LAVORAZIONI MEDIANTE LASER. Parte III Applicazioni industriali

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1 LAVORAZIONI MEDIANTE LASER Parte III Applicazioni industriali 1

2 Applicazioni industriali Taglio Saldatura Trattamenti termici Foratura Marcatura Incisione Cleaning 2

3 Taglio laser applicazione tra le più diffuse ottima qualità del lembo di taglio elevata velocità di processo buona ripetibilità utilizzato nella lavorazione di lamiere piane di geometrie complesse (lamiere imbutite o tubi a sezione varia) 3

4 4

5 Taglio laser 5

6 Taglio laser 6

7 Testa di taglio Immissione gas sistema di focalizzazione lente GaAs o ZnSe per CO 2 quarzo per Nd:YAG ugello mm per taglio metalli 1-3 mm per taglio non metalli MPa di pressione gas allontana fuso protegge la lente raffredda il pezzo porta energia (reazione di ossidazione) 7

8 Taglio laser Tre meccanismi fondamentali per fusione per vaporizzazione per degradazione chimica 8

9 Taglio per fusione Diffuso nel taglio di metalli Due modalità 1) taglio con ossigeno 2) taglio con gas inerte spessori ridotti si utilizza N 2, Ar, He Minima quantità di materiale vaporizzato Ugello di taglio Bordo di taglio PROCESSO DI TAGLIO Fascio laser Gas di assistenza Getto di gas Direzione di taglio Materiale liquido asportato Strato fuso 9

10 1) Taglio assistito ad ossigeno Come gas di assistenza viene generalmente impiegato ossigeno in pressione Il taglio avviene innescando reazioni esotermiche di ossidazione x Me y O Mex O2 dove H [kj mol -1 ] è l energia liberata 2 x H Il laser ha il compito di portare il materiale alla temperatura di reazione Il calore liberato dalla reazione permette al processo stesso di autosostenersi. L ossigeno serve anche ad allontanare il metallo fuso Si utilizzano laser al CO 2 e al Nd:Yag 10

11 1) Taglio assistito ad ossigeno Il contributo del gas reattivo è massimo nel taglio dei metalli per i quali: ΔH è alto Metallo Reazione Energia H [kj/mol] Fe Fe+1/2O 2 =FeO+ H 260 Cr 2Cr+3/2O 2 =Cr 2 O 3 + H 1150 Cu Cu+1/2O 2 =CuO+ H 160 Ni Ni+1/2O 2 =NiO+ H 250 Ti Ti+O 2 =TiO 2 + H 910 Zn Zn+1/2O 2 =ZnO+ H 350 l ossido formato possiede un basso punto di fusione l ossido formato è permeabile all ossigeno l ossido formato presenta una bassa tensione superficiale e una bassa viscosità 11

12 Il solco di taglio (kerf) Il solco di taglio è ossidato (rimozione mediante azione meccanica (spazzolatura) o chimica (decapaggio) Il solco di taglio presenta delle striature dovute alla dinamica di fusione del materiale v ZONA I ZONA II ZONA I: Striature regolari ZONA II: Striature irregolari e curve dovute ad una ossidazione anomala in presenza di una scarsa quantità di ossigeno (la pressione del gas diminuisce nello spessore) Il solco di taglio risulta conico 12

13 Il solco di taglio (kerf) 13

14 Vantaggi e svantaggi VANTAGGI Taglio di spessori elevati Elevata produttività SVANTAGGI Il solco di taglio risulta ossidato sui bordi Scarsa qualità superficiale 14

15 2) Taglio con gas inerte Il laser porta a fusione il materiale da tagliare. Il materiale fuso viene allontanato da un gas inerte in pressione e coassiale al fascio (aria, argon o azoto). Si utilizzano laser a CO 2 o Nd:Yag. Fascio laser TESTA PER IL TAGLIO Deviatore del fascio (specchio a 45 ) Entrata gas di assistenza Lente di focalizzazione Piano di lavoro Ugello di uscita gas 15

16 Vantaggi e svantaggi VANTAGGI Miglior qualità superficiale (assenza di striature pronunciate e di ossidazione) SVANTAGGI Velocità di taglio sensibilmente inferiori rispetto al taglio ad ossigeno Maggior costo del gas di assistenza Taglio di spessori fino a 10 mm circa 16

