Date post: | 03-Jan-2016 |
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Introduzione al
taglio laser
Luca Bianchini
LASE
R
LL
AASSEE
RR
The laser is a source of radiation which, depending on its type, emits electromagnetic radiation in wavelengths between th e ultraviolet and infrared range when induced with energy.
Energy
Laser Beam
Medium
ightight
mplification bymplification bytimulatedtimulatedmission ofmission of
adiationadiation
Despite the fact that not all lasers emit radiation visible to the human eye(400-750mm range), the laser is still termed a l ight source and its radiation referred to as laser light.
The most distinctive properties of laser radiation are the following:
Characteristics of Laser
Characteristics of a laser beam compared with incoh erent light
Incandescent Lamp Laser
large divergence
Incoherent
not monochromatic
monochromatic
coherent
small divergence
Parallel (very small divergence)Parallel (very small divergence)
Coherent (all waves in phase)Coherent (all waves in phase)
Monochromatic (defined wavelength)
An overview of the electromagnetic spectrum
CO2 Laser (10600nm)
He-Ne Laser (632nm)
Excimer Laser (gas laser)(bet 193 - 351nm)
Lasers are equipment which produce light.
Laser basically consists of three components.
L A S E RL A S E RL A S E R
Energy Active Medium Resonator
which consists of a tube and two separate mirrors, the latter being arranged at a fixed distance from each other.
Beam
Energy a so-called“pump” which“pumps” the energy to
Active Medium which absorbs a portion of the pumped energy and is to be found in
Resonator
Gas lasers use a gas or a mixture of gases within a tube. The most common gas laser uses a mixture of CO 2 or He-Ne.Following figure shows a diagrammatic view of the CO2 gas laser.
CO2 laser design
Plasma tube
High voltage supply
Partiallyreflectingmirror
Gas mixture(active medium)
Totallyreflecting mirror
The glass tube is filled with a gas mixture of heli um, nitrogen and carbon dioxide.
This mixture is ignited by 20,000 volts of direct v oltage.
The energy is transmitted to the CO 2 molecules and the nitrogen.
The Helium is solely used as cooling gas.
The electrical energy is usually injected in either of two ways.
In a laser with direct-current excitation, injectio n is effected with a direct voltage of
approx 20,000 volts and a current of approx 60mA. T he energy is supplied to the
cathode ring located in the glass tube, and the dis charge takes place at the anode where the fresh gas mixture flows in.
DC Excitation
Cool gas Hot gas
Cathode
Anode
AuxiliaryCathode
High VoltagePower SupplyHigh VoltagePower Supply
Current regulated
These are the distinctive characteristics enabling the laser beams to focus on an extremely small point by means of optical elements. Thus, the laser beam becomes a thermal tool offering the following advantages ov er conventional tools.
Advantages of Laser
Non-contact machining
Low noise
Vibration free
Little heat affected zone (HAZ)
No deformations
High speed
Accumulate control
Good repeatability
Full automation possible
High reliability
No tool cost
No change-over time
Low maintenance cost
Machining of material that are difficult to melt
Necessità di processo
Invarianza del diametro del waist focalizzatoMateriali sottili
• Densità di potenza maggiore possibile
Materiali spessi• Maggiore profondità di campo• Diametro del waist focalizzato ottimale
Processo di taglio
Gas-assisted cutting is one of the most common indu strial laser applications.
Physics of Laser CuttingPhysics of Laser Cutting
• Absorption of laser light
• Emission of thermal radiation
• Heat conductivity
• Melting and evaporation of metal
• Chemical reactions (Oxidation)
• Aero-and Hydro dynamics
• Plasma formation
• Absorption of laser light
• Emission of thermal radiation
• Heat conductivity
• Melting and evaporation of metal
• Chemical reactions (Oxidation)
• Aero-and Hydro dynamics
• Plasma formation
Physics of Laser Cutting
Laser beam
Lens
Nozzle
Process Gas:
O2, N2, Ar, ...
Work piece
When laser fusion is used, cutting the work piece i s melted locally and the molten material is ejected with the help of gas flow. As t he transport of material takes place in the liquid phase only, this process is ref erred to as laser fusion cutting.
