FI122404B - Menetelmä laserhitsauksen suorittamiseksi - Google Patents

Description

MENETELMÄ LASERHITSAUKSEN SUORITTAMISEKSI

Tämä keksintö kohdistuu menetelmään laserhitsauksen suorittamiseksi, jossa menetelmässä laserhitsaukseen käytetty linssi tai peili on jaettu ainakin kahteen 5 osaan tai lasersäde tuodaan ainakin kahdessa osassa hitsauspäähän ainakin kahden fokuspisteen aikaansaamiseksi niin, että lasersädejakaumaa käytetään ainakin osittain epätarkkojen railopintojen käsittelemisessä ennen varsinaista hitsaustapahtumaa.

10 Materiaalia leikattaessa aikaansaadut leikkauspinnat ovat liian epätarkkoja tehokkaaseen laserhitsaukseen. Epätarkkuus johtuu siitä, että leikkauspinnoissa on esimerkiksi viisteitä, jotka tekevät leikkauspinnasta epätasaisen erityisesti kappaleen pituussuunnassa, mutta myös kappaleen leveyssuunnassa. Kun kaksi tällaista leikkauspintaa on tarkoitus hitsata 15 toisiinsa kiinni, leikkauspinnat asetetaan vierekkäin, jolloin niiden väliin jäävän aukon leveys vaihtelee. Vaihtelevan leveyden omaavaa väliä on vaikea hitsata suurella nopeudella, koska hitsausväliainetta tarvitaan eri määriä aukon leveydestä riippuen.

20 JP-patenttihakemuksesta 60199585 tunnetaan laserhitsauslaite, jossa hitsattavien pintojen välistä raon leveyttä kontrolloidaan kumpaankin hitsattavaan pintaan kohdistetun lasersäteen avulla. Saadun leveystiedon perusteella voidaan muuttaa hitsausnopeutta tai lisäainemäärää, jotta saadaan halutut ominaisuudet omaava hitsisauma.

25 US-patentissa 5841097 kuvataan menetelmä ja laite kahden tai useamman lasersäteen käyttämiseksi kappaleiden hitsauksessa niin, että lasersäteet värähtelevät pitkin hitsaussuuntaa. US-patentissa 5841097 on esitetty yhtenä sovellutusmuotona ratkaisu, jossa käytetään kahta lasersädettä niin, että 30 ensimmäisellä lasersäteellä aikaansaadaan hitsattavan alueen esilämmitys ja toisella lasersäteellä suoritetaan varsinainen hitsaus.

2 JP-patenttihakemus 1143785 kohdistuu lasersädelaitteeseen, jossa käytetään monipolttopisteisiä, mutta eriakselisia lasersäteitä. Tässäkin JP-patenttihakemuksessa 1143785 eri lasersäteitä käytetään eri tarkoituksiin saman toimenpiteen suorittamiseksi; yhtä lasersädettä käytetään 5 esilämmitykseen, toista käytetään varsinaiseen toimenpiteeseen.

Edellä mainituissa julkaisuissa, US-patentti 5841097 ja JP-patenttihakemus 1143785, käytetään kahta lasersädettä eri toimintoihin, mutta nämä julkaisut eivät kohdistu mitenkään yhteen liitettävien pintojen välisen raon tarkkailuun ja 10 käsittelyyn. Sen sijaan vastaavasti JP-patenttihakemuksessa 60199585 hitsattavien pintojen keskinäinen asema saadaan mitattua rakoa kontrolloimalla, mutta tässä julkaisussa ei ole mainintaa pintojen käsittelystä ennen varsinaista hitsaustoimenpidettä.

15 JP-patenttihakemuksessa 4-327387 vedenalaiseen hitsaukseen käytetään useita kokoajalinssejä, joilla aikaansaadaan kolmenlaisia lasersäteitä: yhtä käytetään ennen hitsaustoimenpidettä hitsattavan pinnan esikuumennukseen veden poistamiseksi pinnalta, toista varsinaiseen hitsaukseen ja kolmatta hitsauksen jälkeiseen lämpökäsittelyyn.

20 EP-patenttihakemus 933159 kohdistuu teräsputken hitsausmenetelmään, jossa hitsattavia pintoja esikuumennetaan ennen hitsaustoimenpidettä suurtaajuisella sähkövirralla lähes sulamispisteeseen. Esikuumennettujen pintojen hitsaus suoritetaan suurtiheyksisellä energiasäteellä, kuten laser-säteellä, minkä 25 jälkeen esikuumennettuja ja hitsattuja pintoja puristetaan toisiinsa nähden puristusrullilla.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa tekniikan tason mukaisia haittapuolia ja aikaansaada entistä parempi menetelmä kahden kappaleen 30 hitsaamiseksi toisiinsa laserhitsauksella siten, että epätarkkuutta hitsattavien pintojen välillä voidaan vähentää jo ennen hitsausta. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisista patenttivaatimuksista.

