Een gids voor de basisbeginselen van laserlassen

Basisprincipes van laserlassen

Laserlassen is een contactloos proces waarbij toegang tot de laszone vanaf één zijde van de te lassen onderdelen vereist is.

• De las ontstaat doordat het intense laserlicht het materiaal razendsnel verhit. Dit wordt doorgaans in milliseconden berekend.

• Er zijn doorgaans drie soorten lassen:

– Geleidingsmodus.

– Geleidings-/penetratiemodus.

– Penetratie- of sleutelgatmodus.

• Geleidingslassen wordt uitgevoerd met een lage energiedichtheid, waardoor een lasnugget ontstaat die ondiep en breed is.

• De geleidings-/penetratiemodus treedt op bij een gemiddelde energiedichtheid en vertoont meer penetratie dan de geleidingsmodus.

• Het penetratie- of sleutelgatlassen wordt gekenmerkt door diepe, smalle lassen.

– In deze modus vormt het laserlicht een filament van verdampt materiaal, bekend als een “sleutelgat”, dat zich uitstrekt in het materiaal en een kanaal vormt waardoor het laserlicht efficiënt in het materiaal kan worden gebracht.

– Deze directe levering van energie aan het materiaal is niet afhankelijk van geleiding om penetratie te bereiken, en minimaliseert zo de warmte in het materiaal en verkleint de warmte-beïnvloede zone.

Geleidingslassen

• Geleidingsverbinding beschrijft een familie van processen waarbij de laserstraal wordt gefocust:

– Om een vermogensdichtheid in de orde van 10³ Wmm⁻² te geven

– Het smelt materiaal samen om een verbinding te maken zonder noemenswaardige verdamping.

• Geleidingslassen kent twee modi:

– Directe verwarming

– Energieoverdracht.

Directe warmte

• Tijdens directe verhitting,

– de warmtestroom wordt geregeld door klassieke thermische geleiding van een oppervlaktewarmtebron en de las wordt gemaakt door het smelten van delen van het basismateriaal.

• De eerste geleidingslassen werden begin jaren zestig gemaakt, waarbij gebruik werd gemaakt van laagvermogen gepulseerde robijn en CO2 lasers voor draadconnectoren.

• Geleidingslassen kunnen worden gemaakt in een breed scala aan metalen en legeringen in de vorm van draden en dunne platen in verschillende configuraties met behulp van.

- CO2 , Nd:YAG en diodelasers met vermogensniveaus in de orde van tientallen watts.

– Directe verwarming door een CO2 De laserstraal kan ook worden gebruikt voor overlappings- en stompe lassen in polymeerplaten.

Transmissie lassen

• Transmissielassen is een efficiënte manier om polymeren te verbinden die de nabij-infraroodstraling van Nd:YAG- en diodelasers doorlaten.

• De energie wordt geabsorbeerd via nieuwe grensvlakabsorptiemethoden.

• Composieten kunnen worden verbonden op voorwaarde dat de thermische eigenschappen van de matrix en de wapening vergelijkbaar zijn.

• De energieoverdrachtsmethode van geleidingslassen wordt gebruikt bij materialen die nabij-infraroodstraling doorlaten, met name polymeren.

• Een absorberende inkt wordt op de interface van een lapverbinding geplaatst. De inkt absorbeert de laserstraalenergie, die wordt geleid naar een beperkte dikte van omringend materiaal om een gesmolten interfaciale film te vormen die stolt als de gelaste verbinding.

• Dikke overlappingsverbindingen kunnen worden gemaakt zonder dat de buitenste oppervlakken van de verbinding smelten.

• Stomplassen kunnen worden gemaakt door de energie onder een hoek naar de verbindingslijn te leiden via materiaal aan één zijde van de verbinding, of vanaf één uiteinde als het materiaal zeer lichtdoorlatend is.

Lasersolderen en -brazen

• Bij het lasersoldeer- en -soldeerproces wordt de straal gebruikt om een vulstof toe te voegen, die de randen van de verbinding bevochtigt zonder het basismateriaal te smelten.

• Lasersolderen begon aan populariteit te winnen in de vroege jaren 1980 voor het verbinden van de draden van elektronische componenten door gaten in printplaten. De procesparameters worden bepaald door de materiaaleigenschappen.

Penetratielaserlassen

• Bij hoge vermogensdichtheden verdampen alle materialen als de energie kan worden geabsorbeerd. Bij het lassen op deze manier ontstaat er dus meestal een gat door verdamping.

• Dit "gat" wordt vervolgens door het materiaal heen getrokken, waarbij de gesmolten wanden zich erachter afsluiten.

• Het resultaat is wat bekend staat als een "sleutelgatlas". Deze wordt gekenmerkt door zijn parallelle zijden laszone en smalle breedte.

Laserlas efficiëntie

• Een term om dit concept van efficiëntie te definiëren is bekend als "joining efficiency".

• De verbindingsefficiëntie is geen echte efficiëntie omdat deze de eenheid heeft van (mm2 verbonden /kJ geleverd).

– Efficiëntie = Vt/P (het omgekeerde van de specifieke energie bij het snijden) waarbij V = verplaatsingssnelheid, mm/s; t = gelaste dikte, mm; P = invallend vermogen, kW.

Efficiëntie verbinden

• Hoe hoger de waarde van de verbindingsefficiëntie, hoe minder energie er wordt verbruikt aan onnodige verwarming.

– Lagere hitte-beïnvloede zone (HAZ).

– Minder vervorming.

• Weerstandlassen is in dit opzicht het meest efficiënt omdat de smelt- en HAZ-energie alleen wordt gegenereerd op de interface met hoge weerstand die moet worden gelast.

• Laser- en elektronenbundels hebben ook een goed rendement en een hoge vermogensdichtheid.

Procesvariaties

• Boogversterkt laserlassen.

– De boog van een TIG-toorts die dicht bij het interactiepunt van de laserstraal is gemonteerd, vergrendelt automatisch op de door de laser gegenereerde hotspot.

– De temperatuur die voor dit fenomeen nodig is, ligt ongeveer 300°C boven de omgevingstemperatuur.

– Het effect is dat een boog die instabiel is vanwege de traverseersnelheid wordt gestabiliseerd of dat de weerstand van een stabiele boog wordt verminderd.

– De vergrendeling vindt alleen plaats bij bogen met een lage stroomsterkte en dus een langzame kathodestraal; dat wil zeggen bij stromen kleiner dan 80A.

– De boog bevindt zich aan dezelfde kant van het werkstuk als de laser, waardoor de lassnelheid kan worden verdubbeld tegen een bescheiden verhoging van de investeringskosten.

• Dubbelstraal laserlassen

– Als er twee laserstralen tegelijk worden gebruikt, bestaat de mogelijkheid om de geometrie van het lasbad en de vorm van de lasrups te controleren.

– Door gebruik te maken van twee elektronenbundels kon het sleutelgat worden gestabiliseerd, waardoor er minder golven in het laspoel ontstonden en een betere penetratie en lasrupsvorm ontstonden.

– Een excimer en CO2 Uit de combinatie van laserstralen bleek dat er een verbeterde koppeling kon worden verkregen voor het lassen van materialen met een hoge reflectiviteit, zoals aluminium of koper.

– De verbeterde koppeling werd voornamelijk als gevolg van:

• het veranderen van de reflectiviteit door oppervlakterimpeling veroorzaakt door de excimer.

• een secundair effect dat ontstaat door koppeling via het door de excimer gegenereerde plasma.