Introduzione Al Taglio Laser

Introduzione al taglio laser

Luca Bianchini

LLight A Amplification by S Stimulated E Emission of R Radiation

Energy

Medium

Laser Beam

The laser is a source of radiation which, depending on its type, emits electromagnetic radiation in wavelengths between the ultraviolet and infrared range when induced with energy. Despite the fact that not all lasers e mit radiation visible to the human eye(400-750mm range), the laser is still termed a light source and its radiation referred to as laser light.

Characteristics of Laser The most distinctive properties of laser radiation are the following: Parallel (very small divergence)  Coherent (all waves in phase)  Monochromatic (defined wavelength)  Characteristics of a laser beam compared with incoherent light

large divergence

monochromatic

Incoherent coherent not monochromatic

Incandescent Lamp

small divergence

Laser

An overview of the electromagnetic spectrum

He-Ne Laser (632nm)

Excimer Laser (gas laser) (bet 193 - 351nm)

CO2 Laser (10600nm)

Lasers are equipment which produce light. Laser basically consists of three components. LL A A SS EE R R

Beam

Energy Energy  Active Medium  Resonator 

Active Medium

Resonator

a so-called“pump” which“pumps” the energy to which absorbs a portion of the pumped energy and is to be found in which consists of a tube and two separate mirrors, the latter being arranged at a fixed distance from each other.

Gas lasers use a gas or a mixture of gases within a tube. The most common gas laser uses a mixture of CO2 or He-Ne. Following figure shows a diagrammatic view of the CO 2  gas laser. High voltage supply Plasma tube

Totally reflecting mirror

Gas mixture (active medium)

Partially reflecting mirror

CO2 laser design

The glass tube is filled with a gas mixture of helium, nitrogen and carbon dioxide. This mixture is ignited by 20,000 volts of direct voltage. The energy is transmitted to the CO2 molecules and the nitrogen. The Helium is solely used as cooling gas .

DC Excitation The electrical energy is usually injected in either of two ways. Auxiliary Cathode

Anode

Cathode

Current regulated

Cool gas

High Voltage Power Supply

Hot

gas

In a laser with direct-current excitation, injection is e ffected with a direct voltage of approx 20,000 volts and a current of approx 60mA. The energy is supplied to the cathode ring located in the glass tube, and the discharge takes place at the anode where the fresh gas mixture flows in.

Advantages of Laser 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 over conventional tools.

Non-contact machining 

High reliability 

Low noise 

No tool cost 

Vibration free 

No change-over time 

Little heat affected zone (HAZ)  No deformations  High speed  Accumulate control  Good repeatability  Full automation possible 

Low maintenance cost  Machining of material that are  difficult to melt 

Necessità di processo Invarianza del diametro del waist focalizzato Materiali sottili • Densità di potenza maggiore possibile

Materiali spessi • Maggiore profondità di campo • Diametro del waist focalizzato ottimale

Processo di taglio

Physics of Laser Cutting Gas-assisted cutting is one of the most common industrial laser applications.

Physics Physics of of Laser Laser Cutting Cutting Laser beam

•• Absorption Absorption of of laser laser light light •• Emission Emission of of thermal thermal radiation radiation

Lens 

Process Gas: 

•• Heat Heat conductivity conductivity •• Melting Melting and and evaporation evaporation of of metal

O 2 , N 2 , Ar, ... Nozzle 

•• Chemical Chemical reactions reactions (Oxidation) (Oxidation) •• Aero-and Aero-and Hydro Hydro dynamics dynamics •• Plasma Plasma formation formation

Work piece 

Kinds of Laser Cutting Laser fusion cutting When laser fusion is used, cutting the work piece is melted locally and the molten material is ejected with the help of g as flow. As the transport of material takes place in the liquid phase only, this process is referred to as laser fusion cutting.

Laser Flame cutting Laser flame cutting differs from fusion cutting in that oxygen is used as a process gas. The interaction between the oxygen and the heated metal triggers a reaction which results in further heating of the material. Due to this effect, the cutting rates achievable with this method of cutting structural steel, depending on the thickness of the panel are greater than those obtained with fusion cutting.

Laser Sublimation cutting In the process of laser sublimation cutting the material is evaporated in the kerf. Very high laser intensities are required in this case.

Laser fusion cutting Nel laser fusion cutting il volume di kerf è trasformato soprattutto in stato fuso ed espulso fuori dal kerf con un gas inerte ad alta pressione.

Laser Oxidation cutting La reazione esotermica dell’ossigeno con il materiale è di supporto al processo di taglio laser fornendo calore addizionale.

Laser Vaporization cutting Per favorire l’evacuazione delle emissioni gassose calde sul pezzo e prevenire la condensazione all’interno del kerf, un gas di processo è utilizzato per l’espulsione del materiale gassoso all’esterno del kerf.

