Laser skæring og -svejsning Fra CO 2 -laser til fiberlaser. Flemming Olsen IPU Kongens Lyngby, Denmark

Transkript

1 Laser skæring og -svejsning Fra CO 2 -laser til fiberlaser Flemming Olsen IPU Kongens Lyngby, Denmark 1

2 Indhold Indledning State-of-the art laserskæring CO 2 laser versus fiber laser. Skæring med skæregas Remote laserskæring Laser svejsning fra CO 2 -laser til fiber-laser Single mode fiber laser svejsning Multimode fiber laser svejsning 2

3 Laser markedet Indledning 2011: 7 mia US $ Heraf: Laser skæring: 3,2 mia US $ Laser svejsning:? Noget mindre. 3

4 Markedssituation Laserskæremarkedet Indledning Markedet er ved at rette sig efter et skrækkeligt gik godt, og 2011 blev et rekord-år for laser skæring. Men fiber-laseren sætter nu sine spor. I 2011 blev der solgt ca. 700 højeffekt fiber-lasere til skæring. CO 2 -laseren er således fortsat den dominerende i laserskæring (ca stk.) Annual sales of flat bed laser cutting systems (excluding combination machines [1])

5 State-of-the-art gas assisted laser skæring Fra CO 2 til fiber laser hvad er forskellen? Bølgelængden: 10,6 µm for CO 2 -laser 1,07 µm for fiber-laser Bølgelængden giver forskel i: Refleksions og absorptionsforhold Reelt ret små forskelle for jern, stål og aluminium Plasmadannelse i snitfugen Kraftigere plasma ved skæring med CO 2 -lasere end med fiberlasere. Cutting direction Heat conduction θ Laser beam Gas flow 5

6 State-of-the-art gas assisted laser skæring Ilt assisteret laserskæring af almindelig stål: To vigtige forskelle fra skæring med inaktiv gas: Energi input fra den exotermiske reaktion => jævnt energi input over hele snitfronten FeO stabiliserer smelteoverfladen i snitfronten (FeO kan ikke fordampe, men dekomponerer under stort energiforbrug) => reducerer fordampning og dermed plasmadannelse. Molten film Cutting direction Evaporated material Cutting gas flow laser beam striations Ejected molten material 6

7 State-of-the-art gas assisted laser skæring Snitfronts dannelse i klassisk laserskæring: Smelte fronts hastighed bestemmes af den lokale varmeflux gennem smelten. Smeltens overflade bestemmes af smeltestrømning og gas strømning fra skæredysen samt af lokalt tryk fra lokal fordampning. Varmeflux skal være højest i centerlinien af snitfronten => smeltens overflade temperatur vil normalt være højest i centerlinien og øges ned gennem fugen. Molten film Cutting direction Evaporated material Cutting gas flow laser beam striations Ejected molten material 7

8 State-of-the-art gas assisted laser skæring Snitfronts dannelse i klassisk laserskæring: Højest temperatur på smleteoverfladen i centerlinien og stigende ned gennem fugen. Ved lave skærehastigheder: Praktisk talt ingen fordampning og smelten løber ned foran laserstrålen. Cutting without local evaporation Molten material Isotherms Striations Cutting with local evaporation Ved højere skærehastigheder: Inaktiv skæregas: fordampning i centerlinien presser smelten delvist rundt om laserstrålen. Oxygen assisteret laser skæring: Snitfronten bøjer bagud i nedre del af snitfugen som kompensation for for langsom varmeflux gennem smelten. Local evaporation Melt flow direction Burrs and resolidifed material 8

9 State-of-the-art gas assisted laser skæring Snit front i nøglehulsskæring: Et nøglehul dannes som i nøglehulssvejsning. Nøglehullet kan være delvist eller helt om laserstrålen. Smelten blæses ud bag laserstrålen. Resulterende i: Kort distance for smelten til at vige for den fremadskridende laserstråle i snitfronten. Højt lokalt tryk i snitfronten. Næsten 100% absorption i nøglehullet. Tynd smeltefilm i snitfronten => høj skærehastighed mulig. Problemer med snitkvalitet fordi smelten strømmer ned ad snitkanterne. Melt front propagation Melt flow direction Laser beam 9

10 State-of-the-art gas assisted laser skæring Laser beam Focusing lens Gas supply Cutting head translation Gas nozzle Plan plade skæring dominerende Krav: Fleksibilitet indenfor tykkelser og materialer Workpiece Indledende resultater (2006) viser stort potentiale for fiber lasere. Wandera, C.; Salminen, A.; Olsen, F.O. and Kujanpää, V.(2006): Cutting of stainless steel with fibre and disc laser, Paper 404, ICALEO

