Kevyet kiinnittimet ja laserheftaus kulmaliitoksen laserhitsauksessa (Sisäinen raportti) 1 Johdanto Yleisiä kaarihitsausmenetelmiä harvinaisempi liittämismenetelmä, laserhitsaus, voi tarjota uusia ratkaisuja ja kustannussäästöjä esimerkiksi metallituotteiden kokoonpanotoimintaan. Menetelmän sopivuutta ja etuja on kuitenkin arvioitava teorian lisäksi myös käytännössä. Parhaimmillaan laserhitsauksella voidaan saavuttaa ajallisten ja materiaalisäästöjen lisäksi parempi liitoksen ulkonäkö ja toimivampi tuote. Kuitenkin laserhitsauksella kuten muillakin liittämismenetelmillä on etunsa lisäksi myös ongelmansa. Alla on listattu laserhitsaukseen liittyen muutamia havaittuja yleisiä etuja ja ongelmia: Pieni lämmöntuonti verrattuna kaarihitsaukseen Hitsattavan kappaleen muodonmuutokset pieniä Hitsausnopeudet suuria Hitsin pehmennyt muutosvyöhyke kapea Hitsin karkearakeisen vyöhykkeen raekoko ei kasva Vähävetyinen hitsi Viimeistelytyö vähenee Pulssituksen luomat mahdollisuudet Oikealla suojakaasuntuonnilla on mahdollista saavuttaa täysin kirkas hitsi Kallis laitteisto Lisäaineettomassa päittäishitsauksessa tarkat railotoleranssit Säteeltä suojautuminen \3\,\4\,\5\ Kuva 1. Periaatekuva avaimenreikähitsauksesta (vas.) ja sulattavasta hitsauksesta (oik.)\1\ Laserhitsauksessa säde fokusoidaan halkaisijaltaan 0,1 1 mm suuruiseksi pisteeksi. Ohutlevyjen laserhitsauksessa jo 2 kw:n teho on riittävä useimmille liitostyypeille. Syvätunkeuma- eli avaimenreikähitsaus on yleisimmin käytetty laserhitsausprosessi. Lisäaineettomalle laserhitsaukselle soveltuvat parhaiten erilaiset limi- ja korilaippaliitokset.\3\,\4\,\5\ Laserteho ja hitsausnopeus eivät aina riipu toisistaan lineaarisesti. Ohutlevyjen limiliitoksien tehokas (nopeus yli 100 mm/s) laserhitsaus suoritetaan syvätunkeumahitsauksena, joka vaatii erittäin hyvän säteenlaadun. Nykyisissä Yb:YAG disk-lasereissa ja kuitulasereissa on varsin hyvä säteenlaatu (n. 4 kw ja 8 mm*mrad). Hiilidioksidilasereissa on myös tyypillisesti erittäin hyvä säteenlaatu. Syvätunkeumahitsauksella voidaan työkappa- 1(20)
leeseen tuotu hitsausenergia pitää hyvin pienenä ja välttää siten mahdollisten pinnoitteiden palamista ja muodonmuutoksia. Syvätunkeumahitsauksella voidaan saavuttaa suuria hitsausnopeuksia, esimerkiksi 1 kilowatin Yb:Yag disk-laserilla 1 mm:n tunkeumalla 10 m/min (= 166,667 mm/s).\3\,\4\,\5\ Sulattava laserhitsaus ei vaadi yhtä hyvää säteenlaatua kuin syvätunkeumahitsaus. Sulattava hitsaus muistuttaa enemmän kaarihitsausmenetelmiä, sillä lämpö siirtyy materiaalissa johtumalla ja sulan sekoittumisen avulla (kuva 1). Sulattavan hitsauksen käyttäminen sallii myös suuremmat railotoleranssit. Tyypillisiä sulattavan hitsauksen sovelluksia ovat päittäisliitos, sähkösinkityn limiliitos, erilaiset nurkkaliitokset ja myös eri paksuisten levyjen hitsaus. Heikomman säteenlaadun laserit, kuten diodi- ja lamppupumpatut Nd:YAG-laserit soveltuvat hyvin sulattavaan laserhitsaukseen.\3\,\4\,\5\ Syvätunkeumahitsauksessa käytetään erittäin suuria tehotiheyksiä. Pienelle alueelle kohdistettu suuri energia saattaa varsinkin pinnoitetuilla ohutlevyillä aiheuttaa erityisesti sinkin voimakasta höyrystymistä. Hitsauksessa höyrystyvät kaasut purkautuvat ulos hitsisaumasta. Päittäisliitoksessa höyrystynyt kaasu pääsee ulos hitsisaumasta hyvin vapaasti, mutta täysin kiinni puristetussa limiliitoksessa kaasu pääsee poistumaan ainoastaan hitsausrailon kautta, jolloin sula materiaali poistuu osittain hitsausrailosta ja hitsistä tulee huokoinen. Päittäisliitoksessa ilmaraon suuruusluokka saa olla 0,05 x levynvahvuus (kuva 2). Defokuksessa hitsaaminen eli hitsaaminen polttopisteen ollessa levynpinnan ulkopuolella sallii suuremmat ilmaraot, jolloin voidaan hitsata esimerkiksi limiliitoksella useita levyjä päällekkäin. Päittäis- eli limiliitoksessa liitosvirheitä voidaan vähentää järjestämällä osien välille hallittu ilmarako(kuva 3). Ilmaraon järjestäminen limiliitokseen on hyvin usein tuotannon tehokkuuden ja toimivuuden kannalta vaikeaa. Ilmarako voidaan järjestää esimerkiksi hitsauskiinnittimellä tai liitettävien osien muotoilulla.\3\,\4\,\5\ Kuva 2. Päittäisliitoksen ilmaraon ja asetusvirheen toleranssit lävistävässä hitsauksessa\5\ Kuva 3. Päällekkäis- ja pienaliitoksen ilmaraon toleranssit lävistävässä hitsauksessa\5\ Laserhitsaukseen liittyy useita muuttujia, joille voi ohjeellisia arvoja löytää myös kirjallisuudesta, mutta parhaat parametrit saadaan todennettua yleensä tapauskohtaisesti kokeilemalla, jolloin esimerkiksi laitteiston ja liitettävän materiaalin vaikutukset tulokseen tulee huomioitua. Laserhitsaukseen liittyviä muuttujia ovat mm. teho, hit- 2(20)
sausnopeus, fokuspisteen koko, säteen poikkeutus, polttoväli, säteen laatu, polttopisteen asema, tehon jatkuvuus/pulssittaminen ja liitostyyppi.\3\,\4\,\5\ 2 Ongelman asettelu Laserhitsauksen hyödyntäminen ohutlevykoteloiden ja -tuotteiden kokoonpanossa on vähemmän tutkittu sovellutus. Laserhitsauksesta yleensä on olemassa tietoa, jonka avulla menetelmän sopivuutta voidaan alustavasti arvioida, mutta todellisen soveltuvuuden ja menetelmän myötä saavutettavat todelliset edut voidaan todeta vain kokeilemalla. Laserhitsauksen tunnettuus kaarihitsausmenetelmiin verrattuna pienempien lämpömuodonmuutosten aiheuttajana joutuu koetukselle varsinkin automatisoidussa ja tarkkojen toleranssien tuotteissa, joissa pienilläkin muodonmuutoksilla voi olla suuri merkitys tuotteen laatuun. Pienten muodonmuutosten takia pitäisi ohutlevyjen laserhitsauksessa voida käyttää kiinnittiminä kevyempiä, nopeampia ja tavallisista puristimista poikkeavia ratkaisuja, kuten esimerkiksi magneetteihin perustuvia kiinnittimiä. Vähäisistä muodonmuutoksista johtuen pitäisi olla myös todennäköisempää, että laserhitsauksen avulla päästäisiin eroon kokonaan aikaa vievästä heftien hitsausvaiheesta tai ainakin vähemmillä ja pienemmillä hefteillä. Heftit ovat lyhyitä tai pistemäisiä hitsejä, joiden tarkoituksena on pitää liitettävät osat paikallaan toisiinsa nähden varsinaisen hitsauksen aikana. Teoriassa pinnoittamattoman teräsohutlevyn laserhitsauksessa mahdollisimman pieni ilmarako on edullinen, kun taas pinnoitetuilla levyillä hallittu ilmarako on suositeltava höyrystyneiden kaasujen poistumisen mahdollistamiseksi. Pyrittäessä ilmaraottomaan liitokseen ilman puristusta on liitospintojen karheudella ja puhtaudella merkitystä levyjen väliin jäävän ilmaraon suuruuteen. Erilaisten liitospintojen, kuten laserleikatun, mekaanisesti levyleikkurilla leikatun ja koneistetun reunan, tai pölyn, hilseen ja leikkausnestejäämien vaikutusta hitsaustulokseen ei ole aiemmin selkeästi tutkittu FMT-ryhmän tutkimuksissa. 3 Lähtökohta ja tavoitteet Tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia kylmävalssatun 2 mm paksun teräksen kulmaliitosmahdollisuuksia käyttämällä lisäaineettomina liitosmenetelminä avaimenreikälaserhitsausta ja sulattavaa laserhitsausta. Samalla valmistettiin demokappaleet asiakkaalle havaintomateriaaliksi. Liitokselle ei asetettu tarkkoja koko-, lujuus- tai ulkonäkövaatimuksia, kuten ei myöskään yksityiskohtaista määritelmää hitsin sijoittelusta mahdollisessa tuotteessa. Tutkimuksessa kuitenkin huomioitiin hitsien eri pituusmahdollisuudet, kun noin 17 mm pitkien koeliitosten toimivuutta pitemmissä liitoksissa arvioitiin pohdinta-osiossa. Liitetyt levyt olivat kooltaan 50 x 200 mm ja liitettävissä reunoissa käytettiin kolmea eri valmistustapaa: mekaanista leikkausta levyleikkurilla, laserleikkausta ja koneistusta. Lisäksi tutkimuksessa pohdittiin mahdollisia sovelluskohteita kyseisille hitseille. Hitsauskokeiden sisältö lyhyesti: materiaali: Rautaruukin kylmävalssattu muovattava teräs levyn paksuus 2 mm hitsin pituus noin 17 mm liitettävien kappaleiden koko noin 50 x 200 mm suora levyn reuna kolmella eri valmistustavalla; mekaanisesti/levyleikkurilla leikattu, laserleikattu ja koneistettu reuna menetelmät: avaimenreikälaserhitsaus ja sulattava laserhitsaus lisäaine: ei käytetty Kylmävalssatut muovattavat teräkset soveltuvat käyttökohteisiin, joissa edellytetään taattuja muovattavuusominaisuuksia. Tällaisia ovat mm. autoteollisuus, elektroniikkateollisuus, kodinkoneteollisuus ja konepajateollisuus. Rautaruukin kylmävalssatut ohutlevyteräkset toimitetaan mineraaliöljypohjaisella korroosionestoöljyllä suojattuna, ellei tilauksen yhteydessä ole sovittu toisin. Teräksen soveltuvat muovaavaan työstöön, taivutukseen, rullamuovaukseen, venytysmuovaukseen ja syvävetoon. Muovattavat teräkset ovat myös hyvin hitsattavia kaikilla tavanomaisilla hitsausmenetelmillä. \8\ Tutkimuksella pyrittiin saamaan teoriatietoa tukevaa kokeisiin perustuvaa lisätietoa edellä mainitunkaltaisista liitoksista sekä löytämään liitoksille sopivat hitsausparametrit. Samalla haluttiin todeta käytännössä laserhitsauksen mahdollisesti mukanaan tuomat hyödyt liittyen nopeampiin valmistusaikoihin ja pienempiin kustannuksiin 3(20)
työvaiheita karsimalla tai kiinnitystä kehittämällä. Lisäksi tarkasteltiin erilaisten pinnanlaatujen vaikutusta liitosten onnistumiseen. 4 Tutkimussuunnitelma Tutkimukselle ei tehty varsinaista tutkimussuunnitelmaa, koska tutkimus oli luonteeltaan kokeileva ja vapaampi kuin tilaus- tai projektitutkimukset, joissa tutkimus yleensä räätälöidään vastaamaan tarkasti määriteltyä tarvetta. Ennen tutkimuksen aloittamista suunniteltiin kuitenkin tutkimuksen yleissisällön ja kokeiltavien liitosmuotojen lisäksi käytettävät kiinnittimet ja valmisteltiin koekappaleet kokeita varten. 4.1 Liitosten suunnittelu Kulmaliitoksen tekemiseen 2 mm paksulle kylmävalssatulle teräkselle löydettiin neljä eri liitosvaihtoehtoa: limiliitos, päittäisliitos, sisänurkkaliitos ja ulkonurkkaliitos. Kaikista neljästä eri liitosvaihtoehdosta hahmoteltiin havaintokuva (kuva 4). Liitoksista yleisimmistä, eli limi- ja päittäisliitoksista, löytyi ryhmän aikaisemmista tutkimuksista alustavia tietoja avuksi mm. aloitusparametrien valintaan. Sen sijaan sisänurkkaliitoksen hitsaamisesta ei ryhmällä ollut paljoa aikaisempaa kokemusta. Kuva 4. Liitosvaihtoehdot: 1) limiliitos, 2) päittäisliitos, 3) sisänurkkaliitos, 4) ulkonurkkaliitos. Nuoli näyttää hitsauspään lähestymissuunnan. 4(20)
4.2 Kiinnittimen suunnittelu Hitsauskiinnittimistä, jotka oli tarkoitus toteuttaa laboratoriossa jo olevin laittein ja materiaalein, tehtiin yksinkertaiset periaatepiirrokset (kuva 5). Kuva 5. Periaatepiirrokset suunnitelluista hitsauskiinnittimistä Sisänurkkaliitoksen hitsaukseen todettiin suunnitelmien jälkeen olevan olemassa valmis jigi, jonka toimivuutta ei tosin ollut testattu, ja joka vaati pieniä muutoksia. Hitsausjigin pohjaa avattiin estämään hitsattavien kappaleiden tarttumista jigiin hitsattaessa (kuva 6). Kuva 6. Sisänurkkaliitoksen hitsauksessa käytetty jigi ja hitsattu kulmaliitos. Jigiin tehty pohjan avaus näkyy nuolen osoittamassa kohdassa. 5(20)
Kuva 7. Pikasäädettävä kulmapuristin 90. Valettua alumiinia, muovikahva ja pikasäätö. Hinta 9,99 hankittiin, mutta epätarkkana ei käytetty Kuva 8 Magneettinen suorakulma, 85 mm. Kulmat: 45, 90 ja 135. Hinta 3,29 hankittiin ja käytettiin Ulkokulman hitsaamisessa päätettiin käyttää valmiita kaupallisia kiinnittimiä, joista Biltemasta hankittu edullinen kulmapuristin (kuva 7) osoittautui liian epätarkaksi ja epäkäytännölliseksi. Magneettisuorakulmat (kuva 8) sen sijaan osoittautuivat toimiviksi, kun ne kiinnitettiin ruuvien ja välikappaleen avulla kiinteästi hitsauspöytään ja toisiinsa (kuva 9). Irrallisena magneetit irtosivat kappaleenvaihdon aikana pöydästä, mutta pöytään kiinnittämisen jälkeen magneettien käyttö oli huomattavasti nopeampaa ja tarkempaa. Menetelmällä ei kuitenkaan sivusuuntaisten ohjainten puuttuessa vältytty aloituspisteen ja fokuksen uudelleen asettamiselta kappaleenvaihdon jälkeen. magneettisuorakulmat Kuva 9. Koelevyt valmiina hitsattavaksi magneettisuorakulmien käyttöön perustuvassa hitsausjigissä. 4.3 Koesarjan suunnittelu Koska työn yhtenä tarkoituksena oli löytää sopivat laserhitsausparametrit 2 mm paksun kylmävalssatun teräksen kulmaliitoksille, ei koesarjaa parametreineen voitu suunnitella etukäteen, vaan sopivat parametrit piti etsiä kokeilemalla. Optiikaksi kokeisiin valittiin polttovälin f = 300 optiikka, jolloin polttopisteen halkaisija fokuksessa on 0,3 mm. Liitokset suunniteltiin hitsattavaksi ilman puristusta. Liitospinnat päätettiin puhdistaa hiomalla laserleikkaushilseestä ja epäpuhtauksista, minkä lisäksi ilmaraon määrittämiseksi 0 0,1 mm päätettiin hyödyntää rakovälitulkkia. Nopeuden ja tehon lisäksi muuttujina kokeissa olisivat fokus, levyjen liitosreunan laatu ja suojakaasun käyttö. Levyjen reunavaihtoehtoina päätettiin testata mekaanisesti levyleikkurilla leikattua, laserleikattua sekä koneistettua reunaa. 6(20)
5 Käytettävä laitteisto Hitsauskokeiden laitteistona käytettiin Nivalan ELME Studion laboratoriolaitekantaan kuuluvaa 4 kw:n Trumpf HLD 4002 Yb:YAG 3D-kiekkolaserlaitteistoa. Koelaitteisto maksoi vuonna 2005 hankittaessa kokonaisuutena n. 850 000 (sis. tehonlähteen, hitsaus-, leikkaus- ja pinnoituspäät, kuidut ja muut oheislaitteet). Nykyään vastaavan, mutta teholtaan pienemmän, 2 kw:n Yb: YAG -kiekkolaserin saanee alle 200 000 hintaan, ja yhdessä robotin, kuitujen ja oheislaitteiden kanssa noin 300 000 hintaan. Koska laserlaitteiston hankinnassa erittäin tärkeää on hankkia käyttötarvetta vastaava laitteisto, kannattaa muihin laserratkaisuihin, kuten edullisempiin kuitulasereihin, tutustua asiantuntijan avulla, mikäli harkitsee laserlaitteiston hankintaa. Kiekkolasereiden etuihin lukeutuvat mm. erinomaisen lasersäteenlaadun mahdollistamat suuremmat tuotantonopeudet sekä pitkän polttovälin optiikan käyttö, mikä on hyödyksi esimerkiksi häiriöttömän tuotannon saavuttamisessa, kun hitsaussavut ja mahdolliset roiskeet eivät vahingoita optisia komponentteja. Yb:YAG - kiekkolaserissa laseraktiivisena väliaineena toimii pienen kolikon kokoinen Ytterbium-kiekko (Yb), jonka paksuus on vain muutama kymmenysosa millimetri. CO 2 -lasereihin verrattuna Yb:YAG-laserin aallonpituudella teräksen absorptio on huomattavasti parempi.\1\ 6 Tehdyt tutkimukset 2x50x200 mm kokoiset koekappaleet leikattiin levyleikkurilla ja laserilla Nivalan ammattiopiston (NAO) metalliosastolla, minkä jälkeen osa levyistä koneistettiin ELME laboratoriossa yhdeltä pitkältä sivulta. Näin voitiin tutkia kolmen erilaisen pinnanlaadun (mekaanisesti leikatun, laserleikatun ja koneistetun pinnan) vaikutusta kulmaliitoksen onnistumiseen. Kaikista laserleikatuista koelevyistä poistettiin, kahta vertailukappaletta lukuun ottamatta, leikkausreunan oksidikerros hiomapaperilla käsin hioen. Mekaanisesti leikatuille koelevyille ei tehty lisävalmisteluja. Koneistettujen koelevyjen pinnoilta pyyhittiin paperilla pois näkyvät leikkausnestejäämät. Kuva 10. Päittäisliitoksena hitsattava kulmaliitos jigissään päädystä katsottuna. Hitsauspään asento ja säteen tulokulma merkitty nuolella. Kuva 11. Päittäisliitoksena hitsattava kulmaliitos jigissään sivulta katsottuna. Hitsaussuunta merkitty nuolella. 7(20)
Kulmaliitoksen tekemiseen 2 mm paksulle kylmävalssatulle teräkselle löydettiin neljä eri liitosvaihtoehtoa: limiliitos, päittäisliitos, sisänurkkaliitos ja ulkonurkkaliitos. Hitsauskokeita varten luotiin hitsausohjelmat KULMAH (työpää kulmassa kpl:seen nähden, kuva 10 ja kuva 11) päittäis- ja limiliitoksia varten, KULMAH2 (työpää pystysuorassa) ulkonurkkaliitoksille ja HEFITEST, joka oli heftinteko-ohjelma. Kuva 12. Kuva pulssiohjelmasta, jonka alussa on tehoa vähitellen lisäävä ramppi. Koelevyjen välinen ilmarako minimoitiin rakotulkkia käyttäen välille 0 0,1 mm. Koehitseissä ei hyödynnetty puristusta. Aiempien tutkimusten jäljiltä hitsaukseen oli olemassa valmis pulssiohjelma, joka sisälsi aloituspäässä tehoa asteittain nostavan rampin, millä estettiin liian suurta aloitustehoa sulattamasta reikää hitsin aloituskohtaan. Hitsauskokeen pulssiohjelma (nro 50/Milla, Virhe. Viitteen lähdettä ei löytynyt.) tehtiin kopiona tästä ohjelmasta. Hitsausnopeuden vaihtelusta johtuen jouduttiin jokaiselle käytetylle nopeudelle laskemaan sopiva pulssin pituus, jotta hitsistä saatiin oikean mittainen. Kyseiset pulssit on tallennettu taulukkomuotoon (taulukko 1). Taulukko 1. Pulssiohjelman pituudet eri hitsausnopeuksille vaiheen kesto [ms] nopeus 100 mm/s vaiheen kesto [s] vaiheen kesto kiihdytys [s] vaiheen pituus käytännössä [mm] huomioita 510 0,51 0,21 21 rampin pituus 2020 2,02 1,72 172 hitsin pituus nopeus 120 mm/s 480 0,48 0,18 21,6 rampin pituus 1750 1,75 1,45 174 hitsin pituus nopeus 150 mm/s 450 0,45 0,15 22,5 rampin pituus 1500 1,5 1,2 180 hitsin pituus nopeus 200 mm/s 400 0,4 0,1 20 rampin pituus 1200 1,2 0,9 180 hitsin pituus 8(20)
Kaikki tehdyt koehitsit liitostyyppeineen ja muuttujineen on kerätty taulukkoon (taulukko 2). Taulukko 2. Tehty koesarja taulukkona Koe Liitostyyppi Leikkausreuna Teho [W] Nopeus [mm/s] Fokus [mm] Kaasu Hefti 1 päittäiskulmaliitos mekaanisesti leikattu 2000 100 0 kyllä ei 2 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 0 kyllä ei 3 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 0 kyllä ei 4 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 0 ei kyllä 5 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 0 ei ei 6 päittäiskulmaliitos koneistettu 1500 100 0 ei kyllä 7 päittäiskulmaliitos mekaanisesti leikattu 1000 100 0 ei kyllä 8 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100-1 ei kyllä 9 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100-2 ei kyllä 10 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 1 ei kyllä 11 limikulmaliitos laserleikattu 2000 100 0 ei ei 12 limikulmaliitos laserleikattu 2000 100-1 ei ei 13 limikulmaliitos laserleikattu 2500 100-2 ei ei 14 limikulmaliitos laserleikattu 2800 100-2 ei ei 15 limikulmaliitos laserleikattu 2500 100-3 ei ei 16 ulkonurkkaliitos laserleikattu 2700 100 5 ei ei 17 ulkonurkkaliitos laserleikattu 3300 100 5 ei ei 18 ulkonurkkaliitos laserleikattu 4000 100 5 ei kyllä 19 ulkonurkkaliitos laserleikattu 3000 100 5 ei kyllä 20 päittäiskulmaliitos laserleikattu 2700 150 0 ei kyllä 21 päittäiskulmaliitos koneistettu 3200 150 0 ei kyllä 22 limikulmaliitos laserleikattu 3000 150-2 ei ei 23 limikulmaliitos hilseinen laserleikattu 3500 150-2 ei ei 24 limikulmaliitos hilseinen laserleikattu 4000 150-2 ei ei 25 sisänurkkaliitos hilseinen laserleikattu 3500 100-2 ei ei 26 sisänurkkaliitos hilseinen laserleikattu 3500 150-2 ei ei 27 sisänurkkaliitos hilseinen laserleikattu 3000 100-2 ei ei 28 sisänurkkaliitos hilseinen laserleikattu 2500 100-2 ei kyllä 29 päittäiskulmaliitos mekaanisesti leikattu 1700 100 0 ei kyllä 30 päittäiskulmaliitos koneistettu 1700 100 0 ei kyllä 31 päittäiskulmaliitos koneistettu 2000 100 0 kyllä kyllä 32 päittäiskulmaliitos koneist. tai mek.leik. 1500 100 0 kyllä kyllä 33 päittäiskulmaliitos koneistettu 1500 100 0 kyllä kyllä 34 limikulmaliitos koneistettu 2500 100-2 kyllä ei 35 päittäiskulmaliitos koneistettu 3200 120 0 kyllä kyllä 36 limikulmaliitos koneistettu 4000 120-2 ei ei 37 limikulmaliitos koneistettu 4000 120-2 ei ei 38 ulkonurkkaliitos mekaanisesti leikattu 3000 100 5 ei kyllä 39 ulkonurkkaliitos laserleikattu 4000 100 5 ei kyllä 40 sisänurkkaliitos mekaanisesti leikattu 2500 100-2 ei kyllä 9(20)
7 Tulokset ja pohdinta Ensimmäisten koehitsien jälkeen todettiin, etteivät magneetit riittäneet estämään lämpömuodonmuutoksia kappaleissa, mistä johtuen liitettävät levyt liikkuivat toisiinsa nähden eikä liitos tullut haluttuun kohtaan. Tämän johdosta päätettiin kokeilla pisteheftiä (kuva 13 ja kuva 14) liitoksen loppupäässä pitämään liitettäviä levyjä toisiinsa nähden paikallaan. Pisteheftille etsittiin sopivat parametrit kokeilemalla, ja tehoksi valittiin 1 kw, mikä tuntui olevan riittävä pitämään koelevyt paikallaan toisiinsa nähden hitsauksen aikana ja estämään siten vetelyn aiheuttamat hitsinkohdistusongelmat. 2 mm Kuva 13. Päittäisliitoksen loppuun ennen varsinaista hitsiliitosta tehty pistehefti. Levynpaksuus 2 mm. Kuva 14. Sama pistehefti takapuolelta. Hitseille ei tehty väsytys- tai muita lujuustestejä, ainoastaan silmämääräinen tarkastelu ja käsin tehty lujuustarkastelu kevyesti taivuttamalla. Kaikista koehitseistä otettiin yleisvalokuvat hitsin puolelta ja hitsin takapuolelta (kuva 15 ja kuva 16) mahdollista myöhempää tarkastelua varten. Silmämääräisiä havaintoja on esitetty taulukkomuodossa raportin lopussa (taulukko 5). Alla on liitosmuodoittain esitettyjen tulosten oheen kerätty muutamien yksittäisten hitsien vapaasanaisia arviointeja esimerkiksi saaduista tuloksista ja pohdinnoista. Kaikkiaan koehitsejä tehtiin 40 kappaletta. PÄITTÄISLIITOKSISTA Hitsi nro 1 päittäisliitos, teho 2000 W, nopeus 100 mm/s, fokus ± 0, mekaanisesti leikattu reuna hitsi upposi hieman -> Näyttää, että vähempikin teho riittäisi, jos lujuus riittää? pysyi paikallaan ilman heftiä -> poikkeus. On todistetusti parempi käyttää heftausta loppupäässä sopii demoksi? mahdollistiko suurempi teho mekaanisesti leikatun reunan käytön? Onko paikoittain erilainen läpäisy hitsin matkalla seurausta epätasaisesta, mekaanisesti leikatusta, reunasta? Voi olla, mutta ei tilastollisesti luotettavaa tietoa tällä koemäärällä Hitsit nro 8, 9 ja 10 päittäisliitos, 1500 W, 100 mm/s, laserleikattu reuna fokuksen suuruudella ei välillä -2 +1 ole suurta vaikutusta Hitsit nro 29 ja 30 päittäisliitos, 1700 W, 100 mm/s, fokus ± 0 mekaanisesti leikatun ja koneistetun pinnan eroksi saatiin hieman parempi tunkeuma/läpäisy mekaanisesti leikatulla. Onko seuraus vai sattuma? 10(20)
Kuva 15. Hitsi nro 1 hitsin puolelta kuvattuna. Käytetyt hitsausparametrit (teho, nopeus ja fokus) on merkitty tussilla kappaleeseen. Kuva 16. Hitsi nro 1 juuren puolelta kuvattuna. Hitsit 6 ja 33 päittäisliitos, 1500 W, 100 mm/s, fokus ± 0, koneistettu reuna tunkeumassa/läpäisyssä selkeä ero, vaikka parametrit täysin samat (!?) Ainoa parametriero on, että paremman tunkeuman hitsissä käytettiin suojakaasua (Argon), huonommassa ei. Voiko suojakaasu vaikuttaa läpäisyyn, vai onko kyseessä täysin sattumaan perustuva ero levyjen välisessä ilmaraossa, pinnanlaadussa tai puhtaudessa? näillä kokeilla ei voida tilastollisesti pätevästi tutkia tunkeumaa, lujuutta tai reunan ja ilmaraon merkitystä liian pienen otoksen takia Hitsit 1 ja 31 päittäisliitos, 2000 W, 100 mm/s, fokus ± 0, mekaanisesti leikattu(1) ja koneistettu(31) reuna mistä johtuvat hitsin värierot, vaikka parametrit reunatyyppiä lukuun ottamatta täysin samat? mistä johtuvat hitsien erot läpäisyssä/tunkeumassa? mekaanisesti leikatussa parempi läpäisy ja hitsin kirkkaus koneistetussa huonompi läpäisy ja musta hitsi Estääkö liian tiukka ilmarako läpäisyn? Hitsit 8 ja 29 päittäisliitos, 1500 ja 1700 W, 100 mm/s, fokus -1 ja ± 0, laserleikattu(1) ja mekaanisesti leikattu(31) reuna isommalla teholla (1700 W) nolla-fokuksessa parempi läpäisy kuin pienemmällä teholla (1,5 kw) fokuksessa -1 TAI mekaanisesti leikatulla parempi läpäisy kuin laserleikatulla vaatii lisää toistoja 11(20)
Yleisesti koko päittäisliitoshitsijoukkoa tarkastellessa havaittiin muun muassa, että suuremmilla tehoilla (2700 3200 W) roiskeiden määrä kasvoi, mutta laskemalla nopeutta 150:stä 120:een (mm/s) saatiin roiskeita vähennettyä. Koska hyvän hitsin aikaansaamiseksi ei suurten tehojen todettu olevan tarpeen päittäisliitostapauksissa, voidaan roiskeiden estämiseksi näiden kokeiden perusteella suositella käyttämään tehoja välillä 1500 2000 W nopeuden ollessa noin 100 mm/s. Fokuksen tarkkuudella ei havaittu olevan selkeää merkitystä hitsin ulkonäköön päittäisliitoksissa fokuksen ollessa välillä -2 +1 mm. Myöskään leikkausreunan tyypillä ei havaittu olevan selkeää vaikutusta päittäisliitoshitsien lopputulokseen, sillä hyvien hitsien joukossa oli sekä laserilla että levyleikkurilla leikattuja ja koneistettuja levyjä. Mikäli hitsin halutaan näkyvän juuren puolelta, ts. mikäli halutaan läpi asti sulanut liitos, voidaan tehtyjen kokeiden perusteella suositella tehon nostamista yli 3000 W. LIMILIITOKSISTA Limikulmaliitosten todettiin vaativan tarttuakseen yli 3000 W:n tehoa (fokuksella -2 mm). Fokuksen pienentämisellä -3 mm:iin ei saavutettu onnistunutta limiliitosta alemmalla 2500 W:n teholla. Hitsausnopeuden noustessa myös syntyvien roiskeiden määrän todettiin kasvavan limiliitoksissa, joten kokeiden perusteella hitsausnopeudeksi voidaan suositella valittavan korkeintaan 120 mm/s. Tätä pienempää hitsausnopeutta ei kokeissa kokeiltu. Yhdestä liitettävästä levystä hiottiin hiekkapaperilla pois yläpinnan ohut oksidi- ja epäpuhtauskerros (Huomaa, että eri asia kuin leikkausreunan oksidikerros!), jotta voitiin tarkastella oksidikerroksen, suojaöljyn ja epäpuhtauksien vaikutusta syntyvien roiskeiden määrään, mutta näillä ei havaittu olevan selkeää vaikutusta kuten hitsausnopeudella. Laserleikatun ja koneistetun reunan ei muutaman koehitsin perusteella havaittu vaikuttavan limiliitoksen lopputulokseen. Levyleikkurilla leikattua reunaa ei kokeiltu limiliitoksissa. SISÄNURKKALIITOKSISTA Hitsit nro 28 ja 40 sisänurkkaliitos, 2500 W, 100 mm/s, fokus - 2 mekaanisesti leikatun ja hilseisen laserleikatun reunan välillä ei havaittu eroa yllä mainituilla arvoilla Sisänurkkahitsille käyttökelpoinen parametriyhdistelmä todettiin olevan teho=2500 W, nopeus=100 mm/s ja fokus= -2 mm. Pienemmillä tehoilla hitsausta ei kokeiltu, mutta suuremmilla tehoilla todettiin juuren eli liitoksen ulkonurkan puolelle muodostuvan sulapisaroita sulan/tunkeuman ulottuessa läpi asti. Leikkausreunan vaikutuksesta sisänurkkahitsiin ei saatu luotettavaa tulosta pienen otoksen takia. Sisänurkkaliitoskokeissa koelevyt eivät muodostaneet jigistä johtuen toivotunkaltaista suoraa kulmaa, vaan levyt paikoittuivat jigin pohjalle hieman limittäin (kuva 17). Virhe ei kuitenkaan vaikuttanut suuresti hitsin onnistumisen arviointiin, vaikka se onkin tuloksia tarkastellessa hyvä huomioida. Jigin rakennetta muuttamalla paikoitusvirhe on helppo korjata mahdollisiin jatkotutkimuksiin. Kuva 17. Sisänurkkaliitoksessa levyt paikoittuivat jigissä limittäin. Kuvassa paikoitusvirhettä on liioiteltu. Sisänurkkaliitosten tekemisessä havaittiin selkeä ongelma hitsattaessa ilman puristusta. Levyt irtosivat jigin seinämistä (kuva 18), ja levyjen väliin muodostuneesta kulmasta tuli haluttua pienempi. Jatkotutkimuksissa myös sisänurkkaliitosten tekemisessä voisi yrittää hyödyntää magneetteja, ja tutkia riittääkö magneettien oma 12(20)
voima pitämään levyt jigissä paikallaan. Vaihtoehtoisesti myös nopeakäyttöisten puristimien käyttömahdollisuus sisänurkkaliitosten kiinnittiminä kannattaa selvittää. Kuva 18. Liitetyt levyt irtoavat jigin seinämistä, kun hitsatun sisänurkkaliitoksen kulma muuttuu ilman puristusta hitsauksen aikana. ULKONURKKALIITOKSISTA Hitsit nro 16, 19 ja 39 ulkonurkkaliitos, 2700 4000 W, 100 mm/s, fokus + 5, laserleikattu reuna ulkonurkkaliitoksessa juurenpuolen sauma osuu usein vain toisen levyn puolelle. Tähän voidaan vaikuttaa hitsauspään asennolla. onko pienellä virheasennolla suuri merkitys hitsin lujuuteen? Ulkonurkkaliitoksessa ei tehonmuutoksilla välillä 2700 4000 W todettu olevan suurta vaikutusta lopputulokseen nopeuden ollessa 100 mm/s ja fokuksen +5 mm. Suurilla tehoilla pyrittiin aikaansaamaan sulattava vaikutus, joka olisi tuottanut pyöreämmän, sulaneen ulkonurkan, mutta näissä kokeissa ei nurkkaa saatu sulatettua riittävästi pelkän laserin avulla ilman lisäainetta. Yhden koehitsin perusteella ei laserleikatun ja levyleikkurilla leikatun reunan välillä löydetty eroa vaikutuksesta hitsin onnistumiseen. Ulkonurkkahitsiä tehdessä ongelmana oli hitsaussäteen osuminen liitoksen alla oleviin kiinnitysmagneetteihin, mikä vaurioitti magneetteja, mutta aiheutti samalla myös koekappaleen nokeutumista. Tuotannollisissa ympäristöissä tähän ongelmaan tulisi löytää ratkaisu tuotteen ulkonäön ja kiinnittimien pitkäikäisyyden takia. Ulkonurkkahitsien todettiin ehdottomasti vaativan kiinnitysheftin hitsin loppupäähän estämään lämpötilan aiheuttamia muodonmuutoksia. Ulkonurkkahitseissä havaittiin myös, että hitsisaumaan syntyi herkästi reikiä. Tämän arvioitiin johtuvan vähäisestä materiaalimäärästä hitsin alueella levyjen ollessa vain kulmistaan vastakkain. KOEHITSEISTÄ YLEENSÄ Kokeiden perusteella havaittiin, että päittäisliitoksessa tunkeumaa pystytään helposti lisäämään nostamalla tehoa. Muissa liitostyypeissä tehon nostolla ei havaittu niin selkeää vaikutusta tunkeumaan/läpäisyyn. Kaikissa ulkonurkkaliitoksissa saavutettiin näkyvä tunkeuma/läpäisy hitsin juuren puolella tehosta riippumatta, mutta pelkällä laserilla ei 2 mm syvää nurkkaa kuitenkaan onnistuttu täyttämään ulkopuolelta. Mikäli nurkan täyttäminen on toivottu lopputulos, voidaan jatkotutkimuksissa ajatella nurkan täyttöä tehtäväksi esimerkiksi jälkeenpäin kaarihitsauksen avulla tai viistämällä levy(je)n reunaa siten, ettei terävää kulmaa synny. Tämä kuitenkin lisää valmistuksen työvaiheiden määrää. Tehdyt koehitsit olivat kaikki noin 17 mm pitkiä. Koehitsien voidaan olettaa toimivan ainakin tätä lyhyemmissä liitoksissa, mutta myös huomattavasti pidemmissä liitoksissa, mikäli hitseille ei aseteta erityisiä lujuusvaatimuksia. Pidemmissä hitseissä kiinnitysheftien merkitys todennäköisesti korostuu, eikä yksi pistemäinen hefti välttämättä riitä pitämään levyjä paikoillaan lämpömuodonmuutoksia vastaan. Ratkaisuksi voi riittää pisteheftien 13(20)
lisääminen hitsin keskelle, mutta myös heftien pidentäminen, tukevammat kiinnittimet ja puristus voivat tulla tarpeellisiksi huomattavasti pidemmillä liitoksilla. Hitsaamista pisteheftien yli ei kokeiltu, joten tämän tutkimuksen perusteella ei voida sanoa aiheuttaako pistemäinen hefti keskellä liitossaumaa mahdollisia ulkonäkövirheitä lopputulokseen. Hitsin ulkonäköön voidaan mahdollisesti vaikuttaa sijoittamalla heftit hitsin takapuolelle. Kokeen perusteella tiedetään, että laserilla on mahdollista tehdä toimivia pistemäisiä kiinnitysheftejä tarkasti ennen varsinaisen liitoksen hitsaamista. Laserheftaus on muiden laserhitsaussovellusten tapaan uusi ja lisäksi suhteellisen tutkimaton laserhitsauksen osa-alue, mistä johtuen alueelta tullaan erittäin todennäköisesti tekemään jatkotutkimuksia. Laserin käyttö pistehitsausmenetelmänä on myös yksi sovellusajatus. Erona tavalliseen pistehitsaukseen olisi pistemäisen hitsin muodostuminen ilman puristusta. Koehitsien ulkonäköön liittyen voidaan kokeiden perusteella sanoa, että sisänurkkaliitoksessa on mahdollista saavuttaa liitos, jota ei havaitse ulkopuolelta, varsinkaan maalauksen jälkeen. Ulkonurkkaliitos puolestaan mahdollistaa pyöristetyn ulkonurkan, mikä voisi esimerkiksi maalipinnan keston kannalta olla edullinen. Samalla myös limi- että päittäisliitosten hitsit ovat kapeita ja siistejä ilman jälkihiontaa. Päittäis- ja limiliitoksissa tehojen kasvaessa myös roiskeiden määrä vaikutti kasvavan. Hitsien ulkonäön arvioinnissa eniten painavatkin aina kulloisenkin sovelluskohteen asettamat ulkonäkövaatimukset. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että laserhitsauksen avulla voidaan päästä eroon muun muassa monista aikaa vievistä valmistelu- ja viimeistelyvaiheista sekä hitsauslisäaineen käytöstä, kun liitostyyppi ja parametrit on sovitettu sovelluskohteelle sopiviksi. Laserhitsauksella voidaan saavuttaa myös joustavasti erilaisia liitosmuotoja ja -lujuuksia, automaatiomahdollisuuksia sekä riittävä suoja korroosiota vastaan ohutlevyjen sinkkipinnan sekoittuessa yhtenäisesti kapeaan hitsiin \7\. Kokeissa havaittiin, että laserhitsaus mahdollistaa kevyempien kiinnittimien, kuten magneettikulmien, käytön, joskin sellaisenaan niiden kiinnitysvoima ei ollut riittävä estämään hitsauksen aikana tapahtuvia lämpömuodonmuutoksia, vaan tätä varten oli kappaleisiin tehtävä kiinnitysheftit ennen hitsausta. Lisäksi irrallisten magneettien ongelma oli niiden kiinnittyminen yhtä tiukasti niin liitettäviin levyihin kuin hitsauspöytään, jolloin kappaleenvaihdossa magneetit irtosivat myös hitsauspöydästä, ja levyjen jigiin paikoituksen lisäksi myös itse jigi, eli magneetit, piti jokaisen kappaleenvaihdon yhteydessä paikoittaa pöydälle uudelleen. Tämä ongelma ratkaistiin kokeissa kuitenkin helposti kiinnittämällä magneetit ruuveilla hitsauspöytään. Erilaisten leikkausreunojen vaikutuksesta lopputulokseen ei tutkimuksessa saatu selkeää kuvaa useiden muuttujien ja otosten rajallisuudesta johtuen. Ainakin laserleikatun oksidista puhdistetun reunan hitsaaminen onnistui kaikilla liitosmuodoilla, ja jopa muutaman puhdistamattoman laserleikatun reunan hitsaamisesta saatiin yhtä hyvät tulokset. Kokeessa pyrittiin ilmaraottomiin liitoksiin, mutta käytännössä hitsien ilmaraot vaihtelivat välillä 0 0,1 mm, koska puristimia ei käytetty. Luotettavien tulosten saavuttamiseksi ilmarakojen vaikutuksesta tulisi tehdä lisää kokeita, joissa muiden muuttujien kuten eri leikkausreunatyyppien määrä minimoitaisiin ja käytettäisiin hallittuja ilmarakoja. Koehitseistä muutama hitsattiin käyttäen suojakaasua (Ar). Näin saatiin suuntaa antavaa tietoa suojakaasun merkityksestä hitsin ulkonäölle, vaikkei suojakaasun käyttö ollutkaan tutkimuksessa tärkeimpänä tarkastelun kohteena, ja muun muassa kaasukengän etäisyys levynpinnasta vaihteli kokeissa fokuksen mukana. Kokeissa havaittiin, että suojakaasulla ei saavutettu selkeää hyötyä hitsin ulkonäköä ajatellen. Kaasulla hitsattujen liitosten pinta oli useammin ruskean sävyinen, ja ilman kaasua hitsattujen liitosten pinnat arvioitiin jopa kauniimman näköisiksi kuin kaasulla hitsattujen liitosten. Tarkempien tulosten saavuttamiseksi on syytä tehdä tarkempi koesuunnitelma, jolla varmistetaan keskenään vertailukelpoiset tulokset. Tuloksia tarkastellessa on huomioitava, että hitsauspää ei ollut kaikissa päittäis- ja limiliitoksissa täysin kohtisuorassa levyn pintaan nähden vaan pienessä kulmassa. Hitsauspään pienten asentomuutosten vaikutusta ei tässä tutkimuksessa tutkittu sen tarkemmin, mutta se on hyvä huomioida viimeistellyn ja mahdollisimman kestävän hitsin saavuttamiseksi mahdollisissa jatkotutkimuksissa. Hitsauskokeissa käyttökelpoisiksi todetut parametriyhdistelmät on esitetty taulukkomuodossa (taulukko 3). Tehtyjen kokeiden ja lähtötietojen perustella ei voida kuitenkaan sanoa, mikä liitosmuoto ja parametriyhdistelmä on paras, koska liitoksen soveltuvuus riippuu käyttökohteesta. Kun hitsiliitoksen sijainti, käyttökohde sekä ulkonäkö- ja lujuusvaatimukset ovat tiedossa, voidaan koeliitoksien sopivuutta ja onnistuneisuutta arvioida tarkemmin. Parhaiten onnistuneita koekappaleita voidaan kuitenkin käyttää malliesimerkkeinä kulmahitsiliitosmahdollisuuksien havainnollistamiseen (taulukko 3). 14(20)
Taulukko 3. Hitsauskokeissa käyttökelpoisiksi todetut parametriyhdistelmät, kun materiaalina on 2 mm paksu kylmävalssattu teräs Koenro Liitostyyppi Leikkausreuna Teho [W] Nopeus [mm/s] Fokus [mm] Kaasu Heftattu 14 limikulmaliitos laserleikattu 2800 100 2 ei ei 34 limikulmaliitos koneistettu 2500 100 2 kyllä ei 1 päittäiskulmaliitos mekaanisesti leikattu 2000 100 0 kyllä ei 4 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 0 ei kyllä 6 päittäiskulmaliitos koneistettu 1500 100 0 ei kyllä 8 päittäiskulmaliitos laserleikattu 1500 100 1 ei kyllä 29 päittäiskulmaliitos mekaanisesti leikattu 1700 100 0 ei kyllä 31 päittäiskulmaliitos koneistettu 2000 100 0 kyllä kyllä 33 päittäiskulmaliitos koneistettu 1500 100 0 kyllä kyllä 28 sisänurkkaliitos hilseinen laserleikattu 2500 100 2 ei kyllä 40 sisänurkkaliitos mekaanisesti leikattu 2500 100 2 ei kyllä 16 ulkonurkkaliitos laserleikattu 2700 100 +5 ei ei 19 ulkonurkkaliitos laserleikattu 3000 100 +5 ei kyllä 39 ulkonurkkaliitos laserleikattu 4000 100 +5 ei kyllä 7.1 Jatkotutkimusideat jatkotutkimuksissa on tärkeää selvittää tutkimuksen tavoite, jotta saadaan rajattua muuttujien määrää tarvittaessa liitoksille voidaan tehdä lujuus-, taivutus- ym. vaadittavia kokeita erilaisten leikkausreunojen vaikutuksen tutkiminen ilman muita muuttujia kompensoiko suurempi teho mekaanisesti leikatun reunan epätasaisuuksia? hitsauspään asennon vaikutus hitsin tunkeumaan ja lujuuteen tarkempi suojakaasun vaikutuksen tarkastelu reunatyypin ja puhtauden sekä ilmaraon merkitys mekaanisesti leikatussa parempi läpäisy kuin muissa? koneistetussa huonoin läpäisy? ilmaraon koon vaikutus reunatyypin ja reunan puhtauden vaikutus hitsin kirkkauteen ja muuhun lopputulokseen? valssauspintojen puhtauden vaikutus sisänurkkajigin rakennemuutoksen ja paikoituksen vaikutus lopputulokseen? Magneetit apuna? ulkonurkan täyttäminen ulkonurkan pyöristäminen viistämällä toisen levyn reuna pidempien liitosten tekeminen pidempien heftien tekeminen lisäheftien tekeminen pidemmissä liitoksissa heftien yli hitsaaminen heftit hitsin puolella ja takapuolella 15(20)
säteen tulokulman vaikutus sisänurkkahitsin onnistumiseen ennakointi = säde noin 3 asteen kulmassa (kuva 19) Kuva 19. Sisänurkkaliitoksessa hitsaussädettä voidaan kallistaa, jotta liitoskohta saadaan haluttuun kohtaan erilaiset magneettikiinnittimet ja niiden toimivuus sarjatyössä muut kevyet ja nopeakäyttöiset kiinnittimet laserpistehitsaus ilman puristusta hitsien ulkonäkö hiottuna ja ilman hiontaa maalattuna ja ilman maalausta liitosten automatisointimahdollisuudet muut materiaalit; pinnoitetut ja pinnoittamattomat alle 100 mm/s nopeuden vaikutus päittäisliitoksen onnistumiseen fokuksen muuttamisen (eri kuin -2 mm) vaikutus sisänurkkahitsin onnistumiseen saadaanko pienemmällä teholla (alle 2500 W) riittävän luja sisänurkkahitsi? alhaisemman nopeuden (alle 100 mm/s) vaikutus ulkonurkkahitsin täyttämiseen/pyöristämiseen fokuksen vaikutus ulkonurkkahitsin onnistumiseen erilaisen jigin kehittely ulkonurkkahitsille eri fokusten vaikutus limiliitoksen onnistumiseen yli 3,5 kw tehoilla ja alle 120 mm/s hitsausnopeuksilla 16(20)
8 Yhteenveto Kaikki tutkimuksessa testatut kulmaliitosmuodot todettiin mahdollisiksi toteuttaa koelaserin kaltaisella hitsauslaitteistolla. Tutkimuksen tuloksena eri kulmaliitosmuodoille löydettiin toimivat hitsausparametrit, joita voidaan käyttää jatkotutkimuksissa ja -kokeissa lähtöparametreina. Taulukko 4 sisältää liitosmuodoittain hitsauskokeissa parhaiten toimineet parametriyhdistelmät. Taulukko 4. Kokeissa käytetyistä parametreista parhaaksi todetut parametriyhdistelmät, kun materiaalina on 2 mm paksu kylmävalssattu teräs Liitostyyppi Teho [W] Nopeus [mm/s] Fokus [mm] Heftaus limikulmaliitos 2500 2800 100-2 ei välttämätön päittäiskulmaliitos 1500 2000 100 0 suositellaan sisänurkkaliitos 2500 100-2 suositellaan ulkonurkkaliitos 2700 4000 100 5 suositellaan Kokeiden avulla pystyttiin myös käytännössä toteamaan laserhitsauksen mukanaan tuomat hyödyt liittyen nopeampiin valmistusaikoihin ja pienempiin kustannuksiin työvaiheita karsimalla ja kiinnitystä kehittämällä, kun liitostyyppi ja parametrit sovitetaan sovelluskohteelle sopiviksi. Esimerkiksi laserhitsauksen pienten lämpömuodonmuutosten todettiin mahdollistavan kevyempien, nopeampien ja tavallisista puristimista poikkeavien kiinnitinratkaisujen, kuten magneettikiinnittimien hyödyntämisen. Laserhitsauksen vähäisistä muodonmuutoksista johtuen todettiin kaikissa liitosmuodoissa myös pienten yksittäisten pisteheftien riittävän pitämään liitettävät osat paikallaan toisiinsa nähden varsinaisen hitsauksen aikana. Erilaisten liitospintojen, kuten laserleikatun, mekaanisesti levyleikkurilla leikatun ja koneistetun reunan, tai pölyn, hilseen ja leikkausnestejäämien ei alustavasti havaittu vaikuttavan lopputulokseen. Suurten tehojen todettiin varsinkin päittäis- ja limikulmaliitoksissa kasvattavan roiskeiden määrää. Päittäisliitoshitseissä todettiin, ettei fokuksen tarkkuudella sen ollessa välillä -2 +1 mm ollut selkeää merkitystä hitsin ulkonäköön tai lopputulokseen. Lämpömuodonmuutoksiin liittyviä ongelmia esiintyi eniten sisänurkkaliitosten tekemisessä, kun levyt irtosivat jigin seinämistä puristuksen puuttuessa. Ulkonurkkaliitoksessa ei saatu aikaan toivottua, riittävästi sulanutta liitosta pelkän laserin avulla vähäisen liitosalueella olevan materiaalimäärän takia. Pääosin koeliitokset olivat kuitenkin lujuudeltaan riittäviä ja ulkonäöltään siistejä. Ulkonurkkahitsien todettiin ehdottomasti vaativan pienen pistemäisen kiinnitysheftin hitsin loppupäähän estämään lämpötilan aiheuttamia muodonmuutoksia. Hitsaamista pisteheftien yli ei kokeiltu, joten tutkimuksen perusteella ei voida sanoa aiheuttaako pistemäinen hefti keskellä liitossaumaa mahdollisia ulkonäkövirheitä lopputulokseen. Kokeen perusteella tiedetään kuitenkin, että laserilla on mahdollista tehdä toimivia pistemäisiä kiinnitysheftejä tarkasti ennen varsinaisen liitoksen hitsaamista. Koehitsien ulkonäköön liittyen voidaan kokeiden perusteella sanoa, että sisänurkkaliitoksessa on mahdollista saavuttaa liitos, jota ei havaitse lainkaan ulkopuolelta, varsinkaan maalauksen jälkeen. Ulkonurkkaliitos puolestaan mahdollistaa pyöristetyn ulkonurkan, mikä voisi esimerkiksi maalipinnan keston kannalta olla edullinen. Samalla silti myös limi- että päittäisliitosten hitsit olivat kapeita ja siistejä ilman jälkihiontaa. Kokeissa havaittiin, että laserhitsaus mahdollistaa kevyempien kiinnittimien, kuten magneettikulmien, käytön, joskin sellaisenaan juuri kokeissa käytettyjen magneettikulmien kiinnitysvoima ei ollut riittävä estämään hitsauksen aikana tapahtuvia lämpömuodonmuutoksia kaikilla liitosmuodoilla, vaan tätä varten oli kappaleisiin tehtävä kiinnitysheftejä ennen hitsausta. Irralliset magneetit tuli lisäksi kiinnittää ruuveilla hitsauspöytään paikoitustarkkuuden parantamiseksi. Kokeissa saatiin suuntaa antava tulos siitä, ettei suojakaasulla saavutettaisi selkeää hyötyä hitsin ulkonäköä ajatellen. Tarkempien tulosten saavuttamiseksi on kuitenkin syytä tehdä tarkempi koesuunnitelma, jolla varmistetaan keskenään vertailukelpoiset tulokset. 17(20)
Tehtyjen kokeiden ja lähtötietojen perustella ei voida sanoa, mikä liitosmuoto ja parametriyhdistelmä on paras, koska liitoksen soveltuvuus riippuu käyttökohteesta. Kun hitsiliitoksen sijainti, käyttökohde sekä ulkonäkö- ja lujuusvaatimukset ovat tiedossa, voidaan koeliitoksien sopivuutta ja onnistuneisuutta arvioida tarkemmin. Lisätutkimuksien aiheina esille nousivat eri hitsausparametrien lisäksi mm. ilmaraon ja suojakaasun vaikutus, hitsauspään asennon vaikutus, pidempien hitsisaumojen sovellukset sekä erilaiset kiinnitinmahdollisuudet. 9 Lähteet 1. J. Hovikorpi & K. Lahti, Skannerilaserhitsaus uusi ohutlevyjen hitsausmenetelmä, Hitsaustekniikka 1/2006 2. Jarmo Mäkikangas, Lasertyöstö Elektroniikan Mekaniikan tuotannossa, LaserWorkshop 2006 3. Markku Keskitalo, Laserhitsaus, Lasertekniikan Workshop 4. Jari Ojala, Ohutlevyalan uudet menetelmät, LaserWorkShop 2006 5. www.laserco.fi/lasertietoa.html, luettu 3.6.2010 6. /ELME2/PDF/Pinnoitettujen_ohutlevyjen_laserhitsaus.pdf, Jarmo Mäkikangas, 19.12.2006 7. publications.theseus.fi/bitstream/handle/10024/16531/rabb_niklas.pdf?sequence=1, luettu13.8.2010 8. www.ruukki.com, Kylmävalssatut teräslevyt ja -kelat, Muovattavat teräkset (pdf), luettu 19.8.2010 18(20)
Taulukko 5. Koesarjan vapaasanaista arvostelua taulukkomuodossa Koenro Huomiot Ulkonäkö hitsin puoli Ulkonäkö juurenpuoli Tunkeuma/Läpäisy juurenpuolelta 1 ok, hieman uponnut hitsi siisti siisti, osittain enemmän läpi pääosin kunnolla läpi 2 Levyt liikkuivat hitsatessa toisiinsa nähden, alkupää ei tarttunut siisti, vaikka levyt liikkuivat siisti ei läpi 3 ok, levyt liikkuivat edelleen toisiinsa nähden; nyt vain loppuhitsin osalta siisti siisti ei läpi 4 ok, pari kraateria siisti kaksi kraateria siisti ei läpi 5 ok, pari koloa ja kraateria siisti, vähän koloa ja kraateria siisti ei läpi 6 ok siisti siisti ei läpi 7 ok, alussa sulatti pätkän reikää läpi/säde meni läpi, ihan pientä koloa siisti, alussa reikä siisti ei läpi 8 ok siisti siisti ei läpi 9 ok siisti siisti ei läpi 10 ok, koloa siisti, vähän koloa ja kraateria siisti ei läpi 11 Ei tarttunut siisti siisti "tunkeuma ei läpi" "tunkeuma ei läpi", pari pientä läpäissyttä 12 Ei tarttunut siisti siisti pisaraa 13 ok siisti, ihan vähän roiskeita siisti "tunkeuma ei läpi" 14 ok siisti, ihan vähän roiskeita siisti "tunkeuma ei läpi" 15 Ei tarttunut siisti siisti ei tarttunut 16 ok, säde osui magneettin, mikä nokesi saumaa alta, loppupää liikkui hitsatessa siisti siisti, osittain pientä koloa pääosin kunnolla läpi 17 ok, magneetti nokesi, loppupää liikkui noin 1 mm siisti, vaikka loppu liikkunut siisti kunnolla läpi 18 alussa sulatti reikää läpi, lopussa ok, magneetti nokesi päädyt loppu ok, alussa ei kunnon hitsiä loppu ok, alussa ei kunnon hitsiä alussa poltti reiän, lopussa tunkeuma läpi 19 ok, alkupäässä pari reikää läpi asti siisti siisti kunnolla läpi 20 ok, mutta roiskeita roiskeita, koloa pääosin siisti, osittain läpi ja pientä pisaraa osittain läpi 21 (ok) roiskeita, siisti sisäpuoli roiskeita, koloa siisti kunnolla läpi 22 (ok), vähän roiskeita, ei kovin luja liitos <- liitos nitkuu vähän roiskeita siisti "tunkeuma ei läpi" 23 ok, roiskeita, siisti sisäpuoli roiskeita siisti "tunkeuma ei läpi" 24 ok, roiskeita, siisti sisäpuoli roiskeita siisti "tunkeuma ei läpi" 25 siisti sisäpuolen hitsi, kohdistus huono, "väärä" nopeus, liikkui siisti, pieniä kraatereita osittain siisti, sulapisaroita osittain kunnolla läpi -> sulapisaroita 19(20)
26 (ok), roiskeita, kohdistus huono, alku ok, liikaa tehoa? alku siisti, lopussa roiskeita ja kraatereita siisti, pari ihan pientä pisaraa melkein läpi 27 kohdistus huono/veteli hitsattaessa, liikaa tehoa? -> pisaroita ulkopuolella siisti, pieni kraateri osittain siisti, sulapisaroita ja roiskeita osittain kunnolla läpi -> sulapisaroita 28 ok, siisti hitsi, miten tunkeuma? siisti siisti osittain melkein läpi 29 ok siisti siisti juuri ja juuri läpi, alkuramppi ei läpi, 30 ok siisti, ihan vähän roiskeita siisti, muutama sulapisara pääosin ei läpi, muutama sulapisara osittain kunnolla läpi, kun päällä kupua alta 31 ok, hitsi ei tasalaatuinen (?) siisti, ihan vähän roiskeita siisti, ei läpi, ja toisinpäin 32 kohdistus huono -> hitsi ei osunut railoon. Uusitaan, koska ei tarttunut siisti siisti ei läpi, vain hefti tarttui 33 ok, nokesi siisti, hitsi upposi hieman railoon, aivan pientä reunakoloa? siisti, ihan pientä sulapisaraa juuri ja juuri läpi, alkuramppi ei läpi 34 ok siisti, varsinkin alkuramppi, hyvin pientä reunakoloa? siisti, varsinkin alku, hyvin pientä pisaraa? alkurampissa juuri ja juuri läpi, lopussa ei läpi 35 ok, ihan vähän roiskeita, lopussa hitsi upposi syvälle, nokesi siisti, lopussa enemmän roiskeita ja uponnut hitsi siisti, lopussa sulapisaraa kunnolla läpi, lopussa jo liikaakin 36 ok, vähän roiskeita siisti, roiskeita siisti ei läpi ok. Pinnan oksidikerros hiottiin hiekkapaperilla pois. Muuten vastaava kuin 36. -> Pintaoksidilla 37 ei selkeää vaikutusta, nopeudella ehkä enemmänkin. siisti, roiskeita siisti ei läpi 38 ok, alussa sulatti pätkän reikää läpi/säde meni läpi siisti, alussa ei kunnon hitsiä siisti, alussa ei kunnon hitsiä alussa poltti reiän, lopussa tunkeuma läpi 39 Alkuasetus 1 mm limittäin -> ei täytä nurkkaa, muuten ok. Magneetti nokesi. siisti siisti kunnolla läpi 40 ok, kulmasta tuli alle 90 astetta -> vetelee siisti siisti ei läpi 20(20)