Processo di taglio a laser C02 di laminati di rame Stato dell'arte e nuove possibilità

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1 Estratto dalla Rivista LA MECCANICA ITALIANA n Processo di taglio a laser C02 di laminati di rame Stato dell'arte e nuove possibilità G. DAURELIO Centro Laser, BARI Sommario In questo lavoro si sono esaminate le varie problematiche connesse al taglio di laminati di rame con l'utilizzo di un laser a CO,z. Nella prima parte della ricerca sono stati individuati i vari parametri termofisici che regolano la dinamica del processo e di questi si è cercato di stimare numericamente, anche se in maniera approssimata, il peso di ciascuno di essi. Si è potuto così definire i valori di assorbimento superficiale del rame a temperatura ambiente e vicino alla fusione, l'ordine di grande zza della potenza laser necessaria a provocare un graduale innal- Lavoro presentato al " Convegno delle unità operative del Progetto Finalizzato Laser di potenza del C.N.R. cjo Centro Direzionale Alfa Romeo - Arese (MI), 16 april e zamento della temperatura del campione da T,mb. a T di fusione. Si è anche stimato l'ordine di grandezza del valore di velocità a cui un laminato di un certo spessore si può tagliare. Quindi, l'analisi di tutte queste problematiche, connesse alla dinamica del processo e dello stato dell'arte [1, 2, 8, 9, 10, 12-31] confermerebbe la validità della corrente tesi sulla impossibilità e criticità del taglio con.un laser a CO, del rame. Nella seconda parte sono stati poi riportati i risultati sperimentali relativi alle prime prove, in assoluto, di taglio di laminati di rame di spessore 0,2-4,0 mm con un laser a CO ~ da 2 kw. Questi primi interessanti risultati sono $fati conseguiti grazie alla possibilità di far crescere sotto l'irradiazione del fascio laser strati sovrapposti di ossido rameico CuO, misto ad una piccola percentuale di ossido rameoso Cu 40, che permettono di realizzare il taglio. Si è visto così che in sola presenza di ossido rameoso l'assorbimento percentuale della radiazione a 10,6 micron non subisce incrementi, mentre, allorché le condizioni sperimentali lo permettono, la crescita di ossido rameico porta il valore di assorbimento intorno al 52-58% permettendo di innescare un processo di loop a tre variabili (temperatura-ossido-assorbimento) che è risultato la chiave vincente del processo di taglio. Le velocità di esecuzione sono risultate significative e varie sezioni micrografiche eseguite sui campioni hanno mostrato che la qualità dei tagli è abbastanza buona. 45 i LA MECCANICA ITALIANA maggio/giugno 1985 no 190

2 Stato dell'arte e dinamica del processo Nel corso di vari anni di sperimentazione e di applicazioni industriali del laser a co ~. sempre più crescente è stata la quantità e diversità dei material i metallici e non che sono stati tagliati con lasers a co ~ di potenza diversa. L'applicabilità o meno della macchina laser. in prima istanza. è stata sempre valutata dalla possibilità da parte del materiale di assorbire superficialmente la radiazione a 10,6 micron del laser a CO ~. Detto processo di assorbimento da parte dei metalli avviene essenzialmente in due stadi: - ne l primo stadio del processo si instaura un accoppiamento del fascio laser con la superficie del metallo, e ciò accade quando la radiazione laser è assorbita da elettroni liberi di conduzione e/o da vibrazioni reti col ari. convertendo la stessa in calore tramite processi di coll isione. Questo accoppiamento si instaura per profondità di alcune decine di micron e dipende principalmente dalla potenza incidente e dal materiale in esame come anche dalla rugosità della superficie, da eventuali difetti superficiali, da incrementi di temperatura del campione e da un sottile layer di materiale vaporizzato in superficie [ 1]; - nel secondo stadio, la radiazione laser. che è stata convertita in calore alla superficie del metallo, è trasferita tramite un normale processo di conduzione attraverso i l rimanente spessore del materiale. Alla luce di quanto detto innanzi, le difficoltà da superare per tagliare il rame con il laser sono da addebitare sia alla creazione del primo stadio (thermal coupling) che al mantenimento dinamico dello stesso (secondo stadio). A proposito del primo stadio del processo, questo come è logico aspettarsi. è regolato in modo preponderante dall'assorbimento di radiazione infrarossa da parte del metallo. Così per valutare teoricamente