Praktijkaanbeveling Lassen van metalen met hoogvermogen ... · In vergelijking met conventionele...

PA.09.12 - “Lassen van metalen met hoogvermogen lasers” 1

Praktijkaanbevelingnr. PA.09.12augustus 2009

Lassen van metalen met hoogvermogen lasersHet lassen van metalen componenten met behulp van een hoogvermogen laser biedtvele voordelen ten opzichte van conventionele lastechnieken. Zo is de lassnelheidhoger en is de warmtebeïnvloede zone in het materiaal kleiner, waardoor er mindervervorming van het product optreedt. In de voorlichtingspublicatie VM 121“Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen” [1] worden verschillende(theoretische) onderwerpen die een rol spelen bij het bewerken (snijden, lassen,oppervlaktebewerkingen, enz.) van metalen gedetailleerd(er) behandeld. Dezepraktijkaanbeveling wil met name inzicht geven in de praktische aspecten die bijhet gebruik van een hoogvermogen laser voor het lassen aan de orde komen.

Inhoud 1 Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Laserbronnen voor laserlassen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1 Opbouw van een laserbron . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Eigenschappen van laserstraling en laserbundels 22.3 Machine-aspecten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3 Lasprincipes en -methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 Parameterinvloeden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.1 Laservermogen en lassnelheid . . . . . . . . . . . . . 64.2 Focuspositie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.3 Lasnaadvormen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74.4 Beschermgassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84.5 Materiaaleigenschappen . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5 Testen en beproeven van de laskwaliteit . . . . . . . . . . 9 6 Overige componenten van een laserlasinstallatie . . . 10

6.1 Opspangereedschap (lasmal) . . . . . . . . . . . . . 106.2 Naadvolgsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

7 Praktijkvoorbeelden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107.1 Laserlassen van een achterlichtdrager . . . . . . 107.2 Lassen van een paneel met een diodelaser . . . 127.3 Laskop met draadtoevoer . . . . . . . . . . . . . . . 13

8 Veiligheid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 9 Economische aspecten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1310 Probleemoplosser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

10.1 Lasdefecten bij voldoende laspenetratie . . . . . 1410.2 Lasdefecten bij onvoldoende laspenetratie . . . 14

10.2.1 Onvoldoende laspenetratie over de gehele lengte van de las . . . . . . . . . . 1510.2.2 Incidenteel gebrek of onvoldoende laspenetratie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

11 Literatuur en normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512 Referenties en bronvermelding . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1 InleidingLaserlassen is een verbindingstechniek, waarbij met be-hulp van een laserbundel de te verbinden onderdelen totsmelten worden gebracht (zie figuur 1.1). Een sterkeverbinding, die in het algemeen geen nabewerking ver-eist, is het gevolg.

figuur 1.1 Laserlassen; geleidingslassen (links) en keyholeof dieplassen (rechts)

In vergelijking met conventionele lastechnieken (TIG/MIG,puntlassen) voor plaat en pijp is het lassen met een hoog-vermogen laser snel (tot wel 30 m/min) en nauwkeurig.Bovendien vertoont laserlassen een geringe warmte-beïnvloede zone in het materiaal (minder dan 0,5 mm).Dit laatste heeft als voordeel dat er minder vervormingvan het product optreedt. In het algemeen behoeft eenlaserlas geen nabewerking (slijpen, polijsten).

Bovendien is laserlassen flexibel in termen van materi-aalkeuze, productgeometrie en automatisering. Nadelenvan het lassen met een laser zijn de lage (product)tole-ranties (circa 0,2 mm en minder) en dus hogere eisenaan de productdelen en de productopspanning (lasmal-len). De relatief hoge investering in een laserlasinstallatiekan echter in veel gevallen snel worden terugverdiendi.v.m. de hoge lassnelheden.

2 Laserbronnen voor laserlassen2.1 Opbouw van een laserbronHet woord LASER is een acroniem voor Light Amplifica-tion by Stimulated Emission of Radiation, ofwel licht-versterking door gestimuleerde emissie van straling.Een laserbron waarin de laserstraling wordt opgewekt(zie figuur 2.1) bestaat uit: een trilholte (of resonator) die is opgebouwd uit

spiegels, met daartussen een actief medium (CO2-gas bij een CO2-laser, een

kristal bij een Nd:YAG- of fiberlaser en halfgeleider-materiaal bij een diodelaser) en

een energiebron, die energie in het medium ‘pompt’.

figuur 2.1 Principeopbouw van een laserbron

Bij de CO2-laser en de diodelaser wordt de energie elek-trisch in het actieve medium ‘gepompt’. Bij de Nd:YAG-laser gebeurt dit ‘pompen’ d.m.v. licht van flitslampen(lampen-gepompte Nd:YAG-staaflaser) of d.m.v. lichtvan diodes (diode-gepompte Nd:YAG-staaf- of schijf-laser). De toegevoerde energie wordt in de trilholte om-gezet in ‘laserlicht’, waarvan een klein deel door één vande spiegels (uitkoppelspiegel) wordt doorgelaten (zie fi-guur 2.1). Dit afgetapte licht is de laserbundel waarmeematerialen kunnen worden gelast. Het licht van de laser-bundel heeft één of meerdere concrete golflengtes (zieook tabel 2.1). De mate waarin laserlicht wordt geabsor-beerd door materialen, hangt af van deze golflengte ende optische eigenschappen van het materiaal (zie § 2.2).De keuze voor een bepaald type laserbron hangt danook met deze absorptie samen. Van de totale hoeveel-heid toegevoerde (pomp)energie wordt wel 65 tot 97%omgezet in (verlies)warmte (zie tabel 2.1).Afhankelijk van de constructie van de laser en het pomp-mechanisme en de mogelijkheden van de aansturing vande laserbron, kan de toevoer van laserenergie aan het

2 PA.09.12 - “Lassen van metalen met hoogvermogen lasers”

te bewerken materiaal, gepulseerd of continue plaats-vinden. Continue werkende lasers worden cw-lasers(cw=continuous wave) genoemd. Bij laserlassen maaktmen gebruik van zowel gepulste als cw-lasers (ziehoofdstuk 3). Tabel 2.1 geeft een overzicht van de be-langrijkste eigenschappen van de lasertypen die geschiktzijn voor het laserlassen.

tabel 2.1 Overzicht eigenschappen laserbronnen die ge-schikt zijn voor laserlassen

laser-type golflengte energetisch

rendement [%]vermogen

[kW]CO2 10,6 [µm] 10 tot 15 > 20Diode direct 780-1100 nm 30 tot 50 < 10 fiber 780-1100 nm 30 tot 50 < 8Nd:YAG staaf 1,06 [µm] 3 tot 10 4-4,5 disc 1,06 [µm] 20 tot 25 8Fiber 1,07-1,08 [µm] 30 < 20

Gezien de hoge beschikbare vermogens (meer dan 20 kW)worden CO2-lasers veel toegepast voor het lassen vanrelatief dikke (2 tot 20 mm) metalen. De bundelkwaliteit(zie § 2.2) van een diode-gepompte Nd:YAG-laser (staaf)is beter dan die van een lampen-gepompte Nd:YAG-laser (staaf). Bovendien hebben diodes een langerestandtijd (circa 10.000 uur) dan lampen (circa 1000 uur).

De disc-laser is een diodegepompte YAG laser, waarbijhet actieve lasermedium uit een platte schijf bestaat.De disc-laser heeft in vergelijking met een staafvormigeNd:YAG laser een sterk verbeterde bundelkwaliteit.Hiermee kan een kleiner focus worden verkregen. Ookde fiberlaser is een diodegepompte laser, die onder defamilie van vaste-stof lasers valt. Qua opbouw is defiberlaser een verdere ontwikkeling op basis van eenNd:YAG laser. Het principe achter de fiberlaser is eenfiber bestaande uit kern en een buitenmantel ('dual corefiber'). De kern is gedoopt met Ytterbium (Yb) ionen enkan als actief lasermedium worden gezien. De buiten-mantel zorgt ervoor dat de toegevoerde pompenergievan de diode-array ingevangen en efficiënt geleid wordt,zodat de Yb-ionen optimaal worden aangeslagen.

Zowel de disc-laser alsook de fiberlaser bezitten eenkleine focus waarmee bij dunne metalen hogere lassnel-heden worden verkregen. De kleiner focus zorgt verdervoor hogere intensiteiten bij het lassen waardoor metlagere vermogens de lasbewerking kan plaatsvinden.Voor dikkere metalen kan de verbeterde bundelkwaliteitworden omgezet in een grotere werkafstand tussen las-kop en werkstuk (verbetering bereikbaarheid!) en eenvergroting van de scherpte-diepte. Dit maakt de weg vrijvoor de toepassing van 'remote-welding' technieken,waarbij de laserbundel middels een scankop zeer snelover het werkstuk gemanipuleerd kan worden (ziefiguur remote lassen).

Diodes zijn echter duurder dan lampen. De voordelenvan Nd:YAG-lasers t.o.v. CO2-lasers zijn o.a. dat hetNd:YAG-laserlicht door een glasfiber kan worden getrans-porteerd (zie § 2.3), en dat het beter wordt geabsorbeerddoor metalen (zie § 2.2).

Door de opbouw van de diodelaser is de laserbundel nietrond, maar rechthoekig en vertoont een grote divergentie(zie ook figuur 2.2). Dit betekent dus een lage bundel-kwaliteit in vergelijking met de CO2-laser en de Nd:YAG-laser. De voordelen van de diodelaser t.o.v. de CO2- enNd:YAG-laser zijn het hoge energetische rendement vancirca 35%, het lage gewicht (circa 10 kg) en de kleineafmetingen (ter grootte van een schoenendoos). De rela-tief grote focusafmetingen en grote divergentie maaktdat de diodelaser met name geschikt is voor het gelei-

dingslassen (hoofdstuk 3) van metalen tot een diktevan circa 5 mm. Tegenwoordig kan diodelaserlicht ookin een glasfiber worden gekoppeld.

2.2 Eigenschappen van laserstraling enlaserbundels

Een laserbron is niets anders dan een lichtbron, maar weléén met een aantal bijzondere eigenschappen, waarmeehet zich onderscheidt van ‘normale’ lichtbronnen.Eigenschappen, waarvan voor het lassen in het bijzon-der gebruik wordt gemaakt, zijn de geringe bundeldiver-gentie en de hoge vermogensdichtheid.

