laser- ja hybridihitsauksen käyttökohteet · 2015. 5. 28. · laser- ja hybridihitsauksen ......

TAKEOFF! -seminaari

Savonia-ammattikorkeakoulu, Kuopio, 21.5.2015

Ilkka Lappalainen, Ionix Oy

Laser- ja hybridihitsauksen

käyttökohteet

Sisältö

1. Työstölaserin periaate

2. Laserhitsauksen periaate ja sovellusesimerkkejä

3. Laserhitsauksen kustannukset

4. Laserhitsauksen edut

5. Laserhitsauksen rajoitukset

6. Johtopäätökset

21.5.2015 © Copyright Ionix Oy 2015. All rights reserved. | www.ionix.fi 2

LASER- JA HYBRIDIHITSAUKSEN KÄYTTÖKOHTEET

TYÖSTÖLASERIN PERIAATE



Tavallinen valo vs. laservalo


TYÖSTÖLASER

TAVALLINEN VALO

Säteilee satunnaisesti joka suuntaan

Useita aallonpituuksia (eli värejä)

Erivaiheista

→ Huono fokusoitavuus

LASERVALO

Yhdensuuntaista

Samaa aallonpituutta

Samanvaiheista

→ Erinomainen fokusoitavuus

CO2-laser (10 600 nm)



Kuitu- ja diodilaserit (808-1 080 nm)



Kuitujohdatteisen laserin fokusointi


LASERHITSAUS

siirtokuitu kuituliitin

kollimointilinssi fokusointilinssifokuspiste

Työstöpää



Leikkauspää Hitsauspää peilioptiikalla Hitsauspää linssioptiikalla



LASERPROSESSIT

Erottavat

Leikkaus

Liittävät LisäävätPoistavat Muokkaavat

Hitsaus

Juotto

Pinnoitta-

minen

Stereo-

litografia

Laser-

valaminen

Poraus

Kaiverrus

Karkaisu

Taivutus

Sulatus

Sintraus Värinmuutos

LASERHITSAUKSEN PERIAATE

JA SOVELLUSESIMERKKEJÄ



Erilaisten materiaalien hitsaus



MuoviLasiMetalli

Sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

sula

hitsi

lasersäde

Sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

sula

hitsi

lasersäde

lasersäde

sulahitsi

Lasersäde sulattaa materiaalin pinnan

ja lämpö siirtyy kappaleen sisään

sekoittumalla ja johtumalla.

Hitsin leveys on tyypillisesti

tunkeumaa suurempi.

Lappalainen, 2010

Lappalainen, 2010

Työstösuunta

Alumiinilevyn sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

t=1,0 mm

P=4 kW

v=4,8 m/min

Nuvonyx

Akkukotelon sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

Ruostumaton teräs

t=0,3 mm

P=200 W

v=1,5 m/min

Kaasutiivis hitsi

Laserline

Paljekytkimen sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

IPG YLR-100 SM

P=100 W

v=500 mm/s

IPG Laser GmbH

Keittiöaltaan sulattava laserhitsaus


LASERHITSAUS

Ruostumaton teräs

P=4 kW

v=5 m/min

Laserline

Syvätunkeumalaserhitsaus


LASERHITSAUS

sulalasersäde

hitsi

Syvätunkeumalaserhitsaus


LASERHITSAUS

sulalasersäde

hitsi

avaimenreikä

hitsi sula

lasersäde

metallihöyry/plasma

Tehotiheyden kappaleen pinnalla

ylittäessä 10 kW/mm2, materiaali alkaa

höyrystyä ja lasersäde tunkeutuu

kappaleen sisään muodostaen ns.

avaimenreiän.

avaimen-

reikä

Lappalainen, 2010

Lappalainen, 2010

Työstösuunta

Avaimenreiän ja hitsisulan koko eri hitsausnopeuksilla (seostamaton teräs, t=1 mm, P=12 kW)



