Domande con risposte esame Optimization and innovation of production processes

LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

Quali sono le di[erenze fra una saldatura laser a bassa penetrazione e ad alta

penetrazione sia in termini di caratteristiche del giunto che di parametri di processo

utilizzati per ottenere le due saldature?

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

producendo un cordone con larghezza simile alla profondità. Il calore si propaga rapidamente

senza vaporizzazione del materiale, causando basse sollecitazioni e assenza di tensioni

residue, ma anche una resistenza meccanica abbastanza buona. Il vantaggio principale è

l’elevata velocità del processo.

Nella saldatura per profonda (alta) penetrazione impiega invece un’elevata densità di

potenza, che provoca la vaporizzazione del materiale e rende il trasferimento di energia molto

eEiciente. Il processo avviene in equilibrio dinamico: il materiale fonde, vaporizza sotto il suo

fascio, rifonde a valle e solidifica formando un cordone di elevata qualità e profondità.

Cosa cambia fra taglio laser con gas inerte ed una con ossigeno? Spiegare il meccanismo

di taglio del materiale con ossigeno.

Con gas inerti si ha una superficie di taglio molto definita mentre con l’ossigeno si ha una

maggiore rimozione di materiale ma la superficie tende ad avere delle bande. Con l’ossigeno

la velocità di taglio è circa doppia rispetto al gas inerte, o, a parità di taglio, si possono usare

macchine con una potenza minore.

Il taglio con ossigeno avviene innescando reazioni esotermiche di ossidazione:

Il processo di taglio prevede una prima fase di riscaldamento seguita da una di ossidazione

che procede più velocemente del fascio. La propagazione veloce allontana la zona ossidata

dal fascio laser e dal flusso di ossigeno per lui la reazione si ferma. A questo punto il laser

raggiunge nuovamente la superficie da tagliare e il processo ricomincia.

Fare uno schema e spiegare le principali caratteristiche di un processo di taglio al

plasma.

Il taglio al plasma utilizza energia elettrica per ionizzare un gas, generando un flusso di

plasma ad altissima temperatura (10.000-14.000°C) che, canalizzato in un getto ad alta

velocità, fonde il metallo e rimuove il materiale fuso dallo spessore di taglio. Il plasma si

forma tra l’elettrodo della torcia e il pezzo, che funge da anodo, e viene diretto tramite un

ugello raEreddato ad acqua. Il getto risultante è molto collimato e permette di tagliare anche

grandi spessori, fino a circa 150 mm. I gas primari utilizzati sono azoto, argon o loro miscele,

mentre i gas secondari o acqua servono a confinare l’arco e a pulire il taglio dai residui fusi.

FASI:

- Fase di riscaldamento

- Innesco della reazione di ossidazione

- Innesco della reazione di ossidazione

- Arresto della reazione

- Fase di riscaldamento

- Innesco della reazione di ossidazione

- Arresto della reazione

- Fase di riscaldamento

- Solco continuo.

Quali sono i criteri per la scelta del punto di fuoco in una lavorazione laser? E quali per la

scelta del TEM? E cosa identifica questo indicatore?

Altezza del fuoco H è la distanza tra il fuoco e la superficie del pezzo.

A seconda del gas utilizzato il fuoco può essere neutro, positivo 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 H>0: vuol dire che il punto di fuoco è superiore alla superficie del

pezzo (non viene utilizzato nel caso di taglio).

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

Il valore TEM (Transverse Electromagnetic Modes) identifica la distribuzione spaziale del

fascio laser nell’area di focalizzazione. Txy, dove i due numeri indicano il numero di minima

potenza lungo x e y.

Taglio a getto d’acqua (Water Jet).

Il Water Jet (WJ) sfrutta come elemento per il taglio l’acqua, mentre il AWJ sfrutta come

elementi per il taglio l’acqua e materiale abrasive (di solito olivina, contenuta in una

tramoggia). L’energia di taglio è data da acqua in forte pressione, generata da una pompa a

4000-8000 bar, con velocità fino a 900 m/s. La pompa di altissima pressione invia acqua ad un

ugello che trasforma l’energia di pressione in cinetica.

Il sistema di aumento della pressione dell’acqua è con pistone a doppio eEetto. Con esse si

tagliano fino a 150 mm di spessore e non si hanno zone termicamente alterate però il

processo è rumoroso e con costi di impianto elevati.

Alcuni dei vantaggi del Water Jet sono:

- La superficie del materiale non viene deformata né combusta, come invece avviene in

alcune tecniche di taglio termiche e meccaniche.

- Lo sfrido di materiale è minimo, grazie al ridotto spessore di taglio.

- Il taglio può iniziare in qualsiasi posizione non sono necessarie pre-forature, a patto di

adottare alcuni accorgimenti: poiché i compositi possono delaminarsi nell’area

circostante la penetrazione originaria.

- Non viene generato né calore, né prodotta polvere, limitando i pericoli per la salute

degli operatori.

Laser

Il laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) è un dispositivo che utilizza una

cavità ottica con due specchi per intrappolare e amplificare un fascio di luce tramite

emissione stimolata all’interno di un mezzo attivo. Le molecole eccitate possono emettere

fotoni spontaneamente o per stimolazione, generando fotoni coerenti che si propagano nella

stessa direzione e fase; un alimentatore mantiene il mezzo in stato eccitato permettendo

l’amplificazione continua.

