Laserlassen

Laserlassen levert hoogwaardige, sterke, en economische verbindingen met een fraai uiterlijk, minimale vervorming en hoge productiesnelheid

Bij het laserlassen wordt sterk geconcentreerd licht gebruikt om twee producten aan elkaar te verbinden. De bewerking wordt sinds vele jaren toegepast in de industrie en heeft zich inmiddels ruimschoots bewezen. Laserlassen is een hoogwaardige verbindingstechniek met vele voordelen.

Het Laser Applicatie Centrum is gespecialiseerd in het laserlassen. Wij kunnen u van dienst zijn met fabricage van hoogwaardige producten, onderzoek en advies. Daarnaast hebben wij tweetal gerelateerde websites gemaakt. De website Design For Laser beschrijft het optimaal ontwerpen van producten voor fabricage m.b.v. laserbewerkingen. De website Moderne Laserbronnen geeft een overzicht van recente ontwikkelingen op het gebied van laserbronnen.

Deze pagina concentreert zich op het laserlasproces zelf. Voorbeeldtoepassingen van laserlassen vindt u hier.

Bij het laserlassen wordt een verbinding gemaakt tussen twee producten door deze producten tegen elkaar te plaatsen en beide met de laser te smelten waardoor ze aan elkaar smelten. Tijdens het lassen kan materiaal toegevoegd worden, maar vaak wordt gelast zonder materiaaltoevoer.

Inhoud van deze pagina

1. Keyhole lassen en conductielassen
2. Wanneer laserlassen gebruiken?
3. Voor- en nadelen laserlassen
4. De kosten van laserlassen
5. Lasbaarheid van verschillende materialen
6. Laserlassen met draadtoevoer
7. Hybride laserlassen
8. Gepulst laserlassen
9. Remote laserlassen
10. Heel diep, heel snel
11. Toleranties
12. Lasmal
13. Automatisering
14. Design For Laser

Keyhole lassen en conductielassen

Het laserlassen kan op hoofdlijnen in twee verschillende modi uitgevoerd worden:

  • Bij het keyhole lassen wordt een hoge lichtintensiteit gebruikt om relatief diepe smalle lassen te maken. Het keyhole lassen wordt ook wel dieplassen genoemd.
  • Bij het conductielassen wordt een lagere lichtintensiteit gebruikt om zeer gladde ondiepe lassen te maken (maximale diepte ~1mm). Het conductielassen wordt ook wel smelt- of vloeilassen genoemd.



Keyholelas: slanke diepe las, door 5 plaatjes van 1 mm gelast


Conductielas: zeer glad resultaat


Laserlassen van een Y-verbinding uitgevoerd in buis

 

 

Wanneer laserlassen gebruiken?

Laserlassen wordt over het algemeen gebruikt als een hoogwaardige verbinding gevraagd wordt, als het laserlassen mogelijkheden biedt die met andere lasprocessen niet mogelijk zijn en/of als de warmte-inbreng beperkt mag zijn. Enkele voorbeelden:

  • Als de las er erg mooi uit moet zien of erg glad moet zijn
  • Als een smalle, diepe las gewenst is
  • Als de lasverbinding zwaar belast wordt
  • Bij het verbinden van dun materiaal of bij het verbinden van dun aan dik materiaal
  • Bij een relatief grote laslengte
  • Als het product beperkt mag vervormen (zie ook onderstaande grafiek van de warmte-inbreng van verschillende lasprocessen)
  • Als de lasnaad moeilijk te bereiken is
  • Als grote series producten bewerkt moeten worden
Warmte-inbreng van verschillende lasprocessen

Warmte-inbreng van verschillende lasprocessen. Bron: Dipl.-ing Karen Stelling; Dipl.-Ing Thomas Michael, Dipl.-Phys.Helmut Schobbert. Erstarrungsverhalten und Schweisseignung austenitische Stähle beim Laserstrahl- un Hybridschweissen.

