Hoe Werkt Laserwelden?

Kernfysica: Hoe laserenergie een las maakt

Energie-absorptie, smeltgrenzen en thermische reactie van materiaal

Wanneer laserslassen begint, raken die intense fotonen het metalen oppervlak en geven hun energie af aan de elektronen binnenin. Aanvankelijk absorberen metalen niet veel van dit nabij-infrarode licht, maar reflecteren zelfs tussen de 50 en 90 procent ervan. Maar wanneer bij ongeveer 1500 graden Celsius smelten optreedt in staalmaterialen, verandert dit dramatisch. Het vermogen om energie te absorberen neemt tijdens deze fasewisseling zo’n tien keer toe. Wat dit alles veroorzaakt, hangt grotendeels af van de vermogensdichtheid. De meeste technische legeringen beginnen betrouwbaar te smelten wanneer ze worden blootgesteld aan meer dan één miljoen watt per vierkante centimeter. Ook de thermische geleidbaarheid speelt een grote rol bij het bepalen van hoeveel energie nodig is. Neem koper als voorbeeld, dat een thermische geleidbaarheid heeft van 401 watt per meter kelvin, vergeleken met slechts 22 watt per meter kelvin voor titaan. Dat betekent dat koper ongeveer drie keer zoveel energie nodig heeft om vergelijkbare smeltdepthes te bereiken. Om de lasqualiteit te behouden, is zorgvuldige temperatuurregeling vereist. Als de maximale temperaturen boven de 80 procent komen van wat nodig is om het materiaal te verdampen, ontstaan er problemen door excessieve dampexpansie, waardoor ongewenste porositeit in het eindproduct ontstaat.

Geleidingsmodus versus sleufmodus: Wanneer en waarom elk optreedt

De keuze van de lasmodus weerspiegelt een fundamentele afweging tussen controle en doordringing:

Bij geleidingsmoduslassen verspreidt de warmte zich zijwaarts door het materiaal, wat het uitstekend geschikt maakt voor het verzegelen van accuhousings waarbij we een laag warmtetoevoerniveau moeten behouden. Wanneer de intensiteit toeneemt, gaan we over op het sleutelgatsmode. De dampdruk boort dan in feite tijdelijk een gat in het metaal, waardoor de laserbundel dieper in het werkstuk kan doordringen. Deze methode kan single-pass lassen verwerken, zelfs bij dik scheepsbouwstaal van ongeveer 15 mm, hoewel operators hun parameters nauwkeurig in de gaten moeten houden. De positie van de bundel is erg belangrijk, net als het vermogen en de snelheid waarmee de lasbrander wordt bewogen. Als het sleutelgat tijdens het lassen instort, wat verrassend vaak voorkomt in fabrieksomgevingen, ontstaan er vervelende poriën die het eindproduct verzwakken en herstelwerkzaamheden noodzakelijk maken.

Belangrijkste onderdelen van een laserschakelmachine

Vezellaserbron: Pompen, Versterkingsmedium en Bundelgeneratie

Vezellasers creëren helder, geconcentreerd licht wanneer ze speciale optische vezels die zeldzame aardmetalen bevatten, pompen met halfgeleiderdioden. Het proces omvat gestimuleerde emissie binnen deze versterkingsmedia, wat resulteert in een stabiele laserstraal van ongeveer 1.060 tot 1.080 nanometer lang. Dit golflengtebereik komt overeen met het bereik waarin de meeste metalen energie het beste absorberen, waardoor het ideaal is voor industriële toepassingen. De kwaliteit van de straal speelt ook een grote rol. Wanneer de M-kwadraatwaarden onder 1,1 gemeten worden, betekent een betere straalkwaliteit dat we de laser kunnen focussen op kleinere punten en diepere materiaalpenetratie kunnen bereiken tijdens snij- of lasoperaties. Thermische controle is ook iets wat fabrikanten niet kunnen negeren. Als het te warm wordt, daalt het uitgangsvermogen aanzienlijk—ongeveer 15% per 10 graden Celsius stijging boven het ontwerpniveau, volgens onderzoek gepubliceerd in Material Processing Journal vorig jaar.