o sperimentalmente l'effetto di riscaldamento della radiazione laser su un materiale, è necessario conoscere quanto della radiazione incidente è stato assorbito e quanto riflesso. Poiché la maggior parte dei metalli sono opachi alle radiazioni infrarosse, è sufficiente eseguire misure di riflettività R).. (T) in quanto da esse si può risalire alla emissività o assorbimento A).. (T) secondo la: A,. (T) = 1 - R>. (T) (1) o ' ~ Al dove ), è la lunghezza d'onda della radiazione incidente e T in oc è la temperatura del campione. Per i metalli, nell'infrarosso per À > 2 IJ.m [1, 2, 3], A>JT) può essere ca lcolato dai valori della resistività elettrica del materiale in funzione della temperatura R(TJ. secondo la formula seguente: Al%= 1,12VR (2) con R espressa in micro-ohm cm, che altro non è che la formula esposta da Duley [2], calcolata solo al primo termine, essendo gli altri di peso trascurabile: A >. % (T) = 1,12 [R (1 +a.. T)] 'N - 6,29 [R (1 +a T)] ,4 [R (1 +a T)rN (3) Naturalmente entrambe le formule sopra dette sono valide pur TEIWPERArURE focj Fig. 1 An(Jamento dell 'emissività a 10,6 micron (Laser e C0 2 ) per vari metalli in fun zione della temperatura degli stessi (W.W. Duley: Laser Processing and Analysis of Materials. Plenum Press, 1984). 46 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/giugno 1985 nn 190

3 ché siano rispettate le seguenti condizioni: - il range di temperatura può essere anche ampio ma sempre al di sotto (anche di poco) della temperatura di fusione; - non vi siano layer superficiali; - non partecipino altri processi (ad esempio processi esotermici di ossidazione del metallo) che apportino ulteriori contributi energetici al processo. Così dalla formula (2). inserendo valori di R(T) per acciai al carbonio. acciai inox e rame per temperature ambienti (20 C) e temperature prossime alla fusione [3-7] si sono calcolati i rispettivi A % che sono risultati: l, 2. l, l l, o 0,9 0,8 Acciai al C 3,8-4, ,7 +-~-+--~~~~--+-~-+--~ o T ( c) Acciai inox Rame 8-9 1,4-1, ,6-3,7 Fig. 2 - Andamento della diffusività termica del rame al variare della temperatura dello stesso. Come si evidenzia dai valor i appena riportati e dalla figura 1, l'assorbimento del rame sia a temperatura ambiente sia vicino al la fu sione è molto basso; così che uti- 1 izzando un laser a CO" da 2 kw di potenza, la potenza effettiva assorbita è di w (a 20 C) e di W (:::T,), valori questi molto modesti rispetto a quelli degli acciai [acciai al C: W (a 20 oc), W (:::T,); acciai inox: W (a 20 C), W ( ~ Ttl] {3]. Quindi già da questi primi ca lcoli è evidente come raggiungere la fusione del rame diviene abbastanza problematico. Esaminiamo ora l'instaurarsi del secondo stadio del processo di assorbimento partendo sempre dalla T ambiente. l W, trasferiti al materiale entro uno spessore di qualche decina di micron, convertiti in calore, tenderebbero ad essere trasferiti nella rimanenza dello spessore tramite un processo di conduzione. Prendendo in considerazione ora la conducibilità termica del rame, si nota che assume dei valori molto alti a temperatura ambiente (K = = 3,9 W/cm C) a confronto sempre con quelli degli acciai (al C: K = 0,75 W/cm C; inox: K = = 0,15 W/cm C) (3]; tipicamente il rame ha dei valori di conducibilità cinque volte più alti rispetto agli acciai al C e ben ventisei volte rispetto agli acciai inox. Analogo discorso è evidentemente valido anche per la diffusività termica (figura 2). Immaginando di voler fondere un ipotetico cilindro con diametro di 300 micron e di altezza 1 mm, si può calcolare quanta energia occorra per raggiungere la fusione [ 1 0]: dove: 0 = p V (Cr; tlt~ o - H xa+htj (4) p è la densità, in g/ cm' ; V il volume del cilindro, in cm"; Cp il calore specifico (calore necessario per portare il materiale dalla temperatura ambiente a quella di fusione) in cal/ g. C; t!. T il salto termico ( ) in oc; Hr ca lore latente di fusione. in cal/g. 47 j LA MECCANICA ITAI 'ANA maggio/ giugno 1985 n 190

