LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta LUT Metalli Konetekniikka. Teemu Hiltunen OHUTLEVYJEN LASERHITSAUS.

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta LUT Metalli Konetekniikka Teemu Hiltunen OHUTLEVYJEN LASERHITSAUS Työn tarkastajat: TkT Antti Salminen DI Timo Kankala Työn ohjaaja: Ins. Jarkko Vähä-Tahlo

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta LUT Metalli Konetekniikka Teemu Hiltunen Ohutlevyjen laserhitsaus Diplomityö sivua, 58 kuvaa, 17 taulukkoa ja 0 liitettä Tarkastajat: TkT Antti Salminen DI Timo Kankala Hakusanat: laserhitsaus, ohutlevy, suunnittelu, kuitulaser Keywords: laser welding, sheet, design, fiber laser Tässä diplomityössä tarkasteltiin laseria ja sen käyttöä laserhitsauksessa. Laserin käyttäminen asettaa omat vaatimuksensa ja haasteet laserhitsattavan tuotteen ja mahdollisen kiinnittimen suunnittelulle. Lisäksi laserin käyttö konepajassa asettaa tiettyjä vaatimuksia työympäristölle. Diplomityössä suunniteltiin uudelleen eräs ohutlevystä valmistettava kotelo ja pyrittiin selvittämään soveltuuko se laserhitsattavaksi, ja saako kotelosta hitsattua täysin tiiviin. Kotelo soveltui hyvin laserhitsattavaksi, mutta täysin tiiviin kotelon hitsaaminen oli haasteellista ja hyvin epävarmaa.

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology LUT Metal Mechanical Engineering Teemu Hiltunen Laser welding of sheet metals Master s thesis pages, 58 figures, 17 tables and 0 appendices Examiners: D.Sc Antti Salminen M.Sc Timo Kankala Keywords: laser welding, sheet, design, fiber laser This master s thesis concentrates on laser and its usage to laser welding. Laser sets its own requirements to product design and fixing methods of laser welded products. In addition usage of laser in machine shop places requirement to work environment. In this master s thesis one box made of sheet metal was redesigned and found out is the box possible to weld tightly with lasers. The box was suitable for laser welding but fully tight welded box was challenging and uncertain to weld.

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Koneteknologiakeskus Turku Oy:ssä yhdessä Stera Oy:n kanssa. Haluan kiittää erityisesti Jarkko Vähä-Tahloa Stera Oy:ltä mielenkiintoisen diplomityön tekemisen mahdollistamisesta. Lisäksi haluan kiittää professori Antti Salmista. Suuri kiitos kuuluu myös Koneteknologiakeskus Turku Oy:n henkilökunnalle hyvistä neuvoista ja idearikkaista keskusteluista diplomityöhön liittyen. Diplomityön tekeminen on ollut hyvin opettavainen ajanjakso kaikin puolin. Turussa Teemu Hiltunen

5 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO LASER Laservalon syntyminen Laservalon ominaisuudet Lasersäteen laatu Divergenssi Aallonpituuden vaikutus absorptioon Lasersäteen tehojakauma Polarisaatio Tehotiheys Laserpulssi LASERSÄTEEN OHJAUS Peili Optinen kuitu Fokusoiva linssi Polttopisteen halkaisija ja syvyysterävyys Fokusoivien linssien ominaisuudet HITSAUKSEEN SOVELTUVAT LASERIT CO 2 -laser Diodilaser Kuitulaser Kiekkolaser LASERHITSAUS Sulattava hitsaus Avaimenreikähitsaus... 35

6 5.3 Hitsausparametrit Teho Hitsausnopeus Polttopisteen koko Polttopisteen sijainti Hitsin kaasusuojaus Sulan suojaaminen Plasmapilven hallinta Suojakaasun tuonti hitsiin Metallien hitsattavuus Hitsin laatu Laserhitsauksessa käytettävät optiikat Perinteinen optiikka Skannerioptiikka Laserhitsauksen vertailu muihin menetelmiin TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUS Silmien suojaaminen Ympäristön suojaaminen Muut haittatekijät LASERHITSATTAVA TUOTE Liitosmuodot Päittäisliitos Limiliitos T-liitos Kiinnittimet KOTELON UUDELLEEN SUUNNITTELU... 60

7 8.1 Alkuperäinen kotelo Uuden kotelon suunnittelu Pohjalevy Välilevy Suojakuori Kokonainen kotelo KIINNITTIMEN SUUNNITTELU Pohjalevy Kiilat Puristimet Muut osat Valmis kiinnitin KOTELON HITSAUS IPG 10 kw-kuitulaser Precitec YW52-laserhitsauspää Motoman UP50-nivelvarsirobotti Parametrien kartoitus Kotelon hitsaus KOTELON VALMISTUSAIKA JA -KUSTANNUKSET TULOSTEN TARKASTELU Osien valmistus Hitsaus Kotelon tiiveys Reuna ja lieve Pääty Kulma... 87

8 13 JOHTOPÄÄTÖKSET YHTEENVETO LÄHTEET LIITTEET... 95

9 SYMBOLI JA LYHENNELUTTELO λ θ d B d f f n 1 n 2 r t f t r t w BPP D E E p K M 2 P P p T TEM Aallonpituus Divergenssi Lasersäteen kapeimman kohdan halkaisija Polttopisteen teoreettinen halkaisija Polttoväli Ytimen taitekerroin Kuoren taitekerroin Lasersäteen säde Pulssin laskuaika Pulssin nousuaika Pulssin pituus Sädeparametritulo Fokusoimattoman säteen halkaisija Tehotiheys Pulssin energia Lasersäteen laatua kuvaava luku Lasersäteen laatua kuvaava luku lasersäteen teho Pulssin huipputeho Pulssin toistoväli Laserin fokusoimattoman säteen tehojakaumaa kuvaava luku

10 Z f PRF Ar ArF CO CO 2 Cr Cu Er GaAs GaAlAs Ge He-Cd He-Ne HF Ho I 2 KCl Kr KrF N 2 NaCl Polttopisteen syvyysterävyys Pulssin toistotaajuus, Pulse Repetition Frequency Argon Argon-fluori Hiilimonoksidi Hiilidioksidi Kromi Kupari Erbium Gallium-Arsen Gallium-Alumiini-Arsen Germanium Helium-Kadmium Helium-Neon Vetyfluoridi Holmium Jodikaasu Kaliumkloridi Krypton Krypton-fluori Typpikaasu Natriumkloridi

11 Nd Yb XeCl Xe XeF ZnSe EBW HAZ LASER MAG NDT Nd:YAG SAW SMAW TIG Neodyymi Ytterbium Ksenon-kloori Ksenon Ksenon-fluori Sinkki-Seleeni Elektronisuihkuhitsaus, Electron Beam Welding Muutosvyöhyke, Heat Affected Zone Light Amplified by the Stimulated Emission of Radiation MAG-hitsaus, Metal-Arc Active Gas Welding Rikkomaton aineenkoetus, Nondestructive Testing Lasertyyppi, jossa laserointi tapahtuu YAG-kiteeseen dopatussa neodyymiatomissa Jauhekaarihitsaus, Submerged Arc Welding Puikkohitsaus, Shielded Metal Arc Welding TIG-hitsaus, Tungsten Inert Gas Arc Welding

12 1 JOHDANTO Suomalaisessa konepajateollisuudessa perinteinen kaarihitsaus on edelleen yleisin hitsausmenetelmä. Laserhitsaus on alkanut myös pikku hiljaa lisääntymään, vaikka sen käyttö on edelleen vähäistä. Syynä vähäiseen käyttöön voi olla laserhitsauksen vaatimuksien ja etujen tietämättömyys sekä turvautuminen vanhoihin tuttuihin ja hyviksi havaittuihin hitsausmenetelmiin. Hyvänä esimerkkinä voidaan pitää autoteollisuutta, jossa laserhitsaus on yleistynyt käytetyimmäksi hitsausmenetelmäksi. Laserhitsauksen harkitseminen hitsausvaihtoehtona ja tuominen hitsaavaan konepajaan on nykyisin huomattavasti helpompaa. Uudet nykyaikaiset laserit, joiden toiminta perustuu optisen kuidun käyttöön, ovat helpottaneet uusien laserlaitteistojen käyttöönottoa ja integroimista käytössä oleviin robottihitsausjärjestelmiin. Tämän työn tarkoituksena on tutustua laserin ominaisuuksiin ja sen käyttämiseen laserhitsauksessa. Lisäksi tarkastellaan laserin asettamia vaatimuksia työympäristön suhteen. Lopuksi tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen ja mahdollisesti siihen liittyvän hitsauskiinnittimen suunnittelun vaatimuksiin ja ohjesääntöihin. 2 LASER Alkusysäyksen laserin kehitykselle antoi Albert Einstein vuosina , kun hän esitteli teoreettisen laservaloilmiö. Theodore Maiman kehitti ensimmäisen toimivan laserin vuonna Sen toiminta perustui rubiinikiteeseen. (Steen 2003, 2) Sana LASER on lyhenne sanoista Light Amplified by the Stimulated Emission of Radiation. Lyhenne tarkoittaa laservaloa, jota on vahvistettu stimuloidun emission avulla. Tästä syystä laser on optinen vahvistin, joka koostuu laseroivasta väliaineesta, kahdesta peilistä ja pumppausenergiasta. (Steen 2003, 2) 2.1 Laservalon syntyminen Kaikki materiaali muodostuu atomeista. Atomin ydintä kiertävät elektronit omilla energiatasoillaan. Huoneenlämpötilassa suurin osa elektroneista on perustasoillaan, ja 12

13 tällöin ne ovat stabiileja. Kun atomiin tuodaan energiaa, materiaali lämpenee ja elektronit siirtyvät korkeammille energiatasoille. Tällöin elektronit ovat virittyneessä tilassa. (Kujanpää et al. 2005, 34) Kun elektronin on korkeammalla energiatasolla, elektroni on epästabiili ja se pyrkii palautumaan alemmalle energiatasolle. Elektronin palatessa alemmalle energiatasolle elektroni vapauttaa energiaa fotonin muodossa. Tällöin atomista vapautuu energiaa sähkömagneettisena säteilynä, jolla on atomista riippuvainen aallonpituus. (Kujanpää et al. 2005, 34) Kun atomista vapautuneet fotonit törmäävät toisiin virittyneisiin elektroneihin, aiheuttaa törmäys virittyneen tilan purkautumisen ja toisen samanlaisen fotonin vapautumisen. Kyseistä tapahtumaa kutsutaan stimuloiduksi emissioksi, jonka periaate esitelty kuvassa 1. Alkuperäisen fotonin jatkaessaan liikettään vapautuu lisää fotoneita ja laservalon energia lisääntyy. Vapautuneet fotonit ovat samassa vaiheessa ja niiden liike on yhdensuuntaista. Laservalon tehoa voidaan tehostaa ainoastaan, jos laseroiva väliaine on virittyneessä tilassa. Tämä tapahtuu tuomalla väliaineeseen energiaa ulkoisella energianlähteellä. (Kujanpää et al. 2005, 34) 13

14 Kuva 1. Periaatekuva stimuloidusta emissiosta (CVI Melles Griot 2010). Laservalo muodostuu resonaattorissa, joka koostuu laseroivasta väliaineesta ja kahdesta peilistä. Lasersäde syntyy peilien väliin, jossa se kulkee edestakaisin optista akseliaan pitkin samalla voimistuen stimuloidun emission takia. Jotta lasersäde pääsee resonaattorista ulos, on ulostulon puoleinen peili osittain heijastava. Resonaattorin toinen peili on heijastava. Resonaattorin toimintaperiaate on esitelty kuvassa 2. (Kujanpää et al. 2005, 34) Kuva 2. Resonaattorin toimintaperiaate (Daves 1992, 3). Laseroivat väliaineet voidaan jakaa olomuodon mukaan kiinteisiin, nesteisiin ja kaasuihin. Tyypillisiä kaasumaisia väliaineita ovat CO 2, CO, HF, N 2, I 2, Ar, Kr, Xe, He-Ne, Cu ja He- 14

15 Cd. Kaasumaisia laseroivia väliaineita ovat myös niin sanotut excimerit, joita ovat ArF, KrF, XeCl ja XeF. Kiinteitä väliaineita ovat Nd, Ho, Er, Yb ja Cr. Lisäksi kiinteänä väliaineena voi olla puolijohde, joista tärkeimpiä ovat GaAlAs ja GaAs. Laseroivana väliaineena voi olla myös orgaaniset tai vesiliukoiset nesteet. Laseroivia väliaineita on useita mutta vain muutamilla niistä voidaan muodostaa riittävän suuria tehoja, jotta niillä voidaan työstää materiaalia. (Kujanpää et al. 2005, 35) 2.2 Laservalon ominaisuudet Normaali auringosta tuleva valkoinen valo koostuu useasta aallonpituudesta ja se etenee kaikkiin suuntiin satunnaisesti. Laservalo on monokromaattista eli sillä on yksi aallonpituus, joka riippuu laseroivasta väliaineesta. Laservalo on myös koherenttia eli samanvaiheista, jolloin valoaallot vahvistavat toisiaan. Lisäksi laservalo on kollimoitua eli yhdensuuntaista. Laservalon ominaisuuksia on havainnollistettu kuvassa 3. (Kujanpää et al. 2005, 35-36) Kuva 3. Laservalon ominaisuudet (Daves 1992, 3). 2.3 Lasersäteen laatu Lasersäteen laatu on tärkeimpiä lasertyöstöön vaikuttavia tekijöitä. Tavoiteltava lasersäteen laatu riippuu käytettävästä lasertyöstöprosessista ja sovelluksesta. Lasersäteen laatua kuvataan K- ja M 2 -luvulla sekä sädeparametritulolla. (Kujanpää et al. 2005, 72). 15

16 CO 2 -lasereilla lasersäteen laatua kuvataan K- tai M 2 -luvulla. K-luku kuvaa lasersäteen fokusoitavuutta TEM 00 -moodissa. K-luku määritellään yhtälön 1 mukaisesti. (Ion 2005, 67) K 4, (1) d B missä λ on aallonpituus, θ divergenssi ja d B on lasersäteen kapeimman kohdan halkaisija. TEM 00 -moodille K-luku on 1, joka kuvaa ideaalista lasersädettä. Mitä lähempänä K-luku on arvoa 1, sitä parempi on lasersäteen fokusoitavuus. Lasersäteen fokusoitavuutta voidaan myös kuvata M 2 -luvulla, joka määritellään yhtälön 2 mukaisesti, (Ion 2005, 67) 2 d B M. (2) 4 K- ja M 2 -luvun välinen riippuvuus on esitetty yhtälössä 3 (Ion 2005, 67). 1 M 2. (3) K Kiinteän väliaineen lasereilla tai käytettäessä valokuitua lasersäteen ohjaamiseksi, käytetään lasersäteen laadun kuvaamiseen sädeparametrituloa (BPP). Sädeparametritulo määrittää kuinka ohutta optista kuitua voidaan käyttää kyseisellä lasersäteellä. Sädeparametritulo määritellään yhtälön 4 mukaisesti. Sädeparametritulon yksikkö on mm*mrad. (Ion 2005, 67; Kujanpää et al. 2005, 73) d B 2 BPP M. (4) Divergenssi Vaikka laservalo on kollimoitua, on lasersäteellä tietty hajonta. Tällöin lasersäteen poikkileikkauspinta-ala kasvaa, kun lasersäde etenee resonaattorista poispäin. Kyseistä ilmiötä kutsutaan divergenssiksi, joka on lasersäteen leviämiskulman puolikas. Divergenssi θ määritetään yhtälön 5 mukaisesti, (Ion 2005, 66) 2. (5) d B 16

17 Divergenssin yksikkö on mrad. Pieneen divergenssiin vaaditaan pieni aallonpituus tai suuri lasersäteen halkaisija Jos resonaattorin ja työstettävän kappaleen etäisyys on suuri, pitää divergenssin olla pieni, mieluusti alle 1 milliradiaania. (Ion 2005, 66) Aallonpituuden vaikutus absorptioon Lasersäteen aallonpituus vaikuttaa lasersäteen absorptiokykyyn. Absorptio kuvaa työstettävään kappaleeseen siirtynyttä energiaa lasersäteen kokonaistehosta. Metalleilla lyhyempi aallonpituus mahdollistaa suuremman absorption. Aallonpituuden vaikutusta eri metallien absorptioon on havainnollistettu kuvassa 4. (Steen 2003, 69-71) Kuva 4. Aallonpituuden vaikutus absorptioon eri metalleilla (Cleemann 1987) Lasersäteen tehojakauma Lasersäteen tehojakauma ei ole tasainen säteen poikkileikkauksessa, vaan siinä esiintyy intensiteettikeskittymiä. Poikkileikkauksen tehojakaumaa kutsutaan moodiksi, jota 17

18 kuvataan TEM-luvulla. TEM-luvun alaindeksit ilmoittavat tehohuippujen lukumäärän ja symmetrisyyden lasersäteen keskipisteen suhteen. Paras tehotiheys on TEM 00 -moodilla, jossa lasersäteen teho on keskittynyt säteen poikkileikkauksen keskelle. Moodin vaikutus häviää käytettäessä optista kuitua, josta ulostulevan säteen tehojakauma on ns. top-hat, joka ei varsinaisesti ole määritelmän mukaan moodi. Erilaisia moodeja on esitelty kuvassa 5. (Ion 2005, 57 58; Steen 2003, 102) Kuva 5. Moodeja: (a) TEM 00, (b) TEM 10, (c) TEM 01 (Ion 2005, 59). TEM 00 -moodi on ideaalinen yhteen pisteeseen keskittyneen tehojakaumansa takia leikkaus-, poraus- ja hitsaussovelluksissa. Leikkauksessa käytetään kuitenkin yleisesti huonompaa moodia, esim. TEM 10 - moodia. TEM 01 -moodi on tehojakaumansa takia yleinen hitsaus- ja pintakäsittelysovelluksissa. (Kujanpää et al.2005, 37; Salminen 2011) Polarisaatio Laservalo koostuu sähkö- ja magneettikentästä, jotka värähtelevät kohtisuoraan toisiaan vastaan. Kentät eivät ole yleensä yhtä suuria, jolloin kenttä on korostunut johonkin suuntaan. Tätä ilmiötä kutsutaan polarisaatioksi. Yleensä laservalo on polarisoitunut johonkin suuntaan. Lasersäteen polarisaatiota voidaan muokata sopivaksi sovelluskohteen mukaan. Tyypillisesti lasersäde on ympyräpolarisoitua tai taso- eli lineaaripolarisoitua. Polarisaatioita on havainnollistettu kuvassa 6. (Kujanpää et al. 2005, 37-38) 18

19 Kuva 6. Vasemmalla lineaaripolarisoitu ja oikealla ympyräpolarisoitu lasersäde. Lineaaripolaroidussa lasersäteessä sähkö- ja magneettikentät värähtelevät tietyn tason suuntaisena koko ajan. Tasopolarisoidulla lasersäteellä työstettäessä saavutetaan polarisaatiotason suuntaan suurempi vaikutus kuin työstettäessä polarisaatiotasoon nähden kohtisuoraan. Jälkimmäinen tapa soveltuu esimerkiksi erilaisiin pinnoitussovelluksiin. (Kujanpää et al. 2005, 38) Ympyräpolarisoidussa lasersäteessä polarisaatiotaso kiertyy aallonpituuden matkalla 360 astetta, jolloin lasersäde on symmetrinen optiseen akseliin nähden. Ympyräpolarisoitua lasersädettä käytetään prosesseissa, joissa työstöjäljen on oltava samanlainen joka suuntaan. Näitä prosesseja ovat yleisesti laserleikkaus ja -hitsaus. (Kujanpää et al. 2005, 38) 2.4 Tehotiheys Tehotiheys kuvaa määrättyyn pinta-alaan kohtisuorasti kohdistettua tehoa. Tehotiheys E määritetään yhtälön 6 mukaisesti. Tehotiheyden yksikkö on tyypillisesti W/mm 2 tai W/cm 2. (Ion 2005, 179) P E, (6) 2 r missä P on lasersäteen teho ja on r lasersäteen säde. Yhtälöstä 6 havaitaan, että tehotiheys kasvaa, kun lasertehoa kasvatetaan tai lasersäteen pinta-alaa pienennetään. Käytettävä tehotiheys vuorovaikutusajan suhteen määrittelee käytettävän laserprosessin. Eri laserprosessien vaatimia tehotiheyksiä ja vuorovaikutusaikoja on esitelty kuvassa 7. Pienempi tehotiheys sopii materiaalin 19

20 pintakäsittelyyn. Suurempi tehotiheys mahdollistaa leikkaamisen ja avaimenreikähitsauksen. (Ion 2005, ) Kuva 7. Eri laserprosessien tehotiheyksiä vuorovaikutusajan suhteen (Ion 2005, 181). 2.5 Laserpulssi Eräissä lasertyöstömenetelmissä vaaditaan erittäin suurta hetkellistä tehoa eikä jatkuvatoimisen laserin käyttäminen ole mahdollista. Tällöin lasersädettä pulssitetaan. Pulssin pituus t w määrittelee, kuinka kauan lasersäde on päällä. Tämän jälkeen kuluu aikaa, jonka jälkeen pulssi toistuu uudestaan. Pulssien välistä ajallista eroa kutsutaan pulssin toistoväliksi T. Pulssin pituutta ja pulssin toistoväliä on havainnollistettu kuvassa 8. (Vasan 2004, ) 20

21 Kuva 8. Pulssin pituus ja pulssin toistoväli (Vasan 2004, 246). Pulssin toistotaajuus (Pulse Repetition Frequency, PRF) kuvaa kuinka usein laserpulssi toistuu tietyssä ajassa. Se määritellään yhtälön 7 mukaisesti. (Vasan 2004, 246). PRF 1, (7) T jossa T on pulssin toistoväli. Kuva 8 olevat pulssit ovat ns. ideaalipulsseja, joiden amplitudi kasvaa hetkessä maksimiarvoonsa ja myös sammuvat hetkessä. Oikea pulssi saavuttaa maksimiamplitudinsa hitaammin. Kun pulssienergia kasvaa 10 %:sta 90 %:iin, tarkoitetaan sillä tehon nousuaikaa t r. Tehon laskuajasta t f puhutaan, kun teho laskee 90 %:sta 10 %:iin. Pulssin pituus t w määritetään siitä pisteestä, kun teho saavuttaa 50 %: tehon ja laskee taas alle 50 %:in. Kuvassa 9 on havainnollistettu tehon nousu- ja laskuaikaa, sekä pulssin pituutta. (Vasan 2004, 247) 21

22 Kuva 9. Tehon nousu- ja laskuaika, sekä pulssin pituus (Vasan 2004, 247). Laserpulssin energia E p kasvaa, kun lasertehoa P kasvatetaan tai pulssin toistotaajuutta pienennetään. Laserpulssin energia määritetään kaavan 8 mukaisesti. Sen yksikkö on J. (Vasan 2004, 248) P E p. (8) PRF Laserpulssin huipputeho P p kasvaa, kun pulssin energia kasvaa tai pulssin pituus lyhenee. Laserpulssin teho määritetään kaavan 9 mukaisesti. Sen yksikkö on W. (Vasan 2004, 248) E p Pp, (9) t w jossa E p on pulssin energia ja t w on pulssin pituus. 3 LASERSÄTEEN OHJAUS Resonaattorista tuleva fokusoimaton lasersäde ei ole suoraan hyödynnettävissä erilaisissa laserprosesseissa. Lasersäteen halkaisija ja intensiteettijakauma on harvoin halutunlainen. Tällöin sasersäde pitää muokata sopivaksi eri laserprosesseille ja saada myös ohjattua työstettävän kappaleen pintaan. Lasersäteen ohjaukseen voidaan käyttää heijastavaa tai läpäisevää optiikkaa. (Ion 2005, 104) 3.1 Peili Lasersädettä voidaan ohjata peilien avulla. Tyypillisesti lasertyöstölaitteistoissa on 1-6 peiliä. Peilit voivat olla myös liikkuvia. Yksi liikkuva peili lisää lasertyöstölaitteistoon 22

23 yhden vapausasteen. Peilien lisääminen mahdollistaa lasersäteen monimutkaisemman ohjauksen, mutta samalla tehohäviö kasvaa, koska osa lasersäteen energiasta absorboituu peiliin. Lasertyöstölaitteistoissa tyypillisesti viimeinen peili ohjaa lasersäteen kohtisuoraan työstettävän kappaleen pintaan. Kuvassa 10 on nähtävillä erilaisia peilejä. (Ion 2005, 113; Kujanpää et al. 2005, 75) Yleisesti peilin pinta on tasainen. Peilin pinnan muotoa muuttamalla voidaan vaikuttaa lasersäteen poikkileikkauksen muotoon sekä lasersäteen ominaisuuksiin. Sopivalla peilillä lasersädettä voidaan: fokusoida, jakaa useammaksi säteeksi, muuttaa lasersäteen poikkileikkausta ja muuttaa säteen tehojakaumaa. (Kugler 2010b) Koska osa lasersäteen energiasta absorboituu peiliin, pitää sitä jäähdyttää. Jäähdytys toteutetaan vedellä peilin takaa erillisillä jäähdyttävillä peilinpitimillä tai peilin takapintaan on työstetty erilliset jäähdytyskanavat. Kuvassa 10 on esimerkki peilistä ja jäähdytetystä peilinpitimestä (Ion 2005, ) Kuva 10. Kuvassa vasemmalla on erilaisia peilejä ja oikealla esimerkki jäähdytetystä peilinpitimestä (Kugler 2010a). Peilit ovat yleensä kupari-, molybdeeni- tai piipeilejä, jotka voivat olla pinnoitettuja. Tyypillisiä pinnoitteita ovat kulta, hopea ja molybdeeni. Erilaisten peilimateriaalien ja pinnoitteiden heijastavuuksia on esitelty taulukossa 1. (Ion 2005, ) 23

24 Taulukko 1. Peilimateriaalin ja pinnoitteen vaikutus heijastavuuteen (Ion 2005, 114). Materiaali Pinnoite Heijastavuus [%] Kupari - 98,6 Kupari Kulta 98,9 Kupari Hopea 99,1-99,5 Molybdeeni - 97,0 Pii Kulta 98,9 Pii Hopea 99,1-99,7 3.2 Optinen kuitu Optista kuitua voidaan käyttää lasersäteen ohjaamiseen. Optisen kuidun joustavuuden ansiosta se voidaan helposti asentaa robotteihin tai liikkuvaan työasemaan. Lisäksi laser voi olla kauempana työstettävästä kappaleesta, koska lasersädettä voidaan kuljettaa optisessa kuidussa pitkiäkin matkoja ilman suurempia tehohäviöitä. (Ion 2005, ) Optisessa kuidussa on kaksi osaa: ydin ja kuori. Optinen kuitu on kvartsilasia ja kuidun halkaisija on yleensä µm. Lasersäde etenee kuidussa kokonaisheijastuksen avulla, joka noudattaa Snellin lakia. Ytimen taitekerroin n 1 on suurempi kuin kuoren taitekerroin n 2. Kuidun toimintaperiaate on esitelty kuvassa 11. (Helkama 1995, 16 17; Kujanpää et al. 2005, 76) Kuva 11. Optisen kuidun toimintaperiaate (Helkama 1995, 17). Optiset kuidut jaotellaan eri tyyppeihin taitekerroinprofiilin mukaan. Kuitutyyppejä on kolme erilaista: askeltaitekertoiminen monitoimikuitu eli askelkuitu (Step index multimode 24

25 fibre), asteittaistaitekertoiminen monimuotokuitu eli asteittaiskuitu (Graded index multimode fibre) ja yksimuotokuitu (Singlemode fibre). (Helkama 1995, 17) Askelkuidussa taitekerroin muuttuu ytimen ja kuoren rajapinnassa. Asteittaiskuidussa taitekerroin muuttuu ytimessä asteittaisesti kuorta kohti poikkileikkauksen säteen suunnassa, mikä aiheuttaa lasersäteen taipumisen. Yksimuotokuidun ytimen halkaisija on niin pieni, ja ytimen ja kuoren taitekertoimien ero niin pieni, ettei optisessa kuidussa etene kuin yhden muotoista laservaloa. Optisten kuitujen eroavaisuuksia on esitelty kuvassa 12. (Helkama 1995, 18 19) Kuva 12. Askelkuidun (a), asteittaiskuidun (b) ja yksimuotokuidun (c) toimintaperiaatteet (Helkama 1995, 18). Asteittaiskuitu on kalliimpi kuin askelkuitu, mutta samalla asteittaiskuidun tehojakauma on terävämpi kuin askelkuidun tehojakauma. Terävämpi tehojakauma mahdollistaa esimerkiksi paremman tunkeuman hitsauksessa. Askelkuitu on kuitenkin riittävä useimpiin työstöprosesseihin tehojakaumansa suhteen. Yksimuotokuidun tehojakauma muistuttaa TEM 00 -moodia. (Ion 2005, 112; Meschede 2004, 79) 25

26 3.3 Fokusoiva linssi Laserista tuleva fokusoimaton säde on halkaisijaltaan liian suuri materiaalin työstöön. Fokusoivan linssin avulla säde saadaan pienennettyä riittävän pieneksi polttopisteeksi, jotta lasersäteen intensiteetti on riittävä halutulle lasertyöstöprosessille. (Kujanpää et al. 2005, 80) Polttopisteen halkaisija ja syvyysterävyys Polttopisteen teoreettinen halkaisija d f määritetään yhtälön 10 mukaisesti. 4 f d f, (10) D missä f on polttoväli, λ on aallonpituus ja D on fokusoimattoman säteen halkaisija. Koska fokusoimaton säde ei ole ideaalinen, on polttopisteen halkaisijan laskennassa huomioitava säteen laatu (K-luku), jolloin yhtälö 10 muuttuu yhtälön 11 mukaiseksi. (Ion 2005, 105) 4 f d f. (11) DK Polttopisteen syvyysterävyys kuvaa syvyysterävyysaluetta, jossa polttopisteen intensiteetti muuttuu alle 5 prosenttia. Polttopisteen syvyysterävyys Z f määritetään yhtälön 12 mukaisesti. (Steen 2003, 94) Z f 2 4 f. (12) 2 D K Yhtälöjä 11 ja 12 tarkastelemalla havaitaan, että lasersäteen aallonpituudella ja polttovälillä on huomattava merkitys polttopisteen kokoon. Pieni aallonpituus ja lyhyt polttoväli mahdollistavat pienen polttopisteen halkaisijan. Polttopisteen halkaisijan ja syvyysterävyyden eroja on havainnollistettu kuvassa

27 Kuva 13. Polttopisteen halkaisijaan ja syvyysterävyyteen vaikuttavia asioita Fokusoivien linssien ominaisuudet Fokusoivien linssien parempi fokusoitavuus mahdollistaa pienemmän polttopisteen koon verrattuna samalla polttovälillä olevaan fokusoivaan peiliin. Kun käytetään yli 5 kw:n tehoja, alkaa linssiin syntyä muodonmuutoksia lämmön takia. Linssiä jäähdytetään vedellä, mutta jäähdytys voidaan kohdistaa ainoastaan linssin reunapintaan. Linssiä voidaan myös jäähdyttää poikittaisella kaasuvirtauksella. Fokusoivat linssit ovat herkkiä epäpuhtauksille, koska linssin pintaan palavat epäpuhtaudet absorboivat tehoa, aiheuttavat lämpökeskittymiä ja huonontavat fokusoidun säteen laatua. (Ion 2005, 106) CO 2 -laserin aallonpituus absorboituu tavalliseen lasiin, joten se ei sovellu optiikan materiaaliksi kyseisen laserin aallonpituudelle. Sopivia linssimateriaaleja CO 2 -lasereille ovat ZnSe, Ge, GaAs, NaCl ja KCl. Suurin osa linsseistä on valmistettu sinkkiselenidistä. (Kujanpää et al. 2005, 83) Nd:YAG-, diodi, kuitu- ja kiekkolasereissa linssien materiaaleina voivat olla boorisilikaattilasi, Pyrex, kvartsilasi tai Zerodur. Kyseisistä materiaaleista valmistetut linssit ovat halvempia ja optisesti parempilaatuisia kuin CO 2 -lasereille tarkoitetut linssit. (Ion 2005, 107) 4 HITSAUKSEEN SOVELTUVAT LASERIT Markkinoilla on tällä hetkellä runsaasti erilaisia lasertyyppejä. Taulukossa 2 on esitelty yleisimpien lasertyyppien ominaisuuksia. Käyttäjän kannalta merkittävimmät erot ovat 27

28 lasersäteen aallonpituus, joka on riippuvainen laseroivasta väliaineesta. Lisäksi laserin toiminnan kannalta merkittävä asia on se, onko laser jatkuvatoiminen vai pulssitettu. Pulssitetussa laserissa pulssien pituudet voivat vaihdella useista sekunneista muutamiin femtosekunteihin. Laserpulssien toistoväli vaihtelee sekunnista useisiin tuhansiin per sekunti. (Ion 2005, 47) Yleisesti voidaan todeta, että jatkuvatoimiset laserit soveltuvat leikkaamiseen, hitsaukseen, pinnoitukseen ja karkaisuun. Pulssitetut laserit soveltuvat erilaisiin mikrotyöstösovelluksiin, kuten esimerkiksi poraukseen, merkkaukseen ja kaivertamiseen. Taulukko 2. Eri lasertyyppien eroja (Lappalainen 2010, 10; Steen 2003, 17, 21, 35; Kujanpää et al. 2005,54; Laserline 2011; Ready 2001, 365; IPG Photonics 2012a, 4). Lasertyyppi Teho [kw] Aallonpituus [nm] Sädeparametritulo Hyötysuhde [%] CO 2 0, < 10 Kuitu, multi-mode Kuitu, single-mode 0, , ,35 24 Nd:YAG 0, Kiekko 0, Diodi , 940, Erilaisia lasertyyppejä on kehitetty viimeisen 40 vuoden aikana runsaasti. Teollisessa käytössä ovat yleistyneet kuitenkin CO 2 - ja Nd:YAG-laser suuremman tehonsa ansiosta. Edellä mainittujen lasereiden toimintaperiaatteet on tunnettu jo 1960-luvulla, josta kyseiset laserit ovat kehittyneet nykypäivään. Kyseisiä lasertyyppejä onkin käytetty laserhitsauksessa 2000-luvun alkuun saakka avaruus-, auto-, ja laivateollisuuden erilaisissa laserhitsaussovelluksissa. (Ready 2001, 365) Viimeisen reilun viiden vuoden aikana on markkinoille tullut kuitu- ja kiekkolasereita, jotka tarjoavat hyvän säteen laadun ja suuren tehon. Kyseiset lasertyypit ovat näin ollen 28

29 myös yleistyneet erilaisissa hitsaussovelluksissa. Jatkossa hitsaavia lasereita tulevat olemaan CO 2 -, diodi-, kuitu- ja kiekkolaserit. 4.1 CO 2 -laser CO 2 -laserin tuottama aallonpituus on 10,6 µm. Myös 9,6 µm:n aallonpituus on mahdollinen. CO 2 -laserissa laseroivana väliaineena toimii kaasuseos, joka koostuu hiilidioksidista (1 9 %), heliumista (60 85 %) ja typestä (13 35 %). Kaasuseoksen koostumus riippuu käytettävästä resonaattorista. Lasersäde saadaan aikaan, kun kaasuseokseen tuodaan sähköenergiaa, joka saa aikaan typpimolekyylien virittymisen. Virittynyt typpimolekyyli avustaa sähköenergian siirtymisestä CO 2 -molekyyliin. Virittynyt CO 2 -molekyyli luovuttaa fotonin palatessaan alemmalle energiatasolle. Kaasuseoksessa oleva helium pyrkii jäähdyttämään kaasuseosta ja resonaattoria, ja resonaattorissa syntyvä hukkalämpö johdetaan heliumin avulla erilliseen jäähdyttimeen. (RP Photonics, 2012a; Ion 2005, 74) CO 2 -lasereita on useampia erilaisia (RP Photonics, 2012a): suljettu resonaattorin laser, hitaan poikittaisvirtauksen laser, nopea pitkittäisvirtauksen laser, poikittaisvirtauslaser ja diffuusiojäähdytetty laser. Konepajojen sovelluskohteisiin edellä mainituista lasereita soveltuvat pitkittäisvirtauksen, poikittaisvirtauksen ja diffuusiojäähdytetty laser. Muiden lasertyyppien tuottama teho on liian pieni konepajan sovelluskohteisiin. (Kujanpää et al. 2005, 55) Pääasiallisesti edellä mainitut lasertyypit eroavat toisistaan laseroinnin aikana syntyvän hukkalämmön hallintaperiaatteiden, resonaattorissa olevan kaasuseoksen paineen ja sähköenergian tuomisessa käytettävien elektrodien perusteella. CO 2 -lasereissa säteen ohjaukseen käytetään peilejä. (RP Photonics, 2012a; Kujanpää et al. 2005, 58) 29

30 4.2 Diodilaser Diodilaser on puolijohdelaser, joka muuttaa sähköisen energian lasersäteeksi. Yksittäinen diodi voi tuottaa muutaman watin tehon. Yhdistämällä yksittäiset diodit n. 20 diodin nippuihin saadaan lasertehoa kasvatettua. Nipun tuottama teho on n. 100 W. Yksittäistä diodia ja diodinippua on havainnollistettu kuvassa 14. Diodinippuja yhdistämällä teho saadaan kasvatettua useisiin kilowatteihin. (Coherent 2012; Kujanpää et al. 2005, 65) Kuva 14. Yksittäinen diodi ja useammasta diodista koostuva diodinippu (Coherent 2012). Laserdiodin alue, joka emittoi laservaloa, on hyvin pieni. Tästä syystä diodin emittoima laservalon divergenssi on suuri. Lisäksi diodin emittoima laservalo ei hajaannu tasaisesti joka suuntaan muodostaen tasaisen ympyrän muotoisen keilan. Laservalo hajaantuu nopeammin diodinipun pidempää sivua vasten, mikä saa aikaan sen, että syntyvä keila on enemmän suorakaiteen tai ellipsin muotoinen kuin ympyrän. Kyseistä ilmiö on nähtävissä edellä olevasta kuvasta 14. Jotta diodin emittoima lasersäde saadaan kollimoitua, asetetaan diodinipun eteen ns. mikrolinssi. (Coherent 2012; Kujanpää et al. 2005, 66) Diodilaserin säteen kuljettamiseen voidaan käyttää optista kuitua tai sädettä voidaan kuljettaa ilmassa vapaasti. Suurta tehoa ja kuitua käyttämällä saadaan aikaan pieni polttopiste, mikä mahdollistaa diodilaserin käytön hitsauksessa. Ilmassa vapaasti kulkevan säteen tehotiheys sopii paremmin lämpökäsittelyyn ja erilaisiin pinnoitussovelluksiin. Kuvassa 15 on havainnollistettu kuitua käyttävän ja ilmassa vapaasti kulkevan diodilasereiden eroja. (Coherent 2012) 30

31 Kuva 15. Vasemmalla Coherent HighLight 4000L-diodilaser ja oikealla Coherent HighLight 1000F-diodilaser kuidulla (Coherent 2012). 4.3 Kuitulaser Kuitulaserissa laservalo synnytetään optiseen kuituun, joka toimii resonaattorina. Kuidun ytimeen on seostettu laseroiva väliaine, johon pumpataan energiaa diodilaserilla. Diodilaserin tuottaman pumppausenergian kulkiessa optisessa kuidussa, se läpäisee laseroivan väliaineen useita kertoja kokonaisheijastuksen avulla ilman häviöitä. Koska lasersäde synnytetään ohueen kuituun, on syntyneen lasersäteen halkaisija pieni ja säteenlaatu hyvä. Kuvassa 16 on havainnollistettu kuitulaserin toimintaperiaatetta. (Steen 2010,46; Kujanpää et al 2005, 68) 31

32 Kuva 16. Periaatekuva kuitulaserista, 1 = viritykseen käytettävä diodilaser, 2 = resonaattorin peilit, 3 = laseroiva kuitu, 4 = kuituosa, 5 = ulostuleva säde (Kessler 2009). Yksittäisen kuitumoduulin tuottama teho on muutamia satoja watteja. Kokonaistehoa voidaan kasvattaa yhdistämällä rinnakkain yksittäisiä kuitumoduuleja. Jos yksittäinen kuitumoduuli rikkoutuu, menetetään ainoastaan moduulin tuottama teho. Jäljellä olevat moduulit toimivat edelleen yhdessä. (IPG Photonics 2012a, 3.) 4.4 Kiekkolaser Kiekkolaserissa laseroiva väliaine on muokattu ohueksi kiekoksi, joka on tyypillisesti Yb:YAG-kide. Kide on pinnoitettu yläpuolelta pumppauslaserin aallonpituutta heijastamattomaksi ja jäähdytyselementin puolelta hyvin heijastavaksi, jolloin pumppauslaserin säde heijastuu takaisin kiekon takapinnasta. Takaisin heijastunut säde ohjataan paraboilisen peilin ja heijastavien prismojen kautta uudelleen kiekkoon useita kertoja, jolloin saadaan laseroivaa väliainetta pumpattua useammin ja kasvatettua kokonaistehoa. Kiekkolaserin toimintaperiaatetta on havainnollistettu kuvassa 17. (Giesen et al. 2007) 32

33 Kuva 17. Kiekkolaserin toimintaperiaate (Brockmann et al. 2007). Laseroivana väliaineena oleva kiekko on kiinnitetty jäähdytyselementtiin. Ohut kiekko mahdollistaa tehokkaan jäähdytyksen, koska laseroinnissa syntyvä lämpö johtuu suoraan kiekon läpi jäähdytyselementtiin. Tällöin lämmöstä johtuvat muodonmuutokset kiekossa ovat pieniä, mikä mahdollistaa kiekkolaserin hyvän säteenlaadun. (RP Photonics 2012c) 5 LASERHITSAUS Laserhitsauksessa lasersäde kohdistetaan työstettävän kappaleen pintaan. Lasersäteestä absorboituva energia ja käytettävä tehotiheys saavat aikaan materiaalin sulamisen tai höyrystymisen. Yleisesti voidaan todeta, että työkappaleen pintaan synnytetään sula, jota liikutetaan työstettävän kappaleen pinnalla. Sula-altaan muodon perusteella laserhitsaus voidaan jakaa sulahitsaukseen tai avaimenreikä hitsaukseen. (Dahotre et al. 2008, 412) 5.1 Sulattava hitsaus Sulahitsauksen tehotiheyden alarajana suurimmalle osalle metalleista voidaan pitää 10 4 W/cm 2. Tehotiheyden yläraja sulattavalle hitsaukselle on 10 6 W/cm 2. Tämä edellyttää suurta lasertehoa ja pientä polttopisteen kokoa, jolloin lasersäde kuumentaa työstettävän 33

34 materiaalin sen sulamispisteen yläpuolelle synnyttäen sula-altaan. Sulaa liikuttamalla sulanut materiaali sekoittuu ja jäähtyessään muodostaa hitsin. Sulattavan hitsauksen periaatetta on havainnollistettu kuvassa 18. (Kujanpää et al. 2005, 159; Ready 2001, 363) Lasersäde Hitsaussuunta Hitsisula Hitsi Kuva 18. Sulattavan hitsauksen periaate (Rofin 2011). Sulattavassa hitsauksessa lämpö siirtyy työstettävään kappaleeseen pinnalta pistemäisellä lämmönsiirrolla samalla leviten kappaleeseen, jolloin hitsi on matala ja leveä. Kuvassa 19 on havainnollistettu tällaista hitsiä. Kyseinen hitsausmenetelmä muistuttaa lämmöntuonniltaan perinteisiä kaarihitsausmenetelmiä. (Kujanpää et al. 2005, 159) 34

35 Kuva 19. Sulattavalla hitsauksella tehty hitsi (Assuncao et al. 2010, 209). 5.2 Avaimenreikähitsaus Avaimenreikähitsauksessa suuri tehotiheyksinen lasersäde fokusoidaan yleensä kohtisuoraan työstettävään kappaleen pintaan. Suuren tehotiheyden takia kappaleeseen höyrystyy reikä, jota kutsutaan avaimenreiäksi. Höyrystyneen materiaalin paine pakottaa syntyneen sulan reiän reunoille. Avaimenreiän halkaisija on noin 1,5-kertainen verrattuna polttopisteen halkaisijaan. Tarvittava tehotiheys avaimenreiän muodostumiselle on 10 6 W/cm 2, mikä edellyttää suurta tehoa ja pientä polttopisteen kokoa. Lisäksi avaimenreiän muodostumiseen vaikuttaa vuorovaikutusaika. (Kujanpää 2010; Dahotre et al. 2008, ; Rofin 2011) Hitsaaminen avaimenreiällä tapahtuu kuljettamalla lasersädettä työstettävän kappaleen pinnalla. Hitsaussuuntaan liikkuessa avaimenreiän etupuolella oleva sula virtaa avaimenreiän reunoja pitkin avaimenreiän taakse. Taakse virrannut sula materiaali jähmettyy välittömästi samalla muodostaen hitsin. Kuvassa 20 on havainnollistettu avaimenreikähitsausta. (Kujanpää et al. 2005, 159) 35

36 Kuva 20. Avaimenreikähitsauksen periaate (Demar 2011). Avaimenreikä toimii eräänlaisena lämpöloukkuna, jossa lasersäde heijastelee avaimenreiän reunoilla olevasta sulasta ja luovuttaa energiaa avaimenreiän reunoihin samalla vaimentuen. Näin ollen lasersäteen energiasta siirtyy % avaimenreiän kautta työstettävän kappaleen sisään viivamaisella lämmönsiirrolla. Avaimenreiän ja viivamaisen lämmönsiirron ansiosta hitsistä tulee syvä ja kapea. Kuvassa 21 on havainnollistettu tällaista hitsiä. (Kujanpää 2010) 36

37 Kuva 21. Avaimenreikähitsauksella tehty hitsi (Assuncao et al. 2010, 209). 5.3 Hitsausparametrit Laserhitsaukseen ja hitsin laatuun voidaan vaikuttaa monilla eri hitsausparametreilla. Kyseiset parametrit voidaan jakaa laserparametreihin ja prosessiparametreihin. Laserparametrit ovat riippuvaisia käytettävästä lasertyypistä, mihin operaattori ei pysty vaikuttamaan. Operaattori voi vaikuttaa prosessiparametreihin, jotka vaikuttavat hitsausprosessin sujuvuuteen ja samalla syntyvään hitsiin Teho Laserhitsauksessa käytetty teho suhteessa polttopisteen kokoon määrittelee käytettävän tehotiheyden, joka määrittelee onko hitsaus sulattavaa tai avaimenreikähitsausta. Tehon kasvattaminen lisää hitsin tunkeumaa. Tunkeuman syvyys ei ole kuitenkaan suoraan verrannollinen käytettävään tehoon, koska eri prosessiparametrit ja säteen ominaisuudet vaikuttavat myös tunkeumaan. Tehon kasvattaminen mahdollistaa myös suuremman hitsausnopeuden. Yleisenä nyrkkisääntönä voidaan pitää, että 1 kw teholla saavutetaan rakenneteräksellä 1,5 mm tunkeuma, kun hitsausnopeus on 1 m/min. (Kujanpää et al. 2005, 165; Dahotre et al. 2008, 434; Ion 2005, 403) Ongelmaksi tulee, kuinka paljon tehoa tarvitaan hyvän hitsin saavuttamiseksi. Liian pieni teho aiheuttaa vajaan tunkeuman, jolloin esimerkiksi päittäisliitoksessa liitospinnan alapuoli jää auki. Liian suuri teho taas aiheuttaa avaimenreiän romahtamisen, jolloin sula materiaali valahtaa hitsausrailon läpi eikä hitsiä synny. (Steen et al. 2010, 209) 37

38 5.3.2 Hitsausnopeus Yleisesti voidaan todeta, että hitsattavan kappaleen paksuus määrittelee hitsausnopeuden, kun teho pidetään vakiona. Kun kappaleen paksuus kasvaa, hitsausnopeus pienenee. Hitsausnopeuden kasvaessa sulan määrä pienenee ja sula on kapea, mikä pienentää samalla hitsin tunkeumaa. Liian suuri hitsausnopeus aiheuttaa avaimenreiän takana sulan voimakkaan virtaamisen jähmettyvän hitsin keskilinjalle, jolloin sula ei ehdi hajaantua uudelleen. Tällöin hitsin keskelle voi syntyä korkea kupu ja hitsin reunat ovat vajonneet. (Dahotre et al. 2008, 436; Steen et al. 2010, 216) Hitaalla nopeudella sula on suuri ja leveä. Liian hidas hitsausnopeus saattaa aiheuttaa sulan valahtamisen, koska sulan pintajännitys ei jaksa kannatella enää sulaa. Tuloksena on reikä tai vajonnut hitsi. (Steen et al. 2010, 216) Polttopisteen koko Pääasiallisesti polttopisteen koko vaikuttaa yhdessä tehon kanssa saavutettavaan tehotiheyteen. Mitä pienempi polttopisteen koko on, sitä suurempi tehotiheys saavutetaan. Suuri tehotiheys mahdollistaa myös paremman hitsattavuuden heijastaville materiaaleille. Hyvä esimerkki korkean tehotiheyden tarvitsevasta materiaalista on alumiini. (Steen et al. 2010, 213) Polttopisteen koko vaikuttaa myös hitsauksessa lasersäteen kohdistustarkkuuteen. Kun polttopisteen koko on pieni, vaaditaan polttopisteeltä suurta kohdistustarkkuutta, koska hitsausradan ohjelmointivaiheessa polttopiste on paikoitettava tarkasti haluttaan kohtaan. Pieni polttopiste edellyttää suurta paikoitustarkkuutta. (Steen et al. 2010, 214) Polttopisteen halkaisijaa voidaan kasvattaa käyttämällä hitsausoptiikassa lyhyttä kollimointipituutta ja pitkää polttoväliä. Tämä vaatii optisten komponenttien vaihtamista hitsausoptiikassa. Polttopisteen halkaisijaa voidaan kasvattaa myös siirtämällä hitsausoptiikkaa kauemmaksi hitsattavasta kappaleesta. Tällöin lasersäteen vaikutusalue suurenee hitsattavan kappaleen pinnalla, mikä huonontaa samalla tehotiheyttä. Kuvassa 22 on havainnollistettu kyseistä menetelmää. Suurempi polttopisteen halkaisija lieventää samalla lasersäteen paikoitustarkkuutta (Ready 2001, 317) 38

39 Polttopiste Kuva 22. Lasersäteen vaikutusalueen kasvattaminen hitsausoptiikkaa ja polttopistettä kauemmaksi siirtämällä Polttopisteen sijainti Yleisesti suositellaan, että polttopisteen pitäisi sijaita 1 mm hitsattavan kappaleen pinnan alapuolella, jotta saavutetaan hitsiin maksimi tunkeuma. Jos polttopiste on hitsattavan kappaleen yläpuolella, tarvitaan saman tunkeuman saavuttamiseksi enemmän tehoa. Lisäksi polttopisteen sijainti vaikuttaa sula-altaan muotoon. Kun polttopiste on hitsattavan kappaleen pinnassa, on sula kapea. Sula levenee, kun polttopistettä viedään etäämmälle hitsattavan kappaleen pinnasta. (Steen et al. 2010, 218; Dahotre et al. 2008, 435) 5.4 Hitsin kaasusuojaus Laserhitsauksessa suojakaasulla suojataan avaimenreikää ja sulassa tilassa olevaa metallia, jotta syntyvä hitsi ei hapettuisi ja vältettäisiin huokoset sekä oksidisulkeumat. Lisäksi pyritään estämään lasersäteen absorboitumista plasmapilveen. (Kujanpää et al. 2005, 171) Sulahitsauksessa hitsattavaan kappaleeseen syntyy sula, mutta sulassa tilassa oleva metalli ei höyrysty. Tällöin suojakaasulla suojataan ainoastaan sula ja jähmettyvää hitsiä hapettumiselta. (Ready 2001, 322) Avaimenreikähitsauksessa hitsattavaan kappaleeseen syntyy sula ja höyrystynyt avaimenreikä. Osa sulasta höyrystyy ja ionisoituu samalla muodostaen sulan yläpuolelle plasmapilven. Se heikentää lasersäteen tehoa, koska osa säteen energiasta absorboituu siihen. Plasmapilveen absorboituva energia leventää kuitenkin hitsin leveyttä. Sula-altaan 39

40 ja jähmettyvän hitsin hapettumisen estämisen lisäksi suojakaasulla voidaan poistaa plasmapilvi sula-altaan yläpuolelta. (Kujanpää et al. 2005, 171; Ready 2001, 322) Sulan suojaaminen Helium ja argon sekä niiden erilaiset seokset ovat yleisimpiä suojakaasuja laserhitsauksessa. Edullisempi vaihtoehto on käyttää typpeä, joka on yleinen erityisesti massa-tuotantokohteissa. Oikeaoppisella kaasun valinnalla voidaan vaikuttaa hitsin ulkonäköön ja lujuusominaisuuksiin. Tällöin hitsissä ei ole huokosia ja hitsi ei ole hauras. Lisäksi sen pinta on mahdollisimman sileä. (Ready et al. 2001, 323; Ion 2005, 408) Plasmapilven hallinta Plasmapilvi aiheuttaa ongelmia erityisesti CO 2 -laserhitsauksessa, joka tapahtuu avaimenreikähitsauksella. Käytettäessä lyhyemmän aallonpituuden lasereita hitsaukseen plasmapilven vaikutus hitsiin ei ole niin suuri, koska lyhemmän aallonpituuden säde läpäisee plasmapilven paremmin. Uudemmat tutkimukset ovat myös osoittaneet, että plasmaa syntyy myös kuitulasereilla tapahtuvassa hitsauksessa. (Ready 2001, 322; Katayama et al. 2007, 355) Plasmapilven muodostumista voidaan vähentää käyttämällä suojakaasua, jonka ionisaatioenergia ja lämmönjohtavuus ovat suuria sekä tiheys pieni. Edellä olevista syistä helium soveltuu plasmapilven poistoon hyvin, koska se täyttää edellä mainitut vaatimukset. Lisäksi se on inertti kaasu, jolloin se ei reagoi sulassa tilassa olevan metallin kanssa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että CO 2 -laserhitsauksessa voidaan käyttää plasmapilven poistamiseen myös argonia 2 kw lasertehoon saakka. Suuremmilla tehoilla on suositeltavaa käyttää argon-helium valtaisia kaasuseoksia. Lyhemmän aallonpituuden omaavilla lasereilla suokaasuksi soveltuu argon. Inerttinä kaasuna se ei myöskään reagoi sulan kanssa. Lisäksi se on edullisempaa kuin helium. (Ready 2001, 322) Suojakaasun tuonti hitsiin Kaasusuojaus voidaan toteuttaa samankeskisesti lasersäteen kanssa tai suojakaasu voidaan tuoda hitsausprosessiin sivusta. Menetelmiä on havainnollistettu kuvassa 23. Sivusta tuleva kaasusuojaus mahdollistaa suuremman kaasun virtausnopeuden ilman, että se puhaltaisi 40

41 sulaa pois. Lisäksi suurempi virtausnopeus jäähdyttää plasmaa ja pienentää plasmapilven kokoa sekä vähentää plasmapilven absorptiota. (Ready 2001, ) Kuva 23. Samankeskisen ja sivusta tulevan kaasusuojauksen periaatteet. Kaasuvirtauksen tarve riippuu käytettävästä suojakaasusta ja kaasusuojausmenetelmästä. Taulukossa 3 on esitelty kaasuvirtauksien tarvetta eri suojakaasuilla ja suojausmenetelmillä. Sivusta tulevalle kaasusuojaukselle suojakaasuputken sisähalkaisija on 4 6 mm. (Ready 2001, 323) Taulukko 3. Kaasuvirtauksen tarve eri suojakaasuilla ja suojausmenetelmillä (Ready 2001, 323). Kaasu Helium tai helium valtaiset seokset Argon tai argon valtaiset seokset Samankeskinen kaasusuojaus Sivusta tuleva kaasusuojaus CO 2 Nd:YAG CO 2 Nd:YAG (10600 nm) (1064 nm) (10600 nm) (1064 nm) l/min l/min l/min l/min Ei soveltuva 5 20 l/min l/min 5 20 l/min 5.5 Metallien hitsattavuus Laserhitsaus soveltuu yleisesti kaikille sulahitsattaville materiaaleille. Yleisimmät teräslaadut, kuten esimerkiksi seostamattomat ja austeniittiset ruostumattomat teräkset soveltuvat erittäin hyvin laserhitsaukseen. Edellä mainitut teräslaadut ovat myös yleisimpiä 41

42 materiaaleja, joita laserhitsataan eri sovelluskohteissa. Lisäksi laser mahdollistaa eirautametallien hitsauksen. Tyypillisinä materiaaliesimerkkeinä voidaan pitää esimerkiksi alumiinia ja kuparia. (Matilainen et al. 2011, 303) Hitsattavien materiaalien fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat sen hitsattavuuteen. Kyseisiä ominaisuuksia ovat lämmönjohtavuus, absorboituminen, tiheys, ominaislämpökapasiteetti, lämpölaajenemiskerroin ja materiaalin sulamislämpötila. Esimerkiksi kuparin ja alumiinin lämmönjohtavuus on huomattavasti suurempi kuin teräksen, mikä heikentää sula-altaan syntymistä. Taulukossa 4 on havainnollistettu eri materiaalien fysikaalisia ominaisuuksia huoneen lämpötilassa. (Sun et al. 1995, 4207) Taulukko 4. Metallien fysikaalisia ominaisuuksia huoneen lämpötilassa (Sun et al. 1995, 4208). Metalli Sulamislämpötila [K] Höyrystym islämpötila Tiheys [kg/m 3 ] Lämmönjohtokyky [W/(m*K)] Ominaislämpökapasiteetti [J/(kg*K)] Lämpölaajenemiskerroin [10 6 /K] [K] Fe ,1 Al ,5 Cu ,0 Ni ,3 Ti ,9 Zn ,0 Mo ,1 W ,5 Zr ,9 Nb ,2 Laserhitsaus mahdollistaa myös eri materiaalien yhteen liittäminen, mikä on yleistä esimerkiksi energia-, kemian-, ydinvoima- ja sähköteollisuuden eri kohteissa. Hitsauksen onnistumiseen ja hitsin laatuun vaikuttavat hitsattavien materiaalien kemialliset 42

43 ominaisuudet, jotka voivat saada aikaan hitsiin epätoivottuja mikrorakenteita ja heikentää hitsin lujuusominaisuuksia. Mahdollisuus liittää eri materiaaleja keskenään parhaimmassa tapauksessa tuo lopputuotteelle teknistä etua ja taloudellisia säästöjä verrattuna yhdestä materiaalista tehtyyn tuotteeseen. Erikoismateriaaleja, jotka ovat yleensä kalliita, tarvitsee käyttää ainoastaan kohteissa, joissa kyseisten materiaalien ominaisuuksia tarvitaan. Yleisimmin käytetty eripariliitos on seostamattoman ja ruostumattoman teräksen välinen hitsi. Taulukossa 5 on havainnollistettu laserhitsaukseen soveltuvia materiaaleja niiden välisiä materiaalipareja. (Sun et al. 1995, 4205, 4208; Matilainen et al. 2011, 303) Taulukko 5. Laserhitsaukseen soveltuvat materiaalit ja materiaaliparit. 1 = hyvin hitsattavissa, 2 = tyydyttävästi hitsattavissa, 3 = huonosti hitsattavissa. (Sun et al. 1995, 4208; Matilainen et al. 2011, 304) 43

44 5.6 Hitsin laatu Laserhitsin laatu on yleensä vähintäänkin yhtä hyvä kuin perinteisillä hitsausmenetelmillä tehdyillä hitseillä. Hyvä hitsin laatu edellyttää sopivia hitsausparametreja sekä hitsattavien kappaleiden hyvää esivalmistusta laserhitsauksen vaatimalla tarkkuudella, mikä takaa vakaan hitsausprosessin. (Kujanpää et al. 2005, 176) Hitsauksen jälkeen hitsi arvioidaan silmämääräisesti. Tarkastettavia asioita ovat läpipalaminen, vajaa tunkeuma, epätasainen kupu ja reunahaava. Laserhitsauksessa syntyvä kapea hitsi aiheuttaa sen, että mahdolliset hitsausvirheet ovat myös pieniä. Tästä syystä mahdolliset virheet ovat vaikeita havaita. Ne ovat havaittavissa NDT-menetelmillä, mutta vaativat tarkastuksen tekijältä erityistä tarkkuutta ja huolellisuutta. Silmämääräinen, tunkeumaneste- ja magneettijauhetarkastus ovat soveltuvia menetelmiä hitsin laadun toteamisen. Niiden avulla voidaan myös päätellä osittain hitsin sisäpuolinen laatu. Mahdolliset sisäpuoliset virheet hitsissä voidaan todeta radiografia- tai ultraäänitarkastuksella. (Kujanpää et al. 2005, 313) Standardi EN ISO määrittelee sädehitsattujen liitoksien hitsiluokkien B, C ja D suurimmat sallitut virherajat päittäisliitokselle. Standardi ei määrittele muita hitsausliitostyyppejä, mutta standardi soveltuu myös kyseisille liitostyypeille soveltuvin osin. 5.7 Laserhitsauksessa käytettävät optiikat Laserhitsauksessa käytettäviä optiikoita on kahdenlaisia. Perinteisessä optiikassa ns. kiinteässä optiikassa ei ole liikkuvia osia. Tällöin lasersäteen ja optiikan liikuttamiseen käytetään yleensä robottia, jolla saadaan toteutettua halutut hitsausradat. Toinen mahdollinen hitsauksessa käytettävä optiikka on skannerioptiikka, jossa hitsausliike toteutetaan skannerin sisällä olevilla liikkuvilla peileillä Perinteinen optiikka Perinteinen optiikka koostuu kollimointi- ja fokusointilinssistä. Lisäksi optiikassa on mahdollisesti optiikkaa suojaava poikittaispuhallus estämässä mahdollisien hitsausroiskeiden joutumista fokusointilinssiin. Optiikkaan voidaan lisätä myös erilaisia 44

45 monitorointilaitteistoja. Kuvassa 24 on havainnollistettu perinteistä laserhitsauksessa käytettävää optiikkaa. (Precitec 2012) Kuva 24. Precitec YW52-laserhitsausoptiikka (Precitec 2012) Skannerioptiikka Skannerioptiikassa galvanometriset peilit liikuttavat lasersäteen polttopistettä halutun tason suhteen, minkä avulla saadaan toteutettua halutut hitsausradat. Skanneri on liitetty yleensä robottiin, jolla skannerioptiikka paikoitetaan haluttuun paikkaan. Robottia hyödyntämällä saadaan myös kasvatettua skannerin työaluetta. Skannerit voidaan jakaa 1D-, 2D- ja 3Dskannereihin. 2D-skannareilla sädettä liikutetaan x- ja y-suunnassa. 3D-skanneri mahdollistaa myös z-liikkeen, joka voidaan toteuttaa liikkuvalla fokusointioptiikalla. Kuvassa 25 on havainnollistettu 3D-skanneria. (HighYAG 2010; Pihlava 2010, 47) 45

46 Galvanometriset peilit Kuva 25. 3D-skanneri (HighYAG 2010). Skannerioptiikan käyttö mahdollistaa lyhyet paikoitusajat, hyvän paikoitustarkkuuden sekä suuren työstönopeuden, koska työstön aikana liikutettavien peilien massat ovat hyvin pieniä verrattuna robotilla toteutettuun liikkeeseen. Jos seuraava hitsi on skannerin työalueella, voidaan edellisestä hitsistä siirtyä uuteen hitsiin jopa usean metrin sekuntivauhdilla, jolloin työstö on ns. jatkuvaa. Perinteiseen hitsaukseen verrattuna skannerihitsauksen kokonaisaika on lyhyempi, koska hitsien väliset paikoitusajat lyhenevät käytännössä olemattomiin. Kuvassa 26 on vertailtu perinteisen ja skannerihitsauksen vaikutusta hitsauksen kokonaisaikaan. (Havrilla 2012) 46

47 Kuva 26. Perinteisen ja skannerihitsauksen vertailu hitsauksen kokonaisajan suhteen. (Havrilla 2012). 5.8 Laserhitsauksen vertailu muihin menetelmiin Eri hitsausmenetelmillä on omia erityispiirteitä, teknisiä ja taloudellisia, jotka erottelevat niiden sopivuuden tietyn tyyppisiin hitsauskohteisiin ja -sovelluksiin. Suuren tehotiheyden laser mahdollistaa hyvälaatuisen ja nopean hitsausmenetelmän verrattuna pienemmän tehotiheyden omaaviin kaarihitsausmenetelmiin. Taulukossa 6 on vertailtu eri hitsausprosessien eroja. (Ready 2001, 418; Steen et al. 2010, 201) 47

48 Taulukko 6. Hitsausprosessien vertailu keskenään, + = etu, - = haitta (Steen et al. 2010, 201). Laser Elektronisuihku TIG Vastus Nopeus Vähäinen lämmöntuonti Kapea HAZ Hitsin ulkonäkö Yksinkertainen kappaleen kiinnitys Laitteiston luotettavuus Syvä tunkeuma Hitsaus ilmassa Magneettisien materiaalien hitsaus Heijastavien materiaalien hitsaus Lämpöherkkien materiaalien hitsaus Hitsin luoksepäästävyys + - Ympäristö, melu, höyry Laitteiston hinta Käyttökustannus Eri hitsausprosessien päittäisliitosnopeutta teräkseen on vertailtu taulukossa 7. Liitosnopeus syntyy, kun materiaalin paksuus kerrotaan hitsausnopeudella. Kyseinen arvo kuvaa kuinka paljon syntyy hitsauksessa liitettyä pinta-alaa aikayksikköä kohden. (Kutsuna 2008) 48

49 Taulukko 7. Hitsausprossien vertailu liitosnopeuden suhteen (Kutsuna 2008). Hitsausprosessi Paksuus Hitsausnopeus Liitosnopeus [mm] [mm/min] [mm 2 /min] Kaasuhitsaus 3, SMAW TIG 2, MAG SAW CO 2 -laser (2 kw) CO 2 -laser (5 kw) CO 2 -laser (12 kw) CO 2 -laser (40 kw) Kuitulaser (4 kw) Kuitulaser (10 kw) 4, EBW (45 kw) EBW (75 kw) Taulukosta 7 voidaan havaita, että TIG-hitsausprosessilla 2,3 mm paksun materiaalin liitosnopeus on 1150 mm 2 /min. Kahden millimetrin materiaalille CO 2 - ja kuitulaserilla vastaavat liitosnopeudet ovat 4000 ja mm 2 /min. Liitosnopeuksien suuri ero lasereiden hyväksi johtuu pitkälti suuremmasta hitsausnopeudesta. Eri hitsausprosesseja voidaan vertailla myös niiden liittämishyötysuhteen perusteella. Kyseinen hyötysuhde kuvaa kuinka paljon syntyy liitettyä pinta-alaa käytettyä energiaa kohden. Mitä suurempi hyötysuhde on, sitä vähemmän käytetystä energiasta kuluu hitsattavan kappaleen lämmittämiseen, mikä vaikuttaa HAZ:n muodostumiseen ja mahdollisiin lämmöstä syntyviin muodonmuutoksiin. Taulukossa 8 on vertailtu eri hitsausprosessien liittämishyötysuhteita. (Steen et al. 2010, 200) 49

50 Taulukko 8. Hitsausprosessien vertailu liittämishyötysuhteen suhteen (Steen et al. 2010, 200). Hitsausprosessi Arvioitu liittämishyötysuhde mm 2 /kj Kaasu 0,2 0,5 Puikko 2 3 TIG 0,8 2 Jauhekaari 4 10 Suurtaajuusvastus Elektronisuihku Laser TYÖYMPÄRISTÖN TURVALLISUUS Laserhitsauksessa työympäristön turvallisuudessa on otettava huomioon pitkälti samoja asioita, kuin perinteisessä kaarihitsauksessa. Laservalo asettaa työympäristölle kuitenkin omat haasteensa, koska sen valo on haitallinen silmälle. 6.1 Silmien suojaaminen Laserin haittatekijöistä yleisin on mahdollinen silmän vaurioituminen. Laserit voivat vaurioittaa silmää eri tavoilla riippuen lasersäteen aallonpituudesta ja käytettävästä lasertehosta. Silmän mykiö toimii fokusoivana linssinä, jolloin lasersäde fokusoituu tietyillä aallonpituuksilla verkkokalvolle. Lasertyöstön aikana on myös muistettava, että työstön aikana syntyvät lasersäteen heijastukset ovat haitallisia silmälle, vaikka heijastuneiden säteiden teho on pääsädettä pienempi. Heijastuksien tehotiheydet voivat olla kuitenkin riittävän suuria vaurioittamaan silmää. Taulukossa 9 on havainnollistettu eri aallonpituuksien vaikutuksia silmän eri osiin. (IPG Photonics 2012b; RP Photonics 2012d) 50

51 Taulukko 9. Lasersäteen vaikutus silmän eri osiin (IPG Photonics 2012b). Aallonpituus [nm] Mahdollinen vaurio Laser sarveiskalvo, mykiö excimer (näkyvä aallonpituus) verkkokalvo, näköhermo diodi, kiekko, kuitu, Nd:YAG sarveiskalvo, kaihi sarveiskalvo CO 2 Operaattorin ollessa samassa tilassa lasertyöstön aikana on silmien suojaamiseksi käytettävä turvalaseja. Ne estävät laservalon kulkeutumiseen silmään saakka. Turvalasit on suunniteltu tietylle aallonpituusalueelle, joten eri aallonpituuden lasereille on oltava omat turvalasit. Kuvassa 27 on havainnollistettu kyseisiä turvalaseja. (Ion 2005, 137; Laservision 2012a) Kuva 27. Silmien suojaamiseksi käytettävät turvalasit (Laservision 2012b). 6.2 Ympäristön suojaaminen Nykyisissä kuitu- ja kiekkolasereissa on hyvä säteen laatu ja suuri teho, mikä asettaa uusia vaatimuksia työympäristön turvallisuuteen. Materiaalit, joita käytetään työympäristön eristämiseen muusta ympäristöstä, pitää täyttää standardin EN vaatimukset. Materiaalien kesto jaetaan kolmeen eri luokkaan. Luokassa T1 materiaalin on kestettävä 20 kw laserteho 30 sekunnin ajan. T2-luokassa materiaalin on kestettävä 100 sekuntia. Nykypäivän lasereilla ja optiikoilla on liki mahdotonta pysyä standardin luokkavaatimuksissa suurien tehotiheyksien takia. (Norlas 2003, 5; Reis 2009, 14) 51

52 Turvaseinään voidaan asentaa laserturva-anturi, joka havaitsee mahdolliset vauriot turvaseinässä. Laserin turvapiiriin kytkettynä turva-anturi pystyy laukaisemaan laserin turvapiirin nopeasti ja katkaisemaan laserin toiminnan. Turva-anturi asennetaan valotiiviiseen kennomaiseen suojaseinään, jossa se tarkkailee suojaseinän sisätilaa. Jos lasersäde läpäisee suojaseinän pinnan, turva-anturi havaitsee lasersäteen suojaseinän sisällä ja laukaisee laserin turvapiirin. Kuvassa 28 on Reis Lasertecin valmistama laserturvaanturi. (Reis 2009, 14) Kuva 28. Laserturva-anturi (Reis 2009, 16). 6.3 Muut haittatekijät Lasersäde voi aiheuttaa myös ihovaurioita. Infrapuna-alueella toimivat laserit voivat aiheuttaa lämpövaikutuksia iholle, jotka muistuttavat palovammoja. Lämpövaikutuksen syvyys riippuu lasersäteen aallonpituudesta. Useimmiten laserin aiheuttamilla palovammoilla ei ole pitkäaikaisia vaikutuksia. Ultraviolettialueella toimivat laserit voivat aiheuttaa valokemiallisen reaktion, mikä saattaa aiheuttaa pigmenttimuutoksia, punoitusta ja pahimmassa tapauksessa ihosyöpää. Myös ultraviolettisäteilyä voi syntyä lasertyöstön aikana. (RP Photonics 2012d) Lasertyöstön aikana syntyy myös pieniä hiukkasia, jotka voivat joutua hengityselimiin ja sitä kautta imeytyä verenkiertoon aiheuttaen terveydelle haittavaikutuksia. Lisäksi työstön aikana voi syntyä erilaisia metallihöyryjä ja plasmapilven yhteydessä muodostua myös otsonia. Tästä syystä lasertyöstön aikana on huolehdittava riittävästä ilmanvaihdosta. (Ion 2005, 133) 52

53 7 LASERHITSATTAVA TUOTE Perinteisiä hitsausmenetelmiä hyvin tuntevalle tuotesuunnittelijalle laserhitsaus tuo uusia mahdollisuuksia, kun pyrkii irrottautumaan perinteisistä suunnittelumenetelmistä. Vanhoista suunnitteluperiaatteista ja ohjeistuksista luopuminen saattaa olla vaikeata, koska laserhitsauksesta ja siihen liittyvistä tuotesuunnitteluohjeista on hyvin vähän kirjallista tietoa saatavilla. Lisäksi omat käyttökokemukset lasertyöstöstä saattavat olla olemattomia. (Matilainen et al. 2011, ) Laserhitsattavien tuotteiden suunnittelu jakautuu uusiin laserhitsattaviin tuotteisiin ja vanhojen perinteisillä hitsausmenetelmillä valmistettujen tuotteiden uudelleensuunnitteluun laserhitsaukseen soveltuvaksi. Parhaimpiin lopputuloksiin päästään uusissa tuotteissa, jolloin voidaan huomioida tuotannon koko tuotantoketju materiaalin valinnasta tuotteen lopputoimitukseen. Samalla voidaan hyödyntää muiden nykyajan valmistusmenetelmien etuja. Käytäntö on myös osoittanut sen, että laserhitsattavan tuotteen suunnittelussa on myös huomioitava mahdolliset kiinnitinsuunnittelut heti suunnitteluprosessin alkuvaiheessa. Huonolla kiinnittimellä voidaan pahimmassa tapauksessa pilata koko hitsausprosessi. 7.1 Liitosmuodot Sopivan hitsausliitoksen valintaa vaikuttavat useat tekijät, joita ovat: kokoonpanohitsauksen helppous, työstö- ja hitsaustoleranssit, materiaalikustannukset ja hitsattavan kappaleen kiinnitystarpeet. (Ready 2001, 320) Laserhitsauksessa voidaan hyödyntää pitkälti saman tyyppiä liitosmuotoja, kuin perinteisessä kaarihitsauksessa. Kapea ja syvä hitsi luo myös lisämahdollisuuksia. Yleisimmät liitosmuodot laserhitsauksessa ovat päittäis-, limi- ja T-liitokset. Edellä mainituista liitosmuodoista löytyy myös useita eri variaatioita. Kuvassa 29 on havainnollistettu erilaisia liitosmuotoja. (Ready 2001, 318, 320) 53

54 Kuva 29. Laserhitsaukseen soveltuvia liitosmuotoja (Radaj et al. 1994) Päittäisliitos Päittäisliitoksessa syntyvän hitsin suuri syvyys-leveys-suhde ja I-railon käyttö mahdollistavat hitsien sijoittelun ahtaisiin paikkoihin tai lähelle kulmaa. Syntyvän hitsin aiheuttama jännitysjakauma on tasainen, mikä vähentää tuotteeseen syntyviä muodonmuutoksia. Lisäksi hitsit ovat vahvempia verrattuna muihin liitostyyppeihin, koska kuormituksen aikana voimat kohdistuvat koko hitsin matkalle. Tiiveyden kannalta päittäisliitos on myös parempi verrattuna muihin liitostyyppeihin, koska mahdollisen halkeamana on edettävä koko hitsin läpi, jotta mahdollinen vuoto syntyisi. Kyseinen liitostyyppi vaatii kuitenkin tiukat railotoleranssivaatimukset ja suurta laserin 54

55 kohdistustarkkuutta haluttuun hitsausrailoon. Ohjesääntönä suurimmalle sallitulle ilmaraolle voidaan pitää 5 %:a hitsattavan materiaalin paksuudesta. Paksummilla materiaaleilla ohjesääntö ei enää päde, koska ilmarako kasvaa niin suureksi, jolloin lasersäde pääsee kulkemaan hitsausrailon läpi ilman, että hitsiä syntyy. Tällöin ilmarako on oltava pienempi kuin ohjesääntönä pidetty 5 %. Päittäisliitoksen B luokan hitsin suurimpia sallittuja ilmarakoja ja asetusvirheitä avaimenreikähitsaukselle on havainnollistettu taulukossa 10. (Kujanpää et al. 2005, 174; Ready 2001, 320, 368; Ion 2005, 408) Taulukko 10. Päittäisliitoksen suurimmat sallitut ilmaraot ja asetusvirheet (Quinley 1984). Paksuus s [mm] Ilmarako b [mm] Asetusvirhe t [mm] 0,5 0,025 0,075 0,7 0,04 0,11 1,0 0,05 0,15 2,0 0,10 0,30 4,0 0,12 0,40 5,0 0,15 0,50 6,0 0,18 0,60 8,0 0,24 0,80 10,0 0,30 1,0 Liitospinnan pinnankarheus: 12,5-25 µm Lasersäteen sallittu poikkeama liitoksen keskeltä: 0,1 0,5 mm Päittäisliitos vaatii laserhitsauksessa perinteisiin kaarihitsausmenetelmiin verrattuna tiukemmat railotoleranssit, mikä asettaa tiukkoja vaatimuksia railonvalmistukseen. Esimerkiksi levyleikkurilla leikatun kappaleen reuna ei ole muodoltaan ja tarkkuudeltaan riittävä laserhitsaukseen. Hitsauksen kannalta riittäviin tarkkuuksiin päästään laserleikkauksella ja koneistuksella. (Matilainen et al. 2011, 306) 55

56 7.1.2 Limiliitos Limiliitos on käytetyin liitosmuoto ohuiden materiaalien hitsauksessa, koska se on hitsattavan tuotteen kannalta joustavin liitosmuoto. Se on helppo hallita myös tuotannollisissa olosuhteissa, koska kyseinen liitosmuoto sallii lievemmät railotoleranssit, mikä helpottaa lasersäteen paikoitusta. Suurin sallittu ilmarako hitsattavien kappaleiden välillä on 10 % yhden kappaleen paksuudesta. Hitsiluokka B:n suurimpia sallittuja ilmarakoja on havainnollistettu taulukossa 11. Limiliitos vaatii suuremman lämmöntuonnin kuin päittäisliitos, koska haluttu hitsi syntyy vasta sitten, kun lasersäteen synnyttämä sula ja avaimenreikä saavuttavat hitsauksessa alimmaisena olevan kappaleen. Tästä syystä pitäisi pyrkiä tilanteeseen, jossa hitsattaisiin ohuemman levyn puolelta mahdollisimman suurella hitsausnopeudella, jotta lämmöntuonti pystytään minimoimaan. Lisäksi riittävän tunkeuman arviointi visuaalisesti on vaikeaa, jos hitsi ei ulotu kaikkien hitsattavien levyjen läpi. (Ion 2005, 410; Ready 2001, 320) Taulukko 11. Limiliitoksen suurimmat sallitut ilmaraot (Cleeman 1987). Paksuus Ilmarako s b [mm] [mm] 2 0,10 4 0,20 6 0, ,30 56

57 7.1.3 T-liitos Kuvasta 30 voidaan havaita, että T-liitoksia voidaan hitsata monella eri tavalla. Yleisimmin T-liitos hitsataan yhdeltä puolelta täydellä tunkeumalla, mikä muistuttaa pääperiaatteiltaan päittäisliitosta. Yhdeltä puolelta hitsattavan T-liitoksen etu on se, että hitsausliitoksen takapuolelle ei tarvitse päästä. Kyseisen menetelmän huonona puolena on se, että epäsymmetrinen hitsi saattaa lisätä jännityksiä ja hitsin jähmettyessä vääntää uumaa. Ongelmaa voidaan välttää käyttämällä silloitusta tai kiinnittimiä. Toinen tapa T- liitoksen tekemiselle on hitsata molemmilta puolilta erikseen tai kahdella samanaikaisella lasersäteellä. Kuvassa 30 on havainnollistettu T-liitosta. (Ion 2005, ; Matilainen et al. 2011, 306) Uuma Hitsi Kuva 30. Vasemmalla on yhdeltä puolelta hitsattu T-liitos ja oikealla kahdelta puolelta hitsattu T-liitos (Ion 2005, 409). Laippa T-liitoksen hitsaus pyritään hitsaamaan mahdollisimman pienellä kulmalla laippaan nähden. Lisäksi lasersäde on pyrittävä kohdistamaan tarkasti uuman ja laipan väliseen kulmaan. Oikea kohdistuspaikka riippuu kuitenkin paljon hitsattavasta tuotteesta. T- liitoksen suurimpia sallittuja ilmarakoja B-luokan hitsille on havainnollistettu taulukossa 12. (Kujanpää et al. 2005, 245) 57

58 Taulukko 12. T-liitoksen suurimmat sallitut ilmaraot (Cleeman 1987). Paksuus Ilmarako s b [mm] [mm] 2 0,10 4 0,15 6 0,2 10 0, Kiinnittimet Kiinnittimen tarkoituksena on paikoittaa hitsattavat osat tarkasti oikeaan paikkaan ja pitää ne paikoillaan hitsauksen aikana. Paikoitus perustuu tarkkoihin osiin tai kiinnitysvoimaan, joka paikoittaa hitsattavat kappaleet tarkasti vasteeseen. Lisäksi kiinnitin ei saa rajoittaa tuotteen hitsattavuutta. Perinteisiin kaarihitsauksessa käytettäviin kiinnittimiin verrattaessa laserhitsauksessa tarvittavat kiinnitysvoimat ovat pienempiä, koska muodonmuutoksien aiheuttamat voimat ovat pieniä vähäisen lämmöntuonnin takia. Näin ollen kiinnittimet ovat kevyempiä ja paineilma on riittävä tarvittavan voiman tuottamiseen. (Salminen 2009; Kujanpää et al. 2005, 175) Laserhitsauksessa kiinnittimiltä vaaditaan erityistä tarkkuutta, koska mahdollisia ilmarakoja liitoskohdassa ei voida kompensoida polttopisteen koolla. Näin ollen paikoitustarkkuuden on oltava jopa ± 0,1 mm. Lisäksi hitsattavan tuotteen kiinnittäminen ja irrottaminen on aikaa vievä työvaihe, ja siksi tuotannollisesti kallis. Kappaleen käsittelyyn voi kulua jopa 90 % laserhitsaustyövaiheen kestosta. Hyvällä kiinnittimellä voidaan kallista kappaleenkäsittelyaikaa lyhentää, parantaa hitsauslaatua ja vähentää jälkityöstön tarvetta. (Ion 2005, 410; Kujanpää et al. 2005, 175; Salminen 2009) 58

59 Hitsattavat osat voidaan kiinnittää erilliseen runkoon, mikä estää hitsauksen aikana syntyviä muodonmuutoksia, kun hitsi jäähtyy ja kutistuu. Kiinnityksen avulla estetään liitospintojen aukeaminen hitsauksen aikana. Erityisesti ohuita materiaaleja hitsattaessa ilmenevää osien kaareutumista pystytään vähentämään, kun kiinnittimet saadaan sijoitettua mahdollisimman lähelle hitsiä. (Ion 2005, 410) Hitsin poikittaisesta ja pitkittäisestä kutistumisesta syntyvät voimat voivat ylittää kiinnityksessä olevan kitkavoiman, mikä aiheuttaa muodonmuutoksia hitsattavaan kappaleeseen. Tällöin muodonmuutoksia voidaan vähentää käyttämällä puristavien kiinnittimien sijasta erilaisia koloja ja uria, joihin hitsattavat kappaleet asetellaan. Joissakin tapauksissa hitsattavien kappaleiden oma massa on jo riittävän hyvä takaamaan riittävän kiinnityksen. (Ion 2005, 410) Laserhitsauksessa lasersäde voi kulkea hitsattavan kappaleen läpi, jolloin säde voi sulattaa hitsattavan kappaleen alla olevaa kiinnitintä ja aiheuttaa roiskeita. Jos hitsattavan kohdan takapuolella ei ole juurikanavaa, voi hitsattava kappale tarttua kiinnittimeen. Lisäksi juurikanavan on oltava riittävän suuri, jotta mahdolliset roiskeet eivät kimpoaisi hitsattavaan kappaleeseen. Myös urassa oleva ilma lämmetessään laajentuu ja saattaa puhaltaa sulan pois hitsistä. Juurikanavaan voidaan tarvittaessa myös tuoda suojakaasu juuripuolen suojausta varten. Kuvassa 31 on havainnollistettu juurikanavaa päittäisliitosta tehtäessä. (Kujanpää et al. 2005, 176; Salminen 2009) 59

60 Hitsattavat kappaleet Juurikanava Kuva 31. Juurikanavan käyttö laserhitsauksessa (Salminen 2009). Laserhitsauksen aikana kappaleeseen syntyvä lämpö jää kappaleeseen tai johtuu kiinnittimeen, mikä saattaa aiheuttaa kiinnittimessä muodonmuutoksia. Sarjatuotannossa tämä voi muodostua ongelmaksi, jolloin täytyy huolehtia myös kiinnittimen tarvittavasta jäähdytyksestä esimerkiksi toteuttamalla jäähdyttävä vesikierto kiinnittimeen. (Salminen 2009) 8 KOTELON UUDELLEEN SUUNNITTELU Diplomityön tarkoituksena oli selvittää erään kotelon laserhitsattavuutta. Alkuperäinen kotelo koostuu useasta eri osasta. Lisäksi kotelon kokoaminen vaati useita eri työvaiheita. Tästä syystä päätettiin tutkia, onko koteloa mahdollista yksinkertaistaa ja hitsata sitä laserilla kasaan. Tämän lisäksi kotelon on oltava hermeettinen. Hitsattavan kotelon pääty muistuttaa muodoltaan silinterihattua. Kuvassa 32 on havainnollistettu kotelon muotoa. 60

61 Kuva 32. Hitsattavan kotelon periaatekuva. 8.1 Alkuperäinen kotelo Alkuperäinen kotelo koostui viidestä eri osasta, jotka vaativat erilaisia valmistusmenetelmiä. Lisäksi kotelon mitoissa oli useita toleroituja mittoja, joiden hallinta on erityisen haasteellista. Alkuperäisen kotelon mitat on esitelty liitteissä. Taulukossa 13 on esitelty alkuperäisen kotelon valmistukseen tarvittavat materiaalit. Taulukko 13. Alkuperäisen kotelon materiaalitiedot. Piirustusnumero Osan nimi Materiaali Paksuus [mm] Määrä Pohjalevy S355J2G3 0, Välilevy S355J2G3 4, Suojakuori Aisi 316 L 0, Suojakuoren pääty Aisi 316 L 0,5 2 61

62 8.2 Uuden kotelon suunnittelu Uuden kotelon suunnittelussa pyrittiin suunnittelemaan kotelo siten, että se olisi hyvin laserhitsattavissa ja alkuperäisen kotelon piiruksissa olevien toleroitujen mittojen hallinta olisi helpompaa. Lisäksi pyrittiin pääsemään eroon erillisistä suojakuoren päädyistä Pohjalevy Alkuperäisessä pohjalevyssä olevat helmataitokset ovat haasteellisia valmistaa, koska pohjalevyn kokonaisleveys on toleroitu. Näistä helmataitoksista pyrittiin pääsemään eroon. Lisäksi alkuperäisessä kotelossa olevat suojakuoren päädyt pyrittiin yhdistämään pohjalevyyn. Materiaalin piti olla asiakkaan vaatimusten takia magneettinen, Tästä syystä materiaaliksi valittiin DC01. Alkuperäinen paksuus oli 0,8 mm. Paksuus muutettiin 1,0 mm:iin, jotta kotelon sivun paksuuden hallinta olisi helpompaa. Pohjalevy valmistetaan laserleikkaamalla, jolloin pohjan toleroitujen mittojen hallinta on helpompaa. Pohjalevyyn yhdistetyt suojakuoren päädyt särmätään pohjalevystä laserleikkauksen jälkeen. Tästä syystä suojakuoren päätyjen materiaali muuttui pohjalevyä vastaavaksi. Pohjalevyn mitat on esitelty liitteissä. Kuvassa 33 on esitelty nykyinen versio pohjalevystä. 62

63 Kuva 33. Pohjalevyn nykyinen malli Välilevy Alkuperäiseen välilevyyn ei tehty merkittäviä muutoksia. Materiaali ja sen paksuus pidettiin alkuperäisen mukaisena. Ainoastaan välilevyn ulkomittoja muutettiin siten, että se mahtuu uuden kotelon sisään. Välilevyn mitat on esitelty liitteissä. Välilevy valmistetaan myös laserleikkaamalla. Kuvassa 34 on välilevy. 63

64 Kuva 34. Välilevyn nykyinen malli Suojakuori Alkuperäiseen suojakuoreen ei tehty merkittäviä muutoksia. Se sovitettiin mitoiltaan pohjalevyyn sopivaksi. Suojakuoren alkuperäinen paksuus oli 0,5 mm. Paksuus muutettiin 1,0 mm:iin, jotta kotelon sivun paksuuden hallinta on helpompaa. Pohjalevy valmistetaan laserleikkaamalla, jonka jälkeen suojakuori särmätään haluttuun muotoon. Suojakuoren mitat on esitelty liitteissä. Kuvassa 35 on esitelty nykyinen versio suojakuoresta. 64

65 Kuva 35. Suojakuoren nykyinen malli Kokonainen kotelo Kotelo koostuu kolmesta eri osasta, joiden materiaalitiedot ovat taulukossa 14. Kaikki osat on valmistettavissa laserleikkaamalla ja särmäämällä. Taulukko 14. Uuden kotelon materiaalitiedot. Osan nimi Materiaali Paksuus [mm] Määrä Pohjalevy DC01 1,0 1 Välilevy S355J2G3 4,0 1 Suojakuori AISI 316 L 1,0 1 Kokonainen kotelo kasataan asettelemalla osat päällekkäin. Pohjalevyn päätyjen väliin asetetaan välilevy ja niiden päälle asetetaan suojakuori. Kokonainen kotelo on esitelty kuvassa

66 Kuva 36. Kokonainen kotelo. Alkuperäisen kotelon monet toleroidut mitat asettavat suuren haasteen osien valmistuksessa ja niiden toisiinsa sovittamisessa. Uudessa kotelossa kaikki osat pyrittiin suunnittelemaan niin, että niiden vaaditut toleroidut mitat osuisivat toleranssialueen keskelle. Uuden kotelon mitat on esitelty liitteissä. Kotelon pitää olla hitsauksen jälkeen täysin tiivis. Tiiveyden kannalta uuden kotelon kriittisin kohta arvioitiin olevan suojakotelon päädyn alanurkassa, jossa pohjalevystä särmätty pääty ja suojakuori liittyvät toisiinsa. Kuvassa 37 on havainnollistettu kyseistä paikkaa. 66

67 Kuva 37. Tiiveyden kannalta kotelon kriittisin kohta. 9 KIINNITTIMEN SUUNNITTELU Kiinnittimen suunnittelussa pyrittiin siihen, että kiinnitin olisi yksinkertainen ja mahdollisimman helposti valmistettavissa. Lisäksi käytettäisiin mahdollisimman paljon valmisosia hyödyksi. Hitsattava kotelo muistuttaa muodoltaan silinterihattua. Tästä syystä kotelon kiinnitys pyrittiin tekemään reunoilta. Lisäksi kiinnittimen osat pyrittiin pitämään mahdollisimman matalana, jotta lasersäteen ja hitsausoptiikan eteen ei tulisi mitään hitsausta haittaavia ulokkeita. Hitsattavan kotelon pituus voi vaihdella. Tästä syystä kiinnitin pyrittiin suunnittelemaan siten, että kiinnittimessä pystyttäisiin hitsaamaan erimittaisia koteloita. Työn kannalta päätettiin valmistaa kiinnitin, jolla voitaisiin hitsata 300 mm pitkä kotelo. Lisäksi päätettiin mallintaa kiinnitin, joka soveltuu 1500 mm pitkän kotelon hitsaamiseen. Kiinnitin koostuu pohjalevystä, sivuilla olevista kiiloista, molemmissa päissä olevista puristimista ja kolmesta työntötankokiinnittimestä. Kuvassa 38 on esitelty kotelolle suunniteltu kiinnitin, joka soveltuu maksimissaan 300 mm pitkälle kotelolle. 67

68 Kuva 38. Kiinnitin, jossa voidaan hitsata maksimissaan 300 mm pitkä kotelo. 9.1 Pohjalevy Pohjalevy valmistettiin 6 mm paksusta S355-teräslevystä laserleikkaamalla. Tarvittavat reiät ja juurikanavat leikattiin myös laserilla. Kotelon paikoitus kiinnittimessä sivuttaissuunnassa toteutettiin koneistamalla teräslevyyn 112 mm levyä ja 2 mm syvä ura, joka paikoittaa kotelon oikeaan asentoon kiinnittimessä. Kotelon leveys on toleroitu, joten uran leveys on koneistettu toleroidun kotelon leveyden ylärajalle. Pohjalevyn mitat on esitelty liitteissä. Kuvassa 39 on havainnollistettu kiinnittimeen koneistettua uraa, johon hitsattava kotelo asetetaan. Ura Kuva 39. Kiinnittimen ura koteloa varten. Tarve erimittaisien koteloiden hitsaamiselle toteutettiin tekemällä uraan reikiä 25 mm välein, joiden avulla työntötankokiinnittimen paikkaa voidaan siirtää tarpeen mukaan. 68

69 Lisäksi uran molemmille reunoille tehtiin juurikanavat estämään kotelon hitsautumista kiinnittimeen. Kuvassa 40 on havainnollistettu juurikanavia ja työntötankokiinnittimen paikan siirtämistä varten tehtyjä reikiä. Työntötanko- kiinnittimen säätöreiät Juurikanavat Kuva 40. Kiinnittimen juurikanavat ja työntötankokiinnittimen paikan säätöreiät. 9.2 Kiilat Kiinnittimen molemmilla puolilla on kiilat, jotka koostuvat paikoillaan olevasta takakiilasta ja työntötankokiinnittimillä liikkuvista etukiiloista. Kun kiinnitin on auki, etukiila on vetäytyneenä sivuun. Kun kiinnitin laitetaan kiinni, etukiila työntyy pohjalevyyn koneistetun uran reunan yli ja kiristää hitsattavan kotelon pohjalevyssä olevaan uraan. Liikkuvan etukiilan liike pituussuunnassa on 25 mm. Etukiilan ollessa kiinni, sen reuna on työntynyt pohjalevyssä olevan uran reunan yli 1 mm matkan, mikä riittää lukitsemaan hitsattavan kotelon kiinnittimeen. Kiilojen mitat on esitelty liitteissä. Kiilojen toimintaa on havainnollistettu kuvassa

70 Etukiila Takakiila Kuva 41. Vasemmalla on liikkuva etukiila aukiasennossa ja oikealla kuvassa kiinniasennossa. Sivukiilat valmistettiin 6 mm S355-teräslevystä laserleikkaamalla. Tämän jälkeen liikkuvien kiilojen reunaan tehtiin viiste, jotta kiilan kulma ei ole lasersäteen tiellä. Tässä tapauksessa viiste tehtiin hiomalla. Viisteen tekeminen koneistamalla on myös mahdollista. Kiilojen mitat on esitelty liitteissä 9.3 Puristimet Pohjalevyyn koneistetun uran toisessa päässä on kiinteä puristin ja uran toisessa päässä työntötankokiinnittimessä liikkuva puristin. Näillä puristetaan hitsattava kotelo pituussuunnassa kasaan. Kuvassa 44 on havainnollistettu puristimia. 70

71 Kuva 42. Vasemmalla on kiinteä puristin ja oikealla liikkuva puristin. Puristimet valmistettiin 6 mm paksusta S355-teräslevystä laserleikkaamalla tarvittavat kappaleet. Kappaleet puristettiin yhteen kierretankojen ja muttereiden avulla. Tämän jälkeen kappaleet laserhitsattiin yhteen, jolloin muodostui yksittäinen kappale. Hitsauksen jälkeen kiinteään puristimeen porattiin tarvittavat reiät kiinnittämistä varten. Puristimet voitaisiin myös valmistaa koneistamalla yhdestä kappaleesta. Puristimien mitat löytyvät liitteistä. 9.4 Muut osat Muut tarvittavat osat kiinnittimen valmistamiseen ovat standardiosia: ruuveja, muttereita ja aluslevyjä. Kiinnittimen toiminnan kannalta tärkeimpiä ovat kuitenkin kolme työntötankokiinnitintä, joilla saadaan toteutettu etukiilojen ja liikkuvan puristimen tarvitsemat liikkeet. Työntötankokiinnittimiksi valittiin AMF:n valmistamat kiinnittimet, joiden tyyppi on Kuvassa 43 on havainnollistettu kyseistä työntötankokiinnitintä. 71

72 Kuva 43. AMF:n valmistama työntötankokiinnitin. Työntötankojen välittämä liike etukiilalle toteutettiin hitsaamalla kiiloihin kulmaraudat, joiden avulla työntötankokiinnitin liittyy etukiilaan. Kulmat valmistettiin myös laserleikkaamalla ja lopuksi osat särmättiin haluttuun muotoon. Kulmien mitat on esitelty liitteissä. 9.5 Valmis kiinnitin Kiinnittimen kaikki osat valmistettiin levyosista laserleikkaamalla. Ainoat koneistukset olivat pohjalevyssä oleva ura ja kiinteään puristimeen poratut reiät. Kiinnittimen kulmat särmättiin haluttuun kulmaan ja laserhitsattiin kiinni etukiiloihin. Lisäksi liikkuva ja kiinteä puristin laserhitsattiin kasaan. Kuvassa 44 on valmis 300 mm pitkän kotelon hitsaukseen tarkoitettu kiinnitin. 72

73 Kiinnittimen kulma Kuva 44. Valmis 300 mm pitkän kotelon hitsaukseen tarkoitettu kiinnitin. 10 KOTELON HITSAUS Hitsauskokeet tehtiin Koneteknologiakeskus Turku Oy:n robottihitsaussolussa, joka on varusteltu kaari- ja laserhitsauslaitteistolla. Kokeissa käytettävä laitteisto koostui kuitulaserista, hitsausoptiikasta ja robotista IPG 10 kw-kuitulaser Testeissä käytetty laser oli IPG:n valmistama 10 kw-kuitulaser, jossa oli kolme 200 µm halkaisijalla olevaa kuitua. Yksi kuiduista oli kytketty testeissä käytettyyn hitsausoptiikkaan. Laseryksikön koko on 150 cm x 100 cm x 180 cm. Kuvassa 45 on Koneteknologiakeskus Turku Oy:n kuitulaser. Kuitulaserin yhteydessä on myös erillinen jäähdytinyksikkö, jonka koko on 150 cm x 90 cm x 175 cm. 73

74 Kuva 45. IPG 10 kw-kuitulaser Precitec YW52-laserhitsauspää Testeissä käytetty optiikka oli Precitecin valmistama YW52-laserhitsauspää, jonka kollimointipituus on 200 mm ja polttoväli 300 mm. Näin ollen polttopisteen halkaisija 200 µm kuidulla on 0,3 mm. Kuvassa 46 on Koneteknologiakeskus Turku Oy:n laserhitsauspää. Kyseisessä laserhitsauspäässä on kääntöpeili, joka kääntää lasersädettä 90 astetta hitsauspään sisällä. Fokusointilinssin alapuolella on erillinen poikittaispuhallus, jonka tarkoituksena on estää mahdollisien roiskeiden nouseminen suojaikkunalle saakka. Lisäksi laserhitsauspään suojakaasu on toteutettu koaksiaalisesti. 74

75 Optinen kuitu ja jäähdytysvesien letkut Kääntöpeili jäähdytysvedet jäähdytysvedet Fokusointilinssi Poikittaispuhallus Koaksiaalinen suojakaasu Kuva 46. Precitec YW52-laserhitsauspää Motoman UP50-nivelvarsirobotti Laserhitsauspää oli liitetty Motomanin UP50-nivelvarsirobottiin. Tämän lisäksi kyseinen robotti oli asennettu erilliseen portaalin, jolloin robottihitsaussolun käytettävissä oleva työalue on 12 m x 2,5 m x 1,5 m. Kuvassa 47 on Koneteknologiakeskus Turku Oy:n nivelvarsirobotti, joka on asennettu portaaliin. 75

76 Kuva 47. Motoman UP50-nivelvarsirobotti, joka on asennettu portaaliin Parametrien kartoitus Kotelon hitsaamiseen tarvittavia parametreja kartoitettiin suorilla koekappaleilla, joiden avulla testattiin kotelon hitsauksessa tarvittavia liitosmuotoja ja materiaalipareja. Koekappaleiden koko oli 50 mm x 100 mm. Hitsien laatu arvioitiin silmämääräisesti ja niiden lujuus testattiin pyrkimällä irrottamaan hitsatut kappaleet toisistaan. Kotelossa tarvittavat liitosmuodot ja liitosparit on esitelty taulukossa 15. Taulukko 15. Kotelossa tarvittavat liitosmuodot ja liitosparit. Liitos Materiaali 1 Materiaali 2 Kulman päittäisliitos DC01, 1 mm AISI 316 L, 1 mm Liepeen limiliitos DC01, 1 mm AISI 316 L, 1 mm Reunan T-liitos AISI 316 L, 1 mm S355J2G3, 4 mm 76

77 Parametrien kartoituksien perusteella saatiin koteloiden hitsaamista varten taulukossa 16 olevat lähtöarvot. Suojakaasuna käytettiin argonia, jonka virtausnopeus oli 20 l/min. Polttopisteen positiivinen arvo tarkoittaa sitä, että polttopiste on hitsattavaan kappaleen pinnan yläpuolella. Negatiivinen arvo tarkoittaisi sitä, että polttopiste on kappaleen pinnan alapuolella. Kulma kuvaa lasersäteen kallistuskulmaa hitsauksen etenemissuuntaan nähden. Positiivinen arvo on kallistuneena eteenpäin ja negatiivinen taaksepäin. Tällöin 0 astetta tarkoittaa sitä, että lasersäde on kohtisuorassa kappaleen pintaan hitsauksen etenemissuunnassa. Kierto kuvaa lasersäteen kiertymiskulmaa hitsauksen etenemissuuntaan nähden. 0 astetta tarkoittaa sitä, että lasersäde ei ole kallistunut kummallekaan puolelle hitsauksen etenemissuuntaan nähden. Taulukko 16. Parametrien kartoituksessa saadut lähtöarvot koteloiden hitsaukseen. Liitos Teho [W] Nopeus [m/min] Polttopisteen sijainti Kulma [ ] Kierto [ ] [mm] Kulman päittäisliitos 560 1, Liepeen limiliitos , Reunan T-liitos , Kotelon hitsaus Ennen kiinnittimeen asettamista kotelo koottiin asettelemalla pohjalevyn päälle välilevy ja suojakuori. Kokonainen kotelo asetettiin tämän jälkeen kiinnittimeen. Kiinnittimeen asetettua koteloa on havainnollistettu kuvassa 48. Koteloiden hitsaus aloitettiin 102 mm pitkällä kotelolla, jolla testattiin kotelon ja kiinnittimen toimivuutta. Lopullisten koteloiden pituus oli 242 mm. 77

78 Kuva 48. Kiinnittimeen asetettu kotelo. Kotelot hitsattiin kasaan siten, että aluksi hitsattiin kotelon molemmat päädyt, jotka koostuvat kulman päittäisliitoksesta. Päätyjen hitsausta on havainnollistettu kuvassa 49. Kuva 49. Kotelon päädyn hitsaus. Seuraavaksi hitsattiin kotelon molemmat liepeet, jotka hitsattiin limiliitoksena. Liepeiden hitsausta on havainnollistettu kuvassa

79 Kuva 50. Kotelon liepeen hitsaus. Lopuksi hitsattiin kotelon molemmat reunat, jotka koostuvat reunan T-liitoksesta. Reunan hitsausta on havainnollistettu kuvassa

80 Kuva 51. Kotelon reunan hitsaus. Kotelon hitsauksessa käytetty hitsausrata ohjelmoitiin robotille käsipaneelia käyttäen. Hitsausrataa korjattiin paremmaksi koteloiden hitsauksien välillä. Lisäksi parametrien kartoituksessa saatuja hitsausparametreja pyrittiin parantamaan hitsattujen koteloiden välillä. Lopulliset parametrit muotoutuivat hitsauksien aikana taulukon 17 mukaisiksi. Suojakaasuna käytettiin argonia virtausnopeudella 25 l/min. Kaikkien hitsattujen koteloiden hitsausparametrit ovat esitelty liitteissä. Taulukko 17. Lopulliset parametrit koteloiden hitsaukseen. Liitos Polttopisteen Teho Nopeus Kulma Kierto sijainti [W] [m/min] [ ] [ ] [mm] Kulman päittäisliitos , Liepeen limiliitos , Reunan T-liitos ,

81 11 KOTELON VALMISTUSAIKA JA -KUSTANNUKSET Laserhitsatun 242 mm pitkän magneettikotelon valmistusaikaa ja -kustannuksia arvioitiin jokaisen työvaiheen osalta. Lisäksi osien materiaalikustannuksia arvioitiin osien tilavuuden ja kilohinnan perusteella. Materiaalien kilohinnat kysyttiin Rautaruukki Oy:ltä. Uusi kotelo koostuu kolmesta erillisestä osasta, joiden yhteinen materiaaliskustannus on 2,15. Tarkemmat laskelmat on esitelty liitteissä. Valmistusaikaa arvioitiin erikseen laserleikkauksen, särmäyksen ja laserhitsauksen suhteen. Laserleikkauksen leikkausnopeutena käytettiin Finn-Power LPe5-levytyökeskuksen oletusnopeuksia tarvittaville materiaaleille. Kokonaisleikkausaika kaikille osille oli 30,07 s. Laserleikkauksen tuntihintana laskelmissa käytettiin 100 /h, joten leikattujen osien hinta on 0,84. Tarkemmat laskelmat on esitelty liitteissä. Särmäystä tarvittiin pohjalevyssä ja suojakuoressa, jotka särmättiin Amada HFE särmäyspuristimella. Särmäyksessä yhden särmän taivutukseen kuluvaksi ajaksi arvioitiin 30 sekuntia. Kokonaissärmäysaika kahdelle osalle oli 240,0 s. Särmäyksen tuntihintana laskelmissa käytettiin 50 /h. Särmäyksen kokonaishinta on 3,33. Tarkemmat laskelmat on esitelty liitteissä. Kotelon laserhitsauksessa tehtiin kuusi hitsiä. Kahdessa hitsissä hitsausnopeus oli 30 mm/s ja lopuissa hitseissä 50 mm/s. Kotelon laserhitsausaika oli 58,26 s. Laserhitsauksen tuntihintana käytettiin 100 /h. Laserhitsauksen kokonaishinta on 1,62. Tarkemmat laskelmat on esitelty liitteissä. Kaikkien työvaiheiden jälkeen kotelon kokonaisvalmistusajaksi arvioitiin 328,34 sekuntia. Eri työvaiheiden konetuntihintojen perusteella valmistuksen kokonaishinnaksi arvioitiin 4,17. Kun edellä olevaan kokonaishintaan lisätään materiaalikustannuksen, niin kotelon kokonaishinta on 6,32. Tarkemmat laskelmat on esitelty liitteissä. 12 TULOSTEN TARKASTELU Testien aikana hitsattiin 68 koloa. Ensimmäiset hitsauskokeet tehtiin 102 mm pitkille koteloille, joilla pyrittiin testaamaan kotelon ja kiinnittimen toimivuutta. Loput 81

82 hitsauskokeet tehtiin 242 mm pitkille koteloille. Testeissä käytetyt parametrit löytyvät liitteistä Osien valmistus Kotelossa käytettävien aihioiden laserleikkaus Finn-Power LPe5-levytyökeskuksella onnistui hyvin. Aihioiden kriittiset toleroidut mitat asettuivat vaadittavien toleranssialueiden keskelle. Pohjalevy ja suojakuori särmättiin haluttuun muotoon. Kaikkia laserleikattuja aihioita ei särmätty yhdellä kertaa. Osia särmättiin tarpeen mukaan, jolloin särmäysoperaattori vaihtui. Eri operaattoreiden särmäämien osien välillä havaittiin eroja. Kokeneen operaattorin särmäämät osat olivat halutuissa mitoissa ja tasalaatuisia. Kokemattoman harjoittelijan särmäämien osien laatu vaihteli ja pahimmassa tapauksessa esti osien käytön koteloiden hitsauksessa. Erityisesti kotelon päädyn hitsauksessa havaittiin ongelmia huonosti särmättyjen aihioiden takia, koska päädyn kulman päittäisliitos vaatii tiukat railotoleranssit. Pohjalevyn ja suojakuoren särmäyksessä käytettiin 0,6 mm pyöristyksellä olevaa särmäysterää, joka oli pienin Koneteknologiakeskus Turku Oy:ltä löytyvä. Kyseisellä terällä kotelon kulmaan jää pieni reikä Hitsaus Koteloiden hitsaukseen suunniteltu kiinnitin toimi halutulla tavalla, eikä sen toiminnassa havaittu puutteita tai parannustarpeista. Sillä saatiin paikoitettu hitsattavat osat halutulla tavalla ja hitsausliitoksiin riittävä puristus hitsauksen ajaksi. Kotelon liepeiden ja reunojen hitsaus ei tuottanut ongelmia. Hitsauksen onnistumiselle minimivaatimus oli riittävä laserteho, jotta hitsi muodostuu molempiin hitsattaviin levyihin. Riittävän tehotiheyden käytön lisäksi hitsien liitostyypit eivät vaatineet suurta paikoitustarkkuutta. Jos laserteho oli liian pieni, aiheutti se liepeen limiliitoksen ja reunan T-liitoksen epäonnistumisen. Kuvassa 52 on esimerkki epäonnistuneesta liepeen hitsauksesta, mikä johtui väärästä polttopisteen sijainnista ja siitä johtuneesta pienemmästä tehotiheydestä. 82

83 Auki oleva lieve Kuva 52. Auki oleva lieve hitsauksen jälkeen (120709TKU004). Kotelon päädyn hitsaus onnistui myös halutulla tavalla. Hitsauskokeiden alussa polttopiste sijaitsi 10 mm kotelon pinnan yläpuolella, jolloin hitsi oli kapea. Pahimmassa tapauksessa kotelon pintaan saattoi syntyä reikä. Nostamalla polttopiste 20 mm:iin hitsattavaan pintaan saatiin aikaiseksi leveämpi sula, mikä mahdollisti samalla lievemmät radan paikoitustarkkuudet. Kuvassa 53 on havainnollistettu hitsejä, kun polttopiste on 10 mm ja 20 mm kotelon pinnasta. 83

84 120103TKU TKU004 Kuva 53. Polttopisteen sijainnin vaikutus hitsin leveyteen. Vasemmalla hitsi, kun polttopiste on 10 mm kotelon pinnasta ja oikealla 20 mm pinnasta. Koteloiden hitsauksessa haasteellisimmaksi osoittautui kotelon kulman saaminen tiiviiksi. Hitsausrataa pyrittiin parantamaan koteloiden hitsauksien välillä erityisesti kulmien osalta. Silmämääräisessä tarkastelussa kulmien tiiveys vaihteli hitsattavien koteloiden välillä, vaikka hitsausrataa ei muutettu. Päädyn hitsausradan aloitus- ja lopetuspiste olivat kotelon kulmissa. Kulmien hitsausta paransi se, että sädettä pidettiin paikoillaan kulmissa hetken aikaa, jotta saatiin aikaiseksi enemmän sulaa. Pysäytysaika oli 0,3 s Kotelon tiiveys Koteloiden hitsejä arvioitiin hitsauksen jälkeen silmämääräisesti. Kotelolta vaaditun hermeettisyyden takia etsittiin kohtia, joissa hitsattavat osat eivät olleet hitsautuneet yhteen. Erityisesti huomiota kiinnitettiin kuvassa 54 olevaan kulmaan, joka arvioitiin kotelon suunnitteluvaiheessa kriittiseksi kohdaksi. 84

85 Kriittinen kulma Kuva 54. Kriittiseksi kohdaksi arvioitu kulma hitsauksen jälkeen (120301TKU004). Silmämääräisesti arvioituna parhaiten onnistuneiden koteloiden tiiveys testattiin lopuksi tunkeumanesteellä. Kotelon suojakuoreen porattiin reikä, josta tarvittava määrä tunkeumanestettä kaadettiin kotelon sisään. Lisäksi kotelon ulkopintaan ruiskutettiin valkoinen kehite, jonka avulla havaittiin mahdolliset kotelon vuotokohdat. Kuvassa 55 on kotelo, jonka tiiveys on tarkistettu tunkeumanesteellä. 68 hitsatusta kotelosta tunkeumanestetarkastus tehtiin 24 kotelolle. Kyseisistä koteloista ainoastaan yksi oli täysin tiivis. 85

86 Tunkeumanestettä varten porattu reikä Läpi tullut tunkeumaneste Kehite Kuva 55. Tunkeumanesteellä tarkistettu kotelo (120301TKU007) Reuna ja lieve Tunkeumanesteellä tarkistetuista koteloista havaittiin, että kotelon reunat ja liepeet olivat tiiviitä. Kuvassa 56 on havainnollistettu koteloa, jonka reunat ja liepeet ovat tiiviitä. Kuva 56. Tiivis kotelon reuna ja lieve (120713TKU001) Pääty Koteloiden päädyt olivat myös pääosin tiiviitä lukuun ottamatta kolmea koteloa, joissa havaittiin vuotokohtia. Syynä vuotokohtiin olivat hitsauksen aikana syntynyt huokonen ja hitsausradan epätarkka paikoitus. Kuvassa 57 on esimerkki kotelosta, jonka päädyssä on 86