Svetskommissionen är en teknisk branschorganisation för fogande industri. Vi jobbar med standardisering, forskning och utbildning. Svetskommissionens viktigaste uppgift är att verka för våra medlemmars intressen.

Process

Laser

Ordet laser kommer av engelskans Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation - ljusförstärkning genom stimulerad utsändning av strålning.

Laser är en optisk strålkälla som producerar ljusstrålar med energi som kan koncentreras till en sådan intensitet att den kan utnyttjas som ett oöverträffat redskap inom en mängd områden. Lasern får vanligen sitt namn efter typ av lasermedium som koldioxidlaser (CO2), ytterbium (Yr) eller helium-neonlaser (He-Ne). Laserns kända användningsområden idag utnyttjar effekter från några milliwatt till flera tiotals kilowatt.

Lasern sänder ut en energirik ljusstråle som har en hel rad unika egenskaper. De viktigaste för materialbearbetning är att strålen är parallell och att lasern sänder ut sin ljusstråle vid en bestämd våglängd. Ytterligare några viktiga egenskaper som relateras till laservalet är uteffekt, energifördelning i strålen och pulsbarhet.

Förhållandet att laserstrålen är en ljusstråle gör att den kan riktas och ledas till arbetsstation och arbetsstycke via speglar eller fiberoptik och den kan fokuseras med lins- eller spegeloptik. Den kan också delas mellan flera arbetsstationen. Dessa förhållanden gör lasertekniken flexibel och mångsidig.


Skärning

Skärning med laser är i dag en industriellt väl utvecklad och etablerad bearbetningsmetod framförallt i Västeuropa men även i USA och Japan.

Verksamheten hos laserföretag i Sverige domineras av skärning och framförallt skärning av metaller. Man beräknar att mer än 90 % av företagen använder lasern enbart för skärning, vilket inte följer den internationella utvecklingen. Där används ca 24 % av det totala antalet bearbetningslasrar till skärning, 24 % till märkning och 14 % för både svetsning och mikrobearbetning.

Skärning av tjockt material är etablerat och den praktiska gränsen för stålplåt ligger på ca 25 mm plåttjocklek. Tekniken utvecklas fortfarande och metoder som ger oxid- och slaggfria snitt i rostfritt och aluminium skapar nya användningsområden. Ett exempel på metod är högtrycksskärning med nitrogen.

Men även för tunt material (< ca 3 mm) används nitrogen som skärgas och kan då ge högre skärhastigheter än oxygen. Processen kallas höghastighetsskärning eftersom den inte liknar vanlig laserskärning.

Lasertekniken erbjuder möjligheter att med hög hastighet och god precision skära material som metall, trä och polymer. De uppenbara fördelarna jämfört med mekanisk bearbetning (klippning, stansning) eller konventionell gasskärning är:

  • Liten formförändring.
  • Spänningsfria och oftast gradfria snitt.
  • Liten värmepåverkad zon.
  • Små materialförluster.
  • Bullerfri bearbetning.

Den ofokuserade laserstrålen riktas via speglar eller fiberoptik mot arbetsstycket. Strålen fokuseras med lins från 0,05 till ca 0,4 mm diameter beroende på typ och storlek av laser, optik och linsens fokallängd. Vid skärning placeras fokalpunkten (brännpunkten) oftast på eller något under arbetsstyckets yta.

Den höga effekttätheten i fokalpunkten (100-1000 W/cm2) förorsakar smältning eller direkt förångning av materialet i den exponerade punkten. En rörelse av arbetsstycket eller laserstrålen bildar därmed ett skärspår i arbetsstycket.

Skärgas tillförs laserstrålen, vanligen via ett munstycke som omsluter strålen. Skärgasen som oftast är syrgas, luft eller kvävgas/argon har följande uppgifter:

  • Skydda fokuseringslinsen från materialstänk.
  • Blåsa bort smält och förångat material.
  • Förstärka skärprocessen genom oxidering och förbränning av det upphettade materialet (syrgas).
  • Skydda arbetsstyckets snittytor mot oxidation (kvävgas m.fl.).