Laser flame cutting differs from fusion cutting in that oxygen is used as a process gas. The interaction between the oxygen and the hea ted metal triggers a reaction which results in further heating of the material. D ue to this effect, the cutting rates achievable with this method of cutting structural s teel, depending on the thickness of the panel are greater than those obtained with f usion cutting.
In the process of laser sublimation cutting the mat erial is evaporated in the kerf. Very high laser intensities are required in this ca se.
Kinds of Laser Cutting
Laser fusion cutting
Laser Flame cutting
Laser Sublimation cutting
Laser fusion cutting
Nel laser fusion cutting il volume di kerf ètrasformato soprattutto in stato fuso ed espulsofuori dal kerf con un gas inerte ad alta pressione.
Laser Oxidation cutting
La reazione esotermicadell’ossigeno con il materiale è di supportoal processo di tagliolaser fornendo calore addizionale.
Per favorire l’evacuazione delleemissioni gassose calde sul pezzo e prevenire la condensazione all’internodel kerf, un gas di processo è utilizzato per l’espulsione del materiale gassoso all’esterno del kerf.
Laser Vaporization cutting
--Parametri del materialeParametri del materiale: proprietà termofisiche e ottiche del materiale, spessore;--Parametri del fascio laserParametri del fascio laser: lunghezza d’onda, irradiazione, struttura del modo, qualità del fascio, polarizzazione, diametro delfascio nel punto focalizzato, potenza del fascio laser, durata dell’impulso, ripetibilità;--Parametri dei gas di taglioParametri dei gas di taglio: tipo di gas, pressione, tipo di nozzle,geometria del nozzle, distanza di stand-off;--Parametri di focalizzazioneParametri di focalizzazione: tipo di ottica di focalizzazione, lunghezza focale, posizione del fuoco;- Parametri della macchinaParametri della macchina: velocità di taglio.
Parametri di processo
- VelocitVelocitàà di tagliodi taglio: velocità di sicurezza 80-90% della velocità massima- Posizione del fuocoPosizione del fuoco: nel taglio laser per fusione, la posizione del fuoco deve essere vicino la superficie inferiore del pezzo per evitare formazione di bava e circa nel centro per massimizzare la velocità; nel taglio laser per ossidazione, il punto focale deve essere posizionato nella metà superiore dello spessore del materiale o addirittura al di sopra del pezzo soprattutto sugli alti spessori.- Pressione del gasPressione del gas: nel taglio per fusione la pressione aumenta con l’aumentare dello spessore del materiale, ma vi è un limite da non superare per evitare la formazione di plasma; nel taglio per ossidazione le pressioni sono dell’ordine di qualche decimo di bar per evitare eccessivo sviluppo di calore.- Simmetria coassiale rotazionaleSimmetria coassiale rotazionale: è il parametro geometrico più importante poiché la distribuzione spaziale dei parametri di taglio garantisce un taglio ottimale e ripetibile in tutte le direzioni (coassialità del nozzle, allineamento del fascio, centraggio della lente).
Process optimization
Nozzle
Gas (type and pressure)
Cutting speed
Laser Power
Focal Length
Intensity Distribution
Polarization
Diagrammi tipici del taglio laser:a) Velocità – Spessoreb) Velocità – potenza laserc) Velocità – posizione focale
Testa di taglio
APL + Pr = PTp+Pm+Pv+Pl
A =assorbimentoPL= potenza laserPr = Reazione esotermicaPTp = potenza per raggiungerela temperatura del processo TpPm = potenza per fondere il volume di kerfPv = potenza per evaporazione Pl = potenza per compensare il calore perso per conduzione
Power balance contribution
Potenza assorbita per spessore di taglio durante la fusione conil fascio laser.Confrontato con l’acciaio, l’alluminio ha una richiesta di potenza a basse velocitàa causa della sua alta diffusivitàtermica, ed una richiesta di potenza più bassa rispetto all’acciaio ad alte velocità per la bassa temperatura di fusione.
Power absorbed / Cutting depth
Generazione delle striature del fronte di taglio
Effetti dello stop-start (microgiunzioni) su alti spessori
Work piece
Laser beam
Lens
Nozzle
Process gas:
2O , N 2 , Ar ...