3

Keksinnön mukaisessa menetelmässä hitsaukseen käytettävä lasersäde johdetaan ainakin kaksiosaisen optisen elementin kautta. Kaksiosainen optinen elementti koostuu ainakin kahdesta toisiinsa liitetystä osasta tai ainakin 5 kahdesta erillisestä optisesta elementistä tai myös niin, että toinen osa on erillinen ja toinen osa koostuu ainakin kahdesta toisiinsa liitetystä osasta. Tällöin aikaansaadaan erilaisista osista koostuvia fokuspisteitä lasersäteelle. Optisena elementtinä voidaan käyttää myös linssin ja peilin yhdistelmää. Optisen elementin eri osat tai erilliset optiset elementit ovat muodoltaan tai 10 ominaisuuksiltaan toisistaan eroavia, jolloin optisen elementin kautta kulkevan lasersäteen tehoa säädetään sen mukaan, minkä osan tai kohdan optista elementtiä lasersäde kohtaa joko optisen elementin lävistäen tai optisesta elementistä heijastuen. Lasersäteen tehoa näin muuttaen saadaan edullisesti suoritettua ennen varsinaista hitsausta epätarkan välin muodostamien 15 hitsattavien pintojen esikuumennus. Edelleen puristamalla esikuumennettuja hitsattavia pintoja hydraulisilla tai mekaanisilla puristuslaitteilla epätarkan välin hitsattavuutta saadaan parannettua ilman, että varsinaisessa hitsauksessa tarvitaan olennaisia määriä hitsauslisäaineita. Keksinnön mukaisesti optisen elementin kautta kulkevaa lasersädettä voidaan edelleen edullisesti hyödyntää 20 esimerkiksi hitsaussauman korkeuden säätämisessä tai kuvun ominaisuuksia lämpökäsittelemällä.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä optinen elementti on edullisesti optinen linssi tai optinen peili, joka on jaettu ainakin kahteen osaan. 25 Optisen elementin ollessa peili se voidaan asentaa kiinteästi paikoilleen tai liikuteltavissa olevaksi, jolloin liikuteltavuus saavutetaan peilin osia toisiinsa liikuttamalla tai itse peiliä liikutetaan hitsattavaan kohteeseen nähden. Optisen elementin vierekkäiset osat eroavat toisistaan joko niin, että kahdella vierekkäisellä osalla on eri taitekerroin tai että kaksi vierekkäistä osaa ovat 30 muodoltaan erilaiset. Optisen elementin vierekkäiset osat voivat erota toisistaan myös niin, että vierekkäisillä osilla on eri taitekerroin ja vierekkäiset osat ovat muodoltaan erilaiset. Käyttämällä optisen elementin vierekkäisissä osissa eri 4 taitekerrointa ja/tai muotoa hitsauksessa käytettävän yksittäisistä lasersäteistä muodostuvan lasersädevuon tehojakauma saadaan säädettyä halutuksi keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheiden toteuttamiseksi.

5 Keksinnön mukaisesti optisen elementin eri osat asemoidaan hitsattavien pintojen hitsaussuuntaan nähden siten, että suuren taitekertoimen omaava osa on siinä kohdassa, jossa varsinainen hitsaus suoritetaan. Näin optinen elementti taittaa lasersädettä enemmän kuin pienen taitekertoimen omaava osa, jolloin varsinaiseen hitsaukseen saadaan kohdennettua enemmän 10 lasersäteen tuomaa tehoa.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa laserhitsaukseen, kun hitsattavia pintoja liikutetaan laserhitsauspäähän nähden, tai siten, että laserhitsauspäätä liikutetaan hitsattaviin pintoihin nähden. Kun hitsattavia 15 pintoja liikutetaan laserhitsauspäähän nähden, keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää olennaisen jatkuvatoimisena. Kun laserhitsauspäätä liikutetaan hitsattaviin pintoihin nähden, keksinnön mukaista menetelmää voidaan edullisesti käyttää jaksoittain jatkuvana.

20 Keksintöä selostetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää erästä keksinnön edullista sovellutusmuotoa kaavamaisesti sivultapäin katsottuna, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen sovellutusmuodon hitsattavia pintoja 25 kaavamaisesti ylhäältäpäin katsottuna, kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisen sovellutusmuodon tehojakaumaa kaavamaisena kuviona, kuvio 4 esittää erästä keksinnön toista edullista sovellutusmuotoa kaavamaisesti sivultapäin katsottuna, 30 kuvio 5 esittää kuvion 4 mukaisen sovellutusmuodon hitsattavia pintoja kaavamaisesti ylhäältäpäin katsottuna.

