Taglio di metalli con laser a diodi multi chilowatt

I laser a diodi sono in procinto di ritagliarsi una fetta di mercato nelle applicazioni di taglio di materiali metallici. La qualità di taglio è del tutto paragonabile a quella ottenibile con le sorgenti a CO2.

Bordo di taglio di una lamiera di acciaio dolce avente spessore di 10 mm tagliato (con assistenza di ossigeno) con laser a diodi Diocut da 2 kW.

Il mercato totale dei sistemi laser per lavorazioni meccaniche risulta essere costantemente in crescita, con l’eccezione della grave diminuzione riscontrata negli anni 2009-2010 a causa della crisi economica mondiale. I risultati registrati dalle vendite totali nel mondo di questi sistemi nel 2011 hanno però dimostrato che essi sono già superiori a quelli del 2008 e che quindi la crescita nel settore è ripresa prontamente. Anche per il 2012 e per gli anni successivi gli analisti, per  questo mercato, prevedono una continua crescita. In questo settore, per il fattore combinato del numero di impianti (oltre 4500 nuove installazioni ogni anno) e del loro costo, è largamente prevalente l’applicazione del taglio laser. In questo sub-settore le sorgenti a CO2 sono ancora quelle maggiormente utilizzate, ma i laser in fibra stanno progressivamente erodendo questo predominio.  All’inizio della introduzione delle sorgenti in fibra industriali molti esperti avevano previsto che questi nuovi laser avrebbero sostituito le vecchie sorgenti a CO2 in quasi tutti i campi applicativi. Questo era sostanzialmente basato sul fatto che queste nuove sorgenti presentavano una qualità del fascio (espressa, come noto, in mm x mrad) molto elevata (in realtà essa è espressa in valori numerici molto bassi, in genere inferiori a 10) e ciò è anche conseguenza del fatto che questi laser emettono ad una lunghezza d’onda che è dieci volte inferiore rispetto a quella delle sorgenti a CO2.  Fino ad ora, però, questa sostituzione non è avvenuta e ciò risulta essere particolarmente vero nelle applicazioni di taglio di materiali metallici a causa della scarsa qualità dei bordi ottenuti nelle lavorazioni per fusione (utilizzando gas inerte ad alta pressione) su spessori maggiori di circa 4 mm.  Sopra questo spessore l’uso di sorgenti a CO2 consente di ottenere migliori qualità di taglio operando, approssimativamente, con la stessa velocità di lavoro ottenibile con i laser in fibra. Per spessori inferiori a circa 4 mm questi ultimi invece, per effetto della loro migliore qualità dei fasci prodotti, consentono di avere velocità di taglio superiori a quanto ottenibile con i laser a CO2 e con la stessa qualità. Le motivazioni fisiche di questa riduzione della qualità di taglio all’aumentare dello spessore dei materiali legati tagliati non sono ancora completamente chiare e sono, per questo, oggetto di progetti di ricerca. Per completezza, si deve osservare che nel taglio con ossigeno dell’acciaio dolce le due diverse tipologie di sorgenti presentano risultati equivalenti su tutto il campo praticabile degli spessori, sia per quanto riguarda la velocità che la qualità di taglio.  A tutt’oggi le nostre conoscenze mostrano che l’utilizzare sorgenti con elevate qualità del fascio non è il solo ingrediente per ottenere buone qualità di taglio associate a maggiori velocità di lavoro.

Le nuovi sorgenti a diodi

Visione del dispositivo laser a diodi diretti Diocut con potenza di 2 kW.

Sistemi utilizzanti laser a diodi multi chilowatt sono oggi impiegati prevalentemente per saldatura, riporti, brasatura e tempra, applicazioni che non richiedono, in generale, l’uso di macchie focali di ridotte dimensioni, come invece è richiesto nel taglio. Poiché la brillanza di queste sorgenti è continuata ad aumentare nel corso degli ultimi anni, attualmente esse iniziano ad essere considerate anche per le applicazioni di taglio, dove è necessario avere macchie focali molto piccole.  In questo articolo vogliamo presentare l’unità laser Diocut sviluppata dalla società  Limo che utilizza una sorgente laser a diodi diretta  per il taglio per fusione e con ossigeno di vari materiali metallici. I risultati sperimentali indicano che, utilizzando laser a diodi con potenze di 1,3 e 2,0 kW, si possono eseguire tagli di questi materiali con buona qualità dei bordi e con ragionevoli velocità, anche impiegando sorgenti che hanno una qualità del fascio di 22 mm x mrad, molto superiore a quanto possibile con le sorgenti in fibra commerciali. Come esempio, in questa introduzione possiamo dire che spessori di 4 mm di acciaio inossidabile e leghe di alluminio possono essere tagliati per fusione con una rugosità (Rz) inferiore a 10 μm.  Uno dei maggiori vantaggi presentati da questi laser a diodi è che queste sorgenti industriali presentano la maggiore efficienza attualmente disponibile: rispetto ai laser in fibra è possibile avere un ulteriore risparmio di circa il 20% dei costi energetici (naturalmente il confronto con le sorgenti a CO2 risulta essere ancora migliore). Un altro vantaggio del sistema Diocut raffreddato passivamente  è che esso risulta essere praticamente senza manutenzione: solamente ogni 6 mesi deve essere controllata la qualità dell’acqua di raffreddamento e lo stato dei relativi filtri.

