Mikro- ja pienten osien hitsausmenetelmät Laserhitsaus on tehokas ja tarkka hitsausmenetelmä, jossa lämmönlähteenä käytetään korkeaenergistä lasersädettä. Se on yksi lasermateriaalinkäsittelytekniikan tärkeimmistä sovelluksista. 1970-luvulla sitä käytettiin pääasiassa ohutseinäisten materiaalien hitsaukseen ja hitsausnopeuksiin, ja hitsausprosessi kuului lämmönjohtavuustyyppiin. Tarkemmin sanottuna lasersäteily lämmittää työkappaleen pintaa, ja pinnan lämpö diffundoituu sisäänpäin lämmönjohtavuuden kautta. Ohjaamalla parametreja, kuten laserpulssien leveyttä, energiaa, huipputehoa ja toistotaajuutta, työkappale sulatetaan muodostaen tietynlainen sula allas. Ainutlaatuisten etujensa ansiosta sitä on sovellettu onnistuneestiMikro- ja pienten osien tarkkuushitsaus.Kiinan laserhitsausteknologia on maailman edistyneintä tasoa. Sillä on teknologia ja kyky muodostaa laserilla monimutkaisia titaaniseoskomponentteja yli 12 neliömetrin kokoisina, ja sitä on sovellettu useiden kotimaisten ilmailualan tutkimushankkeiden prototyyppien ja tuotteiden valmistuksessa. Lokakuussa 2013 kiinalainen hitsausasiantuntija voitti Brook-palkinnon, hitsausalan korkeimman akateemisen palkinnon, joka vahvisti Kiinan laserhitsauksen maailmanluokan tason.
## Kehityshistoria Maailman ensimmäinen lasersäde tuotettiin vuonna 1960 virittämällä rubiinikiteitä salamavalaisimella. Kiteen lämpökapasiteetin rajoittamana se kykeni tuottamaan vain hyvin lyhyitä pulssisäteitä matalalla taajuudella. Vaikka hetkellinen pulssin huippuenergia saattoi olla jopa 10^6 wattia, se kuului silti matalaenergisiin säteisiin. Neodyymillä seostettu yttriumalumiinigranaatti (Nd:YAG) -kidesauva, jossa virityselementtinä on neodyymi (Nd), voi tuottaa jatkuvan, yksiaallonpituisen lasersäteen, jonka teho on 1–8 kW. YAG-laser, jonka aallonpituus on 1,06 μm, voidaan liittää laserkäsittelypäähän joustavan optisen kuidun kautta. Se soveltuu joustavasti laitteiston asettelun ansiosta 0,5–6 mm paksuisten työkappaleiden hitsaukseen. Hiilidioksidia herätteenä käyttävä CO₂-laser (aallonpituudella 10,6 μm) voi saavuttaa jopa 25 kW:n tehon ja mahdollistaa 2 mm paksujen levyjen täysläpäisyhitsauksen yhdellä läpiviennillä. Sitä on käytetty laajalti metallinjalostuksessa teollisuudessa. 1980-luvun puolivälissä laserhitsaus uutena teknologiana herätti laajaa huomiota Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Japanissa. Vuonna 1985 ThyssenKrupp Steel AG (Saksa) ja Volkswagen AG (Saksa) tekivät yhteistyötä ottaakseen onnistuneesti käyttöön maailman ensimmäisen laserhitsatun aihion Audi 100 -korissa. 1990-luvulla suuret autonvalmistajat Euroopassa, Pohjois-Amerikassa ja Japanissa alkoivat käyttää laajalti laserhitsattua aihiotekniikkaa autonkoreiden valmistuksessa. Sekä laboratorioiden että autonvalmistajien käytännön kokemukset ovat osoittaneet, että laserhitsattuja aihioita voidaan soveltaa onnistuneesti autonkorien valmistuksessa. Laser-räätälöintihitsauksessa käytetään laserenergiaa useiden eri materiaaleista, paksuuksista ja pinnoitteista valmistettujen terästen, ruostumattomien terästen, alumiiniseosten jne. automaattiseen liittämiseen ja hitsaamiseen integroiduksi levyksi, profiiliksi tai sandwich-paneeliksi. Tämä täyttää komponenttien erilaiset materiaaliominaisuudet ja saavuttaa kevyet laitteet