Teknikfronten för lasersvetsning

Teknikfronten för lasersvetsning av A. F. H. Kaplan, K. Nilsson Luleå tekniska universitet alekap@sirius.luth.se Lasersvetsning är en högklassig teknik, dock med hög investeringskostnad och en metod med svårreglerade parametrar. Tack vare de senast utvecklade lasermetoderna, diodlaser och laser- MIG-hybrid, öppnas emellertid möjligheter för fler ekonomiskt försvarbara applikationer 1. Introduktion av lasersvetsning Lasersvetsning utförs genom att fokusera en stråle från en högeffektlaser på ett arbetsstycke där delar av den optiska energin omvandlas till hetta och svetsar materialet. Typiskt för lasersvetsning är dess förmåga att bilda ett ångfyllt hålrum, ett så kallat nyckelhål som tillåter strålningen att tränga djupt in i arbetsstycket, vilket ger en djup och smal svetsfog. Bland alla svetsmetoder kan lasersvetsning karaktäriseras som en högkvalitativ metod med hög hastighet men hög investeringskostnad. LASER, en akronym för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, kännetecknas av en monokromatisk optisk stråle med överlägsna egenskaper som koncentrerad energiöverföring utan medium, fokuserbar till en mycket liten punkt eller pulsbar till extremt korta pulståg som i sin tur ger extremt hög toppeffekt. Medan laserns teoretiska princip utvecklades av nobelpristagaren A. Einstein 1906 och A. Prokhorov, N. Basow och Ch. Townes på 50-talet, blev den första lasern - en fastkropps rubinlaser- uppfunnen 1960 av Th. Maiman. Följande år utvecklades de flesta lasertyper, inklusive CO 2 -laser (gaslaser), Nd:YAG-laser (fastkroppslaser) och diodlasern (halvledarlaser), vilka är de viktigaste lasrarna för industriell laserbearbetning av material (Steen 1991, Schuöcker 1999). Tack vare fördelaktig atomstruktur och enkel excitationsmekanism har CO 2 - och Nd:YAG-lasrarna snabbt uppnått höga effektnivåer. Följaktligen startade de första lasersvetstillämpningarna redan vid sen 60-tal. Efter tre decenniers utveckling har å ena sidan antalet industriella tillämpningar på lasersvetsapplikationer vuxit betydande, å andra sidan är den fortfarande att betrakta som en nischteknologi med hög investeringsnivå (Ekonomiska fakta). I allmänhet är fördelar och nackdelar följande: Fördelar med lasersvetsning Hög hastighet Hög kvalitet och hållfasthet Hög precision, smala och djupa svetsar Låg värmetillförsel, små deformationer, liten HAZ Lätt att automatisera, kan robotiseras Hög tillförlitlighet Åtkomst från en sida tillräcklig Möjliggör avancerad fog- och produktdesign Oftast ingen för- eller efterbearbetning nödvändig Kan eliminera produktionssteg Nackdelar med lasersvetsning Hög investeringskostnad Svår att styra för att uppnå god kvalitet Kräver högkvalificerade operatörer Noggrann fogberedning nödvändig Vissa material kan vara svårsvetsade

För att klassificera olika lasersvetstekniker, (Duley 1999) kommer vi i fortsättningen att skilja mellan punkt/sömsvets, nyckelhål/värmeledningssvets, Nd:YAG-/CO 2 /diod-lasersvetsning, Enbart laser/hybridlaser-bågsvetsning, tjock/tunnplåtsvetsning och olika foggeometrier som stum/överlapp/kälfogar. 2. Senaste allmänna framsteg Den här delen beskriver de två allra senaste allmänna trender inom lasersvetsning som har revolutionerande perspektiv, nämligen svetsning med diodlaser och hybridsvetsning, där laser och en elektrisk ljusbåge kombineras. Ytterligare trender som kan nämnas distanssvetsning och laserlödning, som vinner ökande intresse i bilindustrin (Larsson 2003). 