4 Or"' = 8,96 7, (0, ) ~ ~ 0,0946 cal ~ 0,3965 J (5) Se si suppone di fornire questa quantità di calore nell'unità di tempo, per fondere il cilindro occorrono quindi ~ 0,4 W. Alla luce della [2], si è stimato che la A % del rame varia tra 1,4-1,7% a T ambiente; cosicché assumendo un valore medio di 1,5% si può calcolare quanta potenza laser deve essere fornita affinché il materiale assorba i 0,4 W sopra accennati : Potenza laser incidente = Q 0, ~ -- A % 1, ~ 26,7 w (6) Come, ovviamente, si può arguire con un fascio laser di 26,7 W di potenza non si riesce mai a portare a fusione il volume di materiale considerato, a causa delle grosse perdite termiche che sono insite nel processo stesso. Dovendo quindi procedere ad una stima molto approssimata di queste perdite, si può calcolare ad esempio la quantità di calore Q' che fluisce nell'unità di tempo [8] attraverso le due superfici S di un cilindro con diametro di 300 micron (pari allo spot focale) ed una altezza di 1 mm (spessore del materiale): Q' dove: K K(T~-L o ) S t d (J) (7) è la conducibilità termica nel f:..t considerato, in W/ mm cc; T1 > T,o sono le temperature rispettive del le due superfici, in cc; t d tempo in secondi; distanza tra le due piastre (due dischi da 300 micron di diamet ro), in mm. Poiché l'equazione (7) è valida in regime stazionario, supponiamo per il momento di operare in tale stadio e calcoliamo il flusso di calore che fluisce attraverso le stesse due piastre con f:..t = = cc: o :o.~.o = o, ,071 ~ 27,5 J (8) dove il va lore di K è stato mediato tra i valori a T"'"'' e a T vicino a fusione [9]. Poiché nel riscaldamento a laser non si opera in regime stazionario, si può immaginare che la superficie, dove impingue il fascio laser, lentamente si porti dalla T ambientale verso la T 1 (1083 C) e analogamente avvenga per la superficie inferiore. Tutto ciò fa sì che nella (7) man mano che il f:..t tenda a zero, anche i l valore di Q' faccia altrettanto. Se le quantità di calore 0; 11 ~~ 20 e o,... (5) le forniamo ne ll'unità di tempo si perviene alla deduzione che inizialmente la potenza necessaria assorbita dal materiale è di 27,5 W ed in un secondo stadio è solo di 0,4 W. Convertendo questi valori in potenza laser incidente, si ha: P 10~s-2o = ~ 27,5 1,5 A % 100 ~ 1833 w (9) Or" P'"" = ~ A % 0,4 =TG. 1oo ~ 11.1 w c1o) dove l'ultima A % è stata valutata a temperatura di fusione. Se si considera che il calore non viene trasmesso soltanto verso il basso ma anche in tutte le altre direzioni (direttrici del cilindro) [ 1, 9], si intuisce come effettivamente i pochi watt assorbiti dal materiale a temperatura ambiente (~30 W per potenza laser di 2 kw) servano inizialmente a bilanciare nel punto di impatto fascio-materia le perdite termiche, che sicuramente sono più alte di quelle stimate ( ~ 27, 5 W) ed in tutti i casi ad iniziare un processo di lento e graduale innalzamento della temperatura del campione; ciò conduce ad un incremento di A % e ad un abbassamento dei valori di K, f:..t e della Q' necessaria per portare a fusione l 'intero volume del ci lindretto in questione. In conclusione quindi affinché si inneschi il primo stadio del processo di assorbimento è necessario che i l fascio laser fornisca una energia d eli 'ordine di grandezza dei 2000 Jj s. Si vuole ora stimare, anche se in misura approssimativa, l'ordine di grandezza della velocità di taglio del laminato di rame di spessore 1 mm. Trascurando momentaneamente il fronte di ca lore che avanza sulla superficie e che precede il fascio, e quindi i gradienti termici conseguenti, si può pervenire a stimare la velocità alla quale può essere tagliato il materiale traslato sotto il fascio nell'unità di tempo. Considerando un fattore di accostamento dei cilindretti affiancati pari a zero, si può ipotizzare che 48 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

5 Quali t~ Designazione e denominazione del tipo Definizione Composizione chimica, Cu {+Ag) o Bi (mi n) {max) (ma.x) 1- in peso Pb {max) p Settori di applicazione o ~ :;:C ~ ~.,Q,.,. 0.<! 00 "' :s E 2 "' : a;.... o 2 :2 =a Il.. E a; ~ o c: c., " 00 "'Oi.. "'.. "' E o a; -o Cu-ETP UNI Rame elettrolitico ossidulato Cu-FRTP UNI l Rame ossidulato affinato termicamente Cu-FRHC Rame ossidulato, a!fin!!_ nato termicamente ad el!_ vata purezza e condut~ vi l~ Cu-DLP UNI Rame disossidato al fosforo a basso tenore di fosforo residuo Cu-DHP UNI Rame disossidato al fosforo ad alto tenore di fosforo residuo Cu-OF Rame elettrolitico, ese!! te da ossigeno, ad alta conduttività Rame ad alta c ondutli vj_ tìl ottenuto p e r fusione di catodi Rame affinato per via termica senza particolari controlli del tenore di impurità Rame affinato per via termica di alta p u rezza e conduttività Rame disossidato con fosforo, contenente un basso tenore di fosforo residuo Rame disossidato con fosforo, contenente un alto tenore di fosforo residuo Rame elettrolitico, o:se.!! te da ossigeno, ad alta 99,95 conduttività 99,90 0,04 o, ,85 0,002 99,93 99,90 0,001 99,85 0,001 0, 005 TABELLA 1 - Definizione. composizione chimica e settori di appl icazione di alcuni tipi di rame raffinato 0,01 o, 01 o, 01-0,05 max da 0, 005 a 0, 012 da 0,013 a 0,050 Per semilavor!!