La saldatura laserLa saldatura laser

Tecnologie di saldatura per fusioneTecnologie di saldatura per fusione

• saldatura ad arco (MIG, TIG, SAW, Plasma ecc.)• saldatura a gas (ossiacetilenica, ossidrica ecc.)• saldatura ad elettroscoria• saldatura alluminotermica+ saldatura a fascio elettronico+ saldatura laser

Tecnologie ad alta densità d’energiaTecnologie ad alta densità d’energia

Densità di energia

Procedimenti ad arco 102 - 104 W/cm2

Arco plasma 103 - 106 W/cm2

Fascio elettronico 105 - 108 W/cm2

Laser 105 - 107 W/cm2

Funzionamento del laser

Materiale

Sorgente di pompaggio

specchio 1 specchio 2

attivo

• espansione di un gas• reazione chimica• ottico• elettrico

• direzionalità• monocromaticità• coerenza• brillanza

riflettente semi-riflettente

Tipi di laserTipi di laser

• Laser a liquidi (a coloranti)• Laser chimici• Laser a elettroni liberi (FEL)+ Laser a semiconduttore (a diodo)+ Laser a stato solido

a rubino+ a neodimio

+ Laser a gasHe-NeAr+

ad eccimeri+ CO2

laser a COlaser a CO22

Materiale attivo: CO2 (CO2 , N2 , He)

Pompaggio: elettrico (DC, RF, HF)

Lunghezza d’onda della radiazione: 10,6 µm

Funzionamento: pulsato e in continuo

Range di potenza: fino a 25 kW

Sistemi di focheggiamento:a trasmissione (KCl, ZnSe)a riflessione (Cu, Mo, Au)

Saldatura autogena in passata singola di alti spessori

Sistema a 5 assi

Materiale attivo: cristalli di granato di Ittrio - Alluminio attivato con Neodimio (Nd3+)

Pompaggio: ottico (lampade flash allo Xe, Kr, laser a diodi)

Lunghezza d’onda della radiazione: 1,06 µm

Funzionamento: pulsato e in continuo

Range di potenza: fino a 6 kW in continua

Sistemi di focheggiamento: a trasmissione

Robotizzazione via fibra ottica Robot a 6 assi

laser a Nd:YAGlaser a Nd:YAG

laser a diodilaser a diodi

Materiale attivo: semiconduttore

Pompaggio: elettrico

Lunghezza d’onda della radiazione: 808 nm - 940 nm

Funzionamento: pulsato e in continuo

Range di potenza: fino a 4 kW in continua

Sistema di focheggiamento: a trasmissione

Accoppiamento con robot (10 kg)

Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazioneParametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione

Diametro del fuoco (teorico)

Diametro del fuoco (reale)

Profondità di campo

specchio lente

Piano di lavoro

Lungh.focale

f

Fattore di qualità

M2(CO2) « M2(Nd:YAG)

Distribuzione dell’energia nel fascio laserDistribuzione dell’energia nel fascio laser(TEM)(TEM)

Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazioneParametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione

φφd = (f/fc) * φφc

fibra

lente di ricollimazione

lente di focalizzazione

punto focale

trasmissione del fascio con fibra ottica

BP = θθ D/2

M2 ≅≅ 3BP

fibra

lente di focalizzazione

cavo fibra

sistema di collimazionee focalizzazione

Principio della saldatura laserPrincipio della saldatura laser

Saldatura per conduzione _____> saldatura con Keyhole

3

1

2

4

1. Plasma

2. Materiale fuso

3. Keyhole

4. Profondità della saldatura

• Riscaldo di una zona localizzata

• Creazione di un bagno fuso

• Riscaldamento del fuso al di sopra della temperatura di evaporazione

• Creazione del keyhole

Alluminio

Laser CO21,2 106 W/cm2

Laser Nd:YAG7,5 105 W/cm2

CoeffCoeff. Assorbimento . Assorbimento vsvs. lunghezza d’onda. lunghezza d’onda

Processo di saldatura laserProcesso di saldatura laser

Fascio laser•potenza•velocità relativa fascio/pezzo•distribuzione dell’energia nel fascio (K)

Sistema di focalizzazione•trasmissione/riflessione•lunghezza focale•posizione fuoco

Gas di protezione•tipo/portata•geometria Materiale

•tipo•preparazione•geometria

Materiale d’apporto

+ Alta velocità di saldatura ( > 1 m/min)

+ Aumento delle possibilità di automazione

+ Bassi apporti termici• Zona fusa e Zona termicamente alterata estremamente ridotta• Bassi valori di deformazioni totali• Sistemi d’afferraggio meno severi

+ Saldabilità di giunti eterogenei

+ Saldature in posizioni di difficile accessibilità

+ Buona riproducibilità ( 2% per P≤ 5 kW)