VermogensdichtheidDe vermogensdichtheid I [W/m2] is het laservermogenP [W] per oppervlak O [m2] van de bundeldoorsnede.Als d [m] de diameter is van de laserbundel, dan is devermogensdichtheid gelijk aan:

(2.1)IPO

Pd

= =4

[W / m ]22

πMet een laserbundel kunnen vermogensdichtheden totcirca 1020 W/m2 worden bereikt. Ter vergelijking, metautogeen lassen wordt circa 107 W/m2 bereikt en meteen elektrische lasboog circa 108 W/m2. Het voordeelvan de hoge vermogensdichtheid van de laser is, dathoge lassnelheden kunnen worden bereikt. Daarnaastkan een relatief diepe en tegelijkertijd smalle las wordengerealiseerd met een zeer geringe thermische vervormingvan het product.

Geringe bundeldivergentieVaak wordt gedacht dat een nog niet gefocusseerdelaserbundel perfect evenwijdig is. Dit is echter niet hetgeval. Dat wil zeggen, de diameter d [m] van de laser-bundel varieert langs de optische as (zie figuur 2.2).

figuur 2.2 Verloop van de bundeldiameter d langs de z-as(optische as), voor een laserbundel met eengaussische energieverdeling (zie ook figuur 2.3)

De kleinste insnoering van de bundel d0[m], wordt waist(taille) genoemd. Vanaf de waist neemt de bundeldia-meter toe. De divergentiehoek θ(z) [rad] bereikt op groteafstand van de waist de asymptotische waarde θ0 [rad].De divergentiehoek hangt af van de golflengte λ [m] vanhet laserlicht en de waist-diameter d0 (zie figuur 2.2).In vergelijking met ‘normale’ lichtbronnen is de diver-gentie van een laserbron klein. Dit maakt het mogelijkom de laserenergie over grote afstanden te transporteren,zonder dat de vermogensdichtheid I [W/m2] afneemt.Tevens maakt dit het mogelijk om de bundel tot eenkleine spot te focusseren.

EnergieverdelingDe energieverdeling (intensiteitsverdeling) van de laser-straling over de doorsnede van de bundel, wordt be-paald door de constructie van de resonator en de ge-bruikte optische componenten om de laserbundel tetransporteren en te focusseren (zie ook de figuren 2.6en 2.7). Figuur 2.3 toont een aantal veel voorkomendeenergieverdelingen van lasers die worden ingezet voorhet laserlassen.


Let op: Sommige leveranciers van laserbronnen specifi-ceren i.p.v. het kwaliteitsgetal M2, diens reciproque 1/M2,of enkel het bundelproduct: d0⋅θ0.

(a) gaussisch (b) top hat (c) rechthoekig Io=8P/(π⋅d2) I=4P/(π⋅d2) I=P/(l⋅b)figuur 2.3 Veel voorkomende energieverdelingen

(intensiteitsverdelingen) van laserbundels

De gaussische intensiteitsverdeling (zie figuur 2.3a) komtveel voor bij CO2-lasers. De maximale intensiteit (piek-intensiteit) van deze energieverdeling treedt op in hetcentrum van de laserbundel. Diens diameter d [m] isgedefinieerd als die diameter waarbinnen 86% van hettotale vermogen valt. De top hat (hoge hoed) intensiteits-verdeling (zie figuur 2.3b) ontstaat als het licht van eenNd:YAG-, fiber- of diodelaser door een glasfiber wordt ge-transporteerd (zie ook figuur 2.7). De diodelaser, zonderfiberkoppeling, heeft een rechthoekige intensiteitsver-deling (zie figuur 2.3c).

De intensiteitsverdeling van een CO2-laserbundel kan zicht-baar worden gemaakt door gedurende korte tijd (circa0,1 s) de laserbundel te laten ‘inbranden’ op perspex(zie figuur 2.4). Dit wordt een mode burn genoemd.

figuur 2.4 Een ‘inbranding’ van een CO2-laser in perspexmaakt diens energieverdeling zichtbaar

Met deze methode kan op een goedkope en snelle wijzede diameter en de vorm van de intensiteitsverdeling wor-den gemeten. Deze diameter en vorm hebben een groteinvloed op de laskwaliteit. De methode is echter niet ge-schikt voor detailanalyse. Daarvoor is het beter om eenzogenaamd bundelanalyse apparaat te gebruiken [1].

BundelkwaliteitEen laserbundel (en dus ook de laserbron) kan wordengekarakteriseerd met het kwaliteitsgetal M2:

(2.2)

met d0 de kleinste insnoering van de bundel en θ0 deasymptotische waarde van de divergentiehoek (zie fi-guur 2.2). Voor de gaussische intensiteitsverdeling (ziefiguur 2.3a) is M2=1, voor alle andere energieverdelingenis M2>1. Een bundelkwaliteit van ongeveer 1 is gunstigvoor het laserlassen, omdat in dat geval: de laserbundel tot een (zeer) kleine spot kan worden

gefocusseerd (zie ook figuur 2.8). Dit heeft als voor-deel dat er op een hoge snelheid kan worden gelast,of met een laag laservermogen;

de warmte-inbreng laag is (minder thermische ver-vormingen van het product);

(focusseer)optiek (lenzen, spiegels) met kleine dia-meter kan worden ingezet;

de werkafstand tussen focusseerlens/spiegel en hetproduct groot is (zie ook figuur 2.9), wat gunstig isvoor de bereikbaarheid van het product en veilig voorde optiek i.v.m. spatten.

Absorptie van laserstralingBij het gebruik van lasers voor het lassen gaat het eromzo veel mogelijk laserenergie in het materiaal te krijgen,waar het wordt omgezet in warmte. Voor metalen vindtdeze omzetting plaats in een dunne laag (circa 300 nmdik) aan het oppervlak. Echter, slechts een klein percen-tage (absorptiecoëfficiënt A) van de op het oppervlakvallende laserstraling wordt door het materiaal geabsor-beerd, de rest wordt gereflecteerd. De absorptiecoëffi-ciënt van een materiaal hangt o.a. af van de optischeeigenschappen van het materiaal (zie figuur 2.5).

figuur 2.5 Absorptiecoëfficiënt A [%] als functie van degolflengte van laserstraling voor aluminium (Al),goud (Ag), koper (Cu), glas en ijzer (Fe)

Hoe hoger de absorptiecoëfficiënt voor een metaal/golf-lengte combinatie, des te beter het materiaal kan wor-den bewerkt. Voor metalen neemt de absorptiecoëffi-ciënt af met toenemende golflengte van het laserlicht.Zo is voor ijzer de absorptiecoëfficiënt van CO2-laser-straling minder dan 20% en van Nd:YAG-laserstralingbijna 40%. Deze relatief hoge absorptiecoëfficiënt iséén van de reden waarom Nd:YAG-lasers in toenemendemate worden ingezet voor het lassen van metalen.

Nadat de laserenergie is getransformeerd in warmte inde oppervlaktelaag, vloeit de warmte door geleiding naaronderliggende lagen. De temperatuur zal hierdoor lokaalstijgen tot boven de smelttemperatuur en bij keyholelassen tot boven de verdampingstemperatuur.

2.3 Machine-aspectenBehalve de eigenschappen van de laserbron en delaserstraling, bepalen ook de andere componenten vande laserlasinstallatie het resultaat van het laserlassen.

Bundeltransport d.m.v. spiegels en glasfibersNadat de laserbundel is uitgetreden uit de laserbron,moet deze worden getransporteerd naar de focusse-ringsoptiek die zich op de bewerkingsplaats bevindt.

Bij de CO2-laser wordt het laserlicht via (afbuig)spiegelsvan de laserbron naar de bewerkingsplaats getranspor-teerd (zie figuur 2.6).

Met een schuifspiegel of een gedeeltelijk doorlatendespiegel kan de laserbundel naar afzonderlijke bewer-kingsplaatsen worden geleid, zodat één laserbundel opverschillende werkstations kan worden ingezet. Spie-gels voor CO2-lasers zijn meestal van koper gemaakt envoorzien van waterkoeling. Per spiegel moet rekeningworden gehouden met een vermogensverlies van 0,5tot 4%. Als de bundel over grote afstanden (meerderemeters) wordt getransporteerd (bijvoorbeeld voor hetlassen van grote platen), zal ten gevolge van de bundel-divergentie de bundeldiameter sterk toenemen. Dit pro-

M d20 04

= ⋅πλ

θ


figuur 2.6 Bundeltransport (en focussering) van laserstra-ling door middel van spiegels

bleem wordt opgelost door de toepassing van een bun-delverbreder (of telescoop), zie figuur 2.6.

De straling van Nd:YAG-, fiber- en diodelasers kan, be-halve met spiegels ook door glasfibers (kerndiameter van0,1 tot 1 mm) worden getransporteerd (zie figuur 2.7).Het laserlicht blijft door interne reflecties ‘gevangen’ inde fiber. De energieverdeling van de uit de fiber uittre-dende laserbundel heeft een top hat intensiteitsverde-ling (zie figuur 2.3b).

figuur 2.7 De straling van Nd:YAG- en diodelasers kandoor een glasfiber worden getransporteerd vande laserbron naar de focusseerkop

FocusseringOm de vereiste hoge vermogensdichtheid te verkrijgen,die nodig is om metaal te smelten, wordt de laserbun-del met behulp van lenzen of spiegels gefocusseerd (ziefiguren 2.6 en 2.8).

figuur 2.8 Focussering van de laserbundel m.b.v. een lens.Voor de eenvoud is de ongefocusseerde laser-bundel weergegeven als een parallelle bundelzonder divergentie

Lenzen voor CO2-lasers zijn bijna altijd van zink-selenide(ZnSe) gemaakt. Deze lenzen kennen een vermogens-verlies van circa 1% per lens, dat toeneemt met de stand-tijd (circa 3000 uur) van de lens. ZnSe is niet bestandtegen laservermogens van meer dan 3 kW. Daarom wor-den bij hoge vermogens spiegels ingezet (zie figuur 2.6).Per spiegel moet men rekenen op 0,5 tot 4% vermogens-verlies.

Voor Nd:YAG-, fiber- en diodelasers maakt men gebruikvan een samenstelling van meerdere kwartslenzen, waar-voor men moet rekenen op 1% vermogensverlies per lens.

FocusdiameterDe diameter df [m] van het focus wordt bepaald door debrandpuntsafstand f [m] van de focusseerlens (of spie-gel), de golflengte λ [m] van het laserlicht, het kwali-teitsgetal M2 en de diameter D [m] van de laserbundelvóór focussering en bedraagt:

(2.3)dM f

Df =⋅4

[m]2

πλ

Hoe kleiner de focusdiameter, des te hoger de intensiteit(vermogensdichtheid, zie formule 2.1), des te hoger delassnelheid en des te smaller de lasbreedte. Een kleinefocusdiameter kan worden verkregen met een sterkelens (kleine brandpuntsafstand f). Een kleine brandpunts-afstand betekent echter ook een kleine werkafstandtussen focusseerlens/spiegel en het product. Met eenveilige werkafstand van circa 5 tot 20 cm moet wordengerekend. Om de optiek te beschermen tegen spattenvanaf het product tijdens het lassen worden deze be-schermd door langsstromende gassen (zie § 4.4).