_ ti ad usi elettrj_ ci, chimici, mee_ c ani ci, archite_l tonici Per semilavor!!_ ti destinati ad usi archiletlof!i ci, chimici, me,!;_ canici, e non aventi esigenze di conduttività elettrica e levata Per semilavorati destinati ad usi edili, architettonici, mccc~ nici 1 chimici ed elettrici, dotati di buona lavor!!_ bilità plastica, buona salda bili tà e resistenza al l 'infragilimento da i dro"eno Per semilavorati destinati ad usi edili, archi tett.q_ nici, meccanici, chimici, non!. venti esigenze di conduttività elettrica elevata, e dotati di buona saldabili_ tà, buona lav.q_ rabi lità plastica e resistenza al l 'infragilimento da idro11:eno Per applicazioni particolari: Radar, Anodi per tubi elettr.q_ nic:i, guide d'o!! da, Avvolgime!!_ ti di rotori e motori speciali, accoppiamenti rame - vetro nei tubi elettronici Legenda delle designazioni: Cu ETP (Eiectrolitical Tough Pitch Copper) Cu-FRTP (Fire Refined Tough Pitch Copper) Cu-FRHC (Fire Refined Tough Pitch High Conductive Copper) Cu-DLP {Deoxidized Low Phosphorus Copper) Cu-DHP Cu-OF Cu-IACS (Deoxidized High Phosphorus Copper) (Oxigen Free Copper) (lnternational Annealed Copper Standard) 49 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/giugno 1985 n 190

6 Caratterlstich.. fi~lche Cu-ETP Cu-FRTP Cu-DLP Cu-DHP Cu-FRHC Cu-OF Cu-IACS - Den ltà a 20 C g/cm 3 8, 9 8,9 8,94 8, 94 8,92 8, 94 8,89 - Coc:Hiciente cù dilatazione termica lineare (25"C + loo"c) c 0,000011>8 o, ,000011>8 0, o, >8 o >8 - - Calore &pecifico a 20"C, cal/g c 0,0921 0,0921 0,0921 0,0921 o, , Conduttivilh termica a 20" C, cal/cm 1 c 0,948 o, 80 - o, 90 0,80-0,93 o, 70-0,87 0, 948 0, Conduttivith elettrica a 2o c m/ohm mm '7 IACS l 00 - l l Resistivitls elettrica a 20"C microhm cm (min.) l, 69 1, 82 1,75 1, 92 l, 69 1, 1>9 {max. ) ,04 2,30 3, 19 l, 72 l, 72 l, Temperatura di fusiont: T! ( C) Temperatura di vaporizzazione Tv ("C) Diffusi vi t1s a 2o c (cm2/s) (min. ) l, lb 0,98 0, 97 o, 85 (max..) l, 10 l, 13 l, 06 l, 15 l, 15 - Assorbimento a 20 c 1,45 l. 51 l, 48 l, 55 l, 45 1,45 A f. a lo, 6 micron 1,41> l, 4b 1,60 l, 70 2,00 1, 41> l, 41> - Riflettività a 2o c 98,5 98,5 98,5 R~~ a lo, b micron 98,1> 98,1> 98,1> 98, b 98,4 98,3 98,0 TABELLA 2 - Caratteristiche fisiche di alcuni tipi di rame la velocità di taglio sia dell'ordine di circa 300 micron/ s ~ 0.3 mm/ s qualora siano a disposizione i ~ 2000 W calcolati in base alla (9). Naturalmente allorché il pezzo inizia a scorrere a questa velocità sotto il fascio, poiché i tlt sono più bassi (in relazione al fronte di calore superficiale che precede il fascio e all'aumentata temperatura di tutto il pezzo) i valori di O' diminuiscono passando dal valore di circa 27,5 J/ s a 0,39 J/ s mentre la A % assume valori vicini al 3,6% ; cioè per fondere un analogo cilindretto affiancato al primo è richiesta meno energia. Dalla [10] si deduce che, appena il processo è avviato la potenza laser richiesta è molto più bassa. ma poiché si sta operando a potenza laser costante, ciò conduce a dire che il processo di taglio, iniziato ad una velocità di 0,3 mm/ s. dopo un primo istante (di innesco processo) può procedere ad una velocità più alta; in tutti i casi, alla luce delle altre perdite termiche non considerate e quindi dell'effetto di volano termico della massa circostante il cilindretto, non può essere che dell'ordine di circa 2 mm/ s al massimo, come di seguito stimato: P"'" ~ 72 W = 72 J/s A %~ 3,6% P mnie ta ~ 11 W = 11 J/ s V ~ 2 mm/ s 50 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 no 190