17 Taglio per vaporizzazione Il laser porta il materiale da tagliare alla temperatura di vaporizzazione con una minima produzione di materiale fuso. Il taglio è assistito da un gas inerte (argon, azoto). Tipico di: laser con elevata irradianza, M 2 pari a 1, focali corte materiali con bassa energia di vaporizzazione VANTAGGI: Ottima qualità della superficie di taglio (non occorre espellere il materiale fuso) SVANTAGGI: Elevata potenza per portare a vaporizzazione il materiale 17

18 Taglio per degradazione chimica Il taglio avviene mediante una reazione chimica indotta dall energia termica del fascio che rompe i legami chimici che costituiscono i ponti tra le molecole del materiale. Si utilizza un gas inerte di assistenza. E un processo lento. 18

19 Velocità e potenza nel taglio 19

20 Velocità [m/min] Velocità [m/min] Velocità e potenza nel taglio 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 250 W 500 W 1000 W Spessore [mm] 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Spessore [mm] Gas: azoto Modo impulsato 500 W 1000 W 2000 W Gas: ossigeno Modo continuo 20

21 Altezza del fuoco Altezza del fuoco h: distanza tra il fuoco e la superficie del pezzo h<0 per tagli con gas inerti e taglio per vaporizzazione h=0 taglio assistito con ossigeno Durante il taglio h deve rimanere costante fuoco positivo fuoco negativo dispositivo di autofocus 21

22 Zone critiche nel taglio Spigoli Subiscono un riscaldamento maggiore rispetto al resto del solco (il sistema di movimentazione deve rallentare per poi accelerare): spigolo arrotondato per eccesso di fusione del materiale in quella zona 1) Traiettoria a ricciolo 2) Modulazione della potenza del fascio laser 22

23 Punto iniziale E necessario che il laser fori il materiale prima di iniziare il taglio Il foro iniziale ha un diametro maggiore della larghezza del solco ottenuta durante il taglio Zone critiche nel taglio Punto finale 23

24 Bava La bava si può formare nello spigolo inferiore del solco di taglio avvenuto per fusione, a seguito della solidificazione del materiale fuso mentre abbandona il solco Se taglio con O 2, la bava è costituita da ossido metallico molto fragile Se taglio con gas inerte, la bava è materiale fuso risolidificato molto resistente Per diminuire la formazione della bava, si aumenta la pressione del gas 24

25 Zona termicamente alterata ZTA: porzione di materiale prossima al lembo generato che ha subito, durante il taglio, un alterazione microstrutturale a causa del ciclo termico taglio laser CO 2 di una lamiera in titanio (spessore 5mm) ZTA è funzione del campo termico e dei parametri di processo: maggiore è la velocità, minore è l estensione 25

26 MATERIALI METALLICI I materiali tagliati Tagliati prevalentemente per fusione sia con gas inerte che ossigeno. Se spessore limitato è possibile anche per vaporizzazione (sorgenti di elevata potenza) ACCIAIO Acciai a basso tenore di carbonio vengono tagliati con ossigeno ad elevate velocità Acciai ad alto tenore di carbonio e acciai legati sono problematici (prendono tempra facilmente, eccessiva durezza e fragilità del lembo) Fascio CO 2 da 1,5 kw con M 2 =1,5 Spessore 1mm v= 10m/min con O 2, 5m/min con gas inerte ACCIAIO INOSSIDABILE Molto diffuso taglio con gas inerte (qualità buona) Taglio con O 2 : sfrutta il calore rilasciato dall ossidazione sia del ferro che del cromo. Tuttavia l ossido che si forma è impermeabile e frena l afflusso di ossigeno in profondità Fascio CO 2 da 1,5 kw con M 2 =1,5 Spessore 1mm v= 8 m/min con O 2, 6m/min con gas inerte 26

