L'evoluzione della tecnologia di saldatura laser

La tecnologia di saldatura laser è progredita fino a diventare il processo preferito dai fabbricanti e dai produttori di metalli grazie alla sua sbalorditiva varietà di applicazioni.

Nota dell'editore: quanto segue si basa su "Introduzione alla saldatura laser industriale", presentata da Tom Kugler, responsabile dei sistemi in fibra, Laser Mechanisms Inc., al FABTECH, 13-16 settembre 2021, Chicago.

La saldatura laser ha permeato la produzione di metalli di precisione e di fascia alta. La tecnologia ricopre un ruolo vitale nella produzione automobilistica, di dispositivi medici e in componenti per il settore aerospaziale e l'elettronica di precisione. Ora è presente in più posti che mai, dal più grande OEM all'officina di lavorazione della lamiera di precisione.

Man mano che la saldatura laser si è evoluta, è diventata straordinariamente flessibile. L’enorme varietà di saldature che i laser possono eseguire è davvero sbalorditiva. Comprendere come i laser realizzano tutto ciò inizia con la conoscenza dei fondamenti: come un raggio di luce fonde insieme due metalli.

I metalli, in generale, riflettono molto la luce. Un laser concentra e focalizza quella luce per superare la riflettività. Quando viene assorbita abbastanza energia dal raggio, il metallo inizia a liquefarsi.

Tutto questo inizia quando l’ottica – uno specchio curvo o una lente a superficie curva – focalizza la luce fino a una dimensione del punto che può variare da decine a poche centinaia di micron di diametro. Tale focalizzazione crea una densità di potenza estrema.

Quale ottica trasparente utilizzare dipende dal laser e dalla sua lunghezza d'onda. I laser a CO2 emettono una lunghezza d'onda di 10,6 micron. Il vetro standard non è trasparente, motivo per cui tali laser utilizzano materiali per lenti alternativi come il seleniuro di zinco (ZnSe). I laser da un micron, inclusi fibra, disco e YAG, utilizzano silice o vetro fuso.

Le lenti ZnSe che focalizzano il raggio da 10,6 micron di un laser CO2 hanno un'eccellente conduttività termica, il che rende l'ottica un po' più tollerante ai detriti. Sfortunatamente, non esiste un materiale conveniente che presenti una conduttività termica simile a quella del laser da 1 micron, il che significa che l'ambiente di messa a fuoco deve rimanere pulito e avere vetro di buona qualità o ottiche in silice fusa.

Le applicazioni di saldatura che richiedono potenze laser elevate potrebbero creare alcuni detriti inevitabili. In questi casi, per focalizzare il fascio vengono utilizzati degli specchi al posto delle ottiche trasparenti. Gli specchi focalizzatori sono comuni nelle applicazioni di saldatura laser a CO2 che utilizzano 5 kW o più di potenza laser. I laser da un micron, inclusi fibra e disco, utilizzano anche specchi per potenze laser più elevate. Una configurazione comune prevede che un raggio (orizzontale alla superficie di lavoro) colpisca uno specchio parabolico che riflette il raggio verso il basso.

L'ottica laser focalizza il diametro del raggio grezzo per creare una profondità di messa a fuoco, dove il raggio ha un'intensità sufficiente per lavorare il materiale. Il punto più stretto sulla vita del raggio è la dimensione dello spot. La lunghezza focale è la distanza tra l'obiettivo e il punto focale (vedi Figura 1).

Tutte queste variabili sono correlate. Minore è la lunghezza focale, minore è la dimensione dello spot e minore è la profondità di fuoco. E ciascuno di questi parametri può essere regolato per ottimizzare un processo di saldatura. Ad esempio, estendendo la lunghezza focale è possibile modificare la posizione di messa a fuoco e aumentare la profondità di messa a fuoco, con conseguente aumento della penetrazione della saldatura.

FIGURA 1. Variabili come il diametro del raggio, la profondità di fuoco, la dimensione dello spot e la lunghezza focale sono tutte correlate.

Un altro fattore è la qualità del raggio, ovvero la focalizzabilità innata del raggio laser. Questo non può essere regolato, varia in base al tipo e al design del laser, ma il parametro influisce sul modo in cui si compone il processo complessivo. I laser con la massima qualità del raggio sono chiamati laser monomodali, che hanno un raggio puramente gaussiano o TEM00 con un profilo di densità di potenza altamente intenso al centro e meno intenso vicino ai bordi. La qualità degli abbaglianti aiuta a raggiungere una maggiore profondità di messa a fuoco, che a sua volta apre una serie di possibilità di elaborazione.

Tutti i tipi di laser comuni dispongono di versioni monomodali con qualità del raggio abbagliante, ma l'impatto di tale qualità del raggio abbagliante dipende dalla lunghezza d'onda del laser. Un laser CO2 monomodale a 10,6 micron avrà una dimensione dello spot 10 volte più grande di un laser a fibra con una lunghezza d'onda di 1 micron. In generale, una lunghezza d’onda più corta significa anche una dimensione del punto focale più piccola.