Käsilaserhitsaus lyhyesti
Käsilaserhitsaus on uusi, tehokas sulahitsausmenetelmä erityisesti ohutlevytuotteiden hitsaukseen. Käsilaserhitsauksella voidaan helposti tuottaa laadukkaita ja siistejä hitsejä perinteisiä hitsausprosesseja vähäisemmillä hitsausmuodonmuutoksilla.
Käsilaserhitsauksen tärkeimmät edut ovat:
- Suuri hitsausnopeus
- Pieni lämmöntuonti
- Vähäinen jälkityöstön tarve
- Helppo suoritustekniikka
Käsilaserhitsauksessa hyödynnetään hyvin pieneen pisteeseen fokusoitua lasersädettä, joka tuottaa nopeasti syvälle tunkeutuvan hitsisulan. Käsilaserhitsaus tapahtuu kädessä pidettävällä hitsauspolttimella ilman lisäainetta tai lisäaineen kanssa. Menetelmä soveltuu erilaisille metalleille aina 8 mm paksuuteen saakka.
Käsilaserhitsaukseen liittyy huomattavia turvallisuusriskejä, ja laserturvallisuuden perusteet on oltava kaikkien laserlaitteiden parissa työskentelevien hallussa.
Perustason hitsaaja oppii käsilaserhitsaajaksi muutamassa päivässä. Laitteet ovat helppokäyttöisiä ja käytännössä huoltovapaita. Käsilaserhitsauskoneen hinta riippuu saavutettavasta fokuspisteen lasertehotiheydestä sekä mukana toimitettavista lisävarusteista, kuten suojavälineistä. Käsilasereiden hintataso on tullut voimakkaasti alas eikä se poikkea enää merkittävästi esim. kehittyneistä MIG/MAG-hitsauslaitteista. Hintataso vaihtelee tyypillisesti välillä 15-35 000 €.
Taustaa
Laserhitsauksen korkea tuottavuus ja laatu ovat olleet suomalaisen metalliteollisuuden tiedossa jo pitkään, kiitos tutkimus- ja koulutuslaitosten sekä alan yritysten sinnikkään valistustyön. Laserhitsaus ei ole kuitenkaan yleistynyt Suomessa muun Euroopan tahtiin, johtuen pääosin korkeista investointikustannuksista. Lisäksi suomalaiselle teollisuuden pienten volyymien vuoksi automaattiselle laserhitsaukselle ei ole ollut riittävästi hitsattavaa.
Käsilaserhitsauslaitteiden tulo Euroopan markkinoille 2020-luvun taitteessa käynnisti nopean muutoksen myös Suomessa, ja laserhitsauslaitteiden määrä teollisuudessa on kasvanut eksponentiaalisesti siitä lähtien. Kiinalaiset laitteet painivat hinnaltaan samassa sarjassa MIG/MAG-hitsauslaitteiden kanssa, joten laserhitsauksen suuri investointikustannus ei ollut enää esteenä laserhitsauslaitteistoon investoinnissa. Moni yritys ei kuitenkaan halunnut hankkia kiinalaista hitsauskonetta, osittain varaosien ja huollon saatavuuden epävarmuuden vuoksi sekä osittain laatuun ja laserturvallisuuteen liittyvien kysymysten vuoksi. Mutta kun saksalainen teollisten kuitulaserien edelläkävijä IPG Laser GmbH toi Euroopan markkinoille LightWELD -käsilaserit samassa hintaluokassa kiinalaisten laitteiden kanssa vuonna 2023, alkoivat myös suuret suomalaiset konepajat ja niiden alihankkijat investoimaan käsilaserhitsauslaitteistoihin.
Käsilaserhitsaus poikkeaa kaarihitsausprosesseista (kuten TIG- ja MIG/MAG-hitsaus) monelta osin, ja seuraavassa on koottu käsilaserhitsauksen ominaispiirteitä sekä muuta käsilasereihin liittyvää tietoa laitehankintaa suunnittelevalle sekä jo käsilaserhitsausta tekevälle yritykselle.
Ionix Oy:n avainhenkilöillä on kokemusta vuodesta 2006 alkaen erilaisten laserhitsauslaitteistojen suunnittelusta ja toteuttamisesta tehokkaasti ja turvallisesti. Olemme edustaneet vuodesta 2023 alkaen saksalaisen IPG Laser GmbH:n valmistamia LightWELD-käsilaserhitsauslaitteita Suomessa, mutta toimitamme erilaisia käsilaserhitsaukseen liittyviä asiantuntijapalveluita myös kiinalaisia laitteita hankkineille yrityksille. Ota yhteyttä ja pyydä lisätietoja!
Käsilaserhitsauksen perusteet
Käsilaserhitsausprosessi
Käsilaserhitsauksessa on sama periaate kuin robottilaserhitsauksessa, sillä erotuksella että laserhitsauspäätä, ”poltinta”, liikutetaan hitsaajan toimesta käsin. Kuitulaserteholähteessä synnytetty lasersäde johdetaan kuitukaapelia pitkin polttimeen, jossa se fokusoidaan pieneen pisteeseen (”fokuspisteeseen”) hitsattavan liitoksen pinnalle (esim. LightWELD-lasereissa fokuspisteen halkaisija on mallista riippuen 0,05-0,15 mm). Pienen fokuspisteen suuri tehotiheys sulattaa ja höyrystää hitsattavaa materiaalia ja lasersäde tunkeutuu syvälle materiaaliin muodostaen samalla hitsisulaan metallihöyryn paineen avulla auki pysyvän kanavan, josta käytetään yleisesti nimitystä ”avaimenreikä” (englanniksi ”keyhole”). Avaimenreiän syvyys määräytyy lasertehon sekä hitsausnopeuden perusteella, ja se määrittää samalla hitsin tunkeuman.
Vertailun vuoksi todettakoon, että tehotiheys TIG-hitsauksen valokaaren keskiosassa on tyypillisesti luokkaa 50 W/mm2 kun se käsihitsauslaserin fokuspisteessä voi olla luokkaa 500 000 W/mm2. Eli laserhitsauksessa tehotiheys on jopa yli 10 000 -kertainen TIG-hitsaukseen verrattuna.
Edellä kuvatussa ”avaimenreikähitsauksessa” syntyy syvä ja kapea hitsi, jolla on syvyyttä tehosta riippuen 1-20 mm (LightWELD-lasereissa mallista riippuen täydellä teholla enimmillään 4-8 mm) ja leveyttä 0,5-1,5 mm. Näin kapea hitsi asettaisi käsilaserhitsauksessa liian tiukat toleranssit railolle ja lasersäteen paikoitukselle, joten lasersädettä vaaputetaan polttimessa olevan oskilloivan peilin avulla hitsaussuuntaan nähden poikittaisessa suunnassa hitsisulan leventämiseksi.
Koska laserin energia pääsee tunkeutumaan avaimenreiän kautta syvälle materiaaliin, ei prosessissa tarvitse odottaa lämmön siirtymistä ja johtumista syvemmälle materiaaliin riittävän tunkeuman aikaansaamiseksi, kuten kaarihitsauksessa. Tämän ansiosta hitsausnopeutta voidaan nostaa, jolloin laserhitsauksen lämmöntuonti jää murto-osaan kaarihitsauksen lämmöntuonnista. Tämä vähentää vetelyitä ja jälkityön tarvetta, mikä onkin monelle yritykselle tärkein syy siirtyä hitsaustuotannossa käsilaserhitsauksen käyttöön.
Lisäaineellinen käsilaserhitsaus
Käsilaserhitsausta voidaan tehdä ilman lisäainetta, mutta lisäaineen käyttö on hyvin yleistä. Lisäaineina käytetään tavallisia kullekin materiaalille soveltuvia halkaisijaltaan 0,8…1,6 mm olevia MIG/MAG-umpilankoja.
Lisäaineen käytön suosio johtuu erityisesti seuraavista syistä:
- Lisäaineen käyttö kasvattaa hitsisulan kokoa, jolloin pieni ilmarako liitoksessa ei ole este laserhitsauksen käytölle. Karkeana nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että ilmaraon ollessa alle 80% lisäainelangan halkaisijasta, voidaan liitos hitsata käsilaserilla ilman erikoistekniikoita, kuten polttimen käsinvaaputusta. Eli esimerkiksi 1,6 mm lankaa käytettäessä voidaan hitsata täydellä nopeudella railoon, jonka ilmarako vaihtelee välillä 0-1,3 mm.