Caratteristiche della saldatura laser Caratteristiche della saldatura laser

Difetti nella saldatura laserDifetti nella saldatura laser

CriccheCricche

PorositàPorosità

Difetti geometrici Difetti geometrici del cordonedel cordone

composizione chimica

cicli termici

contaminazione della superficie

gas di protezione intrappolato

insuff. accoppiamento lembi

AA5083 3mm

Acciaio C-Mn

Acciaio C-Mn 8mm

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Acciaio HSLA - 2mm / 1 mm Acciaio 430 - 1,2 mm / 2 mm

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioniAcciaio

saldatura a trasparenza

Inox STR12 - 2 mm / 1,2 mm

Inox 630 - 0,5 mm / 0,5 mm

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioniLeghe d’alluminio

Laser DC 025AA 6082 T6 spessore 3 mmv= 3 m/min

Laser DC 025AA 6082 T6 spessore 5 mmv= 1,2 m/min

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Laser HF 860Acciaio TMCP grado 355spessore 8 mmv = 0,8 m/min

T H E R M A L C Y C L E S

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

0 170 340 510 680 850 1020 1190 1360 1530 1700 1870 2040 2210 2380 2550 2720 2890 3060 3230 3400 3570 3740 3910 4080 4250 4420

T ime (1 /100 s )

Te

mp

era

ture

(°C

)

Thermocouple 1 Thermocouple 2 Thermocouple 3

Thickness 8 mm

THERMOCOUPLE DISTANCES:

THERMOCOUPLE 1 : 0,8 mm

THERMOCOUPLE 2 : 0,9 mm

THERMOCOUPLE 3 : 1,0 mm

∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .1 s

∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .2 s

∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .6 s

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Titanio

Laser HF 860Ti c. p. spessore 2,7 mmv= 6,6 m/min

Laser HF 860Ti c. p. spessore 0,7 mmdiametro 19 mmv= 9 m/min

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Acciaio giunti a T

Il taglio laserIl taglio laser

Tecnologie di taglio termicoTecnologie di taglio termico

• taglio ossiacetilenico• taglio al plasma+ taglio laser

Tipologie di taglio laserTipologie di taglio laser

++ per sublimazioneper sublimazione

++ per fusioneper fusioneN2 Ar

++ per combustioneper combustioneO2

materiali ceramici, materie plastiche, legno ecc.

titanio, alluminio, acciaio inox, vetro ecc.

acciaio

+ Zona rimossa (kerf) estremamente piccola (0,1µµm÷0,5µµm)

+ Zona termicamente alterata estremamente ridotta

+ Assenza di ossidi

+ Riproducibilità

+Versatilità d’impiego

Caratteristiche del taglio laser Caratteristiche del taglio laser

C-Mn O2 s < 20 mmAcciaio

Inox N2 alta press. bave s < 12 mm

Leghe d’alluminio N2 alta press. bave s < 8mm

Titanio Ar bave

Leghe di nichel aria

Leghe di rame inerte s < 1 mm

Materiali vetrosi N2

Materiali ceramici N2

Materiale Gas Note Spessori

Principio del taglio laserPrincipio del taglio laser

1. Gas di processo

2. Ugello di taglio

3. Offset ugello

4. Velocità di taglio

5. Materiale fuso

6. Scoria

7. Rugosità (striature)

8. ZTA

9. Larghezza kerf

1

5

4

6

3

2

789

Processo di taglio laserProcesso di taglio laser

Parametri che controllano la qualità del taglio

Fascio laser spot TEMpulsato o CWpolarizzazione (lineare)lunghezza d’onda

Movimentazione velocitàposizione del fuoco (autofocus)

Gas pressioneposizione, forma ugellocomposizione

Materiale proprietà otticheproprietà termiche

(1) lente(2) ugello(3) camera a pressione(4) materiale

t = (Wt - Wb) / 2a

Controllo qualità bordiControllo qualità bordi

ConicitàRugosità

Parametri misurati Ra Rz Ry

spessore <2 spessore >2

S/22S/3

DIN 2310

Controllo qualità bordiControllo qualità bordi

spaziatura

piegatura Piano x,y

profondità

Piano y,z

profondità

larghezza

DIN 2310

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Acciaio inox ferritico 2 mm

Laser DC 025v=4,5 m/mingas = N2P = 15 bar

Laser DC 025v=6 m/mingas = O2P = 4 bar

Acciaio FEE 355 2 mm

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

Laser CO2V = 2150 mm/minGas = O2Ra = 4

Acciaio FE510 norm. 7mm

AA 5083 12mm

Laser CO2V = 600 mm/minGas = N2Ra = 2,5 - 6,2

Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni

AA5083 7mm

Laser CO2

V = 1350 mm/minGas = N2

Ra = 2 - 8,7