Twee grote voordelen van laserbewerkingen zijn dat ze vaak goed geautomatiseerd kunnen worden en dat ze constant een hoge kwaliteit kunnen leveren. Om deze eisen van automatisering en kwaliteit te kunnen blijven handhaven, worden er echter wel hoge eisen gesteld aan de randprocessen, onder andere de gebruikte gassen.
Het zal blijken dat de keuze van een procesgas van verschillende voorwaarden afhankelijk is: bijvoorbeeld de eisen aan het product, het gebruikte materiaal, lasertype en -vermogen, de bewerking en ook de kosten. Naast de keuze van een procesgas moeten er nog meerdere keuzes gemaakt worden, zoals de nozzlevorm en -richting, gebruike drukken en snelheden evenals de manier van opslag van gassen. Deze en andere onderwerpen zullen in dit hoofdstuk aan bod komen.
Indeling van gassen
Gassen voor industriële laserbewerkingen kunnen onderverdeeld worden in lasergassen en procesgassen. De procesgassen kunnen weer onderverdeeld worden in snijgassen, beschermgassen en overige gassen. De laatste drie categorieën kunnen weer verder onderverdeeld worden. Zo ontstaat de volgende verdeling.
- Lasergassen
- Procesgassen
- Snijgassen
- Reactief
- Niet-reactief
- Beschermgassen
- Optiek
- Materiaal / proces
- Overige
- Transporteren clad-deeltjes bij lasercladden
- Op overdruk houden van buis voor bescherming van CO2 laserstraal
- Controleren op lekkage / dikte van een product
- Snijgassen
Opmerkingen bij het schema
- Lasergassen zijn de gassen die gebruikt worden om gaslasers te kunnen laten werken. Zie hiervoor de paragraaf 'Indeling van lasers m.b.t. gassen' . Procesgassen zijn alle gassen die bij de laserbewerking gebruikt worden en niet voor het opwekken van de laserstraal dienen.
- Snijgassen kunnen reactief of niet-reactief zijn. Hier wordt verder op ingegaan in de paragraaf over de verschillende laserbewerkingen op de volgende pagina.
- Beschermgassen zijn er om het optiek te beschermen (zie ook de paragraaf 'Optiekbescherming'), om het materiaal te beschermen tegen oxidatie en om plasmavorming tegen te gaan. Wanneer zich plasma boven een materiaal vormt, dan belemmert dit het doordringen van de laserstraal tot het werkstuk. Met plasmavorming hoeft alleen rekening gehouden te worden met hoogvermogenslasers (> 2 kW). Dit probleem treedt voornamelijk op bij de CO2 laser en niet zo bij de vaste stof lasers, omdat de absorptie van het plasma voor de golflengte van CO2 laserlicht een stuk hoger ligt dan de absorptie van laserlicht dat van een vaste stof laser komt.
- In sommige gevallen wordt er geen gas gebruikt om het materiaal te beschermen tegen oxidatie. Dit gebeurt bijvoorbeeld als er niet zulke hoge eisen gesteld worden aan het uiterlijk van een product.
- Tot de overige gassen behoren onder andere gassen die gebruikt worden om de clad-deeltjes te vervoer bij het lasercladden. Zie hiervoor de paragraaf 'Laserbewerkingen en gassen' en ook de paragraaf over 'Nozzles'.
- De laserstraal van een CO2 laser kan niet door een glasfiber verstuurd worden en moet daarom door lucht getransporteerd worden. Voor de veiligheid en om te voorkomen dat er obstakels in het pad van de laserstraal komen, wordt deze door een buis getransporteerd. Deze buis wordt met perslucht of stikstof op overdruk gehouden om ervoor te zorgen dat er geen stof of andere deeltjes in de buis komen.
- Soms wordt na de bewerking helium in onderdelen gespoten die niet mogen lekken. Omdat helium makkelijk te detecteren is, kleine moleculen heeft die makkelijk door kleine scheurtjes kunnen en chemisch inert is, wordt dit gas gebruikt. Op dit gebruik van gassen wordt echter in deze scriptie niet verder in gegaan.
Indeling van laserbronnen m.b.t. gassen
Bij laserbronnen kunnen verschillende verdelingen gemaakt worden. De verdeling die hier gemaakt wordt is die van vaste stof en gaslasers . Bij de vaste stof lasers wordt het laserlicht opgewekt in een vaste stof, dit is bijvoorbeeld het geval bij de Nd:YAG-laser en de diodelaser. Bij de gaslasers wordt het laserlicht opgewekt in een gas, dit gebeurt bij de CO2 en de excimer laser. Dit laatste type laser heeft dan ook een gas nodig om te kunnen werken. Een tweede doel van het gas is vaak om voor koeling te zorgen.
