Una guida alle basi della saldatura laser

Nozioni di base sulla saldatura laser

La saldatura laser è un processo senza contatto che richiede l'accesso alla zona di saldatura da un lato delle parti da saldare.

• La saldatura si forma quando la luce laser intensa riscalda rapidamente il materiale, in genere in millisecondi.

• Esistono in genere 3 tipi di saldature:

– Modalità di conduzione.

– Modalità conduzione/penetrazione.

– Modalità penetrazione o buco della serratura.

• La saldatura in modalità di conduzione viene eseguita a bassa densità di energia formando un nucleo di saldatura poco profondo e largo.

• La modalità conduzione/penetrazione si verifica a densità energetica media e mostra una penetrazione maggiore rispetto alla modalità conduzione.

• La saldatura in modalità penetrazione o a foro di serratura è caratterizzata da saldature profonde e strette.

– In questa modalità la luce laser forma un filamento di materiale vaporizzato noto come “buco della serratura” che si estende nel materiale e fornisce un condotto affinché la luce laser venga distribuita in modo efficiente nel materiale.

– Questa distribuzione diretta di energia nel materiale non si basa sulla conduzione per ottenere la penetrazione, riducendo così al minimo il calore nel materiale e riducendo la zona termicamente alterata.

Saldatura a conduzione

• La giunzione per conduzione descrive una famiglia di processi in cui il raggio laser è focalizzato:

– Per dare una densità di potenza dell’ordine di 10³ Wmm⁻²

– Fonde il materiale per creare un giunto senza vaporizzazione significativa.

• La saldatura a conduzione ha 2 modalità:

– Riscaldamento diretto

– Trasmissione di energia.

Calore diretto

• Durante il riscaldamento diretto,

– il flusso di calore è regolato dalla conduzione termica classica da una sorgente di calore superficiale e la saldatura è realizzata fondendo parti del materiale di base.

• Le prime saldature a conduzione furono realizzate nei primi anni '1, utilizzando rubino pulsato a bassa potenza e CO2 laser per connettori di cavi.

• Le saldature conduttive possono essere realizzate in un'ampia gamma di metalli e leghe sotto forma di fili e lamiere sottili in varie configurazioni utilizzando.

- CO2 , Laser Nd:YAG e a diodi con livelli di potenza nell'ordine delle decine di watt.

– Riscaldamento diretto tramite un CO2 Il raggio laser può essere utilizzato anche per saldature a sovrapposizione e di testa su fogli di polimeri.

Saldatura di trasmissione

• La saldatura a trasmissione è un mezzo efficiente per unire polimeri che trasmettono la radiazione infrarossa vicina dei laser Nd:YAG e a diodi.

• L'energia viene assorbita attraverso nuovi metodi di assorbimento interfacciale.

• I compositi possono essere uniti a condizione che le proprietà termiche della matrice e del rinforzo siano simili.

• La modalità di trasmissione dell'energia della saldatura a conduzione viene utilizzata con materiali che trasmettono radiazioni infrarosse vicine, in particolare i polimeri.

• Un inchiostro assorbente viene posizionato all'interfaccia di un giunto sovrapposto. L'inchiostro assorbe l'energia del raggio laser, che viene condotta in uno spessore limitato di materiale circostante per formare una pellicola interfacciale fusa che si solidifica come giunto saldato.

• I giunti a sovrapposizione di sezioni spesse possono essere realizzati senza fondere le superfici esterne del giunto.

• Le saldature di testa possono essere realizzate dirigendo l'energia verso la linea di giunzione ad angolo attraverso il materiale su un lato della giunzione, o da un'estremità se il materiale è altamente trasmissivo.

Saldatura e brasatura laser

• Nei processi di saldatura e brasatura laser, il raggio viene utilizzato per fondere un'aggiunta di riempitivo, che bagna i bordi del giunto senza fondere il materiale di base.

• La saldatura laser ha iniziato a guadagnare popolarità nei primi anni '1980 per unire i cavi dei componenti elettronici attraverso i fori nei circuiti stampati. I parametri del processo sono determinati dalle proprietà del materiale.

Saldatura laser a penetrazione

• Ad alte densità di potenza tutti i materiali evaporeranno se l'energia può essere assorbita. Quindi, quando si salda in questo modo, di solito si forma un foro per evaporazione.

• Questo "foro" viene poi attraversato attraverso il materiale, con le pareti fuse che si sigillano dietro di esso.

• Il risultato è quello che è noto come "saldatura a buco di serratura". Questa è caratterizzata dalla sua zona di fusione a lati paralleli e dalla larghezza ridotta.

Efficienza della saldatura laser

• Un termine per definire questo concetto di efficienza è noto come "efficienza di giunzione".

• L'efficienza di giunzione non è una vera efficienza in quanto ha unità di (mm2 uniti/kJ forniti).

– Efficienza=Vt/P (il reciproco dell’energia specifica nel taglio) dove V = velocità di taglio, mm/s; t = spessore saldato, mm; P = potenza incidente, KW.

Unire l'efficienza

• Quanto più alto è il valore dell'efficienza di giunzione, tanto minore è l'energia spesa in riscaldamento non necessario.

– Zona termicamente alterata inferiore (ZTA).

– Minore distorsione.

• La saldatura a resistenza è la più efficiente in questo senso perché l'energia di fusione e della ZTA viene generata solo nell'interfaccia ad alta resistenza da saldare.

• Anche il laser e il fascio di elettroni hanno una buona efficienza e un'elevata densità di potenza.

Variazioni di processo

• Saldatura laser ad arco aumentato.

– L’arco proveniente da una torcia TIG montata vicino al punto di interazione del raggio laser si bloccherà automaticamente sul punto caldo generato dal laser.

– La temperatura richiesta per questo fenomeno è di circa 300°C superiore alla temperatura circostante.

– L’effetto è quello di stabilizzare un arco che è instabile a causa della sua velocità di attraversamento o di ridurre la resistenza di un arco che è stabile.

– Il bloccaggio avviene solo per archi con bassa corrente e quindi getto catodico lento; cioè per correnti inferiori a 80A.

– L’arco si trova sullo stesso lato del pezzo in lavorazione del laser, il che consente di raddoppiare la velocità di saldatura con un modesto aumento dei costi di capitale.

• Saldatura laser a doppio raggio

– Utilizzando contemporaneamente 2 raggi laser è possibile controllare la geometria del bagno di saldatura e la forma del cordone di saldatura.

– Utilizzando 2 fasci di elettroni, il foro della serratura potrebbe essere stabilizzato, causando meno onde sul bagno di saldatura e garantendo una migliore penetrazione e forma del cordone.

– Un eccimero e CO2 La combinazione del raggio laser ha mostrato che è possibile ottenere un accoppiamento migliorato per la saldatura di materiali ad alta riflettività, come alluminio o rame.

– L’accoppiamento migliorato è stato considerato principalmente a causa di:

• alterando la riflettività mediante l'increspatura della superficie causata dall'eccimero.

• un effetto secondario derivante dall'accoppiamento attraverso il plasma generato dagli eccimeri.