Lasertechniek

In de lasertechniek worden technische gassen vooral voor de materiaalbewerking gebruikt. Onder productietechnische aspecten is de laser-materiaalbewerking ten opzichte van conventionele processen gekenmerkt door hoge proces-, product- en hoeveelhedenflexibiliteit. Bij het behalen van hogere productiesnelheden en betere bewerkingskwaliteiten bij gelijktijdig dalende kosten spelen de gassen een belangrijke rol.

Laserstraalbronnen

Laser voor de materiaalbewerking

Vanwege het hoge prestatievermogen hebben zich tot nu toe de CO₂-laser, Nd:YAG-laser en Excimer-laser laten gelden. Ook de hoogrendements-diodelaser (HRDL) speelt een steeds belangrijkere rol. CO₂- en Excimer-lasers zijn »gaslasers«: Voor het werken met beide lasers zijn technische gassen vereist.

• Bedrijfsgassen voor CO₂-lasers: CO₂ 4.5, He 4.6 en N₂ 5.0 als afzonderlijke gassen. Mengsel afhankelijk van de laserstraalbron lasergas I, lasergas II, lasergas III
• Bedrijfsgassen voor Excimer-lasers: He 4.6, KrF, ArF, XeCI

CO₂-lasers

CO₂-lasers produceren infrarode laserstraling bij een golflengte van 10,6 µm. De uitgangsvermogens bedragen tot 20 kW. Het bedrijf is continu (cw) of gepulst (pw) mogelijk. Het rendement reikt tot twaalf procent. De daaruit resulterende overtollige warmte-energie wordt door circulatie van het gas afgevoerd.

Excimer-laser

Excimer-lasers werken in pulsbedrijf bij een gemiddeld uitgangsvermogen van maximaal 200 W. Ze worden meestal voor de fijn- en microbewerking ingezet en kunnen met verschillende edelgas-halogeen-mengsels worden gebruikt. Excimere (excited dimers) zijn instabiele edelgas-halogeen-moleculen met een korte levensduur die in de laser worden geproduceerd. De laser emitteert in het uv-golflengtebereik tussen 190 en 350 mm. De werkingsgraad bedraagt maximaal 2%. De afvoer van de overtollige warmte gebeurt eveneens door middel van gascirculatie.

Nd:YAG-laser

Nd:YAG-laser zijn vastestof-lasers. Het laseractieve medium is een YAG-kristal, gedoteerd met Nd-ionen. Nd:YAG-lasers werken bij een vaste golflengte van 1,06 µm en kunnen zowel continu als gepulst worden gestuurd. De werkingsgraad bedraagt maximaal 3%; de koppeling van Nd:YAG- en diodelasers bereikt werkingsgraden tot 10%. De overtollige warmte wordt door middel van waterkoeling afgevoerd. Dit lasertype is zowel voor de fijn- als voor de macrobewerking interessant. Zijn straling kan bijna zonder verlies via flexibele vezellichtgeleiders worden geleid en zo voordelig naar de bewerkingsplaats worden geleid.

Hoogrendements-diodelasers

De nieuwste laser voor de materiaalbewerking is de hoogrendements-diodelaser (HRDL) waarvan de vermogenscapaciteiten 4 kW en meer bedragen. Het bijzondere voordeel van de HRDL is de zeer hoge werkingsgraad van meer dan 40%. Met een aanzienlijk geringer bouwvolume, zijn HRDL-apparaten bovendien compacter en daardoor plaatsbesparender dan alle andere lasertypes voor de materiaalbewerking. De voortdurende optimalisatie van de straalkwaliteit ontsluit in toenemende mate het grote toepassingspotentieel: de HRDL-technologie heeft zijn waarde al bewezen bij het kunststoflassen en bij het lasersolderen en harden. Ook bij het warmtegeleidingslassen zijn de goede testresultaten een bewijs voor het vermogen van de laser.

Processen

Materiaalbewerking met lasers

In de laser-materiaalbewerking worden de hoge intensiteit en de bundelingsscherpte van de laserstalen gebruikt voor het snijden, boren, lassen, structureren, merken en oppervlaktebehandelen van de meest uiteenlopende materialen.

