Lasersvetsning
Lasersvetsning är en snabb och exakt metod för sammanfogning av metalliska material där en koncentrerad laserstråle används för att smälta materialet och skapa en svetsfog. Den höga energitätheten gör det möjligt att uppnå höga svetshastigheter, smala svetsfogar och begränsad värmepåverkan på omgivande material.
Här förklarar vi hur lasersvetsning fungerar, vilka material och applikationer tekniken lämpar sig för, skillnaden mellan olika svetsprinciper och vad som är viktigt att tänka på vid val av lasersvetssystem.
Vad är lasersvetsning?
asersvetsning är en smältsvetsprocess där en fokuserad laserstråle tillför energi till ett mycket begränsat område. Materialet smälter lokalt och bildar en smältpool som stelnar till en svetsfog när laserstrålen förflyttas längs fogen.
Den koncentrerade energitillförseln gör att processen kan ge en smal svetsfog och en relativt liten värmepåverkad zon, HAZ (Heat Affected Zone). Det kan minska deformation och behovet av efterbearbetning jämfört med svetsprocesser där värmen sprids över ett större område.
Lasersvetsning kan utföras utan tillsatsmaterial, så kallad autogen svetsning, eller med tillsatsmaterial i form av exempelvis svetstråd. Processen kan utföras manuellt med handhållen lasersvets, automatiserat med linjär- eller fleraxlig rörelse, eller integreras i robot- och cobotbaserade produktionssystem.
Hur fungerar lasersvetsning?
Processen kan förenklat beskrivas i fem steg:
- Laserljuset genereras i laserkällan och leds till svetsoptiken.
- Optiken fokuserar laserstrålen till ett definierat område på arbetsstycket.
- Laserenergin absorberas av materialet och omvandlas till värme.
- Materialet smälter lokalt och bildar en smältpool. Vid tillräckligt hög effekttäthet kan även ett så kallat keyhole bildas.
- När laserstrålen förflyttas längs fogen stelnar smältan bakom strålen och bildar svetsfogen.
Processen påverkas av bland annat lasereffekt, svetshastighet, fokusläge, stråldiameter, material, foggeometri och eventuell användning av skyddsgas och tillsatsmaterial. Det är kombinationen av dessa parametrar – inte en enskild inställning – som avgör svetsens inträngning, geometri och kvalitet.
Värmeledningssvetsning och djupsvetsning
Lasersvetsning kan ske enligt två huvudsakliga processprinciper: värmeledningssvetsning och djupsvetsning, ofta kallad keyhole welding.
Värmeledningssvetsning – conduction mode
Vid värmeledningssvetsning är effekttätheten tillräcklig för att smälta materialets yta men inte för att skapa någon betydande förångning.
Värmen leds från ytan ned i materialet genom värmeledning. Resultatet blir normalt en relativt bred och grund svetsfog.
Värmeledningssvetsning används framför allt när:
- materialet är tunt
- stort inträngningsdjup inte krävs
- ytfinish och svetsgeometri är viktiga
- mycket kontrollerad värmetillförsel önskas
Djupsvetsning – keyhole mode
När effekttätheten ökas tillräckligt börjar materialet förångas. Ångtrycket skapar en smal kavitet i smältan – ett så kallat keyhole.
Laserljuset kan tränga längre ned i materialet och absorberas effektivt i kaviteten. Det gör det möjligt att skapa betydligt djupare och smalare svetsfogar än vid ren värmeledningssvetsning.
Keyhole-svetsning används när stort inträngningsdjup, hög svetshastighet och smala svetsfogar är viktiga. Processen kräver samtidigt noggrann kontroll. Ett instabilt keyhole kan bland annat bidra till porbildning, stänk och variationer i inträngningsdjupet.
Fördelar med industriell lasersvetsning
Lasersvetsning har flera egenskaper som gör tekniken attraktiv för modern industriell produktion.
Hög svetshastighet
Den koncentrerade energin gör att svetsningen i många applikationer kan utföras med betydligt högre hastighet än konventionella bågsvetsprocesser.
Begränsad värmepåverkan
Energin koncentreras till ett relativt litet område. Det kan ge en smal värmepåverkad zon och mindre termisk deformation av komponenten.
Hög precision
Laserstrålen kan fokuseras och positioneras med hög noggrannhet, vilket lämpar sig för små komponenter, smala fogar och komplexa geometrier.
