Taglio e saldatura laser di lamiere XXL patchwork

Saldatura laser trasversale di due lamiere accostate con il sistema TS 4.20 di Tube Tech Machinery. Le lavorazioni di taglio e saldatura avvengono utilizzando una unica testa di lavoro. La sorgente utilizzata è un laser a CO2 da 5 kW. (foto Lasertec)
Saldatura laser trasversale di due lamiere accostate con il sistema TS 4.20 di Tube Tech Machinery. Le lavorazioni di taglio e saldatura avvengono utilizzando una unica testa di lavoro. La sorgente utilizzata è un laser a CO2 da 5 kW. (foto Lasertec)

Abbiamo seguito sin dall’inizio lo sviluppo della tecnologia del “taillored blanking” per realizzare, mediante la tecnologia laser, lamiere “su misura” saldando assieme componenti di materiale o spessore diverso in modo da poter offrire la parte “giusta” alla reale applicazione. Non avremmo mai pensato che questa tecnica, nata negli USA agli inizi degli anni ‘90 per la locale industria dell’auto e lì sviluppatisi, potesse così rapidamente espandersi in altri settori e diventare, per esempio, di grande importanza nella costruzione delle moderne vetture ferroviarie sia urbane che extra-urbane o metropolitane. Interessanti poi sono le applicazioni per gli autocarri con cassone ribaltabile oppure per costituire profili altamente resistenti per bracci e pale degli escavatori. Per osservare questa evoluzione siamo andati a vedere lo stabilimento Göcke Umfortechnik a Ahaus, nella Germania del Nord ai confini con l’Olanda, dove sono stati installati due sistemi laser realizzati dall’industria bresciana TTM LASER SPA proprio per poter realizzare automaticamente lamiere di tipo “patchwork”. Il componente più impressionante che abbiamo visto in questa azienda (e che non abbiamo potuto fotografare per motivi di riservatezza) era una lamiera piana di grandi dimensioni (a memoria diremmo 5 x 16 m) realizzata assemblando sottocomponenti diversi per realizzare il tetto di una nuova vettura ferroviaria. In questa lamiera ogni componente era dimensionato in base all’azione che, in pratica, doveva sostenere. Una meraviglia della tecnologia!

Specializzati in lamiere “ad hoc”

Esempio di foglio XXL ottenuto assemblando strisce di lamiere con larghezza diversa. (foto Lasertec)
Esempio di foglio XXL ottenuto assemblando strisce di lamiere con larghezza diversa. (foto Lasertec)

Entriamo un po’ sorpresi nello stabilimento dell’industria tedesca (individuato come Factory 3) dove veniamo accolti da Jörg Göcke, figlio del fondatore dell’azienda (Mr. Wilhelm Göcke). «Quando mio padre fondò questa azienda, circa 30 anni fa, era perfettamente al corrente che la lavorazione della lamiera era prevalentemente realizzata come processo di massa e che quindi poco era lo spazio che veniva lasciato per chi volesse operare individualmente o su componenti fuori standard. Per questo egli fondò la società Göcke Transformation Technique, specializzata nella realizzazione di formati in lamiera ad hoc. In questi 30 anni il mercato si è evoluto e sempre più ci arrivano richieste di lamiere in acciaio o atri materiali per le applicazioni più diverse, quasi sempre però ancora appartenenti al settore dei trasporti. Seguendo l’indicazione di nostro padre, l’azienda ha sempre voluto essere dotata di unità operative fuori standard che potessero permetterci un vantaggio tecnologico e temporale. Questo è stato uno dei motivi alla base della nostra collaborazione con TTM Laser: avevamo visto sul Web che loro avevano realizzato un sistema laser per realizzare lamiere cosiddette XXL e la cosa ci ha subito interessato: era la prima azienda che proponeva una soluzione di questo tipo in forma completamente automatico. È stato questo abbinamento a impressionarci».

