Introduzione:
La saldatura laser è un processo che utilizza un fascio di energia luminosa altamente focalizzato, noto come laser, per unire insieme i materiali. Quindi, come funziona la saldatura laser? Questo articolo ti darà la risposta.
Come fa saldatura laser lavoro?
1. Generazione del raggio laser
Il processo inizia con la generazione di un fascio di luce coerente altamente concentrato, solitamente da un risonatore laser. Il fascio laser può essere prodotto utilizzando laser diversi, come laser a stato solido, a gas o a fibra.
2. Messa a fuoco del raggio laser
Una volta generato, il raggio laser viene diretto attraverso una serie di specchi e lenti per focalizzarlo in un punto piccolo e intenso. Questa focalizzazione è cruciale. Aumenta la densità di energia del raggio laser, consentendogli di fondere o vaporizzare il materiale con cui interagisce.
3. Preparazione del materiale
Prima della saldatura, i materiali da unire vengono preparati pulendoli e posizionandoli correttamente. La preparazione della superficie è essenziale per garantire un'adeguata adesione e la qualità della saldatura.
4. Processo di saldatura
Il raggio laser focalizzato viene diretto sulla giunzione tra i materiali da saldare. Quando il raggio intenso colpisce la superficie, riscalda, fonde o vaporizza rapidamente il materiale. Il calore generato è localizzato, riducendo al minimo la zona termicamente alterata (HAZ) del materiale circostante.
5. Unione dei materiali
Quando il materiale si scioglie o vaporizza, forma una pozza fusa all'interfaccia del giunto. Il materiale fuso si raffredda e si solidifica, creando un legame di fusione tra i materiali. Il raggio laser viene spostato lungo il giunto per saldare l'intera lunghezza.
6. Controllo e monitoraggio
I processi di saldatura laser spesso incorporano sensori e sistemi di monitoraggio per controllare i parametri di potenza, messa a fuoco del raggio e velocità. Ciò garantisce un controllo preciso sul processo di saldatura e aiuta a mantenere una qualità costante.
Parametri importanti della saldatura laser
1. Densità di potenza
La densità di potenza è uno dei parametri più critici nell'elaborazione laser. Utilizzando una densità di potenza più elevata, lo strato superficiale può essere riscaldato fino al punto di ebollizione in un microsecondo, con conseguente vaporizzazione estesa. Pertanto, un'elevata densità di potenza favorisce l'elaborazione della rimozione del materiale, come foratura, taglio e incisione. Per densità di potenza inferiori, occorrono diversi millisecondi affinché la temperatura superficiale raggiunga il punto di ebollizione. Prima che lo strato superficiale vaporizzi, lo strato inferiore raggiunge il punto di fusione, formando facilmente una buona saldatura fusa.
2. Forma d'onda dell'impulso laser
Quando un raggio laser ad alta intensità colpisce la superficie di un materiale, dal 60 al 98% dell'energia laser verrà riflessa e persa sulla superficie metallica. Questi includono oro, argento, rame, alluminio, titanio e altri materiali con forte riflessione e rapido trasferimento di calore. Durante un segnale di impulso laser, la riflettività del metallo cambia nel tempo. La riflettività diminuirà rapidamente quando la temperatura superficiale del materiale salirà fino al punto di fusione. Quando la superficie è fusa, la riflessione si stabilizza a un certo valore.
3. Larghezza dell'impulso laser
La larghezza dell'impulso è un parametro essenziale per la saldatura laser a impulsi. La profondità di penetrazione e la zona interessata dal calore determinano la larghezza dell'impulso. Maggiore è la larghezza dell'impulso, maggiore è la zona interessata dal calore. La profondità di penetrazione aumenta con la potenza 1/2 della larghezza dell'impulso. Tuttavia, aumentando la larghezza dell'impulso si ridurrà la potenza di picco. Pertanto, l'aumento della larghezza dell'impulso è generalmente utilizzato per la saldatura a conduzione termica. La dimensione della saldatura formata è ampia e poco profonda, il che è particolarmente adatto per la saldatura a sovrapposizione di piastre sottili e spesse.
Tuttavia, una potenza di picco inferiore determina un apporto di calore eccessivo. Ogni materiale ha una larghezza di impulso ottimale che massimizza la penetrazione.
4. Quantità di sfocatura
La saldatura laser di solito richiede una certa quantità di defocus. Questo perché la densità di potenza al centro del punto nel fuoco laser è troppo alta e può facilmente evaporare in fori. La distribuzione della densità di potenza è relativamente uniforme su ogni piano lontano dal fuoco laser.
5. Velocità di saldatura
La velocità di saldatura ha una grande influenza sulla profondità di penetrazione. Aumentando la velocità la penetrazione sarà più superficiale. Tuttavia, una velocità troppo bassa causerà una fusione eccessiva del materiale e la saldatura attraverso il pezzo in lavorazione. Pertanto, esiste un intervallo di velocità di saldatura adatto per un materiale specifico con una certa potenza laser e un certo spessore, e la penetrazione massima può essere ottenuta al valore di velocità corrispondente.
6. Gas protettivo
I gas inerti sono spesso utilizzati per proteggere la piscina fusa durante la saldatura laser. Elio, argon, azoto e altri gas sono spesso utilizzati per la protezione nella maggior parte delle applicazioni. La seconda funzione del gas protettivo è quella di proteggere la lente di messa a fuoco dalla contaminazione da vapori metallici e dallo sputtering di gocce liquide. Durante la saldatura laser ad alta potenza, lo spruzzo è molto potente ed è necessario per proteggere la lente. La terza funzione del gas di protezione è quella di dissipare efficacemente lo scudo al plasma prodotto dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e lo ionizza in un plasma. Se è presente troppo plasma, il plasma consumerà il raggio laser in una certa misura.
7. Raffreddamento e post-elaborazione
Dopo la saldatura, il giunto saldato può essere sottoposto a raffreddamento per solidificare completamente la saldatura. A seconda dell'applicazione, potrebbero essere necessari ulteriori passaggi di post-elaborazione come la molatura o la lucidatura per ottenere la finitura superficiale desiderata e l'integrità della saldatura.
Vantaggi della saldatura laser
La saldatura laser offre diversi vantaggi rispetto ai metodi di saldatura tradizionali. Questi includono alta precisione, velocità di elaborazione elevate, distorsione minima e la capacità di saldare vari materiali. Queste caratteristiche la rendono una scelta preferita in molteplici settori, tra cui automotive, aerospaziale, elettronica e produzione di dispositivi medici.
La saldatura laser consente di ottenere giunzioni di elevata qualità e resistenza, con un ampio rapporto di aspetto, e la velocità di saldatura è relativamente elevata.
Poiché la saldatura laser non richiede un ambiente sotto vuoto, è possibile utilizzare lenti e fibre ottiche per il controllo remoto e la produzione automatizzata.
La saldatura laser ha un'elevata densità di potenza e un buon effetto di saldatura su materiali difficili da saldare come titanio, quarzo, ecc. Può saldare materiali con proprietà diverse.
È possibile la microsaldatura. Dopo essere stato focalizzato e posizionato con precisione, il raggio laser può ottenere un punto molto piccolo. Può essere utilizzato nella saldatura di assemblaggio di micro e piccoli pezzi prodotti in grandi quantità per la produzione automatizzata.