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
• monocromatica
• non coerente
• coerente
• elevata divergenza
• bassa 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
10.000.000.000,00
Laser focalizzato impulsato
100.000.000.000.000,00
Effetto laser
Effetto laser
Effetto laser
Distribuzione di Boltzmann
E
E2
T
E1
N2
N1
N
Inversione della popolazione
E
E2
E1
N1
N2
N
Materiale a 3 livelli energetici
E
E3
E2
T
E1
N3 N2
N1
N
Materiale a 3 livelli energetici
E
E3
E2
E1
N1 N3
N2
N
Materiale a 3 livelli energetici
rapida
laser
p
Materiale a 4 livelli energetici
E
E3
E2
E1
T
E0
N3 N2 N1
N0
N
Materiale a 4 livelli energetici
E
E3
E2
E1
E0
N 3 N1 N2 N0
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
l1
l2
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
1s
3s
3s
3,39 mm
3p
2s
0,6328 mm
1,15 mm
2p
Elio
Neon
Transizioni del laser a CO2
E
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
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/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:
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
testa laser
sorgente
laser
Trasmissione fascio: robot articolato (3)
Sensori