Laserlassen basis: Non-contact smelstechnieken onder de knie krijgen

Laserlassen Basis

Laserlassen is een non-contact proces dat toegang tot de laszone vereist vanaf één kant van de te lassen onderdelen.

• De las wordt gevormd terwijl het intense laserlicht het materiaal snel verhit – typisch berekend in milliseconden.
• Er zijn doorgaans drie typen lassen:
  • – Conductiemodus.
  • – Conductie/penetratiemodus.
  • – Penetratie of sleutelgatmodus.
• Conductielassen wordt uitgevoerd bij lage energiedichtheid, wat resulteert in een ondiepe, brede lasnugget.
• Conductie/penetratiemodus treedt op bij medium energiedichtheid en toont meer penetratie dan conductiemodus.
• De penetratie- of sleutelgatmodus las kenmerkt zich door diepe, smalle lassen.
  • – In deze modus vormt het laserlicht een filament van verdampt materiaal, bekend als een "sleutelgat", dat zich in het materiaal uitstrekt en een geleider biedt voor het laserlicht om efficiënt in het materiaal te worden geleverd.
  • – Deze directe energielevering in het materiaal is niet afhankelijk van conductie om penetratie te bereiken, en minimaliseert dus de hitte in het materiaal en vermindert de hittebeïnvloede zone (HAZ).

Conductielassen

• Conductielassen beschrijft een familie van processen waarin de laserstraal gefocusseerd wordt:
  • – Om een vermogensdichtheid te geven in de orde van 10³ Wmm⁻²
  • – Het smelt materiaal om een verbinding te creëren zonder significante verdamping.
• Conductielassen heeft twee modi:
  • – Directe verhitting
  • – Energieoverdracht.

Directe Hitte

• Tijdens directe verhitting:
  • – is de warmtestroom beheerst door klassieke thermische conductie van een oppervlakte-warmtebron en de las wordt gemaakt door delen van het basismateriaal te smelten.
• De eerste conductielassen werden in de vroege jaren '60 gemaakt, met lage vermogen gepulste ruby en CO2 lasers voor draadconnectoren.
• Conductielassen kunnen gemaakt worden in een breed scala aan metalen en legeringen in de vorm van draden en dunne bladen in diverse configuraties met behulp van:
  • – CO2, Nd:YAG en diodelasers met vermogensniveaus in de orde van tientallen watten.
  • – Directe verhitting door een CO2 laserstraal kan ook gebruikt worden voor overlappende en butt-lassen in polymere bladen.

Transmissielassen

• Transmissielassen is een efficiënte manier om polymeren te verbinden die de nabij-infrarood straling van Nd:YAG en diodelasers doorlaten.
• De energie wordt geabsorbeerd door nieuwe interfaciale absorptiemethoden.
• Composieten kunnen worden verbonden mits de thermische eigenschappen van de matrix en versterking vergelijkbaar zijn.
• De energietransmissiemodus van conductielassen wordt gebruikt met materialen die nabij-infrarood straling doorlaten, met name polymeren.
• Een absorberende inkt wordt aan de interface van een overlappende las geplaatst. De inkt absorbeert de laserstraalenergie, die wordt geconduceerd in een beperkte dikte van omringend materiaal om een gesmolten interfaciale film te vormen die uithardt als de gelaste verbinding.
• Dikke overlappende lassen kunnen worden gemaakt zonder de buitenoppervlakken van de las te smelten.
• Butt-lassen kunnen gemaakt worden door de energie naar de laslijn te richten onder een hoek door materiaal aan één kant van de las, of vanaf één eind als het materiaal hoog transmissief is.

Lasersolderen en -bramen

• In de lasersolderen en -bramen processen wordt de straal gebruikt om een vulaanvulling te smelten, wat de randen van de verbinding benat zonder het basismateriaal te smelten.
• Lasersolderen begon in de vroege jaren '80 aan populariteit te winnen voor het verbinden van de aansluitingen van elektronische componenten door gaten in printplaten. De procesparameters worden bepaald door de materiaaleigenschappen.

Penetratie Laserlassen

• Bij hoge vermogensdensiteiten zullen alle materialen verdampen als de energie geabsorbeerd kan worden. Bij lassen op deze manier wordt meestal een gat gevormd door verdamping.
• Dit "gat" wordt dan door het materiaal getraverseerd met de gesmolten wanden die erachter dichtgaan.
• Het resultaat is wat bekendstaat als een "sleutelgatlas". Gekenmerkt door zijn parallelle zijde smeltzingszone en smalle breedte.

Laserlas Efficiëntie

• Een term om dit efficiëntieconcept te definiëren is de "las-efficiëntie" (joining efficiency).
• De las-efficiëntie is geen echte efficiëntie in de zin dat het eenheden heeft van (mm² gelast / kJ geleverd).
• – Efficiëntie = V.t/P (de omgekeerde van de specifieke energie bij snijden) waar V = doorsneesnelheid, mm/s; t = gedoeste dikte, mm; P = incident vermogen, kW.

Las-efficiëntie

• Hoeger de waarde van de las-efficiëntie, des te minder energie wordt uitgegeven aan onnodige verwarming.
  • – Lagere hittebeïnvloede zone (HAZ).
  • – Lagere vervorming.
• Weerstandslassen is in dit opzicht het meest efficiënt omdat de smelting en HAZ-energie alleen wordt gegenereerd aan het hoog-geweerstandsinterface dat gelast moet worden.
• Laser en elektronenbundel hebben ook goede efficiënten en hoge vermogensdensiteiten.

Procesvariaties

• Boog-geaugmenteerd Laserlassen.
  • – De boog van een TIG-brenner gemonteerd dicht bij het laserstraal-interactiepunt zal automatisch vergrendelen op de door de laser gegenereerde hotspot.
  • – De vereiste temperatuur voor dit fenomeen is ongeveer 300°C boven de omringende temperatuur.
  • – Het effect is ofwel het stabiliseren van een onstabiele boog door de doorsneesnelheid, ofwel het verminderen van de weerstand van een stabiele boog.
  • – De vergrendeling gebeurt alleen bij bogen met lage stroom en dus trage kathode-straag; dat wil zeggen, voor stromen minder dan 80A.
  • – De boog zit aan dezelfde kant van het werkstuk als de laser, wat verdubbeling van de lassoort toegankelijk maakt voor een bescheiden toename in kapitaalkosten.
• Twee-bundel Laserlassen
  • – Als twee laserstralen simultaan gebruikt worden, is er de mogelijkheid om de smeltbad-geometrie en de lasnaad-vorm te controleren.
  • – Met twee elektronenbundels kon het sleutelgat gestabiliseerd worden, wat minder golven op het smeltbad veroorzaakte en betere penetratie en naadvorm gaf.
  • – Een excimer en CO2 laserstraal combinatie toonde verbeterde koppeling voor het lassen van hoge reflectiviteit materialen, zoals aluminium of koper.
  • – De verbeterde koppeling werd voornamelijk toegeschreven aan:
    • • het veranderen van de reflectiviteit door oppervlakte rimpeling veroorzaakt door de excimer.
    • • een secundair effect voortkomend uit koppeling door het door de excimer gegenereerde plasma.