TAGLIO E SALDATURA LASER Ultimo aggiornamento 91111 Prof

TAGLIO E SALDATURA LASER Ultimo aggiornamento: 9/11/11 Prof. Gino Dini – Università di Pisa

Lavorazioni tramite energia termica Laser Beam Machining (LBM)

Lavorazioni tramite energia termica Laser Beam Machining (LBM) fotoni lente di focalizzazione gas d’apporto pezzo

Luce laser • non monocromatica • non coerente • elevata divergenza • bassa intensità luminosa • elevata intensità luminosa

Brillanza di alcune sorgenti Sorgente Brillanza (stilb) Schermo TV 0, 08 Luna 0, 25 LED 0, 68 Cielo chiaro 0, 80 Fiamma di candela 1, 00 Sole all’orizzonte 600, 00 Lampada ad incandescenza 1. 000, 00 Lampada a vapori di mercurio 30. 000, 00 Sole allo zenit 165. 000, 00 Laser focalizzato in continua 10. 000, 00 Laser focalizzato impulsato 100. 000, 00

Effetto laser

Effetto laser

Effetto laser

Distribuzione di Boltzmann E E 2 T E 1 N 2 N 1 N

Inversione della popolazione E E 2 E 1 N 2 N

Materiale a 3 livelli energetici E E 3 E 2 T E 1 N 3 N 2 N 1 N

Materiale a 3 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 N 3 N 2 N

Materiale a 3 livelli energetici rapida laser p

Materiale a 4 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 T E 0 N 3 N 2 N 1 N 0 N

Materiale a 4 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 E 0 N 3 N 1 N 2 N 0 N

Materiale a 4 livelli energetici rapida p laser rapida

Direzionalità del fascio

Direzionalità del fascio

Direzionalità del fascio

Direzionalità del fascio

Modi risonanti della cavità m = 12 l 1 l 2 m = 14 L

Caratteristiche sorgente laser • Regime emissione energia • Materiale attivo • Distribuzione energetica del fascio

Materiale attivo • laser a gas • laser allo stato solido • laser allo stato liquido • laser a semi-conduttori

Laser a gas

Transizioni del laser He-Ne E 1 s 3 s 3 s 3, 39 mm 3 p 2 s 0, 6328 mm 1, 15 mm 2 p Elio Neon

Transizioni del laser a CO 2 E N 2 eccitato CO 2 eccitato 10, 6 mm Azoto CO 2

Laser allo stato solido

Tabella riassuntiva Laser Lunghezza d’onda Potenza Regime [mm] [W] He-Ne 0, 6328 1, 15 3, 39 0, 001 - 0, 05 continuo CO 2 10, 6 fino a 20. 000 continuo o impulsato Rubino 0, 6943 500 J impulsato Nd-vetro 1, 06 5. 000 J impulsato Nd-YAG 1, 06 fino a 1. 000 continuo o impulsato

Spettro

Modi trasversali di un laser

Esempio di sorgente laser CO 2 Soitaab SL 50

Esempio di sorgente laser CO 2 Soitaab SL 50 Potenza: 5. 000 W Campo di variazione: 1. 000 - 5. 000 W Stabilità della potenza: ± 2% Lunghezza d’onda: 10, 6 mm Modo trasversale: TEM 0, 0 e TEM 1, 1 Diametro del fascio in uscita: 44 mm Divergenza del fascio: ± 3 mrad per TEM 0, 0 Tempo di riscaldamento: 10’

Esempio di sorgente laser CO 2 Soitaab SL 50 Energia assorbita: 130. 000 k. VA Tensione di alimentazione: 380 V trifase Portata acqua raffreddamento: 760 litri/min Consumo gas CO 2: 8, 5 litri/h He: 113 litri/h N 2: 51 litri/h Peso complessivo: 6400 kg

Interazione con il materiale testa laser fusione e vaporizzazione gas protettivo

Micro-foratura con fascio laser

Micro-foratura con fascio laser

Percussion drilling

Percussion drilling: rifocalizzazione

Trepanning filmato

Taglio con fascio laser

Micro-taglio con fascio laser

Taglio con fascio laser filmato

Macchina per il taglio laser Soitaab LBS 2. 5 Area di lavoro X Y: 3000 x 2000 mm Escursione testa laser Z: 200 mm

Macchina per il taglio laser Soitaab LBS 2. 5 Velocità rapido: 45 m/min Velocità di lavoro: fino a 15 m/min Accelerazione massima: 5 m/s 2 Precisione di posizionamento: ± 0, 1 mm Consumo gas per il taglio O 2: 1. 500 - 3. 000 litri/min Peso: 11. 700 kg Programmazione: linguaggio ISO

Saldatura con fascio laser filmato

Saldatura con fascio laser

Saldatura keyhole

Altre applicazioni industriali v Misura v Trattamenti termici v Marcatura v Rapid Prototyping filmato

Vantaggi dell’LBM nei processi produttivi J elevati valori di densità di potenza J assenza contatto utensile-pezzo J assenza usura utensile J fascio facilmente direzionabile J zona termicamente alterata ridotta J ridotte distorsioni termiche

Svantaggi dell’LBM L impianti costosi L danneggiamento termico sui materiali sensibili al calore L superfici craterizzate L elevata precisione di posizionamento dei pezzi L influenza della riflettività

Sistemi produttivi con sorgenti laser Problematiche: 1. Utilizzo unica sorgente per più robot 2. Trasporto fascio fino al polso

Impiego sorgente laser: time sharing (1) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: time sharing (1) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: time sharing (1) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: time sharing (1) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: time sharing (2) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: time sharing (2) Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: energy sharing (1) 100 % 30 % Robot 1 70 % Robot 2

Impiego sorgente laser: energy sharing (2) 100 % 30 % Robot 1 70 % Robot 2

Trasmissione fascio: robot a portale

Trasmissione fascio: robot articolato (1)

Trasmissione fascio: robot articolato (2) tubo con specchi sorgente laser testa laser

Trasmissione fascio: robot articolato (3)

Sensori