BIL/NIL Lassymposium Lassen met fiber laser Jo Verwimp Onderzoeker LCV Jo.verwimp@vito.be 014 33 56 09 Antwerpen, 19 oktober 2011
Vito LCV LaserCentrum Vlaanderen 2
Vito s Lasercentrum Vlaanderen - LCV Opgericht in 1998 binnen Vito Materiaaltechnologie Werking van LCV: Toegepast industrieel contractonderzoek en haalbaarheidsstudies Technologische adviseerdienst Eigen strategisch onderzoek (Inter)nationale samenwerking Demonstratiecentrum Laserlassen van materialen: metalen & plastics Oppervlaktebehandelingen: harden & cladden Additief vormgeven Samenwerking met bedrijven kan bilateraal, maar vaak subsidie- mogelijkheden 11 lasers voor materiaalbewerking 100W tot 20kW Randapparatuur Team van deskundigen: -Materiaalkundigen -Lasingenieurs -Ervaren technici -Analyse labo 3
Laserinfrastructuur @ Vito CO 2 lasers Nd:YAG Lasers Diode Lasers Fiber laser 6 kw CO 2 -laser met CNC-tafel (1,25 m x 1,25 m) en rotatie-as 20 kw CO 2 -laser met CNC-tafel (3 m x 1,5 m) en 3D-manipulatie systeem Nd-glas laser (puls energie 30 J) 100 W gepulste Nd-YAG laser microlassen en herstellingen 150 W gepulste Nd-YAG laser met CNCgecontroleerde XY-tafel en rotatie-as 400 W gepulste Nd-YAG laser met CNCgecontroleerde XY-tafel en rotatie-as 3 kw diode laser Laserline met optische fiber en robot manipulatie 3kW diode laser Dilas 150 W diode laser Poedertoevoer (Metco, Medicoat) 7kW fiber laser Vnl. additive manufacturing Multi-inzetbaar (lassen, cladden, snijden, harden, ) Met hoge betrouwbaarheid en zeer goede bundelkwaliteit 4.4 kw diode gepompte Nd:YAG laser met fiber en robot manipulatie 4
Randapparatuur & ondersteuning Procesmonitoring Laser- & Bundel karakteristieken Procescontrole Materiaalanalyse High Speed Camera NAC MEMRECAM Tot 210.000 beelden/sec In kaart brengen van laserprocessen (hybride lassen, lasercladden, ) PRIMES beam analyser Ophir laser vermogen metingen Energieverdeling bepaalt mee de kwaliteit van een proces Adaptieve temperatuurcontroles Interne+ externe pyrometer Laser harden & laser plastic lassen Mechanische testen: trekproeven, vermoeiingstesten, druk- en buigtesten, hardheidsmetingen Microstructuur: XRD, SEM, XPS Slijtagetesten: adhesie, abrasie, krastesten Oppervlakteeigenschappen: ruwheid, opp. energie, samenstelling, 5
VITO activiteiten in laserbewerken Laserlassen Laserharden Fijnbewerken Laser cladding Metalen (staal, RVS, Al, Ti, ) Thermoplastics Hybride processen Snel en stabiel proces Flexibel Automatiseerbaar Vele materialen Non-contact Lokale slijtagereductie Geen quenching medium Hardbaar staal Beperkte warmteinbreng Weinig vervorming Fijnsnijden, microlassen en precisieboren Diverse materialen Hoge snelheden met goede snede- en laskwaliteit Smalle snede Hoge precisie en accuraatheid Herstellen van beschadigde componenten Aanbrengen van lokale coating voor corrosie- en slijtagereductie Lokale coating Sterke metallische binding Minimale opmenging Beperkte warmte-inbreng 6
Fiber Laser 7
Principe van de laser werking LASER = acroniem Light Amplification by Stimulated Emission Radiation 8
Vaste stof lasers: Nd:YAG, schijf, fiber en diode Fiber laser = vaste stof laser, in tegenstelling tot CO 2 = gaslaser Dus geen gasverbruik en bundeltransport dmv glasvezel Vroeger: Nd:YAG lamp gepompt eindspiegel Flitslamp of diode Nd-YAG staaf uitkoppelspiegel resonator ingangsoptiek uitgangsoptiek glasvezel werkstuk 9
Opbouw van de fiber laser Nu: fiber laser diode gepompt Actief medium = Yb, naar een hoger energetisch niveau brengen Yb is aanwezig als dopering in glasvezel Pompmechanisme = diodes 10
Verschillen fiber tov klassieke lasers Golflengte (1070 nm) 10 x korter dan CO 2 betere absorptie Flexibel (glasvezel uitkoppeling) 1 laser kan tot 6 machines voeden Bundelkwaliteit (M²) Bundeltransport in glasvezel 200 µm (600 Nd:YAG) Remote toepassingen (door hoge energiedichtheid) 11
