Tecnologie di saldatura per fusione

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1 La saldatura laser

2 Tecnologie di saldatura per fusione saldatura ad arco (MIG, TIG, SAW, Plasma ecc.) saldatura a gas (ossiacetilenica, ossidrica ecc.) saldatura ad elettroscoria saldatura alluminotermica saldatura a fascio elettronico saldatura laser

3 Tecnologie ad alta densità d energia Densità di energia Procedimenti ad arco W/cm 2 Arco plasma W/cm 2 Fascio elettronico W/cm 2 Laser W/cm 2

4 Funzionamento del laser specchio 1 specchio 2 riflettente Materiale attivo Sorgente di pompaggio semi-riflettente espansione di un gas reazione chimica ottico elettrico direzionalità monocromaticità coerenza brillanza

5 Tipi di laser Laser a liquidi (a coloranti) Laser chimici Laser a elettroni liberi (FEL) Laser a semiconduttore (a diodo) Laser a stato solido a rubino a neodimio Laser a gas He-Ne Ar + ad eccimeri CO 2

6 laser a CO 2 Materiale attivo: CO 2 (CO 2, N 2, He) Pompaggio: elettrico (DC, RF, HF) Lunghezza d onda della radiazione: 10,6 µm Funzionamento: pulsato e in continuo Range di potenza: fino a 25 kw Sistemi di focheggiamento:a trasmissione (KCl, ZnSe) a riflessione (Cu, Mo, Au) Sistema a 5 assi Saldatura autogena in passata singola di alti spessori

7 laser a Nd:YAG Materiale attivo: cristalli di granato di Ittrio - Alluminio attivato con Neodimio (Nd 3+ ) Pompaggio: ottico (lampade flash allo Xe, Kr, laser a diodi) Lunghezza d onda della radiazione: 1,06 µm Funzionamento: pulsato e in continuo Range di potenza: fino a 6 kw in continua Sistemi di focheggiamento: a trasmissione Robotizzazione via fibra ottica Robot a 6 assi

8 laser a diodi Materiale attivo: semiconduttore Pompaggio: elettrico Lunghezza d onda della radiazione: 808 nm nm Funzionamento: pulsato e in continuo Range di potenza: fino a 4 kw in continua Sistema di focheggiamento: a trasmissione Accoppiamento con robot (10 kg)

9 Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione specchio lente Diametro del fuoco (teorico) Lungh. focale f Diametro del fuoco (reale) Profondità di campo Piano di lavoro Fattore di qualità M 2 (CO 2 ) «M 2 (Nd:YAG)

10 Distribuzione dell energia nel fascio laser (TEM)

11 Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione trasmissione del fascio con fibra ottica fibra lente di focalizzazione lente di ricollimazione lente di focalizzazione fibra punto focale fd = (f/fc) * fc sistema di collimazione e focalizzazione BP = q D/2 M 3BP cavo fibra

12 Principio della saldatura laser Riscaldo di una zona localizzata Creazione di un bagno fuso 1 1. Plasma Riscaldamento del fuso al di sopra della temperatura di evaporazione Creazione del keyhole Materiale fuso 3. Keyhole 4. Profondità della saldatura 4 Alluminio Laser CO 2 1, W/cm 2 Saldatura per conduzione > saldatura con Keyhole Laser Nd:YAG 7, W/cm 2

13 Coeff.. Assorbimento vs.. lunghezza d onda

14 Processo di saldatura laser Fascio laser potenza velocità relativa fascio/pezzo distribuzione dell energia nel fascio (K) Sistema di focalizzazione trasmissione/riflessione lunghezza focale posizione fuoco Materiale d apporto Gas di protezione tipo/portata geometria Materiale tipo preparazione geometria

15 Caratteristiche della saldatura laser Alta velocità di saldatura ( > 1 m/min) Aumento delle possibilità di automazione Bassi apporti termici Zona fusa e Zona termicamente alterata estremamente ridotta Bassi valori di deformazioni totali Sistemi d afferraggio meno severi Saldabilità di giunti eterogenei Saldature in posizioni di difficile accessibilità Buona riproducibilità ( 2% per P 5 kw)

