TAGLIO E SALDATURA LASER Prof. Gino Dini – Università di Pisa Ultimo aggiornamento: 9/11/11.
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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