MarkingMarking
DrillingDrilling
CuttingCutting
WeldingWelding
Surface TreatmentSurface Treatment
BendingBending
Functions of Laser machines
CuttingCutting
Machine Good Point Weak Point
Punch Press Settled and repeating shape
operation
Tool design and preparation time is necessary.
Tool cost is expensive
EDM Good kerf, to cut thick metal is
easy
Cutting speed is low
To cut non-metal is impossible
Milling Machine Good kerf Cutting speed is low
Long preparing time is needed
Tool abrasion is frequent
Plasma Installation cost is low Wrong kerf, transformation by
heat
Laser Metal-molding is not required
Design changes are quick
Adapting to automation is easy
Installation cost is expensive
WeldingWelding
TIG Low cost Low speed
Wide welding portion
Resistance Low cost Electrode is abrasive
Low speed
Bending I occurred
Electron beam Good welding quality
Deep welding
High installation cost
Process should be done in vacuum statesLow efficiency
Laser High speed
Narrows welding portion non-contact processing
To weld other kinds of metal is possible
High installation cost
To process highly reflective metal is difficult
Machine Good Point Weak Point
Introduzione alla saldatura laser
(Laser Beam Welding)
Luca Bianchini
Sommario
fisica del processo
parametri caratteristici
tipologie di giunto
confronto fra saldatura laser e altre tecnologie
materiali
qualifica dei giunti
applicazioni
Fisica del processo (1)
La saldatura laser è un processo di saldatura per fusione: il
materiale viene fuso dal calore apportato dal laser e la
successiva solidificazione forma il giunto di saldatura.
Il materiale fuso può essere fornito solo dai lembi del
materiale base da saldare o anche da un metallo
d’apporto.
Fisica del processo (2)
La quantità di calore apportato al materiale deve superare
la quantità di calore dissipabile
Il calore trasmesso dal laser al materiale dipende da:
• coefficiente di riflessione del materiale
• lunghezza d’onda del laser
Fisica del processo (3)
Fisica del processo (4)
la trasmissione del calore all’interno del materiale avviene grazie
ad un fenomeno detto keyhole
nella saldatura con keyhole, l’elevata densità di potenza
(>106W/cm2) produce la formazione di plasma metallico nel
materiale che aumenta l’assorbimento di energia e la
penetrazione
se la densità di potenza non è sufficiente, non si genera il keyhole,
il calore si trasmette solo per conduzione e la penetrazione è
limitata
Fisica del processo (5)
Fisica del processo (6)
Il calore trasmesso dal laser produce due tipi di plasma:
plasma di vapori metallici, utile se all’interno del materiale
(keyhole), dannoso se al di sopra del materiale perché
assorbe potenza al processo
plasma dovuto alla ionizzazione del gas al di sopra del
materiale, dannoso perché assorbe potenza al processo
Fisica del processo (7)
Fisica del processo (8)
per eliminare il plasma si può utilizzare un flusso di gas indirizzato sul giunto di saldatura durante il processo
il gas ha una doppia funzione:
• copertura / protezione del bagno fuso
• rimozione meccanica del plasma
si utilizzano gas inerti o miscele con elevato potenziale di
ionizzazione
Fisica del processo (9)
Caratteristiche geometriche del giunto saldato.