Descrizione dell’unità

Il  dispositivo laser Diocut si presenta sotto forma di un rack industriale da 19” e comprende un modulo a diodi, un refrigeratore acqua-acqua e l’unità di alimentazione. La parte principale  dell’unità, il modulo dei diodi,  è composto da 4 sottomoduli e un dispositivo di accoppiamento in lunghezza d’onda. Ogni sotto modulo eroga infatti circa 600 W a diverse lunghezze d’onda (808 nm, 915 nm, 940 nm e 980 nm) che vengono accoppiate mediante specchi dicroici e poi immesse in una fibra industriale. L’unità è equipaggiata con un connettore a fibra industriale di alta potenza tipo LLK-B. Attualmente sono disponibili queste due diverse configurazioni:  fibra da 200 μm con NA 0.20 oppure fibra da 400 μm con NA 0.12. L’efficienza complessiva del dispositivo, compresa l’unità di raffreddamento, è del 30%. Per la trasmissione del fascio viene utilizzata una fibra LLK-B connessa a teste di taglio commerciali che risultano essere adeguate all’impiego tramite rivestimenti anti-riflesso su un ampio intervallo di lunghezze d’onda. Il dispositivo laser può essere connesso mediante interfacce a qualunque tipologia di sistema di movimentazione.

Risultati applicativi

Campione di acciaio inossidabile tagliato per fusione con laser a diodi Diocut da 2 kW.

Con il dispositivo Diocut da 2 kW sono stati tagliati campioni di acciaio inossidabile aventi spessore di 4 mm ad una velocità superiore a 0.95 m/min. La rugosità dei bordi Rz (misurata con un profilometro Taylor Hobson) è stata di 10 ± 5 μm (vedasi la fig. 2). Come gas di assistenza è stato utilizzato azoto alla pressione di 12 bar. La curva di taglio per spessori fino a 6 mm è presentata nella figura 4. Per tutti questi spessori la qualità dei bordi risulta essere assolutamente paragonabile con quelli ottenibili con un laser a CO2 di uguale potenza. Per spessori superiori a 5 mm le velocità di taglio sono paragonabili con quelle ottenibili con sorgenti in fibra o CO2 con potenza di 2 kW.  Nel taglio per fusione (azoto a 10 bar) di campioni di alluminio avente spessore di 3 mm la rugosità dei bordi Rz è risultata essere  di 10 ± 5 μm (vedasi la fig.5), con una velocità di lavoro di 1 m/min: la prima è sostanzialmente uguale a quella ottenibili con un laser in fibra da 2 kW, mentre la seconda risulta essere inferiore. L’unità Diocut può essere utilizzata anche nel taglio dell’acciaio  dolce con assistenza di ossigeno: la figura 6 presenta le velocità di taglio per spessori fino a 12 mm. La rugosità dei bordi, la struttura delle rigature e la velocità di taglio  sono sostanzialmente simili a quanto ottenibile con laser in fibra o CO2 aventi la stessa potenza. La figura 6 presenta il bordo di taglio di un campione avente spessore di 10 mm tagliato alla velocità di 1.25 m/min (con ossigeno a 1,5 bar). La figura 7 mostra il bordo di taglio di una lastra di rame da 3 mm tagliata con assistenza di ossigeno (a 2,5 bar) con l’unità Diocut da 2 kW alla velocità di 200 mm/min. La rugosità è migliore di quanto ottenibile con un laser in fibra della stessa potenza; la velocità risulta essere invece leggermente inferiore.

Prospettive

Siamo agli inizi dell’utilizzo di laser a diodi diretti per applicazioni di taglio. I nostri prossimi sviluppi comprenderanno la realizzazione di una unità da 3 kW con la stessa qualità del fascio (22 mm x mrad). Con questo dispositivo sarà possibile operare su materiali aventi spessori maggiori e con superiori velocità di lavoro. Certamente sarà inoltre necessario modificare le teste di taglio affinché i componenti ottici ivi utilizzati abbiano rivestimenti anti-riflesso ottimizzati per queste sorgenti a diodi multi-lunghezza d’onda al fine di avere una maggiore potenza disponibile sulla lamiera da tagliare.

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