Tecnologia di lavorazione LASER

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La tecnologia laser sarà uno dei più ampi argomenti trattati da questo corso, per la sua diffusione e la sua flessibilità che permettono diversi tipi di lavorazioni con diverse potenzialità e qualità, ben studiabili e quantificabili a livello ingegneristico.

Durante la lezione studieremo il meccanismo fisico di funzionamento, le sorgenti disponibili a livello industriale e i campi di applicazione di maggiore utilità.

Tuttavia possiamo già delineare le caratteristiche distintive delle lavorazioni laser, lavorazioni termiche operabili efficacemente su un'ampia varietà di materiali e con una delle più alte densità di potenza raggiungibili, seppur con scarso rendimento (attorno al 5%). Inoltre è l'unica tecnologia adatta a saldature di tipo key-hole di spessore significativo.

LASER: Meccanismo fisico generale

Il LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è una comune radiazione elettromagnetica, simile alla luce visibile, ma distinta per le caratteristiche di monocromaticità, coerenza e collimazione, e perché prodotta dal fenomeno di emissione stimolata. Vedremo uno ad uno il significato dei termini citati.

Il meccanismo dell'emissione stimolata

• Emissione stimolata: la dicitura emissione stimolata indica il fenomeno producibile solo da certi materiali in uno stato particolare per cui alla ricezione di una radiazione elettomagnetica di stimolo, questi producono una radiazione con la stessa frequenza e fase.
• Luce coerente: un fascio di luce è coerente quando ogni fotone ha la stessa fase, e questa proprietà si mantiene nello spazio e nel tempo. Questa proprietà è prodotta proprio dal fenomeno di emissione stimolata.
• Luce monocromatica: per monocromaticità si intende il fatto che l'intero fascio luminoso sia caratterizzato da una sola lunghezza d'onda.
• Luce collimata: un fascio di luce si dice collimato quando tutti i suoi raggi sono paralleli e dunque il suo fronte d'onda è piano (ovvero il fronte con cui si propagaga è un piano).

Il meccanismo di funzionamento richiede la presenza di quattro componenti funzionali essenziali:

• pompa: lampade, eccitatori in radio-frequenza, diodi, polarizzazione anodo-catodo che possano eccitare il materiale laserante
• materiale laserante: materiale eccitabile, capace di produrre emissione stimolata (miscela di gas, solido in stato di inversione di popolazione, etc.)
• cavità risonante: spazio limitato in cui il fascio viene prodotto (camera contenuta tra due specchi di cui uno semiriflettente, etc.)
• sistema ottico: sistema che permetta di trasportare, collimare e focalizzare il fascio nella zona da lavorare.

Interazione radiazione laser-materia

L'interazione di una radiazione con la materia può manifestarsi come assorbimento, riflessione, emissione spontanea o emissione stimolata.

Il fenomeno di assorbimento e riflessione è il più banale, che prevede l'assorbimento o appunto la riflessione nell'ambiente dell'energia ricevuta dalla radiazione (per esempio, un oggetto esposto al sole si scalda perché assorbe una parte della radiazione solare, mentre ne riflette una parte che, nei vari colori, poi vediamo tramite i nostri occhi).

Emissione spontanea. A. L'atomo riceve energia (in questo caso da un fotone) e si eccita, portando un elettrone su un'orbita più esterna B. L'atomo eccitato emette un fotone e perde il suo stato di eccitamento C. L'atomo è tornato in stato di equilibrio

L'emissione spontanea si produce quando gli atomi di un materiale, eccitati, emettono luce spontaneamente cedendo l'energia che li rendeva eccitati come energia luminosa. L'eccitazione può essere provocata in vari modi (conduzione termica, irradiazione) e la frequenza del fotone emesso e uguale all'energia ricevuta.

