Hitsausparametrien vaikutus käsilaserhitsin laatuun

Abstract

Käsilaserhitsaus on sulahitsausmenetelmä, joka on vasta viime vuosina yleistynyt hitsausprosessi. Menetelmän suuri hitsausnopeus, pieni lämmöntuonti ja nopeasti omaksuttava suoritustekniikka ovat selkeitä etuja perinteisiin kaarihitsausmenetelmiin verrattuna. Näistä eduista huolimatta käsilaserhitsauksen kykyä täyttää vaativat laatuvaatimukset ei ole vielä laajasti tutkittu. Käsilaserhitsausta voidaan pitää nopeasti yleistyvänä, mutta vielä vähän tutkittuna hitsausprosessina. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan käsilaserhitsausprosessin ominaisuuksia sekä haasteita, jotka tulee ottaa huomioon prosessin hitsausparametrejä valittaessa. Työn tutkimuskysymyksiksi valikoituivat: ”Mitkä ovat käsilaserhitsauksen merkittävimmät hitsin laatuun vaikuttavat haasteet?” sekä ”Miten käsilaserhitsauksen hitsausparametrit vaikuttavat hitsin laatuun?”

Tutkielma toteutetaan kuvailevana kirjallisuuskatsauksena, jossa kootaan ja yhdistetään aiempaa tutkimustietoa, kuten vertaisarvioituja tieteellisiä artikkeleja, hitsausalan instituution IIW-konferenssin tiedostoja, standardeja, kirjallisuutta, kaupallisten yritysten prosessikuvauksia, hitsauslaitevalmistaja Kempin oppimateriaaleja sekä Hitsaustekniikka-lehden artikkelia. Työ ei sisällä käsilaserhitsauslaitteiston yksityiskohtaista teknistä tarkastelua eikä hitsaustyön turvallisuusnäkökulmia.

Tutkimuksen tuloksena määritettiin käsilaserhitsauksen oleellisimmat haasteet hitsausparametrien valinnan näkökulmasta. Käsilaserhitsaus perustuu avaimenreikähitsaukseen, jossa lasersäde sulattaa ja höyrystää metallia suurella energiaintensiteetillä muodostaen kappaleen pintaan avaimenreikää muistuttavan aukon. Sekä hitsausprosessin edut, että haasteet voidaan nähdä kulminoituvan avaimenreiän ominaisuuksiin. Avaimenreiän avulla lasersäde pääsee tunkeutumaan syvälle materiaaliin mahdollistaen tarkan lämpöenergian kohdistamisen. Haasteita tuo menetelmän toistettavuus, huokoisuus, suuret jäähtymisnopeudet, puhtaus sekä hitsattavan liitoksen ilmaraon vaihtelut.

Käsilaserhitsauksen hitsausparametrien valinnassa tulee pyrkiä avaimenreiän vakauteen, riittävän tunkeuman saavuttamiseen sekä hitsattavien kappaleiden ilmarakojen huomioimiseen. Tulosten perusteella epävakaaseen avaimenreikään vaikuttaa suoritustekniikka, lasertehon ja kuljetusnopeuden suhde, suojakaasun tyyppi ja virtausnopeus, vaaputuksen parametrit sekä liitoksen ilmaraon vaihtelut. Epävakaa avaimenreikä aiheuttaa metalliroiskeita, tunkeuman vaihtelua ja huokoisuutta, minkä vuoksi hitsausparametrejä valittaessa on varmistettava avaimenreiän tasapainoinen käyttäytyminen.

Kirjallisuuskatsauksessa on hyödynnetty sekä käsilaserhitsausta että mekanisoitua laserhitsausta käsitteleviä lähteitä. Menetelmien keskeinen ero on siinä, että käsilaserhitsauksessa hitsauspoltinta liikutetaan manuaalisesti, kun taas mekanisoidussa laserhitsauksessa liike on automatisoitu, vakaa ja paremmin toistettavissa. Käsilaserhitsauksen toistaiseksi saatavilla olevan tutkimustiedon vähäisyys tekee molempien prosessityyppien lähteiden käytön tarpeelliseksi. Tutkimusten tuloksia voidaan pitää kokonaisuudessaan luotettavina, joskin lisätutkimusta juuri käsilaserhitsauksen sovelluksiin tarvitaan lisää. Empiiristä lisätutkimusta tarvittaisiin laajemmin eri materiaaleille, liitostyypeille sekä siihen kuinka avaimenreiän epävakautta voitaisiin vähentää juuri manuaalisesti suoritetussa käsilaserhitsausprosessissa.