Kiezen tussen laser continu lassen en pulslassen: Een uitgebreide gids

Continu lassen van de verzinkte plaat door de halfgeleiderlaser

Gepulseerd lassen van roestvrij staal plaat met Nd 3 +: YAG laser

1. Relevante principes

Lasers kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd. Eén classificatiemethode is gebaseerd op de golflengte, waarbij lasers kunnen worden onderverdeeld in infrarood, zichtbaar en ultraviolet.

Een andere classificatie is gebaseerd op de werkzame stof van de laser, waaronder CO₂ laser, vezellaser, Nd3+:YAG vastestoflaser, Nd3+:YAG disc laser (uniek voor Trumpf), directe halfgeleiderlaser, kleurstoflaser, enzovoort. De werkingsmodus van de laser, continu of pulserend, bepaalt ook de type laser.

In het algemeen geeft een laserstraal één keer licht als hij oscilleert in de resonantieholte, maar er kunnen meerdere uitgangen worden gevormd door oscillatie met een hoge frequentie. Een laser wordt beschouwd als een laser met continue lichtoutput wanneer de outputfrequentie een kritische waarde bereikt, en wordt beschouwd als een pulslaser als de outputfrequentie onder die kritische waarde ligt.

Er is echter geen standaarddefinitie voor het onderscheid tussen continue en pulslaser in de academische wereld en de industrie. De algemene opvatting is dat wanneer de herhaalde lichtfrequentie lager is dan 102 Hz, het wordt beschouwd als een pulslaser, 102-103 Hz wordt beschouwd als quasi-continu (QCW), 103-106 Hz wordt beschouwd als continu (CW), en alles boven 106-109 Hz wordt beschouwd als supercontinuüm.

Op het gebied van metaal snijden bijvoorbeeld, zijn de typische frequentieparameters van IPG en Raycus fiber lasers zijn 5000 Hz, terwijl de typische frequentie van vroege Nd3+:YAG vaste stof lasersnijmachines 300 Hz is. In termen van vermogensparameters leveren CW-lasers over het algemeen alleen vermogen, terwijl pulslasers eenpulsvermogen, gemiddeld vermogen, pulsbreedte en frequentie leveren.

De specifieke kosteneffectieve methode is:

Gemiddeld vermogen = vermogen enkele puls × pulsbreedte × frequentie

2. Laserlichtbron

Op het gebied van metaal laserlassenNd3+: YAG vastestoflasers worden gewoonlijk gebruikt voor pulslassen, terwijl fiberlasers gewoonlijk worden gebruikt voor continu lassen. Met de vooruitgang in lasertechnologie wordt het onderscheid tussen de twee echter steeds minder duidelijk, omdat industriële directe halfgeleiderlasers steeds vaker worden gebruikt voor continu lassen.

Pulslaserlassen, waarbij gebruik wordt gemaakt van Nd3+: YAG lasers, staat bekend om zijn laagfrequente, hoogenergetische pulsen. Een pulslaser van 500 W kan bijvoorbeeld een enkelvoudig pulsvermogen tot 12KW of meer produceren, wat resulteert in een groter pulsvermogen. laspenetratie vergeleken met fiberlasers met hetzelfde vermogen.

Aan de andere kant worden continue (vezel)lasers gekenmerkt door een hoge frequentie en een stabiele, lage uitvoer van energie bij een enkele puls.

Een eenvoudige analogie om het verschil tussen pulslassen en continu lassen uit te leggen is dat pulslassen lijkt op heien met een heimachine, waarbij elke inslag zwaar is maar de snelheid laag. Aan de andere kant is continu lassen als spijkers slaan met een elektrische hamer, waarbij elke klap klein is maar de hamersnelheid hoog.

3. Kenmerken van de straal

Zoals bekend is de straal die geproduceerd wordt door een continue golflaser (vezellaser) een typische Gaussische straal. Dit betekent dat de vermogensdichtheid in het midden van de bundel erg hoog is en snel afneemt vanaf het midden.

Daarentegen heeft de lichtintensiteit van een gepulseerde laser een vlakke topverdeling, wat betekent dat de energie ruwweg gelijkmatig verdeeld is over het oppervlak loodrecht op de straal.

