LASER E PRODUZIONE: CARATTERISTICHE, APPLICAZIONI E TENDENZE FUTURE

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1 Università degli Studi di L Aquila Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Energetica e Gestionale UCIMU-SISTEMI PER PRODURRE Associazione Costruttori Italiani Macchine Utensili, Robot e Automazione LASER E PRODUZIONE: CARATTERISTICHE, APPLICAZIONI E TENDENZE FUTURE Indagine sperimentale sulla tempra superficiale di Prof. Antoniomaria Di Ilio

2 Principio della tempra laser A P a t i = b/v HAZ T AC3 = 770 C T Vista del processo dall alto Fascio laser b Velocità del pezzo K, D, T a z v a Pezzo in lavorazione 2

3 OBIETTIVI Studiare l influenza dei parametri di processo sulla durezza del materiale Analisi degli effetti delle passate adiacenti Modellazione del processo per la previsione della profondità di trattamento 3

4 Sistema Laser a Diodi utilizzato per le prove λ = 940 mn P max = 1050 W Dimensioni dello spot laser: 3.6 mm Vs 0.6 mm Pezzo montato su tavola X-Y comandata da PC 4

5 Materiali esaminati: C45, X210Cr13, X150CrMo12 Dimensioni dei provini: 20 mm x 20 mm x 120 mm Per valutare la durezza e la profondità indurita impresse dal trattamento laser sono state effettuate delle prove di microdurezza su una superficie perpendicolare alla superficie trattata Superficie lappata su cui sono state effettuate le misure di microdurezza 5

6 CONDIZIONI PER IL CORRETTO TRATTAMENTO E necessario individuare le condizioni per cui il trattamento avviene correttamente in quanto è possibile avere: Mancato trattamento del materiale per velocità di lavorazione troppo elevate Fusione del materiale trattato per velocità di lavorazione troppo basse 6

7 Esempio sperimentale P = 300 W V = 5 mm/s 7

8 Esempio sperimentale P = 500 W V = 26 mm/s 8

9 Zona termicamente alterata vs velocità 9

10 Modellazione analitica del processo Ipotesi 1: - Conducibilità termica, K - Diffusività termica, D - Densità, ρ - Calore specifico, C p Dipendenti dalla temperatura, T T=T(z,t) Ipotesi 2: Pezzo in lavorazione considerato come solido semi-infinito D 2 T z ( z,t ) T ( z,t ) 2 = t t = t i = tempo di interazione materiale-fascio laser T( z, t = 0) = T 0 condizione iniziale del primo tipo (o di Dirichlet) Q(z = 0, t ) = Q con t [0,t*] condizione al contorno di secondo tipo (o di Neumann) 10

11 T( z,t Indagine sperimentale sulla tempra superficiale di Modellazione della profondità indurita Effetti della variabilità delle proprietà termiche ) T 0 = z 2 2Q Dt 4Dt K π *e Andamento della conducibilità termica con la temperatura Qz K *erfc 2 z Dt Andamento del calore specifico con la temperatura T < 800 T > T T T T

12 Effetti della variabilità della conducibilità termica e del calore specifico Previsioni più aderenti ai risultati sperimentali 12

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14 Effetto delle passate adiacenti Materiale C45 Piano sperimentale P [ W ] v [mm/s] ov % P v ov %

15 Schema per la mappatura della microdurezza μm 15

16 Tempra convenzionale 600 HV W 55 mm/s 15 % O,1 mm 540 0,25 mm HV ,75 mm 0,5 mm Zone con durezza minima Provino non trattato 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 Posizione [mm] 16

17 Effetto della velocità L aumento della velocità comporta una diminuzione della durezza ed una migliore omogeneità, più evidenti per P = 950 W 17

18 Effetto della % sovrapposizione Per ov%=30% si ha maggiore omogeneità, inoltre, per P = 740 W con ov%=30 % si hanno anche maggiori valori della durezza 18

19 DUREZZA [HV] DUREZZA [HV] DUREZZA [HV] Effetto delle passate successive PROVINO 55 PASSATA SINGOLA 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 PROVINO 55 PASSATA DOPPIA Aumento della durezza Aumento della disomogeneità 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 ANDAMENTO LONGITUDINALE DUREZZA passat passat Aumento della profondità del trattamento 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 PROFONDITA' [mm] DUREZZA PROVINO 85 PASSATA SINGOLA mm 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 DUREZZA[HV] Aumento della disomogeneità PROVINO 85 PASSATA DOPPIA Aumento della durezza 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 mm 19

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21 Effetti del gas di assistenza 21

22 Effetto del gas di assistenza Fascio laser α Gas Fascio laser Direzione trattamento Gas α s = 10 mm Direzione trattamento 22

23 Caso applicativo Superficie da trattare con fascio laser. Tempra laser selettiva della zona del tagliente del coltello destinato al taglio di etichette per prodotti igienico-sanitari. 23

24 Sono stati ipotizzati 3 differenti posizionamenti del pezzo rispetto al fascio laser per la realizzazione della tempra del tagliente. Fascio laser perpendicolare ad una superficie Posizionamento 1 Pezzo in lavorazione 24

25 Fascio laser verticale (perpendicolare all apice del tagliente) Posizionamento 2 Pezzo in lavorazione 25

26 Posizionamento 3 Fascio laser perpendicolare all asse del coltello Pezzo in lavorazione 26

27 Punta del tagliente prima dell operazione di tempra Laser perpendicolare ad una superficie 800 W, 30 mm/s Si nota un pronunciato arrotondamento della punta del tagliente per effetto termico. 27

28 Laser in posizione simmetrica Si nota un forte arrotondamento della punta del tagliente La fusione del materiale provoca la deformazione del dorso del tagliente 28

29 Laser perpendicolare all asse del coltello Caso migliore: l arrotondamento della punta del tagliente risulta meno pronunciato rispetto agli altri due casi.

30 Futuri sviluppi Ulteriori indagini su: - effetto del gas di assistenza - passate successive - effetto sulla finitura superficiale - estensione ad altri acciai Applicazioni: - ulteriori indagini in corso sul trattamento di utensili affilati