Koneteknologiakeskus Turku Oy

Transkriptio

1

2 LASERHITSAUKSEN HYÖDYNTÄMINEN TEKNOLOGIATEOLLISUUDESSA Antti Salminen

3 Työstölaserit

4 Laserlaitemarkkinat 4

5 Laser Suljin Takapeili Laseroiva väliaine Ulostuloikkuna Tehokaivo Lasersäde syntyy resonaattorissa, jonka päissä on peilit. Peilien välissä on laseroiva väliaine, joka on kaasua, kiinteää tai nestettä. Ulostuloikkuna on osittain läpäisevä ASA 5

6 Laser Ulkoinen energia: sähkövirta, valo Suljin Takapeili Laseroiva väliaine Ulostuloikkuna Tehokaivo Ulkoinen energia virittää laseroivan väliaineen molekyylit tai atomit, jotka palautuvat välittömästi normaali energia tasolle ja luovuttavat fotonin ASA 6

7 Laser Ulkoinen energia: sähkövirta, valo Suljin Takapeili Laseroiva väliaine Ulostuloikkuna Tehokaivo Fotonin törmätessä virittyneeseen atomiin lähtee siitä fotoni, jolla on sama suuta ja vaihe kuin törmänneellä fotonilla. Hyvin nopeasti jäljellä on vain optisen akselin suuntaisia fotoneita ASA 7

8 Laser Ulkoinen energia: sähkövirta, valo Suljin Takapeili Laseroiva väliaine Ulostuloikkuna Tehokaivo Lasersäde syntyy resonaattoriin. Ulostuloikkunan läpäisevä energia ohjataan tehokaivoon. Työstössä suljin avataan ja säde pääsee työasemaan ASA 8

9 Valo ASA 9

10 Laservalo ASA 10

11 Fokusointi Valo Laservalo Linssi Polttopiste?? Polttopiste ASA 11

12 Laserien kehitystrendit Suurempia tehoja Parempi säteenlaatu teholuokassa Laitteen pienempi fyysinen koko Luotettavuus Integroitavuus Hintojen lasku ASA 12

13 Materiaalintyöstölaserit Mikrotyöstösovellukset Röntgen Ultravioletti Näkyvä Infrapuna Konepajasovellukset Lähi Keski Pitkä Röntgen Ultravioletti Näkyvä Infrapuna Lähi Keski Pitkä 0,1nm µ m 10µ m 30µ m Pieni teho Suuri teho Excimer laserit F2 laser( λ=157nm) ArF laser ( λλ =193 nm) KrF laser ( =248nm) XeCl laser ( λ=308nm) Diodipumpattu YAG ( λ=266, 354, 532, 1064 nm) Er-yag (λ=3000nm) HeNe ( λ=632,8nm) CO 2 laser ( λ =9,2, 9.4, 9,6, 10,6 µ m) Kuitulaser ( λ=1070, 1550, 2000 nm) Kiekkolaser ( λ=1070 nm) Nd:YAG Diodilaser ( λ=1064 nm) ( λ=808, 940, 980nm) Rubiinilaser ( λ=694m3 nm) Titaani-safiiri (λ=730 nm) Kuparihöyry (λ=530 nm)

14 Uuden sukupolven laserit Diodilaser DPY diodipumpattu YAG Kiekkolaser (disc laser, thin disc laser) Kuitulaser Ominaisuudet: Aallonpituus, jolla on hyvä absorptio Hyvä säteenlaatu Kuituoptiikan käyttö 14

15 Lasertyöstöprosessit Sädeparametritulo, mm mrad Painotekniika CO 2 -Laser Juotto Muovin hitsaus Sulattava hitsaus Sintraus Ei metallien leikkaus Kiekkolaser Kovajuotto Karkaisu Pinnoitus Nd:YAG laser Poraus Kuitulaser Laserteho, W 15

16 Laserhitsaus

17 Laserhitsaus Laserhitsausta on pidetty potentiaalisena tulevaisuuden tekniikkana. Viime aikoina se on saavuttanut tason, jolla se voi ottaa suomalaisen hitsaavan teollisuuden haasteet vastaan. Uudet laserit voivat tarjota modernin ratkaisualustan hitsaavan teollisuuden tarpeisiin. Laserhitsaus parantaa tuottavuutta ja ratkaisee ongelmia. 17

18 Kilpailukykytekijät 1. Laserhitsaus tuottaa korkeaa laatua, on kustannustehokas ja tuottava menetelmä ja edellyttää osaamista. 2. Tuottavuus ja pieni lämmöntuonti alentavat kuluja ja edellyttävät uutta toimintamallia. 3. Kustannussäästöt saavutetaan tuottavuutena, lyhyempänä läpäisyaikana ja vähäisempinä jälkikäsittelyinä. 18

19 Laserin mahdollisuudet 1. Laser sopii piensarjatuotantoon kunhan laitteiston käyttösuhde on hyvä 2. Laserhitsaus on aina automatisoitua 3. Laserhitsauksen tuottavuus on korkea (>> m/h) 4. Laserhitsaus on korkeanteknologian tuotantomenetelmä, joka nostaa työn kiinnostavuutta. 5. Uusien lasereiden luotettavuus ja koko mahdollistavat työstön erilaisissa ympäristöissä. 19

20 Laserin mahdollisuudet 1. Laser on ympäristöystävällinen laitteisto, joka tuottaa korkeaa laatua 2. Laseriin perustuvat tuotanto edellyttää ja kannustaa verkottumista 3. Kokoonpano voi kehittyä laserleikkauksen ja hitsauksen luovalla käytöllä ja muodonmuutoksen pienuuden hyödyntämisellä. 4. Laserprojektit kehittävät sekä teknologiaa että automatisointia. 20

21 Kilpailukykytekijät Tunkeuman syvyys, mm Niukkaseosteinen teräs Hitsausnopeus, m/min 21

22 Avaimenreikähitsaus Hitsaus CO2 laserilla Ruostumaton teräs Hitsausnopeus, m/min 8kW, 4 mm, 10 m/min 12kW, 4mm, 9 m/min Tunkeuma, mm 22

23 Avaimenreikähitsaus Hitsaus 1070nm Tunkeuman syvyys, mm y = -4,9ln(x) + 15,395 R² = 0,9782 Ruostumaton teräs y = -3,067ln(x) + 13,48 R² = 0, Hitsausnopeus, m/min 166μm 333μm Laserteho 8kW 23

24 Avaimenreikähitsaus Avaimenreikähitsejä Moniteräs 355 Paksuus 6 mm Laserteho 5 kw Säteen Ø 0,34 mm PP. paikka -3 mm Argon 9l/min Hitsin leveys: Pinta 1,35 0,95 mm Keskeltä 0,70 0,51 mm Juuri 1,12 0,67 mm 1,35 0,70 1,12 1,25 0,58 0,75 0,95 0,51 0, m/min 3.00 m/min 3.75 m/min 24

25 Ohutlevyosien hitsaus 25

26 Ohutlevyosien hitsaus 26

27 Räätälöidyt levyt Osavalmistus Muovaus Hitsaus Tuote 27

28 Räätälöidyt levyt Lähde: Rofin-Sinar 28

29 Räätälöityjä tuotteita Thyssen Engineered Blanks Thyssen Tailored Strips Thyssen Tailored Tubes 29

30 Kennorakenteet 30

31 Kennorakenteet 31

32 Avaimenreikähitsaus Voimansiirron sovelluksia Voimansiirron akselin ja kauluksen liitos TruDisk 6002 Laserteho 3 kw Hitsausnopeus 3 m/min Säteen kohdistus 83 o Hitsin halkaisija 65 mm Tunkeuma 3 mm 32

33 Avaimenreikähitsaus Voimansiirron sovelluksia Henkilöauton vaihdelaatikon Synkronointirenkaiden hitsaus 33

34 Suurteholaser 35 YLR / YLR Tunkeuman syvyys, mm Penetration mm kw 20 kw 15 kw 12 kw 10 kw Stainless Steel (10-20 kw) X70 (30 kw) Spot size 420 µm Hitsausnopeus, Welding Speed m/min mm 34

35 17 19 kw Ei esikuumennusta Y-railo Esikuumennus n. 160 o C Y-railo I-railo 35

36 Hitsaus Laser Kuitulaser Teho 10 kw Liitos Limiliitos Paksuus 1+1 mm Nopeus 10,7 m/min Laser Kuitulaser Teho 15 kw Paksuus 11,2 mm Liitos päittäisliitos Polttoväli 500 mm Nopeus 2,9 m/min Lämmöntuonti 3,2 kj/cm Asetusvirhe 0,3 mm 36

37 Syvätunkeumahitsaus Laserhitsaus Teho 20kW Paksuus 26,5 mm 1 palko Hitsausnopeus 1 m/min Hitsausaika lyhenee 1/20 Jauhekaarihitsaus t=31mm, 8 palkoa Hitsausnopeus 0,5m/min/palko Liitoksen hitsaus 0,06m/min Langan kulutus 2kg/m 37

38 Eripariliitos Laivan lastiluukku 38

39 Eripariliitos 39

40 Kevytmekanisointi Laser MAG hybridihitsaus hitsaustraktorilla Kuitulaser 10 kw Fronius TPS9000 hitsausvirtalähde 1.6 mm lisäainelanka 125 mm kollimointi 250 mm polttoväli T-liitoksen hitsausta Navantiassa, Espanjassa Jäykkääjän paksuus 10 mm Hitsausnopeus 1,5 m/min 40

41 Hybridihitsaus Laserhitsaus telakalla 10kW kuitulaser-hybridihitsausasema Fincantieri, Monfalcone,

42 Laserhitsausasema 20kW laser Teollisuusrobotti 42

43 Laserhitsattu kotelo Teräskotelo ,2x1,65x0,4 m 43

44 Etähitsauslaite Y-akseli X-akseli Lasersäde Tasolinssi Polttopiste Työkappale 44

45 Etähitsaus Hitsin muodon optimointi Liitos voidaan optimoida hitsin geometriaa muuttamalla: Hitsien paikka Asento Muoto 45

46 Etähitsaus Osakokoonpanon hitsaus Tekniikka Vastuspistehitsaus Laserhitsaus Etähitsaus aika 30s 23s 5s 46 Lähde: BMW

47 Etähitsaus Sovelluksia Autoteollisuuden osakokoonpanot Vahvistusosat, sinkitystä Pulttien ja muttereiden liittäminen Lähde: Trumpf 47

48 Räätälöidyt palkit Airbus Alumiinipalkit Audi A2 Mayer Werft telakka, myös kennot Thyssen, räätälöidyt palkit 48

49 Räätälöidyt U-, L-profiilit INNOSTAHL 49

50 Muuntajakotelo 1,25 m 50

51 Asentohitsaus Asento PA (0 ) Asento PB (45 ) Asento PC (90 ) Teho: 10,2 kw Nopeus: 2,2 m/min E: 2,8 kj/cm Teräs: X70 S: 11,2 mm Lähde: Vietz GmbH Asento PD (135 ) Asento PE (180 ) 51

52 Kaasuputken hitsaus Täyttöpalot (jopa 5 asemaa) Juuripalko ja 1. täyttöpalko Railonvalmistus ja esikuumennus Pintapalko Lähde: Vietz GmbH 52

53 Kaasuputken laserhitsaus Lähde: Vietz GmbH 53

54 Cu-metallien laserhitsaus Uuden sukupolven laserit tuovat mahdollisuuksia myös kuparimetallien laserhitsaukseen. Nopeus, kapea hitsi ja syvä tunkeuma mahdollistavat ensimmäistä kertaa näiden materiaalien tuotannollisen laserhitsauksen Laser IPG 4kW Kuitu 100μm Polttoväli 250 mm Hitsausnopeus 3 m/min Tunkeuma 2,5 mm Hitsi Sähköinen säädin 54

55 Miksi laserhitsaus? 55

56 Miksi laserhitsaus? Otettu sähköteho suhteessa tunkeuman syvyyteen ja hitsausnopeuteen Tunkeuman syvyys 56

57 LUTLaser palvelut Prosessin, tuotannon ja tuotteen kehittämispalvelut Yrityskohtaiset kehityshankkeet Opinnäytteet Käynnissä olevien projektien puitteissa joustavasti jopa 50% tuella tuettua T&K toimintaa Uudet projektit (Tekes, EU, EAKR) asiakkaan tarpeiden mukaan Lisätietoja: Professori Antti Salminen, puh , Tutkija Heidi Piili, TkL, puh , Tutkija Tuomas Purtonen, DI, puh , 57

58 Lisää lasertyöstöistä: Lasertyöstöseminaari