Emissione stimolata. A. L'atomo riceve energia (in questo caso da un fotone) e si eccita, portando un elettrone su un'orbita più esterna B. L'atomo eccitato assorbe un secondo fotone, della giusta frequenza C. L'atomo immediatamente emette due fotoni come l'ultimo ricevuto e perde il suo stato di eccitamento

Infine l'emissione stimolata, come già accennato, produce una radiazione con la stessa frequenza, direzione e fase della radiazione incidente sul materiale. Il materiale dovrà tuttavia già essere eccitato (per esempio, gas caldo) in uno stato di inversione di popolazione (materiali semicoduttori).

Difatti la distribuzione degli elettroni nelle orbite allo stato di equilibrio di un atomo è prevedibile con l'equazione di Boltzmann:

$N_{2}=N_{1}\cdot e^{-{\frac {E_{2}-E_{1}}{k\cdot T}}}$

che in linea di massima afferma che le orbite più distanti sono meno popolate di elettroni rispetto a quelle interne (in stato di equilibrio).

Invece, nello stato di eccitamento detto inversione di popolazione le orbite esterne sono più popolate e dunque pronte a decadere emettendo fotoni. Tuttavia lo stato di eccitamento deve essere preventivamente raggiunto tramite irraggiamento ( ΔE = ν h ) o altre modalità di cessione di energia (es. conduzione termica).

Pompaggio

Il pompaggio può essere ottico oppure elettrico (applicazione di campo o variazione di campo magnetico); laser a rubino, laser Nd:YAG e a fibra sfruttano fonti luminose ad alta intensità per creare l'inversione di popolazione, mentre i diodi laser e le sorgenti laser CO2 usano correnti elettriche.

Rendimento

Il rendimento globale di una lavorazione laser si aggira tra l'1 e il 20%, esso aumenta in particolare per le sorgenti che operano una trasformazione energetica elettricità-calore più diretta, come le sorgenti a diodi.

Il rendimento quantico invece si mantiene sempre sotto il 50%.

Tipologie

È molto comune classificare i sistemi laser in base al tipo di sorgente, dato che è la caratteristica più influente, che definisce la lunghezza d'onda del laser e la massima qualità disponibile alla sorgente. Si distinguono principalmente i laser allo stato gassoso (prevalentemente a CO2) da quelli allo stato solido (Nd:YAG, diodi semiconduttori, generazione in fibra).

Sorgente a gas

I sistemi a gas sfruttano prevalentemente l'eccitabilità della CO2, per questo vengono anche detti laser a CO2. In realtà il sistema nella sua versione più semplice è costituito da un tubo sigillato e contenuto tra due specchi - di cui uno semitrasparente - con all'interno una miscela gassosa CO2:N2:He (anidride carbonica, azoto molecolare e elio in proporzioni approssimativamente 10:45:45). La pompa del sistema in questo caso è costituita dagli elettrodi anodo-catodo posti alle estremità interne del tubo, in grado di ionizzare il gas e mantenere uno stato di emissione stimolata alla lunghezza d'onda caratteristica della CO2. Le sorgenti CO2 devono essere accordate dai costruttori per garantire che il fascio sia perfettamente simmetrico (radialmente) come distribuzione di potenza; una eventuale asimmetria può generare bordi di taglio difettosi (il cosiddetto taglio a pettine). Di solito si evita di accordare la cavità su dei modi puri: anche se il TE00, il modo fondamentale della cavità, garantisce il fascio di diametro minimo ed è ottimo per tagli precisi su piccoli spessori e per saldature keyhole, non va bene per il taglio su spessori oltre i 10 mm, dove sono più adatti il TE01 e i modi superiori che creano un fascio più spesso nel punto focale, che impedisce ai bordi di risaldarsi dietro il fascio stesso.

Meccanismo fisico

Il gas, come già accennato composto tipicamente da CO2, N2 e He, subisce un eccitamento prodotto dal campo elettromagnetico tra anodo e catodo ed in questo modo si eccita e produce radiazione laser. Questi sistemi sfruttano principalmente sistemi di conversione a 3 o ancor meglio 4 livelli perché più efficienti. Non è invece possibile produrre l'inversione di popolazione mettendo in gioco solo due livelli di energia.