In de resonator buis van een CO2 laser bevindt zich CO2 (1-9%) met helium (60-85%) en stikstof (13-35%). De stikstofmoleculen worden gebruikt om de CO2 moleculen in geëxciteerde toestand te brengen, terwijl helium voor de koeling moet zorgen.
Bij de excimer laser bestaat het lasergas uit een mengsel van een edelgas: xenon, krypton of argon en een halogeen: meestal fluor of chloor.
Beschrijving van enkele gassen
Stikstof (N2)
Stikstof is een economische oplossing voor het beschermen van de meeste ijzerlegeringen. Een nadeel van stikstof is dat het onder invloed van de laserstraal zal dissociëren. De atomaire stikstof kan in sommige gevallen met het werkstukmateriaal reageren waardoor brosse nitrides gevormd worden. Dit is echter niet van toepassing bij het laserlassen, omdat de smelt hiervoor niet lang genoeg vloeibaar is. Bij hoog reactieve materialen als titanium en zirconium evenals onderdelen waar hele hoge eisen aan gesteld worden, zoals bij de lucht- en ruimtevaart en medische toepassingen, wordt afgeraden stikstof als beschermgas te gebruiken.
Stikstof wordt ook veel gebruikt bij het laser smeltsnijden omdat stikstof het goedkoopste niet-reactieve gas is.
Stikstof is een goedkoop gas omdat het gemakkelijk uit lucht gehaald kan worden (lucht bestaat voor ongeveer 70% uit stikstof). Dit kan zelfs ter plekke van de laserbewerking gebeuren zoals beschreven wordt op in de paragraaf over gasopslag. Stikstof kan vloeibaar opgeslagen worden.
Argon (Ar)
Argon is het meest gebruikte gas bij het laserlassen. Het is een uitstekend beschermgas vanwege de inerte eigenschappen. Verder blijft het makkelijk op het werkstuk liggen, omdat het zwaarder is dan lucht. Argon kan in vloeibare vorm opgeslagen worden en is veel goedkoper dan helium. Argon kan aanleiding geven tot brosse lassen bij sommige staalsoorten.
Argon wordt ook wel bij het laserssnijden gebruikt, maar vanwege de hogere kosten alleen in die gevallen waar zuurstof en stikstof niet gebruikt kunnen worden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij het snijden van titanium en titaanlegeringen.
Helium (He)
Helium is een inert gas, dat de hoogste warmtegeleiding heeft van alle gassen. Het is daarom erg geschikt om plasmavorming boven het werkstuk tegen te gaan. Het tegen gaan van plasmavorming is vooral noodzakelijk bij hoogvermogen CO2 lasers, omdat hier door het hoge vermogen eerder plasma ontstaat en het laserlicht van de CO2 laser niet goed in staat is om door het plasma heen te stralen. Helium resulteert in een grotere lasdiepe, in vergelijking met argon of stikstof.
Een nadeel van helium is dat het lichter dan lucht is, waardoor het niet makkelijk de lucht boven het werkstuk zal verdringen. Verder kan helium niet in vloeibare vorm opgeslagen worden, maar alleen in hogedruk tanks wat de kosten opdrijft. Als laatste is helium op zich een duur gas, dat naarmate de wereldvoorraad van dit gas afneemt, alleen nog maar duurder zal worden.
Kooldioxide (CO2)
Kooldioxide (koolstofdioxide) wordt in sommige gevallen in het beschermgasmengsel gebruikt voor het keyhole lassen met een diodelaser. Het wordt dan bijvoorbeeld met argon gemengd. Het nut van de actieve component in het beschermgasmengsel wordt bij de bespreking van zuurstof uitgelegd.
Zuurstof (O2)
Bij het laserbrandsnijden van metalen wordt zuurstof gebruikt om de snijsnelheid te verhogen. Een nadeel van het gebruik van zuurstof is dat er oxidatie op het werkstuk ontstaat. Dit wordt op de koop toe genomen. Ook bij het laserlassen wordt soms zuurstof door het beschermgas gemengd. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij het laserlassen met een diodelaser. Deze laser heeft een een minder goede straalvorm wat de geschiktheid voor het keyhole laserlassen vermindert, maar door het gebruik van zuurstof als actieve component is het keyhole laserlassen met een diodelaser toch mogelijk gebleken. Het blijkt dat actieve componenten als zuurstof en kooldioxide een positieve uitwerking hebben op de vorm van het smeltbad en de doorlassing.