 
Material som kan laserskäras:

Metaller

Organiska material

Oorganiska material

Kolstål

Polymerer/gummi

Kvarts

Rostfria stål

Kompositer

Glas

Leg.stål/Verktygstål

Läder

Keramer

Aluminium legeringar

Trä


Titanlegeringar

Papper


Kopparlegeringar

Textilier


Wolfram



Molybden



Guld/silver

(ej CO2-laser)


 

 

 
Svetsning

I industrin finns ett flertal produktionsanläggningar för svetsning med laser. Detta gäller främst bilindustrin och dess underleverantörer. I Sverige finns flera tillämpningar hos både bilindustri och annan industri och nya tillämpningar kommer årligen. Lasersvetsning förväntas växa snabbare i framtiden då insikten om fördelarna med lasersvetsning blivit mer spridd.

Nu utvecklas också laserhybridsvetsning, en kombination mellan laser och MIG/MAG, TIG eller plasmasvetsning. Metoden ger uppenbara fördelar vid praktisk svetsning, genom att den har en förmåga att överbrygga spalter och ge större svetsdjup och högre svetshastigheter än ren lasersvetsning.

Vid svetsning med fastkropps-laser fokuseras laserstrålen med lins och vid svetsning med gas-laser används vanligen fokuserande spegel. Strålen fokuseras till några tiondels millimeter. Fokalpunkten (brännpunkten) placeras på eller strax under arbetsstyckets övre yta.

Vid lasersvetsning får man en relativt djup och smal svets, liknande den vid elektronstrålesvetsning. Svetsningen fortgår med hjälp av så kallad nyckelhålseffekt (eng. key hole). Nyckelhålet består av ett ångfyllt hålrum omgivet av smält metall där den fokuserade laserstrålen reflekteras och återfokuseras så att ett stort djup- och breddförhållande skapas. Den omgivande smälta metallen fyller igen hålrummet allt eftersom laserstrålen rör sig över arbetsstycket.

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 flexibilitet och tillgänglighet. Laserstrålen kan lätt avlänkas med speglar till svåråtkomliga ställen eller till flera arbetsstationer.
  • God styr- och repeterbarhet av effekt och effekttäthet.

Svetsning med laser har funnit en rad industriella tillämpningar. Idag tillämpas tekniken på allt från mikrosvetsning av elektronik med fastkropps-laser till svetsning av tunga maskindetaljer med gas-laser. Detaljer lämpliga att lasersvetsa är:

  • Sådana som kräver låg värmetillförsel,som 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 svårsvetsade material som tantal, titan, zirkonium och inconel.

 
Ytmodifiering

Området ytmodifiering med laser inkluderar ythärdning, påsvetsning, upplegering, texturering och ytimpregnering. Det har ännu inte nått industriell användning i samma omfattning som skärning och svetsning.

Övriga metoder

Den mest förekommande av alla bearbetningsmetoder med laser är lasermärkning och den är etablerad inom de flesta industribranscher. I Sverige används märklasrar flitigt i industriell produktion.

Detta är en metod som fått stor spridning under senare tid och utvecklats mycket. Fördelarna med lasermärkning är att det görs snabbt, nästintill kostnadsfritt och att trycket blir permanent. Märkningen kan ske på material som plast, metall, glas, keramik, trä eller papper. En annan fördel är att märkningssystemet kräver minimal tillsyn och underhåll eftersom det oftast arbetar utifrån ett förinställt program. Detta gör att märkningen kan ske näst till helt utan tillsyn.

Hur går det till

Två huvudsakliga metoder används inom lasermärkning. Den ena metoden används genom att laserljuset riktas med hjälp av en optik så att strålen ritar upp tecken och symboler på märkytan. Rörelserna styrs då från en dator vilket gör symbolerna och tecknen mycket detaljrika och med hög upplösning. Den andra metoden fungerar genom att en laserenhet skickar korta ljuspulser genom schabloner (mask) vars mönster överförs till produkten.