16 Difetti nella saldatura laser Cricche composizione chimica cicli termici Acciaio C-Mn Porosità contaminazione della superficie gas di protezione intrappolato AA5083 3mm Difetti geometrici del cordone insuff. accoppiamento lembi Acciaio C-Mn 8mm

17 Esempi di applicazioni Acciaio HSLA - 2mm / 1 mm Acciaio 430-1,2 mm / 2 mm

18 Esempi di applicazioni Acciaio saldatura a trasparenza Inox 630-0,5 mm / 0,5 mm Inox STR12-2 mm / 1,2 mm

19 Esempi di applicazioni Leghe d alluminio Laser DC 025 AA 6082 T6 spessore 3 mm v= 3 m/min Laser DC 025 AA 6082 T6 spessore 5 mm v= 1,2 m/min

20 Esempi di applicazioni THERMAL CYCLES Thermocouple 1 Thermocouple 2 Thermocouple 3 THERMOCOUPLE DISTANCES: THERMOCOUPLE 1 : 0,8 mm THERMOCOUPLE 2 : 0,9 mm THERMOCOUPLE 3 : 1,0 mm Laser HF 860 Acciaio TMCP grado 355 spessore 8 mm v = 0,8 m/min Temperature ( C) D T = 2.1 s D T = 2.2 s D T = 2.6 s Time (1/100 s) Thickness 8 mm

21 Esempi di applicazioni Titanio Laser HF 860 Ti c. p. spessore 2,7 mm v= 6,6 m/min Laser HF 860 Ti c. p. spessore 0,7 mm diametro 19 mm v= 9 m/min

22 Esempi di applicazioni Acciaio giunti a T

23 Il taglio laser

24 Tecnologie di taglio termico taglio ossiacetilenico taglio al plasma taglio laser

25 Tipologie di taglio laser per sublimazione materiali ceramici, materie plastiche, legno ecc. per fusione Ar N 2 titanio, alluminio, acciaio inox, vetro ecc. per combustione O 2 acciaio

26 Caratteristiche del taglio laser Zona rimossa (kerf) estremamente piccola (0,1mm 0,5mm) Zona termicamente alterata estremamente ridotta Assenza di ossidi Riproducibilità Versatilità d impiego

27 Materiale Gas Note Spessori Acciaio C-Mn O 2 s < 20 mm Inox N 2 alta press. bave s < 12 mm Leghe d alluminio N 2 alta press. bave s < 8mm Titanio Ar bave Leghe di nichel aria Leghe di rame inerte s < 1 mm Materiali vetrosi N 2 Materiali ceramici N 2

28 Principio del taglio laser 4 1. Gas di processo 2. Ugello di taglio 3. Offset ugello 4. Velocità di taglio 1 5. Materiale fuso 6. Scoria 7. Rugosità (striature) ZTA 9. Larghezza kerf

29 Processo di taglio laser Parametri che controllano la qualità del taglio (1) lente (2) ugello (3) camera a pressione (4) materiale Fascio laser Movimentazione Gas Materiale spot TEM pulsato o CW polarizzazione (lineare) lunghezza d onda velocità posizione del fuoco (autofocus) pressione posizione, forma ugello composizione proprietà ottiche proprietà termiche

30 Controllo qualità bordi Rugosità Conicità spessore <2 spessore >2 S/2 2S/3 Parametri misurati Ra Rz Ry t = (Wt - Wb) / 2a DIN 2310

31 Controllo qualità bordi spaziatura profondità piegatura Piano x,y larghezza profondità Piano y,z DIN 2310

32 Esempi di applicazioni Acciaio inox ferritico 2 mm Acciaio FEE mm Laser DC 025 v=4,5 m/min gas = N 2 P = 15 bar Laser DC 025 v=6 m/min gas = O 2 P = 4 bar

33 Esempi di applicazioni Acciaio FE510 norm. 7mm AA mm Laser CO 2 V = 2150 mm/min Gas = O 2 Ra = 4 Laser CO 2 V = 600 mm/min Gas = N 2 Ra = 2,5-6,2

34 Esempi di applicazioni AA5083 7mm Laser CO 2 V = 1350 mm/min Gas = N 2 Ra = 2-8,7