Pengelasan Sinar Laser vs. Sinar Elektron:Memilih Proses Optimal untuk Aplikasi Anda

Para pendukung pengelasan sinar laser (LBW) dan pengelasan sinar elektron (EBW) masing-masing memuji teknologi favorit mereka, namun seringkali solusi terbaik bagi pelanggan adalah dengan menggunakan kedua teknologi tersebut secara bersamaan. Kedua proses ini sangat cocok untuk menyambung komponen dengan geometri kompleks, dan mampu memenuhi tuntutan paling ketat terhadap karakteristik metalurgi pada perakitan akhir.

Gambar 1. Sistem Pengelasan Laser Solid-state (Foto milik TRUMPF Inc.)

Penggunaan teknologi laser dan berkas elektron dalam satu fasilitas dapat menyederhanakan proses manufaktur ketika desain komponen menggabungkan beberapa sambungan las yang dirancang secara terpisah untuk satu proses atau lainnya. Contohnya termasuk sensor, perangkat medis, dan produk yang memerlukan gas inert atau vakum untuk disegel dalam bagian jadinya.

Pemrosesan laser diperlukan ketika ukuran rakitan akhir terlalu besar untuk ruang pengelasan EB, beberapa komponen dalam rakitan tidak kompatibel dengan pemrosesan vakum (seperti cairan atau gas), atau ketika lasan tidak dapat diakses oleh sumber berkas elektron. Berkas elektron akan menjadi pilihan utama ketika rakitan yang telah selesai harus disegel dengan komponen internal dalam kondisi vakum, ketika penetrasi las melebihi 1⁄2", ketika material sulit untuk memulai penggandengan laser, atau ketika lasan tidak boleh terkena kondisi atmosfer hingga mencapai suhu yang dapat diterima. Contohnya adalah pengelasan dirgantara titanium dan paduannya, dan banyak logam tahan api seperti tungsten, niobium, renium, dan tantalum.

BBLR – Peralatan yang Lebih Sederhana dan Waktu Siklus yang Lebih Singkat

Sumber energi pengelasan laser memanfaatkan gelombang kontinu (CW) atau keluaran foton berdenyut. Dengan sistem CW, sinar laser selalu menyala selama proses pengelasan. Sistem pulsa dimodulasi untuk mengeluarkan serangkaian pulsa dengan waktu mati di antara pulsa-pulsa tersebut. Dengan kedua metode tersebut, sinar laser difokuskan secara optik pada permukaan benda kerja yang akan dilas. Sinar laser ini dapat dikirimkan langsung ke komponen melalui hard-optik klasik, atau melalui kabel serat optik yang sangat fleksibel yang mampu menyalurkan energi laser ke stasiun kerja yang jauh.

Kepadatan energi laser yang tinggi inilah yang memungkinkan permukaan material dibawa ke suhu likuid dengan cepat, memungkinkan waktu interaksi sinar yang lebih singkat dibandingkan dengan metode pengelasan tradisional seperti GTAW (pengelasan TIG) dan proses serupa. Dengan demikian, energi diberikan lebih sedikit waktu untuk dihamburkan ke bagian dalam benda kerja. Hal ini menghasilkan zona yang terkena panas menjadi lebih sempit dan debit kelelahan pada komponen menjadi lebih sedikit.

Keluaran energi pancaran dapat dikontrol dan dimodulasi secara ketat untuk menghasilkan profil pulsa yang berubah-ubah. Lapisan las dapat dihasilkan dengan tumpang tindih pulsa individual, yang mengurangi masukan panas dengan memperkenalkan siklus pendinginan singkat antar pulsa, suatu keuntungan untuk memproduksi las pada bahan yang sensitif terhadap panas.

Salay Stannard, seorang insinyur material untuk Joining Technologies, inovator East Granby, berbasis CT dalam aplikasi kelongsong laser, berkas elektron, dan pengelasan laser, mencatat bahwa laser CW dapat mencapai penetrasi hingga dan melebihi 0,5 inci, sedangkan laser berdenyut biasanya hanya mencapai 0,030-0,045 inci. Dia mengatakan, “Hasil ini mungkin berbeda antar sistem laser dan sangat bergantung pada pilihan parameter pemrosesan dan desain sambungan.” Gambar 1 menggambarkan konstruksi sistem pengelasan laser solid-state.