De typische diameter van de laserspot bedraagt voorhet laserlassen circa 0,1 tot 0,8 mm. Bij een diodelaserzonder fiberkoppeling wordt na focussering een recht-hoekig focus verkregen variërend van 0,6 bij 0,8 mmtot 1,5 bij 1,5 mm.

ScherptediepteDe scherptediepte s is gedefinieerd als twee maal die af-stand tot het focus, waarover de bundeldiameter met eenfactor √2 groter is dan de diameter df van het focus (ziefiguur 2.9). Dus op de afstand s/2 van het focus is deenergiedichtheid nog maar de helft van die in het focus.

Een grote scherptediepte kan worden bereikt met eenlens (of spiegel) met een lange brandpuntsafstand (ziefiguur 2.9). Een grote scherptediepte is gewenst omdatdan, rondom het focus, de bundeldiameter relatief wei-nig toeneemt en dus de intensiteit weinig afneemt. Ditbetekent dat de positionering van het te bewerken pro-duct t.o.v. het focus minder kritisch is (zie § 4.2). Mettoenemende brandpuntsafstand neemt echter ook dediameter van het focus toe (zie figuur 2.9).

figuur 2.9 Invloed van de brandpuntsafstand op descherptediepte

Optiek en/of werkstukmanipulatieLaserlassen kan plaatsvinden op relatief hoge snelheden(tot meer dan 15 m/min). Samen met de nauwkeurig-heid van de bewerking (in de orde van 0,05 tot 0,1 mm)stelt dit hoge eisen aan de manipulatoren. Om de laser-spot over de lasnaad te bewegen kan men gebruikma-ken van een productmanipulator met stilstaande optiek,van een stilstaand product met flying optics, of eenhybride variant (zie figuur 2.10).


(a) (b)

(c)

figuur 2.10 Optiek versus werkstukmanipulatie.(a) Flying optics, waarin de optiek (laserbun-

del) wordt bewogen en het product stilstaat. Deze opstelling wordt meestal toe-gepast voor het lassen van grote of zwareproducten

(b) Stilstaande optiek en bewegend product.Deze opstelling wordt meestal toegepastvoor het lassen van lichte/kleine producten

(c) Hybride manipulator, waarin zowel deoptiek, als het product wordt bewogen

Bij lasers met een hoge bundelkwaliteiten kan de laser-straal via een spiegelscanner flexibel geleid worden bin-nen het bereik van het systeem. Het systeem is in com-binatie met een industriële knikarmrobot voor Nd:YAG(schijf)- en fiberlasers geschikt. De koppeling met eenCO2-laser kan in een portaalopstelling worden gereali-seerd. De hoge bundelkwaliteit is vereist vanwege degrote werkafstand tussen optiek (scanner) en werkstuk.

Bij het systeem met knikarmrobot neemt de robot degrove positionering voor zijn rekening en bepaalt hetbereik van de installatie, terwijl de scanner het fijne po-sitioneerwerk voor zijn rekening neemt (zie figuur 2.11).Om de vereiste straalkwaliteit te bereiken, is voor demeeste toepassingen, een Nd:YAG-(schijf) of fiberlasernoodzakelijk.

figuur 2.11 Knikarmrobot met remote scansysteem

Afhankelijk van de dimensies van het product kiest menvoor een 1D systeem, bijvoorbeeld voor het lassen vanbuizen, voor een 2D of een 2½D systeem voor hetlassen van plaatmateriaal of een 3D systeem voor hetbewerken van drie-dimensionale producten. Naarmatehet systeem van meer assen is voorzien, zal het mindernauwkeurig en duurder zijn. Voor het bewerken van 3Dproducten kan men behalve de relatief nauwkeurige

CNC- en gantry-manipulatoren ook een robot inzetten.Samen met een laserbron, voorzien van een glasfiber,vormt een robot een zeer flexibel productiemiddel (zieook figuren 7.3 en 7.5).

3 Lasprincipes en -methodenMen maakt onderscheid tussen twee lasprincipes: hetgeleidingslassen en het keyhole lassen (zie figuur 1.1).Dit laatste principe wordt ook wel dieplassen genoemd.

GeleidingslassenGeleidingslassen vindt plaats bij relatief lage intensitei-ten (<108 W/m2), waardoor er een relatief ondiep(<1 mm) smeltbad ontstaat in het product (zie figuren1.1 (links) en 3.1a).

(a) (b)figuur 3.1 Voorbeeld van (a) een geleidingslaserlas en

(b) een keyhole laserlas(a) RVS 304 (0,5 mm) op RVS 444 (2,0 mm)

gemaakt met een 2 kW lampen-gepompteNd:YAG-laser (cw), f=200 mm, v=6 m/min(schermgas Argon: 20 l/min)

(b) In staal (dikte 20 mm) gemaakt met een20 kW CO2-laser, M2≈3, f=715 mm,v=1,8 m/min

Het smeltfront breidt zich uit door middel van warmte-geleiding, vandaar de benaming ‘geleidingslassen’. Dedampdruk die boven het smeltbad ontstaat is zo laag,dat het oppervlak van het smeltbad niet wordt ver-vormd. Hierdoor ontstaat er een gladde las, die nage-noeg geen nabewerking vereist.

De relatief grote focusafmetingen en grote divergentiemaakt dat de diodelaser met name geschikt is voor hetgeleidingslassen.

Keyhole lassenKeyhole lassen (ook wel dieplassen genoemd) vindtplaats bij hogere intensiteiten (>108 W/m2), waardoorhet materiaal lokaal verdampt. Ten gevolge van dedampdruk ontstaat er een gat (dampcapillair, keyhole)in het smeltbad, dat diep het materiaal indringt, ziefiguur 1.1(rechts). De diameter van de keyhole is 1,5tot 2 keer zo groot als de diameter van de laserspot(die in de orde van grootte ligt van 0,1 tot 0,8 mm).

De absorptie van laserstraling is groot (circa 80%),dankzij herhaalde reflecties (en dus herhaalde absorptie)van het laserlicht op de wanden van de keyhole (ziefiguur 3.2). Hierdoor dringt de laserstraling diep het ma-teriaal in (tot meer dan 25 mm in staal bij gebruik vaneen 20 kW CO2-laser), zie figuur 3.1b. De lasdiepte ishierbij veel groter dan de lasbreedte.

figuur 3.2 Hoge absorptie door meerdere reflecties (endus herhaalde absorptie) van het laserlicht opde wanden van de keyhole


De metaaldamp, die aan de bovenzijde van de keyholeontsnapt (de pluim), absorbeert laserlicht (zie figuur 3.3).

figuur 3.3 Vorming van een laser-geïnduceerde pluim.Tijd tussen de opnamen 50 ns, CO2-laser,gaussische energieverdeling, staal, focus∅ =100 µm, I>2⋅109 W/m2

De pluim staat een deel van de absorbeerde energie afaan de keyhole en beïnvloedt zo de vorm en (in)stabiliteitvan de keyhole. Er worden beschermgassen gebruiktom de pluim te onderdrukken en de stabiliteit van hetlasproces te verbeteren (zie § 4.4). De pluim absorbeertrelatief weinig Nd:YAG-laserstraling (λ=1,06 µm) invergelijking met CO2-laserstraling (λ=10,6 µm). Ditmaakt dat pluimvorming een groter probleem is bij CO2-laserlassen dan bij Nd:YAG-laserlassen.

Laserpuntlassen en -naadlassenIndien men met een enkele laserpuls een las maakt,spreekt men over laserpuntlassen (zie figuur 3.4).

figuur 3.4 Lasdiepte in RVS bij puntlassen met eenNd:YAG-laser als functie van de pulsenergie(Joule per puls = laservermogen × pulsduur).De lasdiepte wordt voornamelijk bepaald doorde pulsenergie

Men spreekt over lasernaadlassen als met een gepulstelaser overlappende laserpuntlassen worden gemaakt.Een overlap van 70% tot 80% is gebruikelijk. Voor hetmaken van naadlassen is het gebruik van een cw-laserechter meer voor de hand liggend, omdat in dat gevalde keyhole niet steeds opnieuw behoeft te worden ge-vormd. In vergelijking met naadlassen is de hoeveelheidingebrachte warmte tijdens het laserpuntlassen klein,wat van belang kan zijn bij het verbinden van thermischgevoelige onderdelen.Tabel 3.1 geeft een overzicht van toepassingen vanpunt- en naadlassen.

4 ParameterinvloedenIn dit hoofdstuk worden de belangrijkste parameters diehet lasresultaat bepalen besproken.

4.1 Laservermogen en lassnelheidHet laservermogen (bij gegeven focusdiameter) en delassnelheid zijn de belangrijkste parameters die deresultaten van een laserlas bepalen. Bij het laserlassenmoeten het laservermogen en de lassnelheid zo wordengekozen, dat de las aan de kwaliteitseisen m.b.t. sterkte,

tabel 3.1 Toepassingsgebieden van de verschillendelaserbronnen voor het lassen van metalen

producten voorbeelden methode laserbronprecisiedelen scheermesjes,

electr.componenten

laserpuntlas gepulste Nd:YAG

dunne folie <0,1 mm naadlas gepulste Nd:YAGplaatdelen >0,5 mm laserpuntlas gepulste Nd:YAG

gepulste CO2

plaatdelen 0,1 à 3 mm naadlas gepulste Nd:YAGcw CO2,cw diode

plaatdelen 0,1 à 10 mm naadlas cw Nd:YAGcw CO2

plaatdelen 10 à 25 mm naadlas cw CO2

poreusheid, uiterlijk en afwezigheid van spatten enz.voldoet. In de praktijk blijkt dat, bij een gegeven mate-riaaldikte, het laservermogen en de lassnelheid slechtsbinnen bepaalde grenzen kunnen worden gevarieerd.Een te lage snelheid resulteert in het ‘uitzakken’ van delas (undercut, zie ook figuur 5.1c). Een te hoge snelheidkan aanleiding geven tot poreuze lassen (zie ook figuur5.1a). On line procesbeheersing kan daarom, bij metname hoge lassnelheden, noodzakelijk zijn. Figuren 4.1en 4.2 tonen de lasdiepte als functie van het laserver-mogen en de lassnelheid in staal en aluminium voorverschillende laserbronnen.

figuur 4.1 Lasdiepte in staal als functie van de lassnelheid

figuur 4.2 Lasdiepte in aluminium als functie van delassnelheid


Een benadering van de lassnelheid wordt gegeven doorde vergelijking:

(4.1)vP

a H≈

⋅waarin P [W] het laservermogen is, a [m2] de oppervlaktevan de lasdoorsnede en H [J/m3] de smeltwarmte (tabel4.1). Bovenstaande formule is alleen een goede benade-ring voor hoge lassnelheden (d.w.z. als v>κ/d) en voormaterialen die slecht warmte geleiden (kleine warmte-diffusiecoëfficiënt κ). Uit de formule volgt, dat voor eengegeven materiaal de lassnelheid toeneemt met toene-mend laservermogen P, en afnemende (gewenste) las-diepte. Bij doorlassen is de maximale diepte van de las(uiteraard) gelijk aan de plaatdikte. In dat geval volgt uitbovenstaande vergelijking dat de breedte van de lasafhankelijk is van de lassnelheid.Afwijkingen tussen formule 4.1 en praktische waardenvoor de lassnelheid (figuren 4.1 en 4.2) worden onderandere veroorzaakt doordat in de formule de invloedvan de absorptiecoëfficiënt A en de bundelvorm en-afmeting (figuur 2.3) niet zijn meegenomen.

tabel 4.1 Smeltpunt en smeltwarmte van verschillendemetalen

materiaal smeltpuntTm [C°]

smeltwarmteH [J/m3] ×109

aluminiumgoudkopermagnesiumnikkelijzerRVSzilver

6601064108364914531530

≈1425 961

1,081,271,840,642,762,172,071,10

Voor een constante laskwaliteit dient de laserspot metconstante snelheid over de lasnaad te worden bewo-gen. Afwijkingen in de versnelling en vertraging van deverschillende assen van de manipulator leiden tot snel-heidsvariaties en afwijkingen t.o.v. de lasnaad. De posi-tienauwkeurigheid kan worden vergroot door, ter plaat-se van scherpe contouren in de lasnaad, de lassnelheidte verlagen. Door gelijktijdig het laservermogen te ver-lagen, kan men een constante laskwaliteit verkrijgen.

4.2 FocuspositieVoor het maken van goede lassen is een precieze posi-tionering van de laserbundel van belang. Dit betreft dediameter en de ligging van het focus t.o.v. het product-oppervlak (zie figuur 4.3).

figuur 4.3 De focuspositie zf is gedefinieerd als de afstandvan de bovenzijde van het product tot aan hetfocus. Indien het focus onder het product-oppervlak wordt gepositioneerd, is zf positief(zf>0), als het focus boven het productopper-vlak wordt gepositioneerd is zf negatief (zf <0)

De optimale focuspositie hangt af van de lasconstructie(lasnaadvorm, spleetbreedte en uitlijning, zie § 4.3) ende eisen aan de las (diepte, breedte). Zo is de optimale

focuspositie voor een stompe las (figuur 4.4) die positie zfwaarbij maximale penetratie wordt verkregen. Voor hetlassen van dunne materialen is de optimale focuspositieongeveer zf=0 en voor dikke materialen (>10 mm) wordthet focus onder het productoppervlak gepositioneerd. Deoptimale positie voor een overlaplas (zie ook figuur 4.4)is die positie, die resulteert in een maximale lasbreedteop het raakvlak tussen de twee materialen. De machine-leverancier stelt meestal tabellen met de optimale focus-positie voor verschillende materiaal(diktes) beschikbaar.

Zelf kan men de optimale focuspositie experimenteelbepalen in 3 stappen: Stap 1: bepaal de focuslocatie(boven het productoppervlak) die niet resulteert in eenlasverbinding t.g.v. de te grote laserspot. Noem dezelocatie z1. Stap 2: bepaal de focuslocatie (onder hetproductoppervlak) die ook niet resulteert in een lasver-binding t.g.v. de te grote laserspot. Noem deze locatiez2. Stap 3: bereken de optimale focuslocatie die (bijbenadering) gelijk is aan zf=(z1+z2)/2.

Indien men de lasbreedte wil vergroten, kan men delaserbundel defocusseren. D.w.z. de focuspositie verderboven of onder het productoppervlak positioneren. Ditvereist wel een lagere lassnelheid om de laspenetratieop gelijke diepte te houden. Beter is het om in dat gevaleen lens te gebruiken met een langere brandpuntsaf-stand. Een dergelijke lens resulteert in een grote diametervan het focus (zie formule 2.3), én heeft een groterescherptediepte (figuur 2.9) en werkafstand.

4.3 LasnaadvormenVeelvoorkomende lasnaadvormen zijn weergegeven infiguur 4.4. Welke lasconstructie het beste resultaatgeeft, hangt af van het type belasting (statisch, dyna-misch), vermoeiing, optische eisen, enz. Tabel 4.2 geefteen overzicht van toleranties (figuur 4.5) voor de ver-schillende lasnaadvormen, zonder toevoegmateriaal.

figuur 4.4 Lasnaadvormen

tabel 4.2 Toleranties van lasnaadvormen voor laserlas-sen (zonder draadtoevoer)

constructievan de las

max.spleet ∆s

[mm]

max. hoogte-verschil ∆h

[mm]

maximum positiefoutlaserspot [mm]

haaks opnaad

∆laser||

loodrechtop naad∆laser ⊥

stompe las 0,1 0,2 ±0,05 ±0,25overlaplas 0,1 n.v.t. niet kritisch ±0,25

T-las 0,1 n.v.t.niet kritisch,mits las binnenverticale plaat

±0,25

hoeklas zondertoevoegmateriaal 0,25 n.v.t. ±0,05 ±0,25

flenslas 0,125 ±0,5 ±0,15 ±0,25randlas 0,125 ±0,25 ±0,1 ±0,25hoeklas40°<α<60° 0,25 n.v.t. ±0,125 n.v.t.

hoeklas60°<α<80° 0,25 n.v.t. ±0,15 n.v.t.

buitenhoeklas 0,2 0,5 ±0,05 ±0,25


Notatie zuiverheden gassenBehalve percentages is het gebruikelijk de zuiverheid van eengas met een cijfer aan te geven. Een dergelijk cijfer is opge-bouwd uit een getal vóór en een getal ná de punt, bijvoor-beeld 4.6. Het cijfer voor de punt (in dit voorbeeld 4) geefthet aantal negens aan van de percentuele zuiverheid (dus 4negens). Het getal achter de punt (6 in dit voorbeeld) geefthet laatste cijfer aan in de percentuele zuiverheid. Dus 4.6betekent een zuiverheid van 99,996%.

figuur 4.5 Definitie van toleranties in lasnaadvormen

De waarden in de tabel zijn indicatief en hangen af vande spotdiameter, de scherptediepte van de bundel en vande materiaaleigenschappen. Er gelden voor de stompelas en de overlaplas een aantal vuistregels. Zo is destompe las lasbaar als de spleetbreedte niet groter is dan0,05 à 0,1 keer de dikte van de dunste plaat, het hoog-teverschil tussen de platen niet meer is dan 0,1 keer dedikte van die dunste plaat en de maximum positiefoutvan de laserspot haaks op de naad ook niet meer is dan0,1 keer de dikte van die dunste plaat. De overlaplas islasbaar als de spleet tussen de platen niet meer is dan0,1 keer de dikte van de bovenste plaat. Voor aluminiumbedragen de toleranties ongeveer het dubbele van dievan staal. Aluminium stelt dus minder strenge eisen aande lasmal en aan de positionering van de laserbundel.De T-las is, in vergelijking met conventionele technie-ken, met behulp van een laser zeer goed te lassen.

4.4 BeschermgassenTijdens laserlassen wordt er vrijwel altijd gebruikge-maakt van beschermgassen om: de optiek te beschermen tegen spatten vanaf het

smeltbad. Dit is in het bijzonder nodig bij het lassenvan met deklagen voorziene producten;

pluimvorming te onderdrukken (of weg te blazen) ente stabiliseren, zodat een robuuster lasproces wordtverkregen. Het meest effectieve (maar duurste) gasvoor dit doel is helium. Helium resulteert in een gro-tere lasdiepte, in vergelijking met argon of stikstof.Pluimonderdrukking is vooral noodzakelijk bij CO2-laserlassen.

het smeltbad en de afkoelende las tegen negatieveinwerking van de omgevingslucht (oxidatie) tebeschermen. Daarvoor wordt meestal een ‘slepende’gastoevoer toegepast (zie figuur 4.6). Een coaxialegastoevoer (d.w.z. concentrisch met de laserbundel),is minder effectief dan de slepende gastoevoer, om-dat de afkoelende las minder goed wordt beschermd.In het geval van een volledige doorlassing wordtsoms ook aan de onderzijde een beschermgas(backing gas) toegevoerd.

figuur 4.6 Slepende gastoevoer, die niet alleen het smelt-bad tegen negatieve inwerking van de omge-vingslucht (oxidatie) beschermt, maar ook deafkoelende las

GastypeDe keuze van het beschermgas hangt ook samen methet te lassen materiaal. Zo kan argon aanleiding geventot brosse lassen in sommige staalsoorten en zal stik-stof reageren met titaan. Tabel 4.3 geeft een overzichtvan eigenschappen van de verschillende beschermgas-

sen. In het grijze kader wordt uiteengezet hoe de zuiver-heid van de gassen wordt aangegeven in deze tabel.

tabel 4.3 Overzicht beschermgassen voor laserlassen

eigenschap Helium(He)

Argon(Ar)

StikstofN2

CO2 20% He+80% Ar

zuiverheid 4.6 4.6 5.0 4.5 4.6

ionisatie-energie

hoog25,4 eV

gem.15,7 eV

gem.15,5 eV

gem.15,5 eV

gem.15,5 eV

pluimonder-druking

zeergoed redelijk redelijk redelijk goed

beschermingtegen oxidatie goed zeer

goed goed slecht zeer goed

typischverbruik

20 à 30l/min

30 à 45l/min

30 à 45l/min

30 à 45l/min

23 à 35l/min

effect oplasgeometrie

verdie-pend

verbre-dend

iets ver-diepend normaal normaal

kosten hoogst gem. laag laagst gem.

