Principi fondamentali del taglio laser e del relativo sistema di elaborazione —Attrezzatura per il taglio laser

II. Composizione delle apparecchiature per il taglio laser

2.1 Componenti e principio di funzionamento della macchina per il taglio laser

Una macchina per il taglio laser è composta da un emettitore laser, una testa di taglio, un gruppo di trasmissione del raggio, un piano di lavoro della macchina utensile, un sistema di controllo numerico (NC), un computer (hardware e software), un refrigeratore, una bombola di gas di protezione, un collettore di polveri e un essiccatore d'aria.

Generatori laser

Il generatore laser è un dispositivo che produce sorgenti luminose laser. Per le applicazioni di taglio laser, la maggior parte delle macchine utilizza laser a gas CO₂, caratterizzati da un'elevata efficienza di conversione elettro-ottica e un'elevata potenza di uscita, ad eccezione di alcuni casi in cui vengono utilizzati laser a stato solido YAG. Non tutti i laser sono adatti al taglio, poiché questa tecnica impone requisiti rigorosi sulla qualità del fascio.
Testina di taglio

È composto principalmente da componenti quali un ugello, una lente di messa a fuoco e un sistema di inseguimento della messa a fuoco.

Il dispositivo di azionamento della testa di taglio viene utilizzato per far muovere la testa di taglio lungo l'asse Z secondo programmi preimpostati. È costituito da un servomotore e da componenti di trasmissione come viti senza fine o ingranaggi.

(1) Ugello: Esistono tre tipi principali di ugelli: tipo parallelo, tipo convergente e tipo conico.

(2) Lente di focalizzazione: per eseguire il taglio utilizzando l'energia del raggio laser, il raggio originale emesso dal laser deve essere focalizzato attraverso una lente per formare un punto luminoso con un'elevata densità di energia. Le lenti a media e lunga lunghezza focale sono adatte per il taglio di lamiere spesse e hanno requisiti inferiori per la stabilità della spaziatura del sistema di tracciamento. Le lenti a corta lunghezza focale sono adatte solo per il taglio di lamiere sottili inferiori a 3 mm; hanno requisiti rigorosi per la stabilità della spaziatura del sistema di tracciamento ma possono ridurre significativamente la potenza di uscita del laser richiesta.

(3) Sistema di tracciamento: Il sistema di tracciamento della messa a fuoco di una macchina per il taglio laser è generalmente costituito da una testa di taglio focalizzante e da un sistema di sensori di tracciamento. La testa di taglio integra le funzioni di guida e messa a fuoco del raggio, raffreddamento ad acqua, soffiaggio di gas e regolazione meccanica.

Il sensore è composto da elementi sensibili e da un'unità di controllo dell'amplificazione. I sistemi di tracciamento variano completamente a seconda del tipo di elementi sensibili. Esistono due tipi principali: il sistema di tracciamento con sensore capacitivo, noto anche come sistema di tracciamento senza contatto; e il sistema di tracciamento con sensore induttivo, detto anche come sistema di tracciamento a contatto.
Gruppo di trasmissione del fascio

Percorso ottico esterno: gli specchi riflettenti vengono utilizzati per guidare il raggio laser nella direzione desiderata. Per prevenire malfunzionamenti nel percorso del raggio, tutti gli specchi riflettenti sono protetti da schermi e viene introdotto un gas di schermatura pulito a pressione positiva per mantenere gli specchi liberi da contaminazioni. Una lente ad alte prestazioni può focalizzare un raggio non divergente in un punto infinitamente piccolo. Si utilizza comunemente una lente con una lunghezza focale di 5,0 pollici, mentre una lente da 7,5 pollici è adatta solo per il taglio di materiali con spessore superiore a 12 mm.
Piano di lavoro per macchina utensile

Corpo principale della macchina: la sezione della macchina utensile dellamacchina per taglio laserè la parte meccanica che realizza il movimento degli assi X, Y e Z, inclusa la piattaforma di lavoro di taglio.
Sistema di controllo numerico

Il sistema NC controlla la macchina utensile per realizzare i movimenti sugli assi X, Y e Z e regola contemporaneamente la potenza di uscita del laser.
Sistema di raffreddamento

Unità di raffreddamento: viene utilizzata per raffreddare il generatore laser. Un laser è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia luminosa. Ad esempio, l'efficienza di conversione di un laser a CO₂ è generalmente del 20%, con l'energia rimanente convertita in calore. L'acqua di raffreddamento rimuove il calore in eccesso per mantenere il normale funzionamento del generatore laser. L'unità di raffreddamento raffredda anche gli specchi del percorso ottico esterno e le lenti di focalizzazione della macchina utensile, garantendo una qualità di trasmissione del fascio stabile e prevenendo efficacemente la deformazione o la rottura delle lenti dovute al surriscaldamento.
Bombole di gas

