Considerazioni essenziali per la saldatura laser

La saldatura laser coinvolge numerose variabili di processo. Ma il pensiero creativo offre anche opportunità significative.

In ogni settore, i prodotti vengono progettati, riprogettati o rivalutati per materiali o funzionalità migliori. I prodotti finali sono costituiti da molti componenti e questi componenti devono essere uniti in qualche modo. Uno di questi metodi di giunzione è la saldatura laser.

La saldatura laser utilizza un raggio di luce ad alta intensità per creare un bagno di saldatura fuso per fondere insieme i materiali. È un processo senza contatto, ha un basso apporto di calore rispetto ad altri processi di fusione, offre velocità di lavorazione elevate e produce zone di fusione profonda in un unico passaggio.

Naturalmente, per sfruttare appieno tutti questi vantaggi e garantire un processo ripetibile e di alta qualità, i produttori devono considerare come la saldatura laser si confronta con altri processi di saldatura per fusione. Anche la progettazione dei giunti e degli elementi di fissaggio gioca un ruolo. Come per qualsiasi tecnologia di fabbricazione dei metalli, l’implementazione intelligente inizia con una buona comprensione dei fondamenti del processo.

La saldatura laser utilizza un raggio di luce focalizzato su un piccolo punto del pezzo in lavorazione. Generata da una qualche forma di mezzo, la luce esce dalla sorgente laser e inizia a divergere. Viene quindi collimato in modo che il raggio sia parallelo e non cresca. La distanza dall'uscita alla superficie di collimazione è chiamata lunghezza di collimazione. Il raggio rimane collimato finché non colpisce una superficie focale. Quindi il raggio si restringe a forma di clessidra finché non viene messo a fuoco nel suo punto più piccolo. La distanza dalla superficie focale al punto più piccolo è chiamata lunghezza focale. La dimensione del punto focale è determinata dalla seguente equazione: diametro della fibra × lunghezza focale/lunghezza di collimazione = diametro del fuoco

La distanza in cui si trova il diametro di messa a fuoco entro l'86% dell'area focale è chiamata profondità di messa a fuoco. Se la posizione del focus si sposta al di fuori di quest'area, aspettatevi che i risultati del processo cambino. Maggiore è il rapporto tra la lunghezza focale e la lunghezza di collimazione, maggiore diventa la profondità di fuoco per una data fibra.

Le fibre più grandi hanno una profondità di messa a fuoco maggiore rispetto ai diametri delle fibre più piccoli. I rapporti e le fibre più grandi hanno una dimensione dello spot maggiore che provoca una diminuzione della densità di potenza e, quindi, una diminuzione della penetrazione.

Esistono due forme di saldatura laser: saldatura a conduzione di calore e saldatura a buco della serratura. Nella saldatura a conduzione di calore, il raggio laser fonde le parti accoppiate lungo un giunto comune e i materiali fusi scorrono insieme e si solidificano per formare la saldatura. Utilizzata per unire parti a parete sottile, la saldatura a conduzione termica utilizza laser a stato solido pulsati o a onda continua.

Nella saldatura a conduzione di calore, l'energia viene accoppiata al pezzo esclusivamente attraverso la conduzione del calore. Per questo motivo la profondità della saldatura varia da pochi decimi di millimetro a 1 mm. La conduttività termica del materiale limita la profondità massima della saldatura e la larghezza della saldatura è sempre maggiore della sua profondità. La saldatura laser a conduzione termica viene utilizzata per le saldature angolari sulle superfici visibili degli alloggiamenti dei dispositivi e per altre applicazioni nell'elettronica.

Saldatura a buco della serratura (vediFigura 1 ) richiede densità di potenza estremamente elevate di circa 1 megawatt per centimetro quadrato. Viene utilizzato in applicazioni che richiedono saldature profonde o dove è necessario saldare più strati di materiale contemporaneamente.

In questo processo il raggio laser non solo scioglie il metallo ma produce anche vapore. Il vapore che si dissipa esercita una pressione sul metallo fuso e lo sposta parzialmente. Il materiale, nel frattempo, continua a sciogliersi. Il risultato è un buco profondo, stretto, pieno di vapore, o buco della serratura, circondato da metallo fuso.

FIGURA 1La saldatura keyhole richiede densità di potenza estremamente elevate e viene utilizzata in applicazioni che richiedono saldature profonde.

Man mano che il raggio laser avanza lungo il giunto di saldatura, la serratura si muove con esso attraverso il pezzo da saldare. Il metallo fuso scorre attorno al buco della serratura e si solidifica al suo passaggio. Ciò produce una saldatura profonda e stretta con una struttura interna uniforme. La profondità della saldatura può superare 10 volte la larghezza della saldatura. Il materiale fuso assorbe quasi completamente il raggio laser e l'efficienza del processo di saldatura aumenta. Anche il vapore nel buco della serratura assorbe la luce laser ed è parzialmente ionizzato. Ciò provoca la formazione di plasma, che immette energia anche nel pezzo in lavorazione. Di conseguenza, la saldatura a penetrazione profonda si distingue per la grande efficienza e le elevate velocità di saldatura. Grazie all'alta velocità, la zona termicamente alterata (HAZ) è piccola e la distorsione è minima.