TAGLIO E SALDATURA LASER

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "TAGLIO E SALDATURA LASER"

Evangelina Pellegrini
7 anni fa
Visualizzazioni

1 TAGLIO E SALDATURA LASER Ultimo aggiornamento: 18/9/08 Prof. Gino Dini Università di Pisa

3 Lavorazioni tramite energia termica Laser Beam Machining (LBM) fotoni gas d apporto lente di focalizzazione pezzo

4 Lavorazioni tramite energia termica Laser Beam Machining (LBM)

5 Luce laser non monocromatica non coerente elevata divergenza bassa intensità luminosa monocromatica coerente bassa divergenza elevata intensità luminosa

6 Effetto laser

7 Effetto laser

8 Effetto laser

9 E E 2 Distribuzione di Boltzmann N N 1 2 = e e E2 KT E1 KT T E 1 N 2 N 1 N

10 Inversione della popolazione E E 2 E 1 N 1 N 2 N Emissione stimolata competitiva con l assorbimento al livello fondamentale!

11 Materiale a 3 livelli energetici E E 3 INSTABILE E 2 T METASTABILE E 1 N 3 N 2 N 1 N

12 Materiale a 3 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 N 1 N 3 N1 + N 2 + N 3 N N 2 2 N

13 Materiale a 3 livelli energetici rapida ν p υ L ν laser E2 E1 = h υ P = E 3 h E 1

14 Materiale a 4 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 T INSTABILE METASTABILE INSTABILE E 0 N 3 N 2 N 1 N 0 N

15 Materiale a 4 livelli energetici E E 3 E 2 E 1 E 0 N 3 N 0 N 2 > 1 N 1 N 2 N

16 Materiale a 4 livelli energetici rapida ν laser ν p υ L = E 2 h E 1 rapida υ P = E 3 h E 0

17 Metodi 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*

18 Direzionalità del fascio

19 Direzionalità del fascio Materiale emette in tutte le direzioni! Serve una corretta conformazione del materiale attivo.

20 Direzionalità del fascio La radiazione si perde alle estremità! Creare una cavità risonante che amplifichi l effetto della radiazione.

21 Direzionalità del fascio Radiazioni non laser si dissipano in calore. Elevate perdite! In generale i laser hanno rendimenti bassi.

22 Materiale attivo laser a gas (ricircolo del gas) laser allo stato solido (raffreddamento!) laser allo stato liquido laser a semi-conduttori

23 Laser a gas

24 Transizioni del laser He-Ne E 1s 3s 3s 2s 3,39 µm 3p 1,15 µm 0,6328 µm 2p Elio Neon

25 Transizioni del laser a CO 2 E N 2 eccitato CO 2 eccitato O C O O C O 10,6 µm ,6 µm O C O Azoto (13%) He (79%) diseccita qui! RAFFREDDARE! CO 2 (8%)

26 Laser allo stato solido Materiale attivo in barrette cilindriche Pompaggio sempre ottico 1. Lampada flash ad elica 2. Lampade flash cilindriche

27 Laser al rubino λ=0,69µm Barra= zaffiro sintetico % di Cr 2 O 3 Cr3+

28 Laser a Neodimio Dispersione di ioni Nd 3+ : 1. Vetro (bassa diffusività) 2. Granato di Ittrio ed Alluminio Y 3 Al 5 O 12 Emette nel vicino IR, a questa radiazione sono trasparenti le sostanze trasparenti nel visibile (vetro) Trasportabile in fibra ottica 4 livelli energetici λ=1.06µm

29 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA λf=c LUNGHEZZA D'ONDA 0,1nm 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 0,1cm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km 10km 100km Raggi Gamma Raggi X UV VISIBILE Infrarosso Microonde TV Onde Radio Laser ad eccimeri Ar-F Xe-F Argon He-Ne Rubino As-Ga Neodimio FREQUENZA [Hz] CO 2 Ultravioletto Visibile Infrarosso LUNGHEZZA D'ONDA [µm]

30 Regime di fuoriuscita dell energia energia 1. Continuo W 2. Impulsato (tecniche di Q-switching) W t Fase di carica del materiale attivo t

31 Tabella riassuntiva Laser Lunghezza d onda Potenza Regime [µm] [W] He-Ne 0,6328 1,15 3,39 0,001-0,05 continuo CO 2 10,6 fino a continuo o impulsato Rubino 0, J impulsato Nd-vetro 1, J impulsato Nd-YAG 1,06 fino a continuo o impulsato

32 Caratteristiche 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)

33 Selezione della lunghezza d ondad L B A Φ 0 C Φ 1 :2π=2L:λ 2L=mλ

34 Modi risonanti della cavità m = 12 λ 1 λ 2 m = 14 L

35 Guadagno di cavità Perdite λ 1 λ 0 λ = λ = λ λ 0 2 λ 2a 1 = 2a n 2a n + 1 2a 2 n

36 Divergenza del fascio Ф 1. Costruzione degli specchi (per facilitare l allineamento almeno uno dei due è sferico) 2. Diffrazione φ = k λ D APERTURA k = f(distribuzione spaziale della densità di energia)

37 Distribuzione spaziale dell energia energia TEM 00 E MAX E = E MAX e 2 x R e 2 k GAUSSIANO = 2 π

38 TEM mn Modi trasversali di un laser

39 Fattore di qualità del fascio M 2 = R R TEM TEM m, n 0,0 1 φ GAUSSIANO = 2 π D λ APERTURA φ = GENERICO 2 λ π D APERTURA M 2

40 Focalizzazione R SPOT X f R SPOT = fφ 2 D SPOT D SPOT Z R = π D λ SPOT 2 M Z R Z R

41 B = Brillanza Potenza ( Area _ emittente) ( Angolo _ di _ emissione) W 2 cm srad Teo : nessun sistema ottico è in grado di aumentare la brillanza di una sorgente.

42 Brillanza di alcune sorgenti Sorgente Schermo 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

43 Riflettività dei metalli R : f(λ,t,ra,caratteristiche chimico-fisiche del materiale) 1 A 0,8 B C D E Riflettività 0,6 0,4 A: Argento lucidato B: Rame 0,2 0 Lunghezza d onda [µm] C: Alluminio D: Nichel E: Acciaio al carbonio 0,2 0,4 0,

44 Esempio di sorgente laser CO 2 Soitaab SL50

45 Esempio di sorgente laser CO 2 Potenza: Campo di variazione: Soitaab SL W Stabilità della potenza: ± 2% W Lunghezza d onda: 10,6 µm Modo trasversale: TEM 0,0 e TEM 1,1 Diametro del fascio in uscita: 44 mm Divergenza del fascio: ± 3 mrad per TEM 0,0 Tempo di riscaldamento: 10

46 Esempio di sorgente laser CO 2 Soitaab SL50 Energia assorbita: kva Tensione di alimentazione: 380 V trifase Portata acqua raffreddamento: 760 litri/min Consumo gas CO 2 : 8,5 litri/h He: 113 litri/h N 2 : 51 litri/h Peso complessivo: 6400 kg

Documenti analoghi

LASER PRINCIPI FISICI

Corso di Tecnologie Speciali I LASER PRINCIPI FISICI Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale LASER Light Amplification