Voor- en nadelen laserlassen

Voordelen

  • Hoge lassnelheid
  • Uitstekende laskwaliteit: zeer hoge sterkte, constante doorlassing, uitstekende verhouding tussen breedte en diepte van de las, weinig/geen spetters
  • Weinig vervorming van het product door lage warmte-inbreng
  • De mogelijkheid bestaat om dwars door een plaat te lassen

Nadelen

  • Relatief dure apparatuur noodzakelijk
  • Gevoelig voor spleten
  • Opstartkosten zijn relatief hoog in vergelijking met handmatig lassen, omdat een robot geprogrammeerd moet worden en soms een lasmal gemaakt moet worden

De kosten van laserlassen

Bij het vergelijken van de kosten van verschillende lasprocessen is het belangrijk te kijken naar de totale kosten in het productieproces. Zo kan het zijn dat de kosten per meter laslengte weliswaar hoger zijn, maar dat laserlassen uiteindelijk toch goedkoper is, omdat bijvoorbeeld…

  • minder productdelen nodig zijn
  • bespaard kan worden op lasnaadvoorbereiding
  • bespaard kan worden op nabewerking zoals richten en slijpen,
  • dunnere materiaal gekozen kunnen worden omdat er minder vervorming optreedt

Lasbaarheid van verschillende materialen

Laag gelegeerd staal en roestvast staal laten zich uitstekend met de laser lassen. Aluminium is afhankelijk van de legering goed lasbaar, hoewel meestal wel materiaal toegevoegd moet worden aan het lasproces, omdat de specifieke legering gevoelig is voor scheurvorming en om porositeiten tegen te gaan en het proces stabieler te maken. Het LAC heeft tevens ervaring met het lassen van staal met (zeer) hoge koolstofequivalent (b.v. gereedschapsstaal), verzinkt staal, duplex RVS en inconel.

Materiaalcombinaties zijn in bepaalde gevallen ook mogelijk. Zo is het mogelijk om staal aan roestvast staal te lassen.

Figuur 1 – Laserlasverbinding van staal aan RVS (zwart-wit verbinding).

Er is veel interesse om staal aan aluminium te lassen. Het LAC heeft in het verleden deelgenomen aan een onderzoek op dit gebied (JODIS). Onder andere omdat staal en aluminium een verschillende uitzettingscoefficiënt hebben en zich een brosse intermetallische laag vormt, is het tot op heden haast niet mogelijk om staal aan aluminium te lassen, hoewel het wel toegepast wordt voor dun materiaal.

Koper is over het algemeen zeer moeilijk lasbaar met de laser, omdat het in vaste toestand de laserbundel zeer sterk reflecteert.

 


Figuur 2 – Aluminium verbonden aan verzinkt staal.

Laserlassen met draadtoevoer

Bij het laserlassen kan materiaal toegevoegd worden. Dit materiaal kan o.a. gebruikt worden om te helpen met het opvullen van spleten of het veranderen van de samenstelling van het smeltbad (bijvoorbeeld noodzakelijk bij het lassen van duplex RVS of aluminium).


Figuur 3 – Schematische weergave van het laserlassen met draadtoevoer. Bron: Universiteit Twente.

Wanneer het toevoermateriaal een aanzienlijk lagere smelttemperatuur heeft dan het basis materiaal dan spreekt men van lasersolderen. Bij het lasersolderen worden zeer gladde verbindingen gerealiseerd, welke tegenwoordig onder andere toegepast worden bij de daknaden van auto’s. Een nadelen van het solderen is dat de verbinding minder zwaar belastbaar is als bij het lassen.


Figuur 4 – Laser gesoldeerde verzinkte staalplaten.

Hybride laserlassen

Bij het hybride laserlassen worden twee lasprocessen gecombineerd. In de praktijk zijn dit bijna altijd laserlassen en MIG-MAG-booglassen.

Laserlassen Booglassen
Pluspunten

  • Hoge lassnelheid
  • Diepe lassen
  • Lage warmte-inbreng

Minpunten

  • Gevoelig voor spleten
  • Dure energiebron
  • Geen toevoermateriaal
Pluspunten

  • Kan goed spleten overbruggen
  • Goedkope energiebron
  • Toevoermateriaal

Minpunten

  • Lage lassnelheid
  • Ondiepe lassen
  • Hoge warmte-inbreng


Figuur 5 – Schematische weergave van het laser-MIG/MAG hybride lassen.


Figuur 6 – Lasresultaat van het laserhybride lassen.


Figuur 7 – Actiefoto van het ondersteboven laser-hybride lassen van staal.

