Laser- ja hybridihitsauksen käyttökohteet. TAKEOFF! -seminaari Savonia-ammattikorkeakoulu, Kuopio, Ilkka Lappalainen, Ionix Oy

Transkriptio

1 Laser- ja hybridihitsauksen käyttökohteet TAKEOFF! -seminaari Savonia-ammattikorkeakoulu, Kuopio, Ilkka Lappalainen, Ionix Oy

2 LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET Sisältö 1. Työstölaserin periaate 2. Laserhitsauksen periaate ja sovellusesimerkkejä 3. Laserhitsauksen kustannukset 4. Laserhitsauksen edut 5. Laserhitsauksen rajoitukset 6. Johtopäätökset Copyright Ionix Oy All rights reserved. 2

4 TYÖSTÖLASER Tavallinen valo vs. laservalo TAVALLINEN VALO Säteilee satunnaisesti joka suuntaan Useita aallonpituuksia (eli värejä) Erivaiheista Huono fokusoitavuus LASERVALO Yhdensuuntaista Samaa aallonpituutta Samanvaiheista Erinomainen fokusoitavuus Copyright Ionix Oy All rights reserved. 4

9 LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET LASERPROSESSIT Erottavat Poistavat Liittävät Lisäävät Muokkaavat Leikkaus Poraus Hitsaus Pinnoittaminen Karkaisu Kaiverrus Juotto Stereolitografia Taivutus Laservalaminen Sulatus Sintraus Värinmuutos Copyright Ionix Oy All rights reserved. 9

13 Sulattava laserhitsaus Työstösuunta lasersäde hitsi sula lasersäde hitsi sula Lappalainen, 2010 Lasersäde sulattaa materiaalin pinnan ja lämpö siirtyy kappaleen sisään sekoittumalla ja johtumalla. Hitsin leveys on tyypillisesti tunkeumaa suurempi. Lappalainen, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 13

19 Syvätunkeumalaserhitsaus Työstösuunta lasersäde metallihöyry/plasma avaimenreikä hitsi sula hitsi sula lasersäde avaimenreikä Lappalainen, 2010 Tehotiheyden kappaleen pinnalla ylittäessä 10 kw/mm 2, materiaali alkaa höyrystyä ja lasersäde tunkeutuu kappaleen sisään muodostaen ns. avaimenreiän. Lappalainen, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 19

20 LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET Avaimenreiän ja hitsisulan koko eri hitsausnopeuksilla (seostamaton teräs, t=1 mm, P=12 kw) Luleå Tekniska Universitet Copyright Ionix Oy All rights reserved. 20

21 Tunkeuma [mm] LASERHITSAUS Tunkeuma vs. hitsausnopeus 30,0 25,0 20,0 15,0 KARKEA PEUKALOSÄÄNTÖ TERÄKSILLE: 1 m/min hitsausnopeudella jokaista 1,5 tunkeumamillimetriä kohden tarvitaan 1 kw lasertehoa. 2 kw 4 kw 6 kw 8 kw 10 kw 12 kw 15 kw 20 kw 10,0 Kuitulaser, d=0,4 mm Ruostumaton teräs, ,0 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 Hitsausnopeus [m/min] IPG Laser Copyright Ionix Oy All rights reserved. 21

27 Eripariliitokset Laserhitsaus tyypillisesti helpompaa kuin muilla sulahitsausmenetelmillä: Nopea lämpösykli Kapea hitsi Säteen kohdistuksella voidaan säädellä seostumista RST+Cu Teräs+RST Cu (0,1 mm) Al + Cu (1,0 mm) Teräs (0,5 mm) JK Lasers TWI Fraunhofer USA Fraunhofer USA Copyright Ionix Oy All rights reserved. 27

28 Eripariliitokset: Materiaaliparien hitsattavuus Erittäin hyvä Hyvä Riittävä Hyvä hitsattavuus edellyttää: - sulamispisteet lähellä toisiaan - materiaalit eivät muodosta hauraita faaseja keskenään Lisäaineen lisäys mahdollistaa usein muuten mahdottoman eripariliitoksen. Rofin, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 28

30 Lisäaineettoman hitsausprosessin rajoitteet Hitsiä ei voida seostaa Liian suuri ilmarako aiheuttaa ongelmia: Lasersäde menee liitoksesta läpi sulattamatta liitospintoja Vajaa täyttö ilman lisäainetta Tavoitteena ilmaraoton liitos tai vakiona pysyvä kapea rako: huomioitava tuote- ja kiinnitinsuunnittelusssa päittäisliitoksen railonvalmistus on usein tehtävä laserleikkaamalla tai koneistamalla Lasersäteen paikoitus oltava tarkka Copyright Ionix Oy All rights reserved. 30

31 Ohjeellisia maksimiarvoja ilmaraolle ja asetusvirheelle PÄITTÄISLIITOS LIMILIITOS 0,1t (max 0,2 mm) 0,2t (max 0,2 mm) t 0,3t t Arvot pätevät syvätunkeumalaserhitsauksella. Suuremmat arvot ovat sallittuja käytettäessä lisäainetta tai muilla tekniikoilla Copyright Ionix Oy All rights reserved. 31

32 Menetelmät ilmarakotoleranssin kasvattamiseksi A. Suurempi polttopiste hitaampi, suurempi lämmöntuonti B. Twin-spot C. Säteen vaaputus D. Säteen pyöritys E. Lisäaineellinen laserhitsaus (lanka tai jauhe) F. Laserhybridihitsaus A B C D Copyright Ionix Oy All rights reserved. 32

33 Hitsaus sädettä vaaputtamalla Alumiinikotelon laserhitsaus t=3 mm P=4 kw v=1 m/min Erinomainen hitsin laatu ja vähäiset muodonmuutokset! Carl Cloos Schweißtechnik GmbH Copyright Ionix Oy All rights reserved. 33

34 Lisäaineellinen laserhitsaus Kylmä tai esilämmitetty lisäaine (tyypillisesti lanka tai jauhe) sulatetaan lasersäteellä hitsiin Tavoitteena railotoleranssien kasvattaminen tai hitsin seostus Jokinen & Karhu, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 34

35 Lisäaineellinen laserhitsaus: Tasauspyörä GJS-600 (pallografiittivalurauta, C=2,5-3,6 %) 16MnCr5 (hiiletysteräs, C=0,14-0,19 %) Lisäaine: 1071: SC NiFe-1 (N~60 %), Ø 1.0 mm Laserteho, P=2800 W Nopeus, v=1,5 m/min Langansyöttönopeus, v f =4,5 m/min 4 mm Trumpf Copyright Ionix Oy All rights reserved. 35

36 Etälaserhitsaus Hitsaus pitkällä (jopa yli 1 m) polttovälillä mahdollistaa säteen kuljettamisen kappaleen pinnalla erittäin suurella nopeudella ohjaamalla sädettä peileillä Käytetään tyypillisesti ohutlevyjen limiliitoksissa kappaleissa, joissa paljon lyhyitä hitsejä siirtymäajat hitsien välillä käytännössä poistuvat Trumpf Copyright Ionix Oy All rights reserved. 36

41 LASERHYBRIDIHITSAUS Laserhybridihitsaus lasersäde metallihöyry/plasma avaimenreikä sula hitsi lisäainelanka valokaari poltin (tyypillisesti MIG/MAG, TIG tai plasma) hitsi lasersäde sula lisäainelanka valokaari kosketussuutin avaimenreikä Lasersäde ja valokaari toimivat samassa sulassa. Hitsin muoto riippuu energialähteiden tehosuhteesta. Lappalainen, 2010 Lappalainen, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 41

48 LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET Levylakanan laser-mag-hybridihitsaus Laserleikatut levynreunat Pohjapalko: laser-mag-hybridi Pintapalko: Tandem-MAG 20 mm IMG Rostock Copyright Ionix Oy All rights reserved. 48

50 Kustannukset Laserhitsauksessa investoinnista johtuvat kiinteät kustannukset muodostavat usein suurimman osa hitsauskustannuksista Mikäli laserhitsauskoneen käyttöaste saadaan riittävän korkealle, on investointi usein hyvinkin kannattava Copyright Ionix Oy All rights reserved. 50

51 LASERHITSAUS CASE: Hitsattu koteloprofiili Tuotantovolyymi m/vuosi MAG-hitsattu palkki Laserhitsattu palkki Uumalevyn reunoihin koneistetaan 6x6 mm viisteet Uumalevyn reuna koneistetaan (voidaan jättää pois, jos reunan leikkauslaatu on riittävä) Copyright Ionix Oy All rights reserved. 51

52 # Laser Laser-MAG Tandem-MAG 001 TEHOLLISET TYÖTUNNIT VUODESSA 002 Työtunteja vuorokaudessa h 14,0 14,0 14,0 003 Työpäiviä vuodessa pv Työtunteja vuodessa h Koneen käytettävyys % 90 % 90 % 85 % 006 Tehollisia työtunteja vuodessa h HITSAUSPÄIDEN MÄÄRÄ SEKÄ TAHTIAIKA JA SÄDE-/KAARIAIKASUHDE 009 Yksittäisen hitsin pituus m 10,0 10,0 10,0 010 Hitsien määrä kpl Hitsien pituus yhteensä m 40,0 40,0 40,0 012 Hitsausnopeus m/min 5,0 5,0 1,5 013 Hitsausaika yhdellä hitsauspäällä min 8,0 8,0 26,7 014 Hitsauspäiden määrä kpl Hitsausaika koko koneella min 8,0 8,0 6,7 016 Asetusaika min 5,0 5,0 5,0 017 Tahtiaika min 13,0 13,0 11,7 018 Säde-/kaariaikasuhde % 62 % 62 % 57 % KÄYTTÖSUHDE 021 Vuosituotanto kpl/vuosi Vuosituotanto m/vuosi Tuotantomäärä tunnissa kpl/h 4,4 4,4 4,7 024 Vuosituotantoon menevä aika h Käyttösuhde % 96 % 96 % 92 % Copyright Ionix Oy All rights reserved. 52

53 # Laser Laser-MAG Tandem-MAG 027 KIINTEÄT KUSTANNUKSET 028 Hankintahinta Jäännösarvo Poistoaika vuotta Laskentakorko % 5 % 5 % 5 % 032 Perushankintahinta Annuiteetti Koneen viemä lattiapinta-ala m 2 100,0 100,0 200,0 035 Vuotuinen laskennallinen neliövuokra /m 2 80,00 80,00 80, Vuotuinen laskennallinen vuokra Vuotuinen kunnossapitokustannus Kiinteät kustannukset vuodessa Kiinteät kustannukset tunnissa /h 47,15 50,21 31, Copyright Ionix Oy All rights reserved. 53

54 Laser Hybrid Tandem-MAG KUSTANNUKSET SÄHKÖSTÄ Sähkönkulutus tuotannon aikana kw 39,05 39,83 155,36 Sähköenergian hinta /kwh 0,05 0,05 0,05 Sähköenergia /h 1,95 1,99 7,77 KUSTANNUKSET SUOJAKAASUSTA Suojakaasunkulutus tuotannon aikana l/min - 15,38 64,00 Suojakaasun hinta /m 3 3,00 3,00 3,00 Suojakaasu /h - 2,77 11,52 KUSTANNUKSET LISÄAINELANGASTA Lisäaineenkulutus kg/h - 2,29 30,60 Lisäaineen hinta /kg 1,50 1,50 1,50 Lisäaine /h - 3,43 45,90 KUSTANNUKSET PAINEILMASTA Paineilman kulutus m 3 /min 1,20 1,20 0,25 Paineilman hinta /m 3 0,03 0,03 0,03 Paineilma /h 0,04 0,04 0,01 KUSTANNUKSET KULUTUSOSISTA Kulutusosat /h 1,50 4,00 7,65 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 Lisäaine Suojakaasu Paineilma Kulutusosat Sähköenergia Työ KUSTANNUKSET TYÖSTÄ 20,00 Työn hinta /h 30,00 30,00 30,00 Operaattorien lukumäärä hlö 1,0 1,0 2,0 Työ /h 30,00 30,00 60,00 - MUUTTUVAT KULUT YHTEENSÄ /h 33,49 42,23 132,84 Laser Laser-MAG Tandem-MAG Copyright Ionix Oy All rights reserved. 54

55 Hitsauskustannus [ /m] LASERHITSAUS 079 KUSTANNUKSET YHTEENSÄ 080 Tuotantokustannukset tunnissa /h 80,64 92,44 164, Tuotantokustannukset vuodessa /vuosi Hitsauskustannus /m 0,44 0,50 0, Säästö vuodessa TAKAISINMAKSUAIKA 086 Muuttuvat kulut tunnissa /h 33,49 42,23 132, Kustannukset vuodessa (pl. hankinta) /h Säästöt vuodessa muuttuvista kuluista /h Takaisinmaksuaika vuotta 2,3 2,7 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 Hitsauskustannukset vuosituotannon funktiona Laser Laser-MAG Tandem-MAG 2,00 1,50 1,00 0, Vuosituotanto [kpl] Esimerkkilaskelmassa Tandem-MAG prosessi tulee edullisemmaksi, kun vuosituotanto jää alle 4000 kotelopalkkiin. Tämä tarkoittaa noin 4 h tuotantoa päivässä Copyright Ionix Oy All rights reserved. 55

57 Laserhitsauksen edut Säästö lisäaineessa Tehokkuus Paksut materiaalit yhdellä palolla Vähemmän railonvalmistelua SYVÄ JA KAPEA HITSI Eripariliitokset Pienemmät koneistusvarat Vähemmän jälkityöstöä Metallurgiset edut Ohuiden materiaalien hitsaus Vähemmän muodonmuutoksia Matala lämmöntuonti Hitsaus viimeisenä työvaiheena Hitsi lähellä lämpöherkkiä komponentteja SUURI HITSAUSNOPEUS Tehokkuus Suuret paksuuserot liitettävissä työkappaleissa mahdollisia EI TARVETTA LISÄAINEELLE Ei langansyöttöongelmia Pieni hitsisula Ei työkalun kulumista KOSKETUKSETON PROSESSI Hitsi voi sijaita kapean raon pohjalla ULOTTUVA TYÖKALU Vähemmän huuruja Mahdollisuus jättää suojakaasu pois Lakiasento mahdollinen Korkea laatu PROSESSIN HYVÄ HALLITTAVUUS Hyvä automatisoitavuus Copyright Ionix Oy All rights reserved. 57

61 Laserhitsauksen rajoitukset UUSI TEKNOLOGIA Edellyttää käyttäjän perehtymistä aiheeseen Esi-/jälkilämmitys Metallurgiset ongelmat Lisäaine Investointi edellyttää korkeaa käyttöastetta KAPEA HITSI Matala lämmöntuonti SUURI HITSAUSNOPEUS Ei salli ilmarakoa Vaatii hyvän kiinnittimen Suuri säteen paikoitustarkkuusvaatimus Vaatii tarkat kappaleet Railonseuranta LASER- TURVALLISUUS Työaseman kotelointi SUURIKOKOINEN HITSAUSPÄÄ Kaikki perinteisillä menetelmillä hitsattavat kappalegeometriat eivät ole mahdollisia Copyright Ionix Oy All rights reserved. 61

63 LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET Laserhitsaus Suomessa Toimijat: Koulutus- ja tutkimuslaitokset, 9 kpl, mm.: Lappeenrannan ja Tampereen teknilliset yliopistot Winnova (Laitila), Koneteknologiakeskus Turku, HAMK (Riihimäki), ELME Studio (Nivala), Jaloterässtudio (Tornio) Jatkossa myös Savonia! Koneenrakentajat ja asiantuntijat, mm.: Pemamek (Loimaa), Kemecweld (Lahti), Ionix (Hämeenlinna), Apricon (Riihimäki), Weldcon (Lappeenranta) Alihankkijat, 7 kpl, mm.: Hakaniemen Metalli Oy (Vantaa), HT Laser Oy (Haapamäki), Kenno Tech Oy (Riihimäki), Laserle Oy (Helsinki), SSAB Oy (Uusikaupunki), Rautatyö Kröger Oy (Jyväskylä), Compusteel (Savonlinna) Omia tuotteita hitsaavat, >10 kpl, mm.: Ecocat Oy (Vihtavuori), Valmet Oy (Valkeakoski), Metso Power Oy (Tampere), Outokumpu Oyj (Tornio), Outokumpu Stainless Tubular Products Oy Ab (Pietarsaari), Outotec Turula Oy (Outokumpu), Levator Oy (Hanko), Stalatube Oy (Lahti), STX Finland Oy (Turku), Valmet Automotive Oy (Uusikaupunki), Cathodex Oy (Parkano) Copyright Ionix Oy All rights reserved. 63

64 Johtopäätökset 1. Laserhitsaus on erittäin monikäyttöinen teknologia, jonka edut liittyvät usein tehokkuuteen ja korkeaan laatuun 2. Perinteisesti ohutlevyjen liittämismenetelmä, mutta käyttö laajenee jatkuvasti paksumpiin materiaaleihin 3. Tyypillisesti laserhitsauksen käyttöä rajoittavat investoinnin suuruus sekä aihioiden riittämätön laatu ja tarkkuus 4. Erilaiset erikoisprosessit laajentavat laserhitsauksen sovelluskenttää jatkuvasti 5. Erikoisprosessien sekä laserteknologian laskevien hintojen myötä laserhitsaus tulee yleistymään teollisuudessa myös Suomessa Copyright Ionix Oy All rights reserved. 64

65 Kiitos!