In sommige gevallen wordt het beschermgas verrijkt meteen geringe concentratie actieve componenten, zoalszuurstof en CO2. Onderzoek heeft aangetoond dat devorm en diepte van het smeltbad door deze actievecomponenten positief wordt beïnvloed (zie figuur 4.7).

figuur 4.7 De invloed van de concentratie actieve com-ponent in het beschermgas op de vorm vanhet smeltbad bij het lassen van St37 met een3 kW diodelaser, bij 8,3 mm/s. Van links (geenactieve component) naar rechts een oplopendeconcentratie van de actieve component

GasnozzleZoals hiervoor reeds vermeld moet tijdens het lassen enbij het afkoelen van de las, zuurstof rondom het lasbaden de nog hete las verdreven worden, ter voorkoming vanoxidatie. Behalve een voldoende hoog debiet van het be-schermgas, is ook een laminaire aanstroming (geen wer-velingen) aan het oppervlak van het werkstuk een voor-waarde. De gasstroming uit een gasbuis is laminair alshet Reynoldsgetal (Re) kleiner is dan 2000, d.w.z. als:

(4.2)Re2

2000= <ρηVR

waarin ρ [kg/m3] de dichtheid van het gas is, η [Pa⋅s]de viscositeit van het gas, V [m/s] de stroomsnelheidvan het gas in de buis en R [m] de binnenradius van degasbuis. Als voorbeeld toont figuur 4.8 het Reynolds-getal voor argon door een buis met twee verschillendebuisradii. Voor een gasdebiet van meer dan 14 l/min isde gasstroming uit de buis met R=6 mm niet laminair.Daarom zal, als voor een optimale gasafscherming meergas nodig is, een gasbuis met een grotere binnenradiusmoeten worden gebruikt. Figuur 4.9 toont een moge-lijke uitvoering van een gasbuis.


figuur 4.8 Reynoldsgetal (Re) als functie van het gasde-biet voor gasstromingen (argon, ρ=1,78 kg/m3,η=2,2⋅10 -- 5 Pa⋅s) door een gasbuis met eenbinnenradius van 6 en 10,5 mm

figuur 4.9 Mogelijke uitvoering van een koperen gasbuister bescherming van het smeltbad en de lastegen negatieve inwerking van de omgevings-lucht (oxidatie). Door het gat in de buis kan delaserbundel het werkstuk bereiken

4.5 MateriaaleigenschappenAlle metalen die te lassen zijn met conventionele smelt-lastechnieken zijn ook te verbinden door middel vanlaserlassen. Tabel 4.4 toont niet alleen de lasbaarheidvan gelijke metalen, maar ook van metaalcombinaties.De lasbaarheid van ongelijksoortige metaalcombinatieswordt met name bepaald door de metallurgische aspec-ten. Zo geeft een aantal combinaties brosse lassen en/ofkrimpscheuren. Brosse intermetallische verbindingenkunnen soms worden voorkomen door het aanbrengenvan een tussenlaag. Galvanisch aangebrachte deklagenop staal- en nikkellegeringen en op verzinkte materialengeven meestal geen problemen [2].

Samengestelde plaatmaterialen van gelijke of verschil-lende metaalsoorten en/of dikte worden tailored blanksgenoemd. In tailored blanks kunnen de verschillendematerialen en dikten beter worden afgestemd op defunctie van het plaatdeel in het uiteindelijke product.Bijvoorbeeld dik in het scharnier van een autodeur endun voor de plaatdelen van de wielkast.

tabel 4.4 Lasbaarheid van metaal(combinaties)Ag Al Au Be Cd Co Cr Cu Fe Mg Mn Mo Nb Ni Pb Pt Re Sn Ta Ti V W Zr

Ag +Al ± +Au + – +Be – ± – +Cd ± – – – +Co – ± – +Cr ± – – ± +Cu ± ± + – – ± ± +Fe – ± – ± ± ± +Mg – ± – – + – – – +Mn ± – – – – ± ± + ± – +Mo – ± – – – ± +Nb – – – – ± – – + +Ni ± – + – + ± + ± – ± – – +Pb ± ± – ± ± ± ± ± – ± ± +Pt + – + – – + ± + + – – ± – + – +Re – + + – – – ± +Sn ± ± – ± – ± ± – – – – – ± – +Ta – – – – – – – + + – – – – +Ti ± – – – – – + – – – + + – – – – – + +V – – – + – + + – – – – + +W – – – + – + + – + – + ± + +Zr – – – – – – – – – – + – – – – – ± ± – – +

+ = zeer goed lasbaar;± = redelijk lasbaar (kans op complexe structuren) – = ongewenste combinatie = weinig of geen gegevens bekendProducten samengesteld uit twee delen van gelijk materiaal zijn goed te lassen,mits dit plaatsvindt in een voor het betreffende materiaal ‘neutrale’ gasomge-ving. D.w.z. het gas mag niet reageren met het (gesmolten) materiaal.

5 Testen en beproeven van de las-kwaliteit

In de norm NEN-EN-ISO 13919-1 “Elektronenbundellas-en laserlasverbindingen - Richtlijn voor het vaststellen vankwaliteitsniveaus voor onvolkomenheden” [3] wordt dekwaliteit van een laserlas gedefinieerd aan de hand vanzijn geometrische eigenschappen (zie figuur 5.1). Zo wor-den scheuren niet geaccepteerd, tenzij het om micro-scheuren gaat van minder dan 1 mm2 scheuroppervlak.

De norm kent drie kwaliteitsniveau’s: matig, gemiddelden hoog. Naarmate de onvolkomenheden minder voorko-men, is de laskwaliteit hoger. Indien de geometrische kwa-liteitsniveaus niet voldoende de kwaliteit kunnen vast-leggen (bijvoorbeeld lassen in producten die worden bloot-gesteld aan vermoeiing of waarin waterdichte verbin-dingen nodig zijn), kunnen andere testmethoden wordeningezet, zoals trekproeven, buigtesten of cuppingtesten.

(a) (d)

(b)

(e)

(c)

figuur 5.1 Geometrische aspecten van de las ter bepalingvan de laskwaliteit.(a) De grootte (l1 en l2) en concentratie (∆L)

van poriën;(b) Mate van laspenetratie (of het gebrek er-

aan h1) en de mate van doorzakking (h2);(c) Mate van ondersnijding (h1) en mate van

uitsteken van de las (h2);(d) Mate van concaafheid van de onderzijde

van de las (h1);(e) Afwijkingen van de lasoriëntatie.


6 Overige componenten van een laser-lasinstallatie

6.1 Opspangereedschap (lasmal)Vanwege de kleine laserspot, de geringe scherptediepte(figuur 2.9) en de kleine toleranties (tabel 4.2) moetende te lassen onderdelen nauwkeurig worden opgespan-nen. Bovendien kan, ondanks de geringe warmte-inbreng tijdens het laserlassen, het product thermischvervormen. Een nauwkeurige lasmal is dus vereist. Bijhet ontwerp van een lasmal dient men de volgendeaspecten in acht te nemen: De lasmal dient te worden gemaakt van een slijtvast

staal om slijtage aan de lasmal (en dus verlies vanopspanningsnauwkeurigheid), t.g.v. veelvuldigopspannen van producten, te voorkomen;

Zorg voor een goede bereikbaarheid van de product-opspanning i.v.m. het verwijderen van spatten. Voor-zie eventueel de lasmal van een spatwerende deklaag;

Voorkom puntinklemming en/of hoge klemkrachten,waardoor het product en de lasnaad ter plaatse vande klem vervormt;

Voorzie de lasmal van voldoende ‘bulkmateriaal’voor de afvoer van laswarmte, zodat thermische ver-vormingen worden geminimaliseerd. Een waterge-koelde lasmal kan een oplossing zijn voor kritischeproducten. Thermisch vervormen van de lasnaad(d.w.z. het gaan openstaan van de lasnaad tijdenshet lassen) kan worden voorkomen door de produc-ten te voorzien van (laser)hechtlassen (puntlassen),alvorens een continue las wordt gelegd;

Wanneer het product wordt bewogen, kan het onderinvloed van massatraagheden vervormen;

Zorg dat de laskop, de laserbundel en de buis voorgasafscherming vrij baan hebben langs de lasmal enklemmen (botsingsgevaar);

Voorzie de lasmal van een gastoevoersysteem (bij-voorbeeld kanaaltjes) wanneer het product wordtdoorgelast (backing gas, zie § 4.4). Zo wordt ook deonderzijde van de las beschermd.

6.2 NaadvolgsensorEen naadvolgsensor kan worden ingezet om positioneer-fouten van de laserbundel t.o.v. de lasnaad te corrige-ren. Deze positioneerfouten kunnen het gevolg zijn van: producttoleranties; fouten in de lasmal en opspanning van de onderdelen; thermische vervorming van de onderdelen t.g.v. de

ingebrachte warmte; positiefouten van de manipulator (robot).

Naadvolgsensoren voor laserlassen zijn optische senso-ren, die werken op basis van het triangulatieprincipe.Daarbij wordt een lichtpatroon (een lijn in figuur 6.1) overde naad geprojecteerd. Uit een camerabeeld van het(door de lasnaad vervormde) lichtpatroon kan vervolgensde locatie en de oriëntatie van de naad worden bepaald.

figuur 6.1 Naadvolgsensoren die geschikt zijn voor laser-lassen werken volgens het triangulatieprincipe

Meetnauwkeurigheden liggen in de orde van ±50 µm.De sensor wordt gefixeerd t.o.v. de laskop en meet meteen hoge frequentie (>200 Hz) vooruitlopend aan hetlasproces de locatie van de lasnaad. Vervolgens wordttijdens het lassen de baan van de manipulator gecorri-geerd, opdat de laserspot op de naad blijft. Afhankelijkvan prestaties van de sensor en de manipulator kunnenpositiefouten tot circa 1,5 mm worden gecorrigeerd.

Behalve het corrigeren van de baan tijdens het lassen,kan de sensor ook off line worden gebruikt voor hetprogrammeren van de baan. D.w.z. de sensor meetvoorafgaand aan het lassen (op lage snelheid) de las-naad op en genereert automatisch CNC data voor demanipulator. Daarnaast kan dezelfde sensor wordengebruikt voor inspectie, nadat de las gelegd is.

7 Praktijkvoorbeelden7.1 Laserlassen van een achterlichtdragerIn deze paragraaf wordt het laserlassen van een achter-lichtdrager van een auto uiteengezet (zie figuur 7.1a).Conventioneel worden de vijf onderdelen van deze ach-terlichtdrager met weerstandpuntlassen aan elkaar ver-bonden.

De achterlichtdrager bestaat uit vier onverzinkte onder-delen (FeP04, 0,8mm) en een verzinkt zichtdeel FeP06van 0,6 mm (zie figuur 7.1b). Om de achterlichtdragerwaterdicht te maken, wordt een kitlaag aangebrachttussen het zichtdeel en de overige delen. Het aanbren-gen van de kit is zeer kritisch. Te weinig kit betekentwaterlekkage, te veel kit betekent vervuiling van hetzichtdeel van de lasmal (dat op zijn beurt weer opspan-fouten introduceert).

De nadelen van het handmatige puntlassen met een las-tang zijn de vervormingen van de drager, die ontstaant.g.v. onjuiste positionering van de lastang (tolerantie±0,3 mm) en ‘losse’ puntlassen als gevolg van kort-sluitstromen (isolatoren van de lasmal en de gun guidesmoeten regelmatig vernieuwd worden). Daarnaast moe-ten de lasparameters regelmatig worden aangepast.

