Lavorazioni industriali mediante laser di potenza Fonti Capello

Lavorazioni industriali mediante laser di potenza Fonti: Capello E. , Le lavorazioni industriali mediante laser di potenza Maggioli editore, 2008

Lavorazioni industriali mediante laser di potenza Il laser Le sorgenti laser Interazione laser-materia Applicazioni

Il laser 3/103 LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione di luce attraverso l'emissione stimolata di radiazione) Un fascio laser è costituito da onde elettromagnetiche di un’unica frequenza e di un’unica fase e possiede una divergenza limitata Nel settore delle lavorazioni industriali si usa il fascio laser come sistema per trasmettere energia dalla sorgente sul pezzo in lavorazione, causando un incremento di temperatura dello stesso (più o meno consistente) processi termici Vantaggi: velocità e qualità Svantaggi: tecnologia costosa, bassa efficienza Applicazioni industriali: taglio, saldatura, trattamento termico, marcatura, microforatura, riporto Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Componenti di un sistema laser industriale Sorgente laser Unità frigorifera Sistema di trasporto del fascio Sistema di focalizzazione Sistema di movimentazione Fondamenti di Tecnologia Meccanica 4/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Generalità 5/103 Fascio laser: onda elettromagnetica Onde elettromagnetiche: onde energetiche in cui l’energia trasportata è ripartita in modo uguale tra E e B, che variano nel tempo e nello spazio con legge sinusoidale Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Generalità Fondamenti di Tecnologia Meccanica 6/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser I fotoni 7/103 Radiazioni elettromagnetiche, natura duale: Onde elettromagnetiche (frequenza, fase, ampiezza) Fotoni (frequenza, fase, flusso di fotoni) Energia associata ad un fotone energia quantizzata Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Proprietà del fascio laser 8/103 Monocromaticità: onde elettromagnetiche hanno la stessa lunghezza d’onda Unica fase: onde elettromagnetiche hanno la stessa fase Bassa divergenza: il fascio ha una divergenza limitata (pochi mrad) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Proprietà del fascio laser 9/103 Caratteristiche derivanti dalle precedenti: Elevata focalizzabilità: possibilità di ridurre la dimensione trasversale del fascio nella zona del fuoco (monocromaticità e bassa divergenza) Elevata efficienza dell’interazione lasermateria: grande ↑T collegato all’oscillazione degli atomi (tutte “forzanti” della stessa frequenza e fase) Energia “trasportabile” (bassa divergenza) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Il fascio laser 10/103 Meccanismi su cui si basa la generazione del fascio: Emissione stimolata Inversione di popolazione Risonanza ottica Caratteristiche del fascio generato: Caratteristiche energetiche Profilo spaziale Diametro del fascio Profilo temporale Geometria di un fascio laser e sua divergenza Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Emissione stimolata Assorbimento Emissione spontanea Emissione stimolata 2 fotoni con stessa direzione, frequenza e fase (fotone incidente) Fondamenti di Tecnologia Meccanica 11/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Inversione di popolazione 12/103 Se prevale assorbimento smorzamento Se prevale emissione stimolata amplificazione Perché prevalga l’emissione stimolata occorre inversione di popolazione che si ottiene nei gas con eccitazione elettronica e nei solidi con pompaggio ottico. Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Risonanza ottica M. A. collocato tra due specchi la cui distanza è pari ad un multiplo della lunghezza d’onda cavità risonante amplificazione Emissioni in direzioni differenti da quella normale agli specchi vengono smorzate Specchi: Uno riflettente e uno semiriflettente per “spillare” fotoni dalla cavità e ottenere il fascio vero e proprio Concavità verso il mezzo attivo Progettati in modo da avere un fascio con le caratteristiche desiderate Fondamenti di Tecnologia Meccanica 13/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Efficienza globale 14/103 η = 2 -20% (difficilmente > 10%) Dal punto di vista energetico il laser è un sistema inefficiente (maggior parte di energia elettrica assorbita è trasformata in calore occorre chiller) Efficienza quantica È una quota dell’efficienza ηL (ηQ > ηL) È legata allo schema energetico del M. A. Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Caratteristiche energetiche 15/103 Il fascio generato dalla sorgente possiede una potenza P Energia trasportata dal fascio nel tempo τ Fluenza F (J/m 2) S: area della sezione trasversale del fascio Irradianza I , o densità di potenza, o irradiamento (W/cm 2) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Profilo temporale 16/103 Profilo temporale: modalità con cui la potenza del fascio viene generata nel tempo Regime continuo (Continuous Wave, CW) Regime impulsato (Pulsed Wave, PW) potenze di picco elevate Caratteristiche degli impulsi: Durata Potenza istantanea Frequenza di ripetizione Potenza di picco Potenza media Energia dell’impulso Potenza media degli impulsi Duty cycle Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Profilo temporale 17/103 Regime impulsato si usa quando si deve contenere il danneggiamento termico del materiale; ottenuto mediante: Eccitazione impulsata del mezzo attivo τH = 10 -4 secondi (es. lampade flash) Q-switch τH = 10 -9 secondi Specchio riflettente rotante Mode locking τH = 10 -14 secondi Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Il laser Geometria di un fascio laser e sua divergenza 18/103 Geometria convergente-divergente Fuoco del fascio: punto di minimo diametro (in d 0; solitamente d 0 cade all’interno della sorgente) Collo del fascio: zona a cavallo di d 0 Nella zona lontana dal collo: geometria conica, angolo al vertice θ con k > 0 (k dipende dal profilo spaziale) è un parametro caratteristico del fascio Divergenza del fascio: angolo θ (dipende da fattori costruttivi della sorgente, è dell’ordine di mrad) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser 19/103 Mezzo attivo può trovarsi allo stato gassoso, liquido o solido (sorgente a gas, allo stato liquido, allo stato solido) Interesse industriale: Sorgenti a gas CO 2 Sorgenti allo stato solido Nd: YAG Diodi laser Yb: vetro in fibra Yb: YAG a disco Fondamenti di Tecnologia Meccanica sorgenti innovative Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser CO 2 20/103 Sorgenti più diffuse nelle applicazioni industriali del settore meccanico P = pochi W – oltre 40 k. W (tipicamente 2. 5 k. W) M. A. : CO 2 Pompaggio: corrente elettrica Nella cavità risonante anche N 2: preleva energia dal flusso di elettroni e la trasferisce alle molecole di CO 2 He: favorisce la dissipazione termica (mobilità per piccole dimensioni) CO 2 : N 2 : He = 10 : 45 Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser CO 2 Lunghezza d’onda della radiazione Efficienza quantica 21/103 (molto bassa) Efficienza globale Limite sulla P è legato alle capacità di smaltimento del calore ↑T la miscela si deteriora ↓η Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser CO 2 Sorgente: tubo di vetro con miscela di gas e due elettrodi Due soluzioni costruttive: Elettrodi agli estremi del tubo Circuito alimentato in DC Campo elettrico molto elevato Elettrodi a fianco del tubo Tensione alternata in RF 22/103 Sorgenti commerciali: Sigillate Piccole e compatte Raffreddamento per convezione naturale Pmax limitata P = 15 -200 W (ma accoppiando sorgenti fino a 500 W) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser CO 2 23/103 A flusso assiale A flusso lento vgas = 1 m/s 60 -80 W per m di sorgente P maggiori ripiegando la cavità Pmax = 1. 5 k. W A flusso veloce vgas = 200 m/s 800 W per m di sorgente Pmax = 20 k. W (più diffusa 2. 