Il laser produce un fascio di fotoni altamente focalizzato e, per funzionare, richiede una

sorgente di eccitazione, un mezzo di trasporto della luce e un sistema ottico di focalizzazione.

Grazie a queste caratteristiche, il laser consente lavorazioni di taglio, saldatura e formatura

anche in zone diEicilmente accessibili. Le prestazioni dipendono fortemente dalle proprietà

del materiale, in particolare riflettività, conducibilità termica e calore latente di fusione.

Quali sono le principali di[erenze fra una macchina per il taglio laser ed una per la

saldatura laser? E quali le principali di[erenze fra una sorgente laser allo stato solido e

CO2?

Utilizzo del gas di assistenza:

- Taglio laser: il gas ha la funzione di asportazione del materiale fuso e protezione della

lente. Il flusso è coassiale al fascio laser.

- Saldatura laser: sono presenti due flussi di gas, uno per proteggere la lente dal

materiale vaporizzato, uno per raEreddare e solidificare il cordono. Il flusso non è

coassiale, ma tangenziale alla superficie.

Densità di fascio:

- Taglio laser: richiede elevata densità di potenza e spot molto focalizzato per

vaporizzare il materiale.

- Saldatura laser: usa potenze inferiori, fascio spesso defocalizzato e spot più grande,

soprattutto per saldature a bassa penetrazione.

Nd-YAG: utilizza il neodimio in una matrice di granato di alluminio e ittrio come mezzo attivo,

eccitato da lampade flash, emettendo luce a λ = 1,06x10³ nm con una frequenza di 200Hz.

Sebbene la Potenza media non superi I 500W, il Sistema è leggera e portatile.

CO2: usa l’anidride carbonica come mezzo attivo, emettendo luce con λ = 1,04x10⁴ nm in

modo continuo oppure ad impulsi. La sua Potenza media varia da 500 a 1500W, ma il peso e

l’ingombro ne limitano la mobilità.

Di[erenza tra emissione continua e pulsata.

Il laser continuo permette di ottenere un taglio continuo mentre un laser ad emissione

pulsata ha la tendenza e generare microfori.

Nel laser a emissione continua l’energia viene fornita in modo costante nel tempo, causando

un riscaldamento progressivo del materiale e una maggiore diEusione del calore, con una

zona termicamente alterata più estesa. È adatto a lavorazioni continue come taglio e

saldatura.

Nel laser a emissione pulsata, invece, l’energia è concentrata in impulsi brevi ad alta potenza

di picco, che permettono un riscaldamento molto localizzato, riducendo gli eEetti termici e

aumentando la precisione della lavorazione.

Problemi presenti in una zona termicamente alterata.

La HAZ (Heat AEected Zone) è la zona adiacente al bordo di taglio in cui il calore del laser

provoca un’alterazione microstrutturale del materiale. La sua estensione diminuisce

all’aumentare della velocità di taglio, poiché si riduce il tempo di esposizione al calore. La

profondità e l’ampiezza della HAZ dipendono principalmente dall’energia termica applicata e

dalla velocità di lavorazione. Questa zona comporta svariati problemi:

- Ossidazione della zona stessa (superficie): dovuta alle alte temperature in presenza

di ossigeno.

- Indurimento localizzato del bordo di taglio: raEreddamento rapido e possibile

tempra involontaria.

- Fragilità aumentata: maggiore rischio di cricche e propagazione dei difetti.

- Tensioni residue: generate dai forti gradienti termici, che compromettono l’integrità

del pezzo.

Come creare superfici perfettamente verticali con il plasma?

L’unico modo è quello di orientare il taglio in modo da avere una superficie buona di taglio

dalla parte del pezzo che mi interessa e una superficie di taglio inclinata dalla parte del pezzo

da scartare. Creare due superfici verticali con il plasma non è possibile dato che il taglio HDP

da sempre luogo a superfici tronco-coniche.

Che gas si usano nel taglio al plasma?

Come gas di assistenza si usano diversi tipi di gas a seconda del materiale e le dimensioni del

pezzo da lavorare:

- Per taglio al plasma di acciai a grande spessore si utilizza ossigeno, sfruttando anche il

calore di ossidazione.

- Per taglio al plasma di acciaio inossidabile, non si usa ossigeno a causa della

decromazione.

- Per leghe leggere si utilizza aria o azoto in modo da evitare reazioni violente tra

ossigeno e alluminio.

- Per titanio si utilizza aria o azoto.

Metodo HDP

Il metodo HDP (High Density Plasma) è una

tecnologia che rende il fascio di plasma più sottile e

concentrato, migliorando la precisione e la qualità

del taglio rispetto al plasma convenzionale.

Richiede un foro di sfondamento iniziale per consentire al getto di attraversare il materiale

senza danneggiare le zone circostanti. Il processo viene spesso eseguito sotto acqua per

ridurre rumore e dispersione di scorie. L’uso di gas inerti o ossigeno come gas di assistenza

migliora la rimozione del materiale fuso e il raEreddamento. Grazie all’elevata precisione,

l’HDP è adatto a lavorazioni di alta qualit&agr