2.1 Diodlasersvetsning Sedan nästan 40 år tillbaka har lasersvetsning dominerats av användandet av CO 2 - och Nd:YAG-lasrar eftersom de kan leverera de högsta medeleffekterna med rimliga fokuseringsmöjligheter. Andra lasertyper användes endast marginellt. Diodlasern (halvledare) uppfanns också på 60-talet med en mängd olika diodlasertyper med olika egenskaper. Som för de flesta lasertyper, var det för diodlaser inte möjligt med uppskalning till högre effekter tillsammans med effektiv kylning. Tack vare dess potential inom design och materialsammansättning fortsatte utvecklingen av halvledarlasrar och vid mitten av 90-talet överskred slutligen diodlasrarna kw-effektnivån och blev således lämpliga för materialbearbetning. Nu för tiden är stråleffekter upp till 6 kw kommersiellt tillgängliga, till och med högre effekter kan uppnås genom uppskalning. För materialbearbetning med laser krävs i stort sett två strålegenskaper: tillräckligt hög stråleffekt tillräcklig effekttäthet (strålkvalitet, fokusering) Medan den önskade effekten kan uppnås, är strålkvalitén fortfarande otillfredsställande. Den har emellertid gradvis förbättrats under de senaste åren. Diodlasrar är fortfarande inte fokuseringsmässigt jämförbara med CO 2 - och Nd:YAG-lasrar med samma stråleffekt och därför är industriella applikationer idag begränsade till ytbehandling och värmeledningssvetsning där lägre effekttäthet är tillräcklig. En passande applikation för diodlasersvetsning som kan nämnas är plastsvetsning som t ex utförs av IVF i Göteborg. Plastsammansättningen på de bägge fogdelarna kan anpassas till våglängden på så sätt att absorptionen och således svetsningen äger rum mellan fogytorna i en överlappsfog i stället för att propagera genom den övre ytan. Ett genombrott med diodlasersvetsning uppnåddes 1999 av Petring genom en lyckad nyckelhålssvetsning med diodlaser (Petring 1999, 2001), vilket var aningen överraskande med den då tillgängliga strålkvalitén. Följande år har flera forskarteam också lyckas uppnå nyckelhålssvetning (Bliedtner 2001). Svetsning av plåttjocklekar upp till 6 mm kunde uppnås med en 2,5 kw diodlaser. Det visar att dagens diodlasrar redan är lämpliga för laserdjupsvetsning (nyckelhålssvetsnig), vilket karaktäriseras som en svets med ett djupbreddförhållande som är mycket större än 0,5 och horisontell korntillväxt. Jämfört med värmeledningssvetsning (som t ex båg- eller motståndssvetsning), är de huvudsakliga fördelarna med nyckelhålssvetning förmågan att öka svetsdjupet och samtidigt behålla svetsbredden

oförändrad, vilket ger smal och djup svets. Figur 1 visar storleken på en högeffekts laserdiod och en fog nyckelhålsvetsad med diodlaser. (a) (b) Figur 1: (a) Karaktäristisk liten storlek på en laserdiod (Rofin Sinar AG) (b) Svetsfog av nyckelhålssvetsat rostfritt stål med 2,5 kw diodlaser, visande de karaktäristiska egenskaperna för nyckelhålssvets (Petring 2000) Jämfört med CO 2 - eller Nd:YAG-lasersvetsning är emellertid arbetsavståndet kritiskt kort och stråeffekten och därmed svetshastigheten mycket lägre. Dessutom är diodlasern fortfarande dyrare än CO 2 -lasern och erfarenhet av dess livslängd är begränsad. Under tiden har diodlasrar med förbättras kvalitet blivit tillgängliga, således