Più precisamente il meccanismo a 4 livelli prevede che siano gli atomi di N2 - facilmente eccitabili - ad eccitarsi per primi tramite l'assorbimento di energia ceduta dal campo elettromagnetico ad alta frequenza anodo-catodo. Poi per collisione l'azoto trasferisce energia alla CO2 i cui elettroni esterni compiono un ampio salto energetico di tre livelli, decadendo di un livello subito dopo rapidamente e senza emissione, poi emettendo un fotone laser alla lunghezza d'onda di 10,64 micron, ed infine decadendo per altri due livelli per le successive collisioni con l'elio. L'elio dunque si eccita senza emettere radiazione, ma collabora al mantenimento della temperatura.

Tipologie

Esiste una certa varietà di sorgenti a gas, di cui elenchiamo solo le tipologie più diffuse:

• tubo sigillato (sealed tube)
• gas ventilato (gas flowing)
• slab
• flusso trasversale

Tabella riassuntiva e comparativa:

Tipologia	Range di potenza tipico	Tipo di eccitazione	Vantaggi e svantaggi	Raffreddamento	Qualità fascio
Tubo sigillato	100-200 W	Elettrica: ionizzazione anodo-catodo	bassa potenza; N2 si ossida con O2 residuo, il gas va sostituito dopo tempo	Superficie del tubo	Elevata
Gas ventilato	1-20 kW	Elettrica: ionizzazione anodo-catodo	potenza elevata; frazionabile; N2 si ossida con O2 residuo, sostituzione necessaria	Superficie del tubo e serbatoi	Elevata
Slab	1-8 kW	Piastre in radiofrequenza	potenza medio-alta; piastre metalliche facilmente raffreddabili; fascio rettangolare ma collimabile	Superficie delle piastre	Medio-alta
Flusso trasversale	1-20 kW	Piastre in radiofrequenza	potenza elevata; scarsa qualità del fascio	Superficie delle piastre e serbatoi	Scarsa

Sorgente Nd:YAG

Le sorgenti Nd:YAG (granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio, Nd³⁺:Y₃Al₅O₁₂) sfruttano una barretta di materiale laserante solido per produrre un laser a bassa lunghezza d'onda, adatto per i metalli come per i materiali organici e ottimo per il trasporto in fibra ottica, ma poco focalizzabile e per questo maggiormente dedicato ai trattamenti termici e non al taglio.

La barretta circolare 10x100mm di materiale laserate è posta all'interno di una cavità ed è eccitata da lampade o diodi. Nel caso di eccitazione a lampade, la cavità risonante ha forma bi-ellittica, la barretta è posta in uno dei fuochi - coincidenti - dei due ellissi e le lampade sono poste nei due rimanenti fuochi, per ottimizzare la resa (max 5%). Le lampade tipicamente sono al tungsteno per sistemi in continuo e allo xenon o kripton per le sorgenti impulsate. I diodi tuttavia permettono un'efficienza di pompaggio (dunque un efficienza globale) maggiore (10%).

Il sistema può essere modulare.

Tipologia	Range di potenza tipico	Tipo di eccitazione	Vantaggi e svantaggi	λ	ηglob - ηquant	Qualità fascio
Nd:YAG	100W - 6 kW	Ottica: lampade o diodi	bene con metalli e trasporto in fibra	1,064 μm	7% - 49%	scarsa focalizzazione, M = 50

Meccanismo fisico

Il meccanismo fisico si basa sempre sull'inversione di popolazione, ma tipicamente prevede un sistema a 4 livelli di energia in cui l'emissione laser è prodotta a seguito dell'eccitazione prodotta dal pompaggio e a seguito di un rapido decadimento energetico che non emette fotoni. A seguito dell'emissione fotonica si ha poi un ulteriore decadimento senza emissione.

Sorgente a diodi

Le sorgenti a diodi sfruttano le proprietà derivanti dall'accoppiamento di semiconduttori drogati di maniera opposta per produrre una radiazione laser pompata dal semplice campo elettrico imposto agli estremi dei semi-conduttori.

