Laserlassen is een belangrijk aspect van de toepassing van laserbewerkingstechnologie, maar ook de meest opvallende en veelbelovende lastechnologie van de 21e eeuw. Vergeleken met traditionele lasmethoden heeft laserlassen veel voordelen, zoals een hogere laskwaliteit en een hogere efficiëntie. Laserlassen wordt momenteel op grote schaal gebruikt in de maakindustrie, poedermetallurgie, auto-industrie, elektronica-industrie, biomedische sector en andere gebieden.
Op basis van het vormingsmechanisme van het smeltbad kent laserlassen twee basislasmechanismen: warmtegeleidingslassen en diepdoorlassen (lassen met kleine gaten). Bij warmtegeleidingslassen wordt de warmte via warmteoverdracht naar het werkstuk verspreid, waardoor het oppervlak van de las smelt en er in principe geen verdamping optreedt. Deze methode wordt vaak gebruikt voor het lassen van dunwandige componenten met een lage smeltsnelheid. Bij diepdoorlassen verdampt het materiaal en ontstaat een grote hoeveelheid plasma. Door de grote hitte ontstaan er gaten aan de voorkant van het smeltbad. Diepdoorlassen kan het werkstuk volledig lassen, vereist een hoge energietoevoer en zorgt voor een hoge lassnelheid. Het is daarom de meest gebruikte laserlasmethode.
Er zijn veel procesparameters die de kwaliteit van laserlassen beïnvloeden, zoals vermogensdichtheid, laserpulsgolfvorm, defocus, lassnelheid en hulpblaasgas.
1. Laservermogensdichtheid De vermogensdichtheid is een van de meest kritische parameters bij laserbewerking. Bij een hogere vermogensdichtheid kan de oppervlaktelaag binnen een microseconde tot het kookpunt worden verhit, waardoor een grote hoeveelheid verdamping ontstaat. Daarom is een hoge vermogensdichtheid zeer voordelig voor materiaalverwijderingsprocessen, zoals ponsen, snijden en graveren. Bij een lage vermogensdichtheid duurt het enkele milliseconden voordat de oppervlaktetemperatuur het kookpunt bereikt, en voordat de oppervlaktelaag verdampt, bereikt de onderliggende laag het smeltpunt, waardoor een goede smeltlas gemakkelijk tot stand komt. Daarom ligt het optimale vermogensdichtheidsbereik bij laserlassen met warmtegeleiding tussen 10⁴ en 10⁶ W/cm².
2. Laserpulsgolfvorm
De golfvorm van een laserpuls is niet alleen een belangrijke parameter om materiaalverwijdering te onderscheiden van materiaalsmelting, maar ook een cruciale parameter voor het bepalen van het volume en de kosten van de verwerkingsapparatuur. Wanneer een laserstraal met hoge intensiteit het oppervlak van een materiaal raakt, reflecteert en verliest het materiaaloppervlak 60 tot 90% van de laserenergie. Vooral goud, zilver, koper, aluminium, titanium en andere materialen reflecteren sterk en hebben een snelle warmteoverdracht. De reflectie van een metaal varieert in de tijd tijdens een laserpuls. Wanneer de oppervlaktetemperatuur van het materiaal het smeltpunt bereikt, neemt de reflectie snel af, en wanneer het oppervlak zich in de smeltfase bevindt, stabiliseert de reflectie zich op een bepaalde waarde.
3. Pulsbreedte De pulsbreedte is een belangrijke parameter bij gepulseerd laserlassen. De pulsbreedte wordt bepaald door de indringdiepte en de warmtebeïnvloede zone. Hoe langer de pulsbreedte, hoe groter de warmtebeïnvloede zone, en de indringdiepte neemt toe met de helft van de pulsbreedte. Een grotere pulsbreedte verlaagt echter het piekvermogen. Daarom wordt een grotere pulsbreedte over het algemeen gebruikt voor warmtegeleidingslassen, wat resulteert in een brede en ondiepe lasnaad, met name geschikt voor het overlappen van dunne en dikke platen. Een lager piekvermogen leidt echter tot een te hoge warmte-inbreng, en elk materiaal heeft een optimale pulsbreedte die de indringdiepte maximaliseert.
