Tecnologia Laser

1. Principio della saldatura laser

La saldatura laser può essere realizzata utilizzando fasci laser continui o impulsati. Il principio della saldatura laser si suddivide in saldatura per conduzione termica e saldatura laser a penetrazione profonda. Una densità di potenza inferiore a 10 ⁴ ~10⁵ Larg./CM ² è la saldatura per conduzione termica, caratterizzata da una penetrazione superficiale e da una velocità di saldatura lenta. Quando la densità di potenza è superiore a 10 ⁵ ~10⁷ Larg./CM ² , la superficie del metallo viene riscaldata, generando "cavità" e formando una saldatura a penetrazione profonda, caratterizzata da elevata velocità di saldatura e da un elevato rapporto tra profondità e larghezza.

Il principio della saldatura laser per conduzione termica è il seguente: la radiazione laser riscalda la superficie da lavorare e il calore si diffonde verso l’interno attraverso la conduzione termica. Controllando i parametri del laser, quali la larghezza, l’energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione dell’impulso laser, il pezzo fonde, formando una specifica pozzetta fusa.

Le macchine per saldatura laser utilizzate per la saldatura di ingranaggi e per la saldatura di lamiere sottili metallurgiche impiegano principalmente la saldatura laser a penetrazione profonda. Il principio della saldatura laser a penetrazione profonda verrà illustrato in dettaglio di seguito.

La saldatura laser a penetrazione profonda utilizza tipicamente un fascio laser continuo per unire i materiali. La sua fisica metallurgica è molto simile a quella della saldatura a fascio di elettroni, con il meccanismo di conversione dell'energia realizzato tramite una struttura a "cavità". Sotto irraggiamento laser con densità di potenza sufficientemente elevata, il materiale evapora e forma una cavità. Questa cavità riempita di vapore agisce come un corpo nero, assorbendo quasi tutta l'energia del fascio incidente. La temperatura di equilibrio all'interno della cavità raggiunge circa 2500 °C. Il calore viene trasferito dalla parete esterna di questa cavità ad alta temperatura (keyhole), fondendo il metallo circostante. La cavità è riempita da vapore ad alta temperatura generato dall’evaporazione continua del materiale della parete sotto l’irraggiamento del fascio. Le pareti della cavità circondano il metallo fuso, mentre il metallo liquido circonda il materiale solido (nella maggior parte dei processi convenzionali di saldatura e nella saldatura laser per conduzione, l’energia viene inizialmente depositata sulla superficie del pezzo in lavorazione e successivamente trasferita all’interno). Il flusso del liquido e la tensione superficiale al di fuori delle pareti della cavità mantengono un equilibrio dinamico con la pressione del vapore continuamente generato all’interno della cavità stessa. Mentre il fascio laser penetra continuamente nella cavità, il materiale esterno a essa continua a fluire. Man mano che il fascio laser si sposta, la cavità mantiene uno stato di flusso stabile. In altri termini, la cavità e il metallo fuso che la circonda avanzano alla stessa velocità del fascio guida. Il metallo fuso riempie gli spazi lasciati dalla cavità una volta che questa si è spostata e quindi solidifica, formando così il cordone di saldatura. Tutto ciò avviene così rapidamente che le velocità di saldatura possono facilmente raggiungere diversi metri al minuto.

2. Parametri chiave del processo di saldatura a penetrazione profonda con laser

Potenza del laser

La saldatura laser prevede una soglia di densità di energia laser. Al di sotto di questa soglia, la profondità di penetrazione è scarsa; una volta raggiunta o superata, la profondità di penetrazione aumenta in modo significativo. Il plasma si genera soltanto quando la densità di potenza del laser sul pezzo in lavorazione supera tale soglia (dipendente dal materiale), segnando l’inizio della saldatura a penetrazione profonda stabile. Se la potenza del laser è inferiore a tale soglia, sul pezzo in lavorazione avviene soltanto la fusione superficiale, ovvero la saldatura procede in modalità stabile di conduzione termica. Quando la densità di potenza del laser si trova nelle vicinanze della condizione critica per la formazione della cavità (keyhole), la saldatura a penetrazione profonda e quella per conduzione si alternano, determinando un processo di saldatura instabile con forti fluttuazioni della profondità di penetrazione. Nella saldatura laser a penetrazione profonda, la potenza del laser controlla contemporaneamente sia la profondità di penetrazione che la velocità di saldatura. La profondità di penetrazione del cordone di saldatura è direttamente correlata alla densità di potenza del fascio ed è funzione della potenza incidente del fascio e della dimensione della macchia focale del fascio. In generale, per un fascio laser di diametro fissato, la profondità di penetrazione aumenta all’aumentare della potenza del fascio.

