Lassen, hardsolderen en diffusieverbinden van 3D-geprinte metalen onderdelen: technische methoden van gelijksoortige metalen tot overgangsverbindingen tussen verschillende materialen

Inleiding: wanneer printafmetingen, materiaal of kosten hun grens bereiken, is verbinden de laatste technische uitweg

Bij projectbeoordelingen voor additive manufacturing duikt bijna wekelijks een bepaald type behoefte op: de contour van een onderdeel overschrijdt de effectieve afmetingen van de bouwkamer, een lokaal gebied vereist materiaaleigenschappen die op één printer niet economisch haalbaar zijn, of de machine-uren voor volledig printen zijn zo hoog geworden dat de klant ze niet meer accepteert. Deze drie situaties hebben gemeen dat ze niet langer met optimalisatie van printparameters kunnen worden opgelost, maar dat het antwoord moet worden gezocht in een combinatie van fabricageprocessen. Lassen, hardsolderen en diffusieverbinden vormen precies die groep processen die bij de overgang van monolithisch vormen naar gecombineerde productie steeds opnieuw worden gebruikt, maar tegelijk het gemakkelijkst worden onderschat.

Een reëel technisch scenario is het volgende: een vloeistofverdeelmanifold heeft buitenafmetingen van 780 mm × 420 mm, groter dan het bouwvlak van circa 400 mm van gangbare laser-poederbedfusiesystemen. Tegelijk hebben slechts twee flensaansluitingen hoge sterkte nodig, terwijl de rest van de behuizing alleen druk- en corrosiebestendig hoeft te zijn. Volledig printen zou een grote machine vereisen en bijna duizend machine-uren kosten; segmenteren en vervolgens lassen brengt de kosten terug tot minder dan een derde. De kern van zo’n beslissing is niet of het gelast kan worden, maar of de verbinding daarna drukproeven, inspecties en gebruiksvalidatie kan doorstaan.

1. Waarom 3D-geprinte onderdelen niet simpelweg met traditionele lasprocessen kunnen worden behandeld

Geprinte onderdelen behandelen als gewone smeed- of gietstukken is een van de meest voorkomende fouten op de werkvloer. Het basismateriaal van additief vervaardigde onderdelen heeft drie kenmerken die afwijken van conventionele materialen: er is een zekere hoeveelheid porositeit en bindingsfouten aanwezig, de microstructuur vertoont duidelijke anisotropie en laagkenmerken, en na het vormen blijven relatief hoge restspanningen achter. Deze kenmerken worden versterkt door de thermische cyclus tijdens het lassen.

Porositeit is het meest directe probleem. De relatieve dichtheid van laser-poederbedfusieonderdelen ligt vóór heet isostatisch persen doorgaans tussen 99,5% en 99,9%. De resterende microholtes kunnen bij de hoge temperatuur van het smeltbad tijdens boog- of laserlassen uitzetten en samenklonteren, waardoor porieketens langs de smeltlijn ontstaan. In de praktijk wordt voor het basismateriaal binnen 10 mm rond de laszone meestal geëist dat het eerst door heet isostatisch persen wordt verdicht, of dat tijdens de proceskwalificatie met industriële CT wordt bevestigd dat de porositeit in dat gebied lager is dan 0,2%. Als deze stap wordt overgeslagen, daalt het percentage verbindingen dat bij radiografisch onderzoek in één keer wordt goedgekeurd vaak van meer dan 90% tot minder dan 60%.

Anisotropie beïnvloedt het vervormingsgedrag van de verbinding. De thermische uitzettingscoëfficiënt en vloeigrens verschillen tussen de printrichting, de Z-richting, en de dwarsrichting. Door ongelijkmatige verhitting tijdens het lassen ontstaat asymmetrische krimp, waardoor flensvlakken hoekvervormingen buiten tolerantie kunnen vertonen. Een gebruikelijke aanpak is het symmetrisch aanbrengen van lasrupsen, segmentgewijs teruglassen en het vooraf opnemen van tegenvervorming in de opspanning.

2. Procesfamilies: toepassingsgrenzen van smeltlassen, hardsolderen en vastefaseverbinden

Wanneer deze drie procesgroepen in één beslissingsmatrix worden geplaatst, zijn de belangrijkste criteria de vereiste verbindingssterkte, de metallurgische compatibiliteit van de basismaterialen en de toegestane warmte-inbreng.