Luleå Tekniska Universitet

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0

Tu

nk

eu

ma

[m

m]

Hitsausnopeus [m/min]

2 kW

4 kW

6 kW

8 kW

10 kW

12 kW

15 kW

20 kW

Tunkeuma vs. hitsausnopeus


LASERHITSAUS

Kuitulaser, d=0,4 mm

Ruostumaton teräs, 1.403

IPG Laser

KARKEA PEUKALOSÄÄNTÖ TERÄKSILLE:

1 m/min hitsausnopeudella jokaista 1,5 tunkeuma-

millimetriä kohden tarvitaan 1 kW lasertehoa.

Palkin laserhitsaus kahdesta C-profiilista, RAEX 650 MC OPTIM, t=3 mm


LASERHITSAUS

LUT

Putkilämmönsiirtimen putki-levy-liitos


LASERHITSAUS

P=8 kW

10-kertainen tuotantonopeus TIG:iin

verrattuna

Mangiarotti

Synkronointirenkaan laserhitsaus


LASERHITSAUS

P=2 kW

v=3,5 m/min

Rofin

Voimansiirron komponenttien laserhitsaus, C 45 /QStE 420 TM


LASERHITSAUS

Fraunhofer IWS

Kuparin laserhitsaus


LASERHITSAUS

Putken pitkittäissauma, t=1,4 mm

Fraunhofer IWS

Putken päittäissauma, t=1,4 mm

Kuitulaser, laserteho 3-5 kW

Eripariliitokset

• Laserhitsaus tyypillisesti helpompaa kuin muilla sulahitsausmenetelmillä:

– Nopea lämpösykli

– Kapea hitsi

– Säteen kohdistuksella voidaan säädellä seostumista


LASERHITSAUS

TWI

Teräs+RST Cu (0,1 mm)

Teräs (0,5 mm)

RST+Cu

JK Lasers Fraunhofer USA Fraunhofer USA

Al + Cu (1,0 mm)

Eripariliitokset: Materiaaliparien hitsattavuus

Hyvä hitsattavuus edellyttää:

- sulamispisteet lähellä

toisiaan

- materiaalit eivät muodosta

hauraita faaseja

keskenään

Lisäaineen lisäys

mahdollistaa usein muuten

mahdottoman

eripariliitoksen.


LASERHITSAUS

♦ Erittäin hyvä

● Hyvä

○ Riittävä

Rofin, 2004

Voimansiirron komponenttien laserhitsaus, valurauta-karkaistu teräs


LASERHITSAUS

Fraunhofer IWS

Lisäaineettoman hitsausprosessin rajoitteet

• Hitsiä ei voida seostaa

• Liian suuri ilmarako aiheuttaa ongelmia:

– Lasersäde menee liitoksesta läpi sulattamatta liitospintoja

– Vajaa täyttö ilman lisäainetta

– Tavoitteena ilmaraoton liitos tai vakiona pysyvä kapea

rako:

• huomioitava tuote- ja kiinnitinsuunnittelusssa

• päittäisliitoksen railonvalmistus on usein tehtävä

laserleikkaamalla tai koneistamalla

• Lasersäteen paikoitus oltava tarkka


LASERHITSAUS

Ohjeellisia maksimiarvoja ilmaraolle ja asetusvirheelle

Arvot pätevät syvätunkeumalaserhitsauksella. Suuremmat arvot ovat sallittuja

käytettäessä lisäainetta tai muilla tekniikoilla.


LASERHITSAUS

0,2t (max 0,2 mm)

LIMILIITOS

t

PÄITTÄISLIITOS

t

0,1t (max 0,2 mm)

0,3t

Menetelmät ilmarakotoleranssin kasvattamiseksi

A. Suurempi polttopiste hitaampi, suurempi lämmöntuonti

B. Twin-spot

C. Säteen vaaputus

D. Säteen pyöritys

E. Lisäaineellinen laserhitsaus (lanka tai jauhe)

F. Laserhybridihitsaus


LASERHITSAUS

A

B

C

D

Hitsaus sädettä vaaputtamalla

• Alumiinikotelon

laserhitsaus

• t=3 mm

• P=4 kW

• v=1 m/min

• Erinomainen hitsin

laatu ja vähäiset

muodonmuutokset!


