Laser technologie

1. Principe van laserslassen

Laserslassen kan worden uitgevoerd met behulp van continue of gepulste laserstralen. Het principe van laserslassen kan worden onderverdeeld in warmtegeleidingslassen en diep-penetratielaserslassen. Een vermogensdichtheid lager dan 10 ⁴ ~10⁵ B/CM ² is warmtegeleidingslassen, gekenmerkt door ondiepe doordringing en een langzame las snelheid. Wanneer de vermogensdichtheid groter is dan 10 ⁵ ~10⁷ B/CM ² , wordt het metalen oppervlak verhit, waardoor "holten" ontstaan en diepe-doordringingslassen wordt gevormd, wat gekenmerkt wordt door een hoge lassnelheid en een grote verhouding van diepte tot breedte.

Het principe van warmtegeleidingslaserlassen is als volgt: laserstraling verwarmt het te bewerken oppervlak, en de warmte aan het oppervlak verspreidt zich via warmtegeleiding naar binnen. Door de laserparameters, zoals de pulsbreedte, energie, piekvermogen en herhalingfrequentie van de laserpuls, te regelen, smelt het werkstuk en vormt er zich een specifieke smeltbad.

Laserlasapparaten die worden gebruikt voor tandwiellassen en lassen van metallurgische dunne platen maken voornamelijk gebruik van laserdiepe-doordringingslassen. Het principe van laserdiepe-doordringingslassen wordt hieronder uitvoerig besproken.

Laserdieplasmlassen maakt doorgaans gebruik van een continue laserstraal om materialen te verbinden. De metallurgische fysica ervan is zeer vergelijkbaar met elektronenbundellassen, waarbij het energieomzettingsmechanisme wordt bereikt via een 'sleutelgat'-structuur. Onder voldoende hoge vermogensdichtheid van de laserstraling verdampt het materiaal en vormt een sleutelgat. Dit met damp gevulde sleutelgat gedraagt zich als een zwart lichaam en absorbeert bijna al de energie van de invallende straal. De evenwichtstemperatuur binnen het sleutelgat bedraagt ongeveer 2500 °C. Warmte wordt overgedragen van de buitenwand van deze hoge-temperatuur-pijnlijkheid (keyhole), waardoor het metaal eromheen smelt. De pijnlijkheid is gevuld met hoogtemperatuurdamp die wordt gegenereerd door de continue verdamping van het wandmateriaal onder stralingsbelasting van de lichtbundel. De wanden van de pijnlijkheid omsluiten vloeibaar metaal, en het vloeibare metaal omsluit vast materiaal (bij de meeste conventionele lasprocessen en laserconductielassen wordt energie eerst op het oppervlak van het werkstuk afgezet en vervolgens naar het interieur overgedragen). De vloeistofstroming en de oppervlaktespanning buiten de wanden van de pijnlijkheid handhaven een dynamisch evenwicht met de continu gegenereerde dampdruk binnen de pijnlijkheid. Naarmate de laserbundel voortdurend in de pijnlijkheid binnendringt, blijft het materiaal buiten de pijnlijkheid stromen. Terwijl de laserbundel zich verplaatst, blijft de pijnlijkheid in een stabiele stroomtoestand. Met andere woorden, de pijnlijkheid en het vloeibare metaal dat deze omgeeft bewegen zich voorwaarts met dezelfde snelheid als de geleidende bundel. Het vloeibare metaal vult de gaten op die achterblijven nadat de pijnlijkheid is doorgetrokken en stolt vervolgens, waardoor een lasverbinding ontstaat. Dit alles gebeurt zo snel dat lasnelheden gemakkelijk enkele meters per minuut kunnen bedragen.