Punto focale del fascio

La dimensione del punto focale del fascio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser, poiché determina la densità di potenza. Tuttavia, la sua misurazione per laser ad alta potenza è complessa, nonostante l’esistenza di numerose tecniche di misurazione indiretta.

La dimensione del punto focale limite diffrazione del fascio laser può essere calcolata sulla base della teoria ottica della diffrazione. Tuttavia, a causa delle aberrazioni della lente di messa a fuoco, la dimensione reale del punto focale è maggiore rispetto al valore calcolato. Il metodo di misurazione pratico più semplice è la profilometria isoterma, che prevede la carbonizzazione di un foglio di carta spesso e la perforazione di una lastra di polipropilene prima di misurare il punto focale e il diametro della perforazione. Questo metodo richiede una misurazione pratica per determinare con precisione la potenza laser e la durata del contatto del fascio.

Valore di assorbimento del materiale

L'assorbimento della luce laser da parte di un materiale dipende da diverse proprietà importanti, quali l'assorptività, la riflettività, la conducibilità termica, la temperatura di fusione e la temperatura di evaporazione, essendo l'assorptività la più importante.

I fattori che influenzano l'assorptività di un materiale rispetto a un fascio laser comprendono due aspetti: in primo luogo, la resistività del materiale. Le misurazioni dell'assorptività di superfici lucidate mostrano che l'assorptività è proporzionale alla radice quadrata della resistività, la quale a sua volta varia con la temperatura. In secondo luogo, lo stato della superficie (o la sua levigatezza) ha un impatto significativo sull'assorptività del fascio, influenzando quindi in modo rilevante l'effetto di saldatura.

La lunghezza d'onda di uscita di un laser CO2 è tipicamente 10,6 μ m. I materiali non metallici, come le ceramiche, il vetro, la gomma e le materie plastiche, presentano elevati tassi di assorbimento a temperatura ambiente, mentre i materiali metallici assorbono scarsamente a temperatura ambiente; l’assorbimento aumenta bruscamente solo una volta che il materiale fonde o addirittura vaporizza. Rivestimenti superficiali o film ossidici costituiscono metodi efficaci per migliorare l’assorbimento del fascio laser da parte del materiale.

Velocità di Saldatura

La velocità di saldatura influenza in modo significativo la profondità di penetrazione del cordone di saldatura. Un aumento della velocità comporta una minore penetrazione, mentre velocità eccessivamente basse provocano una fusione eccessiva e il fenomeno del burn-through (perforazione). Pertanto, per un determinato materiale, con una potenza laser e uno spessore fissati, esiste un intervallo di velocità di saldatura adeguato, all’interno del quale si ottiene la massima penetrazione. La figura 10-2 mostra la relazione tra velocità di saldatura e penetrazione per l’acciaio 1018.

Gas di Protezione

I gas inerti sono comunemente utilizzati per proteggere la pozza fusa durante la saldatura laser. Sebbene l'ossidazione superficiale possa non costituire un problema per alcuni materiali, elio, argon e azoto sono comunemente impiegati nella maggior parte delle applicazioni per prevenire l'ossidazione del pezzo in lavorazione durante la saldatura.

L'elio è scarsamente ionizzato (ma possiede un'elevata energia di ionizzazione), consentendo al fascio laser di attraversarlo agevolmente e di raggiungere la superficie del pezzo in lavorazione senza ostacoli. Si tratta del gas di protezione più efficace utilizzato nella saldatura laser, ma è relativamente costoso.