LASERHITSAUS

Carl Cloos Schweißtechnik GmbH

Lisäaineellinen laserhitsaus

• Kylmä tai esilämmitetty lisäaine (tyypillisesti lanka tai

jauhe) sulatetaan lasersäteellä hitsiin

• Tavoitteena railotoleranssien kasvattaminen tai hitsin

seostus


LASERHITSAUS

Jokinen & Karhu, 2003

Lisäaineellinen laserhitsaus: Tasauspyörä

GJS-600 (pallografiittivalurauta, C=2,5-3,6 %)

16MnCr5 (hiiletysteräs, C=0,14-0,19 %)

Lisäaine: 1071: SC NiFe-1 (N~60 %), Ø 1.0 mm


LASERHITSAUS

Trumpf

4 mm

Laserteho, P=2800 W

Nopeus, v=1,5 m/min

Langansyöttönopeus, vf=4,5 m/min

Etälaserhitsaus

• Hitsaus pitkällä (jopa yli 1 m) polttovälillä

mahdollistaa säteen kuljettamisen kappaleen

pinnalla erittäin suurella nopeudella

ohjaamalla sädettä peileillä

• Käytetään tyypillisesti ohutlevyjen

limiliitoksissa kappaleissa, joissa paljon lyhyitä

hitsejä siirtymäajat hitsien välillä

käytännössä poistuvat


LASERHITSAUS

Trumpf

LSS – Laser Seam Stepper


LASERTYÖSTÖN KIINNITINTEKNIIKKA

LSS:n esimerkkisovellus: Skoda Rapidin oven hitsaus



12mm

LSS:n esimerkkisovellus: junanvaunun hitsaus



IMAWIS GmbH, Rostock

Laserhybridihitsaus


LASERHYBRIDIHITSAUS

lasersäde

sula

hitsivalokaari

Laserhybridihitsaus


LASERHYBRIDIHITSAUS

lisäainelanka

kosketus-

suutin

lasersäde

avaimen-

reikä

sula

hitsivalokaarihitsi

avaimenreikä

metallihöyry/plasma

lasersäde

sula

valokaari

lisäainelanka

Lasersäde ja valokaari toimivat

samassa sulassa.

Hitsin muoto riippuu energialähteiden

tehosuhteesta.

poltin(tyypillisesti MIG/MAG, TIG tai plasma)

Lappalainen, 2010 Lappalainen, 2010

Laserhybridihitsin muoto


LASERHYBRIDIHITSAUS

Lappalainen, 2010

ESIMERKKI: Hydraulisylinterien hybridihitsaus


LASERHYBRIDIHITSAUS

P=10 kW

v=2 m/min

t=12 mm

Luja teräs (560 Mpa)

ESIMERKKI: Jäykisteen laserhybridihitsaus, rakenneteräs, t=10 mm


LASERHYBRIDIHITSAUS

SLV Rostock

ESIMERKKI: Jäykisteen laserhybridihitsaus, rakenneteräs, t=10 mm, v=1,5 m/min


LASERHYBRIDIHITSAUS

Penn State

Alumiiniprofiilin laser-MIG-hybridihitsaus


LASERHYBRIDIHITSAUS

BIAS

EN AW-6008, t=8 mm

v=8 m/min

PL=10,5 kW

AlSi5, Ø1,2 mm

Teräksen laser-MAG-hybridihitsaus, v=2 m/min



BIAS

Levylakanan laser-MAG-hybridihitsaus

• Laserleikatut levynreunat

• Pohjapalko: laser-MAG-hybridi

• Pintapalko: Tandem-MAG



IMG Rostock

20 mm

LASERHITSAUKSEN KUSTANNUKSET


LASERHITSAUS

Kustannukset

• Laserhitsauksessa investoinnista johtuvat kiinteät kustannukset muodostavat usein suurimman osa