2. Belangrijke procesparameters van laserdieplasmlassen

Laser Power

Laserlassen omvat een drempelwaarde voor de laserenergiedichtheid. Onder deze drempelwaarde is de indringdiepte gering; zodra deze drempelwaarde wordt bereikt of overschreden, neemt de indringdiepte sterk toe. Plasma ontstaat alleen wanneer de laserstraalvermogensdichtheid op het werkstuk deze drempelwaarde (afhankelijk van het materiaal) overschrijdt, wat het begin markeert van stabiel diepindringend lassen. Indien het laserstraaalvermogen onder deze drempelwaarde ligt, treedt alleen oppervlaktesmelting op in het werkstuk, wat betekent dat het lassen plaatsvindt in een stabiele warmtegeleidingsmodus. Wanneer de laserstraalvermogensdichtheid in de buurt ligt van de kritieke voorwaarde voor het vormen van een sleutelgat, wisselen diepindringend lassen en geleidingslassen elkaar af, wat resulteert in een instabiel lasproces met grote schommelingen in de indringdiepte. Bij laserdiepindringend lassen regelt het laserstraaalvermogen tegelijkertijd zowel de indringdiepte als de las snelheid. De indringdiepte van de las is rechtstreeks gerelateerd aan de straalvermogensdichtheid en is een functie van het invallende straalvermogen en de straalbrandvlek. Over het algemeen neemt de indringdiepte bij een laserstraal met een bepaalde diameter toe met stijgend straalvermogen.

Bundel focusvlek

De bundelvlekgrootte is een van de belangrijkste variabelen bij laserlassen, omdat deze de vermogensdichtheid bepaalt. Het meten ervan voor hoogvermogenslasers is echter uitdagend, ondanks het bestaan van talloze indirecte meettechnieken.

De door diffractie beperkte vlekgrootte van de laserbundel kan worden berekend op basis van de optische diffractietheorie. Vanwege aberraties in de focuslens is de werkelijke vlekgrootte echter groter dan de berekende waarde. De eenvoudigste praktische meetmethode is de isotherme profielmeting, waarbij een dikke vel papier wordt gechareerd en een polypropyleenplaat wordt doorgedrongen, waarna de focusvlek en de diameter van de perforatie worden gemeten. Deze methode vereist praktisch meten om het laservermogen en de duur van het bundelcontact te beheersen.

Materiaalabsorptiewaarde

De absorptie van laserlicht door een materiaal hangt af van verschillende belangrijke eigenschappen, zoals absorptievermogen, reflectiviteit, thermische geleidbaarheid, smelttemperatuur en verdampings temperatuur, waarbij het absorptievermogen het belangrijkst is.

Factoren die het absorptievermogen van een materiaal voor een laserstraal beïnvloeden, omvatten twee aspecten: Ten eerste de weerstand van het materiaal. Metingen van het absorptievermogen van gepolijste oppervlakken tonen aan dat het absorptievermogen evenredig is met de vierkantswortel van de weerstand, die op zijn beurt varieert met de temperatuur. Ten tweede heeft de oppervlaktoestand (of gladheid) van het materiaal een aanzienlijke invloed op het absorptievermogen van de straal, waardoor het lasresultaat aanzienlijk wordt beïnvloed.

De uitgangsgolflengte van een CO2-laser bedraagt doorgaans 10,6 μ m. Niet-metalen materialen zoals keramiek, glas, rubber en kunststoffen hebben bij kamertemperatuur een hoge absorptiegraad, terwijl metalen materialen bij kamertemperatuur slecht absorberen; de absorptie neemt pas sterk toe zodra het materiaal smelt of zelfs verdampt. Oppervlaktecoatings of oxidefilms zijn effectieve methoden om de absorptie van de laserstraal door het materiaal te verbeteren.

Snelheid van Lassen

De las snelheid heeft een aanzienlijke invloed op de lasdoordringing. Een hogere snelheid leidt tot een kleinere doordringing, terwijl een te lage snelheid oververhitting en doorsmelten veroorzaakt. Er bestaat daarom voor een specifiek materiaal, bij een gegeven laser vermogen en dikte, een geschikt bereik van las snelheden, waarbinnen de maximale doordringing kan worden bereikt. Figuur 10-2 toont het verband tussen las snelheid en doordringing voor staalsoort 1018.

Schildergas

Inerte gassen worden veel gebruikt om de smeltbaden te beschermen tijdens laserlassen. Hoewel oppervlakteoxidatie bij bepaalde materialen geen probleem hoeft te zijn, worden helium, argon en stikstof in de meeste toepassingen gebruikt om oxidatie van het werkstuk tijdens het lassen te voorkomen.

Helium wordt slecht geïoniseerd (maar heeft een hoge ionisatie-energie), waardoor de laserstraal soepel door kan dringen en ongehinderd het werkstukoppervlak bereikt. Dit is het meest effectieve beschermgas dat bij laserlassen wordt gebruikt, maar het is relatief duur.

