Saldatura laser a spessore con tecnologia di sagomatura dinamica del fascio

Questa illustrazione concettuale mostra una saldatura laser a raggio dinamico di una piastra di 70 mm di spessore in un unico passaggio.

Al FABTECH 2022 di Atlanta, i partecipanti potevano sedersi a una postazione di lavoro nello stand di Civan Lasers, fare clic su alcuni punti su uno schermo e personalizzare il profilo energetico del raggio di saldatura laser e la profondità di messa a fuoco, resi possibili da ciò che Civan chiama laser a raggio dinamico, o DBL, tecnologia.

DBL ha portato ad alcuni risultati che hanno fatto alzare le sopracciglia, il più recente annunciato il 9 febbraio, quando la società ha dichiarato di aver completato una saldatura a passaggio singolo profonda 70 mm, eseguita a pressione atmosferica, senza bisogno di vuoto.

L'azienda israeliana non manipola meccanicamente il suo laser, basandosi su specchi galvonici che fanno oscillare il punto del raggio. Invece, la manipolazione avviene all'interno del laser stesso.

"Abbiamo più di 30 fibre e l'obiettivo è controllare il modello di diffrazione. Con questo, puoi progettare qualsiasi distribuzione di potenza che desideri sul pezzo."

Così ha parlato Ami Spira, responsabile marketing di Civan, descrivendo le basi dietro la tecnologia CBC (coherent beam combined) e OPA (Optical Phased Array) dell'azienda, i due elementi costitutivi del DBL. "Ciò consente all'utente di realizzare molte applicazioni che prima non erano possibili con un laser."

Allo stand, i partecipanti potevano fare clic su uno schema a griglia per definire un profilo di trave in stile a forma libera. "Questa è la forma, ma possiamo anche controllare la densità", ha spiegato Spira. "Ad esempio, diciamo che voglio creare più energia in quest'area." Indicò un'area leggermente decentrata all'interno del profilo del raggio. "Posso semplicemente aggiungere un clic qui e ora ho molta più energia in quell'area."

Un altro parametro di controllo riguarda il modello di diffrazione. "Ha a che fare con il modo in cui generiamo il laser", ha detto. "La nostra testa ottica ha più raggi che emettono luce e si sovrappongono per generare quel modello di diffrazione. E controllando le fasi di ciascun laser, possiamo [cambiare le caratteristiche del raggio] nelle direzioni X, Y e Z."

L'asse Z è particolarmente critico perché fornisce nuovi livelli di controllo alla profondità di campo del raggio. "Ad esempio, utilizzando una lunghezza focale di 1,5 m, potremmo avere una profondità di messa a fuoco di quasi 30 mm. E se avessimo 3 m [lunghezza focale], la profondità di messa a fuoco sarebbe più del doppio."

Tale profondità di messa a fuoco, combinata con altri perfezionamenti dei parametri del fascio, hanno spinto Civan verso nuove applicazioni. Uno dei più recenti prevede la saldatura a passata singola di materiale estremamente spesso in una configurazione a giunto di testa. A rendere tutto ciò possibile contribuisce la partnership tra Civan e AMET, un'azienda di Rexburg, Idaho, specializzata in sistemi di saldatura automatizzati, compresi quelli che coinvolgono giunti saldati di grande spessore.

"[Civan] stava cercando un partner negli Stati Uniti per fornire sistemi integrati", ha affermato Don Schwemmer, presidente di AMET, durante un'intervista a FABTECH. "Volevamo lavorare con un fornitore [e] sviluppatore di laser. E il lato del controllo è davvero il nostro punto di forza. Con la possibilità di manipolare la forma del raggio e le lunghezze focali sul laser, possiamo aggiungerlo al nostro pacchetto [di controllo] . Ora abbiamo un'enorme cassetta degli attrezzi con cui lavorare, invece di solo un paio di chiavi inglesi. È davvero una buona soluzione."

Il laser a raggio dinamico utilizza la combinazione di raggi coerenti e la tecnologia di array di fasi ottiche (mostrata qui) per creare un raggio su misura per l'applicazione.

Al FABTECH, Civan ha esposto campioni di lavoro che hanno dimostrato la capacità del DBL di produrre saldature forti in materiali sensibili alle crepe, pori e spruzzi ridotti grazie alle forme del fascio che stabilizzano il buco della serratura e la capacità di controllare le proprietà di materiali dissimili.

Secondo un white paper di Civan, la tecnologia DBL altera le caratteristiche del raggio in quattro modi. Il primo è attraverso la modellazione del fascio, in cui gli utenti progettano una forma specifica per soddisfare un'applicazione specifica. Ciò offre agli ingegneri la possibilità di testare "forme multiple per ottimizzare la forma migliore per la saldatura specifica. Ad esempio, quando si saldano metalli diversi, DBL consentirebbe l'uso di due punti laser che si muovono contemporaneamente (immagina il movimento di una cucina miscelatore) per fornire la saldatura omogenea."