Djup och smal svetsfog
Vid keyhole-svetsning kan ett stort förhållande mellan inträngningsdjup och fogbredd uppnås.
Möjlighet till svetsning utan tillsatsmaterial
Vid god fogpassning kan många applikationer svetsas autogent, vilket innebär att inget tillsatsmaterial behöver användas.
Goda möjligheter till automation
Laserstrålen kan integreras med robotar, cobotar, linjäraxlar och andra automationssystem. Processen lämpar sig därför väl för repeterbar serieproduktion.
Begränsat behov av efterbearbetning
Den smala svetsfogen och begränsade värmepåverkan kan minska behovet av riktning, slipning och annan efterbearbetning.
Vad används lasersvetsning till?
Lasersvetsning används inom många industrisektorer där det finns höga krav på precision, produktivitet och repeterbar kvalitet.
Vanliga användningsområden är:
- fordons- och transportindustri
- tunnplåtskonstruktioner
- maskin- och verkstadsindustri
- batterier och elektriska komponenter
- elektronik och finmekanik
- medicintekniska produkter
- komponenter i rostfritt stål och aluminium
- kapslingar och behållare
- rör och profiler
- verktyg och precisionskomponenter
- automatiserad serieproduktion
Lasersvetsning kan användas både för mycket små precisionskomponenter och för större industriella konstruktioner.
Vilka material kan lasersvetsas?
Många metalliska material kan lasersvetsas, bland annat:
- konstruktionsstål
- rostfritt stål
- höghållfasta stål
- aluminium och aluminiumlegeringar
- nickel och nickellegeringar
- titan och titanlegeringar
- koppar och vissa kopparlegeringar
Materialets absorptionsförmåga, värmeledningsförmåga, smälttemperatur och metallurgiska egenskaper påverkar hur lätt det är att skapa en stabil svetsprocess.
Rostfria stål och många stålkvaliteter lämpar sig generellt väl för lasersvetsning.
Aluminium kräver större hänsyn till bland annat hög värmeledningsförmåga, ytans egenskaper och risken för porbildning och sprickbildning i vissa legeringar.
Koppar är särskilt krävande för traditionella infraröda fiberlasrar eftersom materialet både reflekterar en stor del av det infallande laserljuset och leder bort värme mycket effektivt. Val av laserkälla, våglängd, strålkvalitet och processparametrar blir därför särskilt viktigt.
Materialkombinationer och olika legeringar bör alltid provsvetsas för att verifiera process, hållfasthet och svetskvalitet.
Fogutformning och passning
Lasersvetsning ställer ofta högre krav på fogpassning och positionering än traditionella bågsvetsprocesser.
Eftersom laserstrålen och svetsfogen kan vara mycket smala måste laserstrålen träffa fogen med hög precision.
Vanliga fogtyper är:
- stumfog
- överlappsfog
- T-fog
- hörnfog
- kantfog
Vid autogen lasersvetsning är spalten mellan komponenterna särskilt viktig eftersom inget tillsatsmaterial finns tillgängligt för att fylla större variationer.
Tillsatsmaterial kan användas för att överbrygga spalter, påverka svetsens kemiska sammansättning eller förbättra svetsbarheten hos vissa materialkombinationer.
God fixturering och repeterbar komponentpositionering är därför ofta avgörande för en stabil automatiserad lasersvetsprocess.
Tillsatsmaterial vid lasersvetsning
Lasersvetsning kan utföras både med och utan tillsatsmaterial.
Autogen lasersvetsning
Vid autogen svetsning smälts endast grundmaterialet samman. Metoden ger en enkel och snabb process men ställer höga krav på fogpassning och materialkombination.
Lasersvetsning med tillsatstråd
Tillsatstråd kan användas för att:
- överbrygga mindre spalter
- kompensera för variationer i foggeometrin
- påverka svetsgodsets kemiska sammansättning
- förbättra svetsbarheten
- skapa önskad foggeometri
Trådmatningen behöver synkroniseras med laserstrålen och rörelsen längs fogen för att processen ska bli stabil.
Skyddsgas vid lasersvetsning
Skyddsgas används i många lasersvetsprocesser för att skydda smältan och det upphettade materialet från omgivande atmosfär.
Vanliga skyddsgaser är exempelvis argon, helium eller gasblandningar anpassade efter material och process.
Skyddsgasen kan påverka:
- oxidation
- svetsens ytkvalitet
- porbildning
- processens stabilitet
- svetsgeometri
Gasens typ, flöde, munstyckets position och riktning behöver därför anpassas efter den aktuella processen.
