LASERHITSAUKSEN HYÖDYNTÄMINEN TEKNOLOGIATEOLLISUUDESSA Antti Salminen 15.3.2010
Työstölaserit
Laserlaitemarkkinat 4
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. 10.3.2010 ASA 5
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. 10.3.2010 ASA 6
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. 10.3.2010 ASA 7
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. 10.3.2010 ASA 8
Valo 10.3.2010 ASA 9
Laservalo 10.3.2010 ASA 10
Fokusointi Valo Laservalo Linssi Polttopiste?? Polttopiste 10.3.2010 ASA 11
Laserien kehitystrendit Suurempia tehoja Parempi säteenlaatu teholuokassa Laitteen pienempi fyysinen koko Luotettavuus Integroitavuus Hintojen lasku 10.3.2010 ASA 12
Materiaalintyöstölaserit Mikrotyöstösovellukset Röntgen Ultravioletti Näkyvä Infrapuna Konepajasovellukset Lähi Keski Pitkä Röntgen Ultravioletti Näkyvä Infrapuna Lähi Keski Pitkä 0,1nm 1 10 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 3µ 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)
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
Lasertyöstöprosessit Sädeparametritulo, mm mrad 1.000 100 10 1 Painotekniika CO 2 -Laser Juotto Muovin hitsaus Sulattava hitsaus Sintraus Ei metallien leikkaus Kiekkolaser Kovajuotto Karkaisu Pinnoitus Nd:YAG laser Poraus Kuitulaser 0.1 1 10 100 1.000 10.000 Laserteho, W 15
Laserhitsaus
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
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
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
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
Kilpailukykytekijät Tunkeuman syvyys, mm Niukkaseosteinen teräs Hitsausnopeus, m/min 21
Avaimenreikähitsaus Hitsaus CO2 laserilla Ruostumaton teräs Hitsausnopeus, m/min 8kW, 4 mm, 10 m/min 12kW, 4mm, 9 m/min Tunkeuma, mm 22
Avaimenreikähitsaus Hitsaus 1070nm Tunkeuman syvyys, mm 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 y = -4,9ln(x) + 15,395 R² = 0,9782 Ruostumaton teräs y = -3,067ln(x) + 13,48 R² = 0,9937 0 5 10 15 20 25 Hitsausnopeus, m/min 166μm 333μm Laserteho 8kW 23
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 0,67 2.00 m/min 3.00 m/min 3.75 m/min 24
Ohutlevyosien hitsaus 25
Ohutlevyosien hitsaus 26
Räätälöidyt levyt Osavalmistus Muovaus Hitsaus Tuote 27
Räätälöidyt levyt Lähde: Rofin-Sinar 28
Räätälöityjä tuotteita Thyssen Engineered Blanks Thyssen Tailored Strips Thyssen Tailored Tubes 29
Kennorakenteet 30
Kennorakenteet 31
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
Avaimenreikähitsaus Voimansiirron sovelluksia Henkilöauton vaihdelaatikon Synkronointirenkaiden hitsaus 33
Suurteholaser 35 YLR 20000 / YLR 30000 Tunkeuman syvyys, mm Penetration mm 30 25 20 15 10 5 30 kw 20 kw 15 kw 12 kw 10 kw Stainless Steel (10-20 kw) X70 (30 kw) Spot size 420 µm 0 0 5 10 15 20 Hitsausnopeus, Welding Speed m/min mm 34
17 19 kw Ei esikuumennusta Y-railo Esikuumennus n. 160 o C Y-railo I-railo 35
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
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
Eripariliitos Laivan lastiluukku 38
Eripariliitos 39
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
Hybridihitsaus Laserhitsaus telakalla 10kW kuitulaser-hybridihitsausasema Fincantieri, Monfalcone, 2007 41
Laserhitsausasema 20kW laser Teollisuusrobotti 42
Laserhitsattu kotelo Teräskotelo 1.4301 4,2x1,65x0,4 m 43
Etähitsauslaite Y-akseli X-akseli Lasersäde Tasolinssi Polttopiste Työkappale 44
Etähitsaus Hitsin muodon optimointi Liitos voidaan optimoida hitsin geometriaa muuttamalla: Hitsien paikka Asento Muoto 45
Etähitsaus Osakokoonpanon hitsaus Tekniikka Vastuspistehitsaus Laserhitsaus Etähitsaus aika 30s 23s 5s 46 Lähde: BMW
Etähitsaus Sovelluksia Autoteollisuuden osakokoonpanot Vahvistusosat, sinkitystä Pulttien ja muttereiden liittäminen Lähde: Trumpf 47
Räätälöidyt palkit Airbus Alumiinipalkit Audi A2 Mayer Werft telakka, myös kennot Thyssen, räätälöidyt palkit 48
Räätälöidyt U-, L-profiilit INNOSTAHL 49
Muuntajakotelo 1,25 m 50
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
Kaasuputken hitsaus Täyttöpalot (jopa 5 asemaa) Juuripalko ja 1. täyttöpalko Railonvalmistus ja esikuumennus Pintapalko Lähde: Vietz GmbH 52
Kaasuputken laserhitsaus Lähde: Vietz GmbH 53
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
Miksi laserhitsaus? 55
Miksi laserhitsaus? Otettu sähköteho suhteessa tunkeuman syvyyteen ja hitsausnopeuteen Tunkeuman syvyys 56
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. 040 767 4387, antti.salminen@lut.fi Tutkija Heidi Piili, TkL, puh.040 551 0710, heidi.piili@lut.fi Tutkija Tuomas Purtonen, DI, puh 040 5153349, tuomas.purtonen@lut.fi 57
Lisää lasertyöstöistä: 28.4.2010 Lasertyöstöseminaari