Verschillen fiber tov klassieke lasers Energie\kostenbesparing Elektrisch rendement 30% Lager verbruik koeler Zeer laag stand-by verbruik Geen gasverbruik (cfr CO 2 laser) Onderhoud: bijna geen bewegende onderdelen (cfr CO 2 laser) Klein vloeroppervlak (compacte lasers) Bron: LAC 4 kw Nd:YAG 4 kw CO 2 4 kw fiber Compacte 7 kw fiber laser 12
Verschillen fiber tov klassieke lasers Energie\werkingskosten 4kW fiber tov 4kW CO 2 Elektrisch verbruik Bron: EMAG Werkingskosten 13
Verschillen fiber tov klassieke lasers Performantie Snijden\lassen veel sneller ivm klassieke lasers Dus korte bewerkingstijden (kosten besparend) Vermogen onbeperkt modulair opbouwbaar Bron: IWS Modulaire opbouw fiber laser 14
Aandachtspunten fiber laser Snijden\lassen via glasvezel: laserspot is constant over het hele werkbereik van de machine (cfr CO 2 laser) en bundel transporteerbaar over grote afstanden (50 m) Door gebruik van beam switch, laser gebruiken op meerdere machines Voorbeeld: glasvezel 200 µm (snijden), 400 µm (lassen) en 600 µm (cladden) Door de combinatie van korte golflengte en zeer goede straalkwaliteit kunnen eveneens reflectieve materialen bewerkt worden (bv koper, messing, ) Laser veiligheid: gevaar voor inbranden op netvlies!! Afkasting van de machine is essentiëel voor veiligheid Menselijk oog 15
Lassen met fiber laser 16
Principe van laserlassen met fiber laser Bron: vereniging FME-CWM Zeer hoge energiedichtheid (tot 10 9 W/cm 2 ) Zeer geringe warmte-inbreng Minimale vervorming Hoge bewerkingsssnelheden Geen toevoegmateriaal noodzakelijk 17
Laserlassen met fiber laser: lasgas Bron: Rofin CO 2 laser: laag vermogen Ar of N 2, hoog vermogen: He Onderdrukken laserplasma Fiber laser: perslucht voor wegblazen metaaldamp Voorkomen Mie-scattering (botsing laser met metaaldampdeeltjes) Eventueel Ar voor gasafscherming 18
Laserlassen met fiber laser: lasparameters Focuspositie in het werkstuk Grotere spot, stabieler proces Afhankelijk van snelheid, vermogen, materiaal, Staal 20 mm 12KW 1m/min Laserbundel onder hoek: stekend (spatten) Hoek tussen 5 en 15 Afhankelijk van snelheid, vermogen, materiaal, 19
Laserlassen met fiber laser: lasparameters Lassnelheid Hoge snelheid geeft stabieler proces Afhankelijk van snelheid, vermogen, materiaal, Alu 5mm - 4 m/min 4 kw vermogen Alu 5mm - 6 m/min 7 kw vermogen 20
Laserlassen met fiber laser: lasparameters 5 m/min Lassnelheid 7 m/min 21
Toepassingen 22
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Roestvast staal Bron: IPG 23
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Staal 24
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Transmissie-onderdeel: staal Bron: EMAG 25
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Lassen zaagblad met fiber laser Bron: Bron: EMAG 26
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Austenitisch roestvast staal: 5 mm Fiber laser 5kW, 3.5 m/min (argon) CO 2 laser 5kW, 3.5 m/min (helium) 27
Toepassingen van laserlassen met fiber laser Reflectieve materialen Fiber laser 8kW, 1.5 m/min Fiber laser 7kW, 6 m/min Cu, materiaaldikte 10 mm Alu (6XXX), materiaaldikte 5 mm 28
Besluiten 29
Besluiten Elektrisch rendement fiber laser is veel hoger dan bij klassieke lasers (30% tov 10%) Werkingskosten fiber laser merkelijk lager (geen gasverbruik, minder elektriciteit, minder koeling, lager onderhoud, ) Door de combinatie van korte golflengte en zeer goede straalkwaliteit kunnen eveneens reflectieve materialen bewerkt worden De performantie (snijden en lassen) van de fiber laser is merkelijk hoger in vergelijking met de klassieke lasers Het procesventer van de lasparameters is kleiner in vergelijking met de klassieke laser, d.w.z. meer testen zijn noodzakelijk om tot een goed resultaat te komen Laser veiligheid: gevaar voor inbranden op netvlies!! 30
Vragen? 31