(a)

(b)

figuur 7.1 Achterlichtdrager (a): Achterlicht van eenpersonenauto; (b) De achterlichtdrager bestaatuit 4 onverzinkte onderdelen en één verzinktzichtdeel (zinklaag 75 µm dik)


Door al deze nadelen is er een extra kwaliteitsbewakingnodig. De totale procestijd (inleggen, kitten, lassen) be-draagt 64 seconden. Met 2 operators per shift worden750.000 dragers per jaar gefabriceerd.

De kwaliteitseisen die worden gesteld aan het laserlas-sen zijn dat de laserlas minimaal dezelfde sterkte moethebben als de weerstandpuntlas en het gebruik van eenon line meetsysteem. Hiermee moet 100% van de ge-maakte lassen worden bewaakt.

Door het zichtdeel met een doorlopende overlap-laserlas(figuur 7.2a) te verbinden met de overige delen, kan eenwaterdichte verbinding worden verkregen (zonder kitlaag).

Een probleem bij het laserlassen van deze overlaplas vormtechter de zinklaag van het zichtdeel. Door de hoge ener-giedichtheid van de laserbundel (en de lage verdampings-temperatuur van zink t.o.v. die van staal) zal namelijkhet zink explosief verdampen, waardoor er gaten in delas ontstaan en de twee delen slecht hechten. Ook is indat geval de achterlichtdrager niet meer waterdicht.

Een oplossing voor deze zinkexplosies is het creëren vaneen gedefinieerde spleet, bijvoorbeeld door afstandplaat-jes, tussen de twee delen, of projecties in de persdelen.De expanderende zinkdamp kan dan ontsnappen in despleet. Een andere oplossing is het toepassen van eenafsmeltlas (hoeklas zonder toevoegmateriaal) op de ran-den van het zichtdeel (zie figuren 7.2b en 4.4).

Voor het lassen werd een Nd:YAG-laser ingezet (uitge-rust met een glasfiber met een kerndiameter van 0,6 mm),die werd ingesteld op een laservermogen van 1200 W.

Er werd gebruikgemaakt van een focusseeroptiek met eenbrandpuntsafstand van f=100 mm. Gegeven de kern-diameter van de glasfiber resulteert dit in een focusdia-meter van 300 µm. Dit focus werd op het werkstukop-pervlak gepositioneerd (dus zf=0, zie figuur 4.3) voormaximale laspenetratie. Als manipulator werd gebruik-gemaakt van een 6-assige industriële robot, die de fo-cusseeroptiek manipuleerde over de lasnaden met eenlassnelheid van 40 mm/s (2,4 m/min), zie figuur 7.3.

(a)

(b)

figuur 7.2 Lassen van het verzinkte zichtdeel aan deoverige delen: (a) Overlaplas;(b) Hoeklaszonder toevoegmateriaal

figuur 7.3 Lassen met een 6-assige robot en eenNd:YAG-laser voorzien van glasfiber

Als beschermgas werd gebruikgemaakt van stikstof(14 l/min, zuiverheid 3.0). De lasparameters werden ge-optimaliseerd naar doorlassing, ontbreken van poreusheidaan het oppervlak, ontbrekende start- en eindkraters enminimale spatvorming. De lasmal werd opgebouwd uiteenvoudige (standaard) opspanmiddelen (zie figuur 7.3).Uit afpelproeven bleek dat de laserlas aan de gesteldesterkte-eisen voldoet. Ook de lasbreedte ter plaatse vande materiaalinterface bleek aan de eis van 0,8 keer deplaatdikte te voldoen.

Er zijn ook lasexperimenten uitgevoerd bij hogere enlagere laservermogens alsook bij hogere en lagere las-snelheden, op de overlapnaad met spleet. Uit die experi-menten bleek dat bij hogere laservermogens (en lagerelassnelheid) de focuspositie minder kritisch is dan bijlagere vermogens (en hogere snelheid). Zeer opmerkelijkwas dat de spleettolerantie in grote mate onafhankelijkwas van focuspositie, laservermogen en lassnelheid. Inde hoeken van het zichtdeel (figuur 7.2a) bleek echter despleet, t.g.v. producttoleranties dermate groot, datdeze niet te overbruggen was m.b.v. de laser. Een pro-ductaanpassing is nodig om dit probleem op te lossen.

Ook de afsmeltlas (figuur 7.2b) leverde goede reprodu-ceerbare resultaten. De tolerantie van de lasspot t.o.v.de rand van het zichtdeel (∆laser|| in figuur 4.5) bleekmaximaal 0,5 mm, afhankelijk van lassnelheid en laser-vermogen.

Voor de on line kwaliteitscontrole werd een Weldwatchersysteem ingezet [1]. Dit systeem meet, m.b.v. een sen-sor in de laserbron, het licht dat wordt uitgestraald doorde pluim boven het smeltbad (figuur 3.3). Dit licht iseen maat voor de kwaliteit van de las die geproduceerdwordt. In een kalibratiefase wordt het lichtsignaal vaneen aantal goede lassen gemeten. Tijdens de productiewordt het licht van de pluim vergeleken met deze kali-bratiesignalen. Lasfouten zoals onvolledige laspenetratieen zinkdampexplosies konden zo tijdens het lassen ge-constateerd worden.

De totale lastijd van de achterlichtdrager (totale lasleng-te 325 mm) bedraagt 7,5 s. Samen met de tijd nodigvoor ijlgangen, opspannen en uitnemen van het product,komt de totale cyclustijd van de achterlichtdrager opcirca 25 s (dit is ruim 2½ keer korter dan de cyclustijdvan de conventionele methode op basis van weerstand-puntlassen). De bezettingsgraad van de laserbron isoverigens hierbij zo laag, dat de bron gedeeld zou kunnenworden met nog een tweede bewerkingsstation, waaropdezelfde of een andere bewerking plaats kan vinden.Bovendien is voor het laserlassen slechts één operatornodig i.p.v. twee. Samen met de korte cyclustijd kan


daarom de investering (circa € 750.000) binnen éénjaar worden terugverdiend.

7.2 Lassen van een paneel met een diodelaserIn deze paragraaf wordt het laserlassen van een paneeluit een waferstepper uiteengezet (zie figuur 7.4).

(a)

(b)figuur 7.4 Paneel uit een waferstepper

(a) Het paneel bestaat uit 3 onderdelen vanRVS. Het binnendeel heeft een dikte van1,5 mm, het buitendeel 0,8 mm;

(b) Samengesteld paneel

Bij de huidige productiemethode wordt achtereenvolgensgebruikgemaakt van: lasersnijden, zetten, hechten(handmatig, zonder mal), handmatig TIG-lassen (lassenhoeken buitendeel- stomplasnaad; fixeren binnendelenaan buitendeel door middel van twee proplassen perbinnendeel) en tenslotte nabewerken (verwijderen ver-kleuring en overdikte). Het lassen en nabewerken duurtcirca 16’:15’’ minuten en kost (incl. overhead) circa€ 11 per paneel.

Er worden geen bijzondere mechanische eisen aan deverbinding gesteld. De onderdelen van het paneel moetenslechts ten opzichte van elkaar worden gefixeerd. Sta-tisch en dynamisch wordt het paneel namelijk nauwe-lijks belast. Voor wat betreft het uiterlijk van de lasworden wel hoge eisen gesteld. Zo mag het oppervlakniet verkleurd zijn, moet het lasuiterlijk glad en strak zijn.Bovendien mag de las niet uitsteken boven het product-oppervlak. Enige ondersnijding is wel toegestaan.

Voor het laserlassen is gebruikgemaakt van een diode-laser (max. 3000 W, golflengtes 800 en 940 nm),omdat deze laser visueel aantrekkelijke lassen maakt opbasis van geleidingslassen (zie hoofdstuk 3). Een lensmet een brandpuntsafstand van f=100 mm werd inge-zet. Bij een focuspositie van zf=0 mm resulteert dit ineen lasspot ter grootte van 0,9 × 2 mm2 op het werk-stukoppervlak. De laserbron, compleet met optiek engasafscherming (argon, 20 l/min) werd aan een 6-assigeknikarmrobot gemonteerd (zie figuur 7.5). De te lassenonderdelen werden door middel van een klem en aan-slagen opgespannen op een spantafel.

De spleet tussen het buitendeel en het binnendeel(hoeklas zonder toevoegmateriaal, zie figuur 4.4) werdgesloten door de delen op elkaar te drukken en tweehechtlassen (puntlas, 1000 W, 0,5 s puls) op de randvan het product aan te brengen. Vervolgens is iederestompe las onder zijwaartse druk gesloten en met be-hulp van een hechtlas gefixeerd (1000 W, 0,2 s puls).

figuur 7.5 Opstelling van een 6-assige knikarmrobot metdaaraan de diodelaser

Stompe lasnaden zijn gelast met een vermogen van600 W bij een lassnelheid van 10 mm/s. De hoeklassen(zonder toevoegmateriaal) zijn gelast met 1000 W enook bij 100 mm/s (zie figuur 7.6).

figuur 7.6 Hoeksegment van het gelaste paneel metdaarin een stompe las en een hoeklas (zondertoevoegmateriaal)

Om er van verzekerd te zijn dat de las goed beschermdwordt tegen oxidatie, staat de bewerkingskop na hetaanlopen van het begin van de las gedurende 1 secon-de stil, zodat de gasstroom stabiel kan worden. Na af-loop van het lassen blijft de bewerkingskop nog 2 secon-den staan om de krater te beschermen tegen oxidatie.


Om de kostprijs te kunnen berekenen moet eerst het uur-tarief van de laserlasinstallatie worden bepaald. De laser-bron en de manipulator vormen de belangrijkste kosten-posten van de investering. Uit de lasproeven blijkt, dateen laserbron met een vermogen van 1000 Watt vol-doende is voor deze applicatie. Door de relatief lage las-snelheid is het mogelijk om gebruik te maken van eenstandaard lasrobot, waarbij de laser met een fiberkoppe-ling aan de robotflens gekoppeld is. Om de bezettings-graad van de installatie te verhogen, kan het best wor-den gewerkt met twee bewerkingsplaatsen en tweemallen op een draaitafel. Het laserlassen (waarbij geennabewerking is vereist) neemt 2’:19’’ minuten in beslagen resulteert, bij een uurtarief (van deze installatie) van€ 90,75, in circa € 6 per paneel. Hierbij wordt uitgegaanvan volledige bezetting in 1 ploegendienst. Dit is eenbesparing van 46% t.o.v. de conventionele bewerkin-gen. Met een laser is een aantal van 1000 stuks panelenbinnen een week te lassen.