- Lisäainelanka tuodaan hitsisulaan aina vetävässä kulmassa, ja osuessaan hitsisulan etupuolella olevaan kiinteään materiaaliin, lanka työntää poltinta vakionopeudella eteenpäin. Tällöin kuljetusnopeus saadaan pidettyä helposti vakiona, mikä tekee käsilaserhitsaamisesta entistäkin helpompaa.
Käsilaserhitsauksen suoritustekniikka
Perinteisesti laserhitsauksessa lasersäde kohdistetaan kappaleen pintaan kohtisuorasti (90° tulokulma), jolloin laserhitsin tunkeuma saadaan maksimoitua. Sen sijaan käsilaserhitsauksessa lasersäde kohdistetaan kappaleen pintaan nähden tyypillisesti noin 30° kulmassa. Lisäainetta käytettäessä kulma on aina vetävä, mutta ilman lisäainetta hitsattaessa voidaan hitsata myös työntävällä kulmalla. Käsilaserhitsauksessa poltin kallistetaan, jotta työkappaleen pinnasta heijastuva sironnut lasersäteily ei kuumentaisi poltinta ja hitsaria. On siis hyvin tärkeää suunnata poltin aina itsestä poispäin niin, että mahdolliset heijastumat työkappaleesta ja lisäainelangasta eivät aiheuta vaaraa laserhitsaajalle, muille ihmisille tai omaisuudelle. Tämä pätee kaikkiin käsilasereihin valmistajasta riippumatta.
Käsilaserhitsauksessa polttimen tai lisäainelangan kärki on turvallisuussyistä osuttava työkappaleeseen hitsauksen aikana. Kontaktin irrotessa laserin turvapiiri aukeaa ja laser sammuu. Työkappaleen pinnan laahaaminen helpottaa polttimen kohdistamista, mutta kokeneilta kaarihitsareilta tämä vaatii hieman totuttelua.
Käsilaserhitsauksen suojakaasut
Käsilaserhitsauksessa käytetään suojakaasuna typpeä, argonia tai seoskaasuja. Typpeä suositellaan kaikille teräksille ja argonia alumiineille ja titaanille. Suojakaasun kulutus on tyypillisesti 20-25 l/min.
Suojakaasu puhalletaan polttimen suuttimen läpi hitsisulan päälle, jolloin se suojaa sulaa hapettumiselta. Suuttimen läpi virratessaan se samalla jäähdyttää suutinta ja polttimen suojaikkunaa ja estää roiskeiden ja huurujen nousemisen poltimen sisään.
Käsilaserhitsattavat materiaalit
Käytännössä kaikki käsilaserhitsauslaitteet soveltuvat ainakin seuraavien metallien hitsaamiseen:
- matalaseosteiset (”mustat”) teräkset
- ruostumattomat teräkset
- 3000- ja 5000-sarjojen alumiiniseokset
Lisäksi kehittyneemmät käsilaserhitsauslaitteet soveltuvat lisäksi seuraavien materiaalien hitsaamiseen:
- kuumasinkitty teräs
- titaani
- nikkeliseokset
- 6000-sarjan (pursotetut) alumiiniseokset
- kupari
Titaanin, nikkeliseosten, 6000-sarjan alumiiniseosten ja kuparin haasteena on se, että nämä materiaali heijastavat kuitulaserin valoa voimakkaasti. Kehittyneiden käsilaserien kohdalla fokuspisteen tehotiheys on kuitenkin riittävän suuri höyrystämään materiaalia ja muodostamaan stabiilin avaimenreiän, joka synnyttyään absorboi lähes kaiken lasertehon sisäänsä.
Käsilaserilla saavutettava tunkeuma riippuu kuljetusnopeuden lisäksi kyseisen laitteen enimmäistehosta sekä fokuspisteen koosta, ja teräksillä ja alumiiniseoksilla se ulottuu tyypillisesti 8 mm:iin. Nikkeliseoksilla ja titaanilla tunkeuma rajoittuu tyypillisesti 7 mm:iin ja kuparilla 3 mm:iin.
Käsilaserhitsauksen parametrit
Käsilaserhitsauksessa on suhteellisen paljon parametreja, jotka vaikuttavat hitsin ulkonäköön ja erityisesti tunkeumaan. Aloittelevan käsilaserhitsaajan ei kuitenkaan tarvitse kaikki parametreja itse määrittää, sillä käsilaserlaitteiden käyttö on tehty laitevalmistajien puolesta helpoksi. Kokemuksen ja osaamisen karttuessa käsilaserhitsaajan on kuitenkin hyvä perehtyä eri parametrien vaikutukseen tarkemmin. Tämä mahdolistaa entistäkin laadukkaammat laserhitsit.
Hitsausnopeus
Hitsausnopeus, eli polttimen kuljetusnopeus, on hitsarin hallittavissa ja se määrittää yhdessä lasertehon kanssa hitsauksen lämmöntuonnin. Materiaali, tavoiteltava tunkeuma, liitosmuoto ja mahdollinen ilmarako vaikuttavat optimaaliseen hitsausnopeuteen, mutta yleisesti voidaan sanoa, että käsilaserhitsauksessa hitsausnopeus voi parhaimmillaan olla jopa 10-kertainen TIG-hitsaukseen verrattuna.
Oheisessa kuvaajassa on annettu suuntaa-antavia käsilaserhitsauksen tunkeumia teräksellä eri hitsausnopeuksilla kolmella eri laserteholla (IPG LightWELD-lasereilla). Ohuilla levypaksuuksilla hitsausnopeudet voivat nousta täydellä teholla aina 100 mm/s asti, mutta usein lasertehoa säädetään pienemmäksi, koska nopeus nousisi muuten hitsaajalle liian suureksi.
Langansyöttönopeus
Langansyöttönopeus asetetaan langansyöttölaitteeseen tai joissain malleissa käsilaserhitsauslaitteen käyttöpaneeliin. Hitsauksen aikana lanka työntää poltinta eteenpäin tulleessaan ulos lankasuuttimesta. Hitsari voi hyödyntää tätä ilmiötä hitsausnopeuden vakioimisessa. Hitsausnopeus ei kuitenkaan useinkaan vastaa täysin langansyöttönopeutta, vaan näiden väliseen suhteeseen vaikuttavat muut parametrit sekä se, että vetääkö hitsari poltinta vai työntääkö lanka poltinta eteenpäin. Tyypillisesti kuljetusnopeus on 80% langansyöttönopeudesta.
Laserteho
Laserteho määrittää yhdessä hitsausnopeuden kanssa hitsauksen lämmöntuonnin. Lisäksi laserteho määrittää laserhitsin maksimitunkeuman: Hitsausnopeuden laskeminen nostaa tunkeumaa, mutta tietyn rajanopeuden alittamisen jälkeen tunkeuma ei enää kasva, koska avaimenreiän sisäinen paine ei kykene vastustamaan suurentuneen hitsisulan painetta.
Kehittyneempien kuitulasereiden säde voidaan fokusoida pienempään pisteeseen, jolloin tehotiheys fokuspisteessä kasvaa ja samalla laserteholla päästään syvempään tunkeumaan. Onkin syytä huomioida, että käsilaserhitsauslaitteen maksimiteho ei suoraan kerro kyseisellä laitteella saavutettavaa maksimitunkeumaa.
Vaaputusleveys
Fokuspisteen vaaputusleveydellä säädetään hitsisulan leveyttä. Vaaputusleveys ilmoitetaan millimetreissä ja sitä voidaan tyypillisesti säätää 0,1 mm tarkkuudella välillä 0…5,0 mm. Vaaputusleveyden kasvattaminen levittää lasertehoa suuremmalle alueelle, joten hitsin tunkeuma laskee ellei lasertehoa samalla nosteta tai hitsausnopeutta lasketa.
Vaaputustaajuus
Vaaputustaajuus ilmoitetaan hertzeinä (Hz) ja sitä voidaan säätää esim. LightWELD-laitteissa 1 Hz tarkkuudella välillä 0…300 Hz. Esim. taajuudella 10 Hz fokuspiste liikkuu kappaleen pinnalla vaaputusleveyden asettaman leveyden verran edestakaisin 10 kertaa sekunnissa.
Lasersäteen vaaputustaajuus pyritään tyypillisesti pitämään mahdollisimman pienenä, jolloin fokuspisteen nopeus hitsisulan pinnalla pienenee ja lasersäde ehtii tunkeutua syvemmälle materiaaliin. Kasvatettaessa hitsausnopeutta, joudutaan samalla usein kasvattamaan myös vaaputustaajuutta hitsin pintaan syntyvän sahalaitakuvion välttämiseksi. Tyypillisesti optimaalinen vaaputustaajuus on matalilla hitsausnopeuksilla luokkaa 10-20 Hz ja suuremmilla hitsausnopeuksilla luokkaa 30-60 Hz.
