Date post: | 23-Feb-2019 |
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TAGLIO E SALDATURA LASER
TAGLIO E TAGLIO E SALDATURA LASERSALDATURA LASER
Prof. Gino Dini – Università di PisaProf. Gino Dini – Università di PisaUltimo aggiornamento: 18/9/08Ultimo aggiornamento: 18/9/08
Laser Laser BeamBeam MachiningMachining (LBM)(LBM)
lente difocalizzazione
fotoni
gas d’apporto
pezzo
Lavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termica
Laser Beam Machining (LBM)Laser Laser BeamBeam MachiningMachining (LBM)(LBM)Lavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termicaLavorazioni tramite energia termica
Luce laserLuce laserLuce laser
• non monocromatica
• non coerente
• elevata divergenza
• bassa intensitàluminosa
• non monocromatica
• non coerente
• elevata divergenza
• bassa intensitàluminosa
• monocromatica
• coerente
• bassa divergenza
• elevata intensitàluminosa
• monocromatica
• coerente
• bassa divergenza
• elevata intensitàluminosa
Inversione della popolazioneInversione della popolazione
E
N
E1
E2
N2N1
Emissione stimolata competitiva con l’assorbimento al livello fondamentale!
Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici
E
N
TE1
E3
N3 N1
E2
N2
INSTABILE
METASTABILE
Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici
E
N
E1
E3
N3N1
E2
N2
12
3212 +
++≥
NNNN
Materiale a 3 livelli energeticiMateriale a 3 livelli energetici
νp
νlaser
rapida
hEE
P13 −=υ
hEE
L12−=υ
Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici
E
N
T
E0
E3
N3 N0
E2
N2
E1
N1
INSTABILE
METASTABILE
INSTABILE
Materiale a 4 livelli energeticiMateriale a 4 livelli energetici
νpνlaser
rapida
rapida hEE
P03 −=υh
EEL
12 −=υ
Metodi di pompaggioMetodi di pompaggio
1. Ottico
Lampade flash
2. Eccitazione diretta con elettroni
Scarica elettrica o Tickle pulse (solo per laser a gas)
3. Eccitazione mediante collisione atomo-atomo
Miscela di gas
A*+B A+B*
DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio
Materiale emette in tutte le direzioni!
Serve una corretta conformazione del materiale attivo.
DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio
La radiazione si perde alle estremità!
Creare una cavità risonante che amplifichi l’effetto della radiazione.
DirezionalitDirezionalitàà del fasciodel fascio
Radiazioni “non laser” si dissipano in calore.
Elevate perdite! In generale i laser hanno rendimenti bassi.
•• laser a gas laser a gas (ricircolo del gas)(ricircolo del gas)
•• laser allo stato solido laser allo stato solido (raffreddamento!)(raffreddamento!)
•• laser allo stato liquidolaser allo stato liquido•• laser a semilaser a semi--conduttoriconduttori
Materiale attivoMateriale attivo
Transizioni del laser Transizioni del laser HeHe--NeNeE
Elio Neon
1s
3s
3s
2s3p
2p
3,39 µm
0,6328 µm1,15 µm
Transizioni del laser a COTransizioni del laser a CO22
E
Azoto (13%)
CO2 (8%)
N2 eccitato CO2 eccitato
10,6 µm
0001
1000
0110
0200
He (79%) diseccita qui!
RAFFREDDARE!