mahdollisimman kevyellä painolla, optimaalisella rakenteella ja parhaalla suorituskyvyllä. Kehittyneissä maissa, kuten Euroopassa ja Yhdysvalloissa,laser-räätälöintihitsausei käytetä ainoastaan kuljetusvälineteollisuudessa, vaan sitä käytetään laajalti myös esimerkiksi rakentamisessa, siltojen rakentamisessa, kodinkoneiden levyhitsauksessa ja teräslevyjen hitsauksessa valssilinjoilla (levyliitokset jatkuvatoimisessa valssauksessa). Maailmankuuluja laserhitsausyrityksiä ovat Soudonic (Sveitsi), ArcelorMittal Group (Ranska), ThyssenKrupp TWB (Saksa), Servo-Robot (Kanada) ja Precitec (Saksa). Laserhitsaustekniikan käyttö Kiinassa on juuri alkanut. Kiinan ensimmäinen ammattimainen kaupallinen laserhitsausaihioiden tuotantolinja otettiin virallisesti käyttöön 25. lokakuuta 2002. Sen esitteli Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding ThyssenKrupp TWB:ltä (Saksa). Myöhemmin Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. ja muut yritykset ottivat tuotantoon peräkkäin. Vuonna 2003 ulkomaat ymmärsivät kaksoispalkeisen CO₂-laserlisäainelangan hitsauksen jaYAG-laserhitsaus lisäainelangallaA318-alumiiniseoksesta valmistetulle alaseinäpaneelirakenteelle. Tämä teknologia korvasi perinteisen niitatun rakenteen, mikä vähensi lentokoneen rungon painoa 20 % ja säästi 20 % kustannuksissa. Gong Shuili uskoi, että laserhitsausteknologialla olisi merkittävä rooli Kiinan perinteisen ilmailuteollisuuden muutoksessa ja parantamisessa. Hän haki välittömästi useita aiheeseen liittyviä esitutkimusprojekteja, organisoi tutkimusryhmän ja otti johtoaseman "kaksoissädelaserhitsaus"-teknologian käyttöönotossa Kiinan tutkimusprojekteissa. Alusta alkaen hän suunnitteli soveltavansa tätä teknologiaa lentokoneiden valmistukseen. Kiinalainen asiantuntijaryhmä raportoi alustavasta teknologiasta lentokoneiden suunnittelulaitokselle ja edisti kaksoissädelaserhitsauksen etuja ja toteutettavuutta. Useiden tarkistusten ja arviointien jälkeen suunnittelulaitos päätti soveltaa tätä teknologiaa tietyn lentokoneen uurrettujen seinäpaneelien valmistukseen, saavuttaen alkuperäisen tavoitteen soveltaa "kaksoissädelaserhitsaus"-teknologiaa lentokoneiden valmistukseen. Se läpimursi keskeisiä teknologioita, kuten kevytmetalliseosten laserhitsauksen lisäainelangan tarkkuusohjauksen, kehitti integroidun ja innovatiivisen kaksoispalkeisen laserlisäainelangan hybridihitsauslaitteen, perusti Kiinan ensimmäisen suuritehoisen kaksoispalkeisen laserlisäainelangan hitsausalustan, toteutti T-liitosten kaksoispalkeisen ja kaksipuolisen synkronisen hitsauksen suurissa ohutseinäisissä rakenteissa ja sovelsi sitä ensimmäistä kertaa onnistuneesti lentokoneiden uurrettujen seinäpaneelien keskeisten rakenneosien hitsausvalmistukseen, näytellen tärkeää roolia Kiinan uusien lentokoneiden kehityksessä. Vuonna 2003 HG Laserin toimittama ensimmäinen kotimainen laajamittainen online-nauhahitsauslaitesarja läpäisi offline-hyväksynnän. Tämä laite integroi laserleikkauksen, hitsauksen ja lämpökäsittelyn, mikä tekee HG Laserista yhden maailman neljästä yrityksestä, joka pystyy tuottamaan tällaisia laitteita. Vuonna 2004 HG Laser Farley Laserlabin projekti "Suurtehoinen laserleikkaus, hitsaus ja yhdistetty leikkaus-hitsausprosessitekniikka ja -laitteet" voitti toisen palkinnon kansallisessa tiede- ja