Laser-kuumennus. Janne Komi Petteri Mustonen

Transkriptio

1 Laser-kuumennus Janne Komi Petteri Mustonen

2 2 SISÄLLYS Johdanto... 3 Laser... 3 Sovelluskohteita Laserhitsaus Laserleikkaus Kirurgia Sotilaskäyttö Elektroniikkateollisuus Yhteenveto... 8 LÄHTEET... 9

3 3 1. JOHDANTO Tässä raportissa tutustutaan Laserin ominaisuuksiin ja sen eri sovelluskohteisiin. Sovelluskohteet on rajattu Laserin lämpövaikutuksiin perustuviin tekniikoihin, jolloin on rajattu raportin ulkopuolelle esimerkiksi tutkimuslaitteistoissa käytetyn Laser-sironnan sovelluksia. Laserin sovelluskohteita on tarkasteltu erityisesti metalliteollisuuden alueelta, jossa Laseria käytetään metalliteollisuudessa esimerkiksi leikkaamiseen ja hitsaamiseen. Muita Laserin käyttökohteita ovat kirurgia, sotilaskäyttö ja elektroniikkateollisuuden käyttökohteet. Laserin toiminta ja teoria sen takana käydään läpi vain lyhyessä mittakaavassa, koska tämän raportin tarkoituksena on lähinnä tarkastella erilaisia sovelluskohteita Laserkuumennukselle. 2. LASER Laser (Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation) on laite, joka tuottaa koherenttia yhdensuuntaista valoa. Kaikki valoaallot ovat siis saman pituisia ja värähtelevät yhdensuuntaisesti sekä samalla taajuudella. Laserin tuottamiseen tarvitaan niin sanottu stimuloitu emissio, eli ketjureaktio jossa fotoni kohtaa virittyneen elektronin pudottaen tämän alemmalle energiatasolle synnyttäen samalla uuden fotonin. Uusi fotoni vastaa taajuudeltaan, energialtaan, suunnaltaan ja vaiheeltaan stimuloinutta fotonia, joten syntyy koherenttia valoa. Laserin tuottamiseen käytetään esimerkiksi resonaattoriputkea, joka koostuu aktiivisesta laseroivasta väliaineesta, peilistä ja puoliläpäisevästä peilistä. Lisäksi väliaineeseen täytyy syöttää eli pumpata energiaa. Käytetty väliaine vaikuttaa syntyneen lasersäteen ominaisuuksiin kuten aallonpituuteen. Yksinkertaisen laserin osat on esitetty kuvassa 1.

4 4 Kuva 1. Yksinkertainen laserin periaatekuva. 1. laseroiva väliaine, 2. ulkopuolelta syötettävä energia, 3. peili, 4. puoliläpäisevä peili, 5. lasersäde (Tatoute, ei pvm) 3. SOVELLUSKOHTEITA Laserkuumennuksen tärkeimmät teollisuuden sovelluskohteet liittyvät hitsaamiseen ja leikkaamiseen. Tämä johtuu laserin korkeasta tehotiheydestä ja tehon hyvästä kohdistettavuudesta pienellekin alueelle. Sen investointi- ja käyttökustannukset ovat kuitenkin suuret, joten laseria käytetään yleensä tehtävissä joihin muut kuumennusmenetelmät eivät sovellu. Kuvassa 2 nähdään käytettyjen Laser-tekniikoiden sijoittuminen eri tehoalueille ja Laserlaitteistoille.

5 5 Kuva 2 Laserin käyttökohteet erilaisille laitteistotyypeille ja niiden tehoalueet. (Suoranta, 2014) 3.1 Laserhitsaus Laserhitsauksessa lasersäde kohdistetaan työkappaleen pintaan materiaalin sulattamiseksi tai höyrystämiseksi tavoitteena liittää kappaleita yhteen. Muihin hitsausmenetelmiin verrattuna laserhitsauksessa hitsiin tuodaan lämpöä ainoastaan murto-osa esimerkiksi TIG- tai MIG-hitsaukseen verrattuna, joten kappaleeseen aiheutuvat muodonmuutokset ja materiaalin rakennemuutokset ovat vähäisiä. On myös mahdollista hitsata levy toispuoleisesti siten, että vastakkaisen puolen pintakäsittely ei vaurioidu. Tämä on mahdollista, koska Laserhitsauksessa voidaan määrittää hitsin tunkeuma hyvinkin tarkasti. Hitsauslaserin tehot ovat yleensä 0,5-30 kw välillä. Laserhitsauksessa tarvitaan suojakaasua, yleisimmin käytössä ovat argon, helium tai näiden seokset. Metallien laserhitsauksessa käytetään yleensä kahta eri prosessia: syvätunkeumahitsausta eli avaimenreikähitsausta sekä sulattavaa laserhitsausta. Laserin tehotiheys kappaleen pinnalla määrittelee sen, kumpi prosessi on kyseessä. Esimerkiksi teräksen hitsauksessa vaaditaan noin 10 kw/mm^2 tehotiheys avaimenreiän syntymiseen, joten tämän tehotiheuden alapuolella tapahtuva hitsaus on sulattavaa laserhitsausta.

6 6 Syvätunkeumahitsauksessa hitsattava materiaali höyrystyy ja laajenee voimakkaasti muodostaen sylinterimäisen raon, niin kutsutun avaimenreiän. Lopputuloksena on syvä ja kapea hitsaussauma. Sulattavassa hitsauksessa taas laserin teho ei riitä höyrystämään materiaalia, vaan se ainoastaan sulaa. Lopputuloksena on leveä ja matala hitsaussauma. 3.2 Laserleikkaus Laserleikkauksen toimintaperiaate on miltei samanlainen kuin hitsauksessa. Eli lasersäde kohdennetaan linssin avulla ja säteen kanssa samasta aukosta syötetään kaasua. Kaasun tehtävänä on puhaltaa sula materiaali pois leikkaussaumasta, jolloin saadaan aikaan leikkaus. Tämä periaate nähdään kuvasta 3. Laserleikkaus on tehokas tapa leikata ohuita levymäisiä kappaleita. Ohuimpien levyjen leikkaamisessa leikkausnopeus on todella hyvä. Esimerkiksi 1 mm paksuisen teräslevyn leikkausnopeus on jopa 50 m/min (vrt. plasma 25 m/min ja 1 m/min poltto). Kuvassa 4 nähdään laserin kustannustehokas toiminta-alue verrattuna muihin leikkausmenetelmiin. Kuva 3 Yksinkertaistettu laserleikkurin rakenne. (Suoranta, ei pvm)

7 7 Kuva 4 Taloudellisesti järkevät toiminta-alueet eri leikkausmenetelmille. Paksuudet on ilmoitettu millimetreinä. (Suoranta, ei pvm) 3.3 Kirurgia Laseria pystytään käyttämään useisiin erilaisiin kirurgisiin toimenpiteisiin. Tällaisia ovat silmäkirurgia, kasvainten tuhoaminen, verisuonitukosten tuhoaminen ja myös kudoksen leikkaaminen. 3.4 Sotilaskäyttö Laserilla on myös lukuisia sotilassovelluksia. Laserlämmitykseen lähiten liittyvänä sovelluskohteena sitä voidaan käyttää suoraan energia-aseena torjumaan ohjushyökkäyksiä. Suurin osa muista laserin sotilassovelluksista liittyy sen optisiin ominaisuuksiin. 3.5 Elektroniikkateollisuus Modernien tietokoneen kiintolevyjen entistä suurempi tallennustiheys on vaatinut uusien tekniikoiden kehittämistä tiheyden kasvattamiseen. Eräs tekniikka on niin kutsuttu lämpöavusteinen tallennus (heat-assisted magnetic recording), jossa lämmitetään lasersäteellä

8 8 levyn pintaa sopivista kohdista. Pinnan ollessa kuuma voidaan levyn magneettisen materiaalin sähkövarausta muuttaa normaalia pienemmällä sähkökentällä, eli tarkkuus paranee. (Kryder, et al., 2008) 4. YHTEENVETO Laserin käyttökohteet lämpötekniikkana liittyvät suurelta osin leikkaamiseen ja hitsaamiseen. Näissä käyttökohteissa sen tarkkuus ja tehotiheys on ylitse muiden lämpötekniikoiden. Ohuiden levyjen leikkaamiseen Laser soveltuu todella hyvin, koska leikkausnopeudet ovat suuria. Kuitenkin Laserin käyttöä rajoittavat laitteistojen korkeat hinnat, huonot hyötysuhteet, suhteellisen pieni leikkaussyvyys ja pienehkö teho.

9 9 LÄHTEET Kryder, M. H. ym., Heat Assisted Magnetic Recording. Proceedings of the IEEE, Osa/vuosikerta 96, pp Suoranta, R., Sädeprosessit. s.l.:s.n. Suoranta, R., ei pvm Liitos/hitsityyppejä. s.l.:s.n. Tatoute, W. u., ei pvm [Online] Available at:

10 APPENDIX II