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Cos'è la saldatura laser?

Cos'è la saldatura laser

Cos'è la saldatura laser?

La saldatura laser è un processo che utilizza un raggio laser ad alta precisione per unire insieme metalli o materiali termoplastici per formare una saldatura. In quanto fonte di calore così concentrata, la saldatura laser può saldare materiali sottili a velocità di saldatura elevate. Nei materiali più spessi, tuttavia, è possibile produrre saldature strette e profonde tra parti squadrate.
Sommario
Saldatrice laser

Cos'è la saldatura laser?

Laser welding or laser beam welding (LBW) is a process that uses a concentrated heat source in the form of a laser to melt materials that fuse as they cool. Laser welding is a versatile process because it can weld thin materials quickly while forming narrow and deep welds on thicker materials.
La saldatura laser utilizza un raggio laser ad alta precisione per fondere metalli e materiali termoplastici, quindi l'accuratezza e la precisione del processo si traducono in una bassa distorsione termica, rendendola ideale per la saldatura di materiali sensibili. Questo processo è solitamente automatizzato, consentendo velocità di saldatura elevate.
Mentre le saldatrici laser costano di più rispetto ai tradizionali processi di saldatura, i costi operativi sono inferiori perché la saldatura laser non richiede necessariamente materiale di riempimento aggiuntivo e post-elaborazione. Inoltre, velocità di saldatura più elevate consentono di produrre più parti all'ora. La tecnologia di saldatura laser è significativamente diversa dai tradizionali processi di saldatura ad arco come TIG, MIG e SMAW. Le moderne applicazioni di saldatura utilizzano robot programmabili con ottica avanzata per individuare un'area nel pezzo.
Saldatrice laser

Tipi di saldatura laser

La saldatura laser opera in due diverse modalità: saldatura a conduzione termica e saldatura a foro profondo. Tutti hanno principi operativi unici adatti ad applicazioni specifiche e la modalità in cui il raggio laser interagisce con il materiale che sta saldando dipenderà dalla densità di potenza con cui il raggio colpisce il pezzo.

Saldatura a conduzione termica

In questo metodo, viene utilizzato un raggio laser focalizzato per fondere la superficie del substrato. Questo processo viene generalmente eseguito con un laser a bassa potenza inferiore a 500 W e viene utilizzato principalmente per produrre saldature che non richiedono un'elevata forza di saldatura. Quando il giunto si raffredda e si solidifica, produce una saldatura precisa e uniforme. Le saldature create utilizzando metodi di trasferimento termico generalmente non richiedono alcuna finitura aggiuntiva e sono pronte per l'uso.
Nei metodi di saldatura a conduzione termica, l'energia entra nella zona di saldatura solo per conduzione termica, che limita la profondità della saldatura, quindi il processo è ideale per unire materiali sottili. Questo tipo di saldatura viene spesso utilizzato per saldature visibili dove si desidera l'estetica.
Esistono due sottocategorie di saldatura a conduzione termica:
  • Riscaldamento diretto: la capacità di applicare un raggio laser direttamente su una superficie metallica.
  • Trasferimento di energia: l'inchiostro assorbente viene applicato alla cucitura per assorbire l'energia applicata dal raggio laser.

Saldatura a fori profondi

L'esecuzione del processo in modalità di saldatura a foro profondo produce saldature strette e profonde con una struttura uniforme. Durante questo processo, il raggio laser riscalda il metallo in modo tale che evapori dalla superficie di contatto e penetri in profondità nel metallo. Questo non solo scioglie il metallo, ma lo vaporizza, creando una cavità stretta e piena di vapore chiamata cavità del buco della serratura o capillare di vapore. Quando il raggio laser passa attraverso il pezzo, si riempie di metallo fuso. La saldatura a buco della serratura è un processo ad alta velocità, pertanto la deformazione e la formazione della zona interessata dal calore sono ridotte al minimo.
Saldatrice laser

