Miten laserhitsausprosessi toimii?

Laserhitsaus on kehittynyt valmistusmenetelmä, jossa fokusoitu lasersäde sulattaa materiaalit yhteen muodostaen kestävän liitoksen. Prosessissa lasersäde kohdistetaan tarkasti määriteltyyn pisteeseen, jossa se sulattaa materiaalin luoden hitsin ilman lisäaineita tai minimaalisella lisäaineen käytöllä. Tämä tehokas ja tarkka hitsausmenetelmä mahdollistaa korkealaatuiset liitokset vähäisellä lämmöntuonnilla, mikä tekee siitä ihanteellisen ratkaisun moniin teollisuuden tarpeisiin.

Mitä laserhitsaus tarkoittaa ja mihin sitä käytetään?

Laserhitsaus on teknologia, jossa käytetään fokusoitua lasersädettä materiaalien sulattamiseen ja yhdistämiseen. Kyseessä on kosketukseton liittämismenetelmä, joka mahdollistaa tarkan energian kohdistamisen juuri haluttuun pisteeseen, mikä tekee siitä erittäin tarkan ja tehokkaan hitsausmenetelmän.

Teollisuudessa laserhitsausta käytetään laajasti eri aloilla. Autoteollisuudessa laserhitsaus on yleistynyt korin osien liittämisessä, mikä mahdollistaa kevyemmät ja kestävämmät rakenteet. Elektroniikkateollisuudessa laserhitsausta hyödynnetään pienten ja herkkien komponenttien liittämisessä, missä perinteiset menetelmät olisivat liian karkeita.

Myös ilmailu- ja avaruusteollisuus hyötyy laserhitsauksen tarkkuudesta ja kestävyydestä, sillä näillä aloilla komponenttien on oltava äärimmäisen luotettavia. Energiateollisuudessa ja petrokemian teollisuudessa laserhitsausta käytetään vaativissa ympäristöissä toimiviin rakenteisiin. Lääketieteellisessä tekniikassa laserhitsaus mahdollistaa tarkkuutta vaativien instrumenttien ja implanttien valmistuksen.

Suomessa laserhitsaus on vakiinnuttanut asemansa erityisesti metalliteollisuudessa, jossa sitä käytetään sekä sarjatuotannossa että erikoiskappaleiden valmistuksessa. Menetelmän monipuolisuus tekee siitä sopivan myös räätälöityihin tuotantoratkaisuihin, mikä vastaa suomalaisen teollisuuden tarpeisiin.

Miten laserhitsausprosessi teknisesti toimii?

Laserhitsausprosessissa voimakas, fokusoitu lasersäde kohdistetaan työkappaleen pintaan, jossa se sulattaa materiaalin muodostaen sulan. Kun sula jäähtyy, syntyy kiinteä liitos kappaleiden välille. Prosessi voidaan jakaa seuraaviin teknisiin vaiheisiin:

Lasersäteen tuottaminen ja ohjaus on prosessin ensimmäinen vaihe. Laserlaite tuottaa koherenttia valoa, joka ohjataan optisten komponenttien avulla kohti työkappaletta. Teollisuudessa käytetään useita eri lasertyyppejä, kuten:

• CO2-laserit, joiden aallonpituus on 10,6 μm, soveltuvat monille materiaaleille ja paksuuksille. Ne ovat luotettavia työkaluja, joita on saatavana eri tehoisina (2-20 kW).
• Kuitulaserit, jotka ovat tehokkaita ja kompakteja, soveltuvat erityisesti ohuiden materiaalien tarkkaan hitsaukseen.
• Diodilaserit, jotka tarjoavat korkean hyötysuhteen ja soveltuvat hyvin tiettyihin sovelluksiin.

Lasersäteen fokusointi on kriittinen vaihe. Lasersäde keskitetään optisten linssien avulla erittäin pieneen pisteeseen, jolloin energiatiheys kasvaa riittäväksi materiaalin sulattamiseen. Fokusoinnin tarkkuus määrittää hitsauksen laadun ja mahdollistaa erittäin pienet hitsit.

Sulatus ja jäähtyminen tapahtuvat nopeasti. Kun lasersäde osuu materiaaliin, se absorboi energian, mikä nostaa lämpötilan sulamispisteeseen. Materiaalin jäähtyessä atomit järjestäytyvät uudelleen muodostaen vahvan liitoksen. Nopea jäähtyminen minimoi lämpövaikutusalueen ja muodonmuutokset.

Laserhitsauksessa voidaan käyttää kahta pääasiallista menetelmää:

• Avaimenreikähitsaus, jossa lasersäteen korkea intensiteetti muodostaa höyrystymällä kanavan eli ”avaimenreiän” materiaaliin. Tämä mahdollistaa syvän ja kapean hitsin.
• Sulattava hitsaus, jossa käytetään matalampaa intensiteettiä ja lämpö johtuu materiaaliin muodostaen leveämmän ja matalamman hitsin.

