Svetsdjup (mm) Fokuserad. laserstråle. Focuserad. Metallånga. laserstråle. Nyckelhål. Smältbad. Nyckelhål. Svetsdjup. Smält metall.

Transkript

1 4.4 Lasersvetsning Principer Svetsning med högeffektlaser blir en allt vanligare svetsmetod framför allt inom bilindustrin och bland dess underleverantörer där ett flertal applikationer förekommer. Vid svetsning med Nd:YAG-laser fokuseras laserstrålen med lins och vid svetsning med CO 2 laser används vanligen fokuserande spegel. Strålen fokuseras till några tiondels millimeter, se Figur 4-9. Fokalpunkten placeras på eller strax under arbetsstyckets övre yta. Spegel Focuserande spegel Focuserande lins Skyddsgas Skyddsgas a.) Svetsfog b.) Svetsfog Figur 4-9 Lasersvetsning, princip. a) med fokuserande lins b) med fokuserande spegel Skyddsgas tillförs i syfte att: Skydda svetsen från atmosfärens skadliga inverkan. Skydda fokuseringslinsen/spegeln från skadligt materialsprut och metallånga. Förhindra eller minimera det plasma av joniserad metallånga som bildas ovanför arbetsstycket. Vid svetsning med CO 2 -laser absorberar plasmat laserenergin och förhindrar den att nå arbetsstycket. En skyddsgas med hög joniseringsenergi, t ex helium, försvårar plasmabildningen och underlättar därför energiöverföringen till arbetsstycket. Vid svetsning med Nd:YAG-laser har plasmat ingen inverkan på laserenergin varför argon fungerar lika bra som helium som skyddsgas. Vid lasersvetsning får man en relativt djup och smal svets, liknande den som erhålls vid elektronstrålesvetsning. Svetsningen fortgår med hjälp av så kallad nyckelhålseffekt (eng. keyhole), se Figur Nyckelhålet består av ett ångfyllt hålrum omgivet av smält metall där

2 den fokuserade laserstrålen reflekteras och återfokuseras så att ett stort djup- till breddförhållande skapas. Den omgivande smälta metallen fyller igen hålrummet allt eftersom laserstrålen förflyttas till nytt område. Fokuserad laserstråle Focuserad laserstråle Metallånga Smältbad Nyckelhål Nyckelhål Svetsdjup Smält metall Figur 4-10 Lasersvetsning och nyckelhål princip. Det maximala svetsdjup som kan erhållas, beror av laserns maximala uteffekt, se Figur Att kurvan böjer av något beror på att strålkvalitén blir sämre vid högre effekt samt att mängden absorberande plasma ökar med ökad effekt. Kurvan gäller för svetsning av kolstål vid ca 0.5 m/min. Den streckade delen för Nd:YAG-lasern är extrapolerad då det i dagsläget inte finns tillgängligt Nd:YAG-lasrar med mer än ca 5-6 kw 24 Nd:YAG Svetsdjup (mm) CO Effekt (kw) Figur 4-11 Maximalt svetsdjup som funktion av effekten Figur 4-11 visar svetsdjup som funktion av svetshastigheten vid svetsning av kolstål med olika lasereffekter (CO 2 -laser).

3 Svetshastighet (mm / min) Svetsdjup (mm) W W W W W Figur 4-12 Svetsdjup som funktion svetshastighet för olika lasereffekter (källa: Trumpf) Fogberedning och fogtyper Eftersom bearbetningen är kontaktlös och ger minimala värmespänningar krävs inga kraftiga svetsfixturer. Pneumatiskt eller manuellt manövrerade snabbtänger och spännare är oftast fullt tillräckligt för att fixera plåtarna och hålla ihop fogen. Vid svetsning av stumfog bör dock fixtur och fogberedning inte ge större spalt än ca 10 % av materialtjockleken och högst 0.2 mm i absoluta tal, se Figur 4-13a. Luftspalten mellan plåtarna vid överlappsfog bör inte överstiga 20 % av plåttjockleken och högst 0.3 mm i absoluta tal, se Figur 4-13b. 0,2t t 0,25t 0,1t t Figur 4-13 Tillåtna fogtoleranser. a. Stumfog b. Överlappsfog Vid svetsning i tunna sektioner erbjuds ett stort antal lämpliga fogtyper, Figur 4-14

