Appunti Optimization and innovation processes in italiano (parte 6)

La velocità è proporzionale a:

- P: più è alta la potenza e maggiore è la v

- Spessore da tagliare h: la v è inversamente proporzionale allo spessore

- Spot laser d0: più è piccolo lo spot (cioè più il laser è focalizzato) e maggiore è la v di

taglio a parità di P disponibile.

E dipende, nel caso di ossigeno, dalla qualità del gas utilizzato.

Traiettorie

Nel taglio laser si devono tenere alcune accortezze quando si vanno a definire i percorsi di

taglio. In generale tutti i processi termici non possono realizzare spigoli perfettamente vivi;

questo è dovuto al fatto che in presenza di uno spigolo vivo il laser deve rallentare molto per

seguire la curvatura repentina; pertanto, il carico termico assorbito in questa zona diventa

troppo eccessivo e tale zona fonde maggiormente dando luogo a uno spigolo stondato.

Una soluzione per realizzare lo spigolo vivo si ottiene pensando a delle zone di materiale

sacrificabili per far in modo che la luce laser non permanga troppo a lungo nella stessa zona.

Questo è un aspetto rilevante perché uno dei costi principali nella lavorazione delle lamiere è

il costo del materiale stesso, cioè si devono evitare il più possibile sprechi. Infatti, uno degli

aspetti fondamentali di cui il progettista deve tener conto è l’impacchettamento dei

componenti perché il costo della lamiera di partenza è una frazione importante del costo

finito.

Gli spigoli subiscono un riscaldamento maggiore per cui tendono a “stondarsi”.

Un altro problema è il punto iniziale per profili chiusi: cioè l’avviamento del processo è la fase

più critica perché è quando il laser è meno e6iciente a causa del ridotto coe6iciente di

assorbimento dei materiali solidi. A causa della maggior potenza richiesta per lo

sfondamento iniziale si ha un foro più largo del dovuto. Pertanto, nella progettazione della

traiettoria del laser si deve prevedere dove posizionare la zona iniziale di sfondamento. In

generale la zona d’ingresso è quella più critica, quella d’uscita in realtà è meno critica.

Una possibile soluzione è quella di inclinare la sorgente, in modo da illuminare anche parte

della seconda zona che dovrà essere tagliata dopo il punto di inizio in mood da sfruttare il foro

più grosso del dovuto. Anche se è possibile diminuire leggermente la dimensione del foro di

sfondamento la soluzione comunemente utilizzata è quello di prevedere il punto di

sfondamento in un punto esterno al profilo da tagliare. Questo garantisce un taglio pulito ma,

inevitabilmente, comporterà maggiori sprechi e quindi maggiori costi.

Altezza fuoco

Altezza del fuoco h: distanza tra il fuoco e la superficie del pezzo.

A seconda del gas utilizzato il fuoco può essere neutro o negativo.

- Fuoco negativo: H<0 per tagli con gas inerti e taglio per vaporizzazione, vuol dire che il

laser viene focalizzato dentro lo spessore del pezzo.

- Fuoco neutro: H=0 taglio assistito con ossigeno, vuol dire che il laser viene focalizzato

sulla superficie da tagliare.

- Fuoco positivo: vuol dire che il punto di fuoco è superiore alla superficie del pezzo,

(ma non viene utilizzato nel caso di taglio).

Durante il taglio l’altezza del fuoco (h) deve rimanere costante

L’altezza del fuoco, appunto, dipende dal gas utilizzato:

- Con l’ossigeno come gas d’assistenza, si ha la necessità di far partire il processo

quindi di sciogliere una piccola pozza di materiale per far partire il processo di

ossidazione, quindi tutto il laser deve essere focalizzato/concentrato sulla superficie

esterna del materiale. Con l’ossigeno si utilizza un fuoco neutro: si cerca di focalizzare

il laser esattamente sul bordo superiore della superficie da tagliare.

- Con gas inerti, il taglio è dovuto alla vaporizzazione provocata dalla luce laser e non

dalla reazione di ossidazione, pertanto il fuoco è negativo. Solitamente il fuoco viene

posizionato a circa metà dello spessore da tagliare.

Ugello

L’ugello presenta un diametro di circa 1mm e viene posizionato a circa 1 mm e viene

posizionato a circa 1 mm dalla superficie da tagliare. La coassialità del fascio laser e gas è

fondamentale per la qualità del taglio, in caso anche di piccoli problemi si creano base e tagli

non perpendicolari alla lamiera. I fenomeni fluidodinamici sono abbastanza complessi per

cui per individuare la pressione ottimale del gas si ricorre solitamente a delle prove

sistematiche.

È uno dei componenti più critici perché trovandosi in corrispondenza della zona di taglio è

sottoposto a carichi termici elevati e gas di ritorno estremamente caldi oltre a vapori

metallici. A causa di ciò l’ugello è una parte sacrificale del sistema laser, e quindi

periodicamente deve essere sostituito. Gli ugelli risentono molto anche delle features

geometriche, cioè più piccole sono le features che si realizzano e maggiore sarà la frequenza

di sostituzione dell’ugello (in quanto per realizzare feature la v di taglio è bassa, quindi l’ugello

deve sostare per periodi di tempo più lunghi sopra zone molto calde). Il costo dell’ugello non è

elevato, la sua sostituzione non ha quindi un costo vivo ma ha un costo legato alla

manutenzione della macchina e al fermo produttivo. Infatti le macchine laser non sono

assistite: cioè una volta programmate lavorano ininterrottamente e possono tranquillamente

lavorare per turni di lavoro notturni/non sorvegliati (perché anche il cambio delle lamiere è

automatico). La coassialità del fascio laser e gas è fondamentale per la qualità del taglio, e in

caso anche di piccoli problemi si creano tagli non perpendicolari alla lamiera!