Le bombole di gas comprendono le bombole per il fluido di lavoro e le bombole di gas ausiliarie per la macchina di taglio laser, utilizzate per integrare i gas industriali necessari all'oscillazione del laser e per fornire gas ausiliari alla testa di taglio.
Sistema di rimozione della polvere

Aspira i fumi e le polveri generate durante il processo ed effettua un trattamento di filtrazione per garantire che le emissioni dei gas di scarico rispettino gli standard di protezione ambientale.
Essiccatore e filtro per raffreddamento ad aria

Fornisce aria pulita e asciutta al generatore laser e al percorso del raggio, mantenendo il normale funzionamento del percorso del raggio e degli specchi riflettenti.

2.2 Torcia da taglio per taglio laser

Di seguito è riportato lo schema strutturale di una torcia per il taglio laser. Essa è composta principalmente da un corpo torcia, una lente di focalizzazione, uno specchio riflettente e un ugello per il gas ausiliario. Durante il taglio laser, la torcia deve soddisfare i seguenti requisiti:

① La torcia è in grado di emettere un flusso di gas sufficiente.

② La direzione di espulsione del gas all'interno della torcia deve essere coassiale con l'asse ottico dello specchio riflettente.

③ La lunghezza focale della torcia può essere facilmente regolata.

④ Durante il taglio, i vapori metallici e gli schizzi del metallo tagliato non devono danneggiare lo specchio riflettente.

Il movimento della torcia di taglio è regolato da un sistema di controllo numerico (NC). Sono previsti tre scenari per il movimento relativo tra la torcia di taglio e il pezzo in lavorazione:

① La torcia rimane fissa mentre il pezzo in lavorazione si muove sul piano di lavoro: soluzione particolarmente adatta per pezzi di piccole dimensioni.

② Il pezzo in lavorazione rimane fermo mentre la torcia si muove.

③ Sia la torcia che il piano di lavoro si muovono simultaneamente.

2.2.1 Testina di taglio

La testa di taglio laser è situata all'estremità del sistema di trasmissione del raggio ed è composta da una lente di focalizzazione e un ugello di taglio.

Le lenti di focalizzazione sono classificate principalmente in base alla lunghezza focale. La maggior parte delle apparecchiature per il taglio laser è dotata di diverse teste di taglio con differenti lunghezze focali. Prendendo come esempio il taglio laser a CO₂, le lunghezze focali più comuni sono 127 mm (5 pollici) e 190 mm (7,5 pollici). Una lente a corta lunghezza focale produce un punto focale piccolo e una ridotta profondità di campo, il che contribuisce a ridurre la larghezza del taglio e a ottenere tagli più precisi. Una lente a lunga lunghezza focale produce un punto focale più ampio e una maggiore profondità di campo. Rispetto alle lenti a corta lunghezza focale, le lenti a lunga lunghezza focale possono fornire un fascio focalizzato con una densità di energia laser sufficiente per la lavorazione del materiale in prossimità del punto focale. Pertanto, le lenti a corta lunghezza focale sono utilizzate principalmente per il taglio di precisione di lamiere sottili, mentre le lenti a lunga lunghezza focale sono necessarie per materiali più spessi al fine di ottenere una profondità di campo adeguata, garantendo una variazione minima del diametro del punto e una densità di potenza sufficiente nell'intervallo di spessore di taglio.

Le lenti di focalizzazione vengono utilizzate per focalizzare il fascio laser parallelo incidente sulla torcia di taglio, ottenendo una dimensione del punto più piccola e una maggiore densità di potenza. Le lenti sono realizzate con materiali in grado di trasmettere la lunghezza d'onda del laser. Il vetro ottico è comunemente utilizzato per i laser a stato solido, mentre materiali come ZnSe, GaAs e Ge sono impiegati per i laser a gas CO₂ (poiché il vetro comune non è trasparente ai fasci laser a CO₂), tra i quali lo ZnSe è il più utilizzato.

Nel taglio laser, è auspicabile ridurre al minimo il diametro del punto focale per aumentare la densità di potenza e consentire un taglio ad alta velocità. Tuttavia, una lunghezza focale più corta comporta una minore profondità di fuoco, rendendo difficile ottenere una superficie di taglio perpendicolare quando si tagliano lamiere spesse. Inoltre, una lunghezza focale più corta riduce la distanza tra la lente e il pezzo in lavorazione, aumentando il rischio di contaminazione della lente da parte di schizzi di materiale fuso durante il taglio e compromettendo il normale funzionamento. Pertanto, la lunghezza focale appropriata deve essere determinata in modo complessivo in base a fattori quali lo spessore di taglio e i requisiti di qualità del taglio.

