Kennismaking met elektromagnetisch pulslassen

Een techniek die de voorbije jaren op de nodige aandacht mocht rekenen in verschillende onderzoeksprojecten is het elektromagnetisch pulslassen. Een technologie die vooral potentieel biedt om materialen met een sterk verschillend smeltpunt met elkaar te verbinden. Er komt immers geen warmteontwikkeling aan te pas. Een uitgebreide kennismaking met de voor- en nadelen en de mogelijke toepassingsgebieden.

De industrie heeft een steeds grotere nood aan het verbinden van ongelijksoortige materialen. Een tendens die vooral wordt aangevuurd door de stijgende vraag naar lagere gewichten en extra functionaliteiten. Maar laat dat nou net de achilleshiel zijn van traditionele lastechnieken. De introductie van innovatieve lastechnieken moet hier verandering en meer mogelijk­heden in scheppen. Elektromagnetisch puls­lassen zal misschien bij nog weinig metaal­bedrijven al op de radar zitten. Het gaat immers om een verbindings­techniek die welis­waar nog in in ontwikkeling is, maar waar wel al machines commer­cieel beschik­baar voor zijn. Het onderzoek spitst zich vooral toe op het in kaart brengen van zijn volledige toepassings­gebied. Maar de tippen die nu al van de sluier gelicht werden, lijken alvast uiterst veel­belovend om efficiënter, kwalitatiever en aan een lagere kostprijs ongelijksoortige materialen te verbinden. Bovendien gaat het om een geautomatiseerde techniek.

Elektromagnetisch pulslassen behoort tot de groep van druklasprocessen. Het basisprincipe achter het elektro­magnetisch pulslassen is de ont­wikkeling van elektro­­magnetische vel­den die een enorme kracht ontwikkelen. Maar hoe gaat het nu precies in zijn werk? Elektromagnetisch pulslassen begint met een inductie­spoel die over de te verbinden werk­stukken wordt geplaatst. Belangrijk hierbij is dat de spoel geen contact maakt met de werkstukken. Door de spoel wordt een zeer grote hoeveelheid elektrische energie gestuurd op zeer korte tijd. De getallen hangen in grote mate af van het systeem dat gebruikt wordt, maar ontladingen van 2 miljoen A in 15 à 20 µs behoren tot de typische mogelijkheden. Deze stroomontlading induceert wervel­­stromen in het uit­wendige werkstuk. Beide stromen induceren een magnetisch veld. Deze twee velden gaan elkaar echter tegen­werken, waar­bij een grote kracht­ontwikkeling ontstaat. Die zal ervoor zorgen dat het uitwendige werk­stuk zich met grote snelheid verplaatst in de richting van het inwendige werkstuk. De vervorming die daarmee gepaard gaat is blijvend, zonder dat het werkstuk terugveert. Wie het macrobeeld van de lasdoorsnede na elektromagnetisch pulslassen onder de loep neemt, zal trouwens veel overeenkomsten terugvinden met een verbinding die tot stand kwam door explosielassen.

Om aan elektromagnetisch puls­lassen te doen heeft men volgende zaken nodig: stroom­toevoer (de machines voor elektromagnetisch puls­lassen werken gewoon op 380 V), capa­citeiten, een spoel en een transformator om de frequentie en amplitude van de elektrische stroom­ontlading aan te passen. Hoe de werk­stukken dan precies ver­bonden worden, hangt af van de op­stelling van de spoel en het werk­stuk. Bij buis­vormige stukken kan er, af­hanke­lijk van de op­stelling, een krimp­verbinding ge­maakt wor­den, of een las­verbinding. Bij een las­verbinding wordt er een metaal­binding tot stand gebracht, bij een krimp­verbinding betreft het enkel een mechanische ver­binding, die als nadeel heeft dat deze niet lek­dicht is. Voor plaat­vormige werk­stukken kunnen enkel las­verbindingen gerealiseerd worden. Misschien wel het meest in het oog springende kenmerk aan elektro­magnetisch puls­lassen is dat het een ‘koud’ procedé betreft. Omdat de temperatuur niet hoger stijgt dan 50 °C (en dan enkel waar de wervelstromen en plastische vervorming gebeurt), treedt er bijgevolg ook geen warmte-beïnvloede zone op.  

