La saldatura laser è uno degli aspetti più importanti dell'applicazione della tecnologia di lavorazione laser, ma anche la tecnologia di saldatura più accattivante e promettente del XXI secolo. Rispetto ai metodi di saldatura tradizionali, la saldatura laser offre numerosi vantaggi, una maggiore qualità di saldatura e una maggiore efficienza. Attualmente, la tecnologia di saldatura laser è ampiamente utilizzata nell'industria manifatturiera, 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 si avvale di due meccanismi di saldatura di base: la saldatura a conduzione termica e la saldatura a penetrazione profonda (piccoli fori). Il calore generato dalla saldatura a conduzione termica viene diffuso al pezzo tramite trasferimento termico, in modo che la superficie della saldatura venga fusa, senza alcun fenomeno di vaporizzazione, 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 formeranno dei fori nella parte anteriore del bagno di fusione. La saldatura a penetrazione profonda può saldare il pezzo in modo completo, con un'elevata energia in ingresso e una velocità di saldatura elevata, ed è la modalità di saldatura laser più utilizzata.
Sono molti i parametri di processo che influiscono sulla 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 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 un microsecondo, generando un'elevata vaporizzazione. Pertanto, l'elevata densità di potenza è molto vantaggiosa per le lavorazioni di asportazione di materiale, come punzonatura, taglio e incisione. A 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, facilitando la formazione di una buona saldatura per fusione. Pertanto, nella saldatura laser a conduzione termica, l'intervallo di densità di potenza è 104-106 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 fusione, ma anche un parametro chiave per determinare il volume e il costo delle apparecchiature di lavorazione. Quando il raggio laser ad alta intensità colpisce la superficie del materiale, la superficie del materiale subirà una riflessione e una perdita di energia laser pari al 60-90%, in particolare oro, argento, rame, alluminio, titanio e altri materiali presentano una forte riflessione e un rapido trasferimento di calore. La riflettanza di un metallo varia nel tempo durante un segnale a impulso laser. Quando la temperatura superficiale del materiale raggiunge il punto di fusione, la riflettanza diminuisce rapidamente e, quando la superficie è in fase di fusione, la riflessione si stabilizza a un certo 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 larghezza dell'impulso. Tuttavia, l'aumento della larghezza dell'impulso riduce la potenza di picco, quindi l'aumento della larghezza dell'impulso è generalmente utilizzato per la saldatura a conduzione termica, con conseguente saldatura di dimensioni ampie e poco profonde, particolarmente adatta per la saldatura a sovrapposizione di lamiere sottili e spesse. Tuttavia, una potenza di picco inferiore si traduce in un apporto termico eccessivo e ogni materiale ha una larghezza dell'impulso ottimale che massimizza la penetrazione.
4. La saldatura laser defocalizzata richiede solitamente una certa quantità di defocalizzazione, poiché la densità di potenza del fuoco laser al centro del punto è troppo elevata, il che facilita l'evaporazione in fori. La distribuzione della densità di potenza è relativamente uniforme in ciascun piano lontano dal fuoco laser. Esistono due metodi di defocalizzazione: defocalizzazione positiva e defocalizzazione negativa. Se il piano focale si trova sopra il pezzo in lavorazione, si tratta di defocalizzazione positiva; altrimenti, si tratta 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 effettiva del bagno di saldatura ottenuto è diversa. Nel caso di defocalizzazione negativa, si può ottenere una maggiore penetrazione, 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 influirà sull'apporto termico per unità di tempo. Se la velocità di saldatura è troppo lenta, l'apporto termico è eccessivo, con conseguente bruciatura del pezzo. Se la velocità di saldatura è troppo elevata, l'apporto termico è troppo ridotto, con conseguente saldatura opaca del pezzo. La riduzione della velocità di saldatura viene solitamente utilizzata per migliorare la penetrazione.
6. Il gas protettivo di soffiaggio ausiliario è un processo essenziale nella saldatura laser ad alta potenza. Da un lato, impedisce che i materiali metallici si spruzzino e contaminino lo specchio di focalizzazione; dall'altro, impedisce che il plasma generato durante il processo di saldatura si concentri eccessivamente e impedisca al laser di raggiungere 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 che il pezzo sia protetto dall'ossidazione durante la saldatura. Fattori come il tipo di gas protettivo, l'entità del flusso d'aria e l'angolo di soffiaggio hanno una grande influenza sul risultato della saldatura. Anche i diversi metodi di soffiaggio influiscono in una certa misura sulla qualità della saldatura.
L'elio non si ionizza facilmente (ha un'elevata energia ionizzante), consentendo al laser di passare senza intoppi e all'energia del fascio di raggiungere la superficie del pezzo senza ostacoli. Questo è il gas protettivo più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma il prezzo è relativamente elevato. L'argon è più economico e più denso, quindi offre una migliore protezione. Tuttavia, viene facilmente ionizzato dal 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 della saldatura. Le superfici delle saldature protette dall'argon sono più lisce di quelle protette dall'elio. L'azoto è il gas protettivo più economico, ma non è adatto per alcuni tipi di saldatura dell'acciaio inossidabile, principalmente a causa di problemi metallurgici, come l'assorbimento, che a volte crea pori nella zona di sovrapposizione.
Come nuova tecnologia di saldatura, la saldatura laser presenta le seguenti caratteristiche: elevata densità energetica, elevata velocità, elevata precisione, profonda penetrazione e forte adattabilità. La sua applicazione è sempre più ampia, il che non solo può migliorare l'efficienza produttiva, ma anche la qualità della saldatura. La tecnologia di saldatura laser svolgerà sicuramente un ruolo sempre più importante nel campo della lavorazione dei materiali.
Data di pubblicazione: 28-03-2023