Exempel på märkning med laser:

- Data, matrix- och streckkordsmärkning
- Artikelnummer
- Dekorativt
- Logotyper
- Stora och små serier
- Enstyckstillverkning
Några exempel på produkter som man märker med laser är kirurgiska komponenter, elektronik-, fordons-, vitvarukomponenter osv.

Olika märkningstekniker med laser:

- Anlöpning: En metod som ger en slät, mörk yta och det absolut bästa märkresultatet. Tekniken används främst när kraven på renlighet är höga, eftersom anlöpningen ger hög ytjämnhet dvs. lätt att rengöra.

- Ytoxidation: En relativt snabb metod som används när kraven på renlighet och ytjämnhet inte är lika hårda. Tekniken ger en liten relief i brun eller grå ton, detta beroende på vilket material som användas.

- Gravering: vid lasergravering avlägsnas en del av materialet på några tiondels millimeters djup så att det blir en nedsänkning.

- Ablation: med denna teknik avlägsnar man ett eller flera ytskikt för att sedan visa färgen på det underliggande materialet. Man använder ablation på knappar i transparant material, eller på formsprutade paneler. För denna teknik används lämpligen, vissa etikettmaterial, lackad eller anodiserad aluminium eller lackad laminerad/folierad plast.

Additiv tillverkning

För laserbaserad additiv tillverkning kan man särskilja mellan två metoder, dels laserpåläggning (även kallat DED [Direct Energy Deposition] eller LMD [Laser Metal Deposition]), dels pulverbäddstekniken PBF [Powder Bed Fusion] som även känns igen under benämningar som SLM [Selective Laser Melting], 3D-printning, ”laser fusing”, lasersintring eller laserformning.

Vid laserpåläggning använder man lasern till att antingen smälta ner ett metalliskt pulver eller en dito tillsatstråd samtidigt som laserstrålen värmer upp den substratyta som skall beläggas. Såväl pulver som tråd kan tillföras från sidan eller koaxiellt där det senare sättet är att föredra, inte minst för att processen då blir riktningsoberoende. LMD används av två huvudsakliga skäl; antingen för att förbättra en komponents prestanda eller till att reparera skadade eller slitna delar. I det första fallet rör det sig främst om att skapa ett förbättrat slitskydd alternativt belägga en detalj för att förbättra dess korrosionsmotstånd.

Även om det är möjligt att bygga komplexa strukturer med DED är pulverbäddstekniken att föredra i sådana fall. Vid PBF smälter man samman pulverpartiklar och bygger upp den önskvärda strukturen, alltså ett näst intill 100%-igt materialutnyttjande. Man utgår från en tredimensionell CAD–modell som man delar upp i ett antal parallella ”skivor” i horisontalplanet, vanligtvis i tjocklekar mellan 25-50 µm beroende på den detaljnoggrannhet som önskas. Tillverkningen sker sedan i en kammare med skyddsgasatmosfär där man på en byggplattform påför ett tunt skikt av det pulvermaterial som objektet skall bestå av. En laserskanner, vars styrprogram är kopplat till den aktuella CAD-designen, sveper laserstrålen över det område som skall bilda strukturen och smälter lokalt samman pulverpartiklarna. Därefter sänks byggplattformen motsvarande en ”skivtjocklek” i CAD-modellen, ett nytt pulverlager påförs varpå laserstrålen på nytt skannas över detta. På så sätt byggs objektet upp lager för lager.

Eftersom det inte behövs något fysiskt formverktyg förkortas naturligtvis produktframtagningsprocessen avsevärt. Man brukar tala om ”individualization for free” och ”complexity for free”, d.v.s. oavsett stycketal eller komplexitet hos den PBF-framställda komponenten blir artikelpriset ett och samma. En annan fördel är att man kan göra unika, individanpassade objekt till en skälig kostnad, där det främst är inom medicinteknik som vi idag hittar tillämpningar. För framställning av tandimplantat, höftimplantat och blodkärlsförstärkare, s.k. stents, betraktas PBF-tekniken idag som ”State-of-the-Art”.