4. Bij laserlassen met defocus is meestal een zekere mate van defocus nodig, omdat de laserfocus in het midden van de spot een te hoge vermogensdichtheid heeft, waardoor er gemakkelijk gaten kunnen ontstaan. De vermogensdichtheid is relatief gelijkmatig verdeeld in elk vlak buiten de laserfocus. Er zijn twee defocusmethoden: positieve defocus en negatieve defocus. Als het focusvlak zich boven het werkstuk bevindt, is er sprake van positieve defocus; anders is er sprake van negatieve defocus. Volgens de geometrische optica is de vermogensdichtheid op het corresponderende vlak nagenoeg gelijk wanneer de afstand tussen het positieve en negatieve defocusvlak en het lasvlak gelijk is, maar de vorm van het smeltbad verschilt. Bij negatieve defocus kan een grotere penetratie worden bereikt, wat verband houdt met het vormingsproces van het smeltbad.
5. Lassnelheid De lassnelheid bepaalt de kwaliteit van het lasoppervlak, de indringing, de warmtebeïnvloede zone, enz. De lassnelheid beïnvloedt de warmte-inbreng per tijdseenheid. Als de lassnelheid te laag is, is de warmte-inbreng te groot, waardoor het werkstuk doorbrandt. Als de lassnelheid te hoog is, is de warmte-inbreng te klein, waardoor het werkstuk ondoorzichtig wordt. Het verlagen van de lassnelheid wordt meestal gebruikt om de indringing te verbeteren.
6. Hulpgasinjectie: Hulpgasinjectie is een essentieel proces bij laserlassen met hoog vermogen. Enerzijds voorkomt het dat metaalmateriaal spat en de focusspiegel vervuilt; anderzijds voorkomt het dat het plasma dat tijdens het lasproces ontstaat te sterk gefocust raakt en dat de laser het oppervlak van het materiaal bereikt. Bij laserlassen worden vaak helium, argon, stikstof en andere gassen gebruikt om het smeltbad te beschermen, zodat het werkstuk tijdens het lassen beschermd wordt tegen oxidatie. Factoren zoals het type beschermgas, de grootte van de luchtstroom en de inblaashoek hebben een grote invloed op het lasresultaat. Verschillende inblaasmethoden hebben ook een zekere invloed op de laskwaliteit.
Helium ioniseert niet gemakkelijk (het heeft een hoge ionisatie-energie), waardoor de laserstraal er soepel doorheen kan en de energie van de straal het werkstukoppervlak ongehinderd kan bereiken. Dit is het meest effectieve beschermgas bij laserlassen, maar de prijs is relatief hoog. Argon is goedkoper en dichter, waardoor het een betere bescherming biedt. Het ioniseert echter gemakkelijk door metaalplasma met hoge temperatuur, waardoor een deel van de straal het werkstuk niet bereikt. Dit vermindert het effectieve laservermogen van het lassen en heeft bovendien een negatieve invloed op de lassnelheid en de penetratie. De oppervlakken van lassen die met argon zijn beschermd, zijn gladder dan die welke met helium zijn beschermd. Stikstof is het goedkoopste beschermgas, maar is niet geschikt voor sommige soorten roestvrij staal, voornamelijk vanwege metallurgische problemen, zoals absorptie, wat soms poriën in de overlapzone veroorzaakt.
Laserlassen is een nieuwe lastechnologie met kenmerken zoals een hoge energiedichtheid, hoge snelheid, hoge precisie, diepe penetratie en een groot aanpassingsvermogen. De toepassingsmogelijkheden worden steeds breder, wat niet alleen de productie-efficiëntie, maar ook de laskwaliteit verbetert. Laserlassen zal ongetwijfeld een steeds belangrijkere rol gaan spelen in de materiaalbewerking.
Geplaatst op: 28 maart 2023
