Appunti Tecnologie speciali m - parte sui laser

AGLIO CM

È la tecnologia laser più comune soprattutto per lamiere bidimensionali (leghe ferro-carbonio). Questa può

essere effettuate in due modi:

 Taglio per fusione

 Taglio per vaporizzazione (richiede un apporto energetico

circa il doppio)

Nella realtà non è facile distinguerli, e tendenzialmente si ha una combinazione. Il taglio per fusione è il più

utilizzato il cui obiettivo è scaldare fino a superare la temperatura di liquefazione del materiale.

Il taglio per vaporizzazione usato per tagliare spessori sottili (20-30 micrometri), come lamiere di alluminio.

Ha apporti energetici maggiori, dal 0,5mm in su taglio sempre per liquefazione.

Appunti di Tecnologie svolti da Saverio Rivelli

Non si possono utilizzare laser a diodi ma si usano prettamente laser a CO2 in quanto si va a cercare un TEM

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L’impianto può essere o con paraboloide di focalizzazione o a focalizzazione a lente.

2 Con paraboloide di focalizzazione 1 Focalizzazione con lente

Il taglio avviene per “evacuazione” della fase liquida attraverso l’utilizzo di gas di assistenza ad alta pressione

e velocità (generalmente in condizioni soniche). Per avere una buona qualità del taglio bisogna avere una

corretta e totale espulsione della fase liquida.

Nel caso in cui si sta lavorando materiali non metallici la situazione è più semplice in quanto non si passa per

la fase liquida ma si vaporizza direttamente.

Gli elementi caratteristici sono:

 Sistema di focalizzazione: posso usare il paraboloide di focalizzazione ma si usa tipicamente una lente

per evitare che il gas in pressione fugga verso l’alto (vedi figura sopra).

 Ugello: diametro solitamente circolare con distanza massima di un mm. Questo è fortemente

convergente per aumentare la velocità del gas in uscita. Dallo stesso foro passano sia il laser che il

gas.

 Gas di assistenza: hanno il compito di allontanare la fase liquida, aiutare il taglio stesso e contenere

la ZTA (zona termicamente alterata) in quanto il gas è freddo e quindi contrasta il calore.

Più lo spessore della lamiera è alto più devo spingere via la fase liquida e quindi necessito di velocità o portate

di gas maggiori.

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3.2.1 Taglio con gas inerte (pressioni <20 bar)

Nel taglio per fusione l'ideale sarebbe una condizione on-off cioè che appena arriva il fascio tutta la quantità

di materiale che devo tagliare diventi liquido. Questa condizione è molto vicina alla condizione del taglio per

vaporizzazione, dò talmente tanta intensità che non appena il fascio vede il materiale lo vaporizza. Purtroppo

quando sto utilizzando un taglio per fusione il trasferimento di calore tra fascio laser e materiale avviene per

conduzione, questo fa sì che non tutto lo spessore diventi liquido istantaneamente. Si utilizzano

principalmente elio, azoto e argon (quest’ultimo è il più utilizzato nei casi in cui ci siano problemi di

nitrurazione e perdita di resistenza alla corrosione). Viene utilizzata principalmente per i metalli e si

ottengono tagli di massima qualità in termini sia di finitura superficiale che tolleranze dimensionali, ma si

presentano sempre striature. Ci vuole tempo affinché venga espulsa la fase

liquida; infatti se si procede con velocità

elevate o con troppa potenza si può generare

un “gradino”. In questo caso il fascio laser è

assorbito dalla fase liquida e si va in

condizione di instabilità.

3.2.2 Taglio con gas reattivo (circa 10 bar)

Il taglio viene solitamente effettuato in ossigeno o in una miscela contenente ossigeno. Il laser serve sia per

fondere il metallo ma anche per far partire la reazione di ossidazione per la formazione di ossidi con basse

tensioni superficiali che sono facilmente allontanabili. Gli ossidi rilasciano energia a seconda del metallo

W W).

portandola a livelli altissimi (se taglio con 2 alla fine è come averne 4 Per questo è ottima poiché si

lavora con potenze laser più basse dato che il 50%della potenza totale è data dalle razioni di ossidazione.

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Con il titanio si ha quasi delle esplosioni mentre con gli acciai si ha un raddoppio della potenza laser, così

facendo possiamo aumentare le velocità di lavorazione o lavorare spessori maggiori. Il contro è la pessima

qualità e quindi la necessità di dover rifinire il lavorato con altre tecnologie.

Acciaio inox -> gas inerti

Alluminio -> ossigeno

Acciaio al carbonio -> entrambi

Rame -> ossigeno (sono costretto)

Alluminio-> molto difficile da lavorare con il laser in quanto molto riflettente per questo uso un po' di O2

Si ha un taglio discontinuo. Ad ogni innesco di reazione di ossidazione si ha una striatura; queste sono presenti

lungo tutto lo spessore e sono più irregolari verso il fondo dovuto alla carenza di ossigeno e ai moti turbolenti.

La periodicità delle striature dipende dalla velocità di reazione di ossidazione e dalla velocità di taglio (10

volte più veloce del precedente). Non tutti i materiali sono lavorabili con gas reattivo in quanto se si genera

uno strato di ossido superficiale impermeabile si riduce l’afflusso di ossido agli spessori sottostanti e quindi

si perde l’effetto benevolo della reazione.

