Laserhitsauksen onnistuminen alkaa materiaalivalinnasta. Jokainen metalli käyttäytyy lasersäteen edessä eri tavalla sen mukaan, kuinka hyvin se absorboi lämpöä ja kuinka nopeasti se johtaa sen eteenpäin. Mitä paremmin materiaali absorboi laserin energian ja mitä hallitummin se siirtää lämmön ympäristöön, sitä helpommin hitsaus onnistuu. Tässä artikkelissa käymme läpi keskeisimmät laserhitsaukseen soveltuvat materiaalit: ruostumattoman teräksen, haponkestavan teräksen, rakenneteräksen, alumiinin, kuparin, messingin sekä kupari-nikkeliseokset.
Yleiskuva materiaalien soveltuvuudesta
Alla oleva taulukko antaa nopean yleiskuvan siitä, miten eri materiaalit soveltuvat laserhitsaukseen ja mitä niiden käsittelyssä tulee erityisesti huomioida. Taulukko on suunniteltu helpottamaan materiaalin valintaa suunnittelun alkuvaiheessa. Soveltuvuusarvio kertoo menetelmän yleisen toimivuuden kyseisellä materiaalilla, mutta lopullinen toteutettavuus riippuu aina ainepaksuudesta, pintakäsittelystä ja liitosgeometriasta.
- Materiaali: Ruostumaton teräs | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Hyvä | Mitä on huomioitava: Puhdas pinta ja suojakaasun valinta tärkeää
- Materiaali: Haponkestava teräs | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Hyvä | Mitä on huomioitava: Hitsausparametrit tarkistettava seosaineiden vuoksi
- Materiaali: Rakenneteräs | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Hyvä | Mitä on huomioitava: Pinnoitteet ja sinkitys vaativat esikäsittelyn
- Materiaali: Alumiini | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Hyvä soveltuvin osin | Mitä on huomioitava: Heijastavuus ja nopea lämmönjohtavuus haaste
- Materiaali: Kupari | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Vaativa | Mitä on huomioitava: Erittäin korkea heijastavuus ja lämmönjohtavuus
- Materiaali: Messinki | Soveltuvuus laserhitsaukseen: Vaativa | Mitä on huomioitava: Sinkin höyrystyminen altistaa huokoisuudelle
Materiaalit yksitellen
Ruostumaton ja haponkestava teräs
Ruostumaton teräs on yksi laserhitsaukseen parhaiten soveltuvista materiaaleista. Se absorboi laserin energian tasaisesti eikä johda lämpöä niin nopeasti kuin esimerkiksi alumiini, mikä tekee sulakylvyn hallinnasta suoraviivaista. Tuloksena on kapea ja siisti hitsi, joka sopii erinomaisesti elintarvike-, metalli- ja elektroniikkateollisuuden tarpeisiin.
Haponkestava teräs käyttäytyy laserhitsauksessa hyvin samankaltaisesti kuin ruostumaton teräs, mutta sen seosaineet edellyttävät tarkempaa parametrien säätöä. Suojakaasun valinta on molemmissa laaduissa keskeinen tekijä: väärä kaasu voi heikentää hitsin mekaanisia ominaisuuksia tai aiheuttaa värimuutoksia pintaan. Kirkkaan metallin hitsaus tehdään meillä siihen erikseen suunnitelluissa tiloissa, joissa kirkkaan ja mustan materiaalin hitsausalueet on osastoitu toisistaan. Lisätietoa aiheesta löytyy artikkelista ruostumattoman teräksen hitsaus.
Rakenneteräs
Rakenneteräs soveltuu laserhitsaukseen hyvin, ja se on yksi yleisimmistä materiaaleista konepajateollisuuden hitsausprojekteissa. Materiaali absorboi laserin energian tehokkaasti, ja hitsin laatu on helposti toistettavissa sarjatuotannossa. Rakenneteräksen etuna on myös laaja saatavuus eri ainepaksuuksissa.
Pinnoitetut ja sinkityt rakenneteräkset vaativat erityistä huomiota. Sinkitty pinta höyrystyy laserin vaikutuksesta ja voi aiheuttaa huokoisuutta hitsiin sekä haitallisia kaasuja. Tätä käsitellään tarkemmin seuraavassa osiossa, jossa tarkastellaan materiaalin suunnitteluvaikutuksia.