För vissa material kan även rotskydd behövas för att skydda svetsens undersida från oxidation.
Vad påverkar svetsresultatet?
Ett stabilt och repeterbart svetsresultat beror på samspelet mellan ett stort antal parametrar.
Viktiga faktorer är:
- lasereffekt
- svetshastighet
- stråldiameter och effekttäthet
- fokusposition
- strålkvalitet
- material och legering
- materialtjocklek
- foggeometri
- spalt och fogpassning
- fixturering
- komponenternas position
- skyddsgas
- tillsatsmaterial och trådmatning
- ytskikt, oxider och föroreningar
- önskat inträngningsdjup
Högre lasereffekt innebär inte automatiskt en bättre svets. Lasereffekt, hastighet, fokus och övriga processparametrar måste balanseras för att skapa önskad svetsgeometri och en stabil process.
Vanliga svetsfel vid lasersvetsning
Precis som andra svetsprocesser kan lasersvetsning ge defekter om material, fogberedning eller processparametrar inte är rätt anpassade.
Exempel är:
- porer
- sprickor
- bindfel
- otillräcklig inträngning
- för stort inträngningsdjup
- genombränning
- undercut
- stänk
- ojämn svetsgeometri
Porbildning kan exempelvis uppstå genom instabilitet i keyhole-processen, gaser i materialet eller föroreningar på komponentens yta. Noggrann processutveckling, rena komponenter, stabil fixturering och rätt parametrar är därför viktiga för att uppnå en repeterbar svetskvalitet.
Handhållen eller automatiserad lasersvetsning?
Lasersvetsning kan användas både som manuell och automatiserad process.
Handhållen lasersvetsning
Vid handhållen lasersvetsning för operatören svetsoptiken längs fogen.
Tekniken lämpar sig bland annat för:
- mindre och medelstora produktionsserier
- varierande komponenter
- tunnplåtskonstruktioner
- verkstadsproduktion
- applikationer där hög flexibilitet är viktig
Handhållna system kan ge betydligt högre svetshastighet än traditionell TIG-svetsning i lämpliga applikationer.
Processen kräver dock korrekt utbildning, riskbedömning och en genomtänkt lasersäkerhetslösning.
Cobot- och robotbaserad lasersvetsning
Vid automatiserad lasersvetsning styrs svetsoptiken eller komponenten med exempelvis en industrirobot, cobot eller fleraxligt rörelsesystem.
Det ger möjlighet till:
- hög repeterbarhet
- stabil svetshastighet
- exakt positionering
- korta cykeltider
- automatiserad serieproduktion
- integration med annan produktionsutrustning
Robotiserad lasersvetsning är särskilt attraktiv när samma eller liknande komponenter produceras i större volymer.
Remote welding – lasersvetsning på avstånd
Remote welding, eller fjärrsvetsning, är en automatiserad lasersvetsprocess där laserstrålen styrs över arbetsstycket med hjälp av snabba galvanometerspeglar i ett skannerhuvud. Till skillnad från traditionell robotiserad lasersvetsning behöver svetsoptiken därför inte mekaniskt följa varje enskild svetsfog.
Laserstrålen fokuseras från ett relativt långt arbetsavstånd och kan förflyttas mycket snabbt mellan olika svetspunkter och svetsfogar inom skanneroptikens arbetsområde. Själva ompositioneringen av laserstrålen kan ske på bråkdelar av den tid som krävs för att mekaniskt flytta en robot eller svetsoptik.
Det gör remote welding särskilt intressant vid produktion av komponenter med många korta svetsar eller svetspunkter, där tiden mellan de enskilda svetsoperationerna annars skulle utgöra en betydande del av den totala cykeltiden.
Fördelar med remote welding
Remote welding kan bland annat ge:
- mycket korta positioneringstider mellan olika svetsar
- hög produktivitet och korta cykeltider
- möjlighet att utföra många svetsar inom ett stort arbetsområde
- hög precision och repeterbarhet
- flexibel programmering av svetsmönster och geometrier
- minskat behov av mekaniska rörelser
- goda möjligheter till integration i automatiserad serieproduktion
Tekniken används bland annat inom fordonsindustrin, batteritillverkning och annan högvolymproduktion där ett stort antal svetsar behöver utföras snabbt och repeterbart.