5 k. W) Distribuzione di densità della potenza prossima alla gaussiana Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser CO 2 A flusso trasversale 24/103 Turbina Scambiatore Pompaggio RF Pmax = decine di k. W Bassa qualità del fascio (5 ≤ M 2 ≤ 15) Capillari Cavità parallelepipeda (slab) Facce più grandi: elettrodi in rame raffreddati Raffreddamento miscela per convezione naturale Pompaggio DC Pmax = 6 k. W Fascio migliorato all’uscita dalla cavità Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser Nd: YAG 25/103 Sorgenti allo stato solido più diffuse nelle applicazioni industriali Regime impulsato o continuo P = pochi W – 6 k. W (tipicamente 500 W in PW e 1 k. W in CW) M. A. : Nd: YAG (neodimio in granato di ittrio e alluminio) ioni di neodimio (Nd 3+) ospitati in cristalli di YAG (cristallo sintetico di granato di ittrio e alluminio, Y 3 Al 5 O 12) Pompaggio: ottico Lampade al W (CW), Kr o Xe (PW) pompaggio tradizionale, non monocromatiche, fanno raggiungere un livello energetico “medio” Diodi laser pompaggio efficiente, flusso di fotoni attraversa assialmente il M. A. Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser Nd: YAG 26/103 Lunghezza d’onda della radiazione (vicino IR) Efficienza quantica (piuttosto elevata) Efficienza globale p. con lampade p. con diodi laser Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser Nd: YAG 27/103 Sorgenti commerciali: A barrette M. A. : barrette Nd: YAG Sezione a doppia ellissi Dentro la camera fluido di raffreddamento Possibile aumentare la P con più barrette in serie Capillari M. A. : fetta di Nd: YAG Lampade illuminano le superfici ampie Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser a diodi 28/103 Sorgenti recentemente adottate nelle lavorazioni dei materiali P = fino a 6 k. W M. A. : giunzione p-n di un semiconduttore (es. As. Ga, arseniuro di gallio) Pompaggio: diretto mediante polarizzazione della giunzione Funzionamento: atomo reticolo cristallino livelli energetici bande energetiche Semiconduttori: banda di valenza e banda di conduzione parzialmente piene (bassa energia di gap) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser a diodi 29/103 Semiconduttori di tipo n: drogaggio con ione negativo (dona elettroni alla banda di conduzione) Semiconduttori di tipo p: drogaggio con ione positivo (accetta elettroni dalla banda di valenza) Affiancando i due tipi di semiconduttori si ottiene una giunzione p-n (bande energetiche si dispongono in una zona di transizione) Applicando una differenza di potenziale alla giunzione il passaggio di un elettrone causa la cessione di un fotone Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser a diodi 30/103 Lunghezza d’onda della radiazione (variabile in funzione della temperatura) (vicino IR, al limite del VIS) Efficienza quantica Efficienza globale Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Laser a diodi 31/103 Sorgenti commerciali: Stack di diodi Linea di emissione laser in ogni giunzione Generalmente 2 o 3 stack di diodi Accoppiamento ottico ottenuto con particolari specchi Fascio rettangolare Caratteristiche della sorgente laser a diodi Ridotta dimensione della sorgente automazione Non è possibile focalizzare il fascio su una piccola area applicazioni limitate Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Yb: vetro in fibra 32/103 Sorgenti messe a punto recentemente M. A. : fibra ottica drogata con Yb (itterbio) itterbio ospitato in vetro (in % decisamente superiore rispetto a Nd: YAG, maggiore potenza) Pompaggio: ottico mediante diodi laser radiazione inviata sul rivestimento della fibra λ = 1. 08 μm η ≈ 20% Cavità risonante è la fibra stessa il fascio nasce nella fibra Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Yb: vetro in fibra 33/103 Diametro della fibra può essere molto piccolo elevata densità di potenza Distribuzione gaussiana Sorgente estremamente compatta Raffreddata per convezione con aria P fino a 300 W con più moduli in parallelo P fino a 10 k. W con più moduli peggiora la qualità del fascio Sorgenti affidabili Maggiori costi di investimento, minori costi d’esercizio Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Le sorgenti laser Yb: YAG a disco 34/103 M. A. : Yb: YAG (itterbio in un disco di YAG) Pompaggio: ottico mediante diodi laser λ = 1. 08 μm Configurazione a disco migliore scambio termico Buona qualità del fascio P fino a 3 k. W Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