Argon is goedkoper en heeft een hogere dichtheid, wat leidt tot goede bescherming. Het wordt echter gemakkelijk geïoniseerd door het hoogtemperatuurmetaalplasma, waardoor een deel van de straal wordt afgeschermd en niet het werkstuk bereikt; dit vermindert het effectieve laservermogen en beïnvloedt negatief de las snelheid en doordringing. Lassen die met argon zijn beschermd, hebben een gladder oppervlak dan die welke met helium zijn beschermd.

Stikstof is het goedkoopste beschermgas, maar het is niet geschikt voor het lassen van bepaalde soorten roestvast staal, voornamelijk vanwege metallurgische problemen zoals absorptie, wat soms porositeit in de lasnaad kan veroorzaken.

Een tweede functie van beschermgassen is het beschermen van de focuslens tegen verontreiniging door metaaldamp en sputterende gesmolten druppels. Dit is vooral belangrijk bij laserlassen met hoog vermogen, waarbij het uitgeworpen materiaal zeer krachtig wordt.

Een derde functie van beschermgassen is hun effectiviteit bij het verdelen van het plasma dat wordt gegenereerd door laserslassen met hoog vermogen. Metaaldamp absorbeert de laserstraal en ioniseert tot een plasmawolk. Het beschermgas rondom de metaaldamp ioniseert eveneens door verwarming. Als er te veel plasma aanwezig is, wordt de laserstraal gedeeltelijk geabsorbeerd door het plasma. Plasma functioneert als een secundaire energiebron op het werkoppervlak, wat resulteert in een kleinere lasdoordringing en een breder lasbad. De elektronenrecombinatiesnelheid wordt verhoogd door meer botsingen tussen elektronen, ionen en neutrale atomen, waardoor de elektronendichtheid in het plasma afneemt. Hoe lichter de neutrale atomen zijn, des te hoger is de botsingsfrequentie en de recombinatiesnelheid; anderzijds kan alleen een beschermgas met een hoge ionisatie-energie een toename van de elektronendichtheid voorkomen die wordt veroorzaakt door ionisatie van het gas zelf.

De grootte van de plasmacloud varieert afhankelijk van het gebruikte beschermgas, waarbij helium de kleinste grootte heeft, gevolgd door stikstof en argon met de grootste. Een grotere plasmacloud leidt tot een minder diepe lasdoordringing. Dit verschil is voornamelijk te wijten aan de verschillende mate van ionisatie van de gasmoleculen, maar ook aan de verschillen in metaaldampdiffusie veroorzaakt door de verschillende dichtheden van de beschermgassen.

Helium heeft de laagste ionisatiegraad en dichtheid, waardoor het snel opstijgende metaaldamp uit de smeltbad kan verdringen. Daarom onderdrukt het gebruik van helium als beschermgas het plasma maximaal, wat de lasdoordringing en de las snelheid verhoogt; zijn lage massa zorgt er ook voor dat het gemakkelijk ontsnapt, waardoor de kans op porositeit wordt verminderd. Op basis van onze praktijkervaring met lassen is echter gebleken dat bescherming met argon zeer effectief is.

Het effect van de plasmacloud op de lasdoordringing is het meest uitgesproken bij lage las snelheden. Dit effect neemt af naarmate de las snelheid toeneemt.

Het beschermgas wordt onder een bepaalde druk via een mondstuk geëjecteerd en bereikt het oppervlak van het werkstuk. De hydrodynamische vorm van het mondstuk en de diameter van de uitlaat zijn cruciaal. Het beschermgas moet voldoende groot zijn om het lasoppervlak te bedekken, maar de grootte van het mondstuk moet beperkt blijven om de lens effectief te beschermen en verontreiniging door metaaldamp of beschadiging door metaalspattering te voorkomen. Ook de stroomsnelheid moet worden geregeld; anders gaat de laminaire stroming van het beschermgas over in turbulente stroming, waardoor atmosferische lucht in de smeltbad wordt meegevoerd en uiteindelijk porositeit ontstaat.

