**Taglio laser e fondamenti del suo sistema di elaborazione – Apparecchiature per il taglio laser**

**II. Composizione delle apparecchiature per il taglio laser**

**2.1 Componenti e principio di funzionamento delle macchine per il taglio laser**

Una macchina per il taglio laser è composta da un generatore laser, una testa di taglio, componenti di trasmissione del fascio, un banco macchina, un sistema CNC, un computer (hardware, software), un refrigeratore, bombole di gas di protezione, un aspiratore di polvere e un essiccatore d'aria, tra le altre parti.

1. **Generatore laser:** Questo è il dispositivo che produce la sorgente laser. Per le applicazioni di taglio laser, tranne in pochi casi in cui vengono utilizzati laser a stato solido YAG, la maggior parte utilizza laser a gas CO2 grazie alla loro maggiore efficienza di conversione elettro-ottica e alla capacità di emettere una potenza maggiore. Poiché il taglio laser ha requisiti molto elevati per la qualità del fascio, non tutti i laser sono adatti al taglio.

2. **Testa di taglio:** Include principalmente componenti come l'ugello, la lente di focalizzazione e il sistema di inseguimento della messa a fuoco. Il dispositivo di azionamento della testa di taglio viene utilizzato per azionare la testa di taglio lungo l'asse Z in base al programma, composto da componenti come un servomotore e una vite senza fine o ingranaggi.

* (1) **Ugello:** I tipi di ugelli includono principalmente tre forme: parallela, convergente e conica.

* (2) **Lente di focalizzazione:** Per utilizzare l'energia del fascio laser per il taglio, il fascio grezzo emesso dal laser deve essere focalizzato da una lente per formare un punto con un'elevata densità di energia. Lenti a media e lunga focale sono adatte per il taglio di lastre spesse e hanno requisiti inferiori per la stabilità della distanza del sistema di inseguimento. Le lenti a corta focale sono adatte solo per lastre sottili inferiori a 3 mm; hanno requisiti rigorosi per la stabilità della distanza del sistema di inseguimento, ma possono ridurre significativamente la potenza di uscita del laser richiesta.

* (3) **Sistema di inseguimento:** Il sistema di inseguimento della messa a fuoco della macchina per il taglio laser è generalmente costituito dalla testa di taglio di focalizzazione e dal sistema di sensori di inseguimento. La testa di taglio include parti per la guida della luce e la focalizzazione, il raffreddamento ad acqua, il soffiaggio di gas e la regolazione meccanica. Il sensore è costituito dall'elemento sensibile e dalle parti di controllo dell'amplificazione. A seconda dell'elemento sensibile, i sistemi di inseguimento sono completamente diversi; principalmente, ci sono due forme: sistemi di inseguimento con sensore capacitivo (senza contatto) e sistemi di inseguimento con sensore induttivo (a contatto).

3. **Componenti di trasmissione del fascio (percorso ottico esterno):** Specchi rifrattivi e riflettenti vengono utilizzati per dirigere il laser nella direzione richiesta. Per evitare guasti al percorso del fascio, tutti gli specchi sono protetti da coperture e alimentati con gas di protezione pulito e a pressione positiva per prevenire la contaminazione. Un set di lenti di alta qualità focalizzerà un fascio senza angolo di divergenza in un punto infinitamente piccolo. Viene comunemente utilizzata una lente con lunghezza focale di 5,0 pollici. Una lente da 7,5 pollici viene utilizzata solo per materiali con spessore >12 mm.

4. **Banco macchina (macchina utensile):** La parte meccanica della macchina per il taglio laser che consente il movimento lungo gli assi X, Y e Z, inclusa la piattaforma di lavoro di taglio.

5. **Sistema CNC:** Controlla la macchina utensile per ottenere il movimento degli assi X, Y, Z e controlla anche la potenza di uscita del laser.

6. **Sistema di raffreddamento (unità refrigeratore):** Utilizzato per raffreddare il generatore laser. Un laser è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia luminosa. Ad esempio, il tasso di conversione di un laser a gas CO2 è tipicamente del 20%, con l'energia rimanente convertita in calore. L'acqua di raffreddamento trasporta il calore in eccesso per mantenere il normale funzionamento. Il refrigeratore raffredda anche gli specchi del percorso ottico esterno e la lente di focalizzazione per garantire una qualità stabile della trasmissione del fascio e prevenire efficacemente la deformazione o la rottura della lente dovute a temperature eccessive.