Lasertehon kompensointi
Tietyt käsihitsauslaserit kykenevät ns. lasertehon kompensointiin, jolloin laite säätää lasertehoa jatkuvasti vaaputusliikkeen mukaan. Tällä voidaan vaikuttaa laserhitsin poikkileikkauksen muotoon, ja esimerkiksi keskittää suurin tunkeuma hitsin keskilinjalle ja vähentää reunoilla olevaa turhaa tunkeumaa madaltaen täten lämmöntuontia.
Lasertehon pulssitus
Käsilaserhitsauksen lämmöntuonti on hyvin pientä, mutta joissain tapauksissa lämmöntuontia halutaan pienentää entisestään, eikä hitsausnopeuden kasvattaminen ole mahdollista esimerkiksi haastavan railonseurannan vuoksi. Tällöin lasertehoa voidaan pulssittaa. Pulssitusparametreja ovat yksittäisen pulssin kesto ja pulssitustaajuus. Lisäksi kehittyneemmissä käsilasereissa voidaan optimoida pulssin muotoa tunkeuman ja hitsin pinnanlaadun parantamiseksi.
Käsilaserhitsauksen liitosmuodot
Käsilaserhitsauksen kyky tuottaa syvää ja kapeaa tunkeumaa mahdollistaa monien kaarihitsauksessa käytettyjen liitosmuotojen hitsaamisen tehokkaammin. Lisäksi tunkeuma mahdollistaa tiettyjä liitosmuotoja, joita kaarihitsauksella ei ole mahdollista hitsata lainkaan.
Käsilaserhitsin sula on kooltaan pieni ja se jähmettyy nopeasti. Tämän ansiosta asentohitsaus on helppoa, ja jopa lakiasento on mahdollinen.
Päittäisliitos
Railopinnat ovat suorat, eli hitsausviistettä ei tarvita, mikäli käsilaserin tunkeuma on riittävä (esim. LightWELD XR -käsilaserilla päästään 6 mm tunkeumaan teräksillä ja alumiineilla). Tarvittaessa hitsattaviin levynreunoihin voidaan tehdä osaviisteytys niin, että laserilla hitsataan juuripalko ja jäljelle jäänyt V-railo täytetään esim. MIG/MAG-hitsauksella.
Käsilaserhitsattaessa ilman lisäainetta, edellytetään railopinnoilta hyvää laatua, jotta vastakkain painettujen railopintojen väliin ei jää ilmarakoa, joka ylittää 10% ohuemman levyn paksuudesta. Eli esimerkiksi hitsattaessa 2 mm paksu levy 4 mm paksuun levyyn päittäisliitoksella, sallitaan ilman lisäainetta hitsattaessa noin 0,2 mm ilmarako.
Lisäaineen kanssa hitsattaessa käsilaserhitsaus sallii karkean nyrkkisäännön mukaan ilmaraon, joka on 80% lisäainelangan halkaisijasta (esim. 1,6 mm langalla sallitaan noin 1,3 mm ilmarako). Suuremmallakin ilmaraolla käsilaserhitsaus on mahdollista, mutta se vaatii polttimen käsinvaaputusta, mikä laskee hitsausnopeutta ja nostaa lämmöntuontia.
Käsilaserin tärkeimmät edut päittäisliitoksessa:
- Ei tarvetta railopintojen viisteytykselle
- Läpihitsaus on mahdollista yhdeltä puolen yhdellä palolla
- Hitsi on kapea ja yhtä leveä pinnasta ja juuresta, jolloin hitsiaineen jäähtyessä ja kutistuessa muodonmuutokset ovat mahdollisimman vähäisiä
- Läpihitsauksessa tunkeuman tarkastaminen on helppoa
Jos railopinnat ovat täysin suorat, eikä liitoksen yläpinnassa ole uraa, jota voidaan seurata polttimen tai lisäainelangan kärjellä, on laserin kohdistaminen riittävällä tarkkuudella liitokseen haasteellista. Pieni, (esim. viilalla tai kulmahiomakoneella tehty) luokkaa 0,2×0,2mm viiste levyjen yläreunassa helpottaa polttimen kohdistamista huomattavasti. Ilman pientä railon seuraamista helpottavaa uraa on käytettävä railon viereen kiinnitettävää ohjuria, jota vasten poltin nojaa niin, että lasersäde osuu varmuudella oikeaan kohtaan.
Limiliitos
Limiliitos soveltuu ohutlevyjen käsilaserhitsaamiseen erittäin hyvin, koska osien valmistus- ja paikoitustoleranssit ovat hyvin väljät. Riittää että levyt painetaan hitsauksen aikana yhteen, eikä hitsin kohdalla ole ilmarakoa.
Laserhitsi voidaan sijoittaa pintalevyn reunaan, mutta lasersäteellä voidaan myös tunkeutua pintalevyn läpi pohjalevyyn asti, ja joissain tapauksissa pohjalevynkin läpi.
Hitsin lujuus riippuu liitospaksuudesta, t, jonka on oltava aina vähintään yhtä suuri kuin ohuemman levyosan paksuus. Tämä rajaa limiliitoksen pintalevyn paksuuden tyypillisesti alle 3 mm:iin. Tätä paksummilla pintalevyillä laserhitsistä tulee helposti rakenteen heikoin kohta.
Nurkkaliitos
Nurkkaliitoksia löytyy esimerkiksi erilaisista ohutlevykotelorakenteista. Käsilaserilla on mahdollista saada aikaan siisti pyöristynyt nurkka, joka ei vaadi jälkityötä, kuten hiontaa.
Mikäli hitsattavien levynreunojen sisäsärmät ovat kohdakkain, eivätkä reunat ole lainkaan limittäin, edellyttää käsilaserhitsaus lisäaineen käyttöä. Tällöin käsilaserhitsaus on helppoa, kun lisäainelangan kärki voidaan asettaa tukevasti levynreunojen muodostamaan V-railoon ja langan syöttöliike työntää poltinta eteenpäin.
Mikäli levynreunat ovat limittäin, voidaan lisäainelanka jättää pois ja seurata ulkonurkkaa suuttimen avulla.
Mikäli hitsattavien levyjen paksuus ylittää 3 mm, on hitsattavat levynreunat syytä sijoittaa kokonaan limittäin ja kohdistaa lasersäde levyjen rajapintaan.
T-liitos (pienaliitos)
T-liitoksesta (puhekielessä usein pienaliitos) on käsilaserilla helppo saada esteettinen hitsi etenkin lisäainelangan kanssa hitsattaessa. Lanka ja lasersuuttimen kärki on helppo kohdistaa tarkasti T-liitoksen sisänurkkaan. Lisäksi levypinnat estävät suojakaasun karkaamisen jäähtyvän hitsin päältä, jolloin hitsien pinnan hapettuminen on helppo estää, ja hitseistä tule kirkkaita ”Tiktok-hitsejä”.
Pienaliitosten käsilaserhitsaus on helppoa, mikäli hitsiltä ei vaadita yli 3 mm hitsiaineenpaksuutta, t. Esimerkkeinä mainittakoon 3 mm ja ohuemmat levyt sekä varusteluhitsit, joilta ei vaadita suurta lujuutta (kts. Käsilaserhitsien mitoitus).
Voimaliitoksissa vaaditaan tyypillisesti levynpaksuutta vastaavaa hitsiaineenpaksuutta, mikä tarkoittaa yli 3 mm levyvahvuuksilla sitä, että hitsin tunkeuman tulee suuntautua tarkassa kulmassa liitokseen niin, että hitsattava levynreuna hitsautuu kauttaaltaan, eikä hitsiin synny liitosvirhettä. Etuna voidaan nähdä se, että läpitunkeutuneen käsilaserhitsin tunkeuma on helppo tarkastaa visuaalisesti juuren puolelta.
Reunaliitos
Reunaliitoksessa yhteenhitsattavien levyjen reunat asetetaan kohdakkain ja reunat hitsataan yhteen. Paksummilla (>3 mm) materiaaleilla laserhitsi pidetään kapeana ja pyritään sijoittamaan levyjen väliin. Ohuilla materiaaleilla levyjen reunat sulatetaan laserilla kokonaan.
