TAGLIO E SALDATURA LASER

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TAGLIO E SALDATURA LASER
Prof. Gino Dini Università di Pisa
Ultimo aggiornamento 9/11/11
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Lavorazioni tramite energia termica
Laser Beam Machining (LBM)
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Lavorazioni tramite energia termica
Laser Beam Machining (LBM)
fotoni
lente di focalizzazione
gas dapporto
pezzo
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Luce laser

• non monocromatica
• non coerente
• elevata divergenza
• bassa intensità luminosa

• monocromatica
• coerente
• bassa divergenza
• elevata intensità luminosa

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Brillanza di alcune sorgenti
Sorgente Schermo TV Luna LED Cielo chiaro Fiamma
di candela Sole allorizzonte 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 10
0.000.000.000.000,00
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Effetto laser
7
Effetto laser
8
Effetto laser
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Distribuzione di Boltzmann
E
E2
T
E1
N2
N1
N
10
Inversione della popolazione
E
E2
E1
N2
N1
N
11
Materiale a 3 livelli energetici
E
E3
E2
T
E1
N3
N1
N2
N
12
Materiale a 3 livelli energetici
E
E3
E2
E1
N3
N1
N2
N
13
Materiale a 3 livelli energetici
14
Materiale a 4 livelli energetici
E
E3
E2
T
E1
E0
N3
N0
N2
N1
N
15
Materiale a 4 livelli energetici
E
E3
E2
E1
E0
N3
N0
N2
N1
N
16
Materiale a 4 livelli energetici
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Direzionalità del fascio
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Direzionalità del fascio
19
Direzionalità del fascio
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Direzionalità del fascio
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Modi risonanti della cavità
m 12
l1
l2
m 14
L
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Caratteristiche sorgente laser

• Regime emissione energia
• Materiale attivo
• Distribuzione energetica del fascio

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Materiale attivo

• laser a gas
• laser allo stato solido
• laser allo stato liquido
• laser a semi-conduttori

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Laser a gas
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Transizioni del laser He-Ne
E
3,39 mm
1s
3s
3p
3s
2s
0,6328 mm
1,15 mm
2p
Elio
Neon
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Transizioni del laser a CO2
E
N2 eccitato
CO2 eccitato
10,6 mm
Azoto
CO2
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Laser allo stato solido
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Tabella riassuntiva
Laser Lunghezza donda Potenza
Regime mm 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
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Spettro
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Modi trasversali di un laser
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Esempio di sorgente laser CO2
Soitaab SL50
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Esempio di sorgente laser CO2
Soitaab SL50
Potenza 5.000 W Campo di variazione 1.000 -
5.000 W Stabilità della potenza 2 Lunghezza
donda 10,6 mm 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
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Esempio di sorgente laser CO2
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
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Interazione con il materiale
testa laser
gas protettivo
fusione e vaporizzazione
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Micro-foratura con fascio laser
36
Micro-foratura con fascio laser
37
Percussion drilling
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Percussion drilling rifocalizzazione
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Trepanning
40
Taglio con fascio laser
41
Micro-taglio con fascio laser
42
Taglio con fascio laser
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Macchina per il taglio laser
Soitaab LBS 2.5
Area di lavoro X Y 3000 x 2000 mm Escursione
testa laser Z 200 mm
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Macchina per il taglio laser
Soitaab 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
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Saldatura con fascio laser
46
Saldatura con fascio laser
47
Saldatura keyhole
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Altre applicazioni industriali

• Misura
• Trattamenti termici
• Marcatura
• Rapid Prototyping

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Vantaggi dellLBM 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

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Svantaggi dellLBM

• impianti costosi
• danneggiamento termico sui materiali sensibili al
  calore
• superfici craterizzate
• elevata precisione di posizionamento dei pezzi
• influenza della riflettività

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Sistemi produttivi con sorgenti laser

• Problematiche
• Utilizzo unica sorgente per più robot
• Trasporto fascio fino al polso

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Impiego sorgente laser time sharing (1)
Robot 1
Robot 2
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Impiego sorgente laser time sharing (1)
Robot 1
Robot 2
54
Impiego sorgente laser time sharing (1)
Robot 1
Robot 2
55
Impiego sorgente laser time sharing (1)
Robot 1
Robot 2
56
Impiego sorgente laser time sharing (2)
Robot 1
Robot 2
57
Impiego sorgente laser time sharing (2)
Robot 1
Robot 2
58
Impiego sorgente laser energy sharing (1)
100
30
70
Robot 1
Robot 2
59
Impiego sorgente laser energy sharing (2)
100
70
30
Robot 1
Robot 2
60
Trasmissione fascio robot a portale
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Trasmissione fascio robot articolato (1)
62
Trasmissione fascio robot articolato (2)
tubo con specchi
testa laser
sorgente laser
63
Trasmissione fascio robot articolato (3)
64
Sensori