TAGLIO E TAGLIO E SALDATURA LASERSALDATURA LASER

TAGLIO E TAGLIO E SALDATURA LASERSALDATURA LASER

Prof. Gino Dini – Università di PisaProf. Gino Dini – Università di PisaUltimo aggiornamento: 9/11/11Ultimo aggiornamento: 9/11/11

Laser Beam Machining (LBM)Laser Beam Machining (LBM)Laser Beam Machining (LBM)Laser Beam Machining (LBM)Lavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termica

Laser Beam Machining (LBM)Laser Beam Machining (LBM)

lente di focalizzazione

fotoni

gas d’apporto

pezzo

Lavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termica

Luce laserLuce laserLuce laserLuce laser

• non monocromatica

• non coerente

• elevata divergenza

• bassa intensità luminosa

• non monocromatica

• non coerente

• elevata divergenza

• bassa intensità luminosa

• monocromatica

• coerente

• bassa divergenza

• elevata intensità luminosa

• monocromatica

• coerente

• bassa divergenza

• elevata intensità luminosa

Brillanza di alcune sorgentiBrillanza di alcune sorgentiSorgenteSchermo TV

Luna

LED

Cielo chiaro

Fiamma di candela

Sole all’orizzonte

Lampada ad incandescenza

Lampada a vapori di mercurio

Sole allo zenit

Laser focalizzato in continua

Laser focalizzato impulsato

Brillanza (stilb)0,08

0,25

0,68

0,80

1,00

600,00

1.000,00

30.000,00

165.000,00

10.000.000.000,00

100.000.000.000.000,00

Effetto laserEffetto laser

Effetto laserEffetto laser

Effetto laserEffetto laser

Distribuzione di BoltzmannDistribuzione di Boltzmann

E

N

T

E1

E2

N2 N1

Inversione della popolazioneInversione della popolazione

E

N

E1

E2

N2N1

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

E

N

T

E1

E3

N3 N1

E2

N2

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

E

N

E1

E3

N3N1

E2

N2

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

p

laser

rapida

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

E

N

T

E0

E3

N3 N0

E2

N2

E1

N1

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

E

N

E0

E3

N3 N0

E2

N2

E1

N1

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

plaser

rapida

rapida

Direzionalità del fascioDirezionalità del fascio

Direzionalità del fascioDirezionalità del fascio

Direzionalità del fascioDirezionalità del fascio

Direzionalità del fascioDirezionalità del fascio

Modi risonanti della cavitàModi risonanti della cavità

m = 12

m = 14

1

L

2

• Regime emissione energiaRegime emissione energia

• Materiale attivoMateriale attivo

• Distribuzione energetica del fascioDistribuzione energetica del fascio

Caratteristiche sorgente laserCaratteristiche sorgente laser

• laser a gaslaser a gas

• laser allo stato solidolaser allo stato solido

• laser allo stato liquidolaser allo stato liquido

• laser a semi-conduttorilaser a semi-conduttori

Materiale attivoMateriale attivo

Laser a gasLaser a gas

Transizioni del laser He-NeTransizioni del laser He-Ne

E

Elio Neon

1s

3s

3s

2s3p

2p

3,39 m

0,6328 m

1,15 m

Transizioni del laser a COTransizioni del laser a CO22

E

Azoto CO2

N2 eccitato CO2 eccitato

10,6 m

Laser allo stato solidoLaser allo stato solido

Tabella riassuntivaTabella riassuntiva

Laser Lunghezza d’onda Potenza Regime

[m] [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

SpettroSpettro

Modi trasversali di un laserModi trasversali di un laser

Esempio di sorgente laser COEsempio di sorgente laser CO22

Soitaab SL50

Esempio di sorgente laser COEsempio di sorgente laser CO22

Soitaab SL50

Potenza: 5.000 W

Campo di variazione: 1.000 - 5.000 W

Stabilità della potenza: ± 2%

Lunghezza d’onda: 10,6 m

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 COEsempio di sorgente laser CO22

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 materialeInterazione con il materiale

testa laser

fusione e vaporizzazione

gas protettivo

Micro-foratura con fascio laserMicro-foratura con fascio laser

Micro-foratura con fascio laserMicro-foratura con fascio laser

Percussion drillingPercussion drilling

Percussion drilling: Percussion drilling: rifocalizzazionerifocalizzazione

TrepanningTrepanning

filmato

Taglio con fascio laserTaglio con fascio laser

Micro-taglio con fascio laserMicro-taglio con fascio laser

Taglio con fascio laserTaglio con fascio laser

filmato

Macchina per il taglio laserMacchina per il taglio laserSoitaab LBS 2.5

Area di lavoro X Y: 3000 x 2000 mm

Escursione testa laser Z: 200 mm

Macchina per il taglio laserMacchina per il taglio laserSoitaab 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 laserSaldatura con fascio laser

filmato

Saldatura con fascio laserSaldatura con fascio laser

Saldatura keyholeSaldatura keyhole

Altre applicazioni industrialiAltre applicazioni industriali

Misura

Trattamenti termici

Marcatura

Rapid Prototyping

filmato

Vantaggi dell’LBM nei processi produttiviVantaggi 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’LBMSvantaggi 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 laserSistemi produttivi con sorgenti laser

Problematiche:

1.Utilizzo unica sorgente per più robot

2.Trasporto fascio fino al polso

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (1)time sharing (1)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (1)time sharing (1)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (1)time sharing (1)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (1)time sharing (1)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (2)time sharing (2)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: time sharing (2)time sharing (2)

Robot 1 Robot 2

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: energy sharing (1)energy sharing (1)

Robot 1 Robot 2

100 %

30 % 70 %

Impiego sorgente laser: Impiego sorgente laser: energy sharing (2)energy sharing (2)

Robot 1 Robot 2

100 %

30 % 70 %

Trasmissione fascio: Trasmissione fascio: robot a portalerobot a portale

Trasmissione fascio: Trasmissione fascio: robot articolato (1)robot articolato (1)

Trasmissione fascio: Trasmissione fascio: robot articolato (2)robot articolato (2)

sorgente laser

tubo con specchi

testa laser

Trasmissione fascio: Trasmissione fascio: robot articolato (3)robot articolato (3)

SensoriSensori