Nykyaikaiset teollisuuden laserhitsausjärjestelmät voivat olla joko manuaalisia, puoliautomaattisia tai täysin automatisoituja. Niissä voidaan käyttää robotteja tai CNC-ohjattuja järjestelmiä tarkkuuden ja toistettavuuden varmistamiseksi.

Mitä etuja laserhitsaus tarjoaa perinteisiin hitsausmenetelmiin verrattuna?

Laserhitsaus tarjoaa useita merkittäviä etuja verrattuna perinteisiin hitsausmenetelmiin kuten MIG/MAG-hitsaukseen tai TIG-hitsaukseen. Nämä edut tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon monissa teollisuuden sovelluksissa.

Tarkkuus ja laatu ovat laserhitsauksen merkittävimpiä etuja. Lasersäde voidaan kohdistaa erittäin tarkasti, jopa mikrometrien tarkkuudella, mikä mahdollistaa pienten ja herkkien komponenttien hitsauksen. Hitsit ovat siistejä, tasalaatuisia ja niissä on vähemmän roiskeita verrattuna perinteisiin menetelmiin.

Vähäinen lämmöntuotto on toinen keskeinen etu. Koska energia kohdistetaan tarkasti, lämpövaikutusalue (HAZ) on huomattavasti pienempi kuin perinteisissä menetelmissä. Tämä vähentää materiaalin muodonmuutoksia, jännityksiä ja metallurgisia muutoksia, mikä on erityisen tärkeää tarkkuutta vaativissa sovelluksissa.

Nopeus ja tuottavuus parantuvat laserhitsauksen ansiosta. Prosessi on tyypillisesti huomattavasti nopeampi kuin perinteiset menetelmät, ja se voidaan helposti automatisoida. Tämä johtaa korkeampaan tuottavuuteen ja alhaisempiin valmistuskustannuksiin pitkällä aikavälillä.

Joustavuus suunnittelussa kasvaa, koska laserhitsaus mahdollistaa sellaisten rakenteiden hitsaamisen, jotka olisivat vaikeita tai mahdottomia toteuttaa perinteisillä menetelmillä. Tämä antaa suunnittelijoille enemmän vapauksia tuotekehityksessä.

Vähäinen jälkikäsittelyn tarve säästää aikaa ja kustannuksia. Laserhitsatut liitokset ovat usein niin siistejä, että ne eivät vaadi merkittävää jälkikäsittelyä, toisin kuin monet perinteisillä menetelmillä tehdyt hitsit.

Lisäksi laserhitsaus mahdollistaa erilaisten materiaalien yhdistämisen, mikä voi olla haastavaa tai mahdotonta perinteisillä menetelmillä. Tämä on erityisen hyödyllistä nykyaikaisessa valmistuksessa, jossa pyritään hyödyntämään eri materiaalien parhaita ominaisuuksia.

Millaisia materiaaleja voidaan hitsata laserilla?

Laserhitsaus soveltuu laajalle valikoimalle materiaaleja, mikä tekee siitä monipuolisen teknologian eri teollisuudenaloille. Yleisimmät laserilla hitsattavat materiaalit voidaan jakaa seuraaviin ryhmiin:

Metallit ja metalliseokset ovat laserhitsauksen yleisin käyttökohde. Hiiliteräkset, ruostumattomat teräkset, alumiini, titaani, kupari, nikkeli ja niiden seokset voidaan kaikki hitsata laserilla. Erityisesti ruostumattoman teräksen laserhitsaus on yleistä tarkkuutta vaativissa sovelluksissa, ja alumiinin hitsaus on merkittävä etu keveyttä vaativissa rakenteissa.

Erikoismetallit ja -seokset, kuten titaani ja sen seokset, jotka ovat tärkeitä ilmailu- ja lääketieteellisessä teollisuudessa, voidaan hitsata laserilla ilman merkittävää materiaalin ominaisuuksien heikkenemistä. Myös monet muut erikoismetallit, kuten inkoneli, hastelloyi ja muut superseokset hitsautuvat hyvin laserilla.

Eripariliitokset eli eri metallien väliset liitokset ovat haastavia perinteisillä menetelmillä, mutta usein mahdollisia laserhitsauksella. Esimerkiksi kuparin ja alumiinin, tai teräksen ja alumiinin yhdistäminen voi onnistua laserhitsauksella, vaikka näiden materiaalien fysikaaliset ominaisuudet eroavat merkittävästi toisistaan.