Formazione di bava

Uno dei problemi più grandi del laser è la bava, soprattutto quando si lavora con O2 come gas

di assistenza. La bava si forma sul bordo di uscita del laser, è costituita da materiale

fortemente ossidati e induriti, e ciò costituisce un problema se la superficie posteriore è

funzionale o se deve assemblarsi con altri componenti. Nel caso di gas inerti il problema delle

bave è molto meno sentito in quanto il materiale viene vaporizzato dalla luce laser. Per ridurla

è possibile aumentare la pressione dei gas di assistenza.

Una bava consistente può essere dovuta a:

- Pressione del gas è troppo bassa: per ridurre la bava si aumenta la P del gas.

- Potenza del laser è troppo bassa e quindi non si riesce a scaldare la parte finale del

pezzo; quindi, invece di vaporizzare fonde e tende ad aderire al retro del pezzo.

- V troppo elevata per la potenza adottata.

Haz: Heat A6ected Zone è la porzione di materiale prossima al lembo generato che ha subito,

durante il taglio, un’alterazione microstrutturale a causa del ciclo termico. Maggiore è la

velocità, minore è l’estensione.

Sorgenti

CO2: utilizzato solitamente per taglio piano e per spessori molto grossi, si usano potenze

intorno ai 3kW ma alcune applicazioni hanno sorgenti fino a 20kW. Si usa prevalentemente

per acciaio e talvolta per leghe di alluminio.

Nd:YAH: sono preferiti per tagli tridimensionali in quanto la fibra ottica permette una

maggiore flessibilità nei movimenti. Si usano per piccoli spessori e per materiali fortemente

riflettenti come alluminio. Le potenze possono arrivare fino a 4kW ma in generale sono

inferiori al kW. A parità di potenza sono più costose del CO2 per acquisto e gestione. Le

sorgenti sono impulsate quindi hanno una minore HAZ e raggiungono temperature più basse.

TEM: Per tagli su lamiere sottili dove si ha la necessità di una piccola profondità di campo si

utilizzano sorgenti con M^2=1 di tipo gaussiano. Per spessori maggiori si preferisce fare

riferimento a sorgenti con TEM 01 e distribuzione “a ciambella” che permettono una

profondità di campo maggiore ma hanno una dimensione dello spot più elevata. Ovviamente

le velocità di taglio devono diminuire.

L’elevata precisione permette di realizzare geometrie molto complesse con lo stesso

processo.

Materiali

- Acciaio: per fusione con ossigeno, con gli inossidabili si usa gas inerte, spesso CO2

- Alluminio: basso coe6iciente di assorbimento, si può utilizzare O2 non puro per

rendere più veloce il processo

- Titanio: con gas inerte, utilizzando ossigeno la reazione è troppo violenta

- Nichel: ok sia con gas inerte che con O2

- Rame: di6icile da tagliare per basso assorbimento, possibile solo per piccoli spessori

- Ottone: facile da tagliare

- Termoplastici: taglio per vaporizzazione

- Termoindurenti: taglio per degrado chimico

- Legno: taglio per degradazione chimica (C in CO2) utilizzando corrente d’aria

- Vetro e ceramica: si creano tanti fori con laser impulsato e poi si rompe per frattura

fragile

- Compositi: si tagliano bene se la matrice è metallica o se i materiali hanno coe6icienti

termici simili.

Saldatura laser

La saldatura laser è una saldatura autogena, in generale senza la necessità di materiale

d’apporto, che avviene in presenza di gas protettivo.

La grande di6erenza che c’è tra taglio e saldatura laser è nell’adozione dei gas di assistenza;

infatti, nella saldatura esistono due sorgenti di gas:

- La prima ha l’obiettivo di proteggere la lente di focalizzazione dal ritorno del materiale

vaporizzato

- La seconda non ha lo scopo di portare via il materiale fuso, ma ha il solo scopo di

ra6reddare il materiale per solidificarlo. In questo caso l’adduzione di gas non è

coassiale al fascio laser, ma è tangenziale alla superficie lavorata.

Di solito la saldatura laser viene fatta senza materiale d’apporto, cioè si prendono le due

superfici da saldare e si va a fonderle in concomitanza del punto di giunzione. A volte si può

utilizzare anche materiale d’apporto, questo di trova sotto forma di polvere metallica e viene

portato nella zona di saldatura da un ugello esterno che lo spara insieme a gas di assistenza.

La polvere quando giunge sotto la luce del laser viene sciolta e forma un piccolo cordone.

Esistono due tipi di saldatura laser: a bassa penetrazione e ad alta penetrazione; nella tecnica

ad alta penetrazione la saldatura attraversa tutta la superficie del metallo da saldare e con

essa si riesce a giuntare anche due superfici una sovrapposta all’altra. Per contro nella

tecnica a bassa penetrazione la saldatura è solo superficiale.

Saldatura a bassa penetrazione

Nella saldatura a bassa penetrazione si usa una bassa potenza e un fascio abbastanza

defocalizzato, a causa di ci&ogr