Inleiding:
In het vorige artikel bespraken we de principes en kenmerken van dieptediep laserlassen. Hier richten we ons op de belangrijkste procesparameters. Dit is handig om meer te weten te komen over deze lastechniek.
De belangrijkste procesparameters van laserlassen met diepe penetratie
1. Laservermogen
Er is een drempelwaarde voor de dichtheid van laserenergie bij laserlassen. Onder deze waarde is de inbranddiepte zeer gering. Zodra deze waarde wordt bereikt of overschreden, zal de inbranddiepte sterk toenemen. Pas wanneer de dichtheid van het laservermogen op het werkstuk een drempelwaarde (afhankelijk van het materiaal) overschrijdt, wordt het plasma gegenereerd. Dit markeert de voortgang van stabiel diep-penetratielassen.
Als het laservermogen onder deze drempelwaarde ligt, vindt alleen oppervlaktesmelting van het werkstuk plaats. Dat is stabiel warmtegeleidingslassen. Wanneer de dichtheid van het laservermogen echter in de buurt komt van de kritische voorwaarde voor de vorming van kleine gaatjes, worden afwisselend diep penetratielassen en geleidingslassen uitgevoerd. Dit wordt een onstabiel lasproces, wat resulteert in grote schommelingen in de inbranddiepte.
Tijdens het laserdiep penetratielassen regelt het laservermogen tegelijkertijd de penetratiediepte en de lassnelheid. De laspenetratie is direct gerelateerd aan de vermogensdichtheid van de laserstraal en is een functie van het invallend vermogen van de laserstraal en het brandpunt van de laserstraal. In het algemeen geldt dat voor een laserstraal met een bepaalde diameter de inbranddiepte toeneemt naarmate het straalvermogen toeneemt.
2. Straal brandpunt
De grootte van de bundel is een van de belangrijkste variabelen bij het laserlassen. Het bepaalt namelijk de vermogensdichtheid. Maar voor lasers met een hoog vermogen is het moeilijk om de grootte te meten. Hoewel er veel indirecte meettechnieken zijn.
De diffractiebegrensde spotgrootte van de bundelfocus kan worden berekend volgens de lichtdiffractietheorie. Maar door de aberratie van de focuslens is de werkelijke grootte van de spot groter dan de berekende waarde. De eenvoudigste praktische methode is de isotherme profileringsmethode. Dat is het meten van de brandplek en perforatiediameter na het verkolen en doorboren van een polypropyleen plaat met dik papier. Voor deze methode moeten het laservermogen en de tijd van de straalwerking in de praktijk worden gemeten.
3. Absorptiewaarde van het materiaal
De absorptie van laserlicht door een materiaal hangt af van een aantal belangrijke eigenschappen van het materiaal. Zoals absorptievermogen, reflectievermogen, thermische geleidbaarheid, smelttemperatuur, verdampingstemperatuur, enz.
Het belangrijkste is de absorptiesnelheid.
De factoren die de absorptiesnelheid van het materiaal voor de laserstraal beïnvloeden, omvatten twee aspecten:
- Meet eerst de absorptie van het gepolijste oppervlak van het materiaal. Het bleek dat de weerstand van het materiaal evenredig is met de vierkantswortel van de weerstandscoëfficiënt. De weerstandscoëfficiënt verandert met de temperatuur.
- Ten tweede heeft de oppervlaktegesteldheid (of afwerking) van het materiaal een belangrijker effect op de straalabsorptiesnelheid. Daarom heeft het een significant effect op het laseffect.
Niet-metalen zoals keramiek, glas, rubber en kunststoffen hebben een hoge absorptiesnelheid bij kamertemperatuur. Metalen materialen hebben echter een lage absorptiesnelheid bij kamertemperatuur. En zodra het materiaal smelt of zelfs verdampt, neemt de absorptiesnelheid sterk toe. Het gebruik van een oppervlaktecoating of oxidelaag aan het oppervlak verbetert effectief de absorptie van lichtstralen door het materiaal.
4. Lassnelheid
De lassnelheid heeft een grote invloed op de inbranddiepte. Een hogere snelheid maakt de inbranding ondieper. Maar als de snelheid te laag is, zal het materiaal overmatig smelten en wordt het werkstuk doorgelast. Daarom bestaat er een geschikt las-snelheidsbereik voor een specifiek materiaal met een bepaald laservermogen en een bepaalde dikte. De maximale inbranddiepte kan worden verkregen bij de overeenkomstige snelheidswaarde.
5. Beschermend gas
Inert gas wordt vaak gebruikt om het smeltbad te beschermen tijdens laserlassen. Sommige materialen worden gelast ongeacht de oxidatie van het oppervlak en dan is bescherming niet nodig. Maar voor de meeste toepassingen worden helium, argon, stikstof en andere gassen vaak gebruikt als bescherming.
-
Helium
Helium is niet gemakkelijk geïoniseerd (hogere ionisatie-energie). Hierdoor kan de laser er soepel doorheen en bereikt de stralenergie ongehinderd het oppervlak van het werkstuk. Dit is het meest effectieve beschermgas dat bij laserlassen wordt gebruikt. Maar het is duurder.
-
Argon gas
Argon gas is goedkoper en dichter, dus het beschermingseffect is beter. Het is echter gevoelig voor metaalplasma-ionisatie bij hoge temperatuur. Dit kan een deel van de laserstraal afschermen van het werkstuk, het effectieve laservermogen voor het lassen verminderen en de lassnelheid en penetratie aantasten. Het lasoppervlak dat beschermd wordt door argon is gladder dan dat van helium.