Hoewel dit in eerste instantie niet zo lijkt, is het -ook voor snijgassen - belangrijk om een goede kwaliteit (d.w.z. zuiverheid) gas te gebruiken. Deze hogere kwaliteit levert weliswaar hogere gaskosten op, maar verdient zichzelf terug door de hogere snijsnelheden en daaruit volgende lagere snijkosten die ermee gepaard gaan.
Bij het snijden van hooggelegeerde stalen, titanium en nikkellegeringen, is zuurstof minder geschikt omdat zich dan op de snijrand harde oxides vormen die alleen met veel moeite te verwijderen zijn.
Lucht
Lucht wordt vaak gebruikt als gas om deeltjes weg te blazen van het optiek. Het is wel belangrijk dat de lucht droog en schoon is. Aangezien dit niet altijd beschikbaar is, kan het zijn dat de omgevingslucht eerst gefilterd moet worden, voordat deze gebruikt kan worden.
Waterstof (H2)
Waterstof wordt wel in combinatie met argon gebruikt voor het laserlassen van austenitische roestvrij stalen. Waterstof reduceert plasmavorming en het oxideren van het oppervlak, bovendien beïnvloedt het de viscositeit van de smelt op een positieve manier. Om te voorkomen dat brosheid optreedt, mag waterstof niet gebruikt worden bij het lassen van ferritische stalen evenals aluminium.
Gasmengsels
Gasmengsels worden als lasersgas en als beschermgas gebruikt. Deze mengsels kunnen door de fabrikant kant-en-klaar gemengd aangeleverd worden, maar ook ter plekke gemengd worden. Als beschermgassen worden bijvoorbeeld wel mengsels van argon met CO2 gebruikt net als mengsels van argon met helium.
Laserbewerkingen en gassen
Hieronder zullen enkele veel voorkomende laserbewerkingen en hun relatie met het gebruik van gassen kort besproken worden.
Lassen en solderen
De gassen die bij het laserlassen gebruikt worden zijn ervoor nodig om het optiek te beschermen, het materiaal tegen oxidatie te beschermen en plasmavorming te onderdrukken.
Onderstaande tabel geeft een overzicht van veel gebruikte beschermgassen voor het laserlassen.
| Eigenschap | Helium | Argon | Stikstof | CO2 | 20% He + 80 Ar |
|---|---|---|---|---|---|
| Zuiverheid | 4.6 | 4.6 | 5.0 | 4.5 | 4.6 |
| Ionisatie-energie [eV] | hoog 25.4 | gem. 15.7 | gem. 15.5 | gem. 15.5 | gem. 15.5 |
| Plasma onderdrukking | zeer goed | redelijk | redelijk | redelijk | goed |
| Bescherming tegen oxidatie | goed | zeer goed | goed | slecht | zeer goed |
| Verbruik [l/min] | 20 à 30 | 30 à 45 | 30 à 45 | 30 à 45 | 23 à 35 |
| Effect op lasgeometrie | verdiepend | verbredend | iets verdiepend | normaal | normaal |
| Kosten | hoogst | gem. | laag | laagst | gem. |
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Bij het lasersolderen worden twee onderdelen aan elkaar verbonden door een derde materiaal te smelten en niet de onderdelen zelf. Omdat dit niet met zulke hoge vermogens gepaard gaat als laserlassen, is er geen pluimvorming. Oxidatiebescherming kan met gas, maar kan ook met vloeistof die al in het verbindingsmateriaal verwerkt zit. Ook het risico voor spatten is niet zo groot.
Snijden en boren
Bij het lasersnijden en -boren moet materiaal verwijderd worden. Dit gebeurt bij het lasersnijden vaak en bij het laserboren soms, met een gas dat het gesmolten materiaal weg moet blazen: het uitdrijfgas. Dit gas wordt coaxiaal aan de laserstraal toegevoerd en kan reactief (zuurstof) of niet-reactief zijn (meestal stikstof). De gassen heten dan respectievelijk brandgassen en snijgassen, de bewerkingen heten respectievelijk laserbrandsnijden en het lasersmeltsnijden. Wanneer een reactief gas gebruikt wordt, zal de laserstraal het materiaal verhitten tot boven de verbrandingstemperatuur waarna het door het reactieve gas tot ontbranding zal worden gebracht. Bij deze verbranding zal warmte vrijkomen die een hogere snijsnelheid mogelijk maakt. Wanneer het niet mogelijk is om een reactief gas te gebruiken (bijvoorbeeld wanneer geen oxidatie op mag treden) kan ook gebruik gemaakt worden van een niet-reactief gas. Omdat het materiaal nu niet tot ontbranding wordt gebracht en er dus geen extra energie vrij komt, is het noodzakelijk om in dit geval de gassen onder een hoge druk toe te voeren om nog een relatief hoge bewerkingssnelheid te realiseren.