27 I materiali tagliati MATERIALI METALLICI ALLUMINIO E SUE LEGHE Difficile da tagliare per: Basso coef di assorbimento A (A~25% con λ=1,06 μm; A~8% con λ=10,06 μm) Elevata conduttività termica k (k~ 380 W/mK) Una piccola parte della potenza del laser entra nel materiale e questa parte viene subito diffusa nel pezzo Sono necessari fasci di elevata qualità (M 2 ~1) per spessori limitati (<10 mm) Si utilizza generalmente O 2 - Aumento della velocità solo del 30% circa (formazione di ossido poco permeabile all ossigeno) Fascio CO 2 da 1,5 kw con M 2 =1,5 Spessore 1mm v= 6m/min con O 2 27

28 I materiali tagliati MATERIALI METALLICI TITANIO E SUE LEGHE Più diffuso con gas inerte (ottima qualità) Con O 2 la reazione di ossidazione è molto violenta e qualità del lembo scarso Si può sostituire all O 2 aria (via di mezzo tra gas inerte e O 2 ) Fascio CO 2 da 1,5 kw con M 2 =1,5 Spessore 1mm v= 9m/min con O 2, 2m/min con gas inerte NICHEL E SUE LEGHE Non presenta problemi sia con gas inerte che con ossigeno A seconda degli elementi presenti in lega, cambiano le velocità di taglio Nelle applicazioni areonautiche si utilizza gas inerte (la ZTA con il taglio ad O 2 non è compatibile con le specifiche) 28

29 I materiali tagliati MATERIALI METALLICI RAME E SUE LEGHE RAME Difficile da tagliare per: Basso coef di assorbimento A Elevata conduttività termica k (k~ 380 W/mK) Si tagliano lamiere di piccolo spessore (pochi mm) con fasci di alta qualità (M 2 =1) con ossigeno OTTONE (70% rame e 30% zinco) Più facile da tagliare (grazie allo zinco A è maggiore e k minore e durante l ossidazione rilascia più calore) Fascio CO 2 da 1,5 kw con M 2 =1,5 Spessore 1mm v= 1,5 m/min rame, 3 m/min ottone 29

30 I materiali tagliati MATERIALI NON METALLICI POLIMERI -Termoplastici : taglio per fusione e vaporizzazione -Termoindurenti: taglio per degradazione chimica Velocità elevate Rischio di generazione di fiamma e rilascio di fumi tossici LEGNO Taglio per degradazione chimica (trasformazione del carbonio in CO2) Si utilizza aria Spessori massimi: mm Applicazioni: tagli di elementi decorativi (mosaici, parquet, ecc.) Vantaggi: assenza di truciolo (segatura) e rumorosità contenuta 30

31 I materiali tagliati MATERIALI NON METALLICI VETRO E CERAMICA Il taglio avviene attraverso la realizzazione con un laser impulsato di una serie di fori di piccolo diametro molto vicini tra loro. La separazione dei lembi avviene attraverso la frattura fragile del materiale METERIALI COMPOSITI Sono materiali difficilmente lavorabili con le tecnologie tradizionali - A matrice polimerica (rinforzo sotto forma di fibre): Il taglio è di buona qualità se fibre e matrice hanno proprietà termiche simili (KEVLAR). - A matrice metallica (rinforzo sotto forma di particolato), tagliati laser senza problemi 31

32 Esempi di taglio laser taglio laser impulsato di stent in acciaio inossidabile taglio laser impulsato ai nanosecondi di una lega NiTi taglio laser CO 2 assistito ossigeno di Fe360 (15 mm di spessore) 32

33 Esempi di taglio laser 33

34 Esempi di taglio laser 34

35 Vantaggi e svantaggi del taglio laser VANTAGGI Processo estremamente rapido Solco di taglio stretto Qualità elevata Processo facilmente automatizzabile Assenza di forze Assenza di usura Taglio omnidirezionale Processo silenzioso SVANTAGGI Costo del sistema Limite degli spessori tagliabili Processo termico 35

36 Saldatura laser Il raggio laser focalizzato sul profilo dei lembi, ne determina la saldatura autogena per fusione e successiva risolidificazione. laser cordone di saldatura lembi La saldatura avviene quindi senza materiale d apporto, mentre è richiesto l uso di un gas inerte di copertura (argon, elio, azoto) per evitare ossidazioni 36

