Introduzione Al Taglio Laser

Introduzione al

taglio laser

Luca Bianchini

LASE

R

LL

AASSEE

RR

The laser is a source of radiation which, depending on its type, emits electromagnetic radiation in wavelengths between th e ultraviolet and infrared range when induced with energy.

Energy

Laser Beam

Medium

ightight

mplification bymplification bytimulatedtimulatedmission ofmission of

adiationadiation

Despite the fact that not all lasers emit radiation visible to the human eye(400-750mm range), the laser is still termed a l ight source and its radiation referred to as laser light.

The most distinctive properties of laser radiation are the following:

Characteristics of Laser

Characteristics of a laser beam compared with incoh erent light

Incandescent Lamp Laser

large divergence

Incoherent

not monochromatic

monochromatic

coherent

small divergence

Parallel (very small divergence)Parallel (very small divergence)

Coherent (all waves in phase)Coherent (all waves in phase)

Monochromatic (defined wavelength)

An overview of the electromagnetic spectrum

CO2 Laser (10600nm)

He-Ne Laser (632nm)

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

Lasers are equipment which produce light.

Laser basically consists of three components.

L A S E RL A S E RL A S E R

Energy Active Medium Resonator

which consists of a tube and two separate mirrors, the latter being arranged at a fixed distance from each other.

Beam

Energy a so-called“pump” which“pumps” the energy to

Active Medium which absorbs a portion of the pumped energy and is to be found in

Resonator

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

CO2 laser design

Plasma tube

High voltage supply

Partiallyreflectingmirror

Gas mixture(active medium)

Totallyreflecting mirror

The glass tube is filled with a gas mixture of heli um, nitrogen and carbon dioxide.

This mixture is ignited by 20,000 volts of direct v oltage.

The energy is transmitted to the CO 2 molecules and the nitrogen.

The Helium is solely used as cooling gas.

The electrical energy is usually injected in either of two ways.

In a laser with direct-current excitation, injectio n is effected with a direct voltage of

approx 20,000 volts and a current of approx 60mA. T he energy is supplied to the

cathode ring located in the glass tube, and the dis charge takes place at the anode where the fresh gas mixture flows in.

DC Excitation

Cool gas Hot gas

Cathode

Anode

AuxiliaryCathode

High VoltagePower SupplyHigh VoltagePower Supply

Current regulated

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 ov er conventional tools.

Advantages of Laser

Non-contact machining

Low noise

Vibration free

Little heat affected zone (HAZ)

No deformations

High speed

Accumulate control

Good repeatability

Full automation possible

High reliability

No tool cost

No change-over time

Low maintenance cost

Machining of material that are difficult to melt

Necessità di processo

Invarianza del diametro del waist focalizzatoMateriali sottili

• Densità di potenza maggiore possibile

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

Processo di taglio

Gas-assisted cutting is one of the most common indu strial laser applications.

Physics of Laser CuttingPhysics of Laser Cutting

• Absorption of laser light

• Emission of thermal radiation

• Heat conductivity

• Melting and evaporation of metal

• Chemical reactions (Oxidation)

• Aero-and Hydro dynamics

• Plasma formation

• Absorption of laser light

• Emission of thermal radiation

• Heat conductivity

• Melting and evaporation of metal

• Chemical reactions (Oxidation)

• Aero-and Hydro dynamics

• Plasma formation

Physics of Laser Cutting

Laser beam

Lens

Nozzle

Process Gas:

O2, N2, Ar, ...

Work piece

When laser fusion is used, cutting the work piece i s melted locally and the molten material is ejected with the help of gas flow. As t he transport of material takes place in the liquid phase only, this process is ref erred to as laser fusion cutting.

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

In the process of laser sublimation cutting the mat erial is evaporated in the kerf. Very high laser intensities are required in this ca se.

Kinds of Laser Cutting

Laser fusion cutting

Laser Flame cutting

Laser Sublimation cutting

Laser fusion cutting

Nel laser fusion cutting il volume di kerf ètrasformato soprattutto in stato fuso ed espulsofuori dal kerf con un gas inerte ad alta pressione.

Laser Oxidation cutting

La reazione esotermicadell’ossigeno con il materiale è di supportoal processo di tagliolaser fornendo calore addizionale.

Per favorire l’evacuazione delleemissioni gassose calde sul pezzo e prevenire la condensazione all’internodel kerf, un gas di processo è utilizzato per l’espulsione del materiale gassoso all’esterno del kerf.