Laserborrning

Grundprincipen vid laserborrning är att en kort laserpuls med hög energitäthet matar in energi i arbetsstycket under en extremt kort tidsperiod och därigenom gör att materialet lokalt både smälter och förångas. Ju högre pulsenergin är desto mer material smälts och förångas. Förångningsprocessen gör att materialvolymen i det borrade hålet ökar plötsligt och skapar ett högt inre tryck, vilket driver ut det smälta materialet ur hålet.

Genom åren har ett flertal andra processer för laserborrning utvecklats ur den här beskrivna metoden. Därför talar vi idag om fyra huvudsakliga tekniker för att med laser åstadkomma hål i såväl metalliska som keramiska och polymera material. Dessa är:

Enkelpulsborrning, som är den ursprungliga tekniken där en enda laserpuls med högt energiinnehåll används för att skapa hålet. Metoden gör att man kan skapa ett stort antal hål under extremt kort tid. Således kan enkelpulsborrning ske “on-the-fly” och skapa upp till 300 hål, med en diameter på 60 µm, per sekund i 1 mm tjockt metalliskt material!

Vid slagborrning skapas hålet med hjälp av ett flertal överlagrade laserpulser med lägre energiinnehåll. Med denna teknik kan man producera djupare och mer exakta hål jämfört med enkelpulsmetoden. Dessutom möjliggör den ännu mindre håldiametrar.

Trepanneringsborrning innebär en relativrörelse mellan laserstrålen och arbetsstycket och används vanligtvis då man vill skapa hål med diametrar större än 300 µm. Här använder man längre laserpulser där man i det tilltänkta hålets origo skapar ett s.k. pilothål genom slagborrning. Därefter utvidgar laserstrålen detta initiala hål genom att den förs över arbetsstycket i allt större cirklar till dess att den specificerade diametern uppnåtts. Merparten av det uppsmälta materialet drivs nedåt genom hålet.

Slutligen spiral- eller helixborrning, som används för att skapa hål med hög geometrisk noggrannhet och överlägsna metallurgiska egenskaper. I motsats till trepanneringsborrning skapas här inte ett pilothål, utan redan från början rör sig laserstrålen i takt med energipulserna i ett cirkulärt mönster, varvid det avverkade materialet skjuts upp ur hålet. Laserstrålen manipuleras här inte genom en x-y-rörelse av själva borrverktyget utan via en roterbar optik. Med hjälp av denna arbetar sig laserstrålen ner i materialet genom en spiralrörelse, och fokalpunktsläget förflyttas kontinuerligt ner i materialet så att laserstrålen alltid träffar hålets botten. Efter den kompletta penetrationen fortsätter optiken att rotera strålen ytterligare några varv för att utvidga utgångshålets diameter och jämna ut hålkanten. Den här tekniken möjliggör stora och djupa hål med hög snittkantskvalitet.

Att använda laserljus för en borroperation är att föredra i fall där processen kräver borrhål med diametrar mellan 1 och 500 µm och ett djup/bredd-förhållande som överstiger 20:1. Vidare om borrningen skall ske i en mycket flack vinkel i förhållande till substratets yta eller då material med hög hårdhet som exempelvis nickelbas-legeringar skall bearbetas.

Precis som vid laserskärning kan man vid laserborrning skilja mellan smält- och förångningsdominerade metoder. Vid pulslängder i µs- och ms-området smälter man merparten av materialet medan enbart en ringa del förångas. Men det är detta ångtryck som gör att det smälta materialet drivs ut ur borrhålet. Vid laserpulser som understiger 10 ps förångas materialet helt och hållet, och det förekommer nästan ingen värmepåverkan på grundmaterialet. Genom att använda sig av adekvat systemteknologi går det också att med laser borra såväl cylindriska som koniska hål vilka uppvisar ett högt djup/bredd-förhållande.

