Il plasmatron, l’ibrido laser-plasma che taglia al 300%

L’unione di queste due tecnologie ha dato vita a un prototipo innovativo con molto spazio per crescere. Il futuro del taglio della lamiera o un esperimento con poche prospettive?

Il taglio al plasma è uno dei processi più utilizzati in carpenteria per il suo basso costo e la versatilità nei materiali lavorabili. Tuttavia, il processo comporta degli svantaggi:

– precisione relativamente bassa;

– Zona Termicamente Alterata (ZTA) piuttosto estesa;

– bordi saturati da ossigeno e azoto;

– forte emissione di fumi.

I fumi del taglio plasma sono un aerosol di particelle solide, le cui caratteristiche dipendono dal materiale e dalla corrente di taglio. Un incremento della potenza del plasma comporta un aumento nella quantità e dimensione delle particelle rilasciate. La potenza, insieme agli altri parametri di processo, influenza inoltre:

– rugosità del bordo tagliato;

– perpendicolarità;

– bava;

– larghezza della ZTA;

– velocità di asportazione del materiale;

– qualità del taglio;

– effetti di tipo metallurgico.

In alcuni casi, variare determinati parametri può portare al miglioramento di alcuni indicatori e al tempo stesso peggiorarne altri. Il taglio laser, al contrario, si comporta meglio da questi punti di vista ma introduce altri aspetti negativi, come:

– maggiore costo d’esercizio;

– spessore massimo inferiore;

– possibili difficoltà nel taglio di materiali riflettenti;

– maggiore rugosità Ra ed Rz.

E se si potesse combinare questi due processi? Se fosse possibile unire in un’unica macchina il meglio delle due tecnologie?

Questa tecnologia esiste già, e viene attualmente utilizzata per la saldatura con il nome di saldatura ibrida laser-plasma o laser-arco.

L’unione dei due mondi

Il Prof. Volodymyr Korzhyk è direttore di dipartimento all’Istituto di Saldatura Elettrica dell’Accademia Ucraina delle Scienze. Assieme al suo team, ha analizzato l’effetto sulla lamiera del raggio laser e del getto di plasma, sviluppando una speciale torcia ibrida chiamata plasmatron. Come vedremo più avanti, il plasmatron è una testa di taglio composta da una torcia laser unita a una torcia plasma. La combinazione tra i due processi applicata al taglio della lamiera consentirebbe di ottenere l’elevata precisione e qualità dei bordi tipica del taglio laser. Allo stesso tempo, il costo dell’impianto sarebbe significativamente ridotto sostituendo approssimativamente metà della potenza del laser con una sorgente plasma relativamente economica.

Emergerebbe inoltre una sinergia tra i due processi, che migliorerebbe le prestazioni delle due tecnologie prese singolarmente. D’altro canto, restano vari problemi da sormontare per ottenere un processo di taglio affidabile: in primis l’ottimizzazione del plasmatron e la difficoltà nel determinare i corretti parametri di taglio. Per quanto riguarda questi ultimi, ci vengono in aiuto dei modelli predittivi basati sugli algoritmi genetici, sulle reti neurali, e una tecnica ibrida di reti neurali ottimizzate geneticamente. Sulla base di questi strumenti, è possibile simulare il taglio degli acciai strutturali con tecnologia ibrida laser-plasma, e di valutarne i risultati in termini di velocità e qualità. Nello sviluppo di un processo combinato laser-plasma, è fondamentale che la qualità di taglio sia simile a quella del solo laser in termini di rugosità, perpendicolarità dei bordi, larghezza del taglio ed estensione della zona termicamente alterata.

Sinergia: quando 1+1 non fa 2

La ricerca dimostra che, in un processo ibrido, il raggio laser non va considerato solamente come mezzo per preriscaldare la lamiera, ma anche come strumento per controllare le caratteristiche dell’arco del plasma. L’interazione tra i due, infatti, produce un effetto di compressione dell’arco diretto e un miglioramento delle condizioni di innesco. La formazione dell’arco è agevolata dalla stretta colonna di vapori ionizzati generata dal fascio laser e composta da lamiera sublimata e gas plasmogeno. Inoltre, la regione anodica dell’arco è “bloccata” sulla zona di azione del fascio laser che agisce sul fronte di taglio, eliminando il fenomeno della deriva dell’arco. Lo stesso assorbimento del laser da parte del metallo è migliorato dal riscaldamento ad opera dell’arco diretto del plasma. Come previsto, l’effetto combinato delle due fonti di energia sul materiale lavorato è non lineare: cioè il suo effetto è maggiore della somma degli effetti di ciascuna di queste fonti prese separatamente. Questo effetto sinergico rende possibile l’utilizzo del processo laser-plasma come fonte innovativa controllata ad alta densità energetica per la saldatura, il taglio e vari tipi di trattamento termico dei metalli. Nella scelta dello schema di base del plasmatron integrato per il taglio laser-plasma, il Prof. Korzhyk ha testato diverse combinazioni.

Per esempio, la disposizione coassiale o parassiale dell’asse della radiazione laser rispetto all’asse del plasmatron, e l’uso di un arco trasferito (diretto) o non trasferito (indiretto). Per esempio, nei test è stato possibile tagliare una lamiera di acciaio inossidabile da 2 mm di spessore utilizzando un laser Nd:YAG a stato solido da 200 W e un plasma ad arco indiretto con una potenza fino a 1,0 kW.