I sistemi di trasporto del fascio 35/103 Sistemi ottici per condurre il fascio dalla sorgente al pezzo in lavorazione Tipologie: Catena ottica (specchi) Fibra ottica (guida d’onda) Garantisce la presenza dei g. d. l. del fascio (6 5 oppure 2 -3; meno se qualche g. d. l. al pezzo; 0 se si muove solo il pezzo) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

I sistemi di trasporto del fascio Catena ottica mediante specchi 36/103 Semplice, può essere adottata con tutte le sorgenti e con qualsiasi profilo temporale Realizzati in rame, ricoperti con materiale altamente riflettente Raffreddamento per convezione naturale o a liquido Spostamenti: traslazione e rotazione (più critica giunto di rotazione) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

I sistemi di focalizzazione del fascio 37/103 Sistemi per focalizzare il fascio nella zona di lavorazione Focalizzazione Per trasmissione, con lente (piano convesse o a menisco) Per riflessione, con specchio concavo (parabolici o sferici) – per potenze elevate Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

I sistemi di focalizzazione del fascio Lenti e specchi Lunghezza focale f: distanza dal piano della lente, o dall’asse del fascio incidente nel caso di specchi, a cui cade il fuoco del fascio, quando i raggi del fascio incidente sono paralleli all’asse del fascio stesso, cioè quando la sorgente è posta ad una distanza infinita Poiché la sorgente è a distanza finita, il fuoco si allontana ad una distanza z 0 dalla lente e si ha z 0 > f f tipica: 63, 127 o 150 mm per lenti 200 o 300 mm per specchi Fondamenti di Tecnologia Meccanica 38/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Spot I sistemi di focalizzazione del fascio Superficie data dall’intersezione del fascio con la superficie in lavorazione Il diametro ds dello spot dipende dalla distanza hf (altezza del fuoco) rispetto alla superficie Se la superficie è nel fuoco del fascio si parla di spot focale ed è negli altri casi Fondamenti di Tecnologia Meccanica 39/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Interazione laser-materia 40/103 Bilancio energetico istantaneo Coefficiente di riflessione Coefficiente di assorbimento Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Interazione laser-materia Assorbimento Superficie reale con asperità riflessione non speculare A, R = f (λ, angolo di incidenza, materiale, stato, finitura, ecc. ) In funzione della lunghezza d’onda: 41/103 λ = 10. 6 μm (CO 2) Metalli A ≈ 2% Non metallici A ≈ 1 λ = 1. 064 μm (Nd: YAG) Metalli A ≈ 5% Non metallici A ≈ 1% Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Interazione laser-materia Assorbimento In funzione del materiale: In funzione dello stato del materiale: 42/103 incremento di A indipendente da λ Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Interazione laser-materia Classificazione delle lavorazioni laser Fondamenti di Tecnologia Meccanica 43/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio 44/103 È la più diffusa applicazione industriale del laser Componenti di qualsivoglia geometria Caratteristiche: Ottima qualità del lembo Elevata velocità Ripetibilità Meccanismi di taglio Fusione Vaporizzazione Degradazione chimica Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Testa per il taglio 45/103 Sistema di focalizzazione: lente (barriera) Svantaggio principale è il rischio di danneggiamento Lunghezza focale 63 -178 mm Ugello: foro cilindrico Diametro 0. 