Parametri di processo -Parametri del materiale : proprietà termofisiche e ottiche del materiale, spessore; -Parametri del fascio laser : lunghezza d’onda, irradiazione, struttura del modo, qualità del fascio, polarizzazione, diametro del fascio nel punto focalizzato, potenza del fascio laser, durata dell’impulso, ripetibilità; -Parametri dei gas di taglio : tipo di gas, pressione, tipo di nozzle, geometria del nozzle, distanza di stand-off; -Parametri di focalizzazione: tipo di ottica di focalizzazione, lunghezza focale, posizione del fuoco; - Parametri della macchina : velocità di taglio.

Process optimization - Velocità Velocità di taglio: velocità di sicurezza 80-90% della velocità massima - Posizione 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 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 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).

Laser Power Cutting speed Gas (type and pressure) Nozzle Focal Length Intensity Distribution Polarization

Diagrammi tipici del taglio laser: a) Velocità – Spessore b) Velocità – potenza laser c) Velocità – posizione focale

Testa di taglio

Power balance contribution APL + Pr = PTp+Pm+Pv+Pl A =assorbimento PL= potenza laser Pr = Reazione esotermica PTp = potenza per raggiungere la temperatura del processo Tp Pm = potenza per fondere il volume di kerf  Pv = potenza per evaporazione Pl = potenza per compensare il calore perso per conduzione

Power absorbed / Cutting depth Potenza assorbita per spessore di taglio durante la fusione con il fascio laser. Confrontato con l’acciaio, l’alluminio ha una richiesta di potenza a basse velocità a causa della sua alta diffusività termica, ed una richiesta di potenza più bassa rispetto all’acciaio ad alte velocità per la bassa temperatura di fusione.

Generazione delle striature del fronte di taglio

Effetti dello stop-start (microgiunzioni) su alti spessori

Functions of Laser machines

Marking Laser beam Drilling Process gas: Cutting

Lens

O2 , N2 , Ar ... Nozzle

Welding Surface Treatment

Work piece

Bending

Cutting Machine Punch Press

Good Point Settled and repeating shape operation

Weak Point Tool design and preparation time is necessary. Tool cost is expensive

EDM

Milling Machine

Good kerf, to cut thick metal is

Cutting speed is low

easy

To cut non-metal is impossible

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

Welding Machine TIG

Good Point Low cost

Weak Point Low speed Wide welding portion

Resistance

Low cost

Electrode is abrasive Low speed Bending I occurred

Electron beam

Good welding quality

High installation cost

Deep welding

Process should be done in vacuum states Low efficiency

Laser

High speed

High installation cost

Narrows welding portion noncontact processing

To process highly reflective metal is difficult

To weld other kinds of metal is possible

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)

Fisica del processo (3)

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 (4)

Fisica del processo (5) 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 (6)

Fisica del processo (7)

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 (8)

Fisica del processo (9)

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 (10) Caratteristiche geometriche del giunto saldato.

larghezza sulla superficie profondità di penetrazione

zona termicamente alterata zona fusa

larghezza all’interfaccia

Parametri di processo (1)

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 (2)

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 (2a)

Parametri di processo (3)

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 (4)

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 (4a)

Parametri di processo (4b)

Parametri di processo (5)

Tipologie di giunto (1)

I tipi di giunto più comuni nella saldatura laser sono: • a lembi sovrapposti • di testa •a T

Tipologie di giunto (2)

Giunto a lembi sovrapposti

Tipologie di giunto (2a)

Esempio di giunto a lembi sovrapposti

Tipologie di giunto (3)

Giunto a T

Tipologie di giunto (3a)

Esempio di giunto a T

Tipologie di giunto (4)

Giunto di testa

Tipologie di giunto (4a)

Esempio di giunto di testa

Vantaggi della saldatura laser

I vantaggi principali della saldatura laser sono: • elevata penetrabilità • elevata velocità di processo • zona termicamente alterata ridotta • precisione elevata

Svantaggi 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

Altre tecnologie (1) - EBW

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 (2) - TIG

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 (3) – MIG/MAG

MIG (metal-inert-gas) e MAG (metalactive-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

Materiali (1)

I materiali maggiormente interessati dalla saldatura laser sono: • acciai inossidabili • acciai comuni • acciai comuni bizincati • leghe di alluminio • leghe di titanio

Materiali (2) - Inossidabili

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 (3) – Acciai comuni

• 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 (4) - Bizincati

• 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 (5) – Leghe di Al

• 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

Qualifica del giunto

• Le prove di qualifica di un giunto di saldatura sono legate alla funzione che il giunto dovrà assolvere Esempi: - resistenza a trazione - durezza - fatica - resilienza - test di ermeticità (liquidi penetranti, raggi X, ultrasuoni) - macrografie

Applicazioni

• Automotive • Industria Aerospaziale (strutture) • Industria Aerospaziale (motori) • Tailored blanks • Componenti meccanici • Saldature estetiche e di precisione • Industria nucleare • Industria alimentare • Attrezzature mediche