Käsilaserhitsien mitoitus
Käsilaserhitsattujen rakenteiden suunnittelussa ja hitsien mitoituksessa on syytä muistaa seuraavat käsilaserhitsauksen erityispiirteet:
- Käsilaserhitsauksen lämmöntuonti on tyypillisesti vain murto-osa kaarihitsauksen lämmöntuonnista, joten katkohitsien sijaan usein on järkevämpää käyttää jatkuvaa hitsiä
- Käsilaserhitsauspoltin on kookkaampi kuin esim. TIG-poltin, ja lasersäteen (ja tunkeuman) suunta on aina sama suhteessa polttimen runkoon. Polttimen ulottuma ja suuntaus tuleekin pitää aina mielessä, kun suunnitellaan hitsejä rakenteiden sisäpuolelle.
- Käsilaserhitsauksessa käytetään usein lisäainetta, mutta hitsiaineentuotto on pientä verrattuna esimerkiksi MIG/MAG-hitsaukseen. Suurta täyttöä vaativat hitsigeometriat, kuten suuren a-mitan pienahitsit tai suuren railotilavuuden päittäishitsit on mahdollista hitsata laserilla, mutta hitsausnopeus laskee huomattavasti ja lämmöntuonti vastaavasti nousee. Näissä tapauksissa käsilaserhitsaus ei ole optimaalinen hitsausmenetelmä.
Käsilaserhitsauksen edut saadaan ulosmitattua parhaiten, kun jo hitsausliitosten suunnittelussa osataan ottaa laserhitsauksen erityispiirteet huomioon. Erityisesti tunkeuman hyödyntäminen parantaa tuottavuutta merkittävästi.
Esimerkiksi T-liitoksissa yli 2 mm a-mitalla olevan pienahitsin tekeminen käsilaserhitsaamalla ei ole tehokasta. Sen sijaan T-liitoksissa olisi järkevää hyödyntää laserin tunkeumaa ja hitsata läpitunkeuma, jolloin a-mittaa ei tarvita. Läpitunkeumaa ei kaikissa tapauksissa vaadita lujuuden vuoksi, mutta läpitunkeutuneen hitsin tunkeuma on helppo todentaa visuaalisella tarkastuksella, kunhan juuren puoli ei ole piilossa rakenteiden sisällä.
Käsilaserhitsauksen hitsausvirheet
Laserhitsauksen hitsausvirheet ja niiden hyväksymisrajat on esitelty standardeissa SFS-EN ISO 13919-1 (teräkset) sekä SFS-EN ISO 13919-2 (alumiiniseokset ja kupari). Seuraavassa on esitelty käsilaserhitsauksen yleisimpiä hitsausvirheitä ja niiden syitä.
Liitosvirhe
Liitosvirheessä esiintyy tyypillisesti päittäisliitoksissa ja pienaliitoksissa, kun lasersäde ei ole kohdistunut riittävällä tarkkuudella tai oikeassa kulmassa liitokseen. Tällöin liitospinnat eivät ole sulaneet koko matkalta yhteen, eikä hitsin lujuus ole vaaditulla tasolla.
Vajaa tunkeuma
Mahdollisia syitä vajaaseen tunkeumaan:
- Liian vähän lasertehoa
- Liian suuri kuljetusnopeus
- Liian suuri vaaputustaajuus tai -leveys
- Virheellinen fokustason säätö
- Likainen polttimen suojaikkuna
Läpihitsauksessa kokenut käsilaserhitsaaja näkee ja kuulee prosessista, mikäli tunkeuma ei ulotu läpi. Usein myös hitsipalosta näkee, mikäli tunkeuma on jäänyt vajaaksi, kun läpitunkeuman kohdalla hitsipalko jää hyvin matalaksi osan sulasta virrattua juureen.
Reunahaava
Reunahaava on robottilaserhitsauksessa yleinen hitsausvirhe johtuen hyvin suurista hitsausnopeuksista. Käsilaserhitsauksessa hitsausnopeudet ovat sen verran maltillisia, että reunahaavaa esiintyy verrattain harvoin.
Pienahitsiin saattaa kuitenkin syntyä reunahaavaa, ja tähän auttaa lasertehon pienentäminen vaaputusliikkeen reuna-alueilla (lasertehon kompensointi).
Kuumahalkeamat
Kuumahalkeama on melko yleinen hitsausvirhe käsilaserhitsauksessa tietyillä alumiiniseoksilla hitsattaessa ilman lisäainetta. Joidenkin alumiiniseosten kohdalla onkin usein pakollista käyttää lisäainetta.
Kuumahalkeamaa voi esiintyä myös teräksillä, mutta tällöin syynä on usein epäpuhtaudet railopinnoilla.
Huokoset
Huokosia voi syntyä käsilaserhitsauksessa etenkin tietyillä alumiiniseoksilla, mikäli avaimenreikä ei pysy vakaana, eivätkä hitsisulaan jääneet kaasukuplat ehdi poistumaan sulasta ennen hitsin jähmettymistä. Avaimenreiän vakautta voidaan parantaa hitsausparametreja optimoimalla.
Myös epäpuhtaudet railopinnoilla voivat aiheuttaa huokosia.
Roiskeet
Roiskeet käsilaserhitsauksessa voivat johtua likaisista railopinnoista tai epävakaasta avaimenreiästä. Avaimenreiän vakauttamiseen auttaa usein hitsausnopeuden, vaaputustaajuuden ja lasertehon laskeminen tai lasersäteen lievä defokusointi.
Lopetuskraatteri
Mikäli käsilaserhitsauksen lopetuksessa lasersäde sammutetaan liian nopeasti, jää lopetuskohtaan kraatteri. Kraatterin synty voidaan ehkäistä rampittamalla lasertehoa hallitusti alas.
Käsilaserhitsauksen laadunvarmistus ja standardit
Käsilaserhitsauksen laadunvarmistuksessa hyödynnetään laserhitsauksen laadunvarmistusstandardeja:
- Laserhitsauksen hitsiluokat teräksille: SFS-EN ISO 13919-1
- Laserhitsauksen hitsiluokat alumiineille: SFS-EN ISO 13919-2
- Laserhitsauksen menetelmäkokeet: SFS-EN ISO 15614-11
- Laserhitsauksen hitsausohjeet: SFS-EN ISO 15609-4
Hitsaajan pätevöintistandardia EN ISO 9606-1 on Euroopassa sovellettu käsilaserhitsaukseen vuodesta 2023. Standardiin on tulossa vuoden 2025 aikana päivitys, minkä jälkeen standardia voidaan hyödyntää myös virallisesti käsilaserhitsaajien pätevöintiin.
Käsilaserhitsaus on lisätty vuonna 2023 hitsausmenetelmäksi yhdysvaltalaiseen painelaitemääräykokoelmaan ASME BPVC.
Käsilaserhitsauksen turvallisuus
Käsilaserit ovat laajentaneet laserhitsauksen käyttäjä- ja sovelluskenttää vuodesta 2020 alkaen voimakkaasti, mikä on tuonut mukanaan merkittäviä turvallisuusriskejä. Näiden riskien ymmärtäminen ja hallinta on olennaista paitsi työympäristön turvallisuuden takaamiseksi, myös työntekijöiden ja muiden sivullisten terveyden suojelemiseksi. Laserturvallisuus viittaa toimenpiteisiin ja käytäntöihin, joilla minimoidaan riski altistua vaaralliselle lasersäteilylle. Käsilaserit toimivat voimakkailla energiatiheyksillä ja voivat vahingoittaa ihoa, silmiä ja ympäristöä pitkänkin matkan päästä.
Laserlaitteet luokitellaan turvallisuutensa mukaan luokkiin 1-4, joista luokan 4 laitteet ovat vaarallisimpia. Luokka 4 käsittää laserit, joiden säteilytaso ylittää kaikkien muiden luokkien raja-arvot, eikä luokan 4 lasereiden voimakkuudelle ole ylärajaa. Kaikki laserhitsauksessa, laserleikkauksessa ja laserpuhdistuksessa käytettävät käsikäyttöiset laitteet kuuluvat luokkaan 4, mikä tarkoittaa, että ilman riittäviä suojatoimenpiteitä ne voivat aiheuttaa vakavia vammoja jopa hajaheijastuksesta.
Markkinoilla on tällä hetkellä tarjolla käsilasereita sekä henkilökohtaisia lasersuojavälineitä, jotka eivät täytä oleellisia EU-lainsäädännön vaatimuksia. Voidaankin olettaa, että tulevaisuudessa työnantajilta vaaditaankin tarkemmin lainsäädännönmukaisia riskiarvioita, ja että vaatimusten vastaisia laitteita markkinoille tuoneet tahot joutuvat tulevaisuudessa muuttamaan laitteita turvallisempaan suuntaan, tai jopa poistamaan niitä markkinoilta.