kan ytterligare utveckling förväntas som gradvis eliminerar dess nackdelar. Några av fördelarna med diodlasern är dess storlek (25 % golvyta jämfört med en konventionell laser). Lätt att använda, ingen gashantering, kan ledas i fiber, hög total verkningsgrad, hög absorption i material samt potential för en mycket lägre investeringskostnad vid masstillverkning. Livslängden måste fortfarande förbättras. I den närmaste framtiden kvarstår CO 2 -laserns fördel med dess goda fokuserbarhet vid mycket höga effekter, medan en fördel med Nd:YAG-lasern som kvarstår är dess utmärkta möjlighet till superpulsning. De allra senaste diodlasrarna har t ex 2 kw stråleffekt som kan ledas i en 1 mm fiber (strålkvalitet 110 mm mrad, NA 0,2) eller 4 kw i en 1,5 mm fiber, medförande en motsvarande liten fokalpunkt för en 100 mm 1:1-optik. Diodlaserapplikationer fokuseras fortfarande på mogna tekniker såsom ytbehandling, värmeledningssvetsning och plastsvetsning. 2.2 Hybridsvetsning Hybridsvetsning står för kombination av laserstråle med en elektrisk ljusbåge, vanligtvis med en MIG-båge, se figur 2. Tekniken uppfanns av W. Steen 1979. Den har emellertid blivit populär först de senaste åren, förmodligen beroende på två saker, nämligen att problem med fogberedning och möjlighet att skapa önskad geometri har ignorerats samt kontroll av den mer komplexa hybridprocessen. Ett tag koncentrerades optimeringen på (ren) lasersvetsning tills verkligheten blev tydlig att spalttoleranserna i de flesta fall inte var acceptabla. Förbättrad fogberedning skulle bli dyrbart och nödvändiga svetsfogar ofta kom att kräva tillsatsmaterial. Fastän detta kan lösas med kall trådmatning, så har den tekniken förkastats för att den är svårkontrollerad på grund av smältbadets ringa storlek. Å andra sidan medför bågtekniken att tråden smälts, leder dropparna till processområdet och skapar tillräckligt stort smältbad vid ytan, vilket möjliggör

trådmatningen. Dessutom tillför MIG-strömkällan ytterligare effekt till en låg kostnad, vilket tillåter högre svetshastighet, medan lasereffekten har som huvuduppgift att upprätthålla stort svetsdjup. Laser Protectio n 35 MIG Torch z x a = 2 mm s = 14 24 Workpiec e welding di i Figur 2: Typisk uppställning för hybridsvetsning genom kombinering av laserstråle med en MIG-båge Redan lasersvetsning och bågsvetsning är separat svåra att kontrollera, men båda kombinerade är en ännu större utmaning på grund av den stora mängden parametrar och dess ofta kritiska beteende beträffande processtabilitet. I alla fall visar kombinationen av båda processerna på underlättande förhållanden som stabilisering av bågen av den absorberade laserstrålen. Antalet hybridsvetsapplikationer har ökat betydande de senaste åren, då det visat sig att fördelarna från båda metoderna kan kombineras, medan några av de större nackdelarna blivit eliminerade. Ett typiskt exempel är den nyligen införda hybridsvetsningen av skeppspaneler vid Odense skeppsvarv i Danmark. Fastän mer intresse visas på svetsning av tjockväggiga sektioner, visar också tunnplåtsapplikationer i hög grad på lovande resultat, t ex vid svetsning av kälfog. 3. Aktuell forskning vid Luleå tekniska universitet Medan ovanstående belyst trender inom lasersvetsning över hela världen, kommer följande att presentera några aktuella forskningsaktiviteter genomförda vid Luleå tekniska universitet.

