Lavorazioni industriali mediante laser di potenza

Presentazione sul tema: "Lavorazioni industriali mediante laser di potenza"— Transcript della presentazione:

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

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

3 Il laser 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

4 Il laser Componenti di un sistema laser industriale
Sorgente laser Unità frigorifera Sistema di trasporto del fascio Sistema di focalizzazione Sistema di movimentazione

5 Il laser Generalità 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

6 Il laser Generalità

7 Il laser I fotoni Radiazioni elettromagnetiche, natura duale:
Onde elettromagnetiche (frequenza, fase, ampiezza) Fotoni (frequenza, fase, flusso di fotoni) Energia associata ad un fotone  energia quantizzata

8 Il laser Proprietà del fascio laser
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)

9 Il laser Proprietà del fascio laser
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 laser- materia: grande ↑T collegato all’oscillazione degli atomi (tutte “forzanti” della stessa frequenza e fase) Energia “trasportabile” (bassa divergenza)

10 Il laser Il fascio laser
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

11 Il laser Emissione stimolata
Assorbimento Emissione spontanea Emissione stimolata 2 fotoni con stessa direzione, frequenza e fase (fotone incidente)

12 Il laser Inversione di popolazione
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.

13 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

14 Il laser Efficienza Efficienza globale Efficienza quantica
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.

15 Il laser Caratteristiche energetiche
Il fascio generato dalla sorgente possiede una potenza P Energia trasportata dal fascio nel tempo τ Fluenza F (J/m2) S: area della sezione trasversale del fascio Irradianza I , o densità di potenza, o irradiamento (W/cm2)

16 Il laser Profilo temporale
16 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 16

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

18 Il laser Geometria di un fascio laser e sua divergenza
Geometria convergente-divergente Fuoco del fascio: punto di minimo diametro (in d0; solitamente d0 cade all’interno della sorgente) Collo del fascio: zona a cavallo di d0 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)

19 Le sorgenti laser Mezzo attivo può trovarsi allo stato gassoso, liquido o solido (sorgente a gas, allo stato liquido, allo stato solido) Interesse industriale: Sorgenti a gas CO2 Sorgenti allo stato solido Nd:YAG Diodi laser Yb:vetro in fibra Yb:YAG a disco sorgenti innovative

20 Le sorgenti laser Laser CO2
Sorgenti più diffuse nelle applicazioni industriali del settore meccanico P = pochi W – oltre 40 kW (tipicamente 2.5 kW) M.A.: CO2 Pompaggio: corrente elettrica Nella cavità risonante anche N2: preleva energia dal flusso di elettroni e la trasferisce alle molecole di CO2 He: favorisce la dissipazione termica (mobilità per piccole dimensioni) CO2 : N2 : He = 10 : 45 : 45

21 Le sorgenti laser Laser CO2
Lunghezza d’onda della radiazione Efficienza quantica Efficienza globale Limite sulla P è legato alle capacità di smaltimento del calore ↑T la miscela si deteriora  ↓η (molto bassa)

22 Le sorgenti laser Laser CO2
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 Sorgenti commerciali: Sigillate Piccole e compatte Raffreddamento per convezione naturale  Pmax limitata P = W (ma accoppiando sorgenti fino a 500 W)

23 Le sorgenti laser Laser CO2
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 kW A flusso veloce vgas = 200 m/s 800 W per m di sorgente Pmax = 20 kW (più diffusa 2.5 kW) Distribuzione di densità della potenza prossima alla gaussiana

24 Le sorgenti laser Laser CO2
A flusso trasversale Turbina Scambiatore Pompaggio RF Pmax = decine di kW Bassa qualità del fascio (5 ≤ M2 ≤ 15) Capillari Cavità parallelepipeda (slab) Facce più grandi: elettrodi in rame raffreddati Raffreddamento miscela per convezione naturale Pompaggio DC Pmax = 6 kW Fascio migliorato all’uscita dalla cavità

25 Le sorgenti laser Laser Nd:YAG
Sorgenti allo stato solido più diffuse nelle applicazioni industriali Regime impulsato o continuo P = pochi W – 6 kW (tipicamente 500 W in PW e 1 kW in CW) M.A.: Nd:YAG (neodimio in granato di ittrio e alluminio) ioni di neodimio (Nd3+) ospitati in cristalli di YAG (cristallo sintetico di granato di ittrio e alluminio, Y3Al5O12) 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.