7 Cioè in definitiva lo spessore di 1 mm si stima che possa essere tagliato a velocità comprese tra 0,3-2 mmjs. Inoltre, è necessario considerare, ai fini del mantenimento dinamico del processo di taglio, che mentre negli acciai al C (inox) la formazione di ossidi di ferro (ferro e cromo), con le corrispondenti reazioni esotermiche, apportano notevoli quantità di energia (/1H2~ ::::::: ::::::: kcal/g mole) sott ofor kcal/g mole) sotto forma di calore di formazione [7, 11], nel caso del rame i possibilì ossidi CuO e cu~o apportano debolissimi incrementi di energia I1H 2~ (37-40 kcal/g mole). Pertanto, a conclusione di tutto quanto scritto sinora, scaturiscono evidenti le grandi difficoltà insite nel processo di taglio a laser di laminati di rame; tanto che a tutt'oggi accurate ricerche bibliografiche [ 1, 2, 8, 9, 10, 12-31] portano a considerare il rame come metallo impossibilitato ad essere tagliato con tecnologia a laser. Risultati sperimenta-li Negli esperimenti sono stati usati laminati di rame di spessore 0,2-4 mm, di tipo Cu-DHP (Deoxydised High Phosphorous Copper) con tenori di Cu 99,85-99,99% e tenori di fosforo residuo di 0,013-0,050%_ (tabelle 1-3). La scelta di questo tipo di rame è stata dettata da varie esigenze quali: - enorme uso che se ne fa in numerosi settori di applicazioni industriali (tabella 1 ); - valori di conducibilità termica più bassa (0,70-0,87 cal/cm s C) rispetto agli altri tipi di rame (Cu ETP, Cu-FRTP; Cu-DLP, Cu-FRHC, Cu-OF) (tabella 2); - resistività elettrica a 20 oc più alta (1,92-3,19 micro-ohm cm) sempre rispetto ad altri tipi di rame (tabella 2); - assorbimento A% a 20 oc più alto (1,55-2,00%). come conseguenza del precedente punto (tabella 2). Questa scelta ha fatto ipotizzare un più facile innesco del primo stadio di assorbimento della radiazione, secondo quanto già detto prima. È stata utilizzata una sorgente a flusso assiale veloce da 2 kw di potenza C.W. emettente un fascio a struttura modale preponderante TEMoo. Lo spot focale risultante da una accurata focalizzazione è risultato di circa 300 micron, permettendo così di ottenere densità di energia di circa 2,8 MW/cm 2 Prove iniziali condotte con parametri macchina, ugelli, potenze (0,5-1,0-2 kw) e gas differenti su uno Caratteristiche tecnologiche Cu-ETP Cu-FRTP Cu-DLP Cu-DHP Temperatura di ricattura, c Lavorabilità plastica a caldo Lavorabilità plastica a freddo buona ottima Indice di lavorabilità all'utensile (ottone secco = 100) 20 Attitudine ai metodi di giunzione: Brasatur-a dolce Brasatura forte ottima buona buona buona buona ottima ottima ottima ottima ottima ottima buona ottima ottima Saldatura ossiacetilenica sconsigliabile sconsigliabile discreta buona Saldatura ad arco in gas inerte discreta discreta buona ottima Saldatura ad arco con elettrodo rivestito sconsigliabile sconsigl iabile sconsigli abile sconsigliabile Saldatura ad arco con elettrodo di grafite discreta discreta discreta buona ' Saldatura -a resistenza: per punti e continua sconsigliabile sconsigliabile sconsigliabile discreta Saldatura a resistenz-a: di testa buona buona buona buona T A BELLA 3 - Caratteristiche tecnologiche di alcuni tipi di rame 51 i LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

8 Metallo: RAME DHP Velocità Larghe zza Spessore di di (mm) taglio taglio (mm/s) (micron m) o, ; , o, , 3 + 8, , 5 + 3, ,6+1, TABELLA 4 - Valori sperimentali delle velocità critiche di tagli e delle lunghezze degli stessi in funzione dello spessore del laminato di rame DHP. Sorgente impegnata: Laser BOC a C0 2 da 2 kw spessore di 0,6 mm non hanno dato esiti favorevoli. tranne a confermare tutto quanto scritto precedentemente. Infatti solo con va lori appropriati di potenza. di densità di energia e con un rigoroso controllo della posizione relativa del fuoco rispetto alla superficie, si è potuto tagliare detto spessore a velocità tra 1,6-2,5 m m/ s. Era chiaro quindi che, sebbene si fosse riusciti in questo primo intento, le irrilevanti velocità già su questo modesto spessore e la criticità nel mantenimento dinamico del processo. autorizzavano a pensare che non si sarebbe potuto andare al di là di 1 mm di spessore. Si è tentato di aumentare in qualche modo la A% del processo visto che non si poteva operare su nient'altro. Alla luce di quano provato sperimentalmente da l. Ursu, C. Nistor, K.P. Vijayakumar e e S. Engel [32-35]. si è cercato di provocare in tempo reale, sotto la diretta influenza del fascio laser, un processo di ossidazione superficiale del rame durante l'irradiazione del fascio stesso. Si riporta di seguito in sintesi quanto già rilevato sperimentalmente da l. Ursu ed altri [32, 33], a proposito della formazione superficiale ossido-metallo e conseguente variazione dell'assorbimento con l'aumentare della temperatura. Il tutto può essere riassunto in quanto segue: a) alla temperatura ordinaria e in presenza di aria secca il rame rimane pressocché inalterato; b) la velocità di ossidazione sotto l'azione della radiazione laser a COz è circa due ordini di grandezza più grande di quella ottenibile