TAGLIO E SALDATURA LASER

TAGLIO E TAGLIO E SALDATURA LASERSALDATURA LASER

Prof. Gino Dini – Università di PisaProf. Gino Dini – Università di PisaUltimo aggiornamento: 18/9/08Ultimo aggiornamento: 18/9/08

Laser Laser BeamBeam MachiningMachining (LBM)(LBM)

lente difocalizzazione

fotoni

gas d’apporto

pezzo

Lavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termica

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

Luce laserLuce laserLuce laser

• non monocromatica

• non coerente

• elevata divergenza

• bassa intensitàluminosa

• non monocromatica

• non coerente

• elevata divergenza

• bassa intensitàluminosa

• monocromatica

• coerente

• bassa divergenza

• elevata intensitàluminosa

• monocromatica

• coerente

• bassa divergenza

• elevata intensitàluminosa

Effetto laserEffetto laser

Effetto laserEffetto laser

Effetto laserEffetto laser

Distribuzione di Distribuzione di BoltzmannBoltzmann

E

N

T

E1

E2

N2 N1

KTE

KTE

e

eNN

1

2

2

1

−

−

=

Inversione della popolazioneInversione della popolazione

E

N

E1

E2

N2N1

Emissione stimolata competitiva con l’assorbimento al livello fondamentale!

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

E

N

TE1

E3

N3 N1

E2

N2

INSTABILE

METASTABILE

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

E

N

E1

E3

N3N1

E2

N2

12

3212 +

++≥

NNNN

Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici

νp

νlaser

rapida

hEE

P13 −=υ

hEE

L12−=υ

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

E

N

T

E0

E3

N3 N0

E2

N2

E1

N1

INSTABILE

METASTABILE

INSTABILE

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

E

N

E0

E3

N3 N0

E2

N2

E1

N1

N2 > 1

Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici

νpνlaser

rapida

rapida hEE

P03 −=υh

EEL

12 −=υ

Metodi di pompaggioMetodi di pompaggio

1. Ottico

Lampade flash

2. Eccitazione diretta con elettroni

Scarica elettrica o Tickle pulse (solo per laser a gas)

3. Eccitazione mediante collisione atomo-atomo

Miscela di gas

A*+B A+B*

DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio

DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio

Materiale emette in tutte le direzioni!

Serve una corretta conformazione del materiale attivo.

DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio

La radiazione si perde alle estremità!

Creare una cavità risonante che amplifichi l’effetto della radiazione.

DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio

Radiazioni “non laser” si dissipano in calore.

Elevate perdite! In generale i laser hanno rendimenti bassi.

•• laser a gas laser a gas (ricircolo del gas)(ricircolo del gas)

•• laser allo stato solido laser allo stato solido (raffreddamento!)(raffreddamento!)

•• laser allo stato liquidolaser allo stato liquido•• laser a semilaser a semi--conduttoriconduttori

Materiale attivoMateriale attivo

Laser a gasLaser a gas

Transizioni del laser Transizioni del laser HeHe--NeNeE

Elio Neon

1s

3s

3s

2s3p

2p

3,39 µm

0,6328 µm1,15 µm

Transizioni del laser a COTransizioni del laser a CO22

E

Azoto (13%)

CO2 (8%)

N2 eccitato CO2 eccitato

10,6 µm

0001

1000

0110

0200

He (79%) diseccita qui!

RAFFREDDARE!

9,6 µm

0000

C OO

C OO

C OO

Laser allo stato solidoLaser allo stato solido

• Materiale attivo in barrette cilindriche

• Pompaggio sempre ottico

1. Lampada flash ad elica

2. Lampade flash cilindriche

Laser al rubinoLaser al rubino

λ=0,69µmBarra= zaffiro sintetico + 0.05% di Cr2O3 Cr3+

Laser a NeodimioLaser a Neodimio

λ=1.06µm

Dispersione di ioni Nd3+ :1. Vetro (bassa diffusività)

2. Granato di Ittrio ed Alluminio Y3Al5O12

• Emette nel vicino IR, a questa radiazione sono trasparenti le sostanze trasparenti nel visibile (vetro)

