Modellazione a impulsi laser per unire materiali diversi

La saldatura laser di materiali diversi è un processo dinamico ed è arrivato il suo momento.

Laddove tale saldatura è richiesta (nei settori dell'elettronica, dei dispositivi medici, dei beni di consumo, del settore automobilistico e aerospaziale), la saldatura laser a fibra si distingue come processo superiore. Riduce i costi di produzione offrendo flessibilità di progettazione.

In teoria, un laser può saldare qualsiasi materiale che possa essere unito mediante processi convenzionali. Tuttavia, a causa delle differenze nelle proprietà fisiche e chimiche, come punti di fusione e di ebollizione, conduttività termica, densità e coefficiente di espansione, possono verificarsi problemi durante la saldatura di materiali diversi, rendendo inaccettabile la giunzione risultante.

Nella Tabella 1 è illustrata la saldabilità delle coppie di metalli. Quando si saldano metalli diversi, una buona solubilità solida è essenziale per ottenere buone proprietà di saldatura. Ciò si ottiene solo con metalli aventi intervalli di temperatura di fusione compatibili. Se la temperatura di fusione di un materiale è vicina alla temperatura di vaporizzazione dell'altro, si verifica una scarsa saldabilità e spesso significa la formazione di strutture intermetalliche fragili.

In passato, i progetti di saldatura più dissimili venivano eseguiti con laser Nd:YAG a lampada pulsata. I laser pompati con lampada sono in grado di produrre impulsi lunghi, multimillisecondi con potenze di picco molte volte superiori alla potenza media nominale del laser, a condizione che il ciclo di lavoro sia sufficientemente basso. I laser Nd:YAG pulsati e pompati a lampada ad alta potenza di picco, abbinati alla capacità di modellazione degli impulsi, rendono questi laser ideali per la saldatura di materiali diversi. Una profondità di saldatura troppo profonda, che può portare a giunti difettosi e anche a profondità di saldatura insufficienti, può essere evitata regolando la potenza iniziale e la potenza finale corretta in base alla geometria del giunto e alle proprietà del materiale (Figura 1)

Presso Prima Power Laserdyne, gli esperti di saldatura hanno sviluppato una gamma di forme di impulso per migliorare la qualità della saldatura riducendo le fessurazioni e la porosità. Il loro obiettivo è stato quello di fornire soluzioni di saldatura di materiali dissimili in applicazioni di prodotto soggette a difetti di saldatura come crepe, porosità o una combinazione di entrambi. I settori più colpiti sono quello automobilistico, medico, elettronico e aerospaziale. Una varietà di forme di impulsi sono state generate utilizzando il nuovo sistema LASERDYNE 811 con un controller S94P, che include un complemento di funzionalità hardware e software progettate per la modellazione degli impulsi. Questi progetti sono stati realizzati con laser a fibra sia a onda continua (CW) che a onda quasi continua (QCW).

Di seguito sono riportati due esempi in cui è stata utilizzata la modellazione dell'impulso per migliorare la qualità della saldatura durante la saldatura laser di materiali diversi.

La ghisa grigia è ampiamente utilizzata nell'industria automobilistica. Una limitazione importante è la saldabilità di un materiale dissimile sulla ghisa a causa della fessurazione a caldo e della formazione di porosità come risultato della mancanza di duttilità derivante dalla grafite e dal processo di fusione. Nel primo esempio, una parte di un componente automobilistico richiedeva l'unione dell'acciaio inossidabile 304 alla ghisa grigia in una configurazione di saldatura a sovrapposizione parziale. Nel processo precedente, la parte veniva saldata con saldatura a fascio di elettroni (EBW) per ridurre la formazione di porosità eccessiva ed eliminare le fessurazioni dell'interfaccia. L'utente finale desiderava sostituire l'EBW con la saldatura a raggio laser (LBW) per ridurre il costo per saldatura e la preparazione della saldatura. La differenza più grande è che l'EBW viene eseguito sotto vuoto, mentre la saldatura laser viene eseguita in un ambiente a pressione d'aria ambiente e il pericolo dei raggi X viene eliminato dal processo. È stato svolto un lavoro di sviluppo per progettare parametri laser in grado di produrre saldature di qualità uguale o migliore rispetto all'EBW, ovvero senza porosità o fessurazioni dell'interfaccia. Il lavoro di sviluppo dei parametri laser, inclusa la forma dell'impulso, è stato eseguito con il laser a fibra CW.

Gli esami microscopici del metallo saldato effettuati con un'uscita laser CW standard hanno mostrato una grave porosità nella porzione in ghisa della saldatura (Figura 2). Non c'erano segni di microfessurazioni nell'interfaccia articolare. La saldatura effettuata con il controller LASERDYNE S94P e la modellazione degli impulsi ha prodotto saldature prive di porosità (Figura 3).