5

Kuvioiden 1 ja 2 mukaisesti laserhitsauspää 1 pidetään hitsauksessa paikoillaan, kun taas toisiinsa hitsattavia pintoja 2 ja 3 liikutetaan nuolella merkityssä suunnassa 4. Hitsattavat pinnat 2 ja 3 muodostavat ennen hitsausta toisiinsa nähden välin 5. Keksinnön mukaisesti lasersädevuo 6 johdetaan osista 5 7 ja 8 koostuvan linssin 9 läpi hitsattaville pinnoille 2 ja 3. Hitsaussuunnassa ensimmäisen linssiosan 7 taitekerroin on pienempi kuin hitsaussuunnassa toisen linssiosan 8. Hitsaussuunnassa ensimmäisen linssiosan 7 läpikulkeva osuus lasersädevuosta 6 taittuu tällöin vähemmän kuin hitsaussuunnassa toisen linssiosan 8 läpimenevä osuus lasersädevuosta 6.

10

Hitsaussuunnassa ensimmäisen linssiosan 7 läpimenevää osuutta lasersädevuon 6 tehosta käytetään hitsattavien pintojen 2 ja 3 esikuumennukseen kuvioissa 1 ja 2 katkoviivoin esitetyllä vyöhykkeellä 10. Hitsattavien pintojen 2 ja 3 muodostaman välin 5 mahdollisten epätarkkuuksien 15 vähentämiseksi esikuumennettavia pintoja 2 ja 3 puristetaan puristuselimillä 11 ja 12 edullisesti olennaisen samanaikaisesti esikuumennuksen kanssa. Esikuumennetut ja puristetut hitsattavat pinnat 2 ja 3 hitsataan toisiinsa hitsaussuunnassa toisen linssiosan 8 läpikulkevan lasersädevuon 6 osuuden antaman tehon avulla katkoviivoin merkityllä vyöhykkeellä 13.

20

Kuvioihin 1 ja 2 on merkitty katkoviivoin myös vyöhyke 14, jossa suoritetaan hitsattujen pintojen 1 ja 2 välisen hitsaussauman 15 jälkikäsittely niin, että hitsaussauman 15 korkeutta säädetään tarvittaessa halutunlaiseksi.

Hitsaussauman 15 jälkikäsittely suoritetaan sillä osuudella lasersädevuota 6, 25 joka kulkee hitsaussuunnassa toisen linssiosan 8 eri kaarevuussäteen omaavan ja hitsaussuunnassa linssin 9 loppupään läpi. Kaarevuussäteen muutoksen ansiosta linssin 9 loppupään läpikulkeva lasersädevuon 6 teho on pienempi kuin varsinaisessa hitsauksessa vyöhykkeellä 13, ja näin hitsaussauman 15 korkeutta voidaan säätää kuumentamalla hitsaussaumaa 30 15.

6

Kuviossa 3 kuvataan edullista tehojakaumaa edellä kuvatuilla vyöhykkeillä 10,13 ja 14.

Kuvioiden 4 ja 5 mukaisessa sovellutusmuodossa laserhitsauspää 21 on 5 asemoitu liikuteltavasti hitsaussuunnassa 24 siten, että laserhitsauspäällä 21 voidaan hitsata paikalleen hitsaussuunnassa 24 asemoituja hitsattavia pintoja 22 ja 23. Lasersädevuon 25 eteen on asennettu peili 40, joka heijastaa lasersädevuon 25 linssille 26.Lasersädevuo 25 kulkee linssin 26 läpi hitsattaville pinnoille 22 ja 23. Linssi 26 on valmistettu yhtenäisestä 10 materiaalista, mutta linssi 26 on muodostettu muodoltaan erilaisista osista 38 ja 39, joiden avulla linssin 26 läpikulkevan lasersädevuon 25 tehoa voidaan säätää.

Kuvioissa 4 ja 5 on erotettu katkoviivoin vyöhykkeet 27, 28 29. 15 Hitsaussuunnassa 24 ensimmäinen vyöhyke 27 kuvaa hitsattavien pintojen 22 ja 23 esilämmitystä ja puristusta, hitsaussuunnassa 24 toinen vyöhyke 28 kuvaa hitsattavien pintojen 22 itse hitsausta ja hitsaussuunnassa 24 kolmas vyöhyke 29 kuvaa aikaansaadun hitsaussauman 30 jälkikäsittelyä. Vyöhykkeellä 27 linssin 26 läpikulkeva lasersädevuo 25 on säädetty linssin 26 20 muotoilun avulla teholtaan pienemmäksi kuin vyöhykkeen 28 läpikulkeva lasersädevuo 26.