7. **Bombole di gas:** Includono le bombole di gas del mezzo di lavoro della macchina per il taglio laser e le bombole di gas ausiliari, utilizzate per rifornire i gas industriali per l'oscillazione laser e fornire gas ausiliari alla testa di taglio.

8. **Sistema di aspirazione polveri:** Estrae fumo e polvere generati durante la lavorazione e li filtra in modo che le emissioni di scarico soddisfino gli standard ambientali.

9. **Essiccatore e filtro ad aria:** Fornisce aria pulita e secca al generatore laser e al percorso del fascio per mantenere il normale funzionamento del percorso e degli specchi.

**2.2 Torcia per taglio laser**

La struttura schematica di una torcia per taglio laser è mostrata nella figura sottostante, composta principalmente dal corpo della torcia, dalla lente di focalizzazione, dallo specchio e dall'ugello del gas ausiliario. Durante il taglio laser, la torcia deve soddisfare i seguenti requisiti:

① La torcia deve essere in grado di espellere 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.

③ La lunghezza focale della torcia deve essere facilmente regolabile.

④ Durante il taglio, assicurarsi che il vapore metallico e gli spruzzi del processo di taglio non danneggino lo specchio.

Il movimento della torcia viene regolato tramite il sistema di movimento CNC. Il movimento relativo tra la torcia e il pezzo può verificarsi in tre situazioni:

① La torcia è ferma e il pezzo si muove tramite il banco (principalmente per pezzi più piccoli).

② Il pezzo è fermo e la torcia si muove.

③ Sia la torcia che il banco si muovono contemporaneamente.

**2.2.1 Testa di taglio**

La testa di taglio laser si trova all'estremità del sistema di trasmissione del fascio e include la lente di focalizzazione e l'ugello di taglio.

Le lenti di focalizzazione si distinguono principalmente per la loro lunghezza focale. La maggior parte delle apparecchiature per il taglio laser è dotata di diverse teste di taglio con diverse lunghezze focali. Prendendo come esempio il taglio laser CO2, le lunghezze focali comuni sono 127 mm (5 pollici) e 190 mm (7,5 pollici). Una lente a corta focale produce un piccolo punto focale e una breve profondità di fuoco, il che è vantaggioso per ridurre la larghezza del taglio e ottenere un taglio più fine. Una lente a lunga focale produce un punto focale più grande e una maggiore profondità di fuoco. Rispetto a una lente a corta focale, una lente a lunga focale può soddisfare i requisiti per la densità di energia del fascio focalizzato vicino al punto focale su una gamma più ampia di spessori del materiale. Pertanto, le lenti a corta focale vengono utilizzate principalmente per il taglio fine di lamiere sottili, mentre i materiali più spessi richiedono lenti a lunga focale per ottenere una profondità di fuoco sufficiente, garantendo che la variazione del diametro del punto sia minima all'interno dell'intervallo di spessore di taglio e che venga mantenuta un'adeguata densità di potenza.

La lente di focalizzazione viene utilizzata per focalizzare il fascio laser parallelo che entra nella torcia per ottenere un piccolo punto e un'elevata densità di potenza. Le lenti sono realizzate con materiali che trasmettono la lunghezza d'onda del laser. I laser a stato solido utilizzano comunemente vetro ottico, mentre i laser a gas CO2, che non possono trasmettere attraverso il vetro ordinario, utilizzano materiali come ZnSe, GaAs e Ge, con ZnSe che è il più comune.

Per il taglio laser, si desidera un diametro del punto il più piccolo possibile, poiché ciò aumenta la densità di potenza, facilitando il taglio ad alta velocità. Tuttavia, quando la lunghezza focale della lente diminuisce, anche la profondità di fuoco diventa più piccola, rendendo difficile ottenere buone superfici di taglio perpendicolari durante il taglio di lastre più spesse. Inoltre, con una lunghezza focale della lente più piccola, la distanza tra la lente e il pezzo si riduce, rendendo la lente suscettibile alla contaminazione da spruzzi e altro materiale fuso durante il taglio, influenzando il normale funzionamento. Pertanto, la lunghezza focale appropriata deve essere determinata da una considerazione completa di fattori quali lo spessore di taglio e i requisiti di qualità.