con sorgenti diverse dal laser; c) sotto l'azione di un riscaldamento moderato a T < 300 oc e per un tempo di irradiazione t < 1800 s. un layer uniforme di spessore ~ ~m. consistente di Cu20 soltanto cresce sulla superficie del metallo. In questo stadio di ossidazione non si verifica sperimentalmente alcun cambiamento dell'assorbimento, in piena concordanza con i risultati teorici del calcolo della variazione di A% alla luce dei fenomeni di interferenza nei sistemi ossido-metallo; d) all'aumentare della temperatura del campione T C, il processo di ossidazione avanza, il layer di ossido è modificato e appaiono ambedue gli ossidi CuO e Cu20. Si nota un ingrandimento dimensionale dei singoli grani di ossido (CuO e Cu20) che diventa più consistente con l'avanzare del processo di ossidazione. Tutto ciò causa un aumento de Il' assorbi mento superficiale della radiazione laser che, provocando un UJiteriore incremento della temperatura superficiale fa avanzare ulteri ormente il processo di ossidazione, e a questo punto il ciclo si ripete; e) appena la T si avvicina alla temperatura di fusione (stadio di ossidazione avanzato) lo strato di ossido cresce rapidamente. non è più uniforme. anzi cresce a strati sovrapposti. Questo ossido appare discontinuo, con incavi. fiocchi. aghi di dimensioni pari c.irca ad 1/4 di ), [35]. La dimensione media di tal estrato compl essivo è di circa 3 micron, molto spesso e molto poco aderente al supporto (rame). Anche l'assorbimento (A% ) 52 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

9 cresce r apidamente e significativamente, tanto da portarsi su valori del 52-58% 1[32, 33]. Quanto appena riportato al punto c) concorda pienamente con quanto stimato numericamente all'inizio di questo lavoro e poi da noi provato sperimentalmente su campioni da 0,6 mm di spessore. Infatt i oltre a confermare l'assoluta mancanza di variazione di assorbimento e quindi velocità di taglio irrilevanti (1,6-2,5 mm/ s), si è rilevato visivamente sulla superficie la presenza di un sottilissimo strato di ossido, che per il suo colore inconfondibile (giallo-rossastro) [39]. è certament e composto soltanto di ossido rameoso Cu20. Stante a quanto riportato ai punti d) ed e) bisognava quindi cercare delle condizioni sperimentali che innalzassero la temperatura del campione quanto più velocemente possibile, in ogni caso con T> 300 C, permettendo la crescita dei due tipi di ossido. In definitiva entrare in un gioco di loop a tre variabili, che è poi la chiave vinc ente del processo di taglio al laser del rame. Muovendosi in tale ottica si è raggiunto l'obiettivo con l'uso di opportuni parametri sperimentali. Infatti i campioni di rame DHP utilizzati (di spessore 0,2-4,0 mm). sprovvisti di un qualunque rivestimento superficiale, sono stati tagliati con velocità di esecuzione che variano da 50 mm/ s a 1,8 mm/ / s. con riferimento rispettivamen- OSSIDO V (mm/s} ~EMPERATUR~ lo o Lar ghezza di t aglio (b) (rnic r on) Spessor e (m m } Fig. 3 - Andamento della velocità critica di taglio e della larghezza (b) di quest'ultimo in funzione dello spessore del laminat o di rame DHP ad un livello di pot>enza laser di 2 kw te ag li spessori 0,2 mm e 4,0 mm (tabella 4). ASSORBIMENTO Nella stessa tabella sono riportate anche le larghezze di taglio che variano da un minimo di micron ad un massimo di micron, a seconda dello spessore considerato. l valori delle velocità e le misure di larghezza sono stati poi graficati in figura 3. Un'analisi attenta dei dati in tabella 4 e figura 3 mostra che: 53 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

10 .. Fig. 4 - Aspetto e caratteristiche del t aglio a l aser di un laminato di rame DHP da 4 mm di spessor e. x 2,5 - i va lori delle velocità sono aumentati di un fattore dieci rispetto a quelli stimati e sperimentalmente provati nei primi esperimenti. Infatti, ad esempio, lo spessore di 0,6 mm che prima si tagliava stentatamente a velocità 1,6-2,5 mm/ / s. ora con la nuova tecnica si riesce a tagliarlo senza alcuna difficoltà a velocità di mm/ s. Dalla stessa figura 3 si può rilevare che (anche se non provato sperimentalmente) lo spessore di un millimetro dovrebbe tagliarsi a velocità di circa 18 mm/s; la legge di tipo sperimentale: velocità spessore = costante a potenza costante, già rilevata e sperimentata su moltissimi acciai al carbonio ed inossidabili [36-38], nel caso del rame e per queste prime sperimentazioni sembra non essere più rispettata; infatti il prodotto V x b assume dei valori pari a 1 O (per spessore di 0,2 mm) e pari a 7,2 (per spessore di 4,0 mm); - lo spessore massimo tagliato (4 mm). a velocità di 1,6-1,8 mm/ s è di gran lunga superiore alle più rosee aspettative, dato che, numeri camente prima e sperimentalmente dopo si era accertato che era Fig. 5 - L:ar ghezza del taglio a laser di un laminato di rame DHP da 4 mm di spessore. x6 x18 Fig. 6 - Sezione micrografioa di un t aglio a laser di un laminato di rame DHP di spessore 2,5 mm. 54 j LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