Het boren en snijden kan ook gebeuren door het materiaal te sublimeren, er wordt dan gesproken over sublimatieboren en sublimatiesnijden. In dat geval wordt er geen uitdrijfgas gebruikt.
Onderstaande figuur geeft een schematische weergave van lasersnijproces.
Onderstaande tabel laat mogelijke combinaties zien van gebruikte snijgassen en materialen.
| Materiaal | lage druk O2 | hoge druk N2 |
|---|---|---|
| ongelegeerd staal | • |
• |
| laaggelegeerd staal | • |
• |
| hooggelegeerd staal | • |
|
| roestvast staal | • |
|
| verzinkt staal | • |
• |
| geverfd staal | • |
|
| Ni- en Co-basislegeringen | • |
|
| Aluminium en Al-legeringen | • |
|
| Titaan en titaanlegeringen | • (argon) |
|
| Koper en koperlegeringen |
Bron: Hoogvermogen lasers voor het bewerken van metalen, vm 121, februari 2002, FME-CWM.
Oppervlaktebewerkingen
Bij oppervlaktebewerkingen worden gewenste eigenschappen van een productoppervlak (zoals bijvoorbeeld de hardheid) verbeterd. Stikstof en argon worden bij deze bewerkingen vaak gebruikt om oxidatie van het materiaal te voorkomen. Een oppervlaktebewerking die in het bijzonder in dit verslag terugkomt is het lasercladden. Hierbij wordt op het basismateriaal een deklaag aangebracht die zich niet met het basismateriaal mengt. De bewerking verloopt als volgt: eerst wordt het basismateriaal door de laser tot smelten gebracht waarna de clad-deeltjes op het basismateriaal worden gespoten.
Optiekbescherming
Bij laserbewerkingen waar veel spetters ontstaan, is het erg belangrijk om het dure optiek goed te beschermen. Er ontstaan in het bijzonder veel spetters bij het bewerken van producten die met deklagen zijn voorzien.
Wanneer het optiek niet goed beschermd wordt, zullen er spatten op komen die het optiek zullen beschadigen. Verder zullen deze deeltjes de doorvoer van de laserstraal belemmeren. Dit heeft twee gevolgen: ten eerste gaat het vermogen en de kwaliteit van de laserstraal op de bewerkingsplaats achteruit en ten tweede zullen de deeltjes warm worden omdat ze laservermogen opnemen. Daardoor zal het optiek nog verder zal beschadigen. Uiteindelijk zal het optiek onbruikbaar zijn, waardoor een nieuw duur optiek aangeschaft zal moeten worden.
Een veel toegepaste manier van optiekbescherming, is het gebruik van een schutglaasje dat tussen de lens en de bewerking in zit. Dit schutglaasje is veel goedkoper te vervangen dan eens lens.
Schutglaasjes zijn zowel gecoat als ongecoat te krijgen. De gecoate versie heeft als voordeel dat deze minder laservermogen absorbeert (0,5 tot 1%) dan de ongecoate versie (bij zuiver glas ca. 8%), maar is wel duurder. Om voor een redelijke levensduur van een schutglas te zorgen, moet ervoor gezorgd worden dat deze schoon blijft. In plaats van de glaasjes steeds schoon te maken, kan er ook voor worden gekozen om ze te vervangen door nieuwe. In dat geval kan er vanuit kostenoogpunt gekozen worden voor ongecoate schutglaasjes. Het vermogensverlies wordt dan op de koop toe genomen.
Om vervuiling van het schutglaasje zoveel mogelijk te voorkomen, dient gelet te worden op de werkafstand (hoe groter de werkafstand, hoe groter de weg is die spetters van het proces af moeten leggen) en het laservermogen. Een te groot laservermogen veroorzaakt spetters. Bovendien moet er ook op gelet worden dat de omgevingsatmosfeer geen aanslag veroorzaakt.
