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La saldatura laserLa saldatura laser
Tecnologie di saldatura per fusioneTecnologie 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
Tecnologie ad alta densità d’energiaTecnologie ad alta densità d’energia
Densità di energia
Procedimenti ad arco 102 - 104 W/cm2
Arco plasma 103 - 106 W/cm2
Fascio elettronico 105 - 108 W/cm2
Laser 105 - 107 W/cm2
Funzionamento del laser
Materiale
Sorgente di pompaggio
specchio 1 specchio 2
attivo
• espansione di un gas• reazione chimica• ottico• elettrico
• direzionalità• monocromaticità• coerenza• brillanza
riflettente semi-riflettente
Tipi di laserTipi 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 gasHe-NeAr+
ad eccimeri+ CO2
laser a COlaser a CO22
Materiale attivo: CO2 (CO2 , N2 , 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)
Saldatura autogena in passata singola di alti spessori
Sistema a 5 assi
Materiale attivo: cristalli di granato di Ittrio - Alluminio attivato con Neodimio (Nd3+)
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
laser a Nd:YAGlaser a Nd:YAG
laser a diodilaser a diodi
Materiale attivo: semiconduttore
Pompaggio: elettrico
Lunghezza d’onda della radiazione: 808 nm - 940 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)
Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazioneParametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione
Diametro del fuoco (teorico)
Diametro del fuoco (reale)
Profondità di campo
specchio lente
Piano di lavoro
Lungh.focale
f
Fattore di qualità
M2(CO2) « M2(Nd:YAG)
Distribuzione dell’energia nel fascio laserDistribuzione dell’energia nel fascio laser(TEM)(TEM)
Parametri caratterizzanti il sistema di focalizzazioneParametri caratterizzanti il sistema di focalizzazione
φφd = (f/fc) * φφc
fibra
lente di ricollimazione
lente di focalizzazione
punto focale
trasmissione del fascio con fibra ottica
BP = θθ D/2
M2 ≅≅ 3BP
fibra
lente di focalizzazione
cavo fibra
sistema di collimazionee focalizzazione
Principio della saldatura laserPrincipio della saldatura laser
Saldatura per conduzione _____> saldatura con Keyhole
3
1
2
4
1. Plasma
2. Materiale fuso
3. Keyhole
4. Profondità della saldatura
• Riscaldo di una zona localizzata
• Creazione di un bagno fuso
• Riscaldamento del fuso al di sopra della temperatura di evaporazione
• Creazione del keyhole
Alluminio
Laser CO21,2 106 W/cm2
Laser Nd:YAG7,5 105 W/cm2
CoeffCoeff. Assorbimento . Assorbimento vsvs. lunghezza d’onda. lunghezza d’onda
Processo di saldatura laserProcesso 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
Gas di protezione•tipo/portata•geometria Materiale
•tipo•preparazione•geometria
Materiale d’apporto
+ 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)
Caratteristiche della saldatura laser Caratteristiche della saldatura laser
Difetti nella saldatura laserDifetti nella saldatura laser
CriccheCricche
PorositàPorosità
Difetti geometrici Difetti geometrici del cordonedel cordone
composizione chimica
cicli termici
contaminazione della superficie
gas di protezione intrappolato
insuff. accoppiamento lembi
AA5083 3mm
Acciaio C-Mn
Acciaio C-Mn 8mm
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Acciaio HSLA - 2mm / 1 mm Acciaio 430 - 1,2 mm / 2 mm
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioniAcciaio
saldatura a trasparenza