11 possibile tagliare fino ad un 1 mm di spessore a velocità stimate intorno a 0,3-2 mm/ s. Inoltre la constatazione visiva dell'esistenza lungo i bordi e le facce interne dei tagli di strati di ossido di colore nero e nero-grigiastro [39], diverso dall'altro precedentemente rilevato (giallo-rossastro) [39], sicuramente autorizza a pensare che sia prevalentemente ossido rameico CuO misto ad ossido rameoso Cu20. Anche se può apparire irrilevante, durante la fase di raffreddamento successiva al taglio, è stato ampiamente notato il facile autodistacco dello strato di ossido dal supporto (rame) in pieno accordo con quanto rilevato da l. Ursu, punto e). Quanto appena citato conferma i dati sperimentali già trovati da altri [32, 33], e si può così affermare di aver innescato il meccanismo di loop (temperatura-assorbimentoossido) prima accennato. Anche se in questa fase non è stato possibile effettuare misure di assorbimento, il tutto fa pensare, per via indiretta, che effettivamente la A % durante i l processo di taglio passi da valori iniziali di 1,4-1,7% a valori intorno al % come rilevato sperimentalmente da l. Ursu [32, 33]. Nelle figure 4 e 5 sono riportati l'aspetto e la larghezza di taglio di un laminato da 2,5 mm. Di seguito la figura 7 illustra gli aspetti e le caratteristiche dei tagli relativi a spessori di 4,0-3,0-2,0 m m. Infine le figure 8-13 mostrano le sezioni micrografiche a più basso ingrandimento (75 x) e a maggiore ingrandimento (500 x) dei bordi di taglio di laminati di spessore 2,0-3,0-4,00 mm. Come si può rilevare dalle medesime figure (figure 8-13) in prossimità del bordo di taglio -- - ~ l ',,," 'f ',. l ' j ',~ 1 ~ ;,,,.,' u,,,. t,. '., 't '.,... l ~r /.,H,,. ' j.l'l J '.,,.. \,, A l o ' ' l l ( 'l ' ' l ' ' ' ' '/ \ : ' '( ' Il k, l.l J l l ' l ' ~ --~,.. - ~ ) \ \.:;'\~ \' ~ 1 11,. :\. \.,\ 1\ 'f; 1. :;1~! 1.'.t'# IJ j 1 \1: \, 1 Ili.,\ \ ~ '.,',\ \ ~ h, t ' ' 1 t'l~'.,,.. -- l... 1 j l ~ l l 'l': : l }. \ l ~ ~ l 'l~ \ ' 11 l ' l,1 l l ' Fig. 7 - Aspetti e caratteristiche dei tagli a laser di laminati di rame DHP di spessore 4,0 mm (in alto), 3,0 mm (al centro) e 2,0 mm (in basso). si nota una zona ca ratterizzata da ingrossamento della dimensione del grano cristallino, prodottasi ovviamente per effetto dell'apporto termico da parte del fascio laser. Dal confronto delle micrografie eseguite su tutti gli spessori uti- 1 izzati (figure 9, 11 13) si è constatato come l'ampiezza della suddetta zona si ingrandisca con l'aumentare dello spessore del campione e così pure aumenta la dimensione del grano cristallino. Inoltre l'esame dei bordi di taglio indica la presenza di un residuo di mat eriale fuso che il getto del gas di assistenza non è riuscito ad espellere completamente. x3 In conclusione, alla luce dei risultati ottenuti (buona qualità dei bordi di taglio, assenza di bave, bassissima rugosità, assenza di microcricche) il taglio al laser di laminati di rame è ora possibile con una sorgente a C02 ed è oltremodo un processo con velocità di esecuzione abbastanza significative. Conclusioni In conclusione si può affermare che, nonostante i pessimistici risultati riportati in letteratura [ 1, 2, 8, 9, 10, 12-31], ora è possibile tagliare laminati di rame con sorgenti laser a co2. t importante evidenziare che i risultati ottenuti vanno al di là di ogni aspettativa sia in merito alle velocità di esecuzione sia rispetto agli spessori tagliati. È stato individuato il meccanismo che presiede e regola il processo 55 l LA MECCANICA ITALIANA maggio/ giugno 1985 n 190

