Laserstraal vs. elektronenbundel lassen: De optimale keuze voor uw toepassingen

Twee complementaire lastechnologieën

Voorstanders van laserstraallaser (LBW) en elektronenbundel (EBW) lassen prijzen elk de eenzame lof van hun favoriete technologie, maar vaak is de beste oplossing voor een klant om beide technologieën samen te gebruiken. Beide processen zijn goed geschikt voor het samenvoegen van componenten met complexe geometrieën, en in staat om te voldoen aan de meest stringente eisen voor metallurgische kenmerken van de finale assemblage.

Laserstraallaser (LBW) — Eenvoudigere tooling en kortere cyclus tijden

Laserlaser energiebronnen gebruiken ofwel een continuous wave (CW) of gepulste output van fotonen. Bij CW systemen is de laserstraal altijd aan tijdens het lasproces. Gepulste systemen gemoduleerd om een reeks pulsen uit te sturen met een uit-tijd tussen die pulsen. Bij beide methoden wordt de laserstraal optisch gefocust op het te lassen werkstukoppervlak. Deze laserstralen kunnen direct aan het deel geleverd worden via klassieke harde optica, of door een hoog flexibel glasvezelkabel capabel van de laserenergie te leveren aan verafgelegen werkstations.

Het is de hoge energiedichtheid van de laser die het oppervlak van het materiaal snel tot zijn vloeistofstemperatuur brengt, wat toelaat voor een korte bundel-interactietijd vergeleken met traditionele lasmethoden zoals GTAW (TIG lassen) en soortgelijke processen. Energie krijgt dus minder tijd om in het interieur van het werkstuk te dissipieren. Dit resulteert in een smalle warmtebeïnvloede zone en minder vermoeidingsdebit aan het component.

Bundelenergie-uitgang kan hoogst gecontroleerd en gemoduleerd worden om willekeurige pulsprofielen te produceren. Lasnaten kunnen geproduceerd worden door individuele pulsen te overlappen, wat warmte-invoer reduceert door een korte afkoelcyclus tussen pulsen te introduceren, een voordeel voor het produceren lassen in warmtegevoelige materialen.

Salay Stannard, materiaalengineer bij Joining Technologies, een East Granby, CT-gebaseerde innovator in laser cladding, elektronenbundel en laser lassen, merkt op dat CW lasers penetraties tot en boven 0.5 inch kunnen bereiken, terwijl gepulste lasers typisch alleen 0.030-0.045 inch bereiken. Zij zegt: "Deze resultaten kunnen variëren tussen lasersystemen en zijn grotendeels afhankelijk van verwerkingsparameterkeuze en naontwerp."

Stannard voegt toe: "Aangezien de warmtebron in dit type lasproces de energie van licht is, moet de reflectiviteit van het lasmateriaal overwogen worden. Bijvoorbeeld, goud, zilver, koper en aluminium vereisen meer intense energie-invoer. Eenmaal gesmolten, wordt de reflectiviteit gereduceerd en de thermische geleiding van het proces vordert om penetratie te bereiken."

Zoals opgemerkt, resulteert de laser's hoge vermogensdichtheid in kleine warmtebeïnvloede zones en zorgt ervoor dat kritische componenten ongeschonden blijven. Dit heeft een bijzonder voordeel voor chirurgische instrumenten, elektronische componenten, sensorassemblages en veel andere precisieapparaten. In tegenstelling tot EBW, genereert LBW geen röntgenstraling en is het gemakkelijk te manipuleren met automatisering en robotica. Over het algemeen heeft LBW eenvoudigere toolingvereisten, en er zijn geen fysieke beperkingen van een vacuümkamer. Kortere cyclus tijden vertalen naar kostenvoordelen zonder kwaliteit op te offeren.

Elektronenbundellas (EBW) — Diepere laspenetratie en contaminatievrij

Wijd geaccepteerd over veel industrieën, staat EBW het lassen van refractaire en ongelijke metalen toe die typisch ongeschikt zijn voor andere methoden. Het werkstuk wordt bebumbard met een gefocuste stroom elektronen die met extreme snelheid reizen. De kinetische energie van de elektronen wordt omgezet in warmte-energie, wat op zijn beurt de drijvende kracht is voor fusie. Meestal is geen toegevoegd vulmateriaal vereist of gebruikt, en is na-lasvervorming minimaal. Ultra-hoge energiedichtheid maakt diepe penetratie en hoge aspect ratios mogelijk, terwijl een vacuümomgeving een atmospherische gascontaminatie-vrije las garandeert die kritisch is voor metalen zoals titanium, niobium, refractaire metalen, en nikkel-gebaseerde superlegeringen.

De hoofdnoodzaak voor opereren onder vacuüm is om de elektronenbundel precies te controleren. Verspreiding treedt op wanneer elektronen interacteren met luchtmoleculen; door de omgevingsdruk te verlagen kunnen elektronen strakker gecontroleerd worden. Moderne vacuümkamers zijn uitgerust met state-of-the-art afdichtingen, vacuümsensoren, en hoge-prestatie pompsystemen die snelle evacuering mogelijk maken. Deze kenmerken maken het mogelijk de elektronenbundel te focussen tot diameters van 0.3 tot 0.8 millimeters.

Door de nieuwste microprocessor Computer Numeric Control (CNC) en systeemmonitoring te incorporeren voor superieure deelmanipulatie, kunnen delen van diverse grootte en massa samengevoegd worden zonder excessieve smelting van kleinere componenten. De precieze controle van zowel de diameter van de elektronenbundel als de reissnelheid stelt materialen van 0.001" tot diverse inches dik in staat om samengevoegd te worden. Deze kenmerken maken EBW een uitzonderlijk waardevolle technologie.

Het proces brengt een minimaal hoeveelheid warmte in het werkstuk, wat de kleinst mogelijke hoeveelheid vervorming produceert en afwerkgemachineerde componenten toelaat om samen te voegen zonder additionele verwerking.

De beste van twee werelden

Volgens John Rugh wordt LBW algemeen gebruikt voor het lassen van staal bladmetaal componenten en gemachineerde componenten onder 1/3 tot 1/2 inch dik. Laserlassen is ook nuttig voor het samenvoegen van delen die niet geschikt zijn voor verwerking binnen een vacuümkamer. "Sommige delen en hun bijbehorende lasfixtures kunnen te groot zijn om in de beschikbare EB laskamers te passen," aldus Rugh. "Naast grootte, als de componenten die gelast worden vloeistoffen bevatten die vacuümpompen zouden storen, zou laserlassen een goede keuze zijn." Het duurt minuten om een EB laskamer te evacueren en die tijd is het misschien niet waard voor een minder gevoelige las.

Als componenten van hoge waarde zijn, gemaakt van een materiaal dat zou profiteren van de vacuümomgeving zoals titanium en nikkel legeringen, de lassen dieper zijn dan 1/3 tot 1/2 inch of als de laserbundel moeite heeft met koppelen aan het te lassen materiaal, zoals aluminium legeringen, is EB lassen vaak het proces van keuze boven laserlassen.

Hoewel elke technologie zijn voordelen heeft, in praktische termen incorporeren veel componentontwerpen zowel EB als laserlassen. In deze gevallen het uitvoeren van beide typen lassen in dezelfde faciliteit definitief de fabricageproces stroomlijnen.