larghezza all’interfaccia
larghezza sulla superficie
profondità dipenetrazione
zona termicamente alterata
zona fusa
Fisica del processo (10)
I parametri principali del processo di saldatura laser sono:
• potenza laser [KW]
• velocità di avanzamento [m/min]
• tipo e flusso del gas di copertura
• posizione del punto focale [mm]
Parametri di processo (1)
Il valore di potenza del laser determina:
• profondità di penetrazione
• velocità di avanzamento
Il valore della velocità di avanzamento determina:
• profondità di penetrazione
Parametri di processo (2)
Parametri di processo (2a)
Il tipo e il flusso del gas di copertura influenzano:
• la quantità di plasma
• la potenza necessaria al processo
• la profondità di penetrazione
• la velocità di avanzamento
Parametri di processo (3)
La posizione del punto focale determina:
• la distribuzione della potenza nel
materiale
• la profondità di penetrazione
• la larghezza del giunto
• la velocità di avanzamento
Parametri di processo (4)
Parametri di processo (4a)
Parametri di processo (4b)
Parametri di processo (5)
I tipi di giunto più comuni nella saldatura laser sono:
• a lembi sovrapposti
• di testa
• a T
Tipologie di giunto (1)
Giunto a lembi sovrapposti
Tipologie di giunto (2)
Esempio di giunto a lembi sovrapposti
Tipologie di giunto (2a)
Giunto a T
Tipologie di giunto (3)
Esempio di giunto a T
Tipologie di giunto (3a)
Giunto di testa
Tipologie di giunto (4)
Esempio di giunto di testa
Tipologie di giunto (4a)
I vantaggi principali della saldatura laser sono:
• elevata penetrabilità
• elevata velocità di processo
• zona termicamente alterata ridotta
• precisione elevata
Vantaggi della saldatura laser
Gli svantaggi principali della saldatura laser sono:
• attrezzature complesse e precise
• richiede un ottimo allineamento fra il giunto e il fascio laser
• la movimentazione del laser richiede macchinari complessi e costosi
• difficoltà ad utilizzare materiali d’apporto
Svantaggi della saldatura laser
Fascio di elettroni (EBW)
• richiede attrezzature complesse, poco flessibili e molto costose
• elevata densità di potenza e penetrabilità
• Richiede una camera a vuoto spinto
Altre tecnologie (1) - EBW
TIG (tungsten-inert-gas)
• buona penetrabilità, ma inferiore al laser
• utilizzabile manualmente
• maggiore zona termicamente alterata rispetto al laser
• attrezzatura meno costosa di un laser
Altre tecnologie (2) - TIG
MIG (metal-inert-gas) e MAG (metal-active-gas)
• buona penetrabilità, ma inferiore al laser
• aggiunta di materiale d’apporto (buona tolleranza al gap)
• maggiore zona termicamente alterata rispetto al laser
• utilizzabile manualmente
• attrezzatura meno costosa di un laser
Altre tecnologie (3) – MIG/MAG
I materiali maggiormente interessati dalla saldatura laser sono:
• acciai inossidabili
• acciai comuni
• acciai comuni bizincati
• leghe di alluminio
• leghe di titanio
Materiali (1)
Saldatura laser di acciai inossidabili
• buona saldabilità
• buona tolleranza sui parametri tecnologici
• buone caratteristiche meccaniche del giunto
• è possibile non avere gas di copertura
Materiali (2) - Inossidabili
• buona saldabilità
• tolleranza sui parametri tecnologici inferiore rispetto all’inox
• buone caratteristiche meccaniche del giunto
• la presenza di ossidi peggiora la qualità della saldatura, quindi i lembi non devono essere lavorati con ossigeno
• è possibile non avere gas di copertura
Materiali (3) – Acciai comuni
• stesse caratteristiche degli acciai comuni
• i vapori di zinco che si formano a temperatura molto inferiore a quella di fusione dell’acciaio, disturbano il bagno fuso
• è utile lavorare con gap controllati (~0.1mm) per consentire evacuazione dei vapori di zinco
• è possibile non avere gas di copertura
Materiali (4) - Bizincati
• è possibile solo con alcune leghe
• le caratteristiche meccaniche del giunto sono inferiori a quelle del materiale base
• elevata velocità di processo
• il gas di copertura è indispensabile
Materiali (5) – Leghe di Al
• Le prove di qualifica di un giunto di saldatura sono legate alla funzione che il giunto dovràassolvere
Esempi:
- resistenza a trazione
- durezza
- fatica
- resilienza
- test di ermeticità (liquidi penetranti, raggi X, ultrasuoni)
- macrografie
Qualifica del giunto
• Automotive
• Industria Aerospaziale (strutture)
• Industria Aerospaziale (motori)
• Tailored blanks
• Componenti meccanici
• Saldature estetiche e di precisione
• Industria nucleare
• Industria alimentare
• Attrezzature mediche
Applicazioni
Le procedes de soudage par fusion –
Le soudage laser (Air Liquide)
Laser welding – A practical guide
(C. Dawes –Abington publishing)
Saldatura e taglio(P. Houldcroft, R. John – g.e. Jackson)
Bibliografia