Processo di saldatura laser

La saldatura laser funziona utilizzando un laser ad alta densità di potenza per applicare calore alla giunzione tra due superfici metalliche. Il materiale si scioglierà alle giunture e consentirà la fusione tra i metalli mentre si solidifica.
La saldatura laser viene tipicamente eseguita da robot di saldatura in grado di applicare grandi quantità di energia ad alta velocità e con precisione, guidati da fibre ottiche flessibili. Ciò si traduce nella fusione di una quantità sufficiente di metallo nel giunto per produrre una saldatura stretta con una distorsione minima. Le saldatrici laser portatili sono un'ottima alternativa alle ingombranti macchine industriali, ma la sicurezza delle saldatrici laser può essere messa in discussione e richiedere l'uso di dispositivi di protezione specializzati.
Il processo di saldatura può essere effettuato in condizioni atmosferiche, ma per materiali più reattivi si consiglia una protezione con gas inerte per eliminare il rischio di contaminazione. Simile alla saldatura a fascio di elettroni, la saldatura laser può essere eseguita sotto vuoto, ma non è stata considerata economicamente sostenibile. Pertanto, i saldatori laser sono dotati di ugelli a gas che forniscono gas inerte all'area di saldatura.
Many laser welding applications do not require additional filler material. However, some challenging materials and applications require filler materials to produce satisfactory welds. Adding filler material improves the weld profile, reduces solidification cracking, imparts better mechanical properties to the weld, and allows for a more precise joint fit. The filler material can be in powder form or filler wire. However, since the powder is generally more expensive for most materials, it is more common to use wire stock. The four most common types of joints used with laser welding are butt welds, edge flange welds, filler lap welds, and lap welds.
La saldatura laser può essere eseguita su una varietà di materiali metallici, tra cui acciaio dolce, acciaio inossidabile, alluminio, titanio e altro ancora. La saldatura laser di acciaio ad alto tenore di carbonio è generalmente sconsigliata a causa della rapida velocità di raffreddamento e della tendenza alla rottura.
Saldatrice laser

Tipo laser

Saldatrici laser per i processi di saldatura si dividono principalmente in 3 tipologie: laser a gas (CO2), laser a stato solido e laser a fibra.

Laser a gas (CO2)

La sorgente laser CO2 è un gas misto, in cui la CO2 è il componente principale, a cui si aggiungono azoto ed elio. Questi laser possono funzionare in modalità continua o pulsata a basse correnti e alte tensioni per eccitare le molecole di gas. I laser CO2 sono utilizzati anche in casi speciali come la saldatura laser a doppio raggio, in cui due raggi vengono generati e disposti in serie o affiancati.

Laser a stato solido

I laser a stato solido utilizzano la tecnologia a stato solido pompato a diodi (DPSS) per pompare minerali come cristalli di rubino, vetro o ittrio, alluminio e granato (YAG) o vanadato di ittrio (YVO4) attraverso diodi laser per produrre luce laser. Questi laser funzionano in modalità onda continua o fascio pulsato. La modalità a impulsi produce un giunto simile a una saldatura a punti ma con piena penetrazione. Rispetto ai moderni laser a fibra, questo tipo di laser presenta molti svantaggi, ma non possiamo negare che i laser a stato solido hanno ancora un'eccellente stabilità e qualità del raggio, nonché un'elevata efficienza.
Semiconductor-based lasers are also in the solid state but are generally considered a different class than solid-state lasers. These lasers are only good for cheaper smaller projects. However, they are sometimes used when welding in hard-to-reach areas because the equipment is more compact. The beam quality is much poorer than other types of lasers, so it is not common in industrial environments.