4 Figur Lämpliga Fogtyper Vid svetsning av stumfog eller kantfog krävs noggrann linjering eller någon slags fogföljare. Flänsfogarna ger utmärkta tillfällen till material- och utrymmesbesparing då flänsbredden kan minskas jämfört med konventionella svetsmetoder Jämförelser med andra metoder En jämförelse mellan laser, elektronstråle, plasma och TIG vid svetsning av 3 mm kolstål visas i Figur Den visar att plasma, MIG och TIG ger ca 8-16 ggr högre sträckenergi (värmetillförsel), vilket medför större värmepåverkad zon (HAZ) och större risk för kvarvarande deformationer Sträckenergi (J/mm) TIG MIG Plasma LB EB Figur 4-15 Värmetillförsel vid svetsning av 3 mm kolstål Jämfört med elektronstrålesvetsning ger svetsning med laser högre värmetillförsel, men erbjuder i övrigt följande fördelar:

5 Svetsning med laser behöver inte utföras i vakuumkammare, vilket medför större driftsäkerhet och enklare hantering av arbetsstycket. Laserstrålen alstrar ingen farlig röntgenstrålning. Laserstrålen påverkas inte av magnetiska störningar från arbetsstycke och fixtur. Mindre minutiös rengöring av arbetsstycket. Högre tillgänglighet och mindre service. Lägre investeringskostnad för en given produktionshastighet. Svetsning med högeffektlaser har flera fördelar som gör den konkurrenskraftig med mer etablerade svetsmetoder. Jämfört med MIG-, TIG- och plasmasvetsning finns följande fördelar med lasersvetsning. Högre hastighet vid samma tillförda effekt ger lägre värmetillförsel (sträckenergi) med minskade värmeskador som följd. Den fokuserade laserstrålen som bara är några tiondels mm i diameter ger möjlighet att svetsa med större precision och ger högre penetration i förhållande till svetsbredd. Ingen mekanisk kontakt med arbetsstycket. Kräver inget tillsatsmaterial. En högeffektlaser har dessutom ett antal goda egenskaper som gör den särskilt lämplig för processtyrda produktionssystem nämligen: Hög effekttäthet som ger hög svetshastighet och liten värmepåverkan. Stor smidighet och tillgänglighet. Laserstrålen kan lätt avlänkas med speglar till svåråtkomliga ställen eller till flera arbetsstationer. God styr- och repeterbarhet av effekt och effekttäthet. Följande begränsningar bör dock framhållas: Låg värmetillförsel kan i vissa fall leda till för snabb avkylning med risk för sprickbildning hos sprickkänsliga material. Relativt hög kapitalkostnad. Högre krav på fogberedning och noggrannare fixturer än vid konventionella metoder Laserhybridsvetsning En svetsmetod som på sista tiden börjat användas är en kombination av laser och konventionella svetsmetoder som TIG, Plasma och MIG/MAG. Den metod som tycks ha största framgången är kombinationen laser och MIG, se Figur 4-16.

6 Svetsriktning Svetsriktning Focuserande spegel Fiberoptik Crossjet munstycke MIG gas - munstycke Trådledare Kollimatorlins Focuserande lins Fokuserad laserstråle Kontaktmunstycke α δ s Figur 4-16 Princip för laserhybridsvetsning med CO 2 - resp. Nd:YAG-laser kombinerat med MIG/MAG-svets Fördelaktigaste svetsriktning vid kombination av CO 2 -laser och MAG är med laser före MAG-pistolen. Vid kombination med Nd:YAG-laser har svetsriktningen mindre betydelse. Fördelen med laserhybridsvetsning är att man kan överbrygga lika stora spalter som med MIG-svetsning samtidigt som man får ett stort svetsdjup med hjälp av lasern. Hastigheten blir lika hög eller högre och svetsdjupet blir något större än med enbart laser. Typiska tvärsnitt för hybridsvetsade fogar visas i Figur a.) b.) Figur 4-17 Tvärsnitt av laserhybridsvetsade fogar svetsade med 5 kw CO 2 -laser, a) 8 mm V- fog 3,5 +3,5, svetshastighet: 1,3 m/min, b) 8 mm kälfog med 103 vinkel, svetshastighet: 0,8 m/min En nackdel med laserhybridsvetsning är att åtkomligheten i vissa fall kan begränsas av MIGpistolens fysiska storlek samt att antalet variabla svetsparametrar ökar. Det finns redan kommersiellt tillgängliga optikenheter för laserhybridsvetsning, bl a från Fronius och Permanova Lasersystem, se Figur 4-18

