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 monocromatica coerente bassa divergenza elevata intensità luminosa

Brillanza di alcune sorgenti Sorgente Schermo TV Luna LED Cielo chiaro Fiamma di candela Sole all’orizzonte Lampada ad incandescenza Lampada a vapori di mercurio Sole allo zenit Laser focalizzato in continua Laser focalizzato impulsato Brillanza (stilb) 0,08 0,25 0,68 0,80 1,00 600,00 1.000,00 30.000,00 165.000,00 10.000.000.000,00 100.000.000.000.000,00

Effetto laser

Effetto laser

Effetto laser

Distribuzione di Boltzmann

Inversione della popolazione

Materiale a 3 livelli energetici

Materiale a 3 livelli energetici

Materiale a 3 livelli energetici p rapida laser

Materiale a 4 livelli energetici

Materiale a 4 livelli energetici

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

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 3,39 mm 3s 3p 3s 2s 0,6328 mm 1,15 mm 2p Elio Neon

Transizioni del laser a CO2 N2 eccitato CO2 eccitato 10,6 mm Azoto CO2

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 CO2 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 CO2 Soitaab SL50

Esempio di sorgente laser CO2 Soitaab SL50 Potenza: 5.000 W Campo di variazione: 1.000 - 5.000 W Stabilità della potenza: ± 2% Lunghezza d’onda: 10,6 mm Modo trasversale: TEM0,0 e TEM1,1 Diametro del fascio in uscita: 44 mm Divergenza del fascio: ± 3 mrad per TEM0,0 Tempo di riscaldamento: 10’

Esempio di sorgente laser CO2 Soitaab SL50 Energia assorbita: 130.000 kVA Tensione di alimentazione: 380 V trifase Portata acqua raffreddamento: 760 litri/min Consumo gas CO2: 8,5 litri/h He: 113 litri/h N2: 51 litri/h Peso complessivo: 6400 kg

Interazione con il materiale testa laser gas protettivo fusione e vaporizzazione

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/s2 Precisione di posizionamento: ± 0,1 mm Consumo gas per il taglio O2: 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 Misura Trattamenti termici Marcatura Rapid Prototyping filmato

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

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

Sistemi produttivi con sorgenti laser Problematiche: Utilizzo unica sorgente per più robot 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 % 70 % Robot 1 Robot 2

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

Trasmissione fascio: robot a portale

Trasmissione fascio: robot articolato (1)

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

Trasmissione fascio: robot articolato (3)

Sensori