Stannard menambahkan, “Karena sumber panas dalam proses pengelasan jenis ini adalah energi cahaya, reflektifitas material las harus dipertimbangkan. Misalnya, emas, perak, tembaga, dan aluminium memerlukan masukan energi yang lebih intensif. Setelah meleleh, reflektifitasnya berkurang dan konduktansi termal dari proses berkembang hingga mencapai penetrasi.”

Sebagaimana disebutkan, kepadatan daya laser yang tinggi menghasilkan zona kecil yang terkena dampak panas dan memastikan komponen penting tidak terluka. Hal ini memiliki keuntungan khusus untuk instrumen bedah, komponen elektronik, rakitan sensor, dan banyak perangkat presisi lainnya. Berbeda dengan EBW, BBLR tidak menghasilkan sinar X apa pun dan mudah dimanipulasi dengan otomatisasi dan robotika. Secara umum, BBLR juga memiliki persyaratan perkakas yang lebih sederhana, dan tidak ada kendala fisik pada ruang vakum. Waktu siklus yang lebih pendek menghasilkan keunggulan biaya tanpa mengorbankan kualitas. Tabel 1 mencantumkan keuntungan BBLR gelombang dan denyut kontinu.

EBW – Penetrasi Las Lebih Dalam dan Bebas Kontaminasi

Diterima secara luas di banyak industri, EBW mengizinkan pengelasan logam tahan api dan logam berbeda yang biasanya tidak cocok untuk metode lain. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, benda kerja dibombardir dengan aliran elektron terfokus yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi. Energi kinetik elektron diubah menjadi energi panas, yang pada gilirannya merupakan kekuatan pendorong fusi. Biasanya tidak diperlukan atau menggunakan bahan pengisi tambahan, dan distorsi pasca pengelasan minimal. Kepadatan energi yang sangat tinggi memungkinkan penetrasi yang dalam dan rasio aspek yang tinggi, sementara lingkungan vakum memastikan pengelasan bebas kontaminasi gas di atmosfer yang penting untuk logam seperti titanium, niobium, logam tahan api, dan paduan super berbasis nikel.

Gambar 2. Pengelasan Berkas Elektron

Namun, kebutuhan utama untuk beroperasi dalam kondisi vakum adalah mengontrol berkas elektron secara tepat. Hamburan terjadi ketika elektron berinteraksi dengan molekul udara; dengan menurunkan tekanan sekitar elektron dapat dikontrol lebih ketat.

Ruang vakum modern dilengkapi dengan segel canggih, sensor vakum, dan sistem pemompaan berkinerja tinggi yang memungkinkan evakuasi cepat. Fitur-fitur ini memungkinkan untuk memfokuskan berkas elektron hingga diameter 0,3 hingga 0,8 milimeter.

Dengan menggabungkan Kontrol Numerik Komputer (CNC) mikroprosesor terbaru dan sistem pemantauan untuk manipulasi komponen yang unggul, komponen dengan berbagai ukuran dan massa dapat digabungkan tanpa melelehkan komponen yang lebih kecil secara berlebihan. Kontrol yang tepat terhadap diameter berkas elektron dan kecepatan perjalanan memungkinkan material dengan ketebalan mulai dari 0,001” hingga beberapa inci untuk digabungkan menjadi satu. Karakteristik ini menjadikan EBW sebagai teknologi yang sangat berharga.

Proses ini menghasilkan sedikit panas pada benda kerja, yang menghasilkan jumlah distorsi sekecil mungkin dan memungkinkan komponen akhir yang dikerjakan disatukan tanpa pemrosesan tambahan. Tabel 2 mencantumkan keuntungan utama pengelasan EB.