hitsauskustannuksista

• Mikäli laserhitsauskoneen käyttöaste saadaan riittävän korkealle, on investointi usein hyvinkin

kannattava


LASERHITSAUS

CASE: Hitsattu koteloprofiili


LASERHITSAUS

MAG-hitsattu palkki Laserhitsattu palkki

Uumalevyn reunoihin

koneistetaan

6x6 mm viisteet

Uumalevyn reuna

koneistetaan (voidaan

jättää pois, jos reunan

leikkauslaatu on riittävä)

Tuotantovolyymi 560 000 m/vuosi

6

6

6

7

15

15

6

7


LASERHITSAUS

# Laser Laser-MAG Tandem-MAG

001 TEHOLLISET TYÖTUNNIT VUODESSA

002 Työtunteja vuorokaudessa h 14,0 14,0 14,0

003 Työpäiviä vuodessa pv 250 250 250

004 Työtunteja vuodessa h 3 500 3 500 3 500

005 Koneen käytettävyys % 90 % 90 % 85 %

006 Tehollisia työtunteja vuodessa h 3 150 3 150 2 975

007

008 HITSAUSPÄIDEN MÄÄRÄ SEKÄ TAHTIAIKA JA SÄDE-/KAARIAIKASUHDE

009 Yksittäisen hitsin pituus m 10,0 10,0 10,0

010 Hitsien määrä kpl 4 4 4

011 Hitsien pituus yhteensä m 40,0 40,0 40,0

012 Hitsausnopeus m/min 5,0 5,0 1,5

013 Hitsausaika yhdellä hitsauspäällä min 8,0 8,0 26,7

014 Hitsauspäiden määrä kpl 1 1 4

015 Hitsausaika koko koneella min 8,0 8,0 6,7

016 Asetusaika min 5,0 5,0 5,0

017 Tahtiaika min 13,0 13,0 11,7

018 Säde-/kaariaikasuhde % 62 % 62 % 57 %

019

020 KÄYTTÖSUHDE

021 Vuosituotanto kpl/vuosi 14 000 14 000 14 000

022 Vuosituotanto m/vuosi 560 000 560 000 560 000

023 Tuotantomäärä tunnissa kpl/h 4,4 4,4 4,7

024 Vuosituotantoon menevä aika h 3 033 3 033 2 722

025 Käyttösuhde % 96 % 96 % 92 %


LASERHITSAUS

# Laser Laser-MAG Tandem-MAG

027 KIINTEÄT KUSTANNUKSET

028 Hankintahinta € 700 000 750 000 350 000

029 Jäännösarvo € 175 000 187 500 87 500

030 Poistoaika vuotta 5 5 5

031 Laskentakorko % 5 % 5 % 5 %

032 Perushankintahinta € 562 883 603 089 281 441

033 Annuiteetti € 130 012 139 298 65 006

034 Koneen viemä lattiapinta-ala m2 100,0 100,0 200,0

035 Vuotuinen laskennallinen neliövuokra €/m2 80,00 80,00 80,00

036 Vuotuinen laskennallinen vuokra € 8 000 8 000 16 000