Queste sorgenti sono di dimensioni particolarmente ridotte e sono componibili in maniera modulare (i moduli sono detti stack) tramite l'utilizzo di specchi dicroici che permettono la sovrapposizione di più d'una sorgente.

Il raffreddamento degli stack avviene tramite un circuito idraulico che lo attraversa capillarmente.

Tipologia	Range di potenza tipico	Tipo di eccitazione	Vantaggi e svantaggi	λ	ηglob - ηquant	Qualità fascio
Diodi	2-6 kW	Elettrica: ΔV	piccole dimensioni, testa mobile; modulare (2, 3 stack)	850-950 nm	30% - 99%	rettangolare, poco focalizzabile (no taglio)

Meccanismo fisico

I semi-conduttori - originariamente neutri - sono drogati con ioni di carica opposta (drogaggio P: drogaggio positivo; N, drogaggio negativo) e sono impilati alternatamente (PNPNPN) in una pila detta stack, ai cui capi è imposta una differenza di potenziale elettrico.

I materiali semiconduttori sono caratterizzati da una banda di valenza ed una banda di conduzione separate da un gap corrispondente all'energia di Fermi. Il sistema si mantiene in equilibrio finché non viene applicato un campo elettrico che produce il decadimento degli elettroni dalla fascia di conduzione a quella di valenza, con emissione di fotone laser tra 0,80 e 0,95 micron.

Sorgente in fibra

Tipologia	Range di potenza tipico	Tipo di eccitazione	Vantaggi e svantaggi	λ	ηglob - ηquant	Qualità fascio
Fibra	300-40'000 W	Luminosa: diodi	modulare; facile raffreddamento	1,07 μm	-	buona qualità

Parametri caratterizzanti

• Irradianza: intensità di potenza P sull'unità di superficie S

$I={\frac {P}{S_{spot}}}=q_{0}^{''}$

• Flusso termico areico: è il flusso termico assorbito dal materiale da lavorare (A = % assorbimento)

$q^{''}=q_{0}^{''}\cdot A$

• Brillanza:

$B={\frac {P}{\pi \cdot d_{0}\cdot \pi \cdot \theta }}$

• Efficienza quantica: essa è indipendente dall'efficienza del sistema di pompaggio

$\eta ={\frac {en.fascio}{en.pompaggio}}={\frac {E_{2}-E_{0}}{E_{3}-E_{0}}}$

• Efficienza globale:

$\eta ={\frac {en.fascio}{en.elettrica_{IN}}}$

• Parametro TEM (Transversal Electromagnetic Mode): indica come è distribuita l'intensità luminosa nel fascio, indicando ai pedici della sigla TEM_ij il numero di minimi d'intensità luminosa sugli assi perpendicolari X e Y proiettati sul piano dello spot. Casi particolari sono il TEM₀₀ che indica una distribuzione concentrata attorno all'origine ed il TEM_01* che indica una distribuzione circolare attorno all'origine, con minimo nell'origine.

Trasporto e focalizzazione del fascio laser

Il fascio laser prodotto da una sorgente è una forma di energia che va trasportata e focalizzata sul materiale da lavorare in modo quanto più preciso ed efficiente. Per questa operazione fondamentale si utilizzano sistemi ottici con lenti e specchi, oppure la fibra ottica. Ciascuno dei due sistemi può essere utilizzato solo in accoppiamento con alcune sorgenti - in funzione della lunghezza d'onda del laser prodotto - e con i dovuti accorgimenti.

Nonostante il breve riassunto riproposto a seguire, si consiglia di rivedere le lezioni di fisica classica su:

• Leggi dell'ottica geometrica
• Lenti e specchi
• Strumenti ottici

Principi di ottica

Come anticipato, si utilizzano sistemi ottici per trasportare il fascio laser prodotto dalla sorgente fino al luogo di lavorazione. Questi sistemi devono essere quanto più efficienti (ridotte perdite di potenza lungo il percorso) e di qualità (ridotta deformazione della distribuzione di potenza nel fascio e capacità di focalizzare il fascio come desiderato).