Straloverdracht, Focusoptiek en Vermogensdichtheidsregeling

Laserstralen bewegen door flexibele optische vezels om verschillende aflevercomponenten te bereiken, zoals beschermende vensters, collimatoren, galvanometerscanners en de gespecialiseerde F-theta-lenzen die helpen de straal te vormen en te focussen tot stippen van slechts 20 micrometer doorsnede. Wanneer ze in het sleutelgatsmode werken, genereren deze lasers vermogensdichtheden van meer dan 1 miljoen watt per vierkante centimeter, wat in feite betekent dat materialen bijna onmiddellijk worden verdampt. Het aanpassen van de laserfocusafstand of het gebruik van technieken zoals cirkelvormige oscillatie helpt om het gesmolten bad stabiel te houden tijdens het lassen en vermindert ongewenste spatten. Neem bijvoorbeeld aanpassingen van de brandpuntsafstand: een kortere afstand verhoogt de vermogensdichtheid met ongeveer 40 procent, maar leidt tot kleinere toleranties voor de scherptediepte. Dit vereist zeer nauwkeurige bewegingsregelsystemen om een goede laskwaliteit te behouden bij verschillende onderdelen.

Lasvormingsproces: Van belichting tot solide verbinding

Dynamica van het smeltbad, stabiliteit van het sleutelgat en microstructuur van stolling

Wanneer de laserstraal het materiaal raakt, warmt het gebied snel op tot boven het smeltpunt, waardoor een smeltbad ontstaat dat zich anders gedraagt afhankelijk van de lasmodus. Bij gatlaswerk (keyhole welding) zorgt de dampdruk voor een diep, nauw gat dat soms een diepte van 25 mm kan bereiken. De stabiliteit van deze holte is erg belangrijk voor foutvorming, want wanneer deze instort, kan de turbulentie poriën veroorzaken in ongeveer 12% van alle productielassen, volgens onderzoek uit het Journal of Materials Processing vorig jaar. Bij geleidingslaswerk (conduction mode welding) ontstaan veel ondiepere, relatief kalme smeltbaden met weinig vloeistofbeweging. Naarmate de laser zich voortbeweegt, begint het metaal vrijwel direct te stollen omdat de koeling plaatsvindt met snelheden van meer dan één miljoen graden per seconde. Deze extreem snelle afkoeling verbetert de korrelstructuur en vermindert de brosse intermetallische verbindingen die verbindingen verzwakken. Tests tonen aan dat gelaste onderdelen hierdoor ongeveer 30% ductieler zijn dan vergelijkbare onderdelen gemaakt met traditionele booglasmethode. Goede resultaten behalen hangt sterk af van de controle over zowel de vorm van het gat als de afkoelsnelheid, wat verklaart waarom een correct ingesteld lasersysteem zo'n groot verschil maakt in het verkrijgen van mooie, uniforme korrels in plaats van problematische dendritische structuren die spanning concentreren.

Waarom laserslassen precisie en prestaties biedt

Laslassen wordt zo precies doordat het coherent licht wordt geconcentreerd op zeer kleine punten, soms minder dan 0,1 mm breed, en de bundelspreiding onder 0,1 graad blijft. Hierdoor ontstaan vermogensdichtheden van meer dan 1 MW per vierkante centimeter, waardoor materialen snel smelten precies waar nodig, terwijl het warmtebeïnvloede gebied extreem klein blijft, ongeveer een halve millimeter vergeleken met 5 tot 15 mm bij traditionele booglasmethoden. Het eindresultaat? Onderdelen blijven vrijwel onvervormd, hun oorspronkelijke metaaleigenschappen blijven behouden, en zelfs lastige legeringen zoals aluminium-lithium of nitinol kunnen probleemloos worden bewerkt. Moderne systemen beschikken nu over handige functies zoals bundeloscillatie en pulsenvorming, die daadwerkelijk bepalen hoe het gesmolten metaal stroomt en stolt tijdens het proces. In combinatie met robotarmen kunnen lasersystemen consistente, sterke verbindingen produceren met verbazingwekkende snelheden van ruim 100 mm per seconde, waardoor ze 2 tot 10 keer sneller zijn dan TIG- of MIG-lassystemen. Deze systemen kunnen ook moeilijke posities en diverse materiaalcombinaties aan, zoals het verbinden van koper met aluminium, waarbij zorgvuldig wordt omgegaan met die vervelende intermetallische lagen. Fabrikanten in sectoren van lucht- en ruimtevaartcomponenten tot medische apparatuur en elektrische voertuigen zien minder afgekeurde onderdelen, minder nabewerking nodig en over het algemeen betere prestatie-indicatoren.