Smeltlassen, zoals TIG, MIG, laserlassen en elektronenbundellassen, berust op het gezamenlijk smelten van basismateriaal en toevoegmateriaal, waardoor een gemeenschappelijke korrelstructuur ontstaat. De verbindingssterkte kan dicht bij die van het basismateriaal liggen, waardoor het geschikt is voor dragende constructies en drukvatonderdelen. De keerzijde is een grote warmtebeïnvloede zone, duidelijke vervorming en hoge eisen aan de lasbaarheid van het basismateriaal. Voor geprinte 316L-roestvaststalen onderdelen kan TIG-lassen met ER316L-lasdraad, bij een warmte-inbreng van 0,8 tot 1,2 kJ/mm per laag en een tussenlaagtemperatuur van maximaal 150 °C, doorgaans een treksterkte bereiken van meer dan 90% van die van het basismateriaal.

Hardsolderen gebruikt een toevoegmetaal met een lager smeltpunt dan het basismateriaal, dat door capillaire werking de spleet vult. Het basismateriaal zelf smelt niet, waardoor de thermische invloed zeer klein is. Dit is geschikt voor precisieonderdelen, dunwandige onderdelen en combinaties van verschillende materialen. Zilverbasissoldeer, zoals de BAg-reeks, wordt verwerkt bij 600 tot 800 °C; vacuümhardsolderen of hardsolderen onder beschermende atmosfeer voorkomt oxidatie. De beperking is dat de verbindingssterkte wordt bepaald door de sterkte van het soldeer en de spleetbreedte. De hoogste sterkte wordt bereikt bij een soldeerspleet van 0,05 tot 0,15 mm; bij grotere spleten neemt de sterkte snel af. Daarom moeten passingstoleranties bij het ontwerp van soldeerverbindingen expliciet worden gespecificeerd.

Diffusieverbinden en vastefaseverbinden, zoals diffusielassen en wrijvingsroerlassen, liggen tussen deze twee in. Bij diffusieverbinden wordt in vacuüm of onder inert gas druk uitgeoefend en wordt het onderdeel op 0,5 tot 0,7 maal de smelttemperatuur gehouden. Door atoomdiffusie ontstaat een verbinding zonder soldeer, vrijwel zonder warmtebeïnvloede zone. Dit is een voorkeursoplossing voor geprinte onderdelen van titaniumlegeringen en superlegeringen. Typische parameters zijn 900 tot 950 °C, een druk van 5 tot 10 MPa en een houdtijd van 60 tot 120 minuten.

3. Belangrijke procespunten bij het verbinden van gelijksoortige metalen

Neem als voorbeeld de veelgebruikte titaniumlegering Ti6Al4V. Vóór het lassen moeten drie voorbereidingen worden voltooid. Ten eerste oppervlaktereiniging: halfgesmolten deeltjes en oxidelagen op het geprinte oppervlak moeten in de laszone door mechanisch slijpen of chemisch frezen worden verwijderd totdat een metaalglans zichtbaar is; het reinigingsgebied moet meer dan 15 mm voorbij de rand van de lasnaadvoorbereiding reiken. Ten tweede de lasnaadvorm: bij plaatdiktes boven 6 mm wordt een V- of X-naad aanbevolen, met een stompe kant van 1 tot 2 mm om volledige doorlassing van de wortel te waarborgen. Ten derde gasbescherming: titaniumlegeringen nemen boven 400 °C sterk zuurstof, stikstof en waterstof op. De las en warmtebeïnvloede zone moeten aan beide zijden worden beschermd met argon met een zuiverheid van minimaal 99,999%, en de hete zone moet met een sleepkap worden beschermd totdat deze onder 400 °C is afgekoeld. Een zilverwitte of lichtgele laskleur is acceptabel; blauw of grijs duidt op te sterke oxidatie, waarna de las moet worden uitgeslepen en opnieuw gelast.

Bij geprinte aluminiumlegeringen ligt de moeilijkheid vooral in waterstofporiën. AlSi10Mg bevat van zichzelf veel silicium en het smeltbad heeft tijdens het lassen een sterke neiging om waterstof op te nemen. Daarom moet het basismateriaal vóór het lassen op 120 tot 150 °C worden voorverwarmd om vocht te verwijderen, moet ER4043-lasdraad worden gebruikt om de gevoeligheid voor warmscheuren te verminderen, en moet het dauwpunt van het beschermgas strikt onder -40 °C worden gehouden.

4. Overgangsverbindingen tussen verschillende materialen: van staal-aluminium tot koper-roestvast staal

Het verbinden van geprinte onderdelen met conventioneel vervaardigde onderdelen is een van de snelst groeiende behoeften sinds additive manufacturing in technische toepassingen wordt ingezet. De kernuitdaging is metallurgische incompatibiliteit: direct smeltlassen van staal en aluminium vormt een brosse intermetallische laag. Wanneer die laag dikker wordt dan 10 μm, heeft de verbinding vrijwel geen ductiliteit meer.