Per studiare e ottimizzare questi sistemi si usano le leggi basilari dell'ottica, quali la legge di Snell e il fenomeno della rifrazione.

Le lenti e gli specchi ottici sono definite da alcuni parametri caratterizzanti, in particolare la focale f e il diametro d_l.

Divergenza

La luce emessa da una sorgente reale è tipicamente divergente, ovvero si diffonde in varie direzioni perciò non ha un fronte d'onda piano bensì sferico. Un fascio laser è caratterizzato da una propria divergenza, ovvero un angolo di divergenza, solitamente indicato con θ.

Collimazione

La collimazione consiste nel rendere collimato un fascio luminoso originariamente divergente. Un fascio collimato è caratterizzato da raggi tutti paralleli e fronte d'onda piano. In realtà si può ottenere solo una quasi-collimazione, poiché il fascio sarà sempre lievemente divergente.

Focalizzazione

Focalizzazione

La focalizzazione del fascio è un'operazione fondamentale per concentrare l'energia elettromagnetica del fascio nel punto da lavorare, in modo da avere un'adeguata intensità energetica ben localizzata. Teoricamente un fascio laser può essere focalizzato in un punto di dimensione nulle, ma ciò comporterebbe un'intensità energetica infinita. In realtà il fascio viene concentrato in uno spot di dimensioni ridotte (alcuni millimetri quadrati) per ottenere l'intensità energetica richiesta.

Per focalizzare un fascio laser si possono utilizzare lenti o specchi.

Rifrazione

Il fenomeno di rifrazione della luce all'interfaccia tra due mezzi con indice di rifrazione diverso

Il fenomeno della rifrazione è caratterizzato dal fatto che la luce, per quanto nel vuoto si propaghi alla velocità costante c₀, in un mezzo (un materiale) la velocità diminuisce ad ogni interfaccia di passaggio da un mezzo all'altro, la direzione di propagazione del raggio viene deflessa.

La figura a fianco mostra due mezzi trasmissivi con indice di rifrazione n₁ (a sinistra) e n₂ (a destra), come per esempio potrebbero essere aria e vetro. L'angolo tra la normale alla superficie e il raggio luminoso entrante viene chiamato angolo d'incidenza, θ₁, mentre l'angolo con cui viene trasmesso il raggio nel materiale è detto angolo di rifrazione, θ₂.

La legge di Snell fornisce la relazione tra gli angoli θ₁ e θ₂:

$n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\,$

Da questa legge deriva il fenomeno sfruttato dalle fibre ottiche, detto rifrazione interna totale: nel passaggio da un mezzo più denso a uno meno denso (ovvero, n₁ > n₂, per esempio da vetro a aria) in certe precise condizioni si verifica che il raggio luminoso venga completamente riflesso all'interno del mezzo da cui proviene. Ciò avviene quando θ₁ supera un valore che viene chiamato angolo critico:

$\theta _{\mathrm {crit} }=\arcsin \left({\frac {n_{2}}{n_{1}}}\right)$

Fenomeno della rifrazione interna totale

Da ricordare che:

• l'indice di rifrazione dell'aria è spesso approssimabile a quello del vuoto, ovvero n = 1
• il fenomeno della rifrazione è simmetrico: un raggio che dall'aria entra in vetro con un certo angolo d'incidenza, esce con lo stesso angolo
• qualitativamente, il raggio luminoso è più vicino alla normale dove il materiale è più denso

Ottica

La radiazione laser prodotta dalla sorgente va tipicamente collimata e focalizzata.

La propagazione di un fascio laser di diametro focale d_f di una data lunghezza d'onda attraverso una lente con focale f, porta ad un diametro di spot sul piano focale di:

$d_{0}=k\cdot {\frac {\lambda \cdot f}{d_{f}}}={\frac {4}{\pi }}\cdot {\frac {\lambda \cdot f}{d_{f}}}\cdot M^{2}$

• k: costante positiva, per un fascio gaussiano k_G = 4/π (da n θ d₀ = k λ )
• M² = d₀ / d_{o, Gauss}: per un fascio gaussiano M² = 1

Il fattore di qualità del fascio M² indica la qualità del fascio, intesa come somiglianza ad un fascio gaussiano. Esso è tipicamente usato per i laser C02, mentre per gli altri laser si utilizza l'equivalente BPP (Beam Parameter Product):

$BPP={\frac {\lambda }{\pi }}\cdot M^{2}={\frac {d_{0}\cdot \theta }{4}}$

Con M² (o BPP) elevati l'intensità energetica è meno concentrata al centro del fascio, per questo motivo è più difficile tagliare ad alta velocità.

Sistemi ottici

La divergenza di un fascio è l'angolo con cui si distanzia dalla linea direttrice. Esso è nelle seguenti relazioni con le altre grandezze:

$\theta =2\arctan {\left({\frac {1}{2}}\cdot {\frac {d_{l}}{z_{0}}}\right)}$

se tuttavia si approssima d_l ≅ d_f e z₀ ≅ f allora:

$\theta =2\arctan {\left({\frac {1}{2}}{\frac {d_{l}}{z_{0}}}\right)}\cong {\frac {d_{f}}{f}}={\frac {4\cdot \lambda M^{2}}{\pi \cdot d_{0}}}={\frac {k\cdot \lambda }{d_{0}}}$

Un fascio focalizzato si propaga secondo un profilo che viene definito caustica, con la tipica forma in figura, che è definita dalla relazione (per angoli di divergenza tipicamenti piccoli):

$d^{2}(z)=d_{0}^{2}+(z-z_{0})^{2}\theta ^{2}$

e ha una profondità di campo (detta PdC, o DoF, o Distanza di Raylegh):

$\Delta Z_{PdC}={\sqrt {h^{2}-1}}\,{\frac {d_{0}\cdot f}{d_{f}}}$

In generale il diametro del fascio rispetto alla distanza dalla lente ha un andamento approssimabile a $d^{2}(z)=a+bz+cz^{2}$, da cui eguagliandone la derivata a zero è possibile individuare il piano focale z₀ e il diametro minimo d₀.

In generale i sistemi ottici di magnificazione' sono caratterizzati da un rapporto di magnificazione, che mette in relazione le focali delle lenti con il rapporto tra i diametri del fascio in ingresso e uscita:

${\frac {d_{1}}{f_{1}}}={\frac {d_{2}}{f_{2}}}$

Con m definito come rapporto di magnificazione:

$m={\frac {f_{2}}{f_{1}}}\,.$

In funzione della lunghezza d'onda del fascio da trasportare, viene scelto il materiale delle lenti: per questo motivo spesso vengono utilizzate lenti di quarzo, opache alla luce visibile ma trasparenti alla lunghezza d'onda del laser.

Scelta del sistema

Gli accorgimenti per ben scegliere lenti, focali, diametri di fibra etc. sono:

• irradianza sufficiente a compiere l'operazione voluta
• Δz_PdC sufficiente
• diametro di spot sufficiente a coprire la zona da trattare
• distanza focale f sufficiente a raggiungere il materiale da tagliare (se all'interno di una cava)

Glossario

• d (z): diametro del fascio a una distanza z dalla lente
• d₀: diametro del fascio alla distanza focale (= diametro minimo)
• z₀ (≅ f): distanza focale
• d_f: diametro focale (= minimo) del fascio non focalizzato (ovvero prima della lente focalizzatrice)
• Δz: distanza dello spot dal piano focale
• d_l (≅ d_f): diametro della lente
• h: tipicamente del valore √2

Fibra ottica

1) core 2) cladding 3) buffer 4) rivestimento

La fibra ottica è un ottimo strumento per il trasporto di fasci luminosi, tanto allo scopo di trasportare segnale quanto energia, come in questo caso.

