Laser

Ordet laser kommer av engelskans Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation - ljusförstärkning genom stimulerad utsändning av strålning.

Laser är en optisk strålkälla som producerar ljusstrålar med energi som kan koncentreras till en sådan intensitet att den kan utnyttjas som ett oöverträffat redskap inom en mängd områden. Lasern får vanligen sitt namn efter typ av lasermedium som koldioxidlaser (CO2), neodymlaser (Nd) eller helium-neonlaser (He-Ne). Laserns kända användningsområden idag utnyttjar effekter från några milliwatt till flera tiotals kilowatt.

Lasern sänder ut en energirik ljusstråle som har en hel rad unika egenskaper. De viktigaste för materialbearbetning är att strålen är parallell och att lasern sänder ut sin ljusstråle vid en bestämd våglängd. Ytterligare några viktiga egenskaper som relateras till laservalet är uteffekt, energifördelning i strålen och pulsbarhet.

Förhållandet att laserstrålen är en ljusstråle gör att den kan riktas och ledas till arbetsstation och arbetsstycke via speglar eller fiberoptik och den kan fokuseras med lins- eller spegeloptik. Den kan också delas mellan flera arbetsstationen. Dessa förhållanden gör lasertekniken flexibel och mångsidig.

Skärning

Skärning med laser är i dag en industriellt väl utvecklad och etablerad bearbetningsmetod framförallt i Västeuropa men även i USA och Japan.

Verksamheten hos laserföretag i Sverige domineras av skärning och framförallt skärning av metaller. Man beräknar att mer än 90 % av företagen använder lasern enbart för skärning, vilket inte följer den internationella utvecklingen. Där används ca 24 % av det totala antalet bearbetningslasrar till skärning, 24 % till märkning och 14 % för både svetsning och mikrobearbetning.

Skärning av tjockt material är etablerat och den praktiska gränsen för stålplåt ligger på ca 25 mm plåttjocklek. Tekniken utvecklas fortfarande och metoder som ger oxid- och slaggfria snitt i rostfritt och aluminium skapar nya användningsområden. Ett exempel på metod är högtrycksskärning med nitrogen.

Men även för tunt material (< ca 3 mm) används nitrogen som skärgas och kan då ge högre skärhastigheter än oxygen. Processen kallas höghastighetsskärning eftersom den inte liknar vanlig laserskärning.

Lasertekniken erbjuder möjligheter att med hög hastighet och god precision skära material som metall, trä och polymer. De uppenbara fördelarna jämfört med mekanisk bearbetning (klippning, stansning) eller konventionell gasskärning är:

• Liten formförändring.
• Spänningsfria och oftast gradfria snitt.
• Liten värmepåverkad zon.
• Små materialförluster.
• Bullerfri bearbetning.

Den ofokuserade laserstrålen riktas via speglar eller fiberoptik mot arbetsstycket. Strålen fokuseras med lins från 0,05 till ca 0,4 mm diameter beroende på typ och storlek av laser, optik och linsens fokallängd. Vid skärning placeras fokalpunkten (brännpunkten) oftast på eller något under arbetsstyckets yta.

Den höga effekttätheten i fokalpunkten (107-1013 W/cm2) förorsakar smältning eller direkt förångning av materialet i den exponerade punkten. En rörelse av arbetsstycket eller laserstrålen bildar därmed ett skärspår i arbetsstycket.

Skärgas tillförs laserstrålen, vanligen via ett munstycke som omsluter strålen. Skärgasen som oftast är syrgas, luft eller kvävgas/argon har följande uppgifter:

• Skydda fokuseringslinsen från materialstänk.
• Blåsa bort smält och förångat material.
• Förstärka skärprocessen genom oxidering och förbränning av det upphettade materialet (syrgas).
• Skydda arbetsstyckets snittytor mot oxidation (kvävgas m.fl.).
  

 
Material som kan laserskäras:1

 
Svetsning

I industrin finns ett flertal produktionsanläggningar för svetsning med laser. Detta gäller främst speciellt bilindustrin och dess underleverantörer. I Sverige finns flera tillämpningar hos både bilindustri och annnan industri och nya tillämpningar kommer årligen. Lasersvetsning förväntas växa snabbare i framtiden då insikten om fördelarna med lasersvetsning blivit mer spridd.