37 Ciclo termico in saldatura La drasticità del ciclo termico in saldatura dipende da: apporto termico specifico forma del componente pre-riscaldo Può essere valutato con un indicatore come il Δt

38 Caratteristiche dei cordoni saldati Zona Fusa Porzione del materiale base fusa e risolidificata. Zona termicamente alterata Materiale non fuso che ha subito un alterazione a seguito del ciclo termico di saldatura Materiale base 38

39 Testa di saldatura con specchio con lente 39

40 Tipologie di saldature laser Secondo il rapporto di forma del cordone di saldatura, cioè del rapporto tra la profondità di penetrazione e la larghezza del cordone stesso, la saldatura laser può essere di due tipi: SALDATURA DI SCARSA PENETRAZIONE Rapporto di forma 1 SALDATURA DI PROFONDA PENETRAZIONE Rapporto di forma fino a 1:10 e oltre 40

41 Saldatura a bassa penetrazione La profondità del cordone è paragonabile alla sua larghezza (fattore di forma circa unitario). Adatta sia per materiali metallici che polimerici La potenza del laser è assorbita dalla superficie del materiale senza vaporizzazione e la propagazione del calore all interno dei pezzi è dovuta ad un fenomeno di conduzione. La potenza media delle sorgenti usate è 1 1,5 kw per il CO 2 in continuo e 100 W impulsati per il Nd:YAG. Saldatura di C40, spessore 1 mm La saldatura a bassa penetrazione è comunque poco affidabile ed è impiegata nella giunzione di lamiere di piccolo spessore e nella sigillatura 41

42 Saldatura di profonda penetrazione La profondità del cordone è almeno pari a tre volte la sua larghezza. L elevata potenza specifica (10 6 W/cm 2 ) porta alla formazione di una colonna di materiale vaporizzato (key hole) circondata da materiale fuso. Al procedere del fascio, il materiale fuso si richiude su se stesso generando il cordone di saldatura: metallo fuso key hole larghezza zona fusa penetrazione E necessario un flusso di gas inerte per allontanare il plasma che si forma sopra la zona di saldatura e che assorbe l energia del fascio. Si utilizzano laser a CO 2 fino a 5 kw o laser impulsati al Nd:Yag con potenza media di 1 1,5 kw. 42 direzione di movimento del pezzo

43 Saldatura di profonda penetrazione Laser Rappresentazione schematica di una saldatura laser Sezione tipica di una saldatura laser Materiale: AISI 316 LN Spessore: 14 mm 43

44 Profondità di penetrazione (mm) Da un meccanismo all altro TIPOLOGIE DI SALDATURA LASER Saldatura per conduzione Densità di potenza specifica (W/mm²) Saldatura con Keyhole 44

45 Sorgenti per saldature Qualità del fascio non è elevata (M 2 >> 1): per fondere i due lembi è necessario avere una dimensione dello spot non piccola SORGENTI A CO 2 Utilizzate per saldature a profonda penetrazione P > 1 kw Applicazioni: carpenteria medio-leggera SORGENTI A Nd:Yag Saldature di oggetti di piccole dimensioni (dimensione dello spot focale piccolo) Potenze: 500 W in regime impulsato, 2 kw in regime in continuo 45

46 Profondità [mm] Velocità di saldatura All aumentare della velocità diminuisce la dimensione del cordone di saldatura, sia in termini di massima profondità che di dimensione trasversale Velocità [m/min] Potenza [kw] Profondità [mm] Potenza [kw] k Velocità [m/min] 46

47 Tipo e portata del gas di copertura Il gas di copertura ha diverse funzioni: schermare l atmosfera (evitare ossidazione e nitrurazione) allontanare il plasma proteggere il sistema di focalizzazione influenzare la chimica del bagno Si utilizzano pressioni più contenute del taglio ( MPa). Si utilizzano He, Ar, N 2 e miscele opportune. 47

48 Materiale d apporto Può essere necessario utilizzare materiale d apporto: problemi di irregolarità dei lembi composizione chimica del bagno 48