Remote welding med robot och skanneroptik
Ett remote welding-system kan även kombinera en industrirobot med en skanneroptik. Robotens rörelse ger då ett stort totalt arbetsområde medan skannerhuvudet svarar för de mycket snabba och precisa rörelserna av laserstrålen.
Genom att kombinera robotens mekaniska rörelse med skannerns optiska rörelse kan systemet bearbeta stora och komplexa komponenter samtidigt som den höga hastigheten hos remote welding utnyttjas. Tekniken ställer höga krav på bland annat komponentpositionering, fogpassning, programmering, fokusläge och processkontroll. Eftersom arbetsavståndet är stort och laserstrålen kan riktas över ett omfattande område behöver även lasersäkerheten vara en integrerad del av systemets konstruktion.
Lasersvetsning jämfört med TIG, MIG och MAG
Lasersvetsning ersätter inte automatiskt konventionella svetsmetoder. Vilken process som är bäst beror på komponenten, materialet, kvalitetskraven och produktionen.
| Egenskap | Lasersvetsning | TIG-svetsning | MAG-svetsning |
| Svetshastighet | Mycket hög i lämpliga applikationer | Relativt låg | Hög |
| Värmetillförsel | Låg och koncentrerad | Relativt hög | Relativt hög |
| Värmepåverkad zon | Vanligen smal | Bredare | Bredare |
| Deformation | Vanligen liten | Större risk | Större risk |
| Precision | Mycket hög | Hög | God |
| Fogpassning | Ofta höga krav | Mer tolerant | Mer tolerant |
| Tillsatsmaterial | Inte alltid nödvändigt | Vanligt | Vanligt |
| Automation | Mycket god | Möjlig | Mycket god |
| Investeringsnivå | Högre | Lägre | Lägre |
| Produktivitet vid serieproduktion | Mycket hög | Lägre | Hög |
TIG är exempelvis en mycket flexibel process som ger god kontroll och kan vara lämpligare vid låga produktionsvolymer, komplicerade manuella arbeten eller där fogpassningen varierar.
MIG/MAG är robusta och kostnadseffektiva processer för många konstruktioner och materialtjocklekar.
Lasersvetsning blir särskilt intressant när hög svetshastighet, liten värmepåverkan, låg deformation, hög precision eller automation har stor betydelse för den totala produktionskostnaden.
Kvalitetskontroll vid lasersvetsning
Kraven på kvalitetskontroll beror på komponentens funktion och vilka krav som gäller för den aktuella produkten.
Metoder kan exempelvis vara:
- visuell kontroll
- dimensionskontroll
- penetrantprovning
- röntgenprovning
- ultraljudsprovning
- metallografisk undersökning
- drag- eller hållfasthetsprovning
- täthetsprovning
I automatiserade system kan även processövervakning användas för att registrera olika processignaler under svetsningen.
Vilken kontrollmetod som är lämplig beror på material, fogtyp, svetsgeometri och vilka typer av defekter som behöver upptäckas.
Så väljer ni rätt lasersvetssystem
Material och tjocklek
Vilka material ska svetsas och vilka materialtjocklekar förekommer?
Fog och geometri
Vilka fogtyper ska svetsas och hur väl kan komponenternas passning och position kontrolleras?
Inträngningsdjup
Krävs ytlig svetsning, partiell inträngning eller full genomsvetsning?
Svetshastighet och produktionsvolym
Vilken cykeltid behöver processen uppnå och hur många komponenter ska produceras?
Tillsatsmaterial
Kan processen utföras autogent eller krävs tillsatstråd?
Automation
Ska svetsningen utföras handhållet, med cobot, industrirobot eller ett specialbyggt fleraxligt system?
Kvalitetskrav
Vilka krav finns på hållfasthet, täthet, svetsgeometri, utseende och repeterbarhet?
Processkontroll
Behövs automatisk fogföljning, kamera, sensorer eller övervakning av svetsprocessen?
Säkerhet
Hur ska laserstrålning, reflexer, svetsrök och andra risker hanteras?
Service och support
Vilken utbildning, service och teknisk support krävs under systemets livslängd?det underhåll och processkunskap är fortfarande viktiga för stabil produktion.
Säkerhet vid lasersvetsning
Lasersvetsning använder laserstrålning med mycket hög effekt och kräver därför en noggrant utformad säkerhetslösning.
Industriella svetslasrar är normalt laserklass 4 innan de byggs in i en säker maskin eller cell. Direkt laserstrålning och reflekterad strålning kan innebära allvarliga risker för både ögon och hud.