Risultati positivi dai primi test

Durante le sperimentazioni, il plasmatron ha permesso di raddoppiare la velocità rispetto a quella del taglio laser, mantenendo la larghezza del taglio e la dimensione della ZTA paragonabile a quella del taglio laser. Si è poi determinato che la potenza del plasma con arco indiretto non dovrebbe superare il 300% della potenza del laser. Per il taglio combinato usando un arco ad azione diretta le due potenze possono invece essere approssimativamente uguali. Nell’ottica di una standardizzazione e industrializzazione dell’apparato, i ricercatori dell’Accademia Ucraina delle Scienze hanno scelto di utilizzare un catodo standard di tungsteno nel design del plasmatron di taglio. Per correnti nell’ordine di 100-200 A, viene comunemente usato un elettrodo non consumabile di 4 mm di diametro.

Per ottenere la massima penetrazione, la distanza dall’estremità di lavoro dell’elettrodo non consumabile all’asse del raggio laser dovrebbe trovarsi nell’intervallo di 2-3 mm. A distanze inferiori, c’è il pericolo di distruzione dell’elettrodo sotto l’impatto della radiazione laser. A distanze maggiori, si osserva una diminuzione della profondità di penetrazione a causa della scomparsa dell’effetto del “legame” della regione anodica dell’arco con il punto di riscaldamento del laser. La messa a fuoco del fascio dovrebbe essere più profonda rispetto alla superficie del pezzo ed essere regolabile entro un certo intervallo.

Come anticipato sopra, lo studio ha condotto a un progetto di un innovativo plasmatron integrato, caratterizzato dalla protezione continua di un elettrodo non consumabile in tungsteno (catodo) con argon come gas plasma inerte. In questo caso, il gas attivo di taglio (ossigeno) è inviato direttamente all’ugello di taglio plasmogeno. Per evitare che il gas di taglio attivo entri in contatto con l’elettrodo in tungsteno, la sua portata dovrebbe essere uguale o inferiore alla portata del gas plasma. Per migliorare la qualità del taglio e aumentare la durata degli elettrodi, il fascio laser è inviato coassialmente all’ugello del plasma. Su entrambi i lati, sono stati installati due elettrodi da 4 mm di diametro ad un angolo massimo di 35°. L’angolo di affilatura dev’essere intorno ai 60°.

Dalle equazioni alla scelta dei parametri

Sulla base dei modelli matematici sviluppati dal team del prof. Korzhyk, i parametri sperimentali del plasmatron integrato da loro ideato sono: una potenza del laser fino a 5 kW, una corrente di taglio fino a 200 A, e una tensione fino a circa 100 V. Per correnti nell’ordine degli 80-200 A il diametro interno dell’ugello dovrebbe essere tra i 2 e i 5 mm, con una densità di corrente di 30÷40 A/mm. I criteri principali in base ai quali sono stati scelti i parametri dei regimi di taglio laser-plasma sono stati l’ottenimento di un taglio di alta qualità (parallelismo dei bordi di taglio) in combinazione con una minima ZTA sui bordi di taglio (fino a 0,2 mm per spessore 5 mm e circa 0,2-0,3 mm per il 10 mm).

Modelli matematici dei gradienti termici

Per la simulazione al computer dei processi di taglio laser, plasma e laser-plasma degli acciai al carbonio eseguiti utilizzando il plasmatron integrato progettato, è stato utilizzato il metodo degli elementi finiti. A tale scopo, la fonte di calore è stata considerata sotto forma di un doppio ellissoide. La condizione di equilibrio termico ci permette di determinare i cambiamenti temporanei di temperatura all’interno di ogni elemento. Il taglio è modellato come una fonte di calore lineare generata dal flusso di calore che agisce per un periodo di tempo sul punto corrispondente sulla superficie della lamiera tagliata. Come risultato dei calcoli effettuati utilizzando il pacchetto software SYSWELD, sono stati determinati la distribuzione della temperatura nei bordi del taglio e i cicli termici dei processi di taglio laser e plasma. Partendo dai risultati delle simulazioni fatte al computer, il Prof. Korzhyk e il suo staff hanno effettuato delle prove di taglio su lamiere da 5 e 10 mm di spessore usando prima il taglio laser e il taglio plasma separatamente, e poi il sistema ibrido. È stato riscontrato che i dati ottenuti coincidono con le previsioni con una precisione del 10%.

Come si vede nella tabella, i parametri scelti per il plasmatron consentono di utilizzare circa metà dell’energia richiesta dal processo di taglio plasma in aria. Al contrario, l’energia del sistema ibrido è circa il triplo di quanto richiesto da un taglio laser in gas, a fronte però di una velocità di taglio doppia.

Ottime premesse, con spazio per crescere

Le ricerche mostrano inoltre che sarebbe possibile aumentare la velocità di taglio del plasmatron di un ulteriore 200-300%, senza peggiorare la qualità. In questo modo si andrebbe a pareggiare anche l’aspetto energetico, oltre a ottenere un grande vantaggio in termini di tempi di lavorazione. Nei primi test condotti dai ricercatori dell’stituto ucraino, il taglio ibrido laser-plasma può lavorare l’acciaio strutturale al carbonio ad una velocità di 4 m/min e di 2 m/min rispettivamente per lamiere di spessore 5 e 10 mm.

L’emergere di un effetto sinergico nel taglio ibrido dell’acciaio comune con spessore di 5 mm e oltre, con un rapporto di potenze laser-plasma da 1:1 a 1:3 permette una produttività anche tripla rispetto al solo taglio plasma. Il taglio ibrido laser-plasma consente di minimizzare l’apporto termico sulla lamiera, riducendo la zona termicamente alterata e il rischio di deformazione della lastra. Allo stesso tempo riusciamo a mantenere un’alta qualità nel taglio ad un costo per metro relativamente contenuto.

di Marco Basso

Fonte: https://ssrn.com/abstract=3706967. Si ringrazia per le immagini il Prof. Volodymyr Korzhyk, direttore di dipartimento all’Istituto di Saldatura Elettrica dell’Accademia Ucraina delle Scienze

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