Laserstraal versus elektronenstraallassen:het optimale proces voor uw toepassingen kiezen

Voorstanders van laserlassen (LBW) en elektronenbundellassen (EBW) spreken elk hun bijzondere lof uit over hun favoriete technologie, maar vaak is de beste oplossing voor een klant om beide technologieën samen te gebruiken. Beide processen zijn zeer geschikt voor het verbinden van componenten met complexe geometrieën en kunnen voldoen aan de strengste eisen voor metallurgische kenmerken van de eindassemblage.

Figuur 1. Solid-state laserlassysteem (Foto met dank aan TRUMPF Inc.)

Het gebruik van zowel laser- als elektronenstraaltechnologieën in één enkele faciliteit kan het productieproces stroomlijnen wanneer het ontwerp van een component meerdere lasverbindingen omvat die afzonderlijk op maat zijn gemaakt voor het ene of het andere proces. Voorbeelden hiervan zijn sensoren, medische apparaten en producten waarvoor een inert gas of vacuüm nodig is om in het eindproduct te worden afgedicht.

Laserverwerking is vereist wanneer de omvang van het eindsamenstel te groot is voor een EB-laskamer, een onderdeel in een samenstel niet compatibel is met vacuümverwerking (zoals een vloeistof of gas), of wanneer de las ontoegankelijk is voor een elektronenbundelbron. Elektronenbundels zullen de eerste keuze zijn als de voltooide constructie moet worden afgedicht met interne componenten onder vacuüm, als laspenetraties groter zijn dan 1⁄2", als het materiaal een uitdaging is om laserkoppeling te initiëren, of als de las niet mag worden blootgesteld aan atmosferische omstandigheden totdat deze is afgekoeld tot een acceptabele temperatuur. Voorbeelden zijn lucht- en ruimtevaartlassen van titanium en zijn legeringen, en veel vuurvaste metalen zoals wolfraam, niobium, rhenium en tantaal.

LBW – Eenvoudiger gereedschap en kortere cyclustijden

Energiebronnen voor laserlassen maken gebruik van een continue golf (CW) of een gepulseerde output van fotonen. Bij CW-systemen staat de laserstraal altijd aan tijdens het lasproces. Gepulseerde systemen worden gemoduleerd om een reeks pulsen uit te voeren met een uitschakeltijd tussen deze pulsen. Bij beide methoden wordt de laserstraal optisch gefocust op het te lassen werkstukoppervlak. Deze laserstralen kunnen rechtstreeks op het onderdeel worden afgeleverd via klassieke harde optica, of via een zeer flexibele glasvezelkabel die de laserenergie naar verre werkstations kan leveren.

Het is de hoge energiedichtheid van de laser die ervoor zorgt dat het oppervlak van het materiaal snel op de liquidustemperatuur wordt gebracht, waardoor een korte straalinteractietijd mogelijk is in vergelijking met traditionele lasmethoden zoals GTAW (TIG-lassen) en soortgelijke processen. Energie krijgt dus minder tijd om in het inwendige van het werkstuk te verdwijnen. Dit resulteert in een smalle, door hitte beïnvloede zone en minder vermoeidheidsverlies voor het onderdeel.

De energie-output van de bundel kan in hoge mate worden gecontroleerd en gemoduleerd om willekeurige pulsprofielen te produceren. Lasnaden kunnen worden geproduceerd door afzonderlijke pulsen te overlappen, waardoor de warmte-inbreng wordt verminderd door een korte koelcyclus tussen de pulsen te introduceren, een voordeel bij het produceren van lassen in warmtegevoelige materialen.

Salay Stannard, een materiaalingenieur bij Joining Technologies, een in East Granby, CT-gebaseerde innovator op het gebied van lasercladding, elektronenstraal- en laserlastoepassingen, merkt op dat CW-lasers penetraties tot en met 0,5 inch kunnen bereiken, terwijl gepulseerde lasers doorgaans slechts 0,030-0,045 inch bereiken. Ze zegt:"Deze resultaten kunnen per lasersysteem variëren en zijn grotendeels afhankelijk van de keuze van de verwerkingsparameters en het verbindingsontwerp." Figuur 1 toont de constructie van een laserlassysteem in vaste toestand.

