Wat is bundellassen?

Bundellassen is een verzamelnaam voor lasmethoden waarbij de materialen, die aan elkaar moeten worden verbonden, bestraald worden met een bundel deeltjes zodat een smeltbad ontstaat die bij uitharding een lasverbinding vormt. Er zijn verschillende soorten bundels die kunnen worden gebruikt voor lassen.

Lassen met bundels fotonen
Fotonen zijn lichtdeeltjes. Deze lichtdeeltjes kunnen als ze gebundeld worden een hoge temperatuur creëren op een bepaalde plaats. Een voorbeeld van een lasproces waarmee wordt gewerkt met fotonen is het laserlassen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van geconcentreerd infrarood licht. Dit licht wordt doormiddel van spiegels, lenzen en prisma’s gefocust op een zeer klein oppervlak. Hierdoor ontstaat een laserstraal waarmee een nauwe las kan worden aangebracht die diep in het materiaal doordringt.

Het laserlassen wordt gedaan met een lasrobot, in de praktijk gebruikt men ook vaak een lasmal. Deze lasmal is nodig om de delen die gelast moeten worden goed tegen elkaar te houden. Omdat de las zeer smal is moet er tussen de te lassen delen geen ruimte zijn. De ruimte mag maximaal 0,15 millimeter zijn. Als de ruimte groter is kunnen de twee delen van het werkstuk niet goed in elkaar omsmelten en is de kans groot dat de lasverbinding niet goed wordt.

Lassen met bundels elektronen
Het elektronenbundellassen is een lasproces waarbij men, in plaats van een bundel fotonen, gebruik maakt van een bundel elektronen. Dit lasproces wordt ook wel afgekort met EBW, dit staat voor de Engelse benaming voor dit lasproces: Electron Beam Welding.

Bij elektronenbundellassen wordt gebruik gemaakt van een elektronenkanon. Deze wordt in een ruimte vacuüm gezogen (dit in tegenstelling tot laserlassen waarbij een vacuüm niet nodig is). Het elektronenkanon bestaat uit een niet-afsmeltende negatieve elektrode, deze vormt de kathode. Deze kathode is van zeer hittebestendig materiaal gemaakt zoals wolfraam (net als de toorts die wordt gebruikt voor TIG-lassen). Soms wordt de kathode ook wel van tantaal gemaakt. Op de kathode wordt een hoogspanning aangebracht van 60-200 kV. Deze kathode produceert vrije elektronen.

Deze elektronen bewegen zich richting de holle anode. Vervolgens worden ze door de holte in de anode heen geschoten. Daarbij worden ze versneld en gefocust met behulp van magneetspoelen. Hierdoor ontstaat een bundel elektronen die op een klein gedeelte van het werkstuk wordt gericht. Men kan de elektronenbundel ook op een groter oppervlak richten en zodoende een groter deel van het werkstuk voorverwarmen. Bij sommige lasmethodekwalificaties is dit vereist omdat dit noodzakelijk is voor de dikte of materiaalsoort die gelast moet worden.

Als men de elektronenbundel echter als een smalle geconcentreerde straal op een klein deel van het werkstuk richt wordt er zoveel hitte ingebracht dat het werkstuk plaatselijk gaat smelten, er ontstaat een smeltbad. Als dit smeltbad uithard ontstaat een stevige lasverbinding.

Andere vormen van bundellassen
De bovengenoemde varianten van bundellassen worden op dit moment al veelvuldig gebruikt in de techniek. In theorie zou men ook bundels van andere deeltjes kunnen gebruiken voor het maken van lasverbindingen. Hierbij kan men denken aan protonen of andere ionen. Hiervoor is echter nooit een daadwerkelijk lasapparaat gebouwd. Er is in 1963 wel een patent aangevraagd voor een lasapparaat die met andere deeltjes werkt dan met fotonen en elektronen. Door te lassen met protonen wilde men 1800 maal de energiedichtheid van elektronenbundellassen behalen. Daarnaast was het voor dit nieuwe lasproces niet noodzakelijk om in vacuüm te lassen. Een bundel protonen verstrooid namelijk minder snel dan een bundel elektronen. Misschien dat in de toekomst nog andere vormen van bundellassen worden toegepast.

Waar wordt bundellassen toegepast?
Als men las met een bundel elektronen of een bundel fotonen dan krijg men een lasverbinding van een hele hoge kwaliteit. Zowel laserlassen als elektronenbundellassen wordt gebruikt voor hoogwaardige lasverbindingen. Als men gaat elektronenbundellassen zal men geleidbare materialen moeten lassen. Dit kunnen ferro-metalen en ferro-legeringen zijn, zoals staal dat als hoofdbestandsdeel ijzer heeft. Men kan ook non-ferro metalen en non-ferro-legeringen lassen zoals messing, brons en aluminium. Ook roestvast staal kan men met dit lasproces lassen.