2

Si ricerca sempre un M =1 e questo è ottenibile solo con laser a CO2 o con fibra. Si usa spesso il laser a CO2

poiché il fascio è ad alta densità di potenza e si ha alta qualità di taglio. I laser a diodi non sono utilizzabili

perché hanno bassa irradianza. Si utilizzano TEM per piccoli spessori e TEM per spessori maggiori in

00 01

quanto permette di aver il miglior compromesso tra densità di potenza e profondità di campo.

3.2.3 Parametri di taglio

 Velocità Velocità di taglio: massima velocità che consente di avere taglio

completo e di buona qualità.

Velocità di taglio ottimale: generalmente di poco inferiore alla

massima velocità di taglio.

Per spessori molto grandi l’effetto migliorativo in termini di

velocità che si ottiene con gas reattivi diminuisce perché l’ossigeno

arriva con meno facilità a contatto con i bordi della lamiera.

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 Densità di potenza All’aumentare della potenza aumentano velocità di taglio

(pressoché lineare con la potenza) e lo spessore minimo.

L’aumento della velocità di processo dipende dalla densità di

potenza (irradianza) e quindi da:

 Potenza del fascio

 Qualità del fascio

 Lunghezza focale (lunghezze focali corte aumentano

l’irradianza ma penalizza la profondità di campo e quindi lo

spessore tagliabile)

 Posizione del fuoco

La posizione del fuoco dipende dallo spessore da

irradiare. Per fusione a ossigeno il fuoco viene

posizionato sulla superficie così da facilitare

l’ossidazione e far sì che la superficie senta meno

questa reazione esplosiva. Per fusione con gas inerti

invece il fuoco viene messo sotto la superficie di una

quantità che dipende dallo spessore per facilitare il

taglio e per facilitare lo smaltimento perché la spinta del gas diventa più efficace. Una volta fissata la

posizione del fuoco questa deve rimanere invariata per tutta la durata del taglio.

 Diametro, posizione e portata

Il diametro dell’ugello è di solito compreso tra 0.5-2 mm ed è legato alla portata del gas di assistenza

che deve affluire: maggiore è lo spessore da tagliare, maggiore è la porta di gas necessaria per il

distacco delle bave e maggiore è il diametro dell’ugello.

L’allineamento tra il fascio ed il gas deve essere ottimale.

Le pressioni variano tra i 10 e i 20 bar (questa pressione è utilizzata per spessori maggiori o per

materiali con tensioni superficiali alte così da limitare la formazione di bave).

 Problemi: 2 2

- La profondità di campo è proporzionale all'M . M molto piccoli danno profondità di campo molto

piccole e quindi si va nella direzione opposta al potersi permettere di spostare più in basso il fuoco.

Non è detto quindi che il laser in fibra sia la soluzione vincente.

µm, λ µm)

2

-A parità di M (λ = 10, 6 = 1,06 il diametro del fuoco con laser CO2 è 10 volte

CO2 SOLIDO

maggiore di quello allo stato solido. Allora verrebbe da dire meglio solido, invece no perchè essendo il taglio

un problema fluidodinamico maggiore è il diametro del fuoco e più è facile che riesca a convogliare il gas di

assistenza dentro al solco di taglio e quindi a rimuovere la fase liquida. A parità della qualità del fascio per la

fisica del processo si ha un vantaggio a usare CO2, e il vantaggio è tanto più marcato quanto più è spessa la

2

lamiera che si deve tagliare. Si ottengono quindi striature meno marcate. Un laser a CO2 ha gli stessi M di

→

un laser a disco/fibra di ultima generazione ma ha un diametro più grande se ho una lamiera che non

conosco e ho un laser a CO2 se non riesco a tagliare basta andare più piano. Oltre ad essere più economico il

laser a CO2 aiuta a risolvere molti problemi di taglio. Il laser in fibra e in disco no. Perchè allora oggi il CO2

comincia a soffrire molto? I rivenditori volutamente creano laser in fibra per il taglio con qualità più bassa,

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2

che non hanno M = 1 (fasci multimodo con TEM non 00). Questo li aiuta ad avere diametri più larghi ed

essere più accoglienti per il gas di smaltimento della fase liquida.

→

N.B Quando si devono tagliare delle lamiere che hanno spessori sotto il mezzo mm allora ci si può

permettere un laser in fibra TEM00 focalizzato in superficie con massima velocità. Quando gli spessori

diventano grandi (sopra al mm) nessuno oggi compra dei laser in fibra singolo modo, si comprano laser in

fibra multimodo con qualità più bassa per cercare di arrivare a diametri maggiori (quindi il TEM00 viene usato

solo per spessori piccoli, inferiori al mm). Dalla sorgente il fascio laser in fibra esce multimodo, oggi si prende

una fibra di trasporto che lo trasforma in un TEM01* (a ciambella) annullando i modi che non servono.

 Bave

La bava si forma solo nel taglio per fusione: si forma nello spigolo inferiore della lamiera a seguito

della repentina solidificazione della fase liquida prima di abbandonare la lamiera. L’estensione della

bava è tanto maggiore quanto è maggiore la tensione superficiale e la visco