Ionix Oy:n avainhenkilöillä on kokemusta vuodesta 2006 alkaen erilaisten laserhitsauslaitteistojen suunnittelusta ja toteuttamisesta turvallisesti. Henkilöstöltämme löytyy Laser Safety Officer -tutkintoja (Laser Institute of America) sekä European Laser Safety Officer -tutkintoja, ja olemme mukana EWF (European Welding Federation) käsilaserhitsaustyöryhmässä. Lisäksi olemme verkostoituneet kaikkien eurooppalaisten lasersuojavälinevalmistajien kanssa, joten kauttamme saat tarvittavat tiedot sekä teille parhaiten sopivat suojavälineet. Ota yhteyttä!
Käsilaserhitsauksen riskit
Lasersäteilyn energia ylittää herkästi kudoksen vauriokynnyksen iholle ja erityisesti silmiin osuessaan. Tästä syystä lasersäteilylle on määritetty lainsäädännössä altistusrajat vahinkojen välttämiseksi. Käsilaserhitsauksessa käytettävä lasersäteily on tyypillisesti sähkömagneettisen säteilyn lähi-infrapuna aallonpituusalueella 1000–1100 nm, joka on hyvin lähellä näkyvän valon aallonpituusaluetta. Näillä aallonpituuksilla säteily on silmälle näkymätöntä, mutta läpäisee silmän etuosan sarveiskalvon ja mykiön. Mykiö toimii linssinä ja fokusoi säteen silmän pohjan verkkokalvolle, jolloin säteilyn energiatiheys kasvaa merkittävästi. Pahimmillaan lasersäteilyn silmään kohdistuva altistus voi johtaa pysyvään verkkokalvovaurioon ja näkökyvyn menettämiseen. Laserhitsaajan ja muiden vaara-alueella olevien henkilöiden silmät tuleekin aina suojata asianmukaisilla lasersuojalaseilla. Hitsaajan tulee suojata kasvonsa lisäksi erityisellä laserhitsausmaskilla.
Käsilaserhitsauslaitteella laitteen käyttäjällä etenkin ihovauriot ovat hyvinkin todennäköisiä ilman asianmukaisia suojavarusteita. Esimerkiksi heijastunut lasersäde aiheuttaa herkästi kolmannen asteen palovamman tai syvän reiän sormeen, kämmeneen tai kasvoihin.
Lasertyöstö aiheuttaa suoraan lasersäteilystä johtuvien vaarojen lisäksi muitakin riskejä, kuten altistuminen UV-säteilylle, haitallisten huurujen ja partikkelien hengittäminen sekä tulipalo ja räjähdysvaara.
Työnantaja on velvollinen huolehtimaan työntekijöiden turvallisuudesta ja käsilaserhitsauslaitetta saakin käyttää vain asianmukaisesti koulutettu ja oikein mitoitetuilla henkilökohtaisilla suojavarusteilla varustettu työntekijä.
Käsilaserhitsauksen heijastumat ja hajasäteily
Käsilaserhitsauslaitteen lasersäteilylle altistuminen voi tapahtua a) suoran säteen, b) heijastuneen säteen, tai c) sironneen eli hajaheijastuneen säteen toimesta. Suoran ja heijastuneen lasersäteen energiatiheys säilyy voimakkaana hyvinkin pitkiä matkoja. Käsilaserhitsauslaitteissa käytettävät kilowattiluokan tehotasot ja verrattain pieni fokusoidun säteen avautumiskulma johtavat näiden laitteiden silmävaarallisen etäisyyden kasvamiseen tyypillisesti luokkaan 100–250 metriä, mutta tietyissä tapauksissa se voi kasvaa jopa kilometreihin. Hajasäteilyn energiatiheys laskee merkittävästi nopeammin, mutta sekin on haitallisella tasolla varsinkin laserhitsaajan osalta.
Suora sädealtistus voi syntyä esimerkiksi päittäisliitoksen hitsauksessa tai muissa materiaalin läpihitsaustilanteissa, jos materiaalin läpi tunkeutunut lasersäde osuu esimerkiksi hitsaajan käteen tai jalkaan. Pahimmassa tapauksessa säde voi osua hitsin juuren muodostumista tarkkailevan kollegan silmään.
Suoralle säteelle altistuminen on hyvin epätodennäköistä, jos laserhitsaaja on saanut asianmukaisen käyttö- ja turvallisuuskoulutuksen. Voimakkaat peiliheijastumat railon tai lisäainelangan pinnasta ovat kuitenkin lähes yhtä vaarallisia, ja niiden estäminen kokonaan on hyvin vaikeaa tai mahdotonta kokeneeltakaan laserhitsaajalta. Varsinkin hyvin heijastavien materiaalien kuten 6000-sarjan alumiiniseosten hitsauksessa voi esiintyä voimakkaitakin peiliheijastumia etenkin hitsauksen aloituksen ja prosessihäiriöiden yhteydessä.
Markkinoilla on tarjolla myös yhdistelmälaitteita, joissa on mukana laserleikkausominaisuus. Käsilaserleikkaus on laserturvallisuuden kannalta haastava prosessi siksi, että leikkauksessa lasersäde voi läpäistä 100%:sti leikattavan materiaalin, koska leikkausrailossa ei ole lasersädettä absorboivaa metallisulaa ja -höyryä (kuten hitsauksessa). Lisäksi leikkausprosessi on hyvin herkkä kuljetusnopeuden muutoksille. Leikattavan materiaalin lävistävä voimakas lasersäde voi osua suoraan tai heijastua pöydästä tai lattiasta laserleikkaajan käteen tai jalkaan. Pahimmassa tapauksessa leikataan lasersäde vaakatasossa, jolloin työkappaleen lävistänyt säde helposti lävistää myös suojakopin seinän tai ikkunan.
Lasersäteen energiatiheys on suurimmillaan fokuspisteessä, joka käsilaserhitsauksessa on käytännössä aina hyvin lähellä käyttäjän käsiä ja kasvoja. Käsilaserin käyttäjä altistuukin väistämättä voimakkaalle ja haitalliselle lasersäteilylle, joten oikein mitoitetut henkilökohtaiset suojavarusteet ovat työturvallisuuden kannalta erittäin tärkeitä. Lasertyöstöprosessista syntyy lisäksi UV-säteilyä, jolta myös tulee suojautua kuten muissakin sulahitsausprosesseissa.
Työnantajan velvollisuudet käsilasereiden käytössä
Kaikki markkinoilla olevat käsilaserhitsauslaitteet ovat luokan 4 laserlaitteita, mikä asettaa työntantajalle tiettyjä lakisääteisiä velvollisuuksia.
Työnantajan tulee varmistaa laitteiston olevan kokonaisuudessaan EU-vaatimustenmukainen. Pelkkä CE-kirjainyhdistelmä laitteen kyljessä ei vielä takaa mitään, eli on tärkeää varmistaa, että dokumenteista löytyy EU-vaatimustenmukaisuusvakuutus juuri kyseiselle laitekokonaisuudelle, eikä pelkästään laitteiston laserteholähteelle tai polttimelle.
Laitteen myyjän tulee osata antaa kattava selvitys laitteen käytön vaaroista ja laitteen turvaominaisuuksista. Valitettavasti markkinoilla on myynnissä useita laitteita, joista puuttuu oleellisia turvallisuusominaisuuksia, kuten luvattoman käytön estävä avainkytkin, kahden liipaisimen käynnistys, kuidun turvapiiri, turvahyväksytty liityntä ulkoiseen turvapiiriin sekä polttimen merkkivalot.
Työntantajan on määritettävä käsilaserhitsauslaitteen tuottama säteilytaso ja laadittava ns. keinotekoisen optisen säteilyn torjuntaohjelma sekä riskiarvio käsilaserhitsauslaitteiston käyttöä ja lasertyötilaa koskien.
Työnantajan tulee huolehtia, että käsilaserlaitetta käyttävillä tai haitalliselle lasersäteilylle altistuvilla työntekijöillä on käytössään ehjät ja laserlaitteen tuottamien säteilytasojen mukaisesti mitoitetut henkilökohtaiset suojavarusteet.
Työnantaja vastaa siitä, että laserlaitteen käyttäjät on koulutettu laitteen turvalliseen käyttöön. Lisäksi kaikki lasersäteilylle altistuvat tai laserkäyttöpaikan läheisyydessä työskentelevät henkilöt tulee kouluttaa lasersäteilyn vaaroilta suojautumiseen. Koulutus tulee uusia säännöllisesti. Erityisesti tulee huolehtia uusien työntekijöiden koulutuksista. Luokan 4 laserlaitetta saa käyttää vain nimetty ja asianmukaisesti koulutettu työntekijä. On suositeltavaa varmistaa, että laserturvallisuuskouluttaja on suorittanut European Laser Safety Officer -koulutuksen.