037 Vuotuinen kunnossapitokustannus € 5 000 5 000 5 000

038 Kiinteät kustannukset vuodessa € 143 012 152 298 86 006

039 Kiinteät kustannukset tunnissa €/h 47,15 50,21 31,59

-

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00Lisäaine

Suojakaasu

Paineilma

Kulutusosat

Sähköenergia

Työ


LASERHITSAUS

Laser Hybrid Tandem-MAG

KUSTANNUKSET SÄHKÖSTÄ

Sähkönkulutus tuotannon aikana kW 39,05 39,83 155,36

Sähköenergian hinta €/kWh 0,05 0,05 0,05

Sähköenergia €/h 1,95 1,99 7,77

KUSTANNUKSET SUOJAKAASUSTA

Suojakaasunkulutus tuotannon aikana l/min - 15,38 64,00

Suojakaasun hinta €/m3 3,00 3,00 3,00

Suojakaasu €/h - 2,77 11,52

KUSTANNUKSET LISÄAINELANGASTA

Lisäaineenkulutus kg/h - 2,29 30,60

Lisäaineen hinta €/kg 1,50 1,50 1,50

Lisäaine €/h - 3,43 45,90

KUSTANNUKSET PAINEILMASTA

Paineilman kulutus m3/min 1,20 1,20 0,25

Paineilman hinta €/m3 0,03 0,03 0,03

Paineilma €/h 0,04 0,04 0,01

KUSTANNUKSET KULUTUSOSISTA

Kulutusosat €/h 1,50 4,00 7,65

KUSTANNUKSET TYÖSTÄ

Työn hinta €/h 30,00 30,00 30,00

Operaattorien lukumäärä hlö 1,0 1,0 2,0

Työ €/h 30,00 30,00 60,00

MUUTTUVAT KULUT YHTEENSÄ €/h 33,49 42,23 132,84 Laser Laser-MAG Tandem-MAG

Esimerkkilaskelmassa Tandem-MAG –

prosessi tulee edullisemmaksi, kun

vuosituotanto jää alle 4000 kotelopalkkiin.

Tämä tarkoittaa noin 4 h tuotantoa päivässä.


LASERHITSAUS

079 KUSTANNUKSET YHTEENSÄ

080 Tuotantokustannukset tunnissa €/h 80,64 92,44 164,43

081 Tuotantokustannukset vuodessa €/vuosi 244 593 280 393 447 628

082 Hitsauskustannus €/m 0,44 0,50 0,80

083 Säästö vuodessa € 203 035 167 234

084

085 TAKAISINMAKSUAIKA

086 Muuttuvat kulut tunnissa €/h 33,49 42,23 132,84

087 Kustannukset vuodessa (pl. hankinta) €/h 114 581 141 095 382 622

088 Säästöt vuodessa muuttuvista kuluista €/h 268 040 241 526

089 Takaisinmaksuaika vuotta 2,3 2,7

-

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000

Hitsa

usku

sta

nn

us [€

/m]

Vuosituotanto [kpl]