Menurut John Rugh, manajer pemasaran dan penjualan umum untuk PTR-Precision Technologies, Inc. yang berbasis di Enfield CT, EBW adalah proses yang akan digunakan dalam waktu lama. “Karena sebagian besar pengelasan EB dilakukan di dalam ruang vakum, maka pengelasan ini sangat cocok untuk menggabungkan material canggih yang digunakan dalam industri seperti ruang angkasa, pembangkit listrik, medis, dan nuklir, yang perlu diproduksi di lingkungan vakum untuk melindunginya dari oksigen dan nitrogen yang ditemukan di lingkungan udara terbuka.”

Dia menambahkan, "Kebersihan lingkungan pengelasan adalah salah satu variabel yang tidak perlu Anda khawatirkan. Selain menyediakan lingkungan pengelasan yang ideal, kontrol pengelasan EB yang baru memungkinkan defleksi sinar elektromagnetik yang cepat, sehingga masukan panas dari area las dan sekitarnya dapat disesuaikan untuk mendapatkan sifat material yang optimal."

Continuous Coaxial Powder Feed Nozzle memungkinkan pelapisan laser multiarah yang memerlukan efisiensi bubuk tinggi. Ia juga menawarkan kemampuan pelindung atmosfer yang sangat baik untuk material yang sangat rentan terhadap oksidasi ekstrem, seperti titanium.

Misalnya, defleksi cepat ini memungkinkan pemanasan awal, pengelasan, dan pasca pemanasan secara bersamaan hanya dengan memindahkan lokasi sinar, fokus, dan tingkat daya secara cepat. Hal ini memberikan kemampuan untuk mengelas paduan yang sulit atau “tidak mungkin untuk dilas”.

Menurut Geoffrey Young, manajer umum Cambridge Vacuum Engineering yang berbasis di Massachusetts, “Suku cadang EBW memerlukan minimal pemesinan pasca pengelasan dan perlakuan panas dan, tidak seperti proses pengelasan fusi lainnya, EBW tidak memerlukan gas pelindung.” Ia menambahkan, “Kualitas las luar biasa, prosesnya sangat efisien (biasanya 95 persen), semua parameter proses dikontrol dengan cermat dan prosesnya sepenuhnya otomatis.”

Yang Terbaik dari Kedua Dunia

Menurut John Rugh, BBLR umumnya digunakan untuk mengelas komponen lembaran logam baja dan komponen mesin dengan ketebalan kurang dari 1/3 hingga 1⁄2 inci. Pengelasan laser juga berguna untuk menyambung bagian-bagian yang tidak cocok untuk diproses di dalam ruang vakum.

“Beberapa bagian dan perlengkapan pengelasan terkait mungkin terlalu besar untuk dimasukkan ke dalam ruang pengelasan EB yang tersedia,” kata Rugh. “Selain ukurannya, jika komponen yang dilas mengandung cairan yang akan mengganggu pemompaan vakum, pengelasan laser akan menjadi pilihan yang baik.” Dibutuhkan waktu beberapa menit untuk mengevakuasi ruang pengelasan EB dan waktu tersebut mungkin tidak sepadan untuk pengelasan yang kurang sensitif.

Jika komponen bernilai tinggi, terbuat dari bahan yang dapat memanfaatkan lingkungan vakum seperti paduan titanium dan nikel, pengelasannya lebih dalam dari 1/3 hingga 1/2 inci atau jika sinar laser mengalami kesulitan dalam menyambung dengan bahan yang sedang dilas, seperti paduan aluminium, pengelasan EB sering kali menjadi proses pilihan dibandingkan pengelasan laser.

Meskipun setiap teknologi memiliki kelebihannya masing-masing, dalam praktiknya, banyak desain komponen yang menggabungkan pengelasan EB dan laser. Dalam kasus ini, melakukan kedua jenis pengelasan di fasilitas yang sama pasti akan menyederhanakan proses produksi.

Artikel ini ditulis oleh John Lucas, Teknisi Pengembangan Proses, Joining Technologies (East Granby, CT). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi John di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya., atau kunjungi http://info.hotims.com/34454-200  .