49 Accostamento dei lembi Fattori critici E sufficiente un minimo scostamento tra i due lembi affinchè il fascio laser passi nella luce tra i due lembi senza fonderli Diametro dello spot del fascio laser: decimi di mm Regola generale 49

50 I materiali saldati MATERIALI METALLICI ACCIAIO Acciai a basso tenore di carbonio facilmente saldabile sia per bassa che profonda penetrazione: giunto tenace di ottima qualità Acciai ad alto tenore di carbonio: possono presentare problemi perché si generano strutture martensitiche (fragili) Fascio CO 2 da 1,5 kw, Spessore 1mm, v= 4m/min ACCIAIO INOSSIDABILE Facilmente saldabili: cordone di qualità elevata ALLUMINIO E SUE LEGHE Difficilmente saldabile per basso coef di assorbimento ed elevata conduttività termica 50

51 MATERIALI METALLICI I materiali saldati RAME E SUE LEGHE Non si prestano alla saldatura laser a causa dell elevata riflettività e conduttività termica TITANIO E SUE LEGHE Buona saldabilità Devono essere prese cure particolari per proteggere il cordone dall ossigeno NICHEL E SUE LEGHE Buona saldabilità 51

52 I materiali saldati MATERIALI NON METALLICI La saldatura di materiali plastici è possibile solo se il materiale riscaldato dal fascio laser fonde: solo per i materiali polimerici termoplastici 52

53 Vantaggi e svantaggi della saldatura laser VANTAGGI Elevata produttività Limitate distorsioni termiche del componente Limitata alterazione termica del materiale Assenza di materiale d apporto Facilità di accesso Possibilità di ottenere saldature estetiche Elevata qualità del cordone (profonda penetrazione) SVANTAGGI Difficoltà tecnologiche: I due lembi devono essere accoppiati in modo perfetto (luce 5 10% dello spessore) Il fascio deve seguire con estrema precisione la linea di saldatura (sistema di movimentazione particolarmente preciso) 53

54 54

55 55

56 Esempi di saldature laser Saldatura dell anello interno di trascinamento con la ruota dentata di un cambio automobilistico da competizione (saldatura CO 2 CW acciaio per utensili). Saldatura della campana di frizione (saldatura CO 2 CW acciaio per utensili). 56

57 Esempi di saldature laser SISTEMA DI SALDATURA LASER DI CUCINE INDUSTRIALI Saldatura laser di carrozzerie 57

58 Esempi di saldature laser Saldatura estetica (saldatura Nd:YAG impulsata di C55). Stelo di una valvola elettroidraulica realizzato mediante saldatura Nd:YAG impulsata di due componenti in materiale diversi (ottone e AISI 316) 58

59 Esempi di saldature laser 59

60 Esempi di saldature laser 60

61 Esempi di saldature laser 61

62 Esempi di saldature laser 62

63 Esempi di saldature laser 63

64 Esempi di saldature laser 64

65 Esempi di saldature laser 65

66 Esempi di saldature laser 66

67 Esempi di saldature laser 67

68 Trattamenti termici mediante laser consiste nell imporre un ciclo termico (riscaldamento e raffreddamento) in condizioni controllate ad uno strato di materiale superficiale. la qualità del risultato è estremamente sensibile ai parametri di processo v pezzo in lavorazione fascio laser strato indurito Si possono realizzare trattamenti di: TEMPRA (applicazione + diffusa tempra superficiale di leghe ferrocarbonio: acciai e ghise) ALLIGAZIONE (polveri contenenti specifici componenti leganti vengono fuse dal laser sulla superficie da trattare) VETRIFICAZIONE (LASER GLAZING) ottenuta con severi shock termici 68

69 Trattamenti termici mediante laser Fascio Laser Spot Laser V Sezione di zona trattata Spessore: 1 mm 69

70 La tempra Il ciclo termico è costituito da una fase di riscaldamento, una fase di mantenimento ad alta T ed una fase di raffreddamento Condizioni: lo strato h deve superare la temperatura di austenitizzazione la temperatura in superficie non deve superare la temperatura di fusione La durata della fase di mantenimento deve garantire l omogeneizzazione del materiale la velocità di raffreddamento deve essere superiore alla v crit (trasformazione martensitica) 70