11 State-of-the-art gas assisted laser skæring State-of-the-art resultater på industrielle laserskæremaskiner: Laser beam Focusing lens Gas supply Workpiece Cutting head translation Gas nozzle Detaljer: Laser kilde: 2 kw MM fiber-laser BPP<2 mm*mrad Fokus diameter: 100 µm 11

12 Laserskæring rustfrit stål State-of-the-art gas assisted laser skæring 6 mm 8 mm 10 mm 12 CO2-laser Fiber laser 3 kw 2kW

13 State-of-the-art gas assisted laser skæring Laserskæring alm. stål (ilt assisteret) 6 mm 8 mm 15 mm 13 CO2-laser Fiber laser 3 kw 2kW

14 State-of-the-art gas assisted laser skæring Laser beam Focusing lens Gas supply Cutting head translation Gas nozzle En sammenligning af CO 2 - versus disc-laser (source: Trumpf) Workpiece SSL 1 µm 4mm*mrad up to 6 kw CO 2 10 µm mm*mrad up to 7 kw Mild steel (Oxygen) Comparable Stainless steel (Nitrogen) Great advantage in thin sheet up to 3-5 mm: High productivity and very economic. Universal laser for all sheet thicknesses up to 30 mm Aluminium (Nitrogen) Slight advantage as universal laser for all thicknesses up to 20 mm. Universal laser for all sheet thicknesses up to 20 mm Copper (Nitrogen) Universal laser with good natured process Difficult process 14

15 State-of-the-art remote skæring To metoder er demonstreret: Dybde gravering (Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS)) Vapour pressure fusion cutting cutting (Trumpf) 15

16 State-of-the-art remote skæring Dybde gravering (Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS)) Scanning a highly focussed single mode fibre laser beam. Engraving depth per scan limited ( 100µm/scan) reduced efficient cutting rate and high demands on scanning dynamics. Limited resulting cutting depths (< 1mm) 16

17 State-of-the-art remote skæring Vapour pressure fusion cutting (Trumpf) Workpiece Focussing optics 17 Cutting with relatively large spot diameters Slow cutting process Large heat affected zones Concave cut edges

18 Cutting rate [m/min]. State-of-the-art remote skæring Skære hastigheder (rustfrit stål) 150 Deep engraving (3 kw) 100 Vapour pressure fusion cutting (4 kw) Sheet thickness [mm] 18

19 Svejsedybde Laser svejsning Fra CO 2 -laser til fiber-laser: Bedre fokuseringsegenskaber Mindre plasmadannelse Plasma problem Ved CO 2 -laser Nøglehulssvejsning Overfladesvejsning w/cm 2 Intensitet

20 Lasersvejsning med single mode fiber laser Meget høje intensiteter kan opnås Plasmaproblemer nærmest ikke eksisterende Meget smalle svejsninger som Elektronstrålesvejsning Humping bead kan være et problem selv ved lave svejsehastigheder Figur: EWI 20

21 Svejsning med single mode fiber-laser Humping effekt i single mode fiber laser svejsning Rustfrit stål 2,5 mm plade Laserstråle diameter ca. 20 µm 21 Source: BIAS

22 Lasersvejsning med single mode fiber laser Crofer 22 materiale til SOFC (Solid oxid fuel cell): Laser effekt w Svejsehastigheder mm/s Figur: EWI 22

23 Svejsning med single mode fiber-laser Typiske anvendelser Kilde: Rofin-Sinar 23

24 Svejsning med multimode fiber-laser Særdeles høje lasereffekter kan opnås (> 30 kw) Større strålediametre end for Single mode lasere, men dog stadig små strålediametre sammenlignet med andre lasertyper med samme effekt. 24

25 Svejsning med multimode fiber-laser Svejsehastigheder 25 Kilde: IPG

26 Højeffekt lasersvejsning Sammenligning CO 2 -laser og fiber-laser CO 2 -laser Fiber-laser Kilde: BIAS 26

27 Fiber laseren vinder fortsat stigende accept i industriel bearbejdning. Lav cost of ownership. Høj virkningsgrad. Simpel laser at anvende. Konklusion Få leverandører I højeffekt markedet.

28 Konklusion Laser skæring Fiber- laseren tager stigende markedsandel af det største markedssegment i industriel laserbearbejdning: Plan plade skæring i metaller. Høje skærehastigheder Men problemer med snitkvalitet I tykkere materiale ved høje hastigheder.

29 Konklusion Laser svejsning Fiber (og disc-) laser kan udkonkurrere CO 2 -laseren I størsteparten af markedet: Fiber-laseren kan direkte sustituere Nd:YAG laseren i svejsning. De fleste CO 2 -applicationer kan tilpasses. Fiber laseren især favorabel for: Emner, hvor deformationer er kritiske Høj hastigheds svejsning. Heat-input sensitive komponenter. Komponenter med begrænset adgang (fiber-laserstrålen er smallere end andre laserstråler) Svejsning af forskellige materialer, hvor blandingsforhold er kritiske.