Prodotti secchi! Interpretazione dei parametri di processo comuni della saldatura laser

La saldatura laser è uno degli aspetti più importanti dell'applicazione della tecnologia di lavorazione laser, nonché la tecnologia di saldatura più interessante e promettente del XXI secolo. Rispetto ai metodi di saldatura tradizionali, la saldatura laser offre numerosi vantaggi, tra cui una maggiore qualità di saldatura e una maggiore efficienza. Attualmente, la tecnologia di saldatura laser è ampiamente utilizzata nella produzione industriale, nella metallurgia delle polveri, nell'industria automobilistica, nell'industria elettronica, nella biomedicina e in altri settori.

In base al meccanismo di formazione del bagno di fusione, la saldatura laser presenta due meccanismi di base: la saldatura per conduzione termica e la saldatura a penetrazione profonda (a foro piccolo). Nella saldatura per conduzione termica, il calore generato si diffonde al pezzo tramite trasferimento termico, fondendo la superficie della saldatura, senza praticamente vaporizzazione. Questo metodo è spesso utilizzato nella saldatura di componenti a parete sottile a bassa velocità. La saldatura a fusione profonda vaporizza il materiale e forma una grande quantità di plasma. A causa dell'elevato calore, si formano dei fori nella parte anteriore del bagno di fusione. La saldatura a penetrazione profonda permette di saldare completamente il pezzo, richiede un'elevata energia in ingresso e consente una velocità di saldatura elevata; è la modalità di saldatura laser più diffusa.

Sono molti i parametri di processo che influenzano la qualità della saldatura laser, come la densità di potenza, la forma d'onda dell'impulso laser, la defocalizzazione, la velocità di saldatura e il gas di soffiaggio ausiliario.

1. Densità di potenza del laser La densità di potenza è uno dei parametri più critici nella lavorazione laser. Con una densità di potenza più elevata, lo strato superficiale può essere riscaldato fino al punto di ebollizione in un intervallo di tempo di microsecondi, generando una grande quantità di vaporizzazione. Pertanto, un'elevata densità di potenza è molto vantaggiosa per i processi di asportazione di materiale, come punzonatura, taglio e incisione. Con una bassa densità di potenza, occorrono diversi millisecondi affinché la temperatura superficiale raggiunga il punto di ebollizione e, prima che lo strato superficiale vaporizzi, lo strato inferiore raggiunge il punto di fusione, il che facilita la formazione di una buona saldatura per fusione. Pertanto, nella saldatura laser a conduzione termica, l'intervallo di densità di potenza è compreso tra 10⁴ e 10⁶ W/cm².

2. Forma d'onda dell'impulso laser

La forma d'onda dell'impulso laser non è solo un parametro importante per distinguere la rimozione del materiale dalla sua fusione, ma anche un parametro chiave per determinare il volume e il costo delle apparecchiature di lavorazione. Quando un raggio laser ad alta intensità colpisce la superficie del materiale, quest'ultima subisce una riflessione e una perdita del 60-90% dell'energia laser. In particolare, materiali come oro, argento, rame, alluminio, titanio e altri presentano una forte riflessione e un rapido trasferimento di calore. La riflettività di un metallo varia nel tempo durante l'impulso laser. Quando la temperatura superficiale del materiale raggiunge il punto di fusione, la riflettività diminuisce rapidamente e, quando la superficie è allo stato fuso, la riflessione si stabilizza a un determinato valore.

3. Larghezza dell'impulso La larghezza dell'impulso è un parametro importante della saldatura laser pulsata. La larghezza dell'impulso è determinata dalla profondità di penetrazione e dalla zona termicamente alterata. Maggiore è la larghezza dell'impulso, maggiore è la zona termicamente alterata e la profondità di penetrazione aumenta con la metà della potenza della larghezza dell'impulso. Tuttavia, l'aumento della larghezza dell'impulso riduce la potenza di picco, quindi l'aumento della larghezza dell'impulso viene generalmente utilizzato per la saldatura a conduzione termica, con conseguente dimensione del cordone di saldatura ampia e superficiale, particolarmente adatta per la saldatura a sovrapposizione di lamiere sottili e spesse. Tuttavia, una minore potenza di picco comporta un eccessivo apporto di calore e ogni materiale ha una larghezza dell'impulso ottimale che massimizza la penetrazione.

4. La saldatura laser con defocalizzazione richiede solitamente un certo grado di defocalizzazione, poiché la densità di potenza del punto focale del laser al centro è troppo elevata e tende a evaporare formando fori. La distribuzione della densità di potenza è relativamente uniforme in ogni piano lontano dal fuoco del laser. Esistono due metodi di defocalizzazione: defocalizzazione positiva e defocalizzazione negativa. Se il piano focale si trova sopra il pezzo in lavorazione, si parla di defocalizzazione positiva; altrimenti, si parla di defocalizzazione negativa. Secondo la teoria dell'ottica geometrica, quando la distanza tra i piani di defocalizzazione positiva e negativa e il piano di saldatura è uguale, la densità di potenza sul piano corrispondente è approssimativamente la stessa, ma la forma del bagno di fusione effettivamente ottenuto è diversa. Nel caso della defocalizzazione negativa, si può ottenere una maggiore penetrazione, che è correlata al processo di formazione del bagno di fusione.

5. Velocità di saldatura La velocità di saldatura determina la qualità della superficie di saldatura, la penetrazione, la zona termicamente alterata, ecc. La velocità di saldatura influisce sull'apporto di calore per unità di tempo. Se la velocità di saldatura è troppo bassa, l'apporto di calore è eccessivo, con conseguente bruciatura del pezzo. Se la velocità di saldatura è troppo alta, l'apporto di calore è insufficiente, con conseguente saldatura opaca del pezzo. La riduzione della velocità di saldatura viene solitamente utilizzata per migliorare la penetrazione.

6. Insufflaggio ausiliario di gas protettivo. L'insufflaggio ausiliario di gas protettivo è un processo essenziale nella saldatura laser ad alta potenza. Da un lato, serve a impedire che i materiali metallici spruzzino e contaminino lo specchio di focalizzazione; dall'altro, serve a impedire che il plasma generato nel processo di saldatura si concentri eccessivamente e che il laser raggiunga la superficie del materiale. Nel processo di saldatura laser, elio, argon, azoto e altri gas vengono spesso utilizzati per proteggere il bagno di fusione, in modo da proteggere il pezzo in lavorazione dall'ossidazione durante la saldatura. Fattori come il tipo di gas protettivo, la portata del flusso d'aria e l'angolo di soffiaggio hanno una grande influenza sul risultato della saldatura. Anche i diversi metodi di soffiaggio hanno una certa influenza sulla qualità della saldatura.

L'elio non si ionizza facilmente (ha un'elevata energia ionizzante), consentendo al laser di attraversarlo senza ostacoli e all'energia del fascio di raggiungere la superficie del pezzo. È il gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma il suo prezzo è relativamente elevato. L'argon è più economico e denso, quindi offre una protezione migliore. Tuttavia, si ionizza facilmente a contatto con il plasma metallico ad alta temperatura, schermando così parte del fascio dal pezzo, riducendo la potenza laser effettiva della saldatura, ma anche compromettendo la velocità e la penetrazione del processo. Le superfici delle saldature protette dall'argon sono più lisce rispetto a quelle protette dall'elio. L'azoto è il gas di protezione più economico, ma non è adatto per la saldatura di alcuni tipi di acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, che a volte crea porosità nella zona di sovrapposizione.

La saldatura laser, in quanto nuova tecnologia di saldatura, si caratterizza per elevata densità di energia, alta velocità, alta precisione, profonda penetrazione e grande adattabilità. La sua applicazione si sta diffondendo sempre di più, consentendo non solo di migliorare l'efficienza produttiva, ma anche la qualità della saldatura. La tecnologia di saldatura laser è destinata a svolgere un ruolo sempre più importante nel settore della lavorazione dei materiali.