5 -2 mm per metalli Diametro 1 -3 mm per non metalli Distanza 1 mm dal materiale Gas d’assistenza a 2 -20 bar deve: Allontanare il fuso dal solco di taglio Fornire energia Proteggere la lente Raffreddare zona adiacente Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Aspetti energetici 46/103 Processo termico volume rimosso proporzionale all’energia fornita costante indipendente dai parametri di processo Importante ridurre l’ampiezza del solco per taglio è necessario: Spot focale piccolo Distribuzione di irradianza concentrata sull’asse Fondamenti di Tecnologia Meccanica gaussiana Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio per fusione 47/103 Separazione ottenuta tramite la fusione del materiale ad opera del fascio laser e l’allontanamento del materiale fuso mediante il gas d’assistenza Taglio con gas inerte (o per fusione pura) con N 2 (meno costoso ma possibilità di contaminazione) Ar, He striature dovute all’inclinazione della parte frontale del solco situazione ideale situazione reale Acciaio inox, spessore 7 mm, N 2 Fondamenti di Tecnologia Meccanica schermatura del fascio da parte del materiale fuso Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio per fusione 48/103 Taglio assistito ossigeno gas reattivo (O 2 o miscela di O 2) reazione di ossidazione (esotermica) Ruolo del fascio laser: Fusione del materiale Innesco della reazione di ossidazione P/l ossidazione ≈ P/l laser come se la P laser fosse doppia Taglio assistito ossigeno efficace se: Reazione di ossidazione fortemente esotermica Ossido ha un basso punto di fusione Ossido formato è permeabile all’ossigeno Ossido presenta una bassa viscosità Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio per fusione 49/103 Lembi fortemente ossidati e striati striature dovute alla periodicità dell’innesco della reazione di ossidazione Acciaio a basso tenore di C, spessore 7 mm, O 2 Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio per vaporizzazione e degradazione chimica 50/103 Taglio per vaporizzazione possibile solo se Fascio con elevata irradianza Materiale con temperatura di vaporizzazione bassa Buona qualità del solco, assenza di bava (a differenza di taglio per fusione) Taglio per degradazione chimica per materiali organici (polimeri, legno, pellami) rottura dei legami chimici Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Sorgenti per il taglio 51/103 Si usa CO 2 e Nd: YAG Per il taglio di metalli CO 2 CW anche per spessori elevati Per alluminio o spessori contenuti Nd: YAG CW o PW Materiali non metallici: CO 2 sigillate (max 500 W), flusso assiale lento o veloce (max 2 k. W); se occorre potenza maggiore si usano sorgenti capillari (fino a 4. 5 k. W) Materiali non metallici: raramente si usa Nd: YAG (scarso assorbimento) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Parametri di processo Velocità di avanzamento Potenza e densità di potenza Altezza del fuoco Diametro e posizione dell’ugello Portata, pressione e purezza del gas 52/103 taglio assistito ossigeno Fondamenti di Tecnologia Meccanica taglio con gas inerte e per vaporizzazione Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Zone critiche per la qualità del taglio 53/103 Spigoli Punto di inizio e termine Bordo quando il taglio termina al di fuori del pezzo Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Materiali metallici 54/103 Acciaio: si taglia bene sia con gas inerte che reattivo A basso tenore di C: taglio con O 2 a velocità elevata Ad alto tenore di C e legati: possono presentare problemi nella ZTA Inox: sia con gas inerte, sia con O 2 sfruttando l’ossidazione di ferro e cromo (però strato ossidato ricco in cromo e zona adiacente impoverita) Alluminio e sue leghe: basso coefficiente di assorbimento alla radiazione laser ed elevata conduttività termica difficile taglio laser; occorrono fasci laser di elevata qualità (preferibilmente PW) e spessori limitati; generalmente si usa O 2 (anche se T fusione di Al 2 O 3 è 2010°C); se anodizzato migliora la lavorazione (elevato coefficiente di assorbimento dell’ossido) Titanio e sue leghe: si taglia bene sia con gas inerte che ossigeno (più raro perché l’ossidazione è violenta eventualmente si usa aria) Nichel e sue leghe: non presentano problemi sia con gas inerte che ossigeno (se applicazione aerospaziale meglio inerte, migliore ZTA) Rame e sue leghe: stessi problemi dell’alluminio; si possono tagliare solo spessori ridotti, con fasci di elevata qualità, attraverso il meccanismo dell’ossidazione Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Materiali non metallici 55/103 Polimeri: si prestano bene al taglio laser; rischio di fiamma e fumi tossici Legno: si presta bene al taglio laser; meccanismo prevalente degradazione chimica; gas d’assistenza aria Vetro e ceramica: laser impulsato, fori molto vicini tra loro frattura fragile controllata Materiali compositi: A matrice polimerica: tagliati laser solo se le caratteristiche termo-fisiche delle fibre sono vicine a quelle della matrice A matrice metallica: il taglio non presenta particolari problemi (se non quelli dell’alluminio che costituisce la matrice) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Taglio Vantaggi e svantaggi 56/103 Vantaggi Processo estremamente rapido Solco di taglio stretto Qualità elevata Processo facilmente automatizzabile Assenza di forze Assenza di usura Taglio omnidirezionale Processo silenzioso Svantaggi Costo del sistema Limite negli spessori tagliabili Processo termico Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura 57/103 Caratteristiche: Elevata affidabilità Ottima qualità Meccanismi di saldatura Conduzione (o fusione) Profonda penetrazione (o vaporizzazione o in keyhole) Aspetti energetici Non è fondamentale un’elevata focalizzazione (anzi può essere controproducente); spesso si preferisce M 2 elevato Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Testa per la saldatura 58/103 Sistema di focalizzazione: lente o specchio (per elevate potenze) Non è presente l’ugello, ma è comunque presente un gas assistenza (1 -5 bar) che deve: Sostituirsi all’atmosfera Allontanare il plasma Proteggere il sistema di focalizzazione Influenzare la chimica del bagno Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura per conduzione 59/103 Si instaura quando la densità di potenza è limitata (vaporizzazione pressoché inesistente) Modalità di saldatura analoga a quella tradizionale Geometria del cordone semicircolare, rapporto di forma 1 Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura per profonda penetrazione 60/103 Si ha quando la densità di potenza è sufficientemente alta da vaporizzare il materiale Formazione del keyhole diametro decimi di mm, lunghezza pari allo spessore da saldare Rapporto di forma > 1: 1 (fino a 10: 1) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Passaggio da un meccanismo all’altro Vaporizzazione è un meccanismo a soglia anche il passaggio tra conduzione e keyhole non avviene continuità Soglia di irradianza: 106 W/cm 2 per gli acciai La soglia è indipendente dalla velocità di saldatura La velocità di saldatura influenza la geometria del cordone Conduzione: luce giallo-rossa Profonda penetrazione: luce bianco-blu (plasma); sibilo del vapore che fuoriesce Fondamenti di Tecnologia Meccanica 61/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Geometrie di saldatura 62/103 Il laser consente di saldare “per trasparenza” Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Sorgenti per la saldatura 63/103 Sorgenti CO 2 Saldature in keyhole su carpenteria medio-leggera geometria del cordone “a chiodo” Sorgenti Nd: YAG Spot focale piccolo saldatura di oggetti piccoli Sorgenti a diodi Non sono attualmente in grado di generare una densità di potenza sufficiente per innescare il keyhole saldatura per conduzione di piccoli spessori; sorgente idonea per la saldatura di polimeri Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Parametri di processo Velocità di saldatura Irradianza Altezza del fuoco Fondamenti di Tecnologia Meccanica 64/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Parametri di processo Tipo e portata del gas di copertura Materiale d’apporto Fondamenti di Tecnologia Meccanica 65/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Fattori critici per la qualità della saldatura Accostamento dei lembi Punto di inizio Punto di fine Deformazione del componente Fondamenti di Tecnologia Meccanica 66/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Materiali metallici 67/103 Acciaio: A basso tenore di C: facilmente