L'argon è meno costoso e presenta una densità maggiore, garantendo una buona protezione. Tuttavia, viene facilmente ionizzato dal plasma metallico ad alta temperatura, il che scherma parzialmente il fascio impedendogli di raggiungere il pezzo in lavorazione, riducendo così la potenza laser effettiva e compromettendo velocità di saldatura e penetrazione. Le saldature protette con argon presentano superfici più lisce rispetto a quelle protette con 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 può talvolta causare porosità nell'area del giunto.

Una seconda funzione dei gas di protezione è quella di proteggere la lente di messa a fuoco dalla contaminazione da vapore metallico e dagli schizzi di gocce fuse. Ciò è particolarmente importante nella saldatura laser ad alta potenza, dove il materiale espulso diventa molto intenso.

Una terza funzione dei gas di protezione è la loro efficacia nella dispersione del plasma generato dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il fascio laser e si ionizza formando una nube di plasma. Anche il gas protettivo che circonda il vapore metallico si ionizza a causa del riscaldamento. Se la quantità di plasma è eccessiva, il fascio laser viene in parte assorbito dal plasma stesso. Il plasma agisce come una fonte energetica secondaria sulla superficie di lavoro, provocando una minore penetrazione del cordone di saldatura e un’allargamento della pozza di saldatura. La velocità di ricombinazione degli elettroni aumenta incrementando le collisioni tra elettroni, ioni e atomi neutri, riducendo così la densità elettronica nel plasma. Più leggeri sono gli atomi neutri, maggiore è la frequenza delle collisioni e la velocità di ricombinazione; d’altra parte, solo un gas protettivo con elevata energia di ionizzazione può impedire l’aumento della densità elettronica dovuto alla ionizzazione dello stesso gas.

Le dimensioni della nube di plasma variano a seconda del gas di protezione utilizzato: l'elio produce la nube più piccola, seguito dall'azoto, mentre l'argon genera la nube più grande. Una nube di plasma più grande comporta una minore penetrazione del cordone di saldatura. Questa differenza è dovuta principalmente ai diversi gradi di ionizzazione delle molecole di gas e anche alle differenze nella diffusione dei vapori metallici causate dalle diverse densità dei gas di protezione.

L'elio presenta il livello più basso di ionizzazione e densità, consentendogli di spostare rapidamente i vapori metallici ascendenti dalla pozza di metallo fuso. Pertanto, l'utilizzo dell'elio come gas di protezione riduce al massimo la formazione di plasma, aumentando così la penetrazione del cordone di saldatura e la velocità di saldatura; il suo basso peso specifico ne facilita inoltre l'espulsione, riducendo la probabilità di porosità. Tuttavia, in base ai nostri effettivi risultati di saldatura, il gas di protezione a base di argon si è dimostrato molto efficace.

L'impatto della nube di plasma sulla penetrazione del saldatura è più pronunciato a basse velocità di saldatura. Il suo effetto diminuisce all'aumentare della velocità di saldatura.

Il gas di protezione viene espulso a una certa pressione attraverso un ugello e raggiunge la superficie del pezzo in lavorazione. La forma idrodinamica dell'ugello e il diametro dell'uscita sono fattori cruciali. Il gas di protezione deve essere sufficientemente ampio da coprire l'intera superficie di saldatura, ma le dimensioni dell'ugello devono essere limitate per proteggere efficacemente l'obiettivo e prevenire la contaminazione da vapore metallico o i danni causati dagli schizzi metallici. Anche la portata deve essere controllata; in caso contrario, il flusso laminare del gas di protezione diventerà turbolento, si verificherà un'entrata di aria atmosferica nella pozza fusa e, in definitiva, si formeranno porosità.

Per migliorare l'effetto di schermatura, può essere utilizzato un ulteriore metodo di soffiaggio laterale, in cui il gas di protezione viene iniettato direttamente nel foro di penetrazione della saldatura a profonda penetrazione attraverso una bocchetta di diametro ridotto, con un determinato angolo. Il gas di protezione non solo sopprime la nube di plasma sulla superficie del pezzo in lavorazione, ma influenza anche il plasma presente all'interno del foro di penetrazione e la formazione di quest'ultimo, aumentando ulteriormente la profondità di penetrazione e consentendo di ottenere una saldatura con un rapporto ideale tra profondità e larghezza. Tuttavia, questo metodo richiede un controllo preciso della portata e della direzione del gas; in caso contrario, si possono facilmente generare turbolenze, danneggiando la pozza fusa e rendendo instabile il processo di saldatura.