P.g.a. den höga intensiteten i laserpulserna kan näst intill alla material, såsom metaller, keramer, kolfiberförstärkta kompositer och andra polymerer laserborras med hög precision. Metoden kan även användas vid borrning i sandwichlaminat som kan bestå av flera lager av artolika material.

Värmebehandling

Vid värmebehandling med laser uppvärms materialet lokalt till temperaturer som ligger under dess smältpunkt. Godstjockleken bestämmer huruvida endast ytområdet, eller som vid fallet med tunnplåt, hela tvärsnittsytan skall värmas. I motsats till värmebehandling i ugn är det vid laserhärdning alltid fråga om korta processtider med cykeltider på ett fåtal sekunder. Uppvärmningshastighet, maximal temperatur och avkylningshastighet kan programmeras individuellt och övervakas via temperaturkontroll.

Vid laserhärdning av en komponent tillverkad i härdbart stål eller gjutjärn austenitiseras materialet nära ytan under en kort period. Den tillförda värmen fortplantar sig in i materialet varigenom ytan kyls ned. Som ett resultat av denna härdningsprocess omvandlas austeniten till martensit. Den här transformeringen kan anpassas på djupet upp till cirka 1 mm. Bildandet av martensit är sammankopplat med en ökad hårdhet, vilket i sin tur förbättrar komponentens slitstyrka. Mikrostrukturen hos resten av materialet förblir opåverkad, vilket gör att t.ex. slagseghet och nötningsbeständighet kan kombineras för att ge komponenten optimala egenskaper. De tryckspänningar som byggs in vid bildandet av martensitiska strukturer kan också användas till att förbättra utmattningsegenskaperna hos komponenter som är utsatta för cyklisk belastning.

Men värmebehandling med laser kan också användas för att uppnå motsatta effekter, d.v.s. lokal mjukgörning av exempelvis höghållfasta stål. Dessa typer av stål uppvisar en komplex mikrostruktur som består av martensit, austenit, perlit, ferrit och karbider. Andelen martensit är det som huvudsakligen bestämmer materialets hållfasthet. Mjukgörningsmekanismen baseras på härdning eller partiell austenitisering med efterföljande transformering till ferrit-perlit. Mjukgörningen kan användas för att påverka formningsegenskaperna hos stålen. Dessa höghållfasta stål används, p.g.a. sina överlägsna mekaniska egenskaper, i ökande omfattning i bilindustrin vid tillverkning av karosser och chassikomponenter. Normalt kallformas dessa stål med de hållfasthetsegenskaper de har då de levereras. De höga hållfasthetsnivåerna begränsar emellertid hur de kan formas utan att sprickor uppstår i kraftigt deformerade områden. Därför kan vissa komponentgeometrier inte tillverkas i höghållfasta stål, men med hjälp av lokal mjukgörning med laserbestrålning ökar formbarheten och uppkomsten av sprickor kan elimineras.

Att bestråla ett objekt med laser kan också användas som en mjukglödgningsprocess vid exemplevis avspänningsglödgning av komponenter och verktyg som reparerats med laserpåläggning. Här uppstår normalt höga restspänningar i de områden som belagts, vilket kan leda till tidiga haverier p.g.a. varierande utmattningsbelastning. Risken för detta kan motverkas med lokal värmebehandling där kryp- och diffussionsprocesser reducerar inre spänningar i materialen. Mjukglödgning kan även användas för att ändra de elektromagnetiska egenskaperna. Kornstrukturen hos elektrostål kan förfinas genom värmebehandling med laser, vilket gör att hysteresförluster i exempelvis transformatorer kan reduceras.

PDF

Senast ändrad av: Peter Norman

 


En del av

Lasergruppen

Lasergruppen är en fristående branschgrupp med samarbete med Svetskommissionen

Facebook

Kontakt

Lasergruppen  Box 5073, 102 42 Stockholm  Tel: 08-120 304 03