Työsuojeluhallinnon verkkopalveluun on koottu käsilaserhitsauslaitteita koskeva lainsäädäntö ja työnantajaa koskevat velvoitteet.
Käsilaserhitsauksen suojavälineet
Käsilaserlaitteen käyttäjällä tulee olla asianmukaiset lasersuojavarusteet. Etenkin silmien suojauksessa tulee olla huolellinen. Markkinoilla on valitettavan paljon pelkästään optisen tiheyden (OD, Optical Density) mukaan luokiteltuja silmäsuojaimia. OD-luokitus tarkoittaa suojaimen kykyä suodattaa lasersäteilyä tietyllä aallonpituusalueella. Pelkkä OD-luokitus ei kuitenkaan takaa minkäänlaista suojauksen ajallista kestoa. Eli altistustapauksessa suodatin ei välttämättä tarjoa vaadittua suojaa riittävän pitkän aikaa, ja vaarana on jopa pysyvät näkövammat.
Eurooppalainen EN 207 standardi takaa viiden sekunnin suojauskeston suojausluokkiensa mukaisessa altistustilanteessa. Oikean suojaimen valinnassa on selvitettävä ensin mitä aallonpituutta ja minkälaista säteilyä laserlaite tuottaa sekä mitkä ovat mahdolliset altistustasot. Esimerkiksi EN 207 mukainen merkintä D LB8 + I LB9 tarkoittaa, että suodatus jatkuvaa sädettä vastaan on LB8 ja että suodatus pitkäpulssista lasersädettä I vastaan on LB9. LB8 suodattimen läpäisevä säteilyteho nimetyllä aallonpituusalueella on korkeintaan 10-8 ja LB9 suodattimella korkeintaan 10-9 suodattimeen kohdistuvasta säteilytehosta. Suodattimen oikeaan mitoitukseen vaikuttaa myös mm. onko suodatin muovi- vai lasipohjainen ja mikä on säteen koko suodattimen pinnalla. Suojaimen tulee suodattaa tai heijastaa lasersäde niin, että suojaimien takana olevaan silmiin kohdistuva säteilyaltistus ei ylitä luokan 1 altistusrajoja. Suojausluokat tulee olla merkitty suojaimiin kiinteästi.
Silmien suojauksen ohella myös iho tulee suojata hyvin. Esimerkiksi käsilaserhitsauksessa kasvojen iho tulee suojata erityisellä laserhitsausmaskilla. Tavallinen MAG-hitsauskypärä ei sovellu laserhitsaukseen, sillä lasersäde lävistää tavallisen muovin hetkessä. On suositeltavaa varmistaa, että käytettävä laserhitsausmaski on EN 207:n lisäksi sertifioitu vähintään EN 175 standardin mukaan. Myös silmäsuojaimien ja laserhitsausmaskien kehykset tulee olla testattu lasersäteilyä vastaan. Laserhitsauksessa syntyy lisäksi UV-säteilyä, minkä takia tulee sekä silmät että iho olla suojattuna myös siltä. Iho tuleekin suojata hitsaukseen soveltuvilla ihon peittävillä vaatteilla ja hitsauskäsineillä.
Varmista että kaikki käyttämäsi lasersuojalasit, visiirit, ja suojamaskit ovat:
- CE-merkittyjä (dokumentaatioon sisältyy EU-vaatimustenmukaisuusvakuutus kyseiselle suojaimelle)
- hankittu luotettavalta valmistajalta
- EU-tyyppitarkastettu standardin EN 207 mukaisesti
- kokonaissuodatusaste on riittävä käyttämäsi laitteen tuottamaan säteilyn tehotiheyteen nähden
Lasersuojalasien määrittely
Mitään käsilaserhitsaukseen suunniteltuja suojalaseja tai -maskeja ei ole mitoitettu kestämään suoraa lasersädettä. Tämä tilanne onkin lähes kokonaan estetty suutinkontaktin tunnistuksella. Mutta hitsaajan silmiä kohti saattaa suuntautua hyvin voimakastehoinen heijastuma kappaleen pinnasta, mikäli hitsausprosessi ei toimi oikein. Fokusoitu lasersäde jatkaa matkaansa tietyssä avautumiskulmassa peiliheijastuman jälkeenkin ja sen poikkipinta-ala kasvaa etäisyyden D funktiona. Hitsaajan silmä voi kuitenkin olla hyvinkin pienen etäisyyden (tyypillisesti D=10-30 cm) päässä fokuspisteestä, jolloin silmään osuvan lasersäteen halkaisija on luokkaa 10 mm ja tehotiheys luokkaa 100 MW/m2. Tällöin silmille turvallinen suojaus edellyttää vähintään D LB8 -tason vaimennusta.
D LB7-tason vaimennus riittäisi, mikäli työnantajan laatimassa riskiarviossa todettaisiin esimerkiksi, että:
- Silmäetäisyys ei koskaan voi olla alle 50 cm
- Silmäetäisyys ei koskaan voi olla alle 30 cm eikä lasersäteen heijastuma materiaalista voi koskaan ylittää 35% tasoa
Riskiarvion laatiminen on työnantajan vastuulla, mutta tutkittuun tietoon ja kokemukseen perustuva Ionixin näkemys ja suositus on seuraava:
- 100% heijastuma voidaan sulkea pois, mutta 80 % heijastuma on täysin mahdollinen tiettyjen reunaehtojen täyttyessä
- Silmäetäisyys voi joillain hitsaajilla olla niinkin pieni kuin 10 cm. Matalalla pöydällä optimiasennossa tehtävissä testihitseissä on helppo pitää jopa 50-60 cm silmäetäisyys, mutta todellisia tuotantokappaleita hitsattaessa vastaan tulee ajoittain tilanteita, joissa 10 cm on täysin mahdollinen silmäetäisyys.
On huomioitavaa, että mitään yleispätevää laskelmaa eri valmistajien käsilaserhitsauslaitteille on mahdotonta antaa, koska laitteiden ominaisuudet poikkeavat toisistaan.
Jatkuvaa sädettä tuottavilla käsilaserhitsauslaitteilla käyttäjältä vaadittava silmäsuojaus on tyypillisesti vähintään D LB8 tai D LB9 (EN 207). Työnantajan velvollisuutena on varmistaa aina tarvittava suojaustaso riskianalyysin sekä laskelmien perusteella.
Jos käsilaserlaitteen valmistaja ei ole luotettavasti määritellyt vaadittua silmien ja kasvon suojaukselta vaadittavaa lasersuojausluokitusta EN 207 standardin mukaisesti, ota yhteyttä Ionixin asiantuntijoihin sopivien suojavarusteiden määrittelemiseksi!
Käsilaserhitsauksen suojakoppi
Toisin kuin kiinteissä ja tarkkaan koteloiduissa lasertyöstökoneissa, käsilaserhitsauslaitteen voi hankkia ilman kiinteää suojakoppia. Työnantaja on kuitenkin velvollinen rajaamaan luokan 4 laserlaitteen tuottaman vaara-alueen ja valvomaan sitä. Käsilasertyöstölaitteen suojakopin voi ostaa valmiina CE-hyväksyttynä tuotteena, mutta monet työnantajat ovat päätyneet rakentamaan sen itse tai hyödyntämään tuotannossa olevia erillisiä tiloja. Lasersuojakoppi on koneturvallisuusdirektiivin mukainen turvakomponentti ja suojakopin rakentaja vastaa siitä, että siitä on laadittu vaatimuksenmukainen riskiarvio ja että valitut suojamateriaalit ja muut tekniset ratkaisut täyttävät niille asetetut vaatimukset. Laserin käyttö- ja vaara-alueille johtavat kulkuaukot tulee varustaa turvarajakytkimin ja asianmukaisin varoitusmerkein.
Lasersuojauksessa käytettävien materiaalien tulee kestää riittävän pitkään niihin kohdistuvan lasersäteilyn altistusta. Suojausta suunniteltaessa ensimmäinen tehtävä onkin määrittää mahdollinen suojaan kohdistuva altistus ja sen kesto myös laitteiden vikatilanteissa tai mahdollisissa vahinkotilanteissa. Varsinkin jos laserlaite on mahdollista käynnistää tahattomasti tai esimerkiksi kuidun vaurioituessa laitteella pystyy edelleen tuottamaan lasersäteilyä, voi suojarakenteeseen kohdistua hyvinkin pitkäkestoinen altistus. Tarvittaessa materiaalien suojauskestot on testattava käytännön testein. Esimerkiksi tavallinen hitsausverho ei sovellu lasersuojaukseen ja metallinenkin suojaseinä voi olla liian heikko, jos laserlaitetta käytetään suojaseinän lähellä.