2.2.2 Specchio riflettente

La funzione dello specchio riflettente è quella di deviare la direzione del raggio emesso dal laser. Per i raggi dei laser a stato solido, si possono utilizzare specchi riflettenti in vetro ottico. Al contrario, negli apparecchi di taglio laser a CO₂ gli specchi riflettenti sono solitamente realizzati in rame o metalli ad alta riflettività. Per prevenire danni causati dal surriscaldamento dovuto all'irradiazione laser durante il funzionamento, gli specchi riflettenti vengono in genere raffreddati ad acqua.

2.2.3 Ugello

L'ugello viene utilizzato per spruzzare gas ausiliario nella zona di taglio e la sua struttura ha un certo impatto sull'efficienza e sulla qualità del taglio. La Figura 4.11 mostra le forme comuni degli ugelli per il taglio laser; le forme dell'orifizio dell'ugello includono tipi cilindrici, conici e convergenti-divergenti.

La scelta dell'ugello viene generalmente determinata tramite test basati sul materiale e sullo spessore del pezzo e sulla pressione del gas ausiliario. Il taglio laser utilizza solitamente ugelli coassiali (dove il flusso di gas è coassiale con l'asse ottico). Se il flusso di gas e il raggio laser non sono coassiali, è probabile che si verifichino schizzi eccessivi durante il taglio. La parete interna dell'orifizio dell'ugello deve essere liscia per garantire un flusso di gas senza ostacoli ed evitare turbolenze che potrebbero compromettere la qualità del taglio. Per garantire la stabilità del taglio, la distanza tra la superficie terminale dell'ugello e la superficie del pezzo deve essere ridotta al minimo, in genere compresa tra 0,5 mm e 2,0 mm. Il diametro dell'orifizio dell'ugello deve consentire al raggio laser di attraversarlo senza ostacoli, impedendogli di entrare in contatto con la parete interna dell'orifizio. Minore è il diametro dell'orifizio, più difficile è collimare il raggio. Per una data pressione del gas ausiliario, esiste un intervallo ottimale di diametri dell'orifizio dell'ugello. Un orifizio eccessivamente piccolo o grande ostacolerà la rimozione dei prodotti fusi dal taglio e influirà sulla velocità di taglio.

L'influenza del diametro dell'orifizio dell'ugello sulla velocità di taglio a potenza laser e pressione del gas ausiliario fisse è mostrata nelle Figure 4.12 e 4.13. Si può osservare che esiste un diametro ottimale dell'orifizio dell'ugello che consente di raggiungere la massima velocità di taglio. Questo valore ottimale è di circa 1,5 mm, indipendentemente dal fatto che si utilizzi ossigeno o argon come gas ausiliario.

Le prove di taglio laser su leghe dure (difficili da tagliare) mostrano che il diametro ottimale dell'orifizio dell'ugello è molto vicino ai risultati sopra riportati, come illustrato nella Figura 4.14. Il diametro dell'orifizio dell'ugello influenza anche la larghezza del taglio e la larghezza della zona termicamente alterata (ZTA). Come mostrato nella Figura 4.15, con l'aumento del diametro dell'orifizio dell'ugello, la larghezza del taglio aumenta mentre la larghezza della ZTA si riduce. La ragione principale del restringimento della ZTA è il miglioramento dell'effetto di raffreddamento del flusso di gas ausiliario sul materiale di base nella zona di taglio.

2.3 Parametri delle apparecchiature per il taglio laser

2.3.1 Apparecchiature di taglio a fiamma

Nelle apparecchiature di taglio a torcia, la torcia di taglio è montata su un portale mobile e si muove orizzontalmente lungo la trave del portale (asse Y). Il portale aziona la torcia per farla muovere lungo l'asse X, mentre il pezzo in lavorazione è fisso sul piano di lavoro. Poiché il laser e la torcia di taglio sono disposti separatamente, le caratteristiche di trasmissione del laser, il parallelismo lungo la direzione di scansione del fascio e la stabilità degli specchi riflettenti sono tutti influenzati durante il processo di taglio.

Le attrezzature di taglio a fiamma ossidrica consentono di lavorare pezzi di grandi dimensioni. Occupano una superficie relativamente ridotta nella zona di produzione del taglio e possono essere facilmente integrate con altre apparecchiature per formare una linea di produzione. Tuttavia, la loro precisione di posizionamento è di soli ±0,04 mm.