De gangbare technische oplossing is het gebruik van een overgangsverbinding. Eerst wordt aan de staalzijde een met aluminium compatibel metaal, zoals zuiver aluminium of een aluminium-siliciumlegering, opgelast of explosief geclad. Vervolgens wordt aan de aluminiumzijde op de overgangslaag gesoldeerd of gelast, zodat de brosse verbindingen beperkt blijven tot het composietgrensvlak en niet in de las zelf terechtkomen. Voor combinaties van koper en roestvast staal wordt meestal een nikkelbasistoevoegmateriaal gebruikt, of wordt de koperzijde vooraf met nikkel bekleed om indringingsscheuren door koper langs de korrelgrenzen van het staal te onderdrukken.

Een nog robuustere benadering is het vermijden van smeltlassen: ontwerp tussen de verschillende materialen een hybride verbinding met mechanische bevestiging en een hardsoldeerafdichting. De mechanische structuur draagt de belasting, terwijl de soldeerlaag alleen afdicht. Dit ontwerp ontkoppelt het metallurgische risico van de dragende functie en wordt veel toegepast bij buisaansluitingen van drukvaten. De prijs is een iets zwaardere constructie en meer assemblagestappen.

5. Kwaliteitsvalidatie en vrijgavecriteria voor verbindingen

Las- en hardsoldeerverbindingen mogen niet uitsluitend op uiterlijk worden vrijgegeven. Een volledige validatie moet vier niveaus omvatten: uiterlijk en maatvoering, zoals lasoverhoogte, hoekvervorming en vullingsgraad van de soldeernaad; niet-destructief onderzoek, waarbij smeltlasverbindingen radiografisch of ultrasoon worden onderzocht en hardsoldeerverbindingen vooral met ultrasoon onderzoek en dichtheidstests worden beoordeeld, terwijl voor laszones in geprinte onderdelen aanvullend industriële CT wordt aanbevolen om porieconcentraties te controleren; mechanische validatie, met trek-, buig- en kerfslagproeven op proceskwalificatieplaten uit dezelfde batch; en gebruiksvalidatie, met een hydrostatische drukproef op 1,5 maal de werkdruk en een houdtijd van minimaal 30 minuten.

Proceskwalificatie moet vóór serieproductie worden uitgevoerd en worden vastgelegd in een gedocumenteerde lasprocedure, waarin stroom, spanning, warmte-inbreng, tussenlaagtemperatuur, beschermgasdebiet en warmtebehandelingscurve na het lassen zijn gefixeerd. Zonder deze stap is elke las opnieuw een onzeker experiment, en zullen de kosten van herstelwerk snel het tijdsvoordeel opslokken dat additive manufacturing juist oplevert.

6. Ontwerpadvies voor verbindingen in additive manufacturing

Het is beter om verbindingen al in de ontwerpfase mee te nemen dan ze later procesmatig te moeten herstellen. Drie concrete aanbevelingen: plaats lasnaden in zones met lage spanning en vermijd doorsnedeveranderingen en vermoeiingsgevoelige locaties; vorm positioneertreden voor het lassen en soldeergroeven direct mee op het geprinte onderdeel, zodat de uitlijningstijd bij assemblage wordt verkort en de spleetbreedte consistent blijft; en vermeld expliciet of na het lassen spanningsarm gloeien nodig is. Voor titaniumlegeringen gebeurt dit meestal bij 600 tot 700 °C gedurende 1 tot 2 uur, terwijl voor aluminiumlegeringen vaak laagtemperatuurgloeien bij 250 tot 300 °C wordt toegepast. Verkeerde parameters leiden direct tot maatoverschrijdingen of prestatieverlies.

Conclusie

Lassen, hardsolderen en diffusieverbinden zijn geen vervangers van additive manufacturing, maar technische middelen om additive manufacturing te bevrijden van de afmetingsgrenzen van één machine. De keuze voor een proces hangt af van de vereiste verbindingssterkte, de metallurgische compatibiliteit van het basismateriaal en de toegestane warmte-inbreng. Of de verbinding stabiel aan de eisen voldoet, wordt bepaald door de verdichtingsstaat van het basismateriaal, de kwaliteit van de oppervlaktereiniging, de gasbescherming en de volledigheid van de proceskwalificatie. Als deze randvoorwaarden vooraf goed worden geborgd, kan gecombineerde productie zowel de geometrische vrijheid van additive manufacturing benutten als de ondergrens van structurele betrouwbaarheid bewaken.