Alumiini
Alumiini soveltuu laserhitsaukseen, mutta se asettaa menetelmälle selvästi enemmän vaatimuksia kuin teräkset. Alumiini heijastaa huomattavan osan laserin säteilyenergiasta takaisin, mikä tarkoittaa, että tehokkaan hitsauksen aikaansaamiseksi tarvitaan riittävä energiatiheys. Lisäksi alumiini johtaa lämpöä erittäin nopeasti, jolloin hitsi voi jäähtyä hallitsemattomasti ja aiheuttaa halkeamia tai epätäydellisen sulan.
Alumiinin laatu vaikuttaa merkittävästi hitsaustulokseen. Osa alumiinilaaduista soveltuu laserhitsaukseen erinomaisesti, toiset taas vaativat erityistoimenpiteitä tai eivät sovellu menetelmään lainkaan. Pinnan puhtaus on alumiinin kohdalla erityisen tärkeää, sillä oksidikerros sulaa eri lämpötilassa kuin perusmateriaali. Syvempää tietoa alumiinin käsittelystä tarjoaa artikkeli alumiinin hitsauksen erikoistekniikat.
Kupari
Kupari on laserhitsauksen vaativin yleismetalli. Se heijastaa laserin säteilyä voimakkaasti ja johtaa lämmön pois hitsauskohdasta erittäin nopeasti, minkä vuoksi energian saaminen riittävälle tasolle on haastavaa. Käytännössä tämä tarkoittaa, että hitsaus edellyttää korkeaa tehoa ja tarkkaa parametrien hallintaa.
Kuparin laserhitsauksessa riski epätäydelliseen sulatukseen tai epähomogeeniseen hitsiin on muita materiaaleja suurempi. Ohutlevyrakenteet onnistuvat paremmin kuin paksut kappaleet. Kuparia käytetään tyypillisesti sähkö- ja elektroniikkateollisuudessa sekä sovelluksissa, joissa vaaditaan hyvää sähkön- tai lämmönjohtavuutta, ja näissä kohteissa laserhitsauksen soveltuvuus arvioidaan aina tapauskohtaisesti.
Messinki
Messinki on kuparin ja sinkin seos, ja sen laserhitsaus on vaativaa pääasiassa sinkin käyttäytymisen vuoksi. Sinkki höyrystyy selvästi alemmassa lämpötilassa kuin kupari, mikä aiheuttaa herkästi huokoisuutta hitsiin ja voi johtaa epätasaiseen hitsin rakenteeseen. Suojakaasun valinta ja parametrien tarkkuus korostuvat messingin kohdalla erityisesti.
Messinki soveltuu laserhitsaukseen soveltuvin osin, ja onnistuneet tulokset edellyttävät kokemusta materiaalin erityispiirteistä. Ohutlevyrakenteet ovat yleensä hallittavissa paremmin kuin massiiviset kappaleet.
Kupari-nikkeliseokset
Kupari-nikkeliseokset, joista yleisesti käytetään nimitystä Cunifer, ovat erikoismateriaaleja, joita hyödynnetään erityisesti vaativissa putkisto- ja kriittisissä rakennesovelluksissa. Laivateollisuus on yksi keskeisimmistä käyttöalueista, sillä kupari-nikkeliseokset kestävät meriveden korroosiota erinomaisesti.
Laserhitsaus soveltuu Cunifer-materiaaleihin soveltuvin osin, ja menetelmän valinta riippuu liitostyypistä sekä kappaleen geometriasta. Nikkelipitoisuus parantaa materiaalin hitsattavuutta verrattuna puhtaaseen kupariin, mutta parametrien hallinta on silti tärkeää laadukkaan tuloksen varmistamiseksi.
Voiko laserhitsauksella liittää eri metalleja toisiinsa
Kyllä, eri metallien liittäminen laserhitsauksella on mahdollista, mutta se on selvästi vaativampaa kuin saman materiaalin hitsaus. Eri metallien liittäminen edellyttää, että materiaaliparin metallit ovat keskenään metallurgisesti yhteensopivia eli ne muodostavat yhdessä sulaessaan riittävän lujia ja halkeamattomia liitoksia.