Inox STR12 - 2 mm / 1,2 mm
Inox 630 - 0,5 mm / 0,5 mm
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioniLeghe d’alluminio
Laser DC 025AA 6082 T6 spessore 3 mmv= 3 m/min
Laser DC 025AA 6082 T6 spessore 5 mmv= 1,2 m/min
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Laser HF 860Acciaio TMCP grado 355spessore 8 mmv = 0,8 m/min
T H E R M A L C Y C L E S
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
0 170 340 510 680 850 1020 1190 1360 1530 1700 1870 2040 2210 2380 2550 2720 2890 3060 3230 3400 3570 3740 3910 4080 4250 4420
T ime (1 /100 s )
Te
mp
era
ture
(°C
)
Thermocouple 1 Thermocouple 2 Thermocouple 3
Thickness 8 mm
THERMOCOUPLE DISTANCES:
THERMOCOUPLE 1 : 0,8 mm
THERMOCOUPLE 2 : 0,9 mm
THERMOCOUPLE 3 : 1,0 mm
∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .1 s
∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .2 s
∆∆ T 8 0 0 - 5 0 0 = 2 .6 s
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Titanio
Laser HF 860Ti c. p. spessore 2,7 mmv= 6,6 m/min
Laser HF 860Ti c. p. spessore 0,7 mmdiametro 19 mmv= 9 m/min
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Acciaio giunti a T
Il taglio laserIl taglio laser
Tecnologie di taglio termicoTecnologie di taglio termico
• taglio ossiacetilenico• taglio al plasma+ taglio laser
Tipologie di taglio laserTipologie di taglio laser
++ per sublimazioneper sublimazione
++ per fusioneper fusioneN2 Ar
++ per combustioneper combustioneO2
materiali ceramici, materie plastiche, legno ecc.
titanio, alluminio, acciaio inox, vetro ecc.
acciaio
+ Zona rimossa (kerf) estremamente piccola (0,1µµm÷0,5µµm)
+ Zona termicamente alterata estremamente ridotta
+ Assenza di ossidi
+ Riproducibilità
+Versatilità d’impiego
Caratteristiche del taglio laser Caratteristiche del taglio laser
C-Mn O2 s < 20 mmAcciaio
Inox N2 alta press. bave s < 12 mm
Leghe d’alluminio N2 alta press. bave s < 8mm
Titanio Ar bave
Leghe di nichel aria
Leghe di rame inerte s < 1 mm
Materiali vetrosi N2
Materiali ceramici N2
Materiale Gas Note Spessori
Principio del taglio laserPrincipio del taglio laser
1. Gas di processo
2. Ugello di taglio
3. Offset ugello
4. Velocità di taglio
5. Materiale fuso
6. Scoria
7. Rugosità (striature)
8. ZTA
9. Larghezza kerf
1
5
4
6
3
2
789
Processo di taglio laserProcesso di taglio laser
Parametri che controllano la qualità del taglio
Fascio laser spot TEMpulsato o CWpolarizzazione (lineare)lunghezza d’onda
Movimentazione velocitàposizione del fuoco (autofocus)
Gas pressioneposizione, forma ugellocomposizione
Materiale proprietà otticheproprietà termiche
(1) lente(2) ugello(3) camera a pressione(4) materiale
t = (Wt - Wb) / 2a
Controllo qualità bordiControllo qualità bordi
ConicitàRugosità
Parametri misurati Ra Rz Ry
spessore <2 spessore >2
S/22S/3
DIN 2310
Controllo qualità bordiControllo qualità bordi
spaziatura
piegatura Piano x,y
profondità
Piano y,z
profondità
larghezza
DIN 2310
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Acciaio inox ferritico 2 mm
Laser DC 025v=4,5 m/mingas = N2P = 15 bar
Laser DC 025v=6 m/mingas = O2P = 4 bar
Acciaio FEE 355 2 mm
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
Laser CO2V = 2150 mm/minGas = O2Ra = 4
Acciaio FE510 norm. 7mm
AA 5083 12mm
Laser CO2V = 600 mm/minGas = N2Ra = 2,5 - 6,2
Esempi di applicazioniEsempi di applicazioni
AA5083 7mm
Laser CO2
V = 1350 mm/minGas = N2
Ra = 2 - 8,7