Lasersuojauksen tulee rajata säteily siten, että suojan ulkopuolelle päätyvä lasersäteily on korkeintaan laserluokan 1 tason mukaista. Laserluokan 1 tasoinen säteily ei tuota vaaraa alle 30 000 sekunnin (8h 20 min) altistuksilla. Jos laserhitsaus automatisoidaan voi mahdollinen suojaan kohdistuva säteilyaltistus kasvaa ajallisesti hyvinkin pitkäksi. Tarvittaessa on rakennettava aktiivisuojaus, joka turvateknisin toimin sammuttaa laserlähteen, jos lasersäde kohdistuu suojarakenteen sisäpintaan.
Lasersuojakopit varustetaan usein lasersuojaikkunalla tai kameralla ja näytöllä. Lasersuojaikkuna on työntekijöiden kannalta yleensä mukavampi, sillä siitä näkee molempiin suuntiin. Lasersuojaikkunaa valittaessa tulee olla tarkkaan tiedossa laserlaitteen tuottamat säteilytasot, jotka voivat osua suojaikkunaan. Kiinteiden suojaikkunoiden mitoituksessa käytetään samoja periaatteita kuin henkilökohtaisten silmäsuojaimienkin mitoituksessa, mutta kiinteiden suojaikkunoiden kohdalla sovelletaan osittain eri standardeja.
Muut käsilasertyötilaa koskevat huomiot
Käsilaserkäyttöpaikkaa suunniteltaessa on huomioitava, että käyttöpaikka on myös tulityöpaikka, jota koskee laserturvallisuusvaatimusten lisäksi omat vaatimukset mm. materiaalien paloturvallisuuteen liittyen.
Laserprosesseista syntyy tyypillisesti haitallisia tai vaarallisia huuruja ja kaasuja, sekä etenkin laserpuhdistuksessa usein suuria määriä puhdistuksessa ilmaan singonneiden partikkeleiden muodostamaa pölyä. Huurujen, kaasujen ja pölyn kerääminen ilmasta on tehokkainta kohdepoistolla mahdollisimman lähellä itse prosessia. Työnantajan tulee huolehtia riittävästä ilmanvaihdosta ja -suodatuksista.
Aloita laserturvallisuusprosessi aina riskiarvioinnilla, ja kysy tarvittaessa neuvoa Ionixin asiantuntijoilta!
Käsilaserhitsauslaitteiden turvaominaisuudet
Käsilaserhitsauslaitteiden turvaominaisuuksissa on suuria eroavaisuuksia eri valmistajien välillä, ja seuraavassa on käyty näitä ominaisuuksia tärkeysjärjestyksessä:
Suutinkontaktin tunnistus
Suurimmassa osassa markkinoilla olevia laitteita on suutinkontaktin tunnistus, mikä tarkoittaa sitä, että kuparisen hitsaussuuttimen on koskettava suoraan tai lisäainelangan välityksellä työkappaleeseen, jotta lasersäde syttyy/pysyy päällä. Tällä varmistetaan, että lasersädettä ei voida vahingossa (tai tahallaan) kohdistaa hitsaria itseään tai sivullisia kohti. Lisäainelangalla hitsattaessa avaimenreiästä purkautuva ionisoitunut metallihöyry (plasma) toimii johtimena langan kärjen ja työkappaleen välillä, jolloin poltinta voidaan tarvittaessa hitsaajan toimesta leijuttaa hitsisulan päällä enimmillään noin 2 mm korkeudessa. Tämä mahdollistaa esimerkiksi suurien ilmarakojen hitsaamisen tai suuremman a-mitan hitsaamisen.
Liityntä ulkoiseen turvapiirin
Käsilaserhitsaus on suositeltavaa tehdä suljetussa tilassa (”suojakopissa”), jonka kaikissa ovissa on turvarajakytkimet, jotka havaitsevat oven avautumisen ja avaavat ulkoisen turvapiirin. Ulkoiseen turvapiiriin kytketty käsilaser sammuu tällöin välittömästi ennen kuin ulkopuoliset altistuvat lasersäteilylle. Suurimmassa osassa markkinoilla olevia laitteita on liityntä ulkoiseen turvapiiriin, mutta kaikkien laitteiden osalta ei ole varmuutta onko liityntä turvahyväksytty, eli käytännössä kahdennettu.
Plasmamonitorointi
Toimivassa käsilaserhitsausprosessissa syntyy hitsisulaan avaimenreikä, josta purkautuu ionisoitunutta metallihöyryä, plasmaa, joka hehkuu kirkasta valkoista valoa hitsausvalokaaren tapaan. Mikäli lasersäde ei kykene syystä tai toisesta synnyttämään avaimenreikää, voidaan lasersäteen olettaa heijastuvan ympäristöön. Syitä avaimenreiän syntymättömyyteen voi olla esim. väärä polttimen asento, likainen polttimen suojaikkuna tai väärät hitsausparametrit.
IPG LightWELD-käsihitsauslasereissa on markkinoiden ainoana laitteena plasmatunnistus, joka sammuttaa lasersäteen, mikäli polttimen sisäinen tunnistin ei havaitse plasmaa lasersäteen ollessa päällä. Tämä vähentää hitsaajaa ja ympäristöä kohti suuntautuvien heijastumien määrää merkittävästi.
Kahden liipaisimen käynnistys
On mahdollista kuvitella tilanne, jossa käsilaserhitsauspoltin lepää hitsauspöydällä ja hitsarin tarttuessa siihen hän painaa vahingossa liipaisinta samalla kun polttimen kärki osuu pöytään. Tällöin lasersäde käynnistyy ja saattaa osua hitsariin itseensä tai muihin henkilöihin. Edellä kuvatun tilanten kaltaisten tilanteiden estämiseksi IPG LightWELD-käsilaserhitsauslaitteen polttimessa on kaksi liipaisinta, joista liipaisimen 1 painamisen jälkeen on odotettava vähintään 0,5 sekuntia ennen liipaisimen 2 painamista, jotta lasersäde käynnistyy. LightWELD on tällä hetkellä markkinoiden ainoa kahden liipaisimen käynnistyksellä toimiva käsilaserhitsauslaite.
Kuidun turvapiiri
Kuidun turvapiiri varmistaa, että kuitu on ehjä ja kytketty polttimeen asianmukaisesti. Kuidun rikkoutuessa tai irrotessa polttimesta turvapiiri avautuu ja laser sammuu välittömästi.
Polttimen merkkivalot
Määräysten mukaan käsilaserhitsauslaitteessa tulisi olla käyttäjän näkökentässä lasersuojalasien läpi havaittava merkkivalo, joka ilmoittaa laserin valmiustilasta sekä lasersäteen päällä olosta. Tämänkin ominaisuuden osalta LightWELD-laitteet näyttävät esimerkkiä kilpailijoille, joissa vasta muutama on varustettu kyseisillä merkkivaloilla.
Avainkytkin
Laseryksikössä oleva avainkytkin estää käsilaserin luvattoman käytön henkilöiltä, joilla ei ole laitteen käyttöön vaadittavaa koulutusta. On erittäin suositeltavaa, että laserhitsaaja ottaa avaimen mukaansa aina poistuessaan lasertyöpisteeltä, koska käsilaserit herättävät paljon kiinnostusta ja uteliaat kollegat saattavat tietämättään altistaa itsensä haitalliselle lasersäteilylle.
Käsilaserien turvallisuuskoulutus
Luokan 4 laserlaitetta (kuten käsilaserhitsauslaitetta) saa käyttää vain nimetyt ja asianmukaisesti koulutetut henkilöt. Henkilöiltä vaaditaan hyvää ymmärrystä lasersäteen vaaroista sekä laitteen ja suojavarusteiden turvallisesta käytöstä. Lisäksi käsilaserhitsaajan tulee ymmärtää laserhitsausprosessin perusteet.