12 ;: ~ ~., '.(i r!~ ~ A. x 75 Fig. 8 Sezione micrografica del bordo di tagl io a laser di un laminato di r<ame DHP da 2 mm dì spessore. x500 Fig. 9 Sezione micrograflca a mag-giore ingrandimento di una parte del bordo di taglio di fig. 8. x 75 Fig. 10 Sezione mìcrografica del bordo di taglio a laser dì un laminato di rame DHP da 3 mm di spessore. x 500 Fig. 11 Sezione micrografica a maggiore ingrandimento di una parte del bordo di taglio di fig. 10. x 75 Fig. 12 Sezione mlcrografica del bordo di taglio a laser di un laminato di rame DHP <da 4 mm dì spessore. x 500 Fig. 13 Sezione micrografica a maggiore ingrandimento di una parte del bordo di taglio di fig l LA MECCANICA ITALIANA maggio/giugno 1985 no 190

13 di taglio, ovvero è stato identificato il loop a tre variabili (temperatura- ossido- assorbimento) come causa innescante del processo. Una prima analisi dei risultati conseguiti ha messo in evidenza che il processo di taglio del rame non può essere assimilabile a quello d eli 'acciaio, tanto che i formalismi matematici sviluppati per questi ultimi sono risultati inadatti per il rame. Sono perciò necessarie ulteriori indagini di ricerca che permettono infine di approfondire gli studi fin qui condotti. Bibliografia [1 ] S.S. Charschan: Laser In lndustry" Von Nostrand, [ 2] W.W. Duley: Laser Processing and Analysis of Materials " - Plenum Press, [3] G. Daurelio, L. Cento, C. Esposito: Saldatura a laser C0 2 da 2 kw di Acciai al Carbonio ed Inossidabili Centro Laser, [ 4] Schede Meroeologiche CITRE (Cen tro Italiano Promozione Rame) - Allegato 1. [5] Schede Tecniche sul rame e sue leghe - CISAR, Milano, [6].. Tabelle sui dati del rame e sue leghe edite da CIDEC (Conseil lnternational pour le Development du Cuivre) Ginevra, [7) C.J. Smithells:.. Metals Reference Book.. - Butterworths, vol. Il [8] H.S. Carslaw. J.C. Jaeger: " Conduction of Heat in Solids - Clarendon Press [9] W.W. Duley: " C0 2 Laser Effects and Applications " - Plenum Press, [10] L/A (Laser lnstitute of America}: Basic of Laser Materia! Processing " Electrico-Optical System Design, novembre [11] R.C. Weast, M.J. Astle: CRC Hand book of Chemistry and Physics - CRC Press (12) C.N.R.S. (Centre de Documentation Scientifique et T echnique). Parigi (Francia). [13] Ascatopics: Literature A lerting Services lnstitute for Scientific lnformation (ISI). Philadelphia (USA). [ 14) H. Koebner:.. Industriai Application of Lasers Wi ley, [ 15) E.A. Metzbower: "Proceedings ICALEO 1983". Sponsored by LJA (Laser lnstitute of America). Materia! Processing, vol. 38. [16] N. Rykalin, A. Uglov. A. J<.okora:.. Laser Machining and Welding. Pergamon Press, [17] J.F. Ready: " Effects of High-Power Las er Radiation " Academic Press, [ 18 ) J.F. Ready: Applicazioni industriali del Laser" Tecniche Nuove [ 19) E. Metzbower: Source Book on Ap plications of the Laser in Met alworking " ASM, [20) W.V. Smith, P. Sorokin: Il Laser Boringhieri [21) S. Leinwo/1: Las er e Maser Celi, [22] J.F. Ready: Laser in Modern In dustry SME (Society of Manufacturing Engineers), [23] L/M-1: 1st lnt. Conference on La sers in Manufacturing,.. Brighton, [24) LIM-2: 2nd lnt. Conference on Lasers in Manufacturing Birmingham, [25) ASM: Metals Handbook, vol. 6 Welding, Brazing and Soldering " 9' ed., [26] Rivista Lasers and Applications Anni , vol (27] Rivista Las er ocus " - Anni , vol [28] Rivista " Optics and Laser in Engi neering Anni , vol [ 29] Rivista Journal of Current Laser Abstracts". Anni , vol (30) Rivista Optics and Laser Technology" Anni , vol [31] Rivista Laser and Applìcations, 1985 Designers Handbook and Product Directory" pagg (lndex by Subject to Laser and Application, 1984). [32) l. Ursu, L.C. Nistor e altri:.. Continuous wave laser oxidation of Copper " Centrai l nstitu~e ot Physics (Bucarest) e lnstitut e of Ge neral Physics (Mosca). [33) l. Ursu, L.C. Nistor e altri: Early oxidation stage of Copper during CW C0 2 laser irradiation " Appl. Phys. Lett.. pagg , gennaio [34) K.P. Vijayakumar, C. Purushothaman: An Optical Study of Thermal Effects in Copper Fil ms ". Thin Solid Films, 112 (1984), pagg [35) S. Engel: Basic ot Laser Heat Treating " Laser in Manufacturing Conference, novembre [36] C. Esposito, G. Daurelio: Taglio di acciai al carbonio e inossidabili con laser a C0 2 da 500 W C.W. " Centro Laser, [37) G. Daurelio, M. Lepore: Taglio contornato, a geometria complessa. di acciai con un laser polarizzato circolarmente Centro Laser, [38) C. Esposito, G. Daurelio: " Tuning of a par.ametric model for the laser cutting of steels " Optics and Lasers in Engineering, 2 (3). pagg ' [39) G. Bruni: Chimica generale e inorganica Tamburini, l LA MECCANICA ITALIANA maggio/giugno 1985 n 190

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