Bij het laserlassen wordt de laserbundel gefocusseerd tot een laserspot met een diameter van circa 0.1 tot 0.8 mm. Hierdoor worden de te verbinden onderdelen tot smelten gebracht. Een sterke verbinding die geen nabewerking vereist is het gevolg. Men maakt onderscheid tussen twee lasprincipes: het geleidingslassen en het key hole lassen.
Geleidingslassen
Geleidingslassen vindt plaats bij lage vermogensdichtheden (< 108 W/m2), waardoor er een relatief ondiep (< 1 mm) smeltbad ontstaat in het product. Het smeltfront breidt zich middels warmtegeleiding uit, vandaar de benaming 'geleidingslassen'. De dampdruk die boven het smeltbad ontstaat is zo laag, dat het oppervlak van het smeltbad niet wordt vervormd. Hierdoor ontstaat er een gladde las.
 |
 |
Schematische weergave van het geleidingslassen. |
Geleidingslas in een tailored blank. |
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Key hole lassen
Key hole lassen (ook wel dieplassen genoemd) vindt plaats bij hogere intesniteiten dan geleidingslassen (> 108 W/m2) waardoor het maeriaal lokaal verdampt. Ten gevolge van de dampdruk ontstaat er een gat (dampcapillair, key hole) in het smeltbad, die diep in het materiaal dringt, zie onderstaande figuur.
Schematische weergave van het key hole lassen.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De diameter van de key hole is 1.5 tot 2 keer zo groot als de diameter van de laserspot. De dampdruk in de key hole is voldoende om de hydrostatische krachten van de smelt en de oppervlaktespanning te weerstaan zodat de key hole open blijft. De absorptie van de laserstraling is groot (circa 80 %) dankzij herhaalde reflecties en dus herhaalde absorptie van het laserlicht in de key hole. Hierdoor dringt de laserstraling diep in het materiaal (tot meer dan 25 mm in staal), zie onderstaande figuren.
Invloed van de lassnelheid op de lasdiepte bij het key hole lassen van staal (dikte 20 mm) met een 20 kW CO2 laser (M 2~3, f=715 mm, Fgetal=12).
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Lasdiepte in staal als functie van de lassnelheid.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De lasdiepte is veel groter dan de lasbreedte zie onderstaande figuren.
Key hole lassen.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Key hole lassen met draadtoevoer
Dit is een variant van het dieplassen. Bedraagt de spleetbreedte meer dan 5% van de lasdiepte, dan kan de smelt de afstand tussen de werkstukken niet meer volledig overbruggen. De lasnaad zakt dan in (ondersnijding) of - in het uiterste geval - worden de werkstukken niet meer verbonden.
In deze gevallen is extra materiaal nodig, dat meestal tijdens het lasproces als draad toegevoerd wordt. Hoeveel draad noodzakelijk is, hangt af van de lassnelheid, spleetbreedte en lasdiepte. Naast de dosering heeft ook de positionering van de zeer dunne draad (0.8 tot 1.2 mm) grote invloed.
Extra materialen worden ook wel gebruikt ter legering van de lasnaad. Bij een geschikte draadkeuze kan scheurvorming in de las voorkomen worden.
Lassen met twin spot
Hybride lassen
Hybride lassen is een combinatie van gasbooglassen met laserlassen. Zo worden de pluspunten van laserlassen (o.a. slanke en stevige las, hoge lassnelheid, kleine warmtebeïnvloede zone) met de pluspunten van conventioneel lassen (o.a. voordelige energiebron, gunstige spleetoverbrugging, toevoegmateriaal). Het resultaat is een hogere proces-stabiliteit, een hogere lassnelheid, goed uitvloeien van de naadflanken, groot naadvolume en goede metallurgische eigenschappen.
Onderstaand plaatje toont een hybride lasproces waar laserlassen met MIG lassen gecombineerd is.
Bron: Fronius
De lasinstallatie voor het hybride lassen ziet er schematisch uit als in onderstaand plaatje.
Bron: Fronius
Puntlassen en naadlassen
Indien men met een enkele laserpuls en las maakt spreekt men over puntlassen, zie onderstaande figuur.