**2.2.2 Specchio**

La funzione dello specchio è quella di cambiare la direzione del fascio proveniente dal laser. Per i fasci provenienti da laser a stato solido, è possibile utilizzare specchi in vetro ottico, mentre gli specchi nei dispositivi di taglio laser a gas CO2 sono spesso realizzati in rame o metalli con elevata riflettività. Durante l'uso, gli specchi vengono tipicamente raffreddati ad acqua per evitare danni causati dal surriscaldamento dovuto all'esposizione alla luce.

**2.2.3 Ugello**

L'ugello viene utilizzato per iniettare gas ausiliario nella zona di taglio. La sua forma strutturale ha una certa influenza sull'efficienza e sulla qualità del taglio. La Figura 4.11 mostra le forme comuni degli ugelli utilizzati nel taglio laser; le forme degli orifizi di getto includono tipi cilindrici, conici e convergenti-divergenti (de Laval).

La selezione dell'ugello viene generalmente determinata dopo i test in base al materiale del pezzo, allo spessore, alla pressione del gas ausiliario, ecc. Il taglio laser utilizza generalmente ugelli coassiali (flusso di gas coassiale con l'asse ottico). Se il flusso di gas non è coassiale con il fascio, può facilmente generare spruzzi significativi durante il taglio. La parete dell'orifizio dell'ugello deve essere liscia per garantire un flusso di gas regolare ed evitare di compromettere la qualità del taglio a causa della turbolenza. Per garantire la stabilità del processo di taglio, la distanza dalla faccia dell'ugello alla superficie del pezzo deve essere minimizzata, spesso considerata pari a 0,5~2,0 mm. L'apertura dell'ugello deve consentire al fascio laser di passare senza ostacoli, evitando che il fascio tocchi la parete interna dell'ugello. Più piccola è l'apertura, più difficile diventa la collimazione del fascio. A una certa pressione del gas ausiliario, esiste un intervallo ottimale di diametri dell'apertura dell'ugello. Se l'apertura è troppo piccola o troppo grande, influenzerà la rimozione dei prodotti fusi dal taglio e influenzerà anche la velocità di taglio.

L'influenza dell'apertura dell'ugello sulla velocità di taglio a una determinata potenza laser e pressione del gas ausiliario è mostrata nelle Figure 4.12 e 4.13. Si può vedere che esiste un'apertura dell'ugello ottimale che produce la massima velocità di taglio. Sia che l'ossigeno o l'argon vengano utilizzati come gas ausiliario, questo valore ottimale è di circa 1,5 mm.

I test di taglio laser su materiali difficili da tagliare come il carburo cementato mostrano che l'apertura ottimale dell'ugello è molto vicina al risultato sopra riportato, come mostrato nella Figura 4.14. L'apertura dell'ugello influisce anche sulla larghezza del taglio e sulla larghezza della zona termicamente alterata (HAZ). Come mostrato nella Figura 4.15, all'aumentare dell'apertura dell'ugello, il taglio si allarga mentre la HAZ si restringe. La ragione principale del restringimento della HAZ è l'effetto di raffreddamento potenziato 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 torcia**

Nelle apparecchiature di taglio a torcia, la torcia di taglio è installata su un portale mobile e si muove trasversalmente (direzione Y) lungo la trave del portale. Il portale aziona la torcia lungo la direzione X e il pezzo è fissato sul tavolo di taglio. Poiché la sorgente laser è separata dalla torcia, durante il taglio, le caratteristiche di trasmissione del laser, il parallelismo lungo la direzione di scansione del fascio e la stabilità degli specchi riflettenti possono essere influenzati.

Le apparecchiature a torcia possono lavorare pezzi più grandi, richiedono meno spazio per l'area di produzione del taglio e possono essere facilmente integrate nelle linee di produzione con altre apparecchiature. Tuttavia, la precisione di posizionamento è in genere di circa ±0,04 mm.

La struttura tipica delle apparecchiature di taglio a torcia è mostrata nella Figura 4.19. Questo esempio utilizza un taglierina laser a onda continua CO2, con una distanza di trasmissione del fascio di 18 m dalla sorgente laser alla torcia. Per garantire che le variazioni nella forma del fascio su questa distanza non ostacolino il taglio, la combinazione di specchi oscillatori deve essere progettata con cura.