71 La tempra laser La densità di potenza è dell ordine di W/cm 2 e si impiegano generalmente sorgenti al CO 2 da 2 5 kw. Lo spot laser deve avere dimensioni grandi in modo da investire tutta la zona da temprare. L irradianza deve essere distribuita in maniera uniforme per consentire un riscaldamento omogeneo. Lo spessore di materiale trattato dipende dalla potenza della sorgente, dalla focalizzazione del fascio e dalla sua velocità. In generale, è minore di quello ottenuto con la tempra a induzione. Per aumentare il coefficiente di assorbimento delle superfici metalliche è necessario prevedere un pretrattamento ricoprente (grafite, vernici, fosfati) o non (persolfato di ammonio). Il coefficiente di assorbimento passa mediamente da 0,2 a 0,6 0,7. 71

72 I materiali sottoposti a trattamenti superficiali -ACCIAI Acciai al carbonio Perché un acciaio al carbonio possa prendere tempra il tenore di carbonio non deve essere troppo basso (altrimenti non si ha la trasformazione martensitica) - GHISE Acciai legati Acciai inossidabili 72

73 Vantaggi e svantaggi della tempra laser VANTAGGI: Possibilità di trattare in modo localizzato e molto preciso superfici delimitate e di difficile accesso (sedi valvole, alberi e camme, ingranaggi, ) Ridotta distorsione geometrica dei pezzi trattati SVANTAGGI: Scarso coefficiente di assorbimento della radiazione laser e necessità di un pretrattamento Ridotto spessore temprato Instabilità del processo Accurata messa a punto del processo 73

74 Esempio di tempra laser TRATTAMENTO SUPERFICIALE DI PALE DI TURBINA Fascio laser 74

75 75

76 Marcatura laser La marcatura è l operazione con la quale si incidono in maniera indelebile su una superficie scritte, numeri, simboli, Il fascio laser viene diretto verso le zone superficiali su cui si vuole produrre una scritta in modo da vaporizzarle o variare il loro colore rispetto allo sfondo. Si utilizzano laser al CO 2 e al Nd:Yag. Le potenze impiegate sono generalmente basse. E tra le applicazioni laser quella con il maggior numero di sistemi installati 76

77 Applicazioni La marcatura laser può essere realizzata su ACCIAI, MATERIALI PLASTICI E CERAMICI. Esempi di applicazioni sono: Industria degli utensili: riporto di sigle alfanumeriche e marchi di fabbrica Componentistica elettromeccanica: riporto di schemi di allacciamento dei componenti, piedinature, Strumentazione: incisione di quadranti, noni e caratteri numerici; Industria delle lame: riporto di marchi e numeri di serie; Applicazioni decorative, riporto di marchi, Codificazione di semilavorati e componenti nei processi produttivi; Etc. 77

78 Vantaggi e svantaggi della marcatura VANTAGGI: Indelebilità della marcatura Assenza di contatto fisico Elevata velocità Elevata precisione e ripetibilità laser SVANTAGGI: Assenza di gamma cromatica Apporto termico 78

79 Esempi di marcature laser componente elettrico in materiale polimerico marcato laser pannello retroilluminato in materiale polimerico marcato laser 79

80 Esempi di marcature laser marcatura su acciaio: scala graduata e nonio di un calibro marcatura su alluminio mediante incisione dello strato anodizzato 80

81 Esempio di marcature laser lavorazione 3D nel vetro 81

82 Microforatura realizzazione di fori con diametro dell ordine delle decine o centinaia di micron ottenuti generalmente mediante regime impulsato Nd:YAG durate dell impulso dell ordine dei milli, nano o femto secondi foratura laser di Ti (a sinistra) e ottone (a destra) dallo spessore di 1 mm 82

83 83

84 Riporto consiste nel depositare sulla superficie di un componente metallico un rivestimento omologo eterologo con due obiettivi differenti nei due casi: ripristino e riparazione modifica delle caratteristiche funzionali (usura, corrosione, attrito, etc.) della superficie due tecnologie laser riporto in polvere riporto in filo 84

85 Riporto riporto in polvere riporto in filo 85

86 Esempi di riporto laser in filo 86

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