La macchina TS 4.20

Nello stabilimento vediamo due sistemi laser realizzati dall’industria bresciana, con il secondo pensato come una evoluzione del primo, anche se realizzato con un diverso modo operativo. Entrambi i sistemi sono stati pensati per operare con lamiere aventi spessori fino a 8 mm. La prima unità (nella pagina Web dell’azienda tedesca www.goecke.com è indicata come “Laser welding system 2”) è il sistema TS 4.20 nel catalogo di TTM Laser. L’ing. Filippini, COO di TTM Laser che ci accompagna nella visita ci dice: «Questo sistema che prevede l’accostamento trasversale di due lamiere (2×4 m) lungo il lato maggiore, per realizzare lamiere XXL (per lunghezze fino a 20 m), è attualmente utilizzato da Göcke congiuntamente al “Laser welding system 1” denominato TS 5.12 che consente di realizzare componenti con dimensioni trasversali ancora maggiori (5×12 m) e più richiesti dal mercato ferroviario. In entrambi questi sistemi è stato utilizzato un laser CO2. Avevamo una buona esperienza nella gestione di lamiere di grandi dimensioni dato un buon numero di installazioni di unità TL 3.12 per il taglio 3D di lamiere di grandi formati. Con TS4.20 2D volevamo sperimentare la saldatura di queste lamiere per generare unità di dimensioni maggiori. Le lamiere di partenza hanno dimensioni che vanno da un minimo di 1000 x 2000 mm, a un massimo di 2050 x 4100 mm, con spessori da 1 a 8 mm. La macchina ha un impianto di carico automatico delle lamiere tramite ventose. L’obiettivo è quello di realizzare, mediante taglio e saldatura laser (da qui le iniziali TS della sigla del sistema) un prodotto finito con dimensioni fino a 4000 x 20000 mm. Si deve notare che le dimensioni delle lamiere di partenza sono il massimo attualmente disponibile sul mercato e quindi il sistema deve adattarsi automaticamente alle lamiere di diverse dimensioni».

Il ciclo produttivo del sistema TS 4.20 è relativamente semplice e consiste dei seguenti passaggi:

-carico automatico della prima lamiera sul tavolo di lavoro;

-allineamento e centraggio di questa lamiera mediante suo movimento controllato da CNC. Fissaggio della lamiera con tecnica idraulica;

-rifilatura dei bordi di questa lamiera mediante taglio laser 2D;

-posizionamento della seconda lamiera che viene posta a distanza di circa 30 mm dal bordo della prima;

-rifilatura dei bordi di questa seconda lamiera mediante taglio laser 2D: due bordi trasversali delle due lamiere si trovano uno di fronte all’altro, perfettamente allineati;

-muovendo solo una delle due lamiere, i due bordi vengono accostati perfettamente;

-con la stessa testa di lavoro utilizzata per il taglio si procede alla saldatura di queste due lamiere accostate. Questo processo viene effettuato in due passi: per evitare successive distorsioni termiche, inizialmente si ha una puntatura continua veloce a bassa potenza laser; successivamente viene effettuata la penetrazione completa;

-i due dispositivi di bloccaggio vengono aperti e la nuova lamiera così formata viene spostata automaticamente in avanti in modo da poter accettare una terza lamiera.

Mentre l’ing. Filippini ci illustra questi passaggi, osserviamo la macchina al lavoro: tutti gli spostamenti vengono effettuati con movimenti dolci, molto precisi. Al nostro interlocutore chiediamo come venga effettuato il controllo della saldatura in modo che il cliente possa essere sicuro che questa zona abbia le stesse caratteristiche meccaniche del materiale base. «Durante il processo di saldatura utilizziamo un dispositivo di controllo on line.Il sensore utilizzato (modello LWM di Precitec) contiene dei rivelatori che sono sensibili a diverse lunghezze d’onda (una volta fissata quella della sorgente laser): un rivelatore plasma, un misuratore di temperatura e un rivelatore di luce laser retroriflessa. Il sistema in questo modo misura le grandezze fisiche rilevate dai sensori e le confronta con benchmark di riferimento. Eventuali scostamenti dal benchmark indicano possibili problemi di qualità del giunto saldato. Abbiamo eseguito numerose prove di saldatura comparando le caratteristiche meccaniche dei provini ottenuti (prove di trazione e di piega) con i segnali del dispositivo. Per una vasta gamma di materiali diversi, nei vari spessori, abbiamo determinato dei campi di variabilità di questi tre sensori che potevano indicare l’ottenimento di saldature ottime. L’operatore della macchina viene avvertito quando i valori di questi sensori sono esterni a questo campo ottimale, in modo che alla fine della saldatura possano essere facilmente individuati i punti in cui questo è avvenuto per poter procedere a una riparazione manuale oppure addirittura al taglio laser del cordone realizzato per poter procedere a una nuova saldatura delle due lamiere». Al termine del processo vediamo infatti che la lamiera XXL realizzata viene posta su sostegni e due tecnici analizzano visivamente i cordoni realizzati ponendo particolare attenzione nei punti in cui il sensore LWM ha segnalato la presenza di eventuali errori. Solamente in un caso abbiamo visto la ripetizione del processo. Questa macchina è operativa nello stabilimento visitato dal 2007.