Hitsauskustannukset vuosituotannon funktiona

Laser

Laser-MAG

Tandem-MAG

LASERHITSAUKSEN EDUT


LASERHITSAUS

Laserhitsauksen edut


LASERHITSAUS

SYVÄ JA

KAPEA

HITSI

Paksut materiaalit

yhdellä palolla

EI TARVETTA

LISÄAINEELLE

SUURI

HITSAUSNOPEUS

Vähemmän

muodon-

muutoksiaHitsi lähellä

lämpöherkkiä

komponentteja

Pienemmät

koneistusvarat

Vähemmän

jälkityöstöä

PROSESSIN HYVÄ

HALLITTAVUUS

Matala

lämmöntuonti

Metallurgiset

edut

ULOTTUVA

TYÖKALUHitsi voi sijaita

kapean raon

pohjalla

Vähemmän

huurujaKorkea laatu

Pieni hitsisula

Mahdollisuus

jättää

suojakaasu pois

Säästö

lisäaineessa

Hyvä

automatisoitavuus

Tehokkuus

Lakiasento

mahdollinen

Tehokkuus

Ohuiden

materiaalien

hitsausVähemmän

railonvalmistelua

Ei langansyöttö-

ongelmia

Hitsaus

viimeisenä

työvaiheena

Eripariliitokset

Suuret

paksuuserot

liitettävissä

työkappaleissa

mahdollisia

KOSKETUKSETON

PROSESSIEi työkalun

kulumista

Vähäiset muodonmuutokset


LASERHITSAUS

Kontkanen, 2007

JAUHEKAARIHITSAUS LASER-MAG-HYBRIDIHITSAUS

CASE: Levylakanoiden valmistus telakalla, laivanrakennusteräs NVE36, t=6 mm

Liitosmuotoja


LASERHITSAUS

LASERHITSAUKSEN RAJOITUKSET


LASERHITSAUS

Laserhitsauksen rajoitukset


LASERHITSAUS

KAPEA HITSI

Ei salli ilmarakoa

LASER-

TURVALLISUUS

SUURI

HITSAUSNOPEUS

UUSI

TEKNOLOGIA

Matala

lämmöntuonti

Metallurgiset

ongelmat

SUURIKOKOINEN

HITSAUSPÄÄ

Kaikki perinteisillä menetelmillä

hitsattavat kappalegeometriat eivät

ole mahdollisia

Suuri säteen

paikoitustarkkuus-

vaatimus

Railonseuranta

Työaseman

kotelointi

Investointi

edellyttää korkeaa

käyttöastetta

Vaatii hyvän

kiinnittimen

LisäaineEsi-/jälkilämmitys

Vaatii tarkat

kappaleet

Edellyttää käyttäjän

perehtymistä

aiheeseen

YHTEENVETO


LASERHITSAUS

Laserhitsaus Suomessa

• Toimijat:

– Koulutus- ja tutkimuslaitokset, 9 kpl, mm.:

• Lappeenrannan ja Tampereen teknilliset yliopistot

• Winnova (Laitila), Koneteknologiakeskus Turku, HAMK (Riihimäki), ELME Studio (Nivala), Jaloterässtudio (Tornio)

• Jatkossa myös Savonia!

– Koneenrakentajat ja asiantuntijat, mm.:

• Pemamek (Loimaa), Kemecweld (Lahti), Ionix (Hämeenlinna), Apricon (Riihimäki), Weldcon (Lappeenranta)

– Alihankkijat, ≥7 kpl, mm.:

• Hakaniemen Metalli Oy (Vantaa), HT Laser Oy (Haapamäki), Kenno Tech Oy (Riihimäki), Laserle Oy (Helsinki),

SSAB Oy (Uusikaupunki), Rautatyö Kröger Oy (Jyväskylä), Compusteel (Savonlinna)

– Omia tuotteita hitsaavat, >10 kpl, mm.:

• Ecocat Oy (Vihtavuori), Valmet Oy (Valkeakoski), Metso Power Oy (Tampere), Outokumpu Oyj (Tornio), Outokumpu

Stainless Tubular Products Oy Ab (Pietarsaari), Outotec Turula Oy (Outokumpu), Levator Oy (Hanko), Stalatube Oy

(Lahti), STX Finland Oy (Turku), Valmet Automotive Oy (Uusikaupunki), Cathodex Oy (Parkano)



Johtopäätökset

1. Laserhitsaus on erittäin monikäyttöinen teknologia, jonka edut liittyvät usein tehokkuuteen ja korkeaan

laatuun

2. Perinteisesti ohutlevyjen liittämismenetelmä, mutta käyttö laajenee jatkuvasti paksumpiin

materiaaleihin

3. Tyypillisesti laserhitsauksen käyttöä rajoittavat investoinnin suuruus sekä aihioiden riittämätön laatu ja

tarkkuus

4. Erilaiset erikoisprosessit laajentavat laserhitsauksen sovelluskenttää jatkuvasti

5. Erikoisprosessien sekä laserteknologian laskevien hintojen myötä laserhitsaus tulee yleistymään

teollisuudessa myös Suomessa


LASERHITSAUS

Kiitos!
http://www.ionix.fi/http://www.ionix.fi/

laser- ja hybridihitsauksen käyttökohteet · 2015. 5. 28. · laser- ja hybridihitsauksen ......

Documents