Laser Vaporization cutting

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

Parametri di processo

- VelocitVelocitàà di tagliodi taglio: velocità di sicurezza 80-90% della velocità massima- Posizione del fuocoPosizione 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 gasPressione 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 rotazionaleSimmetria 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).

Process optimization

Nozzle

Gas (type and pressure)

Cutting speed

Laser Power

Focal Length

Intensity Distribution

Polarization

Diagrammi tipici del taglio laser:a) Velocità – Spessoreb) Velocità – potenza laserc) Velocità – posizione focale

Testa di taglio

APL + Pr = PTp+Pm+Pv+Pl

A =assorbimentoPL= potenza laserPr = Reazione esotermicaPTp = potenza per raggiungerela temperatura del processo TpPm = potenza per fondere il volume di kerfPv = potenza per evaporazione Pl = potenza per compensare il calore perso per conduzione

Power balance contribution

Potenza assorbita per spessore di taglio durante la fusione conil fascio laser.Confrontato con l’acciaio, l’alluminio ha una richiesta di potenza a basse velocitàa causa della sua alta diffusivitàtermica, ed una richiesta di potenza più bassa rispetto all’acciaio ad alte velocità per la bassa temperatura di fusione.

Power absorbed / Cutting depth

Generazione delle striature del fronte di taglio

Effetti dello stop-start (microgiunzioni) su alti spessori

Work piece

Laser beam

Lens

Nozzle

Process gas:

2O , N 2 , Ar ...

MarkingMarking

DrillingDrilling

CuttingCutting

WeldingWelding

Surface TreatmentSurface Treatment

BendingBending

Functions of Laser machines

CuttingCutting

Machine Good Point Weak Point

Punch Press Settled and repeating shape

operation

Tool design and preparation time is necessary.

Tool cost is expensive

EDM Good kerf, to cut thick metal is

easy

Cutting speed is low

To cut non-metal is impossible

Milling Machine 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

WeldingWelding

TIG Low cost Low speed

Wide welding portion

Resistance Low cost Electrode is abrasive

Low speed

Bending I occurred

Electron beam Good welding quality

Deep welding

High installation cost

Process should be done in vacuum statesLow efficiency

Laser High speed

Narrows welding portion non-contact processing

To weld other kinds of metal is possible

High installation cost

To process highly reflective metal is difficult

Machine Good Point Weak Point

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.


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



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



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



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


Caratteristiche geometriche del giunto saldato.

larghezza all’interfaccia

larghezza sulla superficie

profondità dipenetrazione

zona termicamente alterata

zona fusa


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 (1)

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)

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


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)


I tipi di giunto più comuni nella saldatura laser sono:

• a lembi sovrapposti

• di testa

• a T

Tipologie di giunto (1)

Giunto a lembi sovrapposti


Esempio di giunto a lembi sovrapposti

Tipologie di giunto (2a)

Giunto a T


Esempio di giunto a T


Giunto di testa


Esempio di giunto di testa


I vantaggi principali della saldatura laser sono:

• elevata penetrabilità

• elevata velocità di processo

• zona termicamente alterata ridotta

• precisione elevata

Vantaggi 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

Svantaggi della saldatura laser

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 (1) - EBW

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 (2) - TIG

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

Altre tecnologie (3) – MIG/MAG

I materiali maggiormente interessati dalla saldatura laser sono:

• acciai inossidabili

• acciai comuni

• acciai comuni bizincati

• leghe di alluminio

• leghe di titanio

Materiali (1)

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 (2) - Inossidabili

• 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


Materiali (3) – Acciai comuni

• 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


Materiali (4) - Bizincati

• 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

Materiali (5) – Leghe di Al

• Le prove di qualifica di un giunto di saldatura sono legate alla funzione che il giunto dovràassolvere

Esempi:

- resistenza a trazione

- durezza

- fatica

- resilienza

- test di ermeticità (liquidi penetranti, raggi X, ultrasuoni)

- macrografie

Qualifica del giunto

• Automotive

• Industria Aerospaziale (strutture)

• Industria Aerospaziale (motori)

• Tailored blanks

• Componenti meccanici

• Saldature estetiche e di precisione

• Industria nucleare

• Industria alimentare

• Attrezzature mediche

Applicazioni

Le procedes de soudage par fusion –

Le soudage laser (Air Liquide)

Laser welding – A practical guide

(C. Dawes –Abington publishing)

Saldatura e taglio(P. Houldcroft, R. John – g.e. Jackson)

Bibliografia

Introduzione Al Taglio Laser

Documents

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