-
Stikstof
Stikstof is het goedkoopste beschermgas. Het is echter ongeschikt voor het lassen van sommige soorten roestvast staal, voornamelijk vanwege metallurgische problemen, zoals absorptie. Soms veroorzaakt dit porositeit in het overlappende gebied.
Het gebruik van beschermgas is gunstig, voornamelijk in de volgende drie aspecten:
- Bescherm het werkstuk tegen oxidatie tijdens het solderen.
- Bescherm de focuslens tegen verontreiniging door metaaldamp en sputteren van vloeistofdruppels, vooral bij laserlassen met hoog vermogen. Omdat de uitworp krachtig wordt, is het noodzakelijk om de lens nu te beschermen.
- Het plasmaschild afvoeren dat ontstaat bij laserlassen met hoog vermogen. De metaaldamp absorbeert de laserstraal en ioniseert tot een plasmawolk. Het beschermende gas rond de metaaldamp wordt ook geïoniseerd door de hitte. Als er te veel plasma aanwezig is, wordt de laserstraal enigszins opgeslokt door het plasma. Plasma bestaat op het werkoppervlak als een tweede energie, waardoor de inbranding ondiep wordt en het oppervlak van het smeltbad breder. De recombinatiesnelheid van elektronen wordt verhoogd door de drielichamenbotsingen van elektronen met ionen en neutrale atomen te verhogen om de elektronendichtheid in het plasma te verlagen. Hoe lichter de neutrale atomen, hoe hoger de botsingsfrequentie en de recombinatiesnelheid. Aan de andere kant zal alleen het beschermende gas met een hoge ionisatie-energie de elektronendichtheid niet doen toenemen door de ionisatie van het gas zelf.
6. Brandpuntsafstand van de lens
De focusmethode wordt meestal gebruikt om de laser te condenseren tijdens het lassen en er wordt meestal een lens met een brandpuntsafstand van 63~254mm gebruikt. De grootte van de focusvlek is evenredig met de brandpuntsafstand. Hoe korter de brandpuntsafstand, hoe kleiner de spot. De brandpuntsafstand beïnvloedt echter ook de brandpuntsdiepte. Dat wil zeggen dat de brandpuntsdiepte synchroon toeneemt met de brandpuntsafstand. Een korte brandpuntsafstand kan dus de vermogensdichtheid verhogen. Vanwege de kleine brandpuntsdiepte moet de afstand tussen de lens en het werkstuk precies worden aangehouden en is de penetratiediepte niet groot.
Vanwege de invloed van spatten en lasermodus die tijdens het lasproces worden gegenereerd, is de kortste brandpuntsdiepte die bij het eigenlijke lassen wordt gebruikt meestal de brandpuntsafstand van 126 mm (5″). Wanneer de lasnaad groot is of vergroot moet worden door de puntgrootte te vergroten, kan een lens met een brandpuntsafstand van 254 mm worden gekozen. In dit geval is een hoger laservermogen (vermogensdichtheid) nodig om het diep doordringende pinhole effect te bereiken.
Wanneer het laservermogen hoger is dan 2kW (vooral voor de 10,6μm CO2 laserstraal), wordt vanwege het gebruik van speciale optische materialen om het optische systeem te vormen, vaak de reflectieve focusmethode gebruikt om het risico op optische schade aan de focuslens te vermijden. Een gepolijste koperen spiegel wordt meestal gebruikt als reflector. Deze wordt vaak aanbevolen voor het scherpstellen van laserstralen met een hoog vermogen vanwege de effectieve koeling.
7. Focuspositie
De positie van het brandpunt is cruciaal voor het handhaven van voldoende vermogensdichtheid tijdens het lassen. Veranderingen in de positie van het brandpunt ten opzichte van het werkstukoppervlak hebben een directe invloed op de lasbreedte en -diepte.
Bij de meeste laserlastoepassingen bevindt het brandpunt zich meestal ongeveer 1/4 van de gewenste smeltdiepte onder het werkstukoppervlak.
8. Positie laserstraal
Bij het laserlassen van ongelijksoortige materialen bepaalt de positie van de laserstraal de uiteindelijke kwaliteit van de las, vooral in het geval van stuiknaden en overlapnaden. Wanneer bijvoorbeeld een gehard stalen tandwiel aan een zacht stalen trommel wordt gelast, helpt een goede regeling van de laserstraalpositie bij het produceren van een las met een relatief scheurvast en overwegend koolstofarm onderdeel. In sommige toepassingen vereist de geometrie van het te lassen werkstuk dat de laserstraal onder een hoek wordt afgebogen. Als de afbuighoek tussen de straalas en het verbindingsvlak binnen 100 graden ligt, wordt de absorptie van laserenergie door het werkstuk niet beïnvloed.
9. Geleidelijke toename en afname van het laservermogen aan het begin- en eindpunt van het lassen
Tijdens het laser dieptelassen ontstaan er altijd kleine gaatjes, ongeacht de lasdiepte. Wanneer het lasproces wordt beëindigd en de stroomschakelaar wordt uitgezet, ontstaat er een kuil aan het einde van de lasnaad. Bovendien, wanneer de laserlaslaag de originele lasnaad bedekt, zal er overmatige absorptie van de laserstraal optreden. Dit resulteert in oververhitting van het lasstuk of het ontstaan van poriën.
Om bovenstaande verschijnselen te voorkomen, kunnen de start- en eindpunten van het vermogen worden geprogrammeerd om de start- en eindtijden van het vermogen aan te passen. Het startvermogen wordt elektronisch verhoogd van nul tot de ingestelde vermogenswaarde in een korte periode. En de lastijd kan worden aangepast. Tot slot wordt het vermogen geleidelijk verlaagd van het ingestelde vermogen naar nul wanneer het lassen wordt beëindigd.