7.3 Laskop met draadtoevoerFiguur 7.7 toont een laskop die met succes in de prak-tijk wordt gebruikt voor het lassen van plaatwerkpro-ducten zoals frames, behuizingen, enz., opgespannenop een (lasergesneden) lasmal. De additionele draadtoe-voer maakt het overbruggen van spleten en het lassenvan verschillende materiaalcombinaties mogelijk. Vooreen eenduidige positionering van de plaatdelen wordtgebruikgemaakt van uitstekende nokken, die in laser-gesneden sleuven vallen. Voor de werkvoorbereidingwordt gebruikgemaakt van Toplas 3D software (off lineprogrammeren). Dit verkleint de kans op botsingen methet product en de opspanning aanzienlijk.

figuur 7.7 Laskop met draadtoevoersysteem

8 VeiligheidZoals bij alle bewerkingsmachines moet ook bij laser-installaties aandacht worden geschonken aan de veilig-heid. Wanneer een complete laserinstallatie wordt aan-geschaft zal in de meeste veiligheidsvoorzieningen reedszijn voorzien. De gebruiker dient echter aandacht te be-steden aan de volgende twee risico’s: blootstelling aan laserstraling; blootstelling aan procesemissies (dampen, deeltjes).

LaserstralingLaserbronnen en lasersystemen worden in vier risico-klassen (1 t/m 4) ingedeeld. De indeling van een laserin een klasse is gebaseerd op de stralingschade die delaserbron bij het meest ongunstige gebruik kan veroor-zaken (hoe hoger de klasse des te groter de schade).De betreffende laserklasse wordt door de fabrikant ophet systeem aangegeven, of moet anders door de ver-antwoordelijke leiding worden vastgesteld.Hoogvermogen lasers voor het lassen van metalen vallenaltijd in de hoogste gevarenklasse (klasse 4). Gevaarbestaat niet alleen bij het direct kijken in de laserbundel,maar ook nadat de bundel gereflecteerd is op bijvoor-beeld het smeltbad bij het laserlassen, of een verkeerdgepositioneerd product of op een opspangereedschap.Voldoende veiligheid wordt in alle gevallen geboden dooreen ‘lichtdichte’ afscherming, waarbinnen zich geengebruiker bevindt tijdens de bewerking. Het een enander is vastgelegd in de normen: NEN-EN 10825 [4],NEN-EN 12626 [5], en NEN-EN 12254 [6].

Procesemissies (dampen en deeltjes)Bij metaalbewerkingen met lasers kunnen materiaaldam-pen en stofdeeltjes vrijkomen die schadelijk zijn en bijonvoldoende afscherming en afzuiging snel tot bovende toelaatbaarheidsgrens (MAC-waarde) uitkomen. Ook(schadelijke) proces- en beschermgassen dienen te wordenafgezogen, wanneer deze in grote hoeveelheden vrijkomen.

9 Economische aspectenEen nadeel van het lassen met een laser, t.o.v. conven-tionele lastechnieken, is de relatief hoge investering vooreen laserlas-installatie. T.o.v. de conventionele technie-ken is de lassnelheid echter vele malen groter, zodat deinvestering snel kan worden terugverdiend. Daarnaastkan bij laserlassen vaak bespaard worden op de nabe-werkingen van het product (slijpen, polijsten, richten).Zo blijkt een terugverdientijd van een investering vanmeer dan € 500.000 in een laserinstallatie in minderdan 1 jaar geen uitzondering.

De kosten van een laserlasinstallatie is opgebouwd uitvaste en operationele (of variabele) kosten. De vaste kos-ten, op hun beurt, bestaan uit investeringen in de beno-digde apparatuur (laserbron, manipulator, enz.) en de zo-genaamde neveninvesteringen. Deze neveninvesteringenhebben betrekking op de organisatie en de productie vaneen bedrijf. De voorlichtingspublicatie VM 121 “Hoog-vermogen lasers voor het bewerken van metalen” [1]gaat dieper in op deze (neven)investeringen. Hier wordtvolstaan met tabel 9.1 waarin de investeringskostenvan een complete installatie voor diverse typen en ver-mogens worden aangegeven.

tabel 9.1 Prijsindicaties (2006) in Euro’s van de verschillendetypen lasers voor verschillende vermogens

type laser vermogen[W]

investeringskosten (incl.koeler) [×1.000 €]

CO2-laserdiffusiegekoeld/slab

1000 90 - 1302000 130 - 1704000 225 - 2708000 350 - 410

cw Nd:YAG-laserlampengepompt

2000 220 - 2404000 400 - 450

cw Nd:YAG-laserdiodegepompt

2000 300 - 3504000 500 - 530

diodelaserdirect

1000 75 - 1002000 100 - 1504000 200 - 225

diodelaserfiberkoppeling

1000 125 - 1502000 175 - 2004000 250 - 275

disc-laser 4000 380 - 4006000 510 - 530

fiber-laser 2000 210 - 2303000 290 - 310


De operationele (of variabele) kosten bestaan uit: loonkosten operator, incl. overheadkosten; stroomverbruik; gasverbruik; lasdraad (indien nodig); slijtdelen laserbron; slijtdelen installatie; gereedschapskosten.

De grootste kostenpost bij de operationele kosten zijnde loonkosten (incl. overhead) van de operator. Daartegenover staat dat bij laserbewerkingen vaak bespaardkan worden op de nabewerkingen van het product. Ertreden immers minder vervormingen op van de produc-ten. Hierdoor kunnen er manuren gespaard worden. Depost slijtdelen laserbron is sterk afhankelijk van het typelaserbron. De CO2-laser kent, behalve de lenzen, het uit-koppelvenster (standtijd circa 3000 uur) en elementenvan het koelsysteem, niet veel slijtdelen. Bij de diode-gepompte Nd:YAG-laser moeten de diodes om de circa10.000 uur worden vervangen. Bij de lampen-gepompteNd:YAG-laser moeten de lampen om de circa 1000 uurworden vervangen. Afhankelijk van het vermogen is hetstroomverbruik van de Nd:YAG- en CO2-lasers fors, van-wege het lage energetische rendement (3 en 10%) t.o.v.van de diodelaser (35%). Het gasverbruik is een kosten-post van vergelijkbare grootte als het stroomverbruik.

Gezien de hoge investeringskosten is het dus zaak hetaantal uren dat de laser daadwerkelijk wordt gebruikt(bezettingsgraad) zo hoog mogelijk te houden. Om on-voorziene stilstand door onverwachte storingen te voor-komen, zal daarom onderhoud (vervangen slijtdelen)moeten worden ingepland. Daarnaast moet de lassnel-heid zo hoog mogelijk worden gekozen, voor een snelleterugverdientijd. Om de bezettingsgraad van de laser zohoog mogelijk te krijgen, kan worden gedacht aan hetcombineren van meerdere bewerkingen met één laser-bron. Zo kan één laserbron worden gekoppeld aan tweerobots, die om de beurt gebruikmaken van de bron (ziefiguur 2.6). Men kan ook één laser inzetten voor meer-dere bewerkingen bijvoorbeeld én lassen én snijden.

10 ProbleemoplosserDit hoofdstuk geeft een overzicht van oorzaken en op-lossingen voor veel voorkomende lasdefecten. Lasde-fecten kunnen worden ingedeeld in defecten die optre-den bij voldoende penetratie van de las en defecten dieoptreden bij geen, of onvoldoende penetratie.

10.1 Lasdefecten bij voldoende laspenetratie

Lasdefect: Scheuren en poreusheidScheuren en poreusheid (figuren 10.1 en 10.2) kunnenoptreden als de te lassen onderdelen vervuild zijn ofverontreinigingen bevatten.

Ga daarom het volgende na: Is het te lassen oppervlak schoon, droog en vrij van

olie, roest, beschermende laag, water, oplosmidde-len, stof, reinigingsmiddelen, enz.?

figuur 10.1 Gescheurde hoeklas

figuur 10.2 Poreuze las in aluminium (1 mm)

Is het niveau verontreinigingen (onzuiverheid) vanhet materiaal ongebruikelijk hoog? Een hoge graadvan verontreinigingen zal resulteren in poreusheid enlasspatten, in het bijzonder bij aluminium. Dit pro-bleem treedt dikwijls op bij een nieuwe batch, ogen-schijnlijk van hetzelfde materiaal;

Is het percentage koolstof in het staal meer dan0,3%? Staalsoorten met meer koolstof hebben deneiging tot scheurvorming.

Defect: Oxidatie en/of verkleuringGesmolten metaal zal oxideren en/of verkleuren wan-neer het wordt blootgesteld aan zuurstof (uit de omge-ving). Oxidatie en/of verkleuring treedt dus op als degasafscherming van het smeltbad (en het oppervlak ervlak achter) onvoldoende is. Controleer daarom de vol-gende punten: Staan alle relevante gaskleppen open? Wordt het juiste gastype met de juiste zuiverheid

gebruikt? Is het gasdebiet te laag (beschermgas op?) of te

hoog? Is de gasnozzle goed uitgelijnd op het smeltbad met

de juiste stand-off? Is de gasnozzle vrij van lasspatten en andere vervui-

ling? Wordt de gasstroming verstoort door klemmen en

ander opspangereedschap?

Defect: ondersnijdingOndersnijding (zie hoofdstuk 5 en figuur 10.3) treedtonder andere op als er onvoldoende materiaal is om delasnaad te vullen. Dit is het geval als de uitlijning vande te lassen onderdelen t.o.v. elkaar onvoldoende is(zie § 4.3).

Ondersnijding kan ook optreden als het debiet van hetbeschermgas te hoog is, of als het laservermogen tehoog is. Controleer daarom de volgende punten: Valt de spleetbreedte ∆s en hoogteverschil ∆h tussen

de onderdelen binnen de toleranties (zie figuren 4.4en 4.5, en tabel 4.2)?

Is de lasmal schoon en adequaat? Is de lasmal vrijvan (las)spatten? Is de klemkracht van de lasmalvoldoende?

Is het debiet van het beschermgas te hoog? Een tehoog debiet (en dus te hoge druk) van het bescherm-gas kan namelijk het gesmolten metaal uit het smelt-bad ‘blazen’ en ondersnijding veroorzaken;

Is het piekvermogen per puls te hoog? Ondersnijdingkan namelijk ook optreden als het piekvermogen tehoog is.

10.2 Lasdefecten bij onvoldoende laspene-tratie

Onvoldoende (of gebrek aan) laspenetratie kan over degehele lengte van de las of incidenteel optreden (ziefiguur 10.4).


figuur 10.3 Ondersnijding in aluminium (1 mm)

figuur 10.4 Langsdoorsnede van een las waarin incidenteelonvoldoende penetratie van de las voorkomt

10.2.1 Onvoldoende laspenetratie over degehele lengte van de las

Algemene controlepunten Is het laservermogen (of pulsvermogen bij puntlas-

sen) voldoende hoog, bij de gegeven lassnelheid, omvoldoende laspenetratie te verkrijgen?