En automatiserad lasersvetscell kan konstrueras så att den fungerar som en laserklass 1-produkt vid normal drift genom kapsling, förreglingar och andra säkerhetsfunktioner.
Handhållen lasersvetsning kräver särskild uppmärksamhet eftersom laserstrålen används manuellt och risken för reflekterad strålning måste hanteras i hela arbetsområdet.
Säkerhetslösningen kan bland annat omfatta:
- lasersäker kapsling eller avgränsat område
- förreglade dörrar
- laserklassade skydd
- personlig skyddsutrustning där detta krävs
- utsug för svetsrök och partiklar
- dokumenterade arbetsrutiner
- utbildad personal
- riskbedömning av den aktuella applikationen
Säkerheten måste alltid utformas efter laserns effekt och våglängd, materialet, processen och den miljö där utrustningen används.
Lasersvetsning anpassad efter er produktion
LMI erbjuder lasersvetslösningar för olika typer av industriell produktion – från handhållna lasersvetsar till cobot- och robotbaserade system samt specialanpassade automatiserade lösningar.
Vi hjälper er att utvärdera material, foggeometri, svetskvalitet, lasereffekt, optik, tillsatsmaterial, fixturering, automation och säkerhet.
Genom provsvetsning och processutveckling kan lösningen anpassas efter den verkliga komponenten och de krav som finns på kvalitet, cykeltid och produktionsflöde.
Se våra lasersvetsmaskiner och system
Vanliga frågor & svar om lasersvetsning
Lasersvetsning är en smältsvetsprocess där en koncentrerad laserstråle används för att lokalt smälta och sammanfoga material. Den höga energitätheten gör det möjligt att skapa smala svetsfogar med hög svetshastighet och begränsad värmepåverkan.
Många metaller kan lasersvetsas, bland annat stål, rostfritt stål, aluminium, nickel- och titanlegeringar samt vissa kopparlegeringar. Svetsbarheten beror på materialets egenskaper, legering och den aktuella fogkonstruktionen.
Vid keyhole-svetsning är laserns effekttäthet så hög att en del av materialet förångas och skapar en smal kavitet i smältan. Laserenergin kan därigenom tränga djupt ned i materialet och skapa en djup och smal svetsfog.
Inte alltid. Många applikationer kan svetsas autogent utan tillsatsmaterial. Svetstråd kan användas när exempelvis fogspalter behöver överbryggas eller svetsgodsets sammansättning behöver påverkas. metallbearbetning. Valet påverkar bland annat skärhastighet, kantkvalitet, oxidation och processkostnad.
I många applikationer används skyddsgas för att skydda smältan och det upphettade materialet från oxidation och för att bidra till en stabil svetsprocess. Valet av gas och gasflöde beror på material och applikation.
I många lämpliga applikationer kan lasersvetsning utföras betydligt snabbare än TIG-svetsning. Den faktiska produktivitetsvinsten beror dock på material, foggeometri, komponenthantering och hur hela produktionsprocessen är utformad.
Vanligen ja. Den koncentrerade energitillförseln och höga svetshastigheten innebär ofta lägre total värmetillförsel och därmed mindre termisk deformation än vid många konventionella svetsprocesser.
Ja. Lasersvetsning lämpar sig mycket väl för automation och kan integreras med industrirobotar, cobotar, fleraxliga system och automatiserade produktionslinjer.
Ja. En cobot kan användas för att positionera och förflytta svetsoptiken längs programmerade svetsbanor. Lösningen kan vara särskilt intressant när flexibilitet kombinerat med bättre repeterbarhet än vid manuell svetsning önskas.
Ja, det rekommenderas. Provsvetsning gör det möjligt att utvärdera materialets svetsbarhet, fogutformning, lasereffekt, hastighet, fokus, tillsatsmaterial och andra processparametrar innan systemet specificeras.
Kontakta LMI om lasersvetsning
Planerar ni att investera i lasersvetsning eller vill ni undersöka om tekniken kan effektivisera en befintlig svetsprocess?
LMI hjälper er att analysera material, komponentgeometri, fogutformning, kvalitetskrav, produktionsvolym och automationsbehov för att ta fram en tekniskt och ekonomiskt lämplig lösning.
Kontakta Tim Smith för rådgivning om lasersvetsning och lasersvetssystem.
Tim Smith
VD & lasersvetsningsexpert