Lunghezza focale dell'obiettivo

Durante la saldatura, il laser è generalmente focalizzato, solitamente mediante lenti con lunghezze focali comprese tra 63 e 254 mm (2,5 ”~10”la dimensione del punto focale è direttamente proporzionale alla lunghezza focale: minore è la lunghezza focale, più piccolo è il punto. Tuttavia, la lunghezza focale influisce anche sulla profondità di messa a fuoco, ossia la profondità di messa a fuoco aumenta proporzionalmente alla lunghezza focale. Pertanto, una lunghezza focale più corta può aumentare la densità di potenza, ma, a causa della ridotta profondità di messa a fuoco, la distanza tra l’obiettivo e il pezzo in lavorazione deve essere mantenuta con precisione, e anche la profondità di penetrazione risulta limitata. A causa dell’influenza degli schizzi e della modalità laser generati durante la saldatura, la lunghezza focale effettivamente utilizzata nella saldatura è spesso di 126 mm (5 ”quando il giunto è ampio o quando è necessario aumentare le dimensioni del cordone saldato incrementando la dimensione del punto focale, si può selezionare un obiettivo con una lunghezza focale di 254 mm (10 ”in questo caso, per ottenere l’effetto chiave-hole (foro chiave) con penetrazione profonda, è richiesta una potenza di uscita laser superiore (maggiore densità di potenza).

Quando la potenza laser supera i 2 kW, in particolare per 10,6 μ i fasci laser CO2 a m, a causa dell'uso di materiali ottici speciali nel sistema ottico, richiedono spesso un sistema di messa a fuoco per riflessione per evitare danni ottici alla lente di messa a fuoco. Come riflettori vengono generalmente utilizzati specchi in rame lucidato. Grazie alle loro efficaci proprietà di raffreddamento, sono spesso raccomandati per la messa a fuoco di fasci laser ad alta potenza.

Posizione del fuoco

Durante la saldatura, la posizione del punto focale è cruciale per mantenere una densità di potenza sufficiente. Le variazioni nella posizione relativa del punto focale rispetto alla superficie del pezzo in lavorazione influenzano direttamente la larghezza e la profondità del cordone di saldatura. La figura 2-6 mostra l’effetto della posizione del punto focale sulla profondità di penetrazione e sulla larghezza del cordone di saldatura su acciaio 1018.

Nella maggior parte delle applicazioni di saldatura laser, il punto focale è generalmente posizionato circa un quarto al di sotto della superficie del pezzo in lavorazione per ottenere la profondità di penetrazione desiderata.

Posizione del fascio laser

Nella saldatura laser di materiali diversi, la posizione del fascio laser controlla la qualità finale del giunto saldato, in particolare nei giunti a testa a testa, dove risulta più sensibile rispetto ai giunti a sovrapposizione. Ad esempio, nella saldatura di una ruota dentata in acciaio temprato a un tamburo in acciaio a basso tenore di carbonio, un controllo accurato della posizione del fascio laser consente di ottenere un cordone saldato costituito prevalentemente da componenti a basso tenore di carbonio, il quale presenta una migliore resistenza alle crepe. In alcune applicazioni, la geometria del pezzo da saldare richiede che il fascio laser venga deviato con un determinato angolo. Quando l’angolo di deviazione tra l’asse del fascio e il piano del giunto è inferiore a 100 gradi, l’assorbimento dell’energia laser da parte del pezzo non risulta influenzato.

Controllo dell’aumento e della diminuzione della potenza laser nei punti iniziale e finale della saldatura

Durante la saldatura laser a penetrazione profonda, indipendentemente dalla profondità del cordone di saldatura, il fenomeno del foro (pinhole) è sempre presente. Quando il processo di saldatura termina e l’interruttore di alimentazione viene spento, si forma una depressione (pit) all’estremità del cordone di saldatura. Inoltre, quando il nuovo strato di saldatura laser ricopre il cordone di saldatura originale, può verificarsi un’eccessiva assorbimento del fascio laser, causando surriscaldamento o porosità nel pezzo saldato.

