In che modo la saldatura laser crea giunti più resistenti rispetto ai metodi tradizionali?

Lo scopo di ottenere giunti di saldatura più resistenti e duraturi è il motivo per cui numerose aziende stanno iniziando a utilizzare tecnologie avanzate come la saldatura laser. Molte aziende danno priorità sia alla resistenza del giunto che alla precisione, rendendo la saldatura laser la soluzione migliore. Sebbene MIG, TIG e saldatura a resistenza siano ancora utilizzati nell'industria, la saldatura laser rimane più vantaggiosa.

Nei settori automobilistico e aerospaziale, i giunti di saldatura laser sono i più utilizzati. La precisione offerta dalla saldatura laser deriva dalle complessità fisiche del processo nonché dalle modifiche che induce nel materiale. Questo articolo illustrerà i motivi per cui la resistenza di un giunto di saldatura varia a seconda del metodo utilizzato per crearlo.

Introduzione alla Saldatura Laser

Il processo di saldatura che unisce due o più pezzi di materiale viene eseguito utilizzando un laser. Il laser ha diverse modalità e si concentra sulla saldatura per conduzione termica e sulla saldatura a penetrazione profonda. Nella saldatura per conduzione termica, utilizzata per unire lamiere estremamente sottili o applicazioni che richiedono poca o nessuna penetrazione, la potenza del laser è mantenuta relativamente bassa (circa 105-106 W/cm ² ). In questo caso, il pezzo in lavorazione fonde, ma non subisce vaporizzazione.

Il calore superficiale viene quindi trasferito per conduzione all'interno del materiale, risultando nella formazione di una piscina di fusione che solidifica e unisce i due pezzi. La larghezza e la profondità della saldatura sono più adatte per scopi estetici che strutturali.

La tecnica di saldatura laser chiamata saldatura a cratere opera a densità di potenza molto elevate (106 -107 watt/cm2), aumentando i vantaggi della saldatura per penetrazione profonda (nota anche come saldatura a chiave). Quando il laser colpisce un punto specifico del materiale, raggiunge rapidamente il punto di ebollizione (soglia di vaporizzazione); il metallo si riscalda e il vapore metallico viene spinto verso l'esterno da diversi lati, formando così un foro a chiave. Il vapore metallico spinge il metallo liquido ai lati e forma una cavità profonda e stretta, detta appunto foro a chiave, che permette all'energia laser di penetrare in profondità nel materiale ben oltre quanto consentito dalla conduzione sulla superficie. Un foro a chiave è caratteristico della saldatura per penetrazione profonda. Il metallo liquido viene riscaldato nella parte anteriore del foro a chiave e, mentre il fascio laser si muove lungo il percorso di saldatura, scorre ai lati e solidifica nella parte posteriore, creando una saldatura eccezionalmente profonda e stretta.

I rapporti profondità-larghezza di 10:1 ottenuti con la saldatura laser e il keyhole sono quasi impossibili da raggiungere con la saldatura tradizionale. L'importanza dei rapporti dimensionali va oltre la semplice profondità di penetrazione, offrendo una geometria distribuita in modo più favorevole alle sollecitazioni lungo tutto il giunto saldato. A differenza della saldatura ad arco tradizionale, che lascia cordoni larghi e poco profondi con potenziale concentrazione di tensioni in superficie, la saldatura laser 'consente un arco profondo e stretto che permette una distribuzione uniforme delle sollecitazioni lungo tutta lo spessore del materiale. Ciò aumenta notevolmente la resistenza del giunto.

La resistenza delle saldature laser non dipende esclusivamente dalla geometria, ma deriva piuttosto da positivi cambiamenti metallurgici fondamentali che mantengono le principali caratteristiche dei materiali di base. La riduzione delle tecniche e dei metodi operativi di saldatura contribuisce a limitare l'estensione della zona termicamente alterata (HAZ), molto più contenuta nella saldatura laser rispetto ai processi MIG e TIG, rendendola molto più preferibile.

Quei pochi secondi con il calore producono diversi effetti di rinforzo. Riduce le tensioni residue e le deformazioni nelle parti saldate. Negli altri metodi di saldatura, l'apporto di calore provoca un'espansione e una contrazione termica non bilanciata nei componenti saldati, causando tensioni interne e deformazioni. Questa zona di tensioni interne può compromettere seriamente l'integrità strutturale dell'insieme saldato 'strutturale. Queste tensioni residue possono anche innescare crepe da fatica a causa del carico ciclico. Un componente soggetto a carichi ciclici richiede molte operazioni di lavorazione correttiva a causa della deformazione. Tale deformazione, nel caso della saldatura laser, è molto minore e quindi possiamo concentrarci su altre caratteristiche piuttosto che sulla resistenza nelle dimensioni del componente.

La saldatura laser contribuisce anche ai cicli di riscaldamento e raffreddamento, consentendo lo sviluppo di strutture a grano più fine. Il metallo con granuli più fini è generalmente più resistente e tenace, rafforzando così il componente. Uno studio ha confermato che la saldatura laser su acciaio inossidabile comporta la formazione di una piscina di fusione in cui avviene la solidificazione. Il processo di solidificazione provoca quindi cambiamenti nella microstruttura dell'acciaio inossidabile 'migliorandone le proprietà meccaniche. Questo è l'opposto della tecnica di saldatura tradizionale, in cui un processo di raffreddamento lento porta a strutture a grano grossolano e a un giunto debole.

Uno dei migliori esempi di vantaggio in termini di resistenza proviene dalla saldatura laser dei materiali ad alta resistenza più moderni, senza perdere le proprietà progettate. Molte leghe avanzate ad alta resistenza derivano le loro proprietà meccaniche da tecnologie termiche di alto livello. Questi materiali sono stati sottoposti a cicli termici mediante saldatura convenzionale e hanno avuto le loro microstrutture modificate. Tali materiali possiedono microstrutture che sarebbe auspicabile mantenere, ma che sono state alterate. Nella saldatura laser, le proprietà del metallo base vengono mantenute, poiché la resistenza del materiale originale è preservata e mantenuta nell'insieme saldato.

Efficienza della Produzione e Flessibilità dei Processi

Oltre ai chiari vantaggi tecnici legati alla resistenza dei giunti e al posizionamento del cordone di saldatura lungo il bordo del pezzo, la saldatura laser si è dimostrata in grado di offrire significative efficienze produttive, rendendo l'adozione di questi processi più conveniente nella moderna produzione. I processi risultano notevolmente più veloci rispetto ai metodi di saldatura convenzionali. Mentre la saldatura laser può raggiungere velocità superiori a 200 pollici al minuto, la saldatura MIG procede a una velocità compresa tra i 20 e i 40 pollici al minuto; il primo metodo può quindi raggiungere velocità superiori a 200 pollici al minuto. I processi più rapidi superano di gran lunga la maggior parte dei processi convenzionali, al punto che un'operazione che potrebbe richiedere diverse ore può essere completata in pochi minuti con questi ultimi. Un caso documentato illustra l'adozione della saldatura laser, grazie alla quale il tempo impiegato per saldare un cancello, che in precedenza richiedeva circa dieci ore, è stato ridotto a 40 minuti.

La storia dell'efficienza è ancora più notevole quando si considera la riduzione della necessità o della quantità di post-elaborazione. Gli assemblaggi saldati richiedono tipicamente numerose operazioni di rifinitura per ottenere una superficie priva di distorsioni. Queste operazioni includono levigatura, lavorazione meccanica e raddrizzatura; tuttavia, queste fasi del processo di lavorazione non generano un guadagno monetario in termini di valore aggiunto al prodotto. Le lamiere laminate saldate, quando realizzate mediante tecnica a fascio laser, producono una struttura laminata saldata mantenendo come vantaggio aggiuntivo bordi e superfici puliti e ben definiti. Questo aspetto è solitamente fondamentale nei casi in cui le strutture saldate al laser devono essere rivestite successivamente, poiché l'applicazione del rivestimento richiede che alcune caratteristiche superficiali, come i bordi, siano esenti da distorsioni. Tutto ciò, unito alla riduzione dei processi secondari, consentirebbe un notevole risparmio di tempo.

La saldatura laser funziona in modo eccezionale con impianti automatizzati in fabbrica, migliorandone ulteriormente l'efficienza. I sistemi robotici possono facilmente indirizzare e muovere il fascio laser senza toccare il pezzo in lavorazione, sottolineando che non vi è alcun contatto fisico con il pezzo. In molti casi, una singola sorgente laser può servire più stazioni di lavoro attraverso una configurazione di suddivisione del fascio, consentendo così alle stazioni di aumentare l'autonomia dei sistemi operativi laser. Questa autonomia aiuta i produttori a mantenere le linee di produzione inalterate senza doverle fermare frequentemente. Analogamente, la caratteristica senza contatto del processo di saldatura laser fa sì che non siano presenti utensili usurati, tipici dei sistemi di saldatura tradizionali, permettendo al sistema di funzionare meglio nel tempo. Ciò prolunga il periodo di funzionamento del sistema senza necessità di manutenzione, fatta eccezione per la normale manutenzione ottica.

La capacità di adattare la saldatura laser a diversi tipi e spessori di materiale ne rafforza ulteriormente l'efficacia. Il processo è in grado di gestire materiali sottili come una frazione di millimetro fino a sezioni d'acciaio spesse 25 mm in un unico passaggio. Questa caratteristica elimina la necessità di effettuare più passate, come richiesto dalle tecniche di saldatura tradizionali per materiali più spessi. Inoltre, la capacità della saldatura laser di lavorare su materiali complessi come titanio, alluminio e diverse combinazioni di metalli che altri sistemi di saldatura non riescono a gestire è sorprendente.

Un altro importante vantaggio della saldatura laser è la qualità costante della saldatura, direttamente collegata all'affidabilità della resistenza del cordone. Il processo offre un elevato livello di controllo all'operatore grazie a sensori sofisticati che in tempo reale monitorano costantemente i componenti chiave del processo di saldatura. I sistemi utilizzati durante il monitoraggio sono generalmente suddivisi in tre categorie. La prima categoria comprende i sistemi pre-saldatura che rilevano la linea del giunto per consentire un posizionamento accurato del fascio laser. Nella seconda categoria, durante la fase di saldatura, i sistemi di monitoraggio dotati di telecamere tracciano e analizzano la pozza di fusione e il keyhole. L'ultima categoria, i sistemi post-saldatura, valutano il cordone per verificare che soddisfi gli standard qualitativi.

È molto più difficile raggiungere questo livello di controllo con i metodi di saldatura tradizionali, dove l'abilità e la costanza degli operatori umani diventano molto più importanti. Gli operatori umani hanno un maggiore controllo sulla saldatura tradizionale, ma nel caso della saldatura laser, la macchina è completamente automatizzata. Una volta che la macchina ha appreso i parametri di saldatura, questi verranno replicati con precisione durante le produzioni, indipendentemente dal fatto che si tratti di mille o un milione di componenti. Ogni giunto saldato avrà lo stesso insieme di proprietà meccaniche. In settori in cui un difetto di saldatura non è accettabile, come nei dispositivi medici, nei componenti per la sicurezza automobilistica o nell'aerospaziale, la costanza è più importante e più apprezzata rispetto alle parti saldate stesse.

Il processo di solidificazione controllata durante la saldatura laser riduce al minimo l'insorgenza di diverse imperfezioni nel cordone di saldatura che potrebbero indebolire il giunto. La porosità da gas e la segregazione degli elementi leganti sono difetti limitati dalla rapida fase di raffreddamento del processo. Inoltre, il controllo dell'apporto energetico contribuisce ad eliminare undercut e burn-through, specialