ITPI20110060A1 - Un gas di processo per effettuare tagli utilizzando la tecnologia laser. - Google Patents

Description

Descrizione a corredo della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

UN GAS DI PROCESSO PER EFFETTUARE TAGLI UTILIZZANDO LA

TECNOLOGIA LASER

Campo Tecnico dell'Invenzione

La presente invenzione riguarda l'uso di una miscela gassosa a base di azoto e di idrogeno usata come gas di processo per effettuare tagli di materiali vari, soprattutto metallici, tramite l'applicazione sugli stessi di un raggio laser.

Inoltre, la presente invenzione riguarda anche la miscela di detti gas ed i materiali tagliati ottenuti tramite l'impiego della stessa.

Descrizione dell'Arte Nota

II taglio tramite un raggio laser trova oggi molte applicazioni a livello industriale. Le sue applicazioni più diffuse si trovano nell'industria metalmeccanica, in particolare, nel taglio di lamiere di materiali vari.

La formazione del raggio laser richiede una miscela di opportuni gas (altrimenti detta miscela laserante di gas) che viene utilizzata in piccola quantità e che viene focalizzata, attraverso un opportuno sistema di lenti, sulla superficie e, successivamente, all'interno del materiale da tagliare.

Tale miscela laserante ha una composizione variabile e, nel caso più comune, è formata essenzialmente da elio, azoto e CO2, dosati in opportune proporzioni, come ben noto al tecnico del settore.

L'alta temperatura che viene raggiunta nel punto di fuoco provoca la fusione e/o la vaporizzazione del materiale sottoposto al taglio, il quale materiale deve essere eliminato/trasportato via rapidamente per mezzo di un flusso di un gas opportuno, cosiddetto gas di processo, che viene sparato tramite un ugello, di opportuna dimensione, concentrico al raggio laser.

I gas di processo comunemente utilizzati nell'arte nota sono l'ossigeno e l'azoto.

L'ossigeno ha il vantaggio di reagire con il materiale sottoposto al taglio e possiede più energia consentendo quindi dei tagli più veloci. Tuttavia, svantaggiosamente, l'ossigeno provoca l'ossidazione del materiale fuso e pertanto non può essere usato per ottenere un taglio pulito, soprattutto su acciai che dovranno essere successivamente saldati e, a maggior ragione, su acciai inossidabili, i quali, oltre a subire l'annerimento della superficie di taglio, vengono a perdere anche le caratteristiche di resistenza alla corrosione.

Anche nel caso in cui si debbano sottoporre a taglio tramite laser dei materiali di alluminio si ha formazione di scorie e un taglio sostanzialmente scadente .

E' anche, soprattutto, in casi particolari come questi, che sembra preferibile utilizzare, in alternativa, l'azoto. Infatti, nel taglio di materiali con tecnologia laser, l'azoto trova largo impiego come gas di processo.

Dato che l'azoto è un gas inerte, lo stesso può essere usato su una grande varietà di materiali, in particolare sugli acciai inossidabili, per i quali è richiesta la massima qualità di taglio, e dove anche l'aspetto visivo del taglio riveste comunque una importanza fondamentale dal punto di vista commerciale.

Da un punto di vista pratico, l'azoto richiesto come gas di processo per l'asportazione del materiale vaporizzato/fuso dal raggio laser può essere fornito allo stato gassoso compresso in bombole, oppure sotto forma liquida (azoto liquido) in un serbatoio criogenico corredato di un adatto evaporatore.

Poiché le quantità di azoto necessarie in procedure industriali sono in genere abbastanza alte, relativamente alla capacità di immagazzinamento delle bombole, spesso si preferisce impiegare l'azoto liquido criogenico.

I vantaggi di questa scelta, visti da un punto di vista tecnico, sono la discreta qualità di purezza (con un contenuto in 02residuo mediamente compreso da 5 a 20 ppmV [parti per milione in volume]) ed i costi di consumo/esercizio contenuti.

L'azoto così fornito, inoltre, va bene per la generalità dei tagli dove è richiesto un gas inerte e, quindi, risponde, in generale, alle richieste delle aziende con lavorazioni terziarie.

Tuttavia, anche questo gas di processo costituito da azoto con un minimo contenuto di ossigeno residuo presenta degli svantaggi non facilmente ovviabili.

Ad esempio, i sia pur pochi ppmV di ossigeno residuo presenti risultano, comunque, dannosi nel caso in cui si debbano tagliare materiali inox, ma anche altri materiali, di alto spessore (ad esempio maggiore di 15-20 mm) e quando è richiesta la massima qualità della finitura della superficie di taglio. E' proprio per evitare possibili residui problemi di ossidazione, che l'azoto deve essere purissimo perchè anche i pochi ppm [parti per milione] di ossigeno residuo contenuto possono determinare una superficie di taglio non perfetta, quanto meno nella colorazione finale del manufatto tagliato.

Svantaggiosamente, nella pratica non è possibile fornire accettabilmente a livello industriale un azoto che abbia un contenuto in ossigeno residuo pari a 0 ppm e/o, comunque, non vi è alcuna convenienza alla sua produzione a livello industriale per l'utilizzo sopra descritto (oltre a dover superare notevoli difficoltà tecniche di produzione, si avrebbero dei costi troppo alti).

Inoltre, con un gas di processo completamente inerte, il getto deve provvedere anche alla protezione della zona di taglio in maniera assoluta evitando ogni possibile migrazione di ossigeno dall'ambiente esterno, il quale, portandosi sulla superficie di taglio provocherebbe l'indesiderato effetto ossidante.

E' ovvio che una protezione assoluta è comunque sempre difficile da garantire (ad esempio, gli ugelli sono soggetti a sporcarsi o a consumarsi, deviando così il fascio, anche se di poco, dalla zona di protezione). E' pertanto possibile concludere che secondo lo stato dell'arte odierno, è possibile ottenere risultati anche discreti a livello di applicazioni di tipo generale, ma è senz'altro assolutamente necessario migliorare sostanzialmente la qualità dei tagli di materiali con spessori elevati e/o di particolari materiali di qualità (ad esempio, acciai, acciai inox) dove la qualità del taglio, anche dal solo punto dell'aspetto visivo, ha una importanza primaria. Infatti, la presentazione di una superficie di taglio visivamente senza alcun segno di ossidazione, è già, di per se, un indice di qualità aziendale che fa la differenza .

Problema Tecnico

Resta, pertanto, viva e ben sentita nel settore la necessità di poter disporre di un gas di processo che abbia un effetto ossidativo (provocato dall'ossigeno residuo) uguale a zero e che sia contemporaneamente in grado di assicurare una protezione completa della superficie di taglio evitando anche ogni possibile inquinamento (cioè, fenomeni ossidativi) da parte dell'aria dell'ambiente circostante, cioè dell'ossigeno in essa contenuto.

Inoltre, il suddetto gas di processo deve risolvere i problemi sopra indicati in modo semplice e affidabile, oltre che accettabile economicamente.

Scopo della presente invenzione è quello di rispondere in modo adeguato alla necessità sopra evidenziata.

Sommario dell'Invenzione

La Richiedente ha ora infatti del tutto inaspettatamente trovato che, utilizzando come gas di processo per tagli tramite laser una opportuna miscela a base di una opportuna quantità di azoto e di una opportuna quantità di idrogeno, è possibile dare una risposta adeguata al problema tecnico generato dalla necessità di cui sopra.

Forma, pertanto, un aspetto della presente invenzione, l'uso della miscela di cui sopra come gas di processo nella realizzazione di un taglio tramite utilizzo di un raggio laser, come riportato nella rivendicazione indipendente allegata.

Forma un altro aspetto della presente invenzione, la miscela gassosa componente il gas di processo di cui sopra, come riportato nella rivendicazione indipendente allegata.

Forma un ulteriore aspetto della presente invenzione un metodo per effettuare il taglio tramite un raggio laser di un manufatto, preferibilmente metallico, in cui viene impiegato come gas di processo la miscela gassosa di cui sopra, come riportato nella rivendicazione indipendente allegata.

Forma poi un ulteriore aspetto della presente invenzione un manufatto tagliato ottenuto tramite il metodo di taglio di cui sopra, come riportato nella rivendicazione indipendente allegata.

Altri aspetti della presente invenzione sono descritti nelle allegate rivendicazioni dipendenti.

Breve Descrizione delle Figure

La Fig. 1 mostra la fotografia di un primo campione di acciaio inox 304L dello spessore dilOmm, eseguito con taglio laser con testa da 5KW utilizzando un gas di processo formato da "Azoto più 0,2÷0,3% di Idrogeno". La Fig. 2 mostra la fotografia di un secondo campione di acciaio inox 304L dello spessore dil5mm, eseguito con taglio laser con testa da 5KW utilizzando un gas di processo formato da "Azoto più 0,2÷0,3% di Idrogeno" .

La Fig. 3 mostra la fotografia di un terzo campione di acciaio inox 304L dello spessore di 10mm, eseguito con taglio laser con testa da 5KW utilizzando un gas di processo formato da "Azoto più 0,2÷0,3% di Idrogeno". In tutte le fotografie sono evidenti il colore con assenza completa di riflessi giallastri e le "bave di taglio" molto ridotte.

Descrizione Dettagliata dell'Invenzione

Ai fini della presente invenzione, i seguenti termini utilizzati nella presente descrizione hanno i significati qui sotto descritti.

Gas/miscela laserante: è un gas o una miscela di gas noti e comunemente usati nel settore, utilizzato/a per la produzione del raggio laser. Tipicamente, il gas di base è la CO2 che, sottoposta ad un campo magnetico per mezzo di apparecchiature tradizionali comunemente usate nel settore, emette fotoni in seguito all'eccitazione degli elettroni intorno al nucleo.

Frequente, la C02è impiegata in miscela con opportune quantità di altri gas. A solo titolo di esempio, a fronte di un contenuto in CO2 compreso da 1 a 10% in volume, tale miscela contiene di norma anche uno o più gas di trasporto quali Elio da 40 a 80% in volume, e/o Azoto da 15 a 55% in volume. A seconda dei casi e delle apparecchiature impiegate, alcuni tipi di laser richiedono anche piccole quantità di altri gas come Ossigeno, Ossido di Carbonio, Alogeni e gas rari, come ben noto nel settore.

Ossidazione: è un processo chimico in cui un elemento perde elettroni da parte di un reagente. In particolare, questo processo avviene per reazione del materiale con l'ossigeno (ad esempio, quello dell'aria), con conseguente formazione di prodotti di ossidazione, come , ad esempio, la ruggine nel caso di composti metallici ferrosi.

Gas inerte: è un gas che non dà reazioni chimiche con altri elementi. Tipicamente, ai fini della presente invenzione, il gas inerte è preferibilmente l'azoto. Altri gas inerti utilizzabili sono i gas nobili He, Ar, Kr, Xe : tuttavia trovano poca applicazione pratica soprattutto per la loro scarsa presenza in natura.

Gas di processo: è un gas o una miscela di gas, preferibilmente inerti, cosiddetti di trasporto, che serve per portare via, cioè, eliminare il materiale che viene fuso/vaporizzato durante il taglio; tipicamente, detto gas di processo è l'azoto. Anche l'Ossigeno è usato per determinati tagli su materiali in cui le sue proprietà ossidanti non creano problemi, mentre l'Argon, sia pur potenzialmente valido, non trova praticamente uso a causa dell'alto costo.

Ppm/ppmV: indica/dà la misura del contenuto di una certa molecola in parti per milione per volume.

La presente invenzione è diretta all'uso di una miscela gassosa a base di azoto e di idrogeno come gas di processo nella realizzazione di un taglio di un materiale tramite utilizzo di un raggio laser.

In detta miscela, la qualità di azoto utilizzato non è particolarmente limitata (sia pur nell'intervallo di pochi ppmV), poiché, del tutto inaspettatamente, è risultato possibile utilizzare azoto contenente anche quantità di ossigeno residuo. E' risultato infatti possibile utilizzare un azoto commerciale con un contenuto di 02residuo anche fino a qualche decina di ppmV, generalmente, non superiore a 50 ppm.

Preferibilmente, viene utilizzato un azoto di partenza commerciale standard, ad esempio, azoto liquido di origine criogenica, con un piccolo contenuto di 02residuo: preferibilmente, inferiore a 50 ppm, più preferibilmente < 40 ppm; ancor più preferibilmente < 30 ppm; ancor più preferibilmente, < 20 ppm.

In detta miscela secondo l'invenzione, l'idrogeno è contenuto in una percentuale generalmente molto bassa, variabile a seconda della quantità di ossigeno eventualmente contenuta nell'azoto o, anche, in funzione del tipo di apparecchiatura utilizzata per effettuare il taglio tramite raggio laser e dell'ambiente in cui lo stesso viene effettuato (cioè, a seconda della possibilità di interferenza ossidativa provocata dall'aria, cioè dall'ossigeno, dell'ambiente circostante).

Di norma, in detta miscela l'idrogeno è presente in una quantità variabile da 0,1% a 5% in volume rispetto al volume complessivo della miscela dei gas di processo; preferibilmente, in una quantità compresa da 0,2% a 4% v/v; più preferibilmente, in una quantità compresa da 0,3% a 3% v/v; ancor più preferibilmente, in una quantità compresa da 0,4% a 2% v/v.

In una realizzazione particolarmente preferita dell'invenzione, la quantità di idroqeno nella miscela di cui sopra è compresa da 0,5% a 1% v/v; preferibilmente, detta quantità è di circa 0,5% v/v. Il materiale sottoposto al taqlio può essere un qualsiasi materiale taqliabile ricorrendo all'impiego della tecnologia laser.

Particolarmente preferiti, ai fini della presente invenzione, sono quei materiali sensibili alla azione ossidante esercitata dall'ossigeno residuo presente nel gas di processo e/o nell'aria circostante la superficie di taglio.

In particolare, sono preferiti i materiali metallici; preferibilmente, un metallo o una lega metallica a base di ferro, di alluminio, di titanio, di acciaio, di acciaio inox.

Tra questi, particolarmente preferiti sono materiali in acciaio e in acciaio inox.

La quantità dell'idrogeno contenuto nel gas di processo secondo l'invenzione reagisce completamente (con formazione di vapore acqueo) con l'eventuale ossigeno residuo contenuto nell'azoto, grazie all'alta temperatura generata sulla superficie del taglio.

L'ossigeno viene quindi completamente eliminato dalla stessa e viene così evitata ogni possibile formazione di ossidazione sulla medesima.

Come risultato, il taglio si presenta sempre perfetto anche quando si usa un azoto contenente alcuni ppm di ossigeno residuo, come precedentemente indicato.

Inoltre, la superficie di taglio, se per qualche motivo non è ben protetta dal getto del gas di processo, potrebbe subire una ossidazione indesiderata da parte dell'ossigeno contenuto nell'aria circostante al punto di taglio. Anche in questo caso però, l'idrogeno presente nel gas di processo si combinerà immediatamente con l'ossigeno formando vapore acqueo ed eliminando così ogni traccia di ossidazione, non permettendo all'ossigeno di arrivare a contatto con la superficie di taglio.

L'innovazione di questa miscela di gas di processo dell'invenzione (a base di N2+H2) risiede quindi nel fatto che l'idrogeno reagisce con tutte le tracce di ossigeno (di qualsiasi origine) eventualmente presenti sul punto di taglio, eliminandolo e garantendo sempre una superficie di taglio perfetta, anche ad un solo esame visivo.

In altre parole, l'idrogeno aggiunto assolve ad una duplice funzione, fondamentale per la risoluzione ottimale del problema tecnico della presente invenzione .

Infatti, l'idrogeno reagisce sotto l'alta temperatura del raggio laser con l'ossigeno residuo normalmente contenuto nel gas di processo con la sua completa eliminazione, ottenendo così il primo importante risultato.

Ciò consente vantaggiosamente ed inaspettatamente di utilizzare un gas azoto con un contenuto di 02anche fino a 50 ppm, come indicato in precedenza.

Inoltre, anche le particelle di ossigeno contenuto nell'aria circostante, che dovessero riuscire ad avvicinarsi alla superficie del taglio, provocandone inevitabilmente l'ossidazione, si combinano completamente con l'idrogeno, trasformandosi in vapore acqueo che viene trasportato via con il gas stesso. La miscela del gas di processo secondo la presente invenzione può essere prodotta al momento dell'uso per mezzo di uno specifico generatore o anche tramite miscelazione dei gas componenti utilizzando opportune apparecchiature di miscelazione degli stessi, per esempio, utilizzando miscelatori per gas noti e comunemente utilizzati nel settore.

Esempi Sperimentali

Test sperimentali ripetuti, sono stati effettuati con diversi tipi di apparecchiature per taglio laser comunemente impiegate nell'industria per effettuare tagli su materiali metallici, e hanno confermato la bontà e l'efficienza del gas di processo secondo la presente invenzione nel consentire di ottenere tagli perfetti e assolutamente privi di indesiderati residui o di effetti di colorazione dovuti al verificarsi di processi ossidativi durante il taglio.

A solo titolo di esempio dell'ampio potenziale applicativo dell'invenzione, una miscela di gas consistente di N2, con un tenore di ossigeno residuo mediamente compreso da 5 a 20 ppmV, e di 3⁄4 in una quantità mediamentre di circa 0,5% v/v, o inferiore, è stata utilizzata come gas di processo in apparecchiature laser quali, AMADA<®>, TRUMPF<®>, BYSTRONIC<®>per effettuare tagli su una sbarra di acciaio inox di diametro 20 mm.

In modo analogo la stessa procedura è stata applicata per effettuare tagli su una placchetta inox di spessore 20 mm.

Alcuni esempi specifici, molto significativi, e comunque assolutamente non limitanti, sono illustrati nelle Figure da 1 a 3 in cui i campioni fotografati sono stati realizzati su differenti impianti Laser con testa da 5KW (di diversi utilizzatori) con l'utilizzo di un gas di processo formato da "Azoto più 0,2÷0,4% di Idrogeno" in accordo con l'invenzione.

I campioni sono stati sottoposti a diversi tipi di taglio ottenendo prodotti con forme diverse. Aspetti determinanti per la valutazione della qualità del taglio sono stati l'esame del colore, che si è rivelato completamente privo di riflessi giallastri dovuti all'ossidazione, e le cosiddette "bave di taglio", risultate molto ridotte quando non addirittura inesistenti.

Secondo le opinioni soggettive degli operatori, al confronto con i sistemi tradizionali di taglio che utilizzano come gas di processo solamente l'azoto, i tagli effettuati utilizzando come gas di trasporto la miscela secondo l'invenzione di cui sopra, si sono dimostrati mediamente migliori, sia per la qualità del taglio, sia per la completa mancanza di residui, impurezze e/o tracce di ossidazione.

Alla luce di tutto quanto sopra messo in evidenza, la presente invenzione è di conseguenza, diretta anche alla miscela di gas di processo di cui sopra, consistente di un gas inerte come l'azoto, contenente una moderata quantità di 02residuo, miscelato con la opportuna quantità di gas 3⁄4 descritta precedentemente .

Inoltre, la presente invenzione è anche diretta ad un metodo per effettuare il taglio tramite un raggio laser di un manufatto, preferibilmente metallico, in cui il gas di processo impiegato è quello oggetto della presente invenzione, come descritto precedentemente

Inoltre, la presente invenzione è anche diretta ad un manufatto tagliato ottenuto tramite il metodo di taglio di cui sopra, laddove detto manufatto tagliato si caratterizza/distingue dagli analoghi o simili manufatti dell'arte nota per la superiore perfezione del taglio e per la completa assenza di imperfezioni, residui o colorazioni/macchie dovute all'ossidazione locale della superficie del taglio.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Uso di una miscela gassosa a base di azoto e di idrogeno come un gas di processo durante il taglio di un materiale o di un manufatto tramite l'utilizzo di un raggio laser, in cui l'idrogeno è presente in una quantità percentuale compresa da 0,1% a 5% in volume (v/v) rispetto al volume complessivo della miscela gassosa.
2. 2. L'uso secondo la rivendicazione 1, in cui l'idrogeno è presente in una quantità percentuale compresa da 0,2% a 4% v/v rispetto al volume complessivo della miscela gassosa; più preferibilmente, in una quantità compresa da 0,3% a 3% v/v; ancor più preferibilmente, in una quantità compresa da 0,4% a 2% v/v.
3. 3. L'uso secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'idrogeno è presente in una quantità percentuale compresa da 0,5% a 1% v/v rispetto al volume complessivo della miscela gassosa; preferibilmente, detta quantità è di circa 0,5% v/v.
4. 4. L'uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'azoto contiene una quantità di 02residuo fino a 50 ppmV; preferibilmente, inferiore a 50 ppmV; più preferibilmente < 40 ppmV; ancor più preferibilmente < 30 ppmV; e ancor più preferibilmente, < 20 ppmV.
5. 5. L'uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta miscela gassosa consiste di azoto, contenente da 5 a 20 ppm di 02, e di H2in una quantità compresa da 0,5% a 1% v/v rispetto al volume complessivo della miscela gassosa; preferibilmente, detta quantità è di circa 0,5% v/v.
6. 6. L'uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale o manufatto sottoposto a taglio tramite l'utilizzo di un raggio laser è un materiale o un manufatto metallico; preferibilmente, un metallo o una lega metallica a base di ferro, di alluminio, di titanio, di acciaio, di acciaio inox; più preferibilmente, di acciaio, di acciaio inox.
7. 7. La miscela gassosa descritta in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
8. 8. Un metodo per effettuare il taglio di un materiale o di un manufatto tramite l'utilizzo un raggio laser in cui come gas di processo viene impiegata la miscela gassosa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
9. 9. Il metodo secondo la rivendicazione 8, in cui detto materiale o manufatto è un materiale o un manufatto metallico; preferibilmente, un metallo o una lega metallica a base di ferro, di alluminio, di titanio, di acciaio, di acciaio inox; più preferibilmente di acciaio, di acciaio inox.
10. 10. Un materiale o un manufatto tagliato ottenuto tramite il metodo di taglio secondo la rivendicazione 8 o 9.
11. 11. Il materiale o manufatto secondo la rivendicazione 10, in cui detto materiale o manufatto è un materiale o un manufatto metallico; preferibilmente, un metallo o una lega metallica a base di ferro, di alluminio, di titanio, di acciaio, di acciaio inox; più preferibilmente, di acciaio, di acciaio inox.