I cavi di fibra ottica utilizzati sono simili a quelli comunemente utilizzati per le telecomunicazioni, ma più spessi e con accorgimenti necessari a trasportare fasci altamente energetici e di specifica lunghezza d'onda. Difatti alcuni tipi di laser, con lunghezze d'onda inferiori a 1μm, non sono trasportabili in fibra perché vengono assorbiti dal materiale di cui è composto il cavo, con conseguenti surriscaldamento eccessivo del cavo e dispersione di energia. Per questo motivo i laser prodotti da sorgenti a CO2 non sono mai trasportate in fibra.

Le fibre ottiche sono costituite a partire dall'interno da un core, un cladding interno (<250μm), un cladding esterno ed eventualmente da una jacket come rivestimento esterno.

Dispersione di potenza (smorzamento) in fibra in funzione della lunghezza d'onda

Trasmissione dei raggi luminosi nei diversi tipi di fibra

Le fibre ottiche si dividono a seconda della variazione dell'indice di rifrazione nel cladding: step-index (passaggio netto, con conseguente riflessione a specchio) o graded-index (passaggio graduale, con conseguente curvatura del raggio verso il core).

Un parametro caratteristico della trasmissione in fibra ottica step-index è il numero di modi con cui si può trasmettere un'onda al suo interno, tra cui anche la variante mono-modale di minimo diametro (5-10μm):

$\mathrm {Nm} =0,5\cdot {\left({\frac {\pi \cdot d\cdot NA}{\lambda }}\right)}^{2}$

Per i sistemi ottici dedicati alle fibre ottiche la relazione fascio IN/OUT vale semplicemente:

${\frac {d_{0}}{f_{Foc}}}={\frac {d_{Core}}{f_{Coll}}}$

Diverso caso è quello della generazione del laser in fibra ottica (trattato nel paragrafo dedicato) in cui la fibra è differente sia come materiale che come architettura.

Interazione con i materiali

Per i metalli, le principali modalità di interazione sono la fusione e la vaporizzazione. Generalmente i laser CO2 per taglio e saldatura sono più adatti per spessori oltre gli 8 mm, mentre i laser in fibra e Nd:YAG lavorano meglio su spessori al di sotto dei 6 mm. I laser in fibra, grazie alla loro ridotta lunghezza d'onda, possono tagliare facilmente anche metalli con forte riflettività (alluminio, rame, ottone, acciai inox), su cui invece i laser CO2 hanno grosse difficoltà a lavorare.

Tipi di lavorazione

Influenza dei parametri del laser sulle lavorazioni possibili

Alcuni parametri sono particolarmente influenti e definiscono quali lavorazioni sono fattibili con tale sistema e quali no.

• M² (o BPP): un indice di qualità del fascio molto maggiore di 1 (qualità gaussiana) non permette di operare taglio ad alta velocità (ad elevata vaporizzazione), ma è invece particolarmente adatto per operazioni di tempra superficiale con risultato uniforme.
• I: un'irradianza scarsa non permette di svolgere operazioni come taglio rapido, saldatura keyhole (>10⁶ W/cm²).
• λ: certe lunghezze d'onda sono fortemente riflesse da certi materiali. In particolare le lunghezze maggiori di 1 μm sono riflesse dai metalli (A < 5%), mentre i non-metalli sono generalmente poco assorbenti nel range 8-16 μm (A < 10%). Il problema è parzialmente risolvibile con un innesco opaco che metta in fusione il materiale (A_liq > 99%). Per questo motivo i laser a CO2 non sono particolarmente adatti ai metalli e i laser a diodi e Nd:Yag o fibra non sono eccellenti per non-metalli. Altra problematica è la trasmissione: la fibra ottica - ottimo mezzo di trasmissione - è molto smorzante nel range esterno a 1-1,6 μm, per questo motivo per esempio non è utilizzabile per laser prodotto da CO2.
• ΔZ_PdC: la profondità di campo è essenziale soprattutto per compiere saldature keyhole, essa deve essere maggiore dello spessore delle lastre da saldare.