7 Figur Svetshuvuden för laserhybridsvetsning. a) Fronius. b) Permanova Lasersystem Användningsområden, exempel Svetsning med laser har funnit en rad industriella tillämpningar. Idag tillämpas tekniken på allt från mikrosvetsning av elektronik med Nd:YAG-laser till svetsning av tunga maskindetaljer med CO 2 -laser. Detaljer lämpliga att lasersvetsa är bl a: Sådana som kräver låg värmetillförsel, t ex behållare för värmekänslig elektronik, detaljer i rostfritt eller härdat material. Komponenter med komplicerad form och där hög precision är nödvändig. Svetsning av detaljer i normalt svårsvetsat material som t ex Tantal, Titan, Zirkonium, Inconel etc. Som exempel på industrier där lasersvetsning kommit till användning kan nämnas: Bilindustrin. Svetsning av framförallt rotationssymmetriska detaljer och karosseridetaljer. Verkstadsindustrin. T ex värmeväxlare, motorsågsvärd, avgasrör, kylskåpsdörrar, ventilhus, ventilsäten, sågblad m.m. Varvsindustrin. Svetsning av förstyvningar i fartygsplåt ger minimala deformationer. Elektronikindustrin. T ex reläer, batterier och elektronikbehållare t ex pacemakers. Flygindustrin. Komponenter till flygmotorer för svetsning med hög precision i svårsvetsat material. Några exempel från bilindustrin Ett exempel på en rotationssymmetrisk detalj är en sk ventillyftare som bl a Volkswagen och Daimler Benz tillverkar i sina motorfabriker, se Figur 4-19.

8 φ 35mm Lock Lasersvets Figur 4-19 Ventillyftare till VW-motor Ventilyftarna som Volkswagen tillverkar består av en cylinder med 35 mm i diameter och ett lock som svetsas med laser. Svetshastigheten är 1,5 m/min, vilket ger en svetstid på 4,5 sek och en total cykeltid på 6 sek. Efter lasersvetsningen slipas cylinderytan varvid ventillyftaren är färdig för montering. För produktion svarar 4 st 1500 watts CO 2 -lasrar som i tvåskift producerar ventillyftare per dygn, viket motsvarar behovet för motorer per år. En annan vanligen lasersvetsad komponent inom bilindustrin är sk skräddarsydda plåtar (eng. Tailored Blanks). Dessa består av flera små plåtdetaljer sammanfogade till en större enhet för optimala egenskaper, t ex med olika plåttjocklek eller olika ytbehandling, se Figur ,1 mm 1,8 mm 1,8 mm 1,4 mm 1,4 mm Figur 4-20 Skräddarsydda plåtar inom bilindustrin Skräddarsydda plåtar ger en rad fördelar som viktreducering och materialbesparing samt en optimerad och förbättrad kvalitet på komponenten. Funktionsanpassade detaljer kan tillverkas där olika materialkvaliteter och korrosionsskydd kan kombineras i ett ämne. De förbättrade egenskaperna bidrar till en högre hållfasthet och bättre krockegenskaper i karossen. Taksvetsning är ett exempel på lasersvetsning som flitigt används av många bilindustrier, bl a Volvo Personvagnar som lasersvetsat tak sedan 1991 (Volvo 850). Från början svetsades taket med en överlappssvets som sedan täcktes av en täcklist. Idag svetsas taket på Volvo XC90 med en överlappande kantsvets och med hjälp av fogföljare, se Figur Se mer om taksvetsning av Volvo XC90 i kapitel

9 Figur Lasersvetsning av takplåt, Volvo XC90 Fördelarna med överlappande kantfog jämfört med vanlig överlapp enligt tidigare modeller är många, bl a: Ökad svetshastighet Mindre Zinksprut, vilket medför högre svetskvalitet Förbättrade förseglingsegenskaper Ökad designmöjlighet med ett smalare takdike Kvalitetskontroll kan göras enbart visuellt Den dyrbara täcklisten som måste användas i tidigare modeller kan nu ersättas med en PVCförsegling som sprayas på fogen och sedan målas tillsammans med övriga karossen. Ett stort antal bilindustrier har börjat tillämpa laserhybridsvetsning som t ex Audi, Fiat, Lancia och Volkswagen. I Figur 4-22 visas laserhybridsvetsning av Audi A8 vars kaross tillverkas i aluminium i fabriken i Neckarsulm. Figur Laserhybridsvetsning av tak till Audi A8

10 I Neckarsulmsfabriken laserhybridsvetsas fästen och takets innerskenor av aluminium (AA6181) mot takets huvudskena som består av en 4 mm tjock hydroformad sektion (AA6014). Svetsningen utförs med en 4 kw diodpumpad laser med ett 600 my fiber-system. Sammanlagt laserhybridsvetsas ca 5 m i Audi A8. Med laserhybridsvets uppnår man processens allmänna fördelar får man dessutom en mycket slät svets, vilket var ett krav vid denna tillämning.