Questioni aperte sul taglio laser

4 domande per cercare di risolvere concretamente i dubbi amletici che da tempo gravitano intorno al confronto tra laser CO2 e fibra.

Da alcuni anni, l’introduzione sul mercato di sistemi di taglio utilizzanti i laser in fibra o a disco (con emissione a 1 μm) ha, di fatto, alterato la posizione sino ad allora dominante dei sistemi impieganti le più convenzionali sorgenti a CO2 (aventi lunghezza d’onda di 10 μm). Costruttori di sistemi, utilizzatori e ricercatori hanno subito prestato attenzione a queste nuove opportunità (o minacce, in dipendenza delle diverse opinioni). È stato necessario un po’ di tempo perché essi si potessero imporre, ma ora l’alta efficienza di questi nuovi sistemi, il loro ridotto costo di utilizzo, il minimo spazio per essi necessario, sta sempre più attirando l’attenzione del mercato. Il fatto che non sia più necessario aspettare il tempo di riscaldamento della sorgente, non ci sia più un canale di trasporto con specchi del fascio laser che richiedeva di essere mantenuto pulito e frequentemente riaggiustato, erano forti argomenti che facevano vacillare le credenze di chi da anni aveva utilizzato sistemi con sorgenti più tradizionali. Tutto questo però aveva una limitazione nel fatto che, nel taglio di lamiere spesse di acciai legati, l’uso di queste sorgenti con emissioni ad 1 μm presentava dei problemi di qualità dei bordi tagliati che risultavano essere solo parzialmente accettati da alcuni clienti. Per cercare di spiegare questi effetti (che, con l’uso di potenze più elevate, sembrano essersi spostati verso spessori maggiori) ricercatori di diversi paesi si sono confrontati dando però spiegazioni non sempre completamente plausibili. Sono rimasti così aperti alcuni quesiti. In questo articolo cerchiamo di dare a essi una risposta basata sul confronto tra simulazioni numeriche e dati sperimentali. Si deve notare che queste risposte cercano di dare una spiegazione alle limitazioni illustrate nell’uso di sorgenti con emissione ad 1 μm, ma non danno però le indicazioni pratiche di come risolvere il problema: quesito che rimane ancora aperto.

I quesiti

Al momento attuale, analizzando le varie proposte apparse negli ultimi anni per cercare di spiegare i motivi per cui nel taglio di “alti spessori” di acciai legati con laser aventi emissione a1 μm, i bordi risultino di qualità inferiore rispetto a quanto ottenibile con le tradizionali sorgenti a CO2, tutto si riconduce alle diverse interpretazioni su come avvenga l’accoppiamento tra questi fasci e il fronte di taglio che viene generato nell’interazione con il materiale e, di conseguenza, quale sia la ridistribuzione della loro energia nei diversi punti del solco di taglio. Possiamo quindi complessivamente pensare di racchiudere il problema in questi 4 diversi quesiti:

– all’interno del solco di taglio, quali sono i diversi accoppiamenti e le diverse propagazioni dei fasci laser con lunghezza d’onda di 1 μm rispetto a quelli a 10 μm?

– come influisce l’uso di lunghezze d’onda di 1 μm nella ridistribuzione dell’energia laser assorbita all’interno del solco di taglio?

– perché solchi di taglio prodotti negli acciai con fasci a 1 μm si presentano più larghi e più irregolari, con maggiore materiale risolidificato all’estremità, rispetto a quanto ottenibile con le sorgenti a CO2 impiegate in condizioni simili di focalizzazione?

-perché i bordi di taglio creati da fasci a 1 μm diventano improvvisamente più rugosi e irregolari 1 o 2 mm sotto la superficie di ingresso del fascio?

Come accennato già in altri articoli presentati su questa rivista, nel seguito cercheremo di dimostrare che la spiegazione a questi quesiti risulta essere abbastanza semplice se si tengono in conto gli effetti delle riflessioni multiple che queste due diverse tipologie di fasci hanno lungo le pareti del solco di taglio che viene creato dall’azione del laser.

Lo strumento

La simulazione al computer del processo di taglio denominata “CALCut” è stato utilizzato negli ultimi 20 anni per prevedere, analizzare e ottimizzare le prestazioni di molte applicazioni di taglio. Il suo ampio campo di validità è stato dimostrato sperimentalmente variando la tipologia del materiale, i loro spessori, la potenza laser, la velocità di taglio, la lunghezza focale, la posizione del fuoco e la polarizzazione del fascio utilizzato. All’interno di questo software sono stati identificati tre diversi regimi del processo di taglio: quello controllato dalla conducibilità termica nel caso di lavorazioni a basse velocità; quello controllato dalla fusione nel campo delle medie velocità e quello controllato dall’evaporazione che avviene quando viene superata una velocità di taglio critica. Allo stesso tempo mediante il software CALCut è stata analizzata e spiegata l’influenza della qualità del fascio generato da sorgenti a CO2 sulla velocità di taglio. Il modello stazionario di questo software fornisce una visione unica del processo di taglio e consente di prevedere le caratteristiche della qualità dei bordi ottenuti calcolando, per esempio, la forma del fronte di taglio, la sezione del solco realizzato e lo spessore del film di materiale fuso (vedasi la fig. 1). Il modello CALCut è stato utilizzato per determinare le implicazioni pratiche di cambiamenti nella qualità del fascio utilizzato e nella sua lunghezza d’onda.

Le risposte

Vediamo adesso, utilizzando appunto il modello CALCut, quali sono le risposte ai quattro quesiti sopra posti:

All’interno del solco di taglio, quali sono i diversi accoppiamenti e le diverse propagazioni dei fasci laser con lunghezza d’onda di 1 μm rispetto a quelli a 10 μm?

Come è noto, il fronte di taglio si presenta con un andamento sempre più verticale come la velocità di taglio diminuisce, cioè all’aumentare dello spessore del materiale. Questo comporta che, corrispondentemente, l’angolo δ che il fascio laser fa con questo fronte di taglio aumenta. L’assorbimento A (cosiddetto “alla Fresnel”) dipende fortemente dall’angolo δ ed ha andamenti diversi in dipendenza della lunghezza d’onda considerata: fino a valori dell’angolo δ di circa 83° questo risulta maggiore per un fascio con lunghezza d’onda di 1μm, ma per valori superiori l’assorbimento a 10 μm prevale (vedasi la fig. 2). Si deve tener conto che quest’ultima condizione è già raggiunta nel caso del taglio di uno spessore di 6 mm di acciaio inossidabile. Questo solo fatto però non spiega interamente la situazione che si verifica sperimentalmente, come evidenziato nella figura 3 in cui si hanno due curve che riportano la massima velocità di taglio calcolata con il modello CALCut ottenibile, per un acciaio inossidabile con spessore di 4 mm, in funzione della potenza di una sorgente con emissione ad 1 μm: la curva inferiore, ottenuta considerando solo questo primo assorbimento vicino alla superficie del materiale, si discosta molto dai dati sperimentali; la seconda curva, che tiene invece conto del fatto che il fascio nella propagazione all’interno del solco di taglio subisce una successione di riflessioni multiple (RM), è invece in pieno accordo con essi. L’effetto degli assorbimenti dovuti a riflessioni multiple all’interno del solco (come se avesse a che fare con una “guida d’onda”) è quindi del tutto paragonabile a quello iniziale dando quindi, per ogni livello di potenza, un contributo del 50% sulla velocità di taglio determinata sperimentalmente. L’efficacia della contribuzione delle riflessioni multiple del fascio all’interno del solco può essere meglio evidenziata nella schematizzazione della figura 4 (sempre relativa all’azione di un fascio con lunghezza d’onda di 1 μm). In questa figura si vede che la prima incidenza del fascio laser con il fronte di taglio è caratterizzata da un angolo di incidenza δ relativamente elevato (prossimo a 90°) con un assorbimento medio-basso; nelle successive riflessioni multiple questo angolo si riduce progressivamente, causando via via un assorbimento superficiale sempre maggiore. Si deve osservare che solo all’ingresso del solco di taglio, dove questo presenta una certa raggiatura con la superficie del materiale (non indicata nella figura 4), l’angolo di incidenza δ si riduce e quindi si ha qui un maggiore assorbimento da parte del contorno esterno (di minore intensità) del fascio incidente; su questo argomento ritorneremo nel seguito, cercando di rispondere al terzo quesito. La simulazione CALCut è inoltre in grado di predire la formazione di hot spots (“punti caldi”) all’interno del solco di taglio causati da effetti locali di auto-focalizzazione del fascio che rimbalza tra le due pareti dei sottili films di metallo fuso. Questi punti caldi possono anche perforare questi films e causare irregolarità sui bordi di taglio e indurre a variazioni nel flusso discendente del metallo fuso causando complessivamente una maggiore rugosità locale dei bordi (nella parte finale di questi).

Come influisce l’uso di lunghezze d’onda di 1 μm nella ridistribuzione dell’energia laser assorbita all’interno del solco di taglio?