Turvallisuuskoulutus tulee uusia säännöllisesti ja huolehtia etenkin uusien työntekijöiden koulutuksista. Käsilaserlaitetta hankittaessa on syytä varmistaa, että toimittaja kykenee antamaan laadukkaan ja asiantuntevan koulutuksen henkilöstölle. On lisäksi suositeltavaa, että laserturvallisuuskouluttaja on suorittanut Laser Safety Officer (LSO) koulutuksen. Ionixin asiantuntijat ovat LSO-koulutettuja ja kokeneita asiantuntijoita laserturvallisuudessa. Ota yhteyttä Ionixin asiantuntijoihin laserturvallisuutesi varmistamiseksi.
Käsilaserien huolto ja kunnossapito
Käsilaserhitsauslaitteet vaativat tyypillisesti hyvin vähän huolto- ja kunnossapitotoimenpiteitä. Vesijäähdytetyt laitteet vaativat jäähdytysnesteen lisäämistä/vaihtamista tarvittaessa, mutta ilmajäähdytetyissä laitteissa tätä tarvetta ei ole.
Yleisin ja tärkein kunnossapitotoimenpide käsihitsauslaserlaitteille on polttimen suojaikkunan tarkistus hitsaajan toimesta. Suositus on tehdä tarkistus jokaisen työvuoron alussa, mutta mikäli hitsauksessa esiintyy voimakasta roiskeisuutta (esim. kuumasinkityt ohutlevyt tai öljyiset railopinnat), on tarkistus syytä tehdä useammin. Yleisesti, mikäli hitsin tunkeuma jää totuttua pienemmäksi, on syynä hyvin usein likaantunut suojaikkuna. Mikäli hitsaaja havaitsee suojaikkunan olevan likainen, voi hän vaihtaa sen uuteen itse. Suojaikkunat ovat kulutustavaraa ja maksavat luokkaa 10 €/kpl.
Toinen käsilaserhitsauksen kulutusosa on kuparinen hitsaussuutin. Hitsaussuuttimeen kohdistuu mekaanista kulutusta lisäaineettomassa laserhitsauksessa, kun suutinta pitää laahata työkappaleen pintaa pitkin turvapiirin sulkemiseksi. Lisäaineellisessa laserhitsauksessa työkappaleeseen osuu lisäainelanka hitsaussuuttimen sijaan, joten tällöin hitsaussuutin ei juurikaan kulu. Hitsaussuuttimelle on vaikea antaa kestoikä-arviota, koska se riippuu hyvin paljon liitosmuodosta ja hitsaajasta. Mutta karkea arvio vaihtovälille on 50-200 tuntia (hitsaus käynnissä). Usein hitsaussuutin menee vaihtoon siksi, että se on suuttimen tyyppiä vaihdettaessa pudonnut lattialle ja sen kierteet ovat menneet rikki.
Käsilaserpinnoitus
Käsilaserhitsauslaitteilla voidaan tehdä myös laserpinnoitusta. Käsilaserpinnoituksessa pinnoitelanka sulatetaan perusaineen pinnalle ja laserparametrit säädetään niin että lasersäde tunkeutuu mahdollisimman vähän perusaineeseen. Pinnoite voi olla korroosionkestävää tai kulutuskestävää, tai pinnoitusta voidaan käyttää suurien kappaleiden korjaamiseen.
Käsilaserpinnoituksen etuna on pieni lämmöntuonti perusaineeseen. Lisäksi laitteisto on pienikokoinen ja tarvittaessa siirrettävissä pinnoituskohteen luo (korjauspinnoitus). Käsilaserpinnoituksen rajoitteena on suhteellisen pieni pinnoitusteho ja käsityön tarve, mikä rajoittaa pinnoitettavien pinta-alojen kokoa.
Käsilaserhitsausinvestointi
Käsilaserhitsauslaitteen hankintaa suunnitteleva yritys joutuu tekemään valinnan kymmenien valmistajien välillä. Laitteen hinta on tietysti tärkeä tekijä, mutta etenkin hankittaessa yrityksen ensimmäistä käsilaserhitsauslaitetta, on syytä ottaa huomioon myös uuden teknologian turvallisen käyttöönottoon kuluvat omat resurssit sekä muut kustannukset.
Käsilaserien hinnat vaihtelevat suuresti riippuen laitteiden laadusta ja turva- ja muista ominaisuuksista. Ja tietysti myös laitteiston ja sen ydinkomponenttien valmistusmaalla on suuri vaikutus hintaan. Lisäksi on oleellista keskittyä lasertehon sijaan eri laitteilla saavutettavissa olevaan tunkeumaan, sillä laserteho ja tunkeuma eivät aina kulje käsi kädessä.
Suuri osa Euroopan ja Suomen markkinoilla olevista käsilasereista ovat kiinalaisia. Osa esittää olevansa eurooppalaisia, mutta todellisuudessa laitteet on suunniteltu ja valmistettu Kiinassa viimeistä komponenttia myöten, jonka jälkeen päälle on liimattu maahantuojan tarrat.
Kiinalaisten laitteiden etuna on niiden halpa hinta, mutta haittapuolena etenkin kaikkein halvimpien laitteiden kohdalla on heikon laadun ja puutteellisten turvaominaisuuksien lisäksi epävarmuus varaosien ja huollon saatavuudesta. Valmistajia on Kiinassa sadoittain ja kilpailu on kovaa, minkä seurauksena valmistajia kaatuu ja uusia syntyy tasaiseen tahtiin. Lisäksi joillekin suomalaisille yrityksille on luontevampaa tukea eurooppalaista valmistusta ja välttää autoritäärisen Kiinan teollisuuden tukemista, jos vaan eurooppalainen vaihtoehto on olemassa.
Euroopassa on muutamia valmistajia, jotka hankkivat käsilaserin ydinkomponentit, kuten lasertehomoduulin, jäähdyttimen, kuidun ja polttimen Kiinasta, mutta rakentavat näiden päälle oman ohjauksen. Poikkeus tähän on saksalainen IPG Laser GmbH, joka hyödyntää 1990-luvun alkuun ulottuvaa teollisten kuitulaserien valmistusosaamistaan myös käsilaserhitsauslaitteissaan. IPG valmistaa itse Saksassa tai Yhdysvalloissa kaikki LightWELD-käsilaseriensa ydinkomponentit, kuten diodit, kuitulaserresonaattorin sekä hitsauspolttimen, joten sen on helppo seisoa laitteidensa laadun takana. Kiinassa valmistetun IPG-laserin hinta olisi varmasti hieman pienempi, mutta pitkälle kehitetyn valmistusprosessin ansiosta myös Saksassa kyetään tekemään käsilasereita yllättävänkin kilpailukykyiseen hintaan.
Käsilaserin ostajan muistilista
Käsilaserhitsausinvestointia suunniteltaessa on hyvä ottaa huomioon ainakin seuraavat asiat:
- Täyttääkö hankittava käsilaser kaikki asetusten vaatimukset ja voiko tältä osin laitteeseen kohdistua myöhemmin lisäkuluja? CE-kirjainyhdistelmä konekilvessä ei tarkoita mitään – laitteen dokumentaatiosta pitää löytyä EU-vaatimustenmukaisuusvakuutus juuri kyseiselle laitetyypille.
- Onko laitteessa kaikki tarvittavat turvatoiminnot, joilla havaitaan ja estetään mahdollinen väärinkäyttö ja laitteistoon itseensä tai ympäristöön kohdistuvat omaisuusvahingot?
- Sisältyykö laitteen hintaan tarvittavat suojavälineet vai koituuko niistä lisäkuluja?
- Onko laite liitettävissä ulkoiseen turvapiiriin määräysten mukaisesti (redundantisti) vai koituuko tästä lisäkuluja?
- Onko toimittajalla osaamista auttaa esimerkiksi riskianalyysin toteuttamisessa, määräysten mukaisen lasertyötilan toteuttamisessa, laitteiston turvallisessa käytössä ja laserhitsausteknisissä haasteissa ja kehitystyössä laitteiston elinkaaren aikana vai joudutaanko nämä palvelut hankkimaan ulkopuoliselta konsultilta?
Päivitetty 16.6.2025
Lisätietoja
Ionix Oy:n avainhenkilöillä on kokemusta vuodesta 2006 alkaen erilaisten laserhitsauslaitteistojen suunnittelusta ja toteuttamisesta tehokkaasti ja turvallisesti. Ota meihin yhteyttä, jos laserhitsaus kiinnostaa – käsin tai robotilla!
Olemme edustaneet vuodesta 2023 alkaen saksalaisen IPG Laser GmbH:n valmistamia LightWELD-käsihitsauslasereita Suomessa, mutta toimitamme erilaisia käsilaserhitsaukseen liittyviä asiantuntijapalveluita myös kiinalaisia laitteita hankkineille yrityksille.