9,6 µm
0000
C OO
C OO
C OO
Laser allo stato solidoLaser allo stato solido
• Materiale attivo in barrette cilindriche
• Pompaggio sempre ottico
1. Lampada flash ad elica
2. Lampade flash cilindriche
Laser a NeodimioLaser a Neodimio
λ=1.06µm
Dispersione di ioni Nd3+ :1. Vetro (bassa diffusività)
2. Granato di Ittrio ed Alluminio Y3Al5O12
• Emette nel vicino IR, a questa radiazione sono trasparenti le sostanze trasparenti nel visibile (vetro)
• Trasportabile in fibra ottica
• 4 livelli energetici
LUNGHEZZA D'ONDA
FREQUENZA [Hz]
0,1nm 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 10cm1cm0,1cm 100m10m1m 100km10km1km
1019 18
1017
1016
10 1012
1013
101415
10 107 6
105
104
10108
109
101011
10
Raggi Gamma Raggi X UV
VIS
IBIL
E
Infrarosso Microonde TV Onde Radio
CO2As-G
a
Neo
dim
io
Rub
ino
He-
Ne
Arg
on
Xe-
F
Ar-
F
Laser ad eccimeri
λf=c
RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
0.2 0.3 0.4 0.5 0.90.80.70.6 1.0
Ultravioletto Visibile Infrarosso
2 3 4 5 6 8 10
LUNGHEZZA D'ONDA [µm]
0.1
Regime di fuoriuscita dellRegime di fuoriuscita dell’’energiaenergia
1. Continuo
2. Impulsato (tecniche di Q-switching)t
W
t
W
Fase di carica del materiale attivo
Tabella riassuntivaTabella riassuntiva
Laser Lunghezza d’onda Potenza Regime
[µm] [W]
He-Ne 0,6328 1,15 3,39 0,001 - 0,05 continuo
CO2 10,6 fino a 20.000 continuo o impulsato
Rubino 0,6943 500 J impulsato
Nd-vetro 1,06 5.000 J impulsato
Nd-YAG 1,06 fino a 1.000 continuo o impulsato
Caratteristiche del fascio laserCaratteristiche del fascio laser
1. Monocromaticità
2. Coerenza (nel tempo e nello spazio)
3. Bassa divergenza
4. Profilo spaziale
5. Focalizzazione
6. Brillanza
7. Potenza (impulsi o continua)
Divergenza del fascioDivergenza del fascio
1. Costruzione degli specchi (per facilitare l’allineamento almeno uno dei due è sferico)
2. DiffrazioneAPERTURAD
k λφ =
Ф
k = f(distribuzione spaziale della densità di energia)
π2
=GAUSSIANOk
Distribuzione spaziale dellDistribuzione spaziale dell’’energiaenergia
EMAX
21e
2
22Rx
MAX eEE−
=
TEM00
APERTURAGAUSSIANO D
λπ
φ 2=
22 MDAPERTURA
GENERICOλ
πφ =
10,0
,2 ≥=TEM
TEM
RR
M nm
Fattore di qualitFattore di qualitàà del fasciodel fascio
BrillanzaBrillanza
( ) ( )emissionediAngoloemittenteAreaPotenzaB
___ ×=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
sradcmW2
Teo : nessun sistema ottico è in grado di aumentare la brillanza di una sorgente.
Brillanza di alcune sorgentiBrillanza di alcune sorgentiSorgenteSchermo TVLunaLEDCielo chiaroFiamma di candelaSole all’orizzonteLampada ad incandescenzaLampada a vapori di mercurioSole allo zenitLaser focalizzato in continuaLaser focalizzato impulsato
Brillanza (stilb)0,080,250,680,801,00
600,001.000,00
30.000,00165.000,00
10.000.000.000,00100.000.000.000.000,00
Rifl
ettiv
ità
A: Argento lucidato
B: Rame
C: Alluminio
D: Nichel
E: Acciaio al carbonio
Lunghezza d’onda [µm]
0,2 10,60,4 10 2042 86
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
AB
CD
E
Riflettività dei metalliR : f(λ,T,Ra,caratteristiche chimico-fisiche del materiale)
Esempio di sorgente laser COEsempio di sorgente laser CO22
Soitaab SL50
Potenza: 5.000 W
Campo di variazione: 1.000 - 5.000 W
Stabilità della potenza: ± 2%
Lunghezza d’onda: 10,6 µm
Modo trasversale: TEM0,0 e TEM1,1
Diametro del fascio in uscita: 44 mm
Divergenza del fascio: ± 3 mrad per TEM0,0
Tempo di riscaldamento: 10’