Stannard voegt hieraan toe:“Aangezien de warmtebron bij dit soort lasproces de energie van licht is, moet rekening worden gehouden met de reflectiviteit van het lasmateriaal. Goud, zilver, koper en aluminium vereisen bijvoorbeeld een intensere energie-input. Eenmaal gesmolten wordt de reflectiviteit verminderd en gaat de thermische geleiding van het proces vooruit om penetratie te bereiken.”

Zoals opgemerkt resulteert de hoge vermogensdichtheid van de laser in kleine, door hitte beïnvloede zones en zorgt ervoor dat kritische componenten ongedeerd blijven. Dit heeft vooral voordelen voor chirurgische instrumenten, elektronische componenten, sensorsamenstellen en vele andere precisie-apparaten. In tegenstelling tot EBW genereert LBW geen röntgenstralen en is het gemakkelijk te manipuleren met automatisering en robotica. Over het algemeen heeft LBW ook eenvoudiger gereedschapsvereisten en zijn er geen fysieke beperkingen van een vacuümkamer. Kortere cyclustijden vertalen zich in kostenvoordelen zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit. Tabel 1 somt de voordelen op van continue golf- en puls-LBW.

EBW – diepere laspenetratie en vrij van vervuiling

EBW is breed geaccepteerd in veel industrieën en maakt het lassen mogelijk van vuurvaste en ongelijksoortige metalen die doorgaans niet geschikt zijn voor andere methoden. Zoals weergegeven in figuur 2 wordt het werkstuk gebombardeerd met een gefocusseerde stroom elektronen die zich met extreem hoge snelheid voortbeweegt. De kinetische energie van de elektronen wordt omgezet in warmte-energie, die op zijn beurt de drijvende kracht achter fusie is. Meestal is er geen toegevoegd vulmateriaal vereist of gebruikt, en is de vervorming na het lassen minimaal. Ultrahoge energiedichtheid maakt diepe penetratie en hoge aspectverhoudingen mogelijk, terwijl een vacuümomgeving zorgt voor een las zonder atmosferische gasverontreiniging die van cruciaal belang is voor metalen zoals titanium, niobium, vuurvaste metalen en superlegeringen op nikkelbasis.

Figuur 2. Lassen met elektronenbundels

De belangrijkste noodzaak voor het werken onder vacuüm is echter het nauwkeurig regelen van de elektronenbundel. Verstrooiing treedt op wanneer elektronen interageren met luchtmoleculen; door de omgevingsdruk te verlagen kunnen elektronen strenger worden gecontroleerd.

Moderne vacuümkamers zijn uitgerust met de modernste afdichtingen, vacuümsensoren en krachtige pompsystemen die een snelle evacuatie mogelijk maken. Deze eigenschappen maken het mogelijk om de elektronenbundel te focusseren tot diameters van 0,3 tot 0,8 millimeter.

Door het integreren van de nieuwste microprocessor Computer Numeric Control (CNC) en systeemmonitoring voor superieure manipulatie van onderdelen, kunnen onderdelen van verschillende afmetingen en massa worden samengevoegd zonder overmatig smelten van kleinere componenten. Dankzij de nauwkeurige controle van zowel de diameter van de elektronenbundel als de voortbewegingssnelheid kunnen materialen met een dikte van 0,001 inch tot enkele centimeters aan elkaar worden gesmolten. Deze kenmerken maken EBW tot een uiterst waardevolle technologie.

Het proces brengt een minimale hoeveelheid warmte in het werkstuk, wat de kleinst mogelijke hoeveelheid vervorming veroorzaakt en het mogelijk maakt om nabewerkte componenten zonder extra bewerking met elkaar te verbinden. Tabel 2 geeft een overzicht van de belangrijkste voordelen van EB-lassen.