Verder vraagt het proces noch om bescherm­gassen noch om toevoegmaterialen, noch om andere hulpmaterialen. Een belang­rijke voorwaarde voor de toepassing van elektromagnetisch pulslassen is dat het om elektrisch geleidend materiaal moet gaan. Als dat niet het geval is, zal er te veel energie nodig zijn om vol­doende wervel­stromen op te wekken. Ten tweede zullen de opper­vlakken van de werk­stukken met elkaar moeten overlappen. Veel voorbereiding komt er niet aan te pas. De werkstukken ontvetten volstaat om een goed resultaat te halen.

Elektromagnetisch pulslassen is in de eerste plaats een bijzonder snel proces. In 15 à 20 µs is de klus geklaard en de las gelegd. Dit is enkel de tijd van de puls, er zal wel nog extra tijd nodig zijn voor het inklemmen en ontklemmen. Afhankelijk van de configuratie kan men in de praktijk zo een productiesnelheid realiseren tot 10 stukken per minuut.

Omdat de verbinding niet afhangt van de warmteontwikkeling maakt elektromagnetisch pulslassen het mogelijk om materialen te verbinden met een sterk verschillend smeltpunt. Verbindingen zoals aluminium aan koper of aluminium aan staal of koper aan messing kunnen zo gerealiseerd worden. Bovendien gebeurt dat zonder de conventionele las­problemen die te maken hebben met de warmtecyclus van traditionele lasprocessen. Met andere woorden, er vindt evenmin thermische degradatie plaats, het materiaal verliest zijn eigenschappen dus niet. Wanneer elektromagnetisch pulslassen op de correcte manier gebeurt zal de las altijd sterker zijn dan het zwakste basismateriaal. Testen hebben uitgewezen dat bij beproeving de breuk steeds optreedt buiten de laszone. Een bijkomend voordeel, zeker in deze tijden waarin steeds meer aandacht naar duurzaamheid gaat, is dat er geen warmte, UV-straling, gas of lasrook geproduceerd wordt. Zoals al eerder vermeld, zijn ook beschermgassen toevoegmaterialen of andere hulpmaterialen niet nodig. Elektromagnetisch lassen verdient dus de titel van ecologisch lasprocedé.

Vooral in dit domein is het nog wachten op verder onderzoek om te zien hoe ver het speelveld van elektromagnetisch lassen kan reiken. De eerste ontwikkelingen spitsten zich toe op buisverbindingen van aluminium aan staal, aluminium aan koper, aluminium aan aluminium, koper aan staal en koper aan koper. Hoe hoger de geleidbaarheid van de materialen in kwestie, hoe beter het elektromagnetisch pulslassen zal renderen. Andere combinaties die veelbelovend lijken zijn aluminium aan magnesium, aluminium aan titanium, koper aan brons, nikkel aan titanium, nikkel aan nikkel en staal aan staal. 

Het spreekt voor zich dat er in eerste instantie gekeken wordt naar materialen die zich moeilijk met de klassieke lastechnieken laten verbinden. Elektromagnetisch pulslassen werpt zich daarbij op als een uitstekend alternatief voor brazeren en solderen. Deze techniek geniet nu vaak de voorkeur om koper en aluminium te verbinden, maar is arbeidsintensief en in een hogeloonland als het onze dus duur. Deze verbindingen vindt men bijvoorbeeld terug in verwarmings- en koelelementen en elektrische apparatuur in de transport, witgoed, elektronica en HVAC-sector. Daarnaast volgen ook de lucht- en ruimtevaartsector en de nucleaire sector deze ontwikkelingen op de voet. Hier vinden immers nogal wat hittebestendige materialen toe­passing. Elektromagnetisch pulslassen leent zich voornamelijk voor de productie van niche­producten of grote series. Denk bijvoorbeeld aan componenten voor de airco-industrie, waar koperen buizen, die nu nog gebrazeerd worden aan flenzen in rvs worden verbonden. Andere mogelijke toepassingen zijn druk­vaten voor aircosystemen in personen­wagens of brandstoffilters.   

In samenwerking met het BIL