Nu utvecklas också laserhybridsvetsning, en kombination mellan laser och MIG/MAG, TIG eller plasmasvetsning. Metoden ger uppenbara fördelar vid praktisk svetsning, genom att den har en förmåga att överbrygga spalter och ge större svetsdjup och högre svetshastigheter än ren lasersvetsning.

Vid svetsning med Nd:YAG-laser fokuseras laserstrålen med lins och vid svetsning med CO2-laser används vanligen fokuserande spegel. Strålen fokuseras till några tiondels millimeter. Fokalpunkten (brännpunkten) placeras på eller strax under arbetsstyckets övre yta.

Vid lasersvetsning får man en relativt djup och smal svets, liknande den vid elektronstrålesvetsning. Svetsningen fortgår med hjälp av så kallad nyckelhålseffekt (eng. key hole). Nyckelhålet består av ett ångfyllt hålrum omgivet av smält metall där den fokuserade laserstrålen reflekteras och återfokuseras så att ett stort djup- och breddförhållande skapas. Den omgivande smälta metallen fyller igen hålrummet allt eftersom laserstrålen flyttas.

Svetsning med högeffektlaser har flera fördelar som gör den konkurrenskraftig med mer etablerade svetsmetoder. Jämfört med MIG-, TIG- och plasmasvetsning finns följande fördelar med lasersvetsning.

• Högre hastighet vid samma tillförda effekt ger lägre värmetillförsel (sträckenergi) med minskade värmeskador som följd.
• Den fokuserade laserstrålen som bara är några tiondels mm i diameter ger möjlighet att svetsa med större precision och ger högre penetration i förhållande till svetsbredd.
• Ingen mekanisk kontakt med arbetsstycket.
• Kräver inget tillsatsmaterial.

En högeffektlaser har dessutom ett antal goda egenskaper som gör den särskilt lämplig för processtyrda produktionssystem nämligen:

• Hög effekttäthet som ger hög svetshastighet och liten värmepåverkan.
• Stor smidighet och tillgänglighet. Laserstrålen kan lätt avlänkas med speglar till svåråtkomliga ställen eller till flera arbetsstationer.
• God styr- och repeterbarhet av effekt och effekttäthet.

Svetsning med laser har funnit en rad industriella tillämpningar. Idag tillämpas tekniken på allt från mikrosvetsning av elektronik med Nd:YAG-laser till svetsning av tunga maskindetaljer med CO2-laser. Detaljer lämpliga att lasersvetsa är:

• Sådana som kräver låg värmetillförsel,som behållare för värmekänslig elektronik, detaljer i rostfritt eller härdat material.
• Komponenter med komplicerad form och där hög precision är nödvändig.
• Svetsning av detaljer i normalt svårsvetsat material som tantal, titan, zirkonium och inconel.

 
Ytmodifiering

Området ytmodifiering med laser inkluderar ythärdning, påsvetsning, upplegering och ytimpregnering. Det har ännu inte nått industriell användning i samma omfattning som skärning och svetsning. Under slutet av 1980-talet har dock mycket stora satsningar gjorts i Västtyskland för att industrialisera tekniken och i Sverige är en jobshop specialiserad på ytmodifierig etablerad.

Övriga metoder

Den mest förekommande av alla bearbetningsmetoder med laser är lasermärkning och den är etablerad inom de flesta industribrancher. I Sverige används märklasrar flitigt i industriell produktion.

Borrning med laser har fått sitt kanske starkaste fäste inom flyg-och rymdindustrin där tekniken gjort sig oumbärlig för avancerad och rationell bearbetning av motorkomponenter.

Rapid Prototyping är samlingsnamnet för en teknik (med många olika processer) i stark tillväxt för tillverkning av prototyper/modeller i plast eller metalliska material. Teknik och material finns också för tillverkning av verktygsinsatser för formsprutning, som klarar långa serier.

Lasergravering (laserfräsning) är en metod under tillväxt och den kan användas för tillverkning av små verktyg som används vid tillverkning av modellbilar, modelltåg och liknande.