saldabile per conduzione e keyhole Ad alto tenore di C: si possono generare strutture martensitiche fragili Inox: austenitici facilmente saldabili, ferritici e martensitici minore saldabilità Alluminio e sue leghe: basso coefficiente di assorbimento ed elevata conduttività termica difficile saldatura laser; almeno 1 k. W per innescare la fusione; se anodizzato migliora la lavorazione (ma l’ossigeno può portare a porosità); drop-out Titanio e sue leghe: facile da saldare laser; problema dell’ossigeno dell’aria che infragilisce il cordone (occorre coprire il cordone) Nichel e sue leghe: ben saldabile con il laser Rame e sue leghe: stessi problemi dell’alluminio; non si presta alla saldatura laser Saldatura di materiali dissimili: solitamente problematica per la formazione di composti intermetallici duri e fragili, migliorata con il laser agendo sul fascio Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Materiali non metallici 68/103 Polimeri: solo termoplastici (fusione) Saldatura di testa Saldatura per sovrapposizione: uno dei due materiali otticamente trasparente Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Saldatura Vantaggi e svantaggi 69/103 Vantaggi Elevata produttività Limitate distorsioni termiche Limitata alterazione termica Assenza di cianfrino Assenza di materiale d’apporto Facilità di accesso Possibilità di ottenere saldature “estetiche” Saldature keyhole: Elevata ripetibilità Elevata qualità del cordone Svantaggi Costo del sistema Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico 70/103 Impartisce un ciclo termico al materiale prossimo alla superficie del pezzo, al fine di migliorarne le proprietà Applicazione di maggior interesse industriale: tempra superficiale di acciai No fusione: Spot grande Irradianza uniforme Due possibilità: Tempra con fascio in movimento Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico La tempra 71/103 Ciclo termico che permette in un acciaio di trasformare i costituenti strutturali in martensite Curve di trasformazione CCC permettono di stabilire le trasformazioni dell’austenite a partire da A 3 fino a temperatura ambiente L’applicazione di una traiettoria di raffreddamento alle curve CCC consente di ricavare la struttura dell’acciaio a fine trattamento Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico La tempra laser 72/103 Riscaldamento laser, raffreddamento conduzione Laser velocità di riscaldamento e raffreddamento estremamente elevata Taus aumenta all’aumentare della velocità di riscaldamento rapido riscaldamento riduce lo spessore temprato Per ottenere una tempra superficiale laser occorre che siano verificate le seguenti condizioni: Trasformazione in austenite dello spessore h Trasformazione in martensite dello spessore h Evitare la fusione in superficie Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico Testa per il trattamento termico diversa da taglio e saldatura Occorre distribuzione di irradianza uniforme se non lo è si usa integratore del fascio L’integratore consente anche di variare la geometria dello spot Fondamenti di Tecnologia Meccanica 73/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico Sorgenti per il trattamento termico 74/103 Sorgenti CO 2 Scarso coefficiente di assorbimento dei metalli alla radiazione con λ = 10. 6 μm pretrattamento della superficie, anche per uniformare l’assorbimento Fostatazione Grafitizzazione Sorgenti Nd: YAG Migliore assorbimento rispetto a CO 2; occorre valutare se non convenga usare direttamente diodi (che spesso pompano Nd: YAG); vantaggioso per componenti con diversa geometria, usando lo spot “integrale” Sorgenti a diodi Particolarmente adatti: buon assorbimento (no pretrattamenti), distribuzione di irradianza uniforme su un asse, spot rettangolare, facile automazione, però ridotta lunghezza focale Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico Parametri di processo 75/103 Tempra superficiale stazionaria: Irradianza del fascio Tempo di interazione Tempra con fascio in movimento: Irradianza del fascio Velocità di avanzamento del fascio Nel caso di tempra di ampie superfici mediante passate affiancate, è possibile che una passata comporti il parziale rinvenimento della struttura già temprata durezza disomogenea Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico Materiali 76/103 Acciai al carbonio: facilmente temprabili con tenore di carbonio > 0. 