Laser a fibra

I laser a fibra sono una nuova classe di laser a stato solido che offrono una maggiore potenza laser, una migliore qualità e un funzionamento più sicuro. In un laser a fibra, il raggio laser viene prodotto quando la fibra assorbe la luce grezza dal diodo laser della pompa. Per ottenere questa transizione, la fibra viene drogata con elementi di terre rare. Utilizzando diversi elementi di drogaggio, è possibile generare raggi laser con un'ampia gamma di lunghezze d'onda, il che rende i laser a fibra ideali per una varietà di applicazioni, tra cui la saldatura laser e il taglio laser. Tuttavia, vale la pena notare che le teste di taglio laser standard non possono essere utilizzate per la saldatura e le teste di saldatura laser non possono soddisfare la velocità di taglio e i requisiti di qualità della maggior parte delle applicazioni industriali.
Saldatrice laser

Quali sono le linee guida sulla sicurezza per l'utilizzo della saldatura laser?

Sebbene una saldatrice laser portatile sia facile da usare e disponga di funzioni di sicurezza integrate, è importante ricordare che si tratta di un'apparecchiatura industriale potente. Quando si lavora su una saldatrice laser, tenere presente che il raggio laser può essere pericoloso per il corpo e gli occhi. I raggi di saldatura laser sono luce invisibile, quindi non puoi fare affidamento su segnali visivi per la sicurezza.
Sebbene le saldatrici laser siano laser di Classe IV e le caratteristiche di sicurezza siano integrate nel sistema, è necessario implementare anche i tradizionali requisiti di sicurezza della saldatura quando si stabilisce un programma di sicurezza laser. Ecco alcune regole generali da seguire:
  • Indossare indumenti non infiammabili, maniche lunghe o una tuta da saldatura. Chiunque si trovi in un'area controllata dal laser deve utilizzare dispositivi di protezione individuale, inclusi occhiali di protezione laser adeguati al tipo di laser e un casco per saldatura convenzionale.
  • Si prega di seguire le procedure di sicurezza operativa, tenendo conto che la luce laser può essere riflessa.
  • Non utilizzare mai una saldatrice laser portatile fino a quando non si acquisisce piena familiarità con i requisiti e le procedure di sicurezza documentati nel manuale dell'apparecchiatura fornito dal produttore.
Alimentatore automatico del filo

Vantaggi della saldatura laser

  • Eccellente qualità di saldatura grazie al basso apporto di calore e al preciso controllo della potenza del laser.
  • Alta velocità di saldatura e basso costo unitario.
  • Profondità di saldatura maggiori formano saldature ad alta resistenza.
  • Consente combinazioni di materiali di saldatura che non possono essere unite con altri metodi.
  • Le semplici attrezzature per la saldatura consentono la saldatura in condizioni speciali.
Alimentatore automatico del filo della saldatrice laser

Svantaggi della saldatura laser

  • L'investimento iniziale è elevato.
  • Tolleranze strette richiedono un perfetto adattamento del pezzo e un allineamento laser.
  • I materiali con elevata riflettività e conduttività (alluminio e rame) possono produrre risultati di saldatura complessi (nel caso di laser CO2).
  • Una rapida solidificazione può provocare porosità e fragilità.
  • Le ottiche laser sono molto fragili e possono essere facilmente danneggiate.
Campione di saldatura laser

Saldatura laser ibrida

La saldatura laser ibrida combina i metodi di saldatura dell'arco elettrico e del raggio laser. I due metodi di saldatura agiscono contemporaneamente sulla stessa area di saldatura, quindi l'effetto di saldatura presenta i vantaggi della saldatura ad arco e del raggio laser, creando un processo di saldatura unico. Sebbene la saldatura laser possa essere utilizzata in combinazione con quasi tutti i processi di saldatura ad arco, ci sono alcuni processi che si distinguono e sono più comunemente usati.
Esistono tre tipi principali di saldatura ibrida laser:
  • Saldatura additiva MIG (spesso sinonimo di saldatura laser ibrida)
  • Saldatura additiva TIG
  • Saldatura ad arco al plasma
Il processo di saldatura ibrida offre la penetrazione profonda della saldatura laser e un profilo della calotta di saldatura paragonabile ai processi di saldatura ad arco. L'uso di gas di protezione e altri materiali di consumo per saldatura ad arco consente un migliore controllo delle caratteristiche di saldatura rispetto alla saldatura laser stessa. La saldatura laser ibrida è indubbiamente un processo emergente che verrà utilizzato sempre di più nelle industrie cantieristica navale, ferroviaria, automobilistica e nei progetti di saldatura di grandi condutture in futuro.