26 Le sorgenti laser Laser Nd:YAG
Lunghezza d’onda della radiazione Efficienza quantica Efficienza globale (vicino IR) (piuttosto elevata) p. con lampade p. con diodi laser

27 Le sorgenti laser Laser Nd:YAG
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

28 Le sorgenti laser Laser a diodi
Sorgenti recentemente adottate nelle lavorazioni dei materiali P = fino a 6 kW M.A.: giunzione p-n di un semiconduttore (es. AsGa, 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)

29 Le sorgenti laser Laser a diodi
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

30 Le sorgenti laser Laser a diodi
Lunghezza d’onda della radiazione (variabile in funzione della temperatura) Efficienza quantica Efficienza globale (vicino IR, al limite del VIS)

31 Le sorgenti laser Laser a diodi
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

32 Le sorgenti laser Yb:vetro in fibra
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

33 Le sorgenti laser Yb:vetro in fibra
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 kW con più moduli peggiora la qualità del fascio Sorgenti affidabili Maggiori costi di investimento, minori costi d’esercizio

34 Le sorgenti laser Yb:YAG a disco
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 kW

35 I sistemi di trasporto del fascio
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)

36 I sistemi di trasporto del fascio Catena ottica mediante specchi
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)

37 I sistemi di focalizzazione del fascio
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

38 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 z0 dalla lente e si ha z0 > f f tipica: 63, 127 o 150 mm per lenti 200 o 300 mm per specchi

39 I sistemi di focalizzazione del fascio Spot
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

40 Interazione laser-materia
Bilancio energetico istantaneo Coefficiente di riflessione Coefficiente di assorbimento

41 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: λ = 10.6 μm (CO2) Metalli A ≈ 2% Non metallici A ≈ 1 λ = μm (Nd:YAG) Metalli A ≈ 5% Non metallici A ≈ 1%

42 Interazione laser-materia Assorbimento
In funzione del materiale: In funzione dello stato del materiale: incremento di A indipendente da λ

43 Interazione laser-materia Classificazione delle lavorazioni laser

44 Taglio 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

45 Taglio Testa per il taglio
Sistema di focalizzazione: lente (barriera) Svantaggio principale è il rischio di danneggiamento Lunghezza focale mm Ugello: foro cilindrico Diametro 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

46 Taglio Aspetti energetici
Processo termico  volume rimosso proporzionale all’energia fornita Importante ridurre l’ampiezza del solco  per taglio è necessario: Spot focale piccolo Distribuzione di irradianza concentrata sull’asse costante indipendente dai parametri di processo gaussiana

47 Taglio Taglio per fusione
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 N2 (meno costoso ma possibilità di contaminazione) Ar, He situazione ideale striature dovute all’inclinazione della parte frontale del solco situazione reale schermatura del fascio da parte del materiale fuso Acciaio inox, spessore 7 mm, N2

48 Taglio Taglio per fusione
Taglio assistito ossigeno gas reattivo (O2 o miscela di O2) 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

49 Taglio Taglio per fusione
Lembi fortemente ossidati e striati striature dovute alla periodicità dell’innesco della reazione di ossidazione Acciaio a basso tenore di C, spessore 7 mm, O2

50 Taglio Taglio per vaporizzazione e degradazione chimica
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

51 Taglio Sorgenti per il taglio
Si usa CO2 e Nd:YAG Per il taglio di metalli CO2 CW anche per spessori elevati Per alluminio o spessori contenuti Nd:YAG CW o PW Materiali non metallici: CO2 sigillate (max 500 W), flusso assiale lento o veloce (max 2 kW); se occorre potenza maggiore si usano sorgenti capillari (fino a kW) Materiali non metallici: raramente si usa Nd:YAG (scarso assorbimento)