Haaste syntyy siitä, että eri metalleilla on erilaiset sulamislämpötilat, lämpölaajenemiskertoimet ja jähmettymiskäyttäytyminen. Kun kaksi eri metallia sulatetaan yhteen, niiden rajapintaan voi syntyä hauraita intermetallisia yhdisteitä, jotka heikentävät liitoksen lujuutta ja sitkeyttä. Lisäksi materiaalien erilaiset lämmönjohtavuudet vaikeuttavat energian tasaista hallintaa hitsauskohdassa.
Onnistunut erimetalliliitos vaatii tarkan materiaaliparin soveltuvuusarvioinnin, oikean lisäaineen valinnan sekä huolellisesti säädetyt hitsausparametrit. Emme lupaa mitään tiettyä metalliparia toimivaksi ilman etukäteisarviointia, sillä soveltuvuus on aina selvitettävä tapauskohtaisesti. Jos suunnittelet erimetalliliitosta, kannattaa ottaa yhteyttä jo suunnitteluvaiheessa.
Miten materiaali vaikuttaa osan suunnitteluun
Materiaali ei ole pelkästään raaka-aine, se on suunnitteluparametri. Ainepaksuus vaikuttaa suoraan siihen, kuinka paljon energiaa hitsaukseen tarvitaan ja kuinka nopeasti lämpö siirtyy ympäristöön. Ohutlevyrakenteet ovat yleensä hallittavampia kuin paksut kappaleet, joissa lämmönsiirto voi aiheuttaa muodonmuutoksia tai epätäydellisen sulan syvyyden.
Pinnoitetut materiaalit asettavat omat ehtonsa. Maalatut pinnat on yleensä poistettava hitsausalueelta ennen työtä, sillä maali palaa ja tuottaa haitallisia kaasuja sekä heikentää hitsin laatua. Sinkityt teräkset ovat erityistapaus: kuumasinkitty ja sähkösinkitty pinta käyttäytyvät eri tavoin laserin vaikutuksesta, ja molemmissa tapauksissa sinkki höyrystyy hitsauskohdassa. Tämä voi aiheuttaa huokoisuutta hitsiin ja edellyttää joko pinnoitteen paikallista poistoa tai erityistä parametrien säätöä.
Pinnanlaatu vaikuttaa myös lopputuloksen estetiikkaan. Ruostumattoman ja haponkestävän teräksen harjattu, peili- tai hehkukiillotettu pinta asettaa korkeat vaatimukset hitsauksen tarkkuudelle, sillä lämpövaikutusalue näkyy helposti viimeistellyssä pinnassa. Tämä on tärkeää huomioida jo osan suunnitteluvaiheessa, kun mietitään liitoskohtien sijoittelua suhteessa näkyviin pintoihin. Lisätietoa materiaalien leikkauksesta löytyy artikkelista mitkä materiaalit soveltuvat laserleikkaukseen.
Materiaalit, joita työstämme
Meillä työstetään laserhitsauksella ja muilla hitsausmenetelmillä seuraavia materiaaleja: rosteri, haponkestava teräs, alumiini, Cunifer, kupari, messinki ja teräs. Teräksen osalta toimitamme ja käsittelemme sekä kuumasinkittyä että sähkösinkittyä materiaalia. Rosterin ja haponkestavan teräksen pintalaadut kattavat harjatun, peili- ja hehkukiillotetun pinnan, joten pintalaatu on valittavissa käyttökohteen mukaan.
Alumiinia käsittelemme useissa eri laaduissa, ja alumiiniprofiilien koneistus, myynti sekä valmisteet kuuluvat palvelutarjontaamme Salon hallilla sijaitsevan koneistuskeskuksen ansiosta. Kaikki hitsaus- ja metallityöt tehdään ammattitaidolla ja materiaalin erityispiirteet huomioiden.
Jos et ole varma, soveltuuko valitsemasi materiaali laserhitsaukseen tai haluat selvittää parhaan menetelmän omaan projektiisi, olemme mielellämme apuna. Voit kysyä materiaalin soveltuvuutta suoraan meiltä, ja arvioimme tilanteen yhdessä jo suunnitteluvaiheessa.