Domande frequenti

La saldatura laser ha bisogno di gas?
I laser possono essere eseguiti con o senza gas, a seconda dell'applicazione e del materiale da saldare. In alcuni casi, è possibile utilizzare un gas di protezione come argon, elio o azoto per creare un'atmosfera protettiva attorno all'area di saldatura. Ciò è particolarmente importante quando si saldano materiali sensibili all'ossidazione come il titanio o l'alluminio. Il tipo di gas utilizzato dipende dal materiale da saldare, dal processo di saldatura e dall'attrezzatura utilizzata.
In alcuni casi, è possibile utilizzare una miscela di gas per ottenere uno specifico effetto di saldatura. Ad esempio, una miscela di elio e argon può essere utilizzata per saldare l'acciaio inossidabile, mentre l'azoto viene spesso utilizzato per saldare l'alluminio. L'uso del gas è un aspetto importante della saldatura laser e contribuisce alla qualità e all'affidabilità della saldatura.
Yes, laser welding is a robust and reliable welding method. Laser welding uses a highly focused laser beam to melt and fuse metal surfaces to form a strong, high-quality bond. The heat generated by the high-power laser beam is highly concentrated, resulting in minimal deformation and a very narrow heat-affected zone.
La forza della saldatura laser dipende da una varietà di fattori, tra cui il tipo di metallo da saldare e lo specifico processo di saldatura utilizzato. La corretta preparazione e i parametri di saldatura come la potenza del laser, la velocità e la durata dell'impulso devono essere attentamente controllati per garantire una saldatura forte e affidabile. In generale, la saldatura laser è particolarmente efficace per la saldatura di materiali sottili perché riduce al minimo il calore e la distorsione generati durante il processo di saldatura.
La saldatura laser è comunemente utilizzata in applicazioni in cui la forza e la precisione sono fondamentali, come la produzione di dispositivi aerospaziali, automobilistici e medici. Vale la pena notare, tuttavia, che la resistenza della saldatura dipende anche dalla corretta progettazione ed esecuzione della saldatura, quindi è fondamentale coinvolgere nel processo saldatori e ingegneri esperti.

La saldatura laser è un metodo di saldatura ad alta precisione che può essere utilizzato per unire diversi tipi di metalli, tra cui:

  • Acciaio: la saldatura laser è comunemente utilizzata per saldare vari tipi di acciaio, tra cui acciaio dolce, acciaio inossidabile e acciaio ad alta resistenza perché può fornire saldature di alta qualità con un basso apporto di calore.
  • Alluminio: la saldatura laser è un metodo efficace per saldare l'alluminio grazie alla sua elevata riflettività e conducibilità termica.
  • Rame: la saldatura laser è efficace anche per saldare rame e ottone, mentre le tecniche di saldatura tradizionali sono difficili da saldare il rame, sono spesso utilizzate in applicazioni elettroniche e idrauliche.
  • Titanio: la saldatura laser viene spesso utilizzata per saldare il titanio a causa del suo alto punto di fusione e reattività.
  • Oro e argento: la saldatura laser può essere utilizzata anche per saldare metalli preziosi come oro e argento, spesso utilizzati nella creazione di gioielli e in altre applicazioni di fascia alta.
  • Nichel e le sue leghe: la saldatura laser può essere utilizzata per saldare il nichel e le sue leghe, come l'Inconel, che viene spesso utilizzato nel settore aerospaziale e in altre applicazioni ad alte prestazioni.
  • Magnesio: il magnesio è un metallo leggero che può essere saldato mediante laser, soprattutto nell'industria automobilistica e aerospaziale.

La saldatura laser è un metodo di saldatura versatile che può essere utilizzato per unire un'ampia varietà di metalli, sia ferrosi che non ferrosi. Tuttavia, l'esatta idoneità della saldatura laser per un particolare metallo dipenderà dalle proprietà specifiche del metallo e dai requisiti dell'applicazione di saldatura.

Generalmente, la saldatura laser non utilizza filo per saldatura. A differenza di altri tipi di processi di saldatura come la saldatura MIG (metal inert gas) o TIG (tungsten inert gas), la saldatura laser non richiede un materiale di apporto come il filo di saldatura per unire insieme due pezzi di metallo. La saldatura laser utilizza un raggio laser focalizzato ad alta intensità per fondere e unire insieme due pezzi di metallo. Il calore generato dal raggio laser è solitamente sufficiente per fondere il metallo senza ulteriore materiale di saldatura.
In alcuni casi, tuttavia, è possibile aggiungere al giunto una piccola quantità di materiale di riempimento per aumentarne la resistenza o per aiutare a colmare lo spazio tra le due parti da unire. Questo materiale di riempimento è solitamente sotto forma di filo o polvere e viene aggiunto al giunto mediante un processo manuale o automatizzato. Inoltre, alcune tecniche di saldatura laser, come la saldatura laser ibrida, possono utilizzare il filo di saldatura per creare un arco più stabile e ridurre gli spruzzi.

La saldatura laser è un processo ampiamente utilizzato in vari settori, tra cui quello automobilistico, aerospaziale e medico. Sebbene la saldatura laser presenti molti vantaggi come alta precisione, alta velocità e piccola deformazione, ci sono anche alcuni potenziali difetti nel processo di saldatura. Alcune insidie della saldatura laser includono:

  • Porosità: La formazione di piccoli vuoti o pori nel materiale di saldatura, causata da gas intrappolati durante il processo di saldatura, che possono indebolire il giunto saldato e ridurne la resistenza.
  • Crepe: la saldatura laser può creare una zona termicamente alterata altamente concentrata, che può portare alla rottura del materiale saldato, soprattutto se il materiale ha un elevato coefficiente di dilatazione termica o la velocità di saldatura è troppo lenta.
  • Fusione incompleta: una potenza laser insufficiente per fondere completamente il metallo di base o il metallo d'apporto comporterà una fusione incompleta della saldatura, con conseguente giunzione debole o incompleta.
  • Undercutting: l'eccessiva fusione del materiale di base può causare scanalature o intaccature sul bordo della saldatura, indebolendo la resistenza del giunto.
  • Deformazione: la saldatura laser genera molto calore, provocando l'espansione e la contrazione del materiale di saldatura. Ciò può causare deformazioni o deformazioni del materiale saldato, che possono influire sulla precisione dimensionale e sulla qualità del prodotto, in particolare per materiali sottili o fragili.
  • Ossidazione: l'esposizione all'ossigeno durante la saldatura laser può causare l'ossidazione del materiale di base, con conseguente indebolimento delle giunzioni e ridotta resistenza alla corrosione.
  • Sensibilità all'assemblaggio dei giunti: la saldatura laser richiede un allineamento preciso delle due parti da saldare. Qualsiasi disallineamento o variazione nelle dimensioni del gioco influirà sulla qualità della saldatura.

Per ridurre al minimo questi difetti, i parametri del processo di saldatura laser, tra cui la potenza del laser, la velocità di saldatura e la messa a fuoco del raggio, devono essere ottimizzati e devono essere utilizzati materiali di riempimento e gas di protezione adeguati. Inoltre, anche un adeguato trattamento della superficie, la progettazione del giunto e il trattamento termico post-saldatura possono contribuire a ridurre l'insorgenza di difetti di saldatura laser.

Riassumere

La saldatura laser viene utilizzata per saldature di alta precisione e poiché non utilizza alcun elettrodo, il risultato finale della saldatura sarà leggero ma resistente. L'investimento iniziale è costoso, ma la qualità e le caratteristiche della saldatura laser non possono essere facilmente replicate. Man mano che i laser diventano più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico, il futuro della saldatura laser sembra luminoso!
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