La macchina TS 5.12

Visione della zona di lavoro del sistema TS 5.12 di Tube Tech Machinery installato presso Göcke Umfortechnik per la realizzazione di lamiere XXL. Come si vede l’unità utilizza due teste di lavoro per le operazioni di taglio e saldatura. (foto Lasertec)
Visione della zona di lavoro del sistema TS 5.12 di Tube Tech Machinery installato presso Göcke Umfortechnik per la realizzazione di lamiere XXL. Come si vede l’unità utilizza due teste di lavoro per le operazioni di taglio e saldatura. (foto Lasertec)

L’unità TS5.12 è invece molto diversa poiché opera sul lato longitudinale delle lamiere. L’operatività del sistema è sostanzialmente analoga a quanto descritto in precedenza, con una importante differenza: al posto di un’unica testa combinata sono presenti due teste distinte: una per il taglio e una per la saldatura. Queste due teste sono poste sulla stessa traversa e dotate di movimentazioni indipendenti. La macchina TS 5.12 consente poi di ottenere lamiere con larghezza massima fino a 5200 mm e lunghezza fino a 12100 mm. Questo sistema non si limita solamente alla saldatura di fogli della medesima dimensione, ma consente di unire anche strisce di diversa larghezza (oltre 600 mm, fino a 2500 mm), di diverso materiale e anche di diverso spessore. In questo modo viene consentita la realizzazione di un foglio veramente su misura, contenendone al massimo il peso e incrementando al massimo le capacità resistenziali. Mr. Jörg Göcke ci dice in proposito: «Questa è una caratteristica importante che ci ha fatto decidere per l’acquisto di questo sistema di cui siamo grandemente soddisfatti in questi primi 18 mesi di utilizzo». Ricordiamo che le lamiere di materiale alto resistenziale sono disponibili solo con larghezze inferiori a 2200 mm e quindi ogni foglio di misura maggiore deve essere realizzato appositamente. «Queste caratteristiche si sposano bene con la natura della nostra azienda che vuole operare in termini di grande flessibilità, senza produrre grandi serie. Noi produciamo ogni giorno oltre 150 tonnellate di lamiere di grande formato e circa il 10% di queste sono costituite da materiali alto-resistenziali, con questa percentuale in rapida crescita». L’ing. Filippini aggiunge che lo stesso impianto è disponibile anche con sorgente in fibra da 5 kW prodotta da IPG Photonics. L’utilizzo di una sorgente ad alta brillanza con trasmissione del fascio in fibra ottica consente maggior libertà di movimento delle teste che sono collegate alla sorgente laser con una fibra ottimizzata per le applicazioni di taglio (tipicamente fibra ottica con diametro tra 50 e 100 μm) e per quelle di saldatura (diametro tra 400 e 600 μm). Continua l’Ing Filippini: «Il nostro reparto di R&D ha studiato e messo a punto l’impiego di queste nuove sorgenti in operazioni di taglio e saldatura di lamiere accostate longitudinalmente. Questo ha consentito di confrontare le due tecnologie, di verificarne gli eventuali vantaggi rispetto a quanto conoscevamo con i laser CO2; e affrontare il mercato delle lamiere di grande formato offrendo entrambe le soluzioni. I risultati sono positivi sia per la tecnologia più consolidata del CO2 che per quella più innovativa del laser ad alta brillanza».

Altre lavorazioni

Nella maggior parte dei casi le lamiere XXL realizzate con le macchine di TTM Laser che abbiamo sommariamente descritto devono essere poi oggetto di lavorazioni varie come il taglio contornato, la piegatura, la saldatura, etc. Per questo la società Göcke dispone di macchine con grandi campi di lavoro. Notiamo un discreto numero di impianti per taglio laser e per quello plasma con campi di lavoro rispettivamente fino a 35 e 25 m. Le unità laser sono dotate di teste laser orientabili nello spazio per eseguire lavorazioni 3D. In un lato della Factory 1 notiamo due presse che possono operare in modo abbinato su lamiere aventi lunghezze fino a 21 m (con una capacità di piega fino a 3000 tonnellate).

Verso una macchina con tre teste di lavoro

In conclusione della nostra visita ai vari stabilimenti della società Göcke Umformtechnik chiediamo a Mr. Jörg quali potrebbero essere sviluppi interessanti nella realizzazione di lamiere patchwork XXL. «Alcuni sviluppi che ci vengono richiesti dai nostri clienti stiamo già realizzandoli in maniera prototipale. Uno di questi è quello di ottenere componenti in cui sono saldate piastre di rinforzo in alcune zone più intensamente sollecitate. Queste operazioni sono fatte attualmente mediante saldature manuali e ciò comporta costi elevati per la movimentazione di elementi con grandi dimensioni. Auspicheremmo di poter ricevere un sistema come TS 5.12, ma dotato di una terza testa di lavoro movimentabile in maniera automatica sull’area della lamiera appena realizzata per poter eseguire queste lavorazioni senza la necessità di muovere la lamiera XXL. Un altro campo di interesse è rappresentato dalla realizzazione di lamiere XXL in lega di alluminio». Ci prenotiamo per venire a vedere queste future installazioni.

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