Bij laserlassen kan men ook geleidbare materialen lassen maar dat is niet noodzakelijk. Met laserlassen kan men ook kunststoffen en andere materialen lassen die onder hitte gesmolten kunnen worden en onder een reguliere omgevingstemperatuur kunnen uitharden.

Men gebruikt bundellassen vaak in seriematige processen waarbij hoge kwaliteit noodzakelijk is. Dit kan bijvoorbeeld in de machinebouw zijn of in de vliegtuigindustrie. Ook onderdelen voor de olie- en gasindustrie kunnen doormiddel van bundellassen worden gemaakt.

Wat is elektronenbundellassen en waar wordt dit lasproces toegepast?

Elektronenbundellassen is een uniek lasproces waarbij gebruik wordt gemaakt van een bundel elektronen. Dit lasproces wordt ook wel afgekort met EBW. Deze afkorting staat voor het Engelse Electron Beam Welding. Het EBW lasproces is ontwikkelt in 1958 door de Duitse natuurkundige Karl-Heinz Steigerwald. Hij had in dat jaar de eerste praktische elektronenbundellasmachine ontworpen en gemaakt.

Hoe wordt elektronenbundellassen uitgevoerd?
Net als elk ander lasproces is ook bij elektronenbundellassen energie nodig. Deze energie wordt bij elektronenbundellassen aan het werkstuk toegevoegd door gebruik te maken van een bundel elektronen in een elektronenkanon. In het elektronenkanon wordt een bundel elektronen vrijgemaakt. De elektronen worden gefocusseerd en daarnaast worden ze versneld. De versnelling van de elektronen is enorm en gaat wel tot de helft van de snelheid van licht. De elektronensnelheid is daardoor 150.000 km per seconde. De elektronen worden door het elektronenkanon op het werkstuk gericht. Als voldoende vermogen wordt gebruikt zal het metaal plaatselijk op de smelttemperatuur worden gebracht en gaan smelten. Als er nog meer vermogen wordt toegevoegd kan het metaal zelfs gaan verdampen. Met elektronenbundellassen kunnen temperaturen worden behaald van 25.000 Kelvin.

Met de bundel elektronen wordt het werkstuk in bestookt. Elektronenbundellassen kan alleen in een vacuüm worden gedaan omdat een elektronenbundel in gas snel zal verstrooien. Dit is niet erg praktisch, daarom wordt elektronenbundellassen in de praktijk nauwelijks gebruikt. Voor het elektronenbundellassen zal een ruimte eerst vacuüm moeten worden gezogen.

Een belangrijk voordeel van deze lasmethode is dat de bundel elektronen goed kan worden gestuurd. In het vacuüm is geen zuurstof aanwezig. Hierdoor ontstaat geen nieuwe oxide op het metaal tijdens het lasproces. Daarnaast kan de aanwezige oxide doormiddel van het lasproces worden verdampt. Dit is vooral praktisch bij het lassen van aluminium. Bij aluminium is de oxidehuid namelijk een stevige beschermlaag die harder is dan het aluminium dat onder de oxidehuid aanwezig is.

Elektronenbundellassen is geschikt voor verschillende plaatdiktes. In werkstukken met dikke platen kunnen smalle lassen worden gemaakt met elektronenbundels. Zo kunnen in platen van 150 mm dik lasnaden worden aangebracht met een breedte van 5 mm. Hierbij wordt gebruik gemaakt van keyhole techniek net als bij laserlassen.

Waar wordt elektronenbundellassen voor gebruikt?
Met elektronenbundellassen kunnen hoogwaardige lassen worden gemaakt. Dit is een belangrijk voordeel van dit lasproces. Dit voordeel is in sommige gevallen belangrijker dan de praktische uitvoerbaarheid van het lasproces. Onder andere bij gasturbines en de vliegtuigbouw moeten zeer hoogwaardige lassen worden aangebracht op kritische onderdelen. Dit is ook het geval bij onderdelen zoals tandwielen en assen en verschillende soorten aandrijvingen. Deze werkstukken moeten gelast worden op een zeer nauwkeurig niveau. Daarom is elektronenbundellassen voor deze werkstukken wel interessant ondanks het feit dat een vacuümruimte gerealiseerd moet worden alvorens men gaat lassen.

Elektronenbundellassen is overigens ook geschikt voor het verbinden van verschillende metaalsoorten aan elkaar. Zo kan men met dit lasproces aluminium aan staal lassen en kan men brons ook aan staal lassen. Verder is het mogelijk om met elektronenbundellassen gewoon koolstofstaal aan roestvast staal te lassen.

De keuze voor een bepaald lasproces is beschreven in een lasmethodebeschrijving LMB of een Welding Procedure Specification WPS. Mochten er onduidelijkheden zijn over het gewenste lasproces dan is het verstandig of zelfs verplicht om een expert op lastechnisch gebied in te schakelen. Dit kan bijvoorbeeld een lasbaas zijn, een Middelbaar Lastechnicus MLT of een International Welding Specialist IWT.