 

Gepulst laserlassen

Producten waarop zeer kleine lassen gelegd moeten worden, worden vaak gepulst gelast. Hierbij zendt de laser korte lichtflitsen uit net als bij een stroboscoop waardoor puntlassen gemaakt kunnen worden. Door te bewegen kunnen de puntlassen elkaar overlappen waardoor een naadlas gemaakt kan worden.

Figuur 8 – Zes puntlassen uit een electronenkanon van een CRT televisie.

Figuur 9 – Schematische weergave van naadlas welke gemaakt wordt door puntlassen te laten overlappen.


Figuur 10 – Product dat gelast is m.b.v. gepulst laserlassen. Bron: Trumpf.

 


Figuur 11 – Twee buisjes welke m.b.v. gepulst laserlassen verbonden zijn.

Remote laserlassen

Bij het remote laserlassen staat het laseroptiek verder verwijderd van het werkstuk en wordt de laserbundel bewogen m.b.v. spiegels. Door deze techniek zijn veel hogere versnellingen mogelijk, wat vooral voordelen biedt wanneer er veel korte lasjes gemaakt moeten worden. Deze manier van laserlassen wordt bijna uitsluitend toegepast wanneer zeer grote series producten met vele korte lasjes gemaakt moeten worden, zoals in de automobielindustrie.

Heel diep, heel snel

Figuur 12 – Lassen gemaakt in RVS met een fiberlaser met een vermogen 8 kW en een focusdiameter 0,33mm. Bron: IPG Photonics.


Figuur 13 – Een 32 mm diepe las in RVS welke gemaakt is met een zeer zware fiberlaser (P=30kW) met een lassnelheid van 0,6 m/min. Bron: IPG Photonics.


Figuur 14 – Overlaplas van 2 RVS plaatjes met een dikte van 0,1 mm met een snelheid van maar liefst 800 mm/s (48 m/min) voor brandstofcellen.

Toleranties

Het laserlassen is relatief gevoelig voor spleten. Bij een stompe naad moet de laser nauwkeurig uitgelijnd worden ten opzichte van de lasnaad, is slechts een zeer beperkte spleet toegestaan (<0.15 mm), en moeten de laskanten nauwkeurig voorbewerkt zijn (lasersnijden is bijvoorbeeld uitstekend geschikt). Bij een overlapnaad komen de toleranties veel minder nauw.

Figuur 15 – Afhankelijk van het type lasnaad is laserlassen erg kwetsbaar voor toleranties.

Lasmal

Bij het laserlassen spelen lasmallen een zeer belangrijke rol. De functies van de lasmal zijn op hoofdlijnen (1) spleten onderdrukken en (2) de producten en lasnaden reproduceerbaar en nauwkeurig op de juiste plaats positioneren. Het LAC heeft ruime ervaring met de ontwikkeling van laserlasmallen en kan u ondersteunen bij de ontwikkeling van de juiste lasmal voor uw product (zie Advies).

Automatisering

Vanwege de hoge lassnelheid en de benodigde nauwkeurigheid wordt laserlassen nagenoeg altijd geautomatiseerd uitgevoerd, bijvoorbeeld met knikarm robots. Het programmeren van de robot kan plaatsvinden door te teachen. Hierbij wordt met de robot naar de juiste positie bewogen en wordt deze opgeslagen. Vervolgens wordt aan de robot verteld hoe deze langs de geprogrammeerde punten moet bewegen.

De andere manier van programmeren is off-line. Hierbij wordt de robot geprogrammeerd op een computer met behulp van een speciaal daarvoor bedoeld programma. Dit heeft onder andere als voordeel dat ingewikkelde contouren makkelijker geprogrammeerd kunnen worden, de machine geprogrammeerd kan worden terwijl deze aan het produceren is voor iets anders, de bereikbaarheid van alle punten getest kan worden zonder dat er daadwerkelijk producten en lasmallen beschikbaar zijn, en programma’s getest worden zonder het risico op botsingen.

Design for laser

Met de komst van het lasersnijden en –lassen kan het in bepaalde gevallen veel rendabeler zijn om producten uit plaat te maken dan bijvoorbeeld via verspanende bewerkingen. Onderstaand product is daar een voorbeeld van. Het LAC heeft een aparte website Design For Laser die over dit onderwerp gaat.