3.1 Laser-MIG-hybridsvetsning Hybridsvetsning har redan studerats och utvecklats vid Luleå TU under flera år genom kombinering av antigen en fiberöverförd 3 kw Nd:YAG-laser eller med en 6 kw CO 2 -laser (Nilsson 2001, 2002, 2003). Nyligen svetsade tjocka sektioner och tunnplåtssvetsning har undersökts för olika fogtyper och industriella applikationer, vilket visat på mycket lovande resultat. I allmänhet har hög svetshastighet uppnåtts med laserhybridsvetsning tillsammans med hög flexibilitet i formningen av svetsgeometrin. Huvudsakliga hinder är processens kritiska uppförande och dess begränsade åtkomlighet för hybridsvetshuvudet. En nyckeluppgift har visat sig vara identifieringen av ett processfönster för geometriska toleranser för säker kompensering av geometriska avvikelser längs svetsfogen. Dessutom, klassificering och standardisering av svetsgeometrin måste anpassas till den nya tekniken. Potentialen för hybridsvetsning ser ut att vara mycket hög för ett stort antal applikationer. Ovan nämnda hinder har potential att övervinnas. Laser-MIG-hybrid-kombinationen är i allmänhet gynnsam, och både Nd:YAG- och CO 2 -laser kan användas. 3.2 Adaptiv processkontroll vid robotiserad lasersvetsning I motsats till CO 2 -lasrstrålen som måste överföras av speglar, kan Nd:YAG-laserstrålen överföras i en optisk fiber och kan därför lätt kombineras med industrirobot. Emellertid är en exakt positionering av laserstrålen och anpassning av parametrar vid tredimensionell svetsning en viktig men svår uppgift. Man kan dra slutsatsen att en möjlighetsstudie på fogföljning av spaltstorlekar vid Nd:YAGlasersvetsning med robot har framgångsrikt genomförts och möjliggjort en högst homogen svetsfog trots varierande tillstånd och hög svetshastighet. 3.3 Modellering och höghastighetsfilmning av porbildning I samarbete med Osaka University, Japan, undersöktes Nd:YAG-laserpunktsvetsar (nyckelhål) i Zink med särskild betoning på porbildning (Kaplan 2002). Osaka University är världsledande laserlaboratorium avseende höghastighetsfilmning av lasersvetsning, särskilt genom röntgenöverförda bilder. Höghastighets röngenbilder av nyckelhålets kollaps efter avstängning av Nd:YAG-laserns puls, visar hur porer bildas. Denna grundläggande studie, där experiment och teori var högst kompletterande, tillåter utvecklingen av strategier för att undvika porbildning vid lasersvetsning genom förbättrad förståelse av de underliggande mekanismerna och genom simulering av olika hypotetiska situationer, t ex svetsning i vakuum eller ändring av pulsparametrar. 3.4 Modellering av värmealstringens tillförlitlighet Lasersvetsning av mikroelektroniska komponenter lider ofta av dålig tillförlitlighet eftersom högreflektiva material som Cu-legeringar och Au- och Ag ytbehandlingar ofta används. När ett materials reflektivitet är hög och absorptionen (andel av den optiska laserstrålens energi som omvandlas till värme) är motsvarande låg, inte bara en stor mängd av strålen effekt blir bortkastad, utan varje förändring av absorptionen blir jämförelsevis mer känslig för processen. Absorptionsprocessen är väsentlig för alla laserprocesser, men svår att studera och kontrollera och är därför inte särskild förstådd idag. En matematisk modell har utvecklats för att studera