Is de focuspositie (zie § 4.2) juist/optimaal? Is de optiek en/of het beschermglaasje onbeschadigd

(geen krassen en/of putjes) en vrij van vuil (spatten,roet)? Verbeter de gasbescherming van de optiek alshet probleem zich blijft herhalen, in het bijzonder bijgebruik van lenzen met korte brandpuntsafstand.

Is er rekening gehouden met vermogensverlies t.g.v.het bundeltransport middels spiegels en/of glasfiber(zie § 2.3)? Zo niet, meet het laservermogen dat defocusseeroptiek verlaat en vergelijk dat met het inge-stelde laservermogen. Compenseer het verschil doorhet laservermogen hoger in te stellen.

Controlepunten in het geval van bundeltransportm.b.v. spiegels en het gebruik van lenzen

Komen de bundelafmetingen en energieverdeling vande laserbundel, vlak voordat deze het focusseeroptiekingaat, overeen met de verwachte afmetingen enverdeling? Demonteer daartoe de focusseeroptiek enmaak een mode burn?

Zijn alle spiegels in het bundelpad (figuur 2.6) schoon?Controleer ook (het debiet van) de gasbescherming(incl. filters) van deze spiegels (indien aanwezig).

Heeft de laserbundel ‘vrij baan’ van laserbron totaan de focusseeroptiek? D.w.z. raakt de laserbundelnergens de bundelafscherming? Dit kan worden her-kent aan een onvolledige mode burn of een modeburn met interferentiepatronen.

Is de richtlaser (pilot laser) uitgelijnd met de laser-bundel? Zijn beide bundels gecentreerd t.o.v. van despiegels van het bundeltransportsysteem en de fo-cusseeroptiek? Controle kan plaatsvinden d.m.v.mode burn van de ongefocusseerde bundel, met eenin het bundelpad geplaatst richtkruis (bijvoorbeeldvan koperdraad) waarop de richtlaser is uitgelijnd.

Indien de laspenetratie langzaam is afgenomen (ge-durende een aantal dagen of weken) kan er ther-mische focussering opgetreden zijn van de lens. Ditkan voorkomen wanneer de standtijd van de lens(bijna) is overschreden en uit zich in een schijnbare

verkorting van de brandpuntsafstand. Demonteer tercontrole de focusseeroptiek, maak een mode burnen vergelijk deze met de verwachte (afmetingen vande) mode burn.

Controlepunten in het geval van bundeltransportm.b.v. glasfibers Wordt het laservermogen goed ingekoppeld in de

glasfiber (zie figuur 2.7)? Vergelijk daartoe het inge-stelde laservermogen met het (gemeten) vermogendat de fiber verlaat. Dit laatste mag niet lager zijndan circa 90% van het ingestelde laservermogen.

Controleer of de convergerende laserbundel die deoptiek verlaat (figuur 2.8) wordt belemmerd doorobstakels (lasmal, klemmen, gasnozzle) of delen vanhet product zelf (een flens of een wand)? Dit kanworden nagegaan door een stuk tape op het ‘ver-dachte’ obstakel te plakken en te inspecteren opbrand(plekken) na het maken van een las.

10.2.2 Incidenteel gebrek of onvoldoendelaspenetratie

Algemene controlepunten Voldoet de lasnaad over de gehele lengte van de las

aan de toleranties (zie figuren 4.4 en 4.5, en tabel4.2)? Controleer daartoe de lasmal op (plaatselijke)slijtage, onvoldoende klemkracht of vervuiling.Controleer ook of de kanten van de lasnaad over degehele lengte aan de toleranties voldoen.

Neemt de spleetbreedte toe tot meer dan de toleran-tie ∆s over de lengte van de las? Thermisch vervor-men van de las (en dus het openstaan van de las-naad) kan worden voorkomen door de producten tevoorzien van (laser)hechtlassen (puntlassen) alvo-rens een continue las wordt gelegd. Een andere op-lossing is het gebruik van een gekoelde lasmal.

Controlepunten t.a.v. het bundeltransport Is de gasbescherming (indien aanwezig) in het

bundeltransportsysteem schoon en droog? Contro-leer ook de filters;

Indien de laspenetratie de eerste millimeters vol-doende is en daarna onvoldoende, kan er thermischefocussering opgetreden zijn (zie § 10.2.1).

Is de koeling van het bundelstransportsysteem en defocusseeroptiek afdoende? De behuizing van de op-tiek en het koelwater mogen niet meer dan hand-warm zijn.

11 Literatuur en normenDeel 6 van de Europese standaard NEN-EN 1011 [7]geeft een overzicht en richtlijnen voor de productie vangoede laserlassen, alsook een overzicht van mogelijke(las)problemen en hoe die te voorkomen. De nadruk ligtop het lassen van metalen, maar ook niet-metalen wor-den behandeld. In de NEN-EN-ISO 15609 norm [8] zijnvergelijkbare procedures vastgelegd. De definitie van dekwaliteit van laserlassen (in aluminium en staal) is vast-gelegd in de NEN-EN-ISO 13919 norm [3]. Hierbij wor-den kwaliteitsniveaus gedefinieerd op basis van het aan-tal scheuren, poreusheid en een aantal geometrischedefecten, waaronder ondersnijding. Afnametests voortwee-dimensionale CO2-lasersnij- en -lasinstallaties zijnvastgelegd in de NEN-EN-ISO 15616 norm [9]. In devoorlichtingpublicatie VM 121 “Hoogvermogen lasersvoor het bewerken van metalen” [1] wordt nader op demogelijkheden en beperkingen van lasers ingegaan,inclusief tabellen en figuren met procesinstellingen.


12 Referenties en bronvermeldingReferenties[1] Römer, G.R.B.E.; Hoogvermogen lasers voor het

bewerken van metalen, VM121, Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 2002, aangepast in 2009.

[2] Tech-Info-blad TI.99.08; IOP Metalen nr. 6.6:Laserlassen van beklede plaat. Vereniging FME-CWM, Zoetermeer, 1999.

[3] NEN-EN-ISO13919: Lassen - Elektronenbundellas-en laserlasverbindingen - Richtlijn voor het vaststel-len van kwaliteitsniveaus voor onvolkomenheden -Deel 1: Staal, Deel 2: Aluminium

[4] NEN-EN 10825: Veiligheid van laserproducten -Apparatuurclassificatie, eisen en gebruikers-handleiding.

[5] NEN-EN 12626: Veiligheid van machines - Machinesdie gebruikmaken van lasers – Veiligheidseisen.

[6] NEN-EN 12254: Afschermingen voor werkplekkenmet lasers - Veiligheidseisen en beproeving.

[7] NEN-EN 1011-6 (ontw.): Welding. Recommendationfor welding of metallic materials. Part 6: Laserbeam processing.

[8] NEN-EN-ISO 15609-4: Specification and approval ofwelding procedures for metallic materials - Weldingprocedure specification - Part 4: Laser beam welding.

[9] NEN-EN-ISO 15616 (ontw.): Acceptance tests forCO2-laser beam machines for welding and cutting.

Bronvermelding• Rofin-Baasel Benelux: figuren 2.4, 4.1, 10.2 en

10.3• Fraunhofer-Institut: figuur 3.3• Hoek Loos: figuur 4.7• Inalfa: figuren 7.1, 7.2 en 7.3• TNO Industrie: figuren 7.4, 7.5 en 7.6• CMF Group: figuur 7.7

Alle overige gegevens en figuren in deze praktijkaanbe-veling zijn aangeleverd (of aangepast) door de LeerstoelToegepaste Lasertechnologie van de UniversiteitTwente te Enschede.

Auteur(s)De eerste uitgave van deze praktijkaanbeveling is tot standgekomen, middels een samenwerkingsverband van deBond voor Materialenkennis, de Metaalunie, de verenigingFME-CWM en PMP, in het kader van een pionierprojectgetiteld “De toegevoegde waarde van hoogvermogen lasersvoor het bewerken van metalen en kunststoffen voor deNederlandse industrie”.De auteur, G.R.B.E. Römer (Universiteit Twente) werdondersteund door een werkgroep bestaande uit: P. de Boer(TNO Industrie), P. Boers (FME), J. Dijk (Trumpf LaserNederland), J. van Eijden (namens Syntens), W.G. Essers,P. ter Horst (Demar Laser), D.R.J. Lafèbre (Hoek Loos),J. Meijer (Universiteit Twente), J. OldeBenneker (NIMR),R. Pieters (NIMR) en P. Scheyvaerts (Rofin-Baasel Benelux).

In 2008/2009 is deze publicatie door P.F. Senster (TNOIndustrie en Techniek) herzien en licht aangepast aan dehuidige stand van de techniek.

Eindredactie P. Boers (Vereniging FME-CWM)

Technische informatieVoor technisch inhoudelijke informatie over de in dezevoorlichtingspublicatie behandelde onderwerpen kunt uzich richten tot deLeerstoel Toegepaste Lasertechnologie van deUniversiteit Twente:Bezoekadres: Drienerlolaan 5,

7522 NB ENSCHEDECorrespondentie-adres: Faculteit Construerende

Technische Wetenschappen,Postbus 217,7500 AE ENSCHEDE

Telefoon: (053) 489 2502Fax: (053) 489 3631Internet: http://www.wa.ctw.utwente.nl

Informatie over, en bestelling van VM-publicatiesVereniging FME-CWM / Industrieel Technologie Centrum (ITC)Bezoekadres: Boerhaavelaan 40,

2713 HX ZOETERMEERCorrespondentie-adres: Postbus 190,

2700 AD ZOETERMEERTelefoon: (079) 353 11 00/353 13 41Fax: (079) 353 13 65E-mail: [email protected]: http://www.fme.nl

© Vereniging FME-CWM/augustus 2009 - 2e druk

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaargemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke anderwijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Hoewel grote zorg is besteed aan de waarborging van een correcte en,waar nodig, volledige uiteenzetting van relevante informatie, wijzen debij de totstandkoming van de onderhavige publicatie betrokkenen alleaansprakelijkheid voor schade als gevolg van onjuistheden en/ofonvolkomenheden in deze publicatie van de hand.

Vereniging FME-CWMafdeling Technologie en InnovatiePostbus 190, 2700 AD Zoetermeertelefoon 079 - 353 11 00telefax 079 - 353 13 65e-mail: [email protected]: www.fme.nl

Praktijkaanbeveling Lassen van metalen met hoogvermogen ... · In vergelijking met conventionele...

Documents

Transcript of Praktijkaanbeveling Lassen van metalen met hoogvermogen ... · In vergelijking met conventionele...