Om het afschermeffect te verbeteren, kan een aanvullende zijdelingse blazemethode worden gebruikt, waarbij het afschermgas rechtstreeks in het poriepunt van de diepe-penetratielas wordt geïnjecteerd via een mondstuk met een kleinere diameter onder een bepaalde hoek. Het afschermgas onderdrukt niet alleen de plasmawolk op het oppervlak van het werkstuk, maar beïnvloedt ook het plasma binnen het poriepunt en de vorming van het poriepunt, waardoor de penetratiediepte verder toeneemt en een las met een ideale verhouding tussen diepte en breedte wordt verkregen. Deze methode vereist echter een nauwkeurige regeling van de gasstroomsnelheid en -richting; anders kan er gemakkelijk turbulentie optreden, wat het smeltbad beschadigt en het lasproces instabiel maakt.

Brandpuntsafstand lens

Tijdens het lassen wordt de laser doorgaans gefocust, meestal met behulp van lenzen met brandpunten van 63 tot 254 mm (2,5 ”~10”de grootte van de gefocusseerde stip is recht evenredig met de brandpuntsafstand; hoe korter de brandpuntsafstand, hoe kleiner de stip. De brandpuntsafstand beïnvloedt echter ook de diepte van focus, wat betekent dat de diepte van focus evenredig toeneemt met de brandpuntsafstand. Een kortere brandpuntsafstand kan derhalve de vermogensdichtheid verhogen, maar door de geringe diepte van focus moet de afstand tussen de lens en het werkstuk nauwkeurig worden gehandhaafd, en is de doordringingsdiepte ook beperkt. Door de invloed van spatten en de tijdens het lassen gegenereerde lasermodus bedraagt de kortste daadwerkelijk gebruikte brandpuntsafstand bij lassen vaak 126 mm (5 ”wanneer de lasnaad groot is of wanneer de lasgrootte moet worden vergroot door de stippengrootte te vergroten, kan een lens met een brandpuntsafstand van 254 mm (10 ”) worden geselecteerd. In dit geval is een hoger laseruitgangsvermogen (vermogensdichtheid) vereist om het diepe doordringingseffect met sleutelgat te bereiken.

Wanneer het laservermogen 2 kW overschrijdt, met name voor 10,6 μ m CO2-laserstralen, vanwege het gebruik van speciale optische materialen in het optische systeem, wordt vaak reflectie-focussering gebruikt om optische schade aan de focuslens te voorkomen. Gepolijste koperen spiegels worden doorgaans als reflectoren gebruikt. Vanwege hun effectieve kooleigenschappen worden ze vaak aanbevolen voor het focussen van hoogvermogenslaserstralen.

Focustpositie

Tijdens het lassen is de positie van de focus cruciaal om een voldoende vermogensdichtheid te behouden. Wijzigingen in de relatieve positie van de focus ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk beïnvloeden direct de lasbreedte en -diepte. Figuur 2-6 toont het effect van de focuspositie op de doordringingsdiepte en lasbreedte van staal 1018.

Bij de meeste toepassingen van laserlassen wordt de focus doorgaans ongeveer een kwart van de dikte onder het oppervlak van het werkstuk geplaatst om de gewenste doordringingsdiepte te bereiken.

Positie van de laserstraal

Bij het laserslassen van verschillende materialen bepaalt de positie van de laserstraal de uiteindelijke las kwaliteit, met name bij stootnaden, waar deze gevoeliger is dan bij overlappende naden. Bijvoorbeeld bij het lassen van een gehard staal tandwiel aan een koolstofarm staal trommel leidt een juiste controle van de laserstraalpositie tot een las die voornamelijk bestaat uit koolstofarme componenten, wat betere scheurvastheid oplevert. In sommige toepassingen vereist de geometrie van het te lassen werkstuk dat de laserstraal onder een hoek wordt afgebogen. Wanneer de afbuighoek tussen de straalas en het vlak van de naad binnen de 100 graden ligt, wordt de absorptie van laserenergie door het werkstuk niet beïnvloed.

Regeling van het laser vermogen bij het opstarten en afsluiten van het lassen

Tijdens laserdieplasmlassen is het poreuze-fenomeen (pinhole) altijd aanwezig, ongeacht de lasdiepte. Wanneer het lasproces wordt beëindigd en de stroom wordt uitgeschakeld, ontstaat er een putje aan het einde van de lasnaad. Bovendien kan, wanneer de laserlaslaag de oorspronkelijke las bedekt, een te sterke absorptie van de laserstraal optreden, wat leidt tot oververhitting of porositeit in het lasstuk.