• Trasportabile in fibra ottica

• 4 livelli energetici

LUNGHEZZA D'ONDA

FREQUENZA [Hz]

0,1nm 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 10cm1cm0,1cm 100m10m1m 100km10km1km

1019 18

1017

1016

10 1012

1013

101415

10 107 6

105

104

10108

109

101011

10

Raggi Gamma Raggi X UV

VIS

IBIL

E

Infrarosso Microonde TV Onde Radio

CO2As-G

a

Neo

dim

io

Rub

ino

He-

Ne

Arg

on

Xe-

F

Ar-

F

Laser ad eccimeri

λf=c

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

0.2 0.3 0.4 0.5 0.90.80.70.6 1.0

Ultravioletto Visibile Infrarosso

2 3 4 5 6 8 10

LUNGHEZZA D'ONDA [µm]

0.1

Regime di fuoriuscita dellRegime di fuoriuscita dell’’energiaenergia

1. Continuo

2. Impulsato (tecniche di Q-switching)t

W

t

W

Fase di carica del materiale attivo

Tabella riassuntivaTabella riassuntiva

Laser Lunghezza d’onda Potenza Regime

[µm] [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

Caratteristiche del fascio laserCaratteristiche del fascio laser

1. Monocromaticità

2. Coerenza (nel tempo e nello spazio)

3. Bassa divergenza

4. Profilo spaziale

5. Focalizzazione

6. Brillanza

7. Potenza (impulsi o continua)

Selezione della lunghezza dSelezione della lunghezza d’’ondaonda

AB C

L

Φ1:2π=2L:λ

Φ0

2L=mλ

Modi risonanti della cavitModi risonanti della cavitàà

m = 12

m = 14

λ1

L

λ2

Perdite

λ0λ1

Guadagno di cavitGuadagno di cavitàà

a

na

na

na

2

21

22

2

210

λλ

λλλ

=∆

≅+

−=−=∆

Divergenza del fascioDivergenza del fascio

1. Costruzione degli specchi (per facilitare l’allineamento almeno uno dei due è sferico)

2. DiffrazioneAPERTURAD

k λφ =

Ф

k = f(distribuzione spaziale della densità di energia)

π2

=GAUSSIANOk

Distribuzione spaziale dellDistribuzione spaziale dell’’energiaenergia

EMAX

21e

2

22Rx

MAX eEE−

=

TEM00

Modi trasversali di un laserModi trasversali di un laser

TEMmn

APERTURAGAUSSIANO D

λπ

φ 2=

22 MDAPERTURA

GENERICOλ

πφ =

10,0

,2 ≥=TEM

TEM

RR

M nm

Fattore di qualitFattore di qualitàà del fasciodel fascio

FocalizzazioneFocalizzazione

X f

RSPOT

φfRSPOT = DSPOTSPOTD×2

ZR ZR2M

DZ SPOTR λ

π=

BrillanzaBrillanza

( ) ( )emissionediAngoloemittenteAreaPotenzaB

___ ×=

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

sradcmW2

Teo : nessun sistema ottico è in grado di aumentare la brillanza di una sorgente.

Brillanza di alcune sorgentiBrillanza di alcune sorgentiSorgenteSchermo TVLunaLEDCielo chiaroFiamma di candelaSole all’orizzonteLampada ad incandescenzaLampada a vapori di mercurioSole allo zenitLaser focalizzato in continuaLaser focalizzato impulsato

Brillanza (stilb)0,080,250,680,801,00

600,001.000,00

30.000,00165.000,00

10.000.000.000,00100.000.000.000.000,00

Rifl

ettiv

ità

A: Argento lucidato

B: Rame

C: Alluminio

D: Nichel

E: Acciaio al carbonio

Lunghezza d’onda [µm]

0,2 10,60,4 10 2042 86

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

AB

CD

E

Riflettività dei metalliR : f(λ,T,Ra,caratteristiche chimico-fisiche del materiale)

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 µm

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