3% Acciai inox: Martensitici: si temprano molto bene con laser Austenitici: non possono essere temprati né laser, né con altre tecnologie Acciai legati: la temprabilità aumenta all’aumentare del tenore degli elementi di lega Ghise: temprabile, in particolare la ghisa grigia Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Trattamento termico Vantaggi e svantaggi 77/103 Vantaggi Trattamento di aree limitate Ridotta distorsione termica Non necessita mezzo temprante Svantaggi: Ridotto spessore temprato Problema dell’assorbimento Accurata messa a punto del processo Instabilità del processo Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura 78/103 Tra le applicazioni laser, è quella che conta il maggior numero di sistemi installati Utilizzata per incidere scritte e disegni su un oggetto Meccanismi: Vaporizzazione di uno strato di materiale Trasformazione della microstruttura Generazione di composti superficiali Fondamenti di Tecnologia Meccanica Variazione dell’indice di rifrazione Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Testa per la marcatura 79/103 Marcatura lineare Lente a campo piano Amax 200 mm Lente mobile Amax 400 mm velocità inferiori Marcatura a scansione sequenza di pixel limitata ricchezza dei dettagli Marcatura di area fascio defocalizzato investe una maschera; non c’è moto relativo tra laser e pezzo Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Meccanismo di marcatura 80/103 Classificazione dei meccanismi (presenti anche contemporaneamente): Rimozione di materiale (o incisione) per fusione e vaporizzazione Trasformazione della microstruttura Formazione di composti chimici superficiali (es. ossidi) Classificazione in funzione della temperatura raggiunta dal materiale: Riscaldamento Degradazione Ossidazione Combustione Frattura Fusione Vaporizzazione Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Sorgenti per la marcatura 81/103 Sorgenti CO 2 Sigillate Meccanismi: trasformazione della microstruttura, formazione di composti chimici, combustione nei materiali organici Sorgenti Nd: YAG Sorgenti PW, grandi potenze di picco Meccanismo: vaporizzazione dispositivi che consentono di raddoppiare o triplicare la frequenza Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Materiali metallici Acciai al carbonio: marcati facilmente con tutti e 3 i meccanismi attenzione all’intensificazione degli sforzi Acciai inox: marcato PW; formazione ossidi di cromo, marcatura a colori (come il titanio) Alluminio: solo se anodizzato è idoneo alla marcatura mediante incisione Fondamenti di Tecnologia Meccanica 82/103 Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Materiali polimerici, organici, amorfi Materiali polimerici: Maggior parte dei polimeri si marcano bene Meccanismi: degradazione chimica e incisione Applicazione molto diffusa: interruttori e pannelli retroilluminati Altri materiali organici: 83/103 Pelle, carta, cartone, legno: meccanismo prevalente degradazione chimica Materiali amorfi: Vetro, cristallo Oggettistica, marcatura intravolume (microcricche) Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Marcatura Vantaggi e svantaggi 84/103 Vantaggi: Indelebilità della marcatura Assenza di contatto fisico Elevata velocità Elevata precisione Elevata ripetibilità Flessibilità del sistema di marcatura Svantaggi Assenza di gamma cromatica Apporto termico Incisione e rottura per fatica Fondamenti di Tecnologia Meccanica Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Altre lavorazioni laser 85/103 Microforatura Fondamenti di Tecnologia Meccanica Riporto laser (laser cladding) Trattamenti superficiali Omologo o eterologo Pulizia laser Con polvere o con filo Pallinatura laser Lavorazioni industriali mediante laser di potenza