Keksinnön mukaisesti hitsattavien pintojen 22 ja 23 sisältämät kappaleet 31 ja 32 asetetaan ensin hitsausasemaan, jolloin hitsattavat pinnat 22 ja 23 25 muodostavat toisiinsa nähden leveydeltään epätarkan välin 33. Kappaleisiin 31 ja 32 on lisäksi kiinnitetty puristuselimet 34 ja 35, jotka puristavat kappaleita toisiinsa nähden ja jotka ovat hitsaustapahtuman aikana liikuteltavissa hitsaussuunnassa 24. Puristuselimet 34 ja 35 on varustettu hydraulisilla laitteilla 36 ja 37, joiden avulla kappaleiden puristusta voidaan säätää laserhitsauspään 30 21 liikkumisen mukaisesti ainakin vyöhykkeillä 27 ja 28. Kun laserhitsauspää tulee vyöhykkeelle 27, hitsattavien pintojen 22 ja 23 esikuumennus aloitetaan linssin 26 läpikulkevan lasersädevuon 25 avulla. Olennaisen samanaikaisesti 7 aloitetaan kappaleiden 31 ja 32 puristus puristuselimillä 34 ja 35 toisiinsa nähden välin 33 leveyden epätarkkuuksien pienentämiseksi. Kappaleiden 31 ja 32 puristus suoritetaan siten, että kulloinkin puristettava kohta kappaletta seuraa laserhitsauspäätä 21. Kun laserhitsauspäätä 21 on hitsaussuunnassa 5 24 siirretty kulloinkin puristettavassa kohdassa kappaletta varsinaisen hitsauksen vyöhykkeelle 28, kappaleiden 31 ja 32 puristusta vähennetään asteittain, kunnes laserhitsauspään 21 saavuttaessa vyöhykkeen 29, kappaleiden 31 ja 32 puristus puristuselimillä 34 ja 35 lopetetaan jo hitsatulla alueella. Puristusta jatketaan esikuumennetulla ja hitsaamattomalla osalla 10 laserhitsauspään 21 etenemisen mukaisesti, kunnes pinnat 22 ja 23 on hitsattu kokonaan. Vyöhykkeellä 28 olevalle kappaleiden 31 ja 32 osalle suoritetaan pintojen 22 ja 23 hitsaus toisiinsa, jolloin aikaansaadaan hitsaussauma 30. Vyöhykkeellä 29 olevalle kappaleiden 31 ja 32 osan hitsisaumalle suoritetaan viimeistelykäsittely lasersädevuolla 25, jonka teho on pienempi kuin 15 vyöhykkeellä 28 hitsauksen yhteydessä.

Claims (10)

1. Menetelmä laserhitsauksen suorittamiseksi, jossa menetelmässä hitsaukseen tarkoitettu lasersäde kohdennetaan optisesti lasersäteen tehon 5 käyttämiseksi hitsausprosessin eri vaiheissa ainakin osittain ennen varsinaista hitsaustapahtumaa niin, että lasersäde (6,25) johdetaan optisen elementin (9.26.40) kautta lasersäteen (6,25) tehon säätämiseksi sen mukaan, minkä osan tai kohdan optista elementtiä (9,26,40) lasersäde (6,25) kohtaa, tunnettu siitä, että optisen elementin (9,26,40) toinen osa on erillinen (40) ja toinen osa 10 koostuu ainakin kahdesta toisiinsa liitetystä osasta (9,26), ja lasersäteen (6,25) tehoa muuttaen optisen elementin (9,26,40) avulla hitsaussuunnassa (4,24) ennen varsinaista hitsausta epätarkan välin muodostamia esikuumennettuja pintoja (2,3;22,23) puristetaan olennaisen samanaikaisesti esikuumennuksen kanssa hitsattavien pintojen välin (5,33) epätarkkuuksien pienentämiseksi 15 ennen varsinaista pintojen hitsausta yhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasersäde (6.25) johdetaan optisena elementtinä käytetyn peilin (40) kautta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasersäde (6.25) johdetaan optisena elementtinä käytetyn linssin ja peilin yhdistelmää (26.40) kautta.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että hitsauksen jälkeen lasersäteen tehon säätöä käytetään aikaansaadun hitsaussauman (15,30) lämpökäsittelyyn.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hitsattavia pintoja (2,3;22,23) liikutetaan laserhitsauspäähän (1,21) 30 nähden.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hitsattavia pintoja (2,3;22,23) liikutetaan laserhitsauspäähän (1,21) nähden olennaisen jatkuvatoimisesti.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laserhitsauspäätä (1,21) liikutetaan hitsattaviin pintoihin (2,3;22,23) nähden.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 laserhitsauspäätä (1,21) liikutetaan hitsattaviin pintoihin (2,3;22,23) nähden jaksoittain jatkuvana.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esikuumennettuja hitsattavia pintoja (2,3;22,23) puristetaan 15 hydraulisesti.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1 - 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että esikuumennettuja hitsattavia pintoja (2,3;22,23) puristetaan mekaanisesti. 20