teknologiakehityspalkinnossa, mikä teki siitä ainoan laseryrityksen Kiinassa, jolla on tämän teknologian ja laitteiden tutkimus- ja kehitysvalmiudet. Teollisuuden laserteollisuuden nopean kehityksen myötä markkinat ovat asettaneet korkeampia vaatimuksia laserkäsittelytekniikalle. Lasertekniikka on vähitellen siirtynyt yksittäisestä sovelluksesta monipuolisempiin sovelluksiin. Laserkäsittelyn osalta se ei enää rajoitu yksittäiseen leikkaukseen tai hitsaukseen. Markkinoiden kysyntä integroiduille laserkäsittelylaitteille, jotka yhdistävät leikkauksen ja hitsauksen, kasvaa, ja siksi on syntynyt integroituja laserleikkaus- ja hitsauslaitteita. HG Laser Farley Laserlab kehitti Walc9030-integroidun leikkaus- ja hitsauskoneen, jonka erittäin suuri 9 × 3 metrin formaatti on tällä hetkellä maailman suurin integroitu laserleikkaus- ja hitsauslaite. Walc9030 on suurikokoinen leikkaus- ja hitsauslaite, joka integroi...laserleikkaus- ja laserhitsaustoiminnotSe on varustettu ammattimaisella leikkauspäällä ja hitsauspäällä, ja nämä kaksi prosessointipäätä jakavat yhden säteen. Numeerinen ohjaustekniikka varmistaa, etteivät ne häiritse toisiaan. Laite pystyy suorittamaan samanaikaisesti kaksi prosessia, jotka vaativat leikkaamista ja hitsausta. Se voi vaihtaa vapaasti leikkaamisen ja hitsauksen tai hitsauksen ja leikkaamisen välillä, toteuttaen sekä laserleikkaus- että hitsaustoiminnot yhdellä laitteella ilman lisälaitteita. Tämä säästää laitekustannuksia sovellusvalmistajille, parantaa prosessoinnin tehokkuutta ja prosessointialuetta. Lisäksi leikkauksen ja hitsauksen integroinnin ansiosta prosessoinnin tarkkuus on täysin taattu, ja laitteen suorituskyky on tehokas ja vakaa. Lisäksi se on voittanut levyjen lämpömuodonmuutoksen vaikeudet erittäin suurten levyjen räätälöintihitsauksen aikana ja toteuttanut erittäin pitkät optiset reitit vakaasti. Se voi hitsata kaksi 6 metrin pituista ja 1,5 metrin levyistä levyä kerralla, ja hitsattu pinta on sileä ja tasainen ilman lisäjälkikäsittelyä. Samalla se voi leikata 3 metrin levyisiä, yli 6 metrin pituisia ja alle 20 mm paksuisia levyjä yhdellä muovausprosessilla ilman toissijaista paikannusta. Kiinan tiedeakatemian Shenyangin automaatioinstituutti teki kansainvälistä yhteistyötä IHI Corporationin (Japani) kanssa. Noudattaen kansallista tieteellistä ja teknologista kehitysstrategiaa, joka perustuu "käyttöönotto, sulatus, imeytyminen ja uudelleeninnovointi", se selvitti useita keskeisiä teknologioita.laser-räätälöintihitsaus, kehitti Kiinan ensimmäiset täydelliset laserräätälöintihitsauslinjat syyskuussa 2006 ja kehitti onnistuneesti robottikäyttöisen laserhitsausjärjestelmän, joka mahdollistaa taso- ja spatiaalisten käyrien laserhitsauksen. Lokakuussa 2013 kiinalainen hitsausasiantuntija voitti Brook-palkinnon, joka on hitsausalan korkein akateeminen palkinto. Welding Institute (TWI, Iso-Britannia) suosittelee ja nimeää ehdokkaita vuosittain yli 4 000 jäsenyksiköstä yli 120 maassa ja lopulta myöntää tämän palkinnon yhdelle asiantuntijalle tunnustuksena hänen merkittävästä panoksestaan hitsauksen tai liittämisen tieteeseen ja teknologiaan sekä sen teollisiin sovelluksiin. Tämä palkinto ei ole vain tunnustus Gong Shuilille ja hänen tiimilleen, vaan myös vahvistus AVIC:n roolille materiaalien liitostekniikan edistämisessä.
