pengelasan disesuaikan. Akhirnya, pada akhir proses pengelasan, daya dikurangi secara bertahap dari nilai daya yang telah ditetapkan hingga nol.

3. Karakteristik, keuntungan, dan kekurangan pengelasan penetrasi dalam dengan laser

Karakteristik pengelasan penetrasi dalam dengan laser

1) Rasio aspek tinggi. 1) **Las dalam dan sempit:** Karena logam cair terbentuk di sekitar rongga uap bersuhu tinggi berbentuk silinder dan memanjang ke arah benda kerja, hasil las menjadi dalam dan sempit.

2) **Masukan panas minimum:** Karena suhu di dalam lubang sangat tinggi, proses peleburan berlangsung sangat cepat, sehingga masukan panas ke benda kerja menjadi sangat rendah, meminimalkan deformasi akibat panas serta zona terpengaruh panas.

3) **Kepadatan tinggi:** Lubang yang terisi uap bersuhu tinggi memfasilitasi pengadukan kolam las dan pelepasan gas, menghasilkan sambungan las bebas pori dengan penetrasi penuh. Laju pendinginan tinggi setelah pengelasan juga semakin menyempurnakan struktur mikro las.

4) **Las yang kuat:** Sumber panas yang intens dan penyerapan penuh komponen non-logam mengurangi kandungan pengotor serta mengubah ukuran dan distribusi inklusi dalam kolam las. Proses pengelasan tidak memerlukan elektroda atau kawat pengisi, sehingga kontaminasi di zona cair menjadi lebih rendah, menjadikan kekuatan dan ketangguhan sambungan las setidaknya sama dengan atau bahkan melebihi kekuatan dan ketangguhan logam dasar.

5) **Kontrol yang presisi:** Karena titik fokus sangat kecil, posisi las dapat ditentukan secara tepat. Keluaran laser tidak memiliki "inersia", memungkinkan penghentian dan pengaktifan kembali secara cepat pada kecepatan tinggi. Teknologi pergerakan berkas CNC memungkinkan pengelasan komponen kerja yang kompleks. 6) Proses pengelasan atmosferik tanpa kontak fisik. Karena energi berasal dari berkas foton, tidak terjadi kontak fisik dengan benda kerja, sehingga tidak ada gaya eksternal yang dikenakan pada benda kerja. Selain itu, medan magnet dan udara tidak memengaruhi sinar laser.

Keunggulan Pengelasan Penetrasi Dalam dengan Laser

1) Karena kerapatan daya laser terfokus jauh lebih tinggi dibandingkan metode konvensional, kecepatan pengelasan sangat cepat, zona terpengaruh panas dan deformasi sangat kecil, serta mampu mengelas bahan-bahan yang sulit dilas seperti titanium.

2) Karena berkasnya mudah ditransmisikan dan dikendalikan, tidak diperlukan pergantian sering pada torch pengelasan dan nosel, serta tidak memerlukan proses vakum seperti pada pengelasan berkas elektron, sehingga waktu henti (downtime) berkurang secara signifikan, menghasilkan faktor beban tinggi dan efisiensi produksi yang baik.

3) Berkat efek pemurnian dan laju pendinginan yang tinggi, hasil las memiliki kekuatan, ketangguhan, serta kinerja keseluruhan yang tinggi.

4) Karena masukan panas rata-rata yang rendah, akurasi proses tinggi, sehingga mengurangi biaya pengerjaan ulang; selain itu, biaya operasional pengelasan laser juga lebih rendah, sehingga menurunkan biaya pemrosesan benda kerja.

5) Intensitas berkas dan penentuan posisi yang presisi dapat dikendalikan secara efektif, sehingga memudahkan operasi otomatis.

Kelemahan Pengelasan Penetrasi Dalam dengan Laser

1) Kedalaman pengelasan terbatas.

2) Persyaratan tinggi untuk perakitan benda kerja.

3) Investasi awal yang tinggi untuk sistem laser.