Om deze verschijnselen te voorkomen, kunnen de stroomstart- en -eindpunten geprogrammeerd worden zodat de start- en eindtijden van de stroom instelbaar zijn. Dat wil zeggen dat het startvermogen elektronisch binnen een korte tijd geleidelijk wordt verhoogd van nul naar de ingestelde vermogenswaarde en dat de lasduur wordt aangepast. Ten slotte wordt het vermogen aan het einde van het lassen geleidelijk verlaagd van de ingestelde waarde naar nul.

3. Kenmerken, voordelen en nadelen van laserdieplasmlassen

Kenmerken van laserdieplasmlassen

1) Hoge hoogte-breedteverhouding. 1) **Diepe en smalle lasnaad:** Omdat de vloeibare metaalmassa zich rond de cilindrische, hoge-temperatuur stoomholte vormt en zich richting het werkstuk uitstrekt, wordt de lasnaad diep en smal.

2) **Minimale warmte-invoer:** Door de extreem hoge temperatuur binnen de opening vindt het smeltproces zeer snel plaats, wat resulteert in een zeer lage warmte-invoer in het werkstuk en daarmee minimale warmtevervorming en een klein warmtebeïnvloed gebied.

3) **Hoge dichtheid:** De opening, gevuld met hoge-temperatuur stoom, bevordert het roeren van de lasbad en het ontsnappen van gassen, wat leidt tot een poreusvrije, volledig doorgelaste verbinding. De hoge koelsnelheid na het lassen verfijnt bovendien de microstructuur van de lasnaad.

4) **Sterke lasnaad:** De intense warmtebron en de volledige absorptie van niet-metalen componenten verminderen het gehalte aan onzuiverheden en veranderen de grootte en verdeling van insluitsels in de lasbad. Het lasproces vereist geen elektroden of toevoegdraad, wat leidt tot minder verontreiniging in de gesmolten zone en waardoor de treksterkte en taaiheid van de las minstens gelijk zijn aan, of zelfs hoger dan die van het basismetaal.

5) **Nauwkeurige besturing:** Omdat de gefocusseerde lichtvlek zeer klein is, kan de lasnaad nauwkeurig worden gepositioneerd. De laseruitvoer heeft geen 'traagheid', waardoor snelle stop- en herstartfuncties bij hoge snelheid mogelijk zijn. CNC-stralbewegingstechnologie maakt het lassen van complexe onderdelen mogelijk. 6) Niet-contact atmosferisch lasproces. Aangezien de energie afkomstig is van een fotonenbundel, is er geen fysiek contact met het werkstuk, zodat er geen externe kracht op het werkstuk wordt uitgeoefend. Bovendien hebben magnetisme en lucht geen invloed op de laser.

Voordelen van laserdieplas

1) Door de veel hogere vermogensdichtheid van gefocusseerde lasers in vergelijking met conventionele methoden is de las snelheid hoog, is de warmtebeïnvloede zone en vervorming klein, en kan men moeilijk te lassen materialen zoals titanium lassen.

2) Omdat de lichtbundel gemakkelijk kan worden overgebracht en geregeld, en er geen frequente wisseling van lastorches en mondstukken nodig is, en geen vacuüm vereist is zoals bij elektronenbundellassen, is de stilstandtijd aanzienlijk verminderd, wat resulteert in een hoge bezettingsgraad en productie-efficiëntie.

3) Door het zuiverend effect en de hoge koelsnelheid heeft de lasverbinding een hoge sterkte, taaiheid en algehele prestatie.

4) Door de lage gemiddelde warmte-invoer is de verwerkingsnauwkeurigheid hoog, waardoor de kosten voor herverwerking dalen; bovendien zijn de bedrijfskosten voor laserlassen ook lager, waardoor de verwerkingskosten voor het werkstuk dalen.

5) De bundelintensiteit en nauwkeurige positionering kunnen effectief worden geregeld, waardoor geautomatiseerde bewerking eenvoudig is.

Nadelen van dieplaslassen met laser

1) Beperkte lasdiepte.

2) Hoge eisen voor de assemblage van het werkstuk.

3) Hoge initiële investering in lasersystemen.