Lasdiepte in RVS bij puntlassen met een Nd:YAG laser als functie van de pulsenergie. De lasdiepte wordt voornamelijk bepaald door de pulsenergie.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Men spreekt over naadlassen als met een gepulste laser overlappende puntlassen worden gemaakt. Een overlap van 70 tot 80 % is gebruikelijk. Voor het maken van naadlassen is het gebruik een cw-laser echter voor de hand liggen, omdat in dat geval de key hole niet steeds opnieuw behoeft te worden gevormd. In vergelijking met naadlasen is de hoeveelheid ingebrachte warmte tijdens puntlassen klein, wat van belang kan zijn bij het verbinden van thermisch gevoelige onderdelen. Onderstaande tabel toont enige toepassingen van punt- en naadlassen.
| Producten | Voorbeelden | Methode | Laserbron |
|---|---|---|---|
| Precisiedelen | Scheermesjes | Puntlas | gepulste Nd:YAG |
| Dunne folie | <0.1mm | Naadlas | gepulste Nd:YAG |
| Plaatdelen | >0.5mm | Puntlas | gepulste Nd:YAG, gepulse CO2 |
| Plaatdelen | 0.1-3mm | Naadlas | gepulste Nd:YAG, cw CO2 en diode |
| Plaatdelen | 3-10mm | Naadlas | cw Nd:YAG, cw CO2 |
| Plaatdelen | 10-25mm | Naadlas | cw CO2 |
Vergelijking van verschillende lasprocessen
Onderstaande tabel geeft een overzicht van enkele eigenschappen van verschillende lasprocessen.
| Proces | Kwaliteit lasnaad | Snelheid lassen | Invoer warmte | Penetratie lasnaad | Materiaal mogelijk-heden | Geometrie mogelijk-heden |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Laserlassen | Excellent | Hoog | Laag | Hoog | Breed | Breed |
| Electron beam | Excellent | Hoog | Laag | Hoog | Breed | Gem. |
| Resistance spot | Redelijk | Gem. | Gem. | Laag | Smal | Breed |
| Gas Tungsten Arc | Goed | Gem. | Erg hoog |
Gem. | Smal | Breed |
| Friction | Goed |
Gem. |
Gem. |
Hoog |
Breed |
Smal |
| Capacitive discharge | Excellent | Erg hoog | Laag | Laag | Breed | Smal |
Bron: Demar Laser
Beinvloeding van de lasnaad
Invloed van de focusdiameter en lassnelheid op de lasnaad
Zoals in onderstaand plaatje te zien is, geeft een lagere lassnelheid een bredere lasnaad. Verder geeft een grotere focusdiameter, voornamelijk aan de bovenkant een bredere lasnaad.
Bron: Faszination Blech
Invloed van de polarisatierichting op de las
Het naadlassen met cw lasers met lineair (loodrecht of parallel) gepolariseerd laserlicht resulteert in een richtingsafhankelijke laskwaliteit. Dit is het gevolg van de invalshoek van het laserlicht op de wanden van de key hole. Daarom is voor het lassen van willekeurige lascontouren, circulair gepolariseerd licht gewenst.
 |
 |
Lasgeometrie bij loodrecht gepolariseerd licht. |
Lasgeometrie bij parallel gepolariseerd licht. |
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Invloed van de focuspositie
Voor het maken van goede lassen is beheersing van de laserbundel van belang. Dit betreft de diameter en de ligging van het focus t.o.v. het productoppervlak. De optimale focuspositie voor het lassen van dunne materialen is op het werkstukoppervlak. Voor relatief dikke materialen (>10mm), wordt het focus onder het productoppervlak gepositioneerd op een diepte die de penetratie van de las maximaliseert.
Voor het key hole lassen is een bundel nodig met een relatief goede bundelkwaliteit (M2~1), resulterend in een kleine spot, een grote scherptediepte en voldoende werkafstand ter bescherming tegen spatten.
Lasbaarheid van materialen
Alle metalen die te lassen zijn met conventionele lastechnieken, zijn ook te verbinden middels laserlassen. De lasbaarheid van metaalcombinaties wordt met name bepaald door de metallurgische aspecten. Zo geeft een aantal combinaties brosse lassen en/of krimpscheuren. Brosse intermetallische verbindingen kunnen soms worden voorkomen door het aanbrengen van een tussenlaag. Galvanisch aangebracht deklagen op staal- en nikkellegeringen, verzinkte materialen en verflagen geven meestal geen problemen.
Laserlassen in combinatie met inductieve verhitting wordt toegepast voor het scheurvrij en porievrij lassen van staal met meer dan 0.3% koolstof.
Onderstaande tabel geeft een overzicht van de lasbaarheid van verschillende materiaalcombinaties. Een + betekent dat de combinatie goed lasbaar is; bij een ± is de combinatie redelijk lasbaar. Een - geeft aan dat een combinatie slecht lasbaar is. Een vraagteken geeft aan dat er nog niet voldoende informatie over de lasbaarheid van deze materiaalcombinatie beschikbaar is.
| 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 | - | - | - | - | ? | - | - | - | - | ? | - | - | + | - | - | - | - | - | ± | ± | - | - | + |
| Ag | Al | Au | Be | Cd | Co | Cr | Cu | Fe | Mg | Mn | Mo | Nb | Ni | Pb | Pt | Re | Sn | Ta | Ti | V | W | Zr |