Een tweede manier van optiekbescherming is het toepassen van een crossflow: een gasstroom in de buurt van het optiek die de deeltjes wegblaast. In onderstaande figuur is te zien hoe zo'n cross flow opspattende deeltjes wegblaast. De gasstroom kan on-axis zijn, dat wil zeggen coaxiaal aan de laserstraal of off-axis: niet coaxiaal aan de laserstraal. Bij het lasersnijden bijvoorbeeld wordt het optiek al automatisch beschermd door de snijgassen die vrijkomende deeltjes al wegblazen van het optiek.
Off-axis cross flow blaast spetters weg.
Een andere mogelijkheid om het optiek te beschermen, is om te proberen de laserstraal niet van boven te laten invallen. Op deze manier zit het optiek niet in de baan van de vrijkomende deeltjes die de natuurlijke neiging hebben om omhoog te gaan.
Bij het ontwerp en het instellen van de opstelling, dient er rekening mee gehouden te worden dat de cross flow het beschermgas dat zich vlak bij het werkstuk bevindt, niet wegblaast.
Als het niet nodig is om gas coaxiaal aan de laserstraal toe te voeren dan is het meestal beter om dit ook niet te doen, omdat vrijkomende deeltjes nu terug geblazen worden naar het oppervlak. Dit veroorzaakt verruwing van het oppervlak.
Nozzles
Gassen die gebruikt worden op de plaats waar de laserbewerking plaatsvindt, worden toegevoerd met nozzles. De gassen waar het hier om gaat zijn de snijgassen, de beschermgassen voor het materiaal en tegen plasma en de gassen die gebruikt worden om de clad deeltjes te vervoeren bij het lasercladden. In onderstaande figuur wordt een voorbeeld getoond van een nozzle voor het lasersnijden. In deze paragraaf zullen wat algemene dingen over het gebruik van nozzles verteld worden evenals het gebruik van nozzles in bovengenoemde specifieke gevallen.
Algemeen
Zoals al bij optiekbescherming aan de orde is geweest, kan de gasaanvoer coaxiaal aan de laserstraal plaatsvinden of onder een hoek. Nozzles kunnen aan de laserkop bevestigd zijn, in de laserkop geïntegreerd zijn in het geval van coaxiale gastoevoer, de nozzle kan op een vaste plaats staan of met het werkstuk meebewegen. De keuze van positie en bevestiging van de nozzle zijn onder andere afhankelijk van het proces, of de laserkop dan wel het werkstuk beweegt dan wel beide en welke eisen aan het product gesteld worden.
Factoren waar rekening mee gehouden dient te worden bij het gebruik van nozzles bij de laserbewerking zijn: druk, snelheid en debiet van het beschermgas, de stroming (laminair of turbulent), de positie en richting van de nozzle, de afstand tussen nozzle-opening en werkstuk, de geometrie van de nozzle-opening, etc.. Enkele van deze factoren zullen hieronder verder besproken worden.
Nozzles voor het lasersnijden en -boren
Bij het lasersnijden worden gassen gebruikt om gesmolten materiaal weg te blazen. Zoals eerder vermeld kunnen deze gassen zowel reactief als niet-reactief zijn. Om goed te werken is het belangrijk dat de gassen onder hoge druk en met hoge snelheid ter plekke van de bewerking op het werkstuk geblazen worden. Hierbij is een kleine nozzle-opening van belang. De snijgassen worden altijd coaxiaal aan de laserstraal toegevoerd. Verder is de nozzle-plaatafstand (de afstand tussen het oppervlak van de plaat en de uitstroomopening van de nozzle) een kritische parameter die bij het bewerken constant gehouden dient te worden. Deze afstand ligt meestal tussen 0 en 2,5 mm. De verhouding tussen de nozzle-plaatafstand en de diameter van de nozzle-opening ligt meestal tussen 0,2 en 0,8. Ook de geometrie van de nozzle-uitstroomopening is van belang voor de snijsnelheid en -kwaliteit.
Als de gas(over-)druk hoger is dan 0,2 MPa, is de gasstroom supersoon. Bij gasdrukken hoger dan 0,6 MPa worden speciale nozzles gebruikt. Gasdrukken tot wel 2 MPa komen in de praktijk voor bij het lasersmeltsnijden, bij het laserbrandsnijden blijven de drukken meestal beperkt tot 0,4 MPa.
Omdat nozzles in het bijzonder bij het lasersnijden aan slijtage onderhevig zijn vanwege het feit dat ze zich heel dicht bij het proces bevinden en gassen onder hoge druk en snelheid moeten doorvoeren, zijn ze zo ontworpen dat ze makkelijk te vervangen zijn.