Het is de moeite waard om op te merken dat de bundelverdeling van een directe halfgeleiderlaser ook lijkt op de flat-top verdeling, maar dit wordt hier niet verder besproken.

Energieverdeling van Gaussische stralen

Energiedistributie van balk met vlakke kop

4. Lasproces

De frequentie van de lichtopbrengst bij continu lassen is extreem hoog.

Wanneer de juiste lasbescherming en -parameters worden gebruikt, kan een gelijkmatige en gladde las worden gemaakt die niet hoeft te worden geslepen of gepolijst.

Pulslassen daarentegen heeft een lagere lichtfrequentie en produceert een duidelijk, onderbroken kloppend geluid tijdens het lasproces. De resulterende las ziet eruit als een platte visschub, vergelijkbaar met argon booglassenof volledig enkel puntlassen waar nodig.

Bij continu lassen hoeven maar een paar parameters geselecteerd te worden, zoals de juiste lasrups, de lassnelheid en het vermogen, waardoor het relatief eenvoudig is. Pulslassen vereist echter een uitgebreide afweging van meerdere parameters, waaronder pulsbreedte, lichtuitgangsfrequentie, vermogen voor een enkele puls, rijsnelheid en pulsgolfvorm, waardoor het een complexer proces is.

Pulslaspunt (laspunt)

Continue lasnaad

Bovendien heeft de fiberlaserstraal een hoge energiedichtheid in het optische centrum. Met de huidige technologie kan de laserstraal efficiënt door een vezel met een zeer kleine kerndiameter worden gestuurd. Dit maakt lichtlasers met een gemiddeld tot hoog vermogen ideaal voor diep penetratielassen, waarbij lasnaden met een hoge diepte-breedteverhouding worden geproduceerd.

De vlakke verdeling van gepulseerde laserstralen biedt aanzienlijke voordelen voor warmtegeleidingslassen, vooral bij het lassen van dunne platen.

5. Toepassing

De continue (vezel)laser heeft een aanzienlijk marktaandeel verworven op het gebied van lassen en vervangt CO₂ en Nd3+: YAG vastestoflasers, vanwege de stabiliteit, het lage energieverbruik, de efficiëntie, de hoge straalkwaliteit en de energiedichtheid. Verwacht wordt dat deze trend zich in de toekomst zal voortzetten.

De Nd3+: YAG vastestoflaserzal ondanks zijn lange ontwikkelingsgeschiedenis en grote markt veelbelovende mogelijkheden hebben op gespecialiseerde gebieden. Momenteel wordt continu laserlassen voornamelijk gebruikt voor diepdoordringlassen. Bijvoorbeeld, optische vezel (continu) lasers worden veel gebruikt in de auto-onderdelen industrie. Naarmate de technologie voortschrijdt, met name in optische vezellaser en directe halfgeleiderlasertechnologie, zal continu laserlassen naar verwachting worden toegepast in een breder scala van gebieden.

Bovendien sluiten de hoge efficiëntie en stabiliteit van continu laserlassen aan bij de groeiende trend in de productie-industrie naar intelligente en geautomatiseerde productiemethoden.

Hoewel het pulslassen op de markt is gekrompen, heeft het nog steeds een plaats in de toekomst. Vezellasers hebben quasi-continue lasers ontwikkeld die concurreren met pulslassen, maar pulslassen is nog steeds nuttig voor speciale materialen en lasvereisten. Bovendien heeft de Nd3+: YAG vastestoflaser de voordelen van lage kosten, gebruiksgemak en eenvoudig onderhoud, waardoor pulslassen op de lange termijn relevant zal blijven.

6. Conclusie

Kiezen tussen twee lasmethoden vereist een zorgvuldige evaluatie van verschillende factoren zoals kosten, bedrijfskosten, procesvereisten en productie-efficiëntie.

Pulslassen heeft een laag totaalrendement, maar biedt een hoge enkele pulsenergie. Het gebruik ervan kan echter duur zijn. Continulassen daarentegen is efficiënter en heeft lagere bedrijfskosten, maar de aanloopkosten zijn hoger.

Beide methoden hebben hun eigen voor- en nadelen en daarom hebben ze specifieke toepassingsgebieden.