Volgens John Rugh, marketing- en algemeen verkoopmanager voor het in Enfield CT gevestigde PTR-Precision Technologies, Inc., is EBW een proces dat nog lang zal worden gebruikt. “Aangezien het meeste EB-lassen wordt uitgevoerd in een vacuümkamer, is het uitstekend geschikt voor het verbinden van geavanceerde materialen die worden gebruikt in sectoren als de lucht- en ruimtevaart, de energieopwekking, de medische en nucleaire sector, die in een vacuümomgeving moeten worden geproduceerd om ze te beschermen tegen zuurstof en stikstof die in een open luchtomgeving voorkomen.”

Hij voegt hieraan toe:"De reinheid van de lasomgeving is een variabele waar u zich geen zorgen over hoeft te maken. Naast het bieden van de ideale lasomgeving, zorgen de nieuwe EB-lasbedieningen voor een snelle elektromagnetische afbuiging van de straal, waardoor de warmte-inbreng van de las en het omringende gebied kan worden aangepast voor optimale materiaaleigenschappen."

De Continuous Coaxial Powder Feed Nozzle maakt multidirectioneel lasercladden mogelijk waar een hoge poederefficiëntie vereist is. Het biedt ook uitstekende atmosferische afschermingsmogelijkheden voor materialen die zeer gevoelig zijn voor extreme oxidatie, zoals titanium.

Deze snelle afbuiging maakt bijvoorbeeld gelijktijdig voorverwarmen, lassen en naverwarmen mogelijk door de straallocatie, focus en vermogensniveaus snel te verplaatsen. Dit biedt de mogelijkheid om moeilijke of “onmogelijk te lassen” legeringen te lassen.

Volgens Geoffrey Young, algemeen directeur van het in Massachusetts gevestigde Cambridge Vacuum Engineering, “vereisen EBW-onderdelen een minimum aan nabewerking en warmtebehandeling en, in tegenstelling tot andere smeltlasprocessen, vereist EBW geen beschermgassen.” Hij voegt hieraan toe:“De laskwaliteit is uitzonderlijk, het proces is uiterst efficiënt (doorgaans 95 procent), alle procesparameters worden zorgvuldig gecontroleerd en het proces is volledig geautomatiseerd.”

Het beste van twee werelden

Volgens John Rugh wordt LBW vaak gebruikt voor het lassen van stalen plaatwerkcomponenten en machinaal bewerkte componenten met een dikte van minder dan 1/3 tot 1⁄2 inch. Laserlassen is ook nuttig voor het verbinden van onderdelen die niet geschikt zijn voor verwerking in een vacuümkamer.

“Sommige onderdelen en de bijbehorende lasarmaturen zijn mogelijk te groot om in de beschikbare EB-laskamers te passen”, aldus Rugh. “Afgezien van de afmetingen, als de te lassen componenten vloeistoffen bevatten die het vacuümpompen zouden verstoren, zou laserlassen een goede keuze zijn.” Het duurt minuten om een EB-laskamer te evacueren en die tijd is misschien niet de moeite waard voor een minder gevoelige las.

Als componenten van hoge waarde zijn, gemaakt van een materiaal dat baat zou hebben bij de vacuümomgeving, zoals titanium- en nikkellegeringen, de lassen dieper zijn dan 1/3 tot 1/2 inch of als de laserstraal moeite heeft met het materiaal dat wordt gelast, zoals aluminiumlegeringen, is EB-lassen vaak de voorkeur boven laserlassen.

Hoewel elke technologie zijn voordelen heeft, bevatten veel componentontwerpen in de praktijk zowel EB- als laserlassen. In deze gevallen stroomlijnt het uitvoeren van beide soorten lassen in dezelfde faciliteit het productieproces zeker.

Dit artikel is geschreven door John Lucas, Process Development Technician, Joining Technologies (East Granby, CT). Neem voor meer informatie contact op met John op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft JavaScript nodig om het te kunnen bekijken., of ga naar http://info.hotims.com/34454-200  .