Principali parametri tecnici per le apparecchiature a torcia:

* Potenza di uscita laser: 1,5 kW (modalità singola), 3 kW (multimodale).

* Corsa della torcia: asse X 6,2 m, asse Y 2,6 m.

* Velocità di azionamento: 0~10 m/min (regolabile).

* Altezza della torcia (asse Z) Corsa flottante: 150 mm.

* Velocità di regolazione dell'altezza della torcia: 300 mm/min.

* Dimensione massima della piastra in acciaio lavorabile: 12 mm di spessore * 2400 mm * 6000 mm.

* Apparecchiature di controllo: metodo di controllo CNC integrato.

**2.3.2 Apparecchiature azionate da tavolo di taglio a coordinate XY**

Nelle apparecchiature azionate da tavolo di taglio a coordinate XY, la torcia è fissata sul telaio della macchina e il pezzo viene posizionato sul tavolo di taglio. Il tavolo di taglio si muove secondo le istruzioni NC lungo le direzioni X e Y. La velocità di azionamento è generalmente 0~1 m/min (regolabile) o 0~5 m/min (regolabile). Poiché la torcia è fissa rispetto al pezzo, l'allineamento del fascio laser è meno influenzato durante il taglio, consentendo tagli uniformi e stabili. Quando le dimensioni del tavolo di taglio sono ridotte e la precisione meccanica è elevata, la precisione di posizionamento può essere di ±0,01 mm, con conseguente eccellente precisione di taglio, che lo rende particolarmente adatto per il taglio di precisione di piccole parti. Esistono anche tavoli di taglio con corsa sull'asse X di 2300~2400 mm e corsa sull'asse Y di 1200~1300 mm per la lavorazione di parti più grandi.

Principali parametri tecnici per le apparecchiature azionate da tavolo XY:

* Laser: laser a gas CO2 (tipo a tubo dritto semi-sigillato).

* Alimentazione laser: tensione di ingresso 200 V CA, tensione di uscita 0~30 kV, corrente di uscita massima 100 mA.

* Potenza di uscita laser: 550 W.

* Corsa del tavolo di taglio: asse X 2300 mm, asse Y 1300 mm.

* Velocità di azionamento del tavolo 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.

* Altezza della torcia (asse Z) Corsa flottante: 180 mm.

* Dimensione massima del foglio lavorabile: 6 mm di spessore * 1300 mm * 2300 mm.

* Apparecchiature di controllo: metodo NC.

**2.3.3 Apparecchiature di taglio a doppio azionamento torcia-tavolo**

Le apparecchiature di taglio a doppio azionamento torcia-tavolo sono un ibrido tra i tipi a torcia e a tavolo XY. La torcia è installata su un portale e si muove trasversalmente (direzione Y) lungo la trave del portale, mentre il tavolo di taglio si muove longitudinalmente (direzione X). Combina i vantaggi di un'elevata precisione di taglio e del risparmio di spazio. La precisione di posizionamento è di ±0,01 mm, l'intervallo di regolazione della velocità di taglio è di 0~20 m/min, il che lo rende un tipo di apparecchiatura di taglio ampiamente utilizzato. I modelli più grandi di questo tipo possono avere una corsa sull'asse Y di 2000 mm e una corsa sull'asse X di 6000 mm, in grado di tagliare parti di grandi dimensioni.

In alcuni progetti, l'oscillatore laser è montato anche sul portale insieme alla torcia. La precisione per il taglio di fori circolari con apparecchiature a doppio azionamento è abbastanza buona. Anche l'efficienza di produzione è elevata; ad esempio, può tagliare 46 fori di 10 mm di diametro al minuto in una piastra d'acciaio di 1 mm di spessore.

**2.3.4 Apparecchiature di taglio integrate**

Nelle apparecchiature di taglio integrate, la sorgente laser è installata sul telaio della macchina e si muove longitudinalmente con essa, mentre la torcia e il suo meccanismo di azionamento formano un'unità che si muove trasversalmente sulla trave del telaio. Utilizzando il CNC, è possibile tagliare varie parti sagomate. Per compensare la variazione della lunghezza del percorso ottico causata dal movimento trasversale della torcia, di solito è dotato un componente di regolazione della lunghezza del percorso ottico, garantendo un fascio omogeneo sull'area di taglio e mantenendo una qualità costante della superficie di taglio.