La struttura tipica di un'apparecchiatura di taglio a torcia è mostrata nella Figura 4.19. Viene utilizzata una macchina per il taglio laser a CO₂ a onda continua, con una distanza tra il laser e la torcia di taglio di 18 m. Per garantire che la variazione del diametro del fascio su questa distanza di trasmissione non interferisca con le operazioni di taglio, la combinazione degli specchi oscillatori deve essere progettata con cura.

I principali parametri tecnici delle apparecchiature di taglio a fiamma ossidrica sono i seguenti:

Potenza di uscita del laser: 1,5 kW (modalità singola), 3 kW (modalità multipla)
Corsa della torcia: asse X 6,2 m, asse Y 2,6 m
Velocità di marcia: 0–10 m/min (regolabile)
Corsa flottante dell'asse Z della torcia: 150 mm
Velocità di regolazione dell'asse Z della torcia: 300 mm/min
Dimensioni massime della lamiera d'acciaio lavorata: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistema di controllo: Modalità di controllo NC integrata

2.3.2 Attrezzatura di taglio azionata da tavola XY

Nell'attrezzatura di taglio azionata da tavola XY, la torcia di taglio è fissa sul telaio e il pezzo in lavorazione è posizionato sulla tavola di taglio. La tavola di taglio si muove lungo gli assi X e Y secondo i comandi NC, con una velocità di azionamento regolabile che in genere va da 0–1 m/min o 0–5 m/min. Poiché la torcia di taglio rimane stazionaria rispetto al pezzo in lavorazione, riduce al minimo l'impatto sull'allineamento e sul centraggio del raggio laser durante il processo di taglio, garantendo prestazioni di taglio uniformi e stabili. Se dotata di una tavola di taglio di piccole dimensioni con elevata precisione meccanica, la macchina raggiunge una precisione di posizionamento di ±0,01 mm eeccellente precisione di taglioCiò la rende particolarmente adatta al taglio di precisione di piccoli componenti. Inoltre, sono disponibili tavole di taglio più grandi con una corsa dell'asse X di 2300–2400 mm e una corsa dell'asse Y di 1200–1300 mm per la lavorazione di pezzi di grandi dimensioni.

I principali parametri tecnici dell'attrezzatura di taglio azionata da tavola XY sono i seguenti:

Sorgente laser: laser a gas CO₂ (a tubo diritto semi-chiuso)
Alimentatore laser: tensione di ingresso 200 V CA; tensione di uscita 0–30 kV; corrente di uscita massima 100 mA
Potenza di uscita del laser: 550 W
Corsa del piano di taglio: asse X 2300 mm, asse Y 1300 mm
Velocità di azionamento del piano di taglio (regolabile a passi): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Corsa flottante dell'asse Z della torcia: 180 mm
Dimensioni massime della lastra lavorata: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistema di controllo: Modalità di controllo numerico (NC)

2.3.3 Attrezzatura di taglio a doppio azionamento (torcia e tavolo)

La macchina da taglio a doppio azionamento (torcia e tavola) si colloca, in termini di progettazione, tra le macchine da taglio azionate solo da torcia e quelle azionate da tavola XY. La torcia da taglio è montata su un portale e si muove orizzontalmente lungo la trave del portale (asse Y), mentre la tavola da taglio è azionata longitudinalmente. Questa configurazione ibrida combina i vantaggi di un'elevata precisione di taglio e di un ingombro ridotto. Con una precisione di posizionamento di ±0,01 mm e una velocità di taglio regolabile da 0 a 20 m/min, è una delle macchine da taglio più diffuse sul mercato. I modelli più grandi di questa macchina offrono una corsa sull'asse Y di 2000 mm e una corsa sull'asse X di 6000 mm, consentendo il taglio di pezzi di grandi dimensioni.

L'oscillatore laser è montato sul portale accanto alla torcia di taglio. Questa configurazione garantisce una precisione eccezionale nel taglio di fori circolari. La macchina vanta inoltre un'elevata efficienza produttiva: può tagliare 46 fori circolari (10 mm di diametro) al minuto su una piastra d'acciaio di 1 mm di spessore.

2.3.4 Apparecchiature di taglio integrate

In unmacchina da taglio integrataLa sorgente laser è installata sul telaio e si muove longitudinalmente con esso, mentre la torcia di taglio è integrata con il suo meccanismo di azionamento per spostarsi orizzontalmente lungo la trave del telaio. La macchina utilizza il controllo numerico per tagliare componenti di varie forme. Per compensare la variazione della lunghezza del percorso ottico causata dal movimento orizzontale della torcia di taglio, è solitamente presente un modulo di regolazione della lunghezza del percorso ottico. Questo modulo garantisce un fascio laser omogeneo all'interno dell'area di taglio e mantiene una qualità costante della superficie di taglio.

Data di pubblicazione: 17 dicembre 2025

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