variationer i absorption som funktion av rum och tid för punktsvetsning (värmeledning) av koppar med laser. Som synes kan den motsvarande värmemängd som alstras ökas med en faktor sex beroende på processvillkoren (här: stråleffekt E och den heta punktens förorening), vilket ger en förklaring till processens höga känslighet. Med andra ord, små okontrollerade förändringar kan alstra sex gånger mer värme och ett motsvarande högst annorlunda svetsresultat. Baserad på förbättrad teoretisk förståelse, har strategier för högre tillförlitlighet blivit härledda, som användning av ytbeläggning med högre absorption och optimering av pulstider. 4. Slutsatser (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) (vii) (viii) (ix) (x) (xi) (xii) (xiii) Lasersvetsning har uppfunnits på 60-talet, möjliggörande djupa smala svetsar vid hög hastighet Trots olika förträffliga egenskaper är den fortfarande en nischteknologi på grund av den höga investeringskostnaden De allra senaste framåtskridanden är diodlasersvetsning, hybridsvetsning och distanssvetsning Nd:YAG- och CO 2 -lasersvetsning dominerar marknaden, nyligen har kw-diodlaser blivit ett alternativ De flesta egenskaperna hos diodlasern är förträffliga, men den lider fortfarande av begränsad fokuserbarhet och begränsad erfarenhet Djupa nyckelhålssvetsar med diodlaser är möjliga sedan 1999, den förbättras kontinuerligt Laser-MIG-hybridsvetsning möjliggör önskade svetsgeometrier och hög svetshastighet samt tillåter spalttoleranser Luleå TU har nyligen varit aktiv med hybridsvetsning, fogföljning och matematisk modellering CO 2 -och Nd:YAG-laserhybridsvetsning är mycket lovande för svetsning av grova och tunna sektioner En matematisk modell ska underlätta förståelsen och kontrollen av en högst komplex och kritisk process Fogsökning vid robotiserad lasersvetsning har framgångsrikt genomförts med varierande villkor Matematisk modellering och höghastighetsfilmning i Japan har underlättat förståelsen för porbildning Matematisk modellering av laserpunktsvetsning har möjliggjort pålitligheten vid värmealstring 5. Litteratur Bliedtner, J., Th. Heyse, D. Jahn, G. Michel, H. Müller and D. Wolff: Advances in diode lasers increase weld penetration, Welding Journal, v 80, pp 47-51 (2001). Duley, W. W.: Laser Welding, Wiley, New York (1999). Engström, H. and A. F. H. Kaplan: Adaptive Process Control in Laser Robotic Welding, Proc. 9 th NOLAMP-conference, Trondheim (N), 4-6.August 2003, Ed.: E. Halmøy (2003). Kaplan, A.: A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile, Journal of Physics D: Applied Physics, v 27, pp 1805-1814 (1994).

Kaplan, A. F. H., M. Mizutani, S. Katayama and A. Matsunawa: Unbounded keyhole collapse and bubble formation during pulsed laser interaction with liquid zinc, Journal of Physics D: Applied Physics, v 35, pp 1218-1228 (2002). Kaplan, A. F. H., M. Mizutani, S. Katayama and A. Matsunawa: On the mechanism of pore formation during keyhole laser spot welding, Proc. of LAMP 2002, Osaka (JAP), 27.-31.05.2002 (2002). Kaplan, A. F. H.: Modelling of the absorptivity increase in conduction laser spot welding, Proc. 9 th NOLAMP-conference, Trondheim (N), 4-6.August 2003, Ed.: E. Halmøy (2003). Larsson, J. K.: Recent Laser Trends and Applications in the Automotive Industry, Proc. 9 th NOLAMPconference, Trondheim (N), 4-6.August 2003, Ed.: E. Halmøy (2003). Nilsson, K et al: Lasersvetsning av detaljer i tjockt konstruktionsstål. Teknisk rapport 2001:17, Luleå tekniska universitet. Petring, D.: Deep penetration welding with diode lasers, Industrial Solutions, p 3 (1999). Petring, D., C. Benter and R. Poprawe: Fundamentals and applications of diode laser welding, Proc. ICALEO 01, LIA - Laser Institute of America (2001). Nilsson, K., H. Engström and A. Kaplan: Influence of butt and T-joint preparation in laser arc hybrid welding, Annual IIW Assembly, Copenhagen, Working Group IV, 27 June 2002 (2002). Nilsson, K. and A. F. H. Kaplan: CO 2 -laser/pulsed MIG Hybrid Welding of High Strength Steel, Proc. 9 th NOLAMP-conference, Trondheim (N), 4-6.August 2003, Ed.: E. Halmøy (2003). Schuöcker, D.: High power lasers in production engineering, World Scientific Publishers, Singapore (1999). Steen, W.M: and Eboo, M: Arc Argumented Laser Welding. Metals Constr. Vol II No 7, pp332-336 (1979). Steen, W. M.: Laser material processing, Springer, London (1991).