Nozzles voor beschermgastoevoer
Bij beschermgassen is het belangrijk dat de stroom laminair en langzaam het werkstuk op geblazen wordt, zodat er geen turbulentie ontstaat die lucht insluit. Insluiten van lucht heeft tot gevolg dat het beschermgas zijn werk (het materiaal beschermen tegen oxidatie en plasmavorming tegen gaan) over het algemeen niet goed kan doen. Naast het feit dat bij een te hoge uitstroomsnelheid lucht aangezogen kan worden, kan een te hoge snelheid ook een negatieve invloed hebben op het smeltbad bij het laserlassen.
Om turbulentie tegen te gaan, mogen zich geen obstakels tussen de uitstroomopening van het gas en de bewerking bevinden. Ook zal het gasmondstuk een voldoende grote doorlaat moeten hebben om een voldoende debiet bij een lage gassnelheid mogelijk te maken. Bij het voorkomen van het mengen van het beschermgas en lucht is het ook handig wanneer de nozzle het bewerkingsgebied zoveel mogelijk afdekt. Dit kan ook nog een besparing van beschermgas opleveren, in het bijzonder wanneer helium gebruikt wordt dat lichter is dan lucht.
Bij het laserlassen moet de nozzle moet zo gepositioneerd en gericht worden dat het beschermgas de smelt bedekt evenals het gebied dat aan het afkoelen is, omdat oxidatie ook nog steeds kan optreden als het materiaal al weer in vaste toestand is maar de temperatuur nog hoog is. Er wordt in dit geval gesproken over slepende gastoevoer (zie onderstaande figuur). Om zeker te zijn van een goede bescherming, wordt soms de beschermgastoevoer al ingeschakeld voordat de laserbewerking begint en pas uitgeschakeld enkele seconden nadat de laserbewerking al beëindigd is. Er dient dan ook rekening mee gehouden te worden dat de bewerkingskop de juiste positie blijft houden.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Wanneer bij het laserlassen een volledige doorlas gemaakt wordt, wordt soms zowel aan de boven- als de onderkant van het materiaal beschermgas toegevoerd. Beschermgas dat toegevoerd wordt vanaf de andere kant dan waar de laserstraal vandaan komt, wordt backing gas genoemd. Een backing gas wordt voornamelijk toegepast, wanneer het uiterlijk van de las erg belangrijk is.
In een zeer enkel geval wordt het beschermgas niet ter plekke van een bewerking aan een product toegevoerd, maar bevindt het hele product zich in een overdrukkamer met beschermgas.
Nozzles voor het lasercladden
Bij het lasercladden worden twee procesgassen tegelijk gebruikt: een beschermgas en een transportgas voor de clad deeltjes. Het beschermgas wordt altijd coaxiaal aan de laserstraal toegevoerd. Het gas dat gebruikt wordt om de clad deeltjes mee te voeren (het conveying gas), kan zowel coaxiaal als onder een hoek toegevoerd worden (zie onderstaande figuur).
Gaskwaliteit
De gaskwaliteit kan worden aangegeven met een zuiverheidspercentage, een hoeveelheid verontreiniging in ppm (parts per million) of een kwaliteitsgetal. Zo komt een kwaliteitsgetal van bijvoorbeeld 4,5 overeen met een zuiverheid van 99,995 % en een verontreiniging van 5 ppm (parts per million) of minder. In het kwaliteitsgetal geeft het cijfer voor de komma het aantal negens aan in het zuiverheidspercentage. Het cijfer na de komma geeft het cijfer dat volgt op de laatste negen in het zuiverheidspercentage.
Verontreinigingen
Wanneer zich waterdamp in het lasergas bevindt, zal het bij de laserwerking dissociëren waardoor er negatief geladen waterstof ionen ontstaan die de ontlading in de resonator instabiel kunnen maken.
Koolwaterstoffen (CxHy) die zich in het lasergas bevinden, zullen tengevolge van de elektrische ontlading ontbinden. Dit heeft tot gevolg dat zich koolstof- en polymeerafzettingen zullen vormen op de spiegel, die een deel van het laservermogen zullen absorberen. Hierdoor vermindert het laservermogen dat de laser kan leveren en zal de temperatuur van de spiegels oplopen wat nadelig is voor de levensduur ervan.