52 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 taglio assistito ossigeno taglio con gas inerte e per vaporizzazione

53 Taglio Zone critiche per la qualità del taglio
Spigoli Punto di inizio e termine Bordo quando il taglio termina al di fuori del pezzo

54 Taglio Materiali metallici
Acciaio: si taglia bene sia con gas inerte che reattivo A basso tenore di C: taglio con O2 a velocità elevata Ad alto tenore di C e legati: possono presentare problemi nella ZTA Inox: sia con gas inerte, sia con O2 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 O2 (anche se T fusione di Al2O3 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

55 Taglio Materiali non metallici
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)

56 Taglio Vantaggi e svantaggi
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

57 Saldatura Caratteristiche: Meccanismi di saldatura Aspetti energetici
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 M2 elevato

58 Saldatura Testa per la saldatura
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

59 Saldatura Saldatura per conduzione
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

60 Saldatura Saldatura per profonda penetrazione
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)

61 Saldatura Passaggio da un meccanismo all’altro
Vaporizzazione è un meccanismo a soglia  anche il passaggio tra conduzione e keyhole non avviene con continuità Soglia di irradianza: W/cm2 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

62 Saldatura Geometrie di saldatura
Il laser consente di saldare “per trasparenza”

63 Saldatura Sorgenti per la saldatura
Sorgenti CO2 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

64 Saldatura Parametri di processo
Velocità di saldatura Irradianza Altezza del fuoco

65 Saldatura Parametri di processo
Tipo e portata del gas di copertura Materiale d’apporto

66 Saldatura Fattori critici per la qualità della saldatura
Accostamento dei lembi Punto di inizio Punto di fine Deformazione del componente

67 Saldatura Materiali metallici
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 kW 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

68 Saldatura Materiali non metallici
Polimeri: solo termoplastici (fusione) Saldatura di testa Saldatura per sovrapposizione: uno dei due materiali otticamente trasparente

69 Saldatura Vantaggi e svantaggi
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

70 Trattamento termico 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 Tempra con fascio in movimento

71 Trattamento termico La tempra
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 A3 fino a temperatura ambiente L’applicazione di una traiettoria di raffreddamento alle curve CCC consente di ricavare la struttura dell’acciaio a fine trattamento

72 Trattamento termico La tempra laser
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

73 Trattamento termico Testa per il 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

74 Trattamento termico Sorgenti per il trattamento termico
Sorgenti CO2 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 CO2; 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

75 Trattamento termico Parametri di processo
Tempra superficiale stazionaria: Irradianza del fascio Tempo di interazione Tempra con fascio in movimento: 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

76 Trattamento termico Materiali
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

77 Trattamento termico Vantaggi e svantaggi
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

78 Marcatura 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 Variazione dell’indice di rifrazione

79 Marcatura Testa per la marcatura
Marcatura lineare Lente a campo piano Amax 200 mm x 200 mm Lente mobile Amax 400 mm x 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

80 Marcatura Meccanismo di marcatura
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

81 Marcatura Sorgenti per la marcatura
Sorgenti CO2 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

82 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

83 Marcatura Materiali polimerici, organici, amorfi
Maggior parte dei polimeri si marcano bene Meccanismi: degradazione chimica e incisione Applicazione molto diffusa: interruttori e pannelli retroilluminati Altri materiali organici: Pelle, carta, cartone, legno: meccanismo prevalente degradazione chimica Materiali amorfi: Vetro, cristallo Oggettistica, marcatura intravolume (microcricche)

84 Marcatura Vantaggi e svantaggi
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

85 Altre lavorazioni laser
Microforatura Riporto laser (laser cladding) Omologo o eterologo Con polvere o con filo Trattamenti superficiali Pulizia laser Pallinatura laser