Muovit ja polymeerit voidaan myös hitsata laserilla. Tämä on erityisen hyödyllistä lääketieteellisissä sovelluksissa ja elektroniikkateollisuudessa. Laserhitsaus mahdollistaa muovien liittämisen ilman liuottimia tai liimoja, mikä on tärkeää monissa puhtautta vaativissa sovelluksissa.

Laserhitsauksessa on kuitenkin huomioitava materiaalien rajoitukset. Materiaalin heijastuskyky, lämmönjohtavuus ja paksuus vaikuttavat merkittävästi hitsattavuuteen. Esimerkiksi kiiltävät materiaalit kuten kupari ja alumiini heijastavat lasersädettä, mikä voi hankaloittaa hitsausta. Näissä tapauksissa voidaan tarvita erityisiä tekniikoita tai lasertyyppejä optimaalisen tuloksen saavuttamiseksi.

Materiaalin paksuus vaikuttaa myös laserhitsauksen soveltuvuuteen. Ohuet materiaalit, jopa alle 0,1 mm paksuiset, voidaan hitsata tarkasti, kun taas paksumpien materiaalien hitsaamiseen tarvitaan suurempitehoisia lasereita. TRUMPF tarjoaa lasereita eri teholuokissa (2-20 kW), mikä mahdollistaa eripaksuisten materiaalien hitsaamisen tehokkaasti.

Miten laserhitsauksen laatua valvotaan ja varmistetaan?

Laserhitsauksen laadunvalvonta on kriittinen osa prosessia, joka varmistaa liitoksen kestävyyden ja toimivuuden. Nykyaikaiset laadunvalvontamenetelmät mahdollistavat hitsien reaaliaikaisen seurannan ja nopean reagoinnin mahdollisiin poikkeamiin.

Reaaliaikainen monitorointi on tehokas tapa seurata hitsausprosessia. Laserhitsausjärjestelmiin voidaan integroida erilaisia antureita ja kameroita, jotka seuraavat prosessia ja tunnistavat poikkeamia. Esimerkiksi TRUMPF tarjoaa sulanhallintajärjestelmiä, jotka valvovat hitsipinnan kehitystä ja varmistavat optimaalisen energian käytön.

Lämpötilan seuranta on olennainen osa laadunvalvontaa erityisesti muovien laserhitsauksessa. Pyrometrit mittaavat liitosvyöhykkeen lämpötilaa ja järjestelmä säätää lasertehon automaattisesti saavuttaakseen optimaalisen hitsauslämpötilan. Tämä varmistaa tasalaatuiset hitsit ja mahdollistaa laatuparametrien jäljitettävyyden.

Rikkomaton testaus (NDT) on tärkeä osa valmiin hitsin laadunvarmistusta. Näitä menetelmiä ovat:

• Visuaalinen tarkastus, joka on yksinkertaisin mutta usein tehokas tapa havaita pintavirheitä
• Ultraäänitarkastus, joka paljastaa sisäiset virheet kuten huokoset ja halkeamat
• Röntgentarkastus, joka mahdollistaa hitsin sisäisen rakenteen tarkan analysoinnin
• Tunkeumanestetarkastus, joka soveltuu pintavirheiden havaitsemiseen

Prosessiparametrien optimointi on ennakoiva tapa varmistaa laatu. Ennen varsinaista tuotantoa tehdään kattavat testit, joilla määritetään optimaaliset hitsausparametrit kullekin materiaalille ja liitostyypille. Tässä TRUMPF:in sovelluskonsultointi voi tarjota merkittävää apua, sillä asiantuntijat voivat optimoida laserprosessin tehokkuuden, luotettavuuden ja laadun jo ennen laiteinvestointia.

Jäljitettävyys ja dokumentointi ovat tärkeitä laatujärjestelmän osia. Modernit laserhitsausjärjestelmät tallentavat prosessiparametrit ja mittaustulokset, mikä mahdollistaa täydellisen jäljitettävyyden. Tämä on erityisen tärkeää kriittisissä sovelluksissa kuten lääketieteellisissä laitteissa ja autoteollisuudessa.

Laserhitsauksen laadunvalvonnassa on tärkeää myös operaattoreiden koulutus ja ammattitaito. Vaikka prosessi on pitkälti automatisoitu, osaava henkilöstö pystyy tunnistamaan mahdolliset ongelmat varhaisessa vaiheessa ja reagoimaan niihin tehokkaasti.

Korkealaatuisen laserhitsauksen varmistamiseksi tarjoamme asiakkaillemme kattavaa tukea koko prosessin ajan, alkaen suunnittelusta ja parametrien optimoinnista aina käyttöönottoon ja koulutukseen. Tuotannon tukikonsultoinnissa kokenut sovellusasiantuntija on asiakkaan vierellä koneen ensimmäisten vaiheiden aikana, varmistaen parhaan mahdollisen lopputuloksen.