Per prevenire tali fenomeni, i punti di accensione e spegnimento della potenza possono essere programmati in modo da rendere regolabili i tempi di inizio e fine dell’erogazione della potenza. Ciò significa che la potenza iniziale viene aumentata elettronicamente da zero al valore impostato in un breve lasso di tempo e che il tempo di saldatura viene adeguatamente regolato. Infine, al termine della saldatura, la potenza viene progressivamente ridotta dal valore impostato fino a zero.

3. Caratteristiche, vantaggi e svantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda

Caratteristiche della saldatura laser a penetrazione profonda

1) Rapporto d'aspetto elevato. 1) **Saldatura profonda e stretta:** Poiché il metallo fuso si forma intorno alla cavità cilindrica di vapore ad alta temperatura ed estende verso il pezzo in lavorazione, la saldatura risulta profonda e stretta.

2) **Minimo apporto di calore:** A causa della temperatura estremamente elevata all’interno dell’apertura, il processo di fusione avviene molto rapidamente, determinando un apporto di calore molto basso al pezzo in lavorazione e riducendo al minimo la deformazione termica e la zona termicamente influenzata.

3) **Elevata densità:** L’apertura riempita di vapore ad alta temperatura favorisce l’agitazione del bagno di fusione e l’espulsione dei gas, producendo una saldatura priva di porosità e completamente penetrata. L’elevata velocità di raffreddamento successiva alla saldatura perfeziona ulteriormente la microstruttura del cordone di saldatura.

4) **Saldatura robusta:** La sorgente di calore intensa e l’assorbimento completo dei componenti non metallici riducono il contenuto di impurità e modificano le dimensioni e la distribuzione delle inclusioni nella pozzetta di saldatura. Il processo di saldatura non richiede elettrodi né filo d’apporto, determinando una minore contaminazione nella zona fusa, con conseguente resistenza e tenacità del giunto saldato almeno pari o addirittura superiore a quelle del metallo base.

5) **Controllo preciso:** Poiché il punto focale è molto piccolo, la saldatura può essere posizionata con precisione. L’emissione laser non presenta "inerzia", consentendo arresti e riavvii rapidi ad alta velocità. La tecnologia CNC per il movimento del fascio permette la saldatura di pezzi complessi. 6) Processo di saldatura atmosferico senza contatto. Poiché l’energia proviene da un fascio di fotoni, non vi è alcun contatto fisico con il pezzo in lavorazione, pertanto nessuna forza esterna viene applicata sul pezzo. Inoltre, né il campo magnetico né l’aria influenzano il laser.

Vantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda

1) Grazie alla densità di potenza molto più elevata dei laser focalizzati rispetto ai metodi convenzionali, la velocità di saldatura è elevata, la zona termicamente influenzata e la deformazione sono ridotte, ed è possibile saldare materiali di difficile saldatura, come il titanio.

2) Poiché il fascio è facile da trasmettere e controllare, non è necessario sostituire frequentemente le torce e le ugelli di saldatura, né effettuare il vuoto richiesto dalla saldatura a fascio di elettroni; di conseguenza, i tempi di fermo sono notevolmente ridotti, con un alto fattore di carico e una maggiore efficienza produttiva.

3) Grazie all’effetto di purificazione e all’elevata velocità di raffreddamento, la saldatura presenta elevata resistenza, tenacità e prestazioni complessive.

4) Grazie al basso apporto termico medio, l’accuratezza di lavorazione è elevata, con una riduzione dei costi di ritrattamento; inoltre, anche i costi operativi della saldatura laser sono inferiori, contribuendo così a ridurre i costi di lavorazione del pezzo.

5) L’intensità del fascio e il posizionamento preciso possono essere controllati efficacemente, rendendo agevole l’automazione dell’operazione.

Svantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda

1) Profondità di saldatura limitata.

2) Elevati requisiti per il montaggio del pezzo in lavorazione.

3) Elevato investimento iniziale nei sistemi laser.