## Rakenteelliset parametrit
### Työvälineet Se koostuu optisesta oskillaattorista ja väliaineesta, joka on sijoitettu oskillaattoriontelon molemmissa päissä olevien peilien väliin. Kun väliaine viritetään korkeaenergiseen tilaan, se alkaa tuottaa vaiheittaisia valoaaltoja, jotka heijastuvat edestakaisin peilien välillä molemmissa päissä muodostaen fotoelektrisen ketjutusvaikutuksen. Tämä vahvistaa valoaaltoja, ja kun energiaa on riittävästi, laser emittoituu. Laser voidaan määritellä myös laitteeksi, joka muuntaa primaarienergian lähteitä, kuten sähköenergiaa, kemiallista energiaa, lämpöenergiaa, valoenergiaa tai ydinenergiaa, tietyn optisen taajuuden sähkömagneettisiksi säteilykeiloiksi (ultraviolettivalo, näkyvä valo tai infrapunavalo). Tämä muunnos voidaan helposti suorittaa tietyissä kiinteissä, nestemäisissä tai kaasumaisissa väliaineissa. Kun nämä väliaineet viritetään atomien tai molekyylien muodossa, ne tuottavat lähes saman vaiheen ja lähes yhden aallonpituuden omaavan valonsäteen – laserin. Vaiheiltaan ja yhden aallonpituudeltaan johtuen hajaantumiskulma on hyvin pieni, ja se voidaan siirtää pitkän matkan ennen kuin se tiivistyy voimakkaasti esimerkiksi hitsausta, leikkausta ja lämpökäsittelyä varten. ### Laserien luokittelu Hitsauksessa käytetään pääasiassa kahdenlaisia lasereita: CO₂-lasereita ja Nd:YAG-lasereita. Sekä CO₂-laserit että Nd:YAG-laserit ovat paljaalle silmälle näkymätöntä infrapunavaloa. Nd:YAG-laserin tuottama säde on pääasiassa lähi-infrapunavaloa, jonka aallonpituus on 1,06 μm. Lämmönjohtimilla on suhteellisen korkea absorptionopeus tämän aallonpituuden valolle, ja useimpien metallien heijastavuus on 20–30 %. Lähi-infrapunasäde voidaan kohdistaa 0,25 mm:n halkaisijaan tavallisilla optisilla linsseillä. CO₂-laserin säde on kaukoinfrapunavaloa, jonka aallonpituus on 10,6 μm. Useimpien metallien heijastavuus tämän tyyppiselle valolle on 80–90 %, joten säteen kohdistamiseksi 0,75–1,0 mm:n halkaisijaan tarvitaan erityisiä optisia linssejä. Nd:YAG-lasereiden teho voi yleensä olla noin 4 000–6 000 W, ja maksimiteho on nyt 10 000 W. Sitä vastoin CO₂-lasereiden teho voi helposti nousta 20 000 W:iin tai jopa korkeampaan. Suuritehoiset CO₂-laserit ratkaisevat korkean heijastavuuden ongelman avaimenreikäefektin avulla. Kun valopisteen säteilyttämä materiaalipinta sulaa, muodostuu avaimenreikä. Tämä höyryllä täytetty avaimenreikä on kuin musta kappale, joka absorboi lähes kaiken tulevan valon energian. Avaimenreiän sisällä oleva tasapainolämpötila saavuttaa noin 25 000 °C, ja heijastavuus laskee nopeasti muutamassa mikrosekunnissa. Vaikka CO₂-lasereiden kehitys keskittyy edelleen laitteiden kehittämiseen ja tutkimukseen, kyse ei ole enää maksimitehon lisäämisestä, vaan säteen laadun ja sen fokusointikyvyn parantamisesta. Lisäksi, kun argonia käytetään suojakaasuna CO₂-laserhitsauksessa yli 10 kW:n teholla, se usein aiheuttaa voimakasta plasmaa, mikä vähentää tunkeutumissyvyyttä. Siksi heliumia, joka ei tuota plasmaa, käytetään usein suojakaasuna suuritehoisessa CO₂-laserhitsauksessa. Diodilaserekombinaatioiden käyttö suuritehoisten Nd:YAG-kiteiden virittämiseen on tärkeä tutkimus- ja kehityskohde, joka parantaa huomattavasti lasersäteiden laatua ja tehostaa laserprosessointia. Suorien diodiryhmien käyttö lasereiden virittämiseen ja tuottamiseen lähi-infrapuna-alueella on saavuttanut keskimäärin 1 kW:n tehon ja lähes 50 %:n fotoelektrisen muunnoshyötysuhteen. Diodeilla on myös pidempi käyttöikä (10 000 tuntia), mikä auttaa vähentämään laserlaitteiden ylläpitokustannuksia. Myös diodipumpattujen kiinteän olomuodon lasereiden (DPSSL) kehitys etenee.
Julkaisuaika: 27.8.2025