I fronti di taglio ottenuti con il modello CALCut ( vedasi la fig. 5: nella riga superiore quelli relativi all’uso di un fascio con lunghezza d’onda di 10 μm, in quella inferiore quelli relativi all’impiego di laser a 1 μm μm) mostrano in entrambi i casi cambiamenti simili nella temperatura del fronte di taglio al variare della velocità di lavoro: questo indica che la variazione di velocità ha una influenza molto maggiore rispetto a quella della lunghezza d’onda. Una visione più accurata indica però che si hanno temperature leggermente maggiori con l’uso di luce a 1 μm.

Perché solchi di taglio prodotti negli acciai con fasci a 1 μm si presentano più larghi e più irregolari, con maggiore materiale risolidificato all’estremità, rispetto a quanto ottenibile con le sorgenti a CO2 impiegate in condizioni simili di focalizzazione?

Come detto in precedenza (quesito 1), il maggiore assorbimento del fascio sui bordi di ingresso del solco di taglio crea delle differenze nella forma del solco stesso in dipendenza della lunghezza d’onda utilizzata. Con fasci a 1 μm questo assorbimento risulta essere molto superiore a quello relativo a un laser a 10 μm (vedasi la fig. 2) e quindi, nonostante la ridotta intensità presente nel contorno esterno del fascio laser incidente, si ha una maggiore quantità di fuso che causa un allargamento iniziale del solco stesso. Un’attenta visione dei grafici della fig. 5 conferma questa affermazione. In questa figura sono però molto più evidenti le incurvature presenti nel fronte di taglio relativo all’incidenza di un fascio a 1 μm; le figure corrispondenti relative a 10 μm sono invece molto più regolari. Tutto questo è il frutto delle riflessioni multiple descritte in precedenza. La figura 6 mostra la geometria del fronte di taglio ottenuta con il modello CALCut nel caso della lavorazione di un acciaio strutturale avente uno spessore di 8 mm, utilizzando azoto ad alta pressione e impiegando un laser a disco con potenza di 8 kW. Nel grafico ottenuto dal modello si notano gli effetti delle riflessioni multiple con la presenza di molti «punti caldi» nella distribuzione del flusso di energia e con una accentuata irregolarità e allargamento dei bordi. In accordo con i risultati di questo modello, nella parte destra della figura 6 si ha una macrografia del bordo di taglio ottenuto mostrante una evidente rugosità. Anche i risultati sperimentali riguardanti la larghezza dei solchi di taglio presentati nella figura 7 sono in ottimo accordo con i corrispondenti dati provenienti dal modello CALCut. Si deve osservare che le larghezze osservate dello strato di metallo risolidificato sul bordo inferiore del solco sono maggiori rispetto a quanto rappresentato dallo spessore del sottile film di fuso del fronte di taglio determinato dal modello CALCut. Questo è conseguenza di fusioni aggiuntive dovute a riflessioni multiple che causano uno stocastico accumulo di rifuso. Questo fenomeno, che avviene dietro al fronte di taglio, non può essere considerato dal modello considerato e quindi non contraddice i risultati deklla simulazione.

Perché i bordi di taglio creati da fasci a 1 μm diventano improvvisamente più rugosi e irregolari 1 o 2 mm sotto la superficie di ingresso del fascio?

Attente valutazioni delle simulazioni come quelle raffigurate nelle figg. 5 e 6 rivelano che il contributo delle riflessioni multiple tipicamente inizia dopo 1 o 2 mm di penetrazione del fascio all’interno del materiale. Questo è in buon accordo con i risultati sperimentali. In questo contesto è importante notare che le riflessioni multiple possono destabilizzare la zona inferiore del taglio e portare a striature maggiormente grossolane. Questo è bene illustrato nella fig. 4 in cui si ha una amplificazione delle dinamiche dell’effetto leva delle riflessioni.

Una questione ancora irrisolta

Con il modello CALCut si è dimostrato che la presenza nel solco di taglio di riflessioni multiple del fascio rende comprensibile il confronto tra il taglio per fusione utilizzando laser con emissione a 1 μm rispetto a quanto ottenibile con quelle convenzionali a CO2 in termini di: reale efficienza di accoppiamento (vmax), solchi più larghi, dinamiche amplificate, punti caldi, problemi di qualità.  A questo punto è naturale che ci si ponga una ulteriore domanda: quali possono essere le contromisure adeguate al fine di evitare gli effetti negativi delle riflessioni multiple all’interno del solco di taglio, senza rinunciare per questo ai vantaggi derivanti dal significativo aumento dell’efficienza di accoppiamento?

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