Zowel laserlassen als booglassen worden al lange tijd gebruikt in de industriële productie en bieden een breed scala aan toepassingen in de materiaalverbindingstechnologie. Elk van deze processen heeft zijn specifieke toepassingsgebieden, zoals beschreven door de fysische processen van energieoverdracht naar het werkstuk en de energiestromen die kunnen worden verkregen. De energie wordt van de laserbron naar het te bewerken materiaal overgebracht door middel van hoogenergetische coherente infraroodstraling via een glasvezelkabel. De boog brengt de benodigde warmte voor het lassen over door middel van een hoge elektrische stroom die via een boogkolom naar het werkstuk vloeit. De laserstraling leidt tot een zeer smalle warmtebeïnvloede zone met een grote verhouding tussen lasdiepte en lasnaadbreedte (dieplaseffect). Het vermogen van laserlassen om spleten te overbruggen is zeer laag vanwege de kleine focusdiameter, maar daarentegen kunnen zeer hoge lassnelheden worden bereikt. Booglassen heeft een veel lagere energiedichtheid, maar veroorzaakt een grotere focus op het oppervlak van het werkstuk en kenmerkt zich door een lagere verwerkingssnelheid. Door beide processen te combineren, kunnen nuttige synergieën worden bereikt. Uiteindelijk maakt dit het mogelijk om zowel kwaliteitsvoordelen als productietechnische voordelen te behalen, evenals een verbeterde kostenefficiëntie. Dit proces biedt interessante en economisch aantrekkelijke toepassingen, met name in de automobielindustrie, omdat hogere toleranties op de lasverbindingen zijn toegestaan, hogere verbindingssnelheden mogelijk zijn en zeer goede mechanische/technologische parameters kunnen worden bereikt.
1. Inleiding:
Het is al sinds de jaren 70 bekend hoe laserlicht en booglassen gecombineerd kunnen worden tot een hybride lasproces, maar lange tijd daarna werd er geen verder onderzoek naar gedaan. Recentelijk hebben onderzoekers zich opnieuw op dit onderwerp gericht en geprobeerd de voordelen van booglassen te verenigen met die van laserlassen in een hybride lasproces. Waar laserbronnen in de beginjaren hun geschiktheid voor industrieel gebruik nog moesten bewijzen, zijn ze tegenwoordig standaardapparatuur in veel productiebedrijven.
De combinatie van laserlassen met een ander lasproces wordt een "hybride lasproces" genoemd. Dit betekent dat een laserstraal en een boog gelijktijdig in één laszone werken en elkaar beïnvloeden en ondersteunen.
2. Laser:
Laserlassen vereist niet alleen een hoog laservermogen, maar ook een hoogwaardige laserstraal om het gewenste "dieplaseffect" te bereiken. De resulterende hogere kwaliteit van de laserstraal kan worden benut om een kleinere focusdiameter of een grotere focusafstand te verkrijgen.
Voor de ontwikkelingsprojecten die momenteel in uitvoering zijn, wordt een lampgepompte solid-state laser met een laservermogen van 4 kW gebruikt. Het laserlicht wordt via een glasvezel met een diameter van 600 µm overgebracht.
Het laserlicht wordt via een glasvezel geleid, waarvan het begin en het einde watergekoeld zijn. De laserstraal wordt op het werkstuk geprojecteerd door een focusmodule met een brandpuntsafstand van 200 mm.
3. Laserhybride proces:
Voor het lassen van metalen werkstukken wordt de Nd:YAG-laserstraal gefocusseerd met een intensiteit van meer dan 10⁶ W/cm². Wanneer de laserstraal het oppervlak van het materiaal raakt, verwarmt deze plek tot de verdampingstemperatuur, waardoor een dampholte in het lasmetaal ontstaat als gevolg van de ontsnappende metaaldamp. Het onderscheidende kenmerk van de lasnaad is de hoge verhouding tussen diepte en breedte. De energiedichtheid van de vrij brandende boog ligt iets boven de 10⁴ W/cm². Figuur 1 illustreert het basisprincipe van hybride lassen. De laserstraal
De hier afgebeelde warmtetoevoer naar het lasmetaal in het bovenste deel van de lasnaad, naast de warmte van de boog. In tegenstelling tot een sequentiële configuratie waarbij twee afzonderlijke lasprocessen na elkaar plaatsvinden, kan hybride lassen worden beschouwd als een combinatie van beide lasprocessen die gelijktijdig in één en dezelfde proceszone plaatsvinden. Afhankelijk van welk boog- of laserproces wordt gebruikt en van de procesparameters, zullen de processen elkaar in verschillende mate en op verschillende manieren beïnvloeden [1, 2].
Dankzij de combinatie van het laserproces en het boogproces neemt zowel de indringdiepte van de las als de lassnelheid toe (vergeleken met elk van de processen afzonderlijk). De metaaldamp die uit de dampholte ontsnapt, werkt terug op het boogplasma. De absorptie van de Nd:YAG-laserstraling in het procesplasma blijft verwaarloosbaar. Afhankelijk van de gekozen verhouding tussen de twee vermogensinputs kan het karakter van het gehele proces in meer of mindere mate worden bepaald door de laser of door de boog [3,4].
Afbeelding 1: Schematische weergave: Laserhybride lassen
De absorptie van de laserstraling wordt aanzienlijk beïnvloed door de temperatuur van het werkstukoppervlak. Voordat het laserlasproces kan beginnen, moet eerst de initiële reflectie worden overwonnen, vooral op aluminium oppervlakken. Dit kan worden bereikt door het lassen te starten met een speciaal startprogramma. Nadat de verdampingstemperatuur is bereikt, wordt de dampholte gevormd, waardoor bijna alle stralingsenergie in het werkstuk kan worden gebracht. De hiervoor benodigde energie wordt dus bepaald door de temperatuurafhankelijke absorptie en de hoeveelheid energie die verloren gaat.
door geleiding naar de rest van het werkstuk. Bij laserhybride lassen vindt verdamping niet alleen plaats vanaf het oppervlak van het werkstuk, maar ook vanuit de vuldraad, waardoor er meer metaaldamp beschikbaar is, wat op zijn beurt de invoer van de laserstraling vergemakkelijkt. Dit voorkomt ook procesuitval [5, 6, 7, 8, 9].
4. Toepassing in de automobielindustrie:
Door gebruik te maken van een spaceframe-constructie is een gewichtsvermindering van 43% mogelijk in vergelijking met een stalen carrosserie.
Afbeelding 2: Audi Spaceframe A2-concept
Het Audi A2 Spaceframe bestaat uit 30 meter laserlaswerk (gele stroken in afbeelding 2) en 20 meter MIG-laswerk. Daarnaast worden er ook 1700 klinknagels gebruikt.
Afbeelding 3: Vergelijking van profielen en verbindingstechnieken op de Audi-A2
Figuur 4 toont een laserhybride lasverbinding van een gegoten ALMg3-materiaal met een AlMgSi-plaatmateriaal. De vuldraad is AlSi5 en het gebruikte beschermgas is argon. Met toenemend laservermogen is een diepere penetratie mogelijk. Door de laserstraal op deze manier met de boog te combineren, ontstaat een groter smeltbad dan bij het laserlassen alleen. Dit maakt het mogelijk om componenten met grotere spleten te lassen.
Figuur 4: Overlappende verbinding met een opening van 0,5 mm
In de automobielindustrie zijn er veel toepassingen van overlappend lassen zonder voorbereiding van de lasnaad. Momenteel is de meest geavanceerde methode voor dit soort lassen laserlassen met een koud vulmateriaal, vanwege de kans op scheurvorming bij hoge temperaturen in de AA 6xxx-legering. Bij het lassen met een vulmateriaal gaat namelijk veel laserenergie verloren aan het smelten van dat vulmateriaal.
De volgende afbeelding toont de verschillen tussen LaserHybrid-lassen en laserlassen bij een overlappende verbinding met een lassnelheid van 2,4 m/min. Bij laserlassen is het niet mogelijk om de lasrups volledig op te vullen, waardoor ondersnijding ontstaat. Ook is de indringing in het basismateriaal zeer gering. De lasrups is erg smal, waardoor een lage treksterkte te verwachten is. Bij LaserHybrid-lassen...
Er wordt extra materiaal in het smeltbad gebracht. De ondersnijding wordt opgevuld met de draad van het MIG-proces, waardoor een deel van de laserenergie wordt bespaard. Deze bespaarde laserenergie kan worden gebruikt om de indringing in het basismateriaal te vergroten, waardoor de lasrups breder wordt dan de materiaaldikte, wat vereist is volgens de numerieke simulatie.
Figuur 5. Vergelijking tussen laserhybride lassen en laserlassen zonder toevoegdraad.
Met de LaserHybrid-lasprocedure is het mogelijk om materialen van aluminium, staal en roestvrij staal te lassen met een materiaaldikte tot 4 mm. Bij een te grote dikte is volledige doorlassing niet mogelijk. Voor het verbinden van verzinkte materialen is lasersolderen de aangewezen methode.
Verdere toepassingen in de automobielindustrie zijn aandrijflijnen, assen en carrosserieën, waar het laserhybride lasproces geschikt voor kan zijn.
Laskop:
De laskop moet kleine geometrische afmetingen hebben om een goede toegankelijkheid tot de te lassen onderdelen te garanderen, met name in de carrosseriebouw. Bovendien moet deze zo ontworpen zijn dat een geschikte, afneembare verbinding met de robotkop mogelijk is, evenals instelbaarheid van procesvariabelen zoals brandpuntsafstand en afstand tussen de lastoorts en het werkstuk in alle Cartesiaanse coördinaten. Figuur 5 toont de laskop tijdens het lasproces. De spatten die tijdens het lassen ontstaan, leiden tot toenemende vervuiling van het beschermglas. Het kwartsglas is aan beide zijden gecoat met een antireflectielaag en is bedoeld om het optische lasersysteem te beschermen tegen beschadiging.
Afhankelijk van de mate van vervuiling kan de ophoping van laserspat op het glas ervoor zorgen dat het laservermogen dat daadwerkelijk op het werkstuk inwerkt met wel 90% afneemt. Bij een zwaardere vervuiling is het beschermende glas doorgaans onherstelbaar beschadigd, omdat een groot deel van de stralingsenergie door het glas zelf wordt geabsorbeerd, wat thermische spanningen in het glas veroorzaakt. Met deze laskop en lasapparatuur is het mogelijk om deze te gebruiken voor LaserHybrid-lassen, laserlassen, MSG-lassen enLaserlassen met hete draad.
Afbeelding 6: Laskop en proces
5. Voordelen van laserhybride lassen:
De volgende voordelen vloeien voort uit de combinatie van booglassen en laserstralen: Voordelen van laserhybride lassen ten opzichte van laserlassen:
• hogere processtabiliteit
• hogere overbrugbaarheid
• diepere penetratie
• lagere kapitaalinvesteringskosten
• grotere vervormbaarheid
Voordelen van laserhybride lassen ten opzichte van MIG-lassen:
• hogere lassnelheden
• diepere penetratie bij hogere lassnelheden
• lagere warmte-input
• hogere treksterkte
• smallere lasnaden
Afbeelding 7: Voordelen van het combineren van de twee processen
Booglassen kenmerkt zich door een goedkope energiebron, een goede verbindingscapaciteit en de mogelijkheid om de structuur te beïnvloeden door het toevoegen van vulmetalen. De onderscheidende kenmerken van laserlassen daarentegen zijn de grote lasdiepte, hoge lassnelheid, lage warmtebelasting en smalle lasnaden. Boven een bepaalde bundeldichtheid produceert de laserstraal een "dieplaseffect" in metalen materialen, waardoor componenten met grotere wanddiktes kunnen worden gelast – mits het laservermogen voldoende hoog is. Laserhybride lassen resulteert dus in hogere lassnelheden, processtabilisatie dankzij de interactie tussen de boog en de laserstraal, een verhoogd thermisch rendement en grotere toleranties voor het werkstuk. Omdat het smeltbad kleiner is dan bij MIG-lassen, is er minder warmte-input en dus een kleinere warmtebeïnvloede zone. Dit betekent minder lasfouten.
vervorming, waardoor de hoeveelheid nabewerking na het lassen die nodig is, wordt verminderd.
Bij twee afzonderlijke smeltbaden zorgt de daaropvolgende warmte-input van de boog ervoor dat het laserstraal-lasgebied – met name bij staal – een nabehandeling krijgt, waardoor de hardheidswaarden gelijkmatiger over de lasnaad worden verdeeld. Figuur 6 vat de voordelen van het gecombineerde (oftewel hybride) proces samen.
Wat de economische voordelen van hybride lassen ten opzichte van laserlassen betreft, kunnen de volgende conclusies worden getrokken: De lasnaad bestaat deels uit een laserlas en deels uit een MIG-las. Het hybride proces maakt het mogelijk om het vermogen van de laserstraal te verlagen, waardoor het energieverbruik van de laserbron aanzienlijk kan worden verminderd, aangezien de laserapparatuur een rendement heeft van slechts 3%. Met andere woorden: een vermindering van 1 kW in het laservermogen dat op het werkstuk inwerkt, leidt tot een vermindering van circa 35 kVA in het elektriciteitsverbruik.
Een laserstraalapparaat kost ongeveer € 0,10 per kW.laserstraalvermogenOm slechts één voorbeeld te noemen: in een geval waarin het gebruik van het hybride proces het mogelijk maakt om een laserapparaat van 2 kW te gebruiken in plaats van een met een vermogen van 4 kW, levert dit een besparing op van € 0,2 miljoen aan investeringskosten. Hierbij moet echter wel worden opgemerkt dat voor het hybride proces een MIG-lasapparaat nodig is dat ongeveer € 20.000 kost.
Dankzij de hogere lassnelheid kunnen zowel de productietijd als de laskosten worden verlaagd.
6. Laser-hetedraadsolderen:
Een andere mogelijkheid om de laserstraal met een vuldraad te combineren is het LaserHotwire-proces [10]. Bij deze procedure wordt de vuldraad voorverwarmd met dezelfde stroombron, die gebruikt kan worden voor deLaser hybride lasprocesDe vuldraad heeft een stroomsterkte van 100 A tot 220 A. De draadaanvoersnelheid is afhankelijk van de doorsnede van de soldeerrups en de soldeersnelheid. Solderen biedt, door de hoeveelheid vulmetaal, een vormmateriaal dat gemakkelijker af te werken is dan vergelijkbare lasnaden. Door het solderen van plaatwerkonderdelen kunnen reparaties eenvoudiger worden uitgevoerd dan bij gelaste verbindingen. Een voordeel van LaserHotwire-solderen is de goede corrosiebestendigheid van de gesoldeerde zone.
Als vulmetalen worden goedkope legeringen op koperbasis gebruikt, zoals SG-CuSi3, en argon dient als beschermgas.
Afbeelding 8: Schematische weergaveLaserlassen met hete draad:
De volgende afbeelding toont de dwarsdoorsnede van een met laserlassen gesoldeerd materiaal. Het verzinkte materiaal wordt gesoldeerd met een snelheid van 3 m/min en de vuldraad heeft een stroomsterkte van 205 A. De warmte-inbreng is zeer laag, waardoor het soldeerproces weinig vervorming oplevert.
7. Samenvatting:
Laserhybride lassen is een geheel nieuwe technologie die synergievoordelen biedt voor een breed scala aan toepassingen in de metaalbewerkingsindustrie, met name daar waar het niet mogelijk of financieel haalbaar is om de vereiste componenttoleranties te bereiken.laserlaslassenHet veel bredere toepassingsgebied en de hoge capaciteit van het gecombineerde proces leiden tot een verbeterde concurrentiepositie in termen van lagere investeringskosten, kortere productietijden, lagere fabricagekosten en hogere productiviteit.
Het laserhybride lasproces biedt ook een nieuwe benadering voor het lassen van aluminium. Een stabiel proces dat in de praktijk kan worden toegepast, is echter pas relatief recent mogelijk geworden, dankzij de hogere vermogens die beschikbaar zijn bij solid-state lasers. Talrijke studies hebben de grondbeginselen van laser-boog-hybride lasprocessen onderzocht. Met "hybride lasproces" bedoelen we de combinatie van laserlassen en booglassen, met slechts één proceszone (plasma en smelt). Fundamenteel onderzoek heeft aangetoond dat een proces mogelijk is waarbij – door de twee processen te combineren – synergieën kunnen worden bereikt en de nadelen van elk afzonderlijk proces kunnen worden gecompenseerd. Dit resulteert in verbeterde lasmogelijkheden, lasbaarheid en lasbetrouwbaarheid voor veel verschillende materialen en constructies. Dit is met name aangetoond voor aluminiumlegeringen. Door gunstige procesparameters te kiezen, is het mogelijk om selectief de laseigenschappen, zoals geometrie en structuur, te beïnvloeden. Het booglasproces verhoogt de overbruggingscapaciteit door het toevoegen van vulmetaal; het bepaalt ook de lasnaadbreedte en vermindert zo de benodigde voorbereiding van het werkstuk. Bovendien leiden de interacties tussen de processen tot een aanzienlijke verhoging van de procesefficiëntie. Dit gecombineerde proces vereist ook aanzienlijk lagere investeringskosten dan het laserlasproces.
Het laser-hetedraad-soldeerproces kan met name worden gebruikt voor verzinkt materiaal om een goede corrosiebestendigheid te verkrijgen.
Geplaatst op: 18 april 2025