Wanneer zich lucht in het lasergas bevindt, dan kan dit tot gevolg hebben dat er stikstofoxides ontstaan die de ontlading kunnen destabiliseren of zelfs helemaal kunnen stoppen. Andere gassen die zich in lucht bevinden of eruit kunnen ontstaan (zoals koolmonoxide of argon) hebben een verwaarloosbare invloed op de laserwerking zolang de verontreiniging kleiner blijft dan 1000 ppm (0,1%).
Gasopslag
Gassen worden op twee verschillende manieren opgeslagen: in cilinders of in een tank met vloeibaar gas. De cilinders worden tegenwoordig ook in cilinderbatterijen geleverd, waarin bijvoorbeeld 16 cilinders aan elkaar gekoppeld zijn. Dit is goedkoper in het transport en bovendien hoeft er minder vaak van gasvoorraad gewisseld te worden. De keuze tussen cilinders of een tank is afhankelijk van het jaarverbruik, maar ook van het gas. Zo kan helium alleen in (hogedruk-)cilinders opgeslagen worden. Bij een hoog jaarverbruik is een tank voordeliger.
In het geval van stikstof is het ook nog mogelijk om het ter plekke te distilleren uit de lucht. Hiervoor is speciale apparatuur beschikbaar (zie onderstaande figuur). Deze nitrogen generator kan tot 10 l/min aan stikstof leveren, wat voor veel bewerkingen voldoende is. Het is bij de auteur niet bekend of een dergelijk systeem in de praktijk al veel gebruikt wordt.
Bron: Texol products
Er zijn systemen beschikbaar die een signaal afgeven wanneer een gasvoorraad aan vervanging toe is. Deze systemen kunnen zelfs uitgerust worden met een telefoonkiezer die - wanneer de gasvoorraad onder een bepaald niveau komt - een voorgeprogrammeerd telefoonnummer belt.
Gasdistributie
Het is belangrijk dat de infrastructuur voor het aanvoeren en vervoeren van gassen goed werkt. Wanneer er problemen optreden in de infrastructuur, kan dit onder andere leiden tot kostbare down time van de bewerking, mislukte werkstukken, kapotte machineonderdelen en beschadigde optieken. In deze paragraaf zullen er enkele onderwerpen besproken waar rekening mee moet worden gehouden bij het gebruik van infrastructuur.
In situaties waarin veel gas verbruikt wordt en/of gas op veel verschillende plaatsen nodig is, is het niet handig om heel vaak cilinders te vervangen en te controleren of cilinders nog wel voldoende gevuld zijn. In zo'n geval is het handig om een gasdistributie systeem aan te brengen. Hiermee worden op een of meerdere centrale plaatsen cilinders verbonden en worden de gassen met behulp van leidingsystemen vervoerd naar de plaatsen waar ze nodig zijn.
In onderstaande figuur is een deel van zo'n gasdistributie systeem (een manifold) aangegeven. Aan de linker zijde bevinden zich twee gascilinders net als aan de rechter zijde. Wanneer een voorraad cilinders leeg is, kan over geschakeld worden op de andere voorraad, waarna vervolgens de eerste voorraad vervangen kan worden.
Hier onder zal een aantal aspecten kort besproken worden.
Switch over
Bovengenoemde overschakeling gebeurt met een systeem dat een switch over heet.
Switch overs zijn te verkrijgen in handmatige, semi-automatische en volledig automatisch vorm. Bij een semi-automatische switch over moeten vooraf een minimum en een maximum gewenste uitlaatdruk ingesteld worden. De switch over zorgt er dan voor de uitlaatdruk tussen de twee ingestelde drukken blijft. Bij een volledig automatische overschakeling hoeft alleen de druk ingesteld te worden waarbij overgeschakeld moet worden van de ene op de andere gasvoorraad. De switch over zorgt dan voor de rest. Volledig automatische overschakeling kan met een overschakeling waarbij een fluctuatie in uitlaatdruk optreedt bij het overschakelen van de ene op de andere voorraad (unregulated automatic switch over). De betere systemen systemen vertonen deze drukfluctuatie niet (regulated automatic switch over).
Leidingen
Om te voorkomen dat lasergassen verontreinigd worden, dient de verbinding tussen de cilinder en de laser zo kort mogelijk te zijn. De kans op diffusie wordt daarmee beperkt. Het gebruik van koperen of roestvast stalen leidingen is altijd aan te bevelen. Wanneer dit niet mogelijk is (bijvoorbeeld omdat de leiding flexibel moet zijn), worden slangen van polyethyleen aanbevolen vanwege hun hoge diffusieweerstand tegen waterdamp en zuurstof.
Afsluiters
Afsluiters moeten zo dicht mogelijk worden geplaatst bij de plek waar het gas gebruikt wordt. Bij het dichtdraaien van de afsluiters, gaat de hoeveelheid gas die zich nog in de leidingen na de afsluiter bevindt namelijk verloren. Bovendien kan er in het deel van de leidingen dat na de afsluiter zit, verontreiniging komen.
Het openen en sluiten van afsluiters kan automatisch geregeld worden. Het openen en sluiten wordt dan samen met de laserbewerking ingeprogrammeerd. Zo kan er bijvoorbeeld ook automatisch gewisseld worden tussen verschillende procesgassen.
Flow meters
Met behulp van flow meters kan gekeken worden wat het debiet aan gas is.
Compressors
Het kan soms nodig zijn dat gas onder een hoge druk beschikbaar moet zijn (gassen tot 2 MPa komen in de praktijk voor). Dit gebeurt bijvoorbeeld het bij lasersnijden, waar het procesgas de smelt uit de snede moet drijven. In dergelijke gevallen kan het noodzakelijk om tussen de gasvoorraad en de plaats van bewerking een compressor te plaatsen om het gas op voldoende hoge druk te krijgen. Deze compressor helpt ook om energieverliezen bij het gastransport door de leidingen te compenseren.
Spoelen
Wanneer cilinders vervangen worden, dan is het mogelijk dat er verontreinigingen in het systeem komen. Om deze verontreinigingen te verwijderen moet er gespoeld worden: men moet een of meerdere keren schoon gas door de leidingen laten stromen.
Drukregelaars
Drukregelaars worden in twee klassen verdeeld: single stage en dual stage regelaars. Single stage drukregelaars (zie onderstaande figuur) verminderen de druk van het gas in één stap. Een nadeel van dit type regelaar is dat deze de uitgangsdruk niet exact constant kan houden naarmate de ingangsdruk varieert door bijvoorbeeld het afnemen van de gasvoorraad.
Single stage regelaars zijn dus niet zo geschikt voor processen waar een constante uitgangsdruk erg belangrijk is. Dual stage regelaars (zie onderstaande figuur) verminderen de druk in twee stappen: de inlaatdruk wordt eerst terug gebracht naar een tussendruk, die vervolgens terug gebracht wordt naar de uitlaatdruk. Hierdoor kan de uitlaatdruk beter gecontroleerd worden. Materialen die veelal gebruikt worden voor drukregelaars zijn: koper, aluminium of 316L RVS. Drukregelaars zijn meestal voorzien van een veiligheidsventiel dat open gaat wanneer de regelaar onder te hoge druk komt te staan.
Helium leak integrity
De helium leak integrity is een maat voor hoe goed een drukregelaar het lekken van gassen in of uit het omhulsel tegengaat. De maat wordt aangegeven in cm3/s. Er wordt helium gebruikt omdat het chemisch inert is, kleine moleculen heeft die makkelijk door kleine lekken heen gaan en omdat de aanwezigheid ervan makkelijk te meten is.
Gaskosten
Hier onder staan de richtprijzen van 3 veelgebruikte gassen.
Stikstof: € 0,70 per m3
Argon: € 1,40 per m3
Helium: € 3,40 per m3
De kosten voor procesgassen kunnen hoog oplopen. Een snelle berekening leert bijvoorbeeld, dat wanneer bij het lasersnijden een gasdruk van 0.1 MPa gebruikt wordt bij een uitstroomdiameter van 0,5 mm van de nozzle, dit een verbruik oplevert van 10 liter per minuut. Wanneer uitgegaan wordt van twee ploegen van 8 uur per dag, waarvan de machine 80 % actief is, een werkweek van 5 dagen en 50 weken per jaar activiteit, dan kost dit per jaar (als stikstof gebruikt wordt): (10 * 2 * 8 * 0.8 * 5 * 50) * 0.7 = € 22.400. Wanneer bij dezelfde andere waarden een uitstroomdiameter van 2 mm gebruikt wordt en een druk van 2 MPa (verbruik van 700 l/min), worden de jaarlijkse kosten bij benadering € 1,6 miljoen.
De kosten voor het verbruik van lasergassen zullen een stuk lager liggen. Vooral wanneer een slab-laser gebruikt wordt. Slab-lasers hebben - in vergelijking met andere gaslasers - een laag gasverbruik omdat er geen gasstroom meer nodig is om te koelen. De koeling wordt namelijk door diffusie gedaan. Bij slablasers blijft het lasergasverbruik beperkt tot slechts zo'n 10 liter per jaar.
