Taglio di metalli con laser a diodi multi chilowatt

Le sorgenti a diodi stanno per ritagliarsi una fetta di mercato importante nel taglio laser dei metalli. La qualità è del tutto paragonabile a quella ottenibile con il laser 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. Nel 2011, però, le vendite su scala mondiale di questi sistemi sono state superiori a quelle del 2008, dimostrando che la crescita nel settore è ripresa prontamente. Anche per il 2012 e per gli anni successivi gli analisti prevedono una continua crescita di questo mercato.

Qualità e velocità nel taglio laser del metallo con diverse sorgenti

Nel settore delle applicazioni laser, sia per il fattore combinato del numero di impianti (oltre 4500 nuove installazioni ogni anno) sia per i costi, è largamente prevalente l’applicazione del taglio di metalli. In questo sub-settore le sorgenti di laser da taglio 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 elevata qualità del fascio (espressa, come noto, in mm x mrad; 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, questo sorpasso non è avvenuto e ciò risulta essere particolarmente vero nelle applicazioni di taglio laser dei metalli, 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, i laser fibra, invece, per effetto della loro migliore qualità dei fasci prodotti, consentono di avere velocità di taglio superiori a quanto ottenibile con i laser da taglio a CO2 e con la stessa qualità. Le motivazioni fisiche di questa riduzione della qualità di taglio all’aumentare dello spessore dei materiali 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 lavorazione. A tutt’oggi le nostre conoscenze mostrano che l’utilizzo di sorgenti con elevate qualità del fascio non è il solo ingrediente per ottenere buone qualità di taglio associate a maggiori velocità di lavoro.

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

Nuove sorgenti a diodi per il taglio laser metalli: più risparmio e meno manutenzione


I 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 da taglio a diodi con potenze di 1,3 e 2,0 kW, si possa eseguire un taglio laser su metalli 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. Ad 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 da taglio a diodi è che 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 richiede poca manutenzione: solamente ogni 6 mesi deve essere controllata la qualità dell’acqua di raffreddamento e lo stato dei relativi filtri.

Laser da taglio Diocut – 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 composta da 4 sottomoduli e da un dispositivo di accoppiamento in lunghezza d’onda. Ogni sottomodulo 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
  • 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, 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.

Diocut, risultati applicativi di taglio laser su metallo

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 (vedi 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 quella ottenibile con un taglio laser CO2 di uguale potenza. Per spessori superiori a 5 mm le velocità 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 (vedi la fig.5), con una velocità di lavoro di 1 m/min: la prima è sostanzialmente uguale a quella ottenibile con un laser da taglio in fibra da 2 kW, mentre la seconda risulta essere inferiore.

L’unità Diocut può essere utilizzata anche nel taglio laser metalli come l’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 lavorazione 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.

Le prospettive del laser da taglio a diodi

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 anche 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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