Lasersnijden

Het klassieke proces is het lasersnijden. Daarvoor wordt de laserstraal met een lens of een spiegel op of in het te scheiden werkstuk gefocusseerd. Al naar gelang de ingebrachte stralingsenergie smelt, verbrandt of verdampt het materiaal. Een coaxiaal naar de laserstraal geleide gasstroom verwijdert het materiaal uit de snijvoeg. Bij het gebruik van inerte procesgassen spreekt men van laser-smeltsnijden. Het scheiden met zuurstof wordt laser-snijbranden genoemd. Door veranderde parameters zoals laservermogen, aanvoersnelheid, positie van de focus, brandpuntsafstand van de lens, soort en druk van het procesgas kan de bewerking worden geoptimaliseerd. Alle materialen die de laserstraal in voldoende mate absorberen, kunnen worden gesneden.

• Procesgassen: zuurstof 3.5 voor ongelegeerde staalsoorten
• Stikstof 4.8/5.0 voor hooggelegeerde staalsoorten, aluminium en ongelegeerde staalsoorten waarvan de snijvlakken vrij van oxide moeten blijven.

Laserlassen

Het laserlassen is een atmosferisch laserproces. Hiermee is punt- en naadlassen meestal zonder toevoegmateriaal mogelijk. Men onderscheidt warmtegeleidingslassen en keyhole. Bij het warmtegeleidingslassen wordt de laserstraal door middel van warmtegeleiding in het materiaal geleid. Op deze wijze ontstaat een vlakke, brede naad. Het effect van keyholelassen treedt pas bij grotere stralingsintensiteiten op. De laserstraal wordt in het in de lasvoeg geproduceerde plasma in de diepte gereflecteerd en produceert zo een bijzonder diepe lasnaad. Om de naadkwaliteit te waarborgen en de snelheid te verhogen, wordt meestal een inert gas gebruikt. Dit schermt het te lassen materiaal af van de omgevingslucht en heeft bovendien een positief effect op het lasplasma.

Gassen voor het laserlassen

Procesgassen vervullen bij het laserlassen twee belangrijke taken. Ten eerste wordt het plasma in de lasnaad positief beïnvloed, ten tweede beschermen de gassen het te lassen materiaal tegen ongewenste invloeden uit de omgevingslucht. Zeer geschikt hiervoor zijn helium en argon met zuiverheden vanaf 4.6 (99,996 vol. %) en de mengsels daarvan.

Laser-oppervlaktebehandeling

De laser-oppervlaktebehandeling (harden, omsmelten, coaten) is tot nu toe nog weinig bekend. Het harden geschiedt beneden de smelttemperatuur door middel van zelfafschrikking zonder extern koelmedium en wordt op gedeelten van complexe onderdelen toegepast. Het omsmelten vindt boven de smelttemperatuur plaats en wordt met name bij gietmaterialen toegepast. Het coaten geschiedt door het opbrengen van het meestal poederachtig secundair materiaal boven de smelttemperatuur. De slijtvastheid van het te bewerken materiaal kan zo aanzienlijk worden verhoogd.

Laserboren

Met het laserboren kunnen boringen worden uitgevoerd met diameters tussen ongeveer 10 µm en 1 mm. Het proces is interessant voor het vervaardigen van mondstukboringen, koelboringen, olieboringen voor smeerdoeleinden en schuinboringen in luchtgeleidingsvlakken. Ook extreem kleine boordiameters kunnen worden gerealiseerd.

Laserhybride/laser-MIG-lassen

De combinatie van het laserlassen met een ander laserproces wordt hybride lassen genoemd. Er werken dus een laserstraal en een vlamboog gelijktijdig in een laszone en beïnvloeden resp. ondersteunen elkaar. Bij het laserlasproces is de spleetoverbrugging op grond van de kleinere focusdiameter zeer gering, maar er kunnen zeer hoge lassnelheden worden bereikt. Het MIG-lasproces toont een aanzienlijk lagere energiedichtheid, beschikt over een grotere brandpunt op het werkstukoppervlak en wordt gekenmerkt door een goede spleetoverbrugging. Een combinatie van beide processen zorgt voor hoge lassnelheden in een stabiel proces.