Tempra superficiale

Le operazioni di tempra sono tipicamente vincolate dalla necessità di superare una certa temperatura (temperatura di austenitizzazione) e di dover raffreddare con almeno una certa rapidità.

Taglio

Il taglio è uno dei principali utilizzi del laser di potenza, insieme alla saldatura. Caratteristiche della tecnologia sono la velocità e la qualità.

Il taglio laser opera per fusione (melt & blow o reactive melting) e/o vaporizzazione, ed è sempre assistito da insufflazione di gas (a 0,2÷2 MPa, inerte - N2, Ar, He - e/o ossigeno) nel punto di taglio per:

• espellere il materiale fuso
• proteggere il sistema ottico da calore e materiale fuso
• raffreddare il pezzo intorno al punto di taglio, per ridurre la zona termicamente alterata (ZTA)
• aumentare la potenza, se assistito a ossigeno (ossitaglio).

Considerando la potenza necessaria per operare un taglio di larghezza w e spessore t in un dato materiale, si ottiene la relazione:

$P_{in}=A\cdot P_{sorg}=w\cdot t\cdot v_{el_{f}}\cdot \rho \cdot [c_{p}\cdot (T_{f}-T_{a})+L_{f}+m'\cdot L_{v}]$

con m' = frazione di massa evaporata, Lf = calore latente di fusione, Lv = calore latente di evaporazione. La relazione vale sotto l'ipotesi che, vista la rapidità del taglio, la trasmissione di calore al resto del pezzo sia nulla.

Con gas d'assistenza ossigeno, all'energia del taglio si aggiunge l'energia prodotta dall'ossidazione del metallo tagliato.

Parametri del taglio e particolarità

• La velocità di taglio dipende principalmente dallo spessore da tagliare, dall'utilizzo di gas d'assistenza a ossigeno, dall'irradianza disponibile
• La posizione del fuoco è controllata automaticamente. Per il taglio assistito ad ossigeno e per i tagli a vaporizzazione si utilizza tipicamente un fuoco negativo, ovvero all'interno del pezzo, per aumentare l'efficacia della combustione per l'ossigeno e per sc.
• Le bave si formano solo nel taglio a fusione, per risolidificazione rapida del materiale fuso sullo spigolo inferiore. Per evitarle si aumenta la pressione del gas di assistenza. Diverse invece sono le bave del taglio assistito ad ossigeno, costituite da ossidi metallici fragili e facili da rimuovere.
• Il taglio assistito ad ossigeno porta ad una maggiore ondulazione della superficie.
• Il gas inerte di assistenza se a base di N2 può portare alla nitrurazione e sconveniente infragilimento della zona tagliata.
• I principali difetti di qualità del taglio consistono nella scarsa finitura superficiale e nell'inclinazione delle pareti laterali.
• Sono punti particolarmente critici gli angoli acuti e i punti di innesco del taglio, per questo si adottano tecniche dedicate.
• Il taglio a frattura controllata è dedicato ai materiali fragili, che vengono fratturati localmente dallo shock termico. Velocità di taglio elevate.

Saldatura

La saldatura laser funziona normalmente per conduzione (conduction wielding), ma può raggiungere livelli elevati di profondità e focalizzazione. Si possono difatti operare saldature a profonda penetrazione di tipo key-hole, passanti o per trasparenza.

I principali difetti di saldatura sono una maggiore sensibilità alle cricche, la porosità del giunto, alterazioni metallurgiche (ZTA) e tensioni residue o deformazioni.

Saldatura key-hole

La saldatura key-hole o a profonda penetrazione è un tipo di saldatura che è possibile solo con tecnologie ad altissima intensità di potenza come laser (e talvolta plasma) perché consiste nella giunzione completa di due lastre di spessore significativo fianco a fianco (senza cianfrinatura o saldatura dei bordi esterni).

Caratteristico della saldatura a profonda penetrazione è il fattore di forma profondità:diametro, che è ben maggiore di 1:1, e arriva fino a 10:1.

La soglia d'irradianza necessaria per saldare in key-hole per gli acciai è 10⁶ W/cm².