Lasertraining: Beheers de basis voor metaalmaterialen

Principe van laserlassen

Bij laserlassen wordt een laserstraal met hoge intensiteit op een metalen oppervlak gericht. De interactie van de laser met het metaal zorgt ervoor dat het de laserenergie absorbeert en omzet in warmte. Deze warmte zorgt ervoor dat het metaal smelt en uiteindelijk afkoelt en stolt, wat resulteert in een gelaste verbinding.

Er zijn twee mechanismen voor laserlassen:

1. Warmtegeleidingslassen:

Wanneer een laser op een materiaaloppervlak wordt gericht, wordt een deel van de laserenergie gereflecteerd terwijl de rest door het materiaal wordt geabsorbeerd. Deze geabsorbeerde energie wordt omgezet in warmte, waardoor het materiaal opwarmt en smelt.

De warmte van de oppervlaktelaag van het materiaal blijft zich door warmtegeleiding verplaatsen naar de diepere lagen van het materiaal totdat de twee stukken die worden gelast aan elkaar zijn bevestigd.

Puls laserlasmachines worden vaak gebruikt voor dit proces en de verhouding tussen diepte en breedte is meestal minder dan 1.

Pijplassen - Tekenen continu lassen

2. Laser dieptedoorsteeklassen

Wanneer een hogevermogensdichtheid laser lichtbundel op een materiaaloppervlak wordt gericht, absorbeert het materiaal de lichtenergie en zet deze om in warmte-energie. Het resultaat is dat het materiaal opwarmt, smelt en verdampt, waarbij een grote hoeveelheid metaaldamp ontstaat.

De reactiekracht van de uittredende damp duwt het gesmolten metaal rond, waardoor putjes ontstaan. Met continue laserbestraling dringen de putjes dieper in het materiaal.

Wanneer de laser wordt uitgeschakeld, stroomt het gesmolten metaal rond de putjes terug en stolt, waardoor de twee stukken aan elkaar worden gelast.

Dit proces wordt vaak gebruikt in continue laserlassen machines en de verhouding tussen diepte en breedte is meestal groter dan 1.

Kenmerken van laserlassen

• Laserlassen staat bekend om zijn hoge lassnelheid, grote lasdiepte en minimale vervorming van de te lassen materialen.
• Laserlassen kan worden uitgevoerd bij kamertemperatuur of onder specifieke omstandigheden en de benodigde apparatuur is relatief eenvoudig. Wanneer een laser bijvoorbeeld door een elektromagnetisch veld gaat, zal de straal niet verschuiven. Bovendien kan laserlassen worden uitgevoerd in vacuüm, lucht en sommige gasomgevingen en kan er zelfs door transparante materialen zoals glas worden gelast.
• Laserlassen kan vuurvaste materialen zoals titanium en kwarts lassen, maar ook ongelijke materialen met uitstekende resultaten.
• Bij krachtige laserlasmachines is de vermogensdichtheid zeer hoog en kan de verhouding tussen diepte en breedte oplopen tot 5:1.
• Laserlassen is geschikt voor microlassen omdat het een klein gefocust punt kan produceren dat nauwkeurig gepositioneerd kan worden. Deze eigenschap maakt het ideaal voor het assembleren en lassen van micro- en kleine werkstukken die in grote hoeveelheden worden geproduceerd.
• Laserlassen kan ontoegankelijke delen bereiken voor contactloos lassen over lange afstanden, wat meer flexibiliteit biedt voor laswerkzaamheden.
• Laserstralen kunnen worden opgesplitst in energie en tijd, waardoor gelijktijdig lassen met meerdere stations en lassen met gedeelde tijd mogelijk wordt, wat de productie-efficiëntie en het gebruik van apparatuur sterk verbetert.

Laserlassen classificatie

Er zijn twee soorten lasers lassen: puls laserlassen en fiber continu laserlassen, die worden geclassificeerd op basis van het type laser dat wordt gebruikt.

Dit zijn de verschillen tussen de twee methoden:

Doorlopend laspatroon

Impulslassen

Pulslaspunt superpositie

Laserlassen geclassificeerd volgens laserlasmethode

Afhankelijk van de productcombinatie is het onderverdeeld in de volgende:

Stuiklassen vereist meestal geen spleet of, indien nodig, een spleet van minder dan 0,05 mm. Hoe dunner het te lassen product, hoe strenger de eisen voor de spleet.

Bij penetratielassen is het belangrijk om te zorgen voor een stevige verbinding tussen de bovenste en onderste lagen. Naarmate het materiaal van de bovenste laag dunner wordt, is een strakkere passing nodig om het gewenste resultaat te bereiken.

Vergelijking tussen laserlassen en andere lasmethoden

Puls / continu lassen

Laseigenschappen van metalen

Laseigenschappen van staal

Staal is een legering van ijzer en koolstof, met een koolstofgehalte variërend tussen 0,04% en 2,3%. Om de taaiheid en plasticiteit van het staal te garanderen, is het koolstofgehalte meestal niet hoger dan 1,7%.

Gelegeerd staal wordt geproduceerd door opzettelijk legeringselementen, zoals Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, enz. toe te voegen tijdens het smeltproces. Deze legeringselementen kunnen worden gebruikt om de mechanische eigenschappen, proceseigenschappen of andere speciale eigenschappen van het staal te verbeteren, zoals corrosiebestendigheid, hittebestendigheid en slijtvastheid.

Indeling naar chemische samenstelling:

(1) Koolstofstaal:

a. Laag koolstofstaal (C ≤ 0,25%);

b. Staal met gemiddelde koolstofwaarde (C ≤ 0,25 ~ 0,60%);

c. Staal met hoog koolstofgehalte (C ≤ 0,60% ~ 2,11%).

Hoe hoger het koolstofgehalte, hoe gemakkelijker het is om explosiegaten te maken in het smeltbad.

(2) Gelegeerd staal:

a. Laaggelegeerd staal (totaal legeringselement inhoud ≤ 5%);

b. Staal met een gemiddelde legering (totaal gehalte aan legeringselementen > 5 ~ 10%);

c. Hooggelegeerd staal (totaal gehalte aan gelegeerde elementen > 10%).

De lasbaarheid van gelegeerd staal hangt af van de legeringselementen en de lasbaarheid is vergelijkbaar met de smeltpuntkenmerken van roestvast staal.

(3) Roestvrij staal

Roestvrij staal verwijst naar een soort staal dat bestand is tegen zwakke corrosieve media zoals lucht, stoom, water en chemisch corrosieve media zoals zuur, alkali en zout. Het is onderverdeeld in verschillende soorten, waaronder martensitisch staal, ferritisch staal en austenitisch staal.

Martensitisch roestvrij staal is typisch koolstofarm of koolstofrijk staal met een chroomgehalte tussen 12% en 18% en de belangrijkste legeringselementen zijn ijzer, chroom en koolstof. Het heeft echter de slechtste lasbaarheid van alle roestvaste staalsoorten. De gelaste verbindingen zijn vaak hard en bros, met een neiging tot koudscheuren. Om de kans op barsten en bros worden te verminderen, wordt voorverwarmen en ontlaten aanbevolen wanneer lassen van roestvrij staal met een koolstofgehalte van meer dan 0,1%, zoals 403, 410, 414, 416, 420, 440A, 440B en 440C.

Austenitisch roestvast staal verwijst naar roestvast staal met een austenitische structuur bij kamertemperatuur. Dit type staal bevat ongeveer 18% chroom en nikkel, en heeft een stabiele austeniet structuur wanneer het chroomgehalte tussen 8% en 10% ligt en het koolstofgehalte ongeveer 0,1% is. Het heeft over het algemeen goede lasprestaties. De toevoeging van zwavel en selenium om de mechanische eigenschappen te verbeteren verhoogt echter de neiging tot stollingsscheuren.

Austenitisch roestvast staal heeft een lagere warmtegeleiding dan koolstofstaal, met een absorptiesnelheid die iets hoger is dan die van koolstofstaal. De laspenetratiediepte is slechts ongeveer 5-10% van die van gewoon koolstofstaal. Niettemin is laserlassen, dat een kleine warmte-inbreng en hoge lassnelheid heeft, zeer geschikt voor het lassen van roestvast staal uit de Cr Ni-serie. Enkele veel voorkomende soorten austenitisch roestvast staal zijn 201, 301, 302, 303 en 304.

Over het algemeen is roestvast staal goed lasbaar, met een goed gevormd lasbad.

(4) 200 serie - Cr Ni Mn

Austenitisch roestvrij staal, 300 serie - chroom-nikkel

De betekenis van elke letter:

• CR betekent chroom
• Ni staat voor nikkel
• Mn staat voor mangaan
• 1 geeft koolstofgehalte aan (0 in 304 is niet koolstofvrij, maar koolstofgehalte is minder dan 0,1%, behorend tot koolstofarm)
• 201: 1Cr17Mn6N5N, wat wijst op austenitisch roestvrij staal 201 met 1% koolstof, 17% mangaan, 17% chroom en 6% nikkel;
• 304: 0Cr19Ni9 (0Cr18Ni9), aanduiding voor austenitisch roestvast staal 304 met minder dan 0,1% koolstof, 18% / 19% chroom en 9% nikkel;

201 roestvast staal bevat mangaan, waardoor het gevoelig is voor oxidatie en roest in natte, zoute en slecht onderhouden omgevingen (hoewel het nog steeds veel beter is dan ijzeren producten en behandeld kan worden met draadtrekken of polijsten na oxidatie en roest).

In tegenstelling tot ijzeren producten kan de galvanisatielaag aan het oppervlak niet behandeld worden na corrosie.

Anderzijds bevat 304 roestvrij staal geen mangaan, maar wel meer chroom en nikkel, waardoor het beter bestand is tegen oxidatie en roest.

De prijs van 201 roestvrij staal is 3-4 keer zo hoog als die van op ijzer gebaseerde (verchroomde of gespoten) meubelmaterialen, terwijl de prijs van 304 roestvrij staal meer dan de helft of bijna het dubbele is van 201 roestvrij staal.

Het oppervlak van 304 roestvrij staal is wit met een metallic glans, vergelijkbaar met een plastic plaat.

Ferritisch roestvrij staalmet een lichaam-gecentreerde kubische kristalstructuur, bevat meestal 11% - 30% chroom en bevat geen nikkel (hoewel het kleine hoeveelheden Mo, Ti, Nb en andere elementen kan bevatten).

Dit type staal heeft een hoge thermische geleidbaarheid, een lage uitzettingscoëfficiënt, een goede oxidatieweerstand en een uitstekende weerstand tegen spanningscorrosie.

Een voorbeeld is 430 roestvrij staal.

Vergeleken met austenitisch en martensitisch roestvast staal, hebben ferritische roestvaste staalsoorten de minste neiging om heet te worden. koude scheuren bij laserlassen.

Lassen van de structuur van de stuurinrichting van een auto - continu lassen

Laseigenschappen van aluminiumlegering

Door de hoge oppervlaktereflectie en het hoge warmtegeleidingsvermogen vereist het lassen van aluminium een hoge vermogensdichtheid, waardoor het moeilijk is om een stabiel smeltbad te vormen.

Veel aluminiumlegeringen bevatten vluchtige elementen zoals silicium en magnesium, wat leidt tot de vorming van veel poriën in de las.

Door de lage viscositeit en oppervlaktespanning van vloeibaar aluminium kan het vloeibare metaal in het smeltbad gemakkelijk overlopen, wat de lasvorming beïnvloedt.

Sommige aluminiumlegeringen kunnen warmscheuren tijdens het stollen, wat te maken heeft met de koeltijd en de lasbescherming.

Hoe zuiverder het aluminium, hoe beter de laskwaliteit.

Lassen van aluminium uit de 3-serie is over het algemeen acceptabel, terwijl het lassen van aluminium met een lage zuiverheidsgraad explosiegaten en scheuren kan veroorzaken.

Kenmerken van het laserlasproces

Er zijn talloze procesparameters die de kwaliteit van laserlassen beïnvloeden, zoals vermogensdichtheid, straaleigenschappen, defocuslassnelheid, laserpulsgolfvorm en hulpgasstroom.

1. Vermogensdichtheid

Vermogensdichtheid is een kritieke parameter bij laserlassen.

Een hoge vermogensdichtheid kan het metaal in microseconden snel verhitten tot het smeltpunt, wat resulteert in een las van hoge kwaliteit.

De vermogensdichtheid wordt bepaald door het piekvermogen en de oppervlakte van de soldeerverbinding.

Vermogensdichtheid = piekvermogen ÷ soldeeroppervlak

Bij het lassen van sterk reflecterende materialen zoals aluminium en koper is het nodig om de vermogensdichtheid te verhogen. Dit kan worden bereikt door een hogere stroom of vermogen te gebruiken en zo dicht mogelijk bij het brandpunt te lassen.

2. Golfvorm laserpuls

De golfvorm van de laserpuls is een kritieke factor bij laserlassen, vooral voor plaatlassen.

Wanneer de laserstraal met hoge intensiteit interageert met het materiaaloppervlak, gaat 60% tot 90% van de laserenergie verloren door reflectie en verandert het reflectievermogen met de oppervlaktetemperatuur.

Het reflectievermogen van het metaal verandert aanzienlijk tijdens een laserpuls.

Wanneer het metaal in vaste toestand is, is de reflectiviteit van de laser hoog.

Wanneer het materiaaloppervlak echter smelt, neemt de reflectiviteit af en de absorptie toe, waardoor de stroom of het vermogen geleidelijk afneemt.

Daarom wordt de pulsvorm meestal ontworpen om deze veranderingen op te vangen, zoals:

3. Defocus hoeveelheid

De term "defocuswaarde" verwijst naar de afwijking van het werkstukoppervlak van het brandpuntsvlak.

De positie van de defocus heeft een directe invloed op het sleutelgateffect tijdens het op maat lassen.

Er zijn twee manieren van defocussering: positief en negatief.

Als het brandpuntsvlak zich boven het werkstuk bevindt, wordt het beschouwd als positieve defocus en als het zich onder het werkstuk bevindt, wordt het beschouwd als negatieve defocus.

Als de positieve en negatieve defocus gelijk zijn, is de vermogensdichtheid van het corresponderende vlak ongeveer gelijk, maar de vorm van het smeltbad is anders.

Negatieve defocus kan resulteren in een grotere penetratie, wat verband houdt met de vorming van het smeltbad.

Experimentele resultaten tonen aan dat wanneer de laserverwarming 50 tot 200 μS bereikt, het materiaal begint te smelten, waarbij metaal in vloeibare fase wordt gevormd en gedeeltelijk verdampt tot stoom onder hoge druk. Dit resulteert in een hogesnelheidsnevel van oogverblindend wit licht.

Tegelijkertijd verplaatst het gas met hoge concentratie het vloeibare metaal naar de rand van het smeltbad, waardoor een depressie in het midden van het bad ontstaat.

Tijdens negatieve defocus is de interne vermogensdichtheid van het materiaal hoger dan die van het oppervlak, wat leidt tot sterker smelten en vergassen. Hierdoor kan de lichtenergie worden doorgegeven aan het diepere deel van het materiaal.

Daarom moet in praktische toepassingen negatieve defocus worden gebruikt als diepe penetratie vereist is en positieve defocus als dunne materialen moeten worden gelast.

Focuspositie:

De kleinste spot met de hoogste energie kan worden bereikt door puntlassen. Omgekeerd, wanneer een klein punt nodig is en de energie laag is, kan puntlassen ook worden gebruikt.

Negatieve defocuspositie:

Een iets groter punt is geschikt voor diep doordringend continu lassen en diep doordringend puntlassen. Naarmate de afstand tot het brandpunt groter wordt, wordt de grootte van het punt groter.

Positieve defocuspositie:

Een iets grotere lasplaats is geschikt voor continu lassen van oppervlaktedichtlassen of situaties waarin een lage penetratie nodig is. Naarmate de afstand tot het brandpunt groter wordt, neemt ook de grootte van het punt toe.

4. Lassnelheid

De kwaliteit van de lasoppervlak, inbranding, warmte-beïnvloede zone en andere factoren worden bepaald door de lassnelheid.

De penetratie kan worden verbeterd door de lassnelheid te verlagen of de lasstroom te verhogen.

Het verlagen van de lassnelheid wordt vaak gebruikt om de penetratie te verbeteren en de levensduur van de apparatuur te verlengen.

5. Hulpblazen

Hulpblazen is een cruciaal proces bij hoogvermogen laserlassen.

Ten eerste helpt het voorkomen dat metaalsputtering de focusspiegel vervuilt door coaxiaal beschermgas te gebruiken.

Ten tweede voorkomt het de opbouw van plasma van hoge temperatuur dat wordt gegenereerd tijdens het lasproces en voorkomt dat de laser het materiaaloppervlak bereikt door zijwaarts weg te blazen.

Ten derde gebruikt het beschermgas om de lucht te isoleren en het lasbad te beschermen tegen oxidatie.

De keuze van het hulpgas en het volume van de inblaaslucht hebben een grote invloed op de lasresultaten, en verschillende inblaasmethoden kunnen ook een grote invloed hebben op de laskwaliteit.

6. Optische vezel en lasverbinding configuratie

Als de optische vezeldiameter bijvoorbeeld 0,6 mm is en de brandpuntsafstand 120 mm met een collimerende scherpstelling van 150 mm, kan de focusdiameter als volgt worden berekend:

Focusdiameter = 0,6 x 120/150 = 0,48 mm

De specifieke configuratie wordt bepaald op basis van het materiaal, de dikte, de penetratie en de pasafstand van het product.

Kenmerken van Long Focus:

• De werkafstand is aanzienlijk, waardoor interferentie van de armatuur wordt vermeden, de invloed van schommelingen in producthoogte wordt beperkt en de vervuiling van de beschermende lens door spatten wordt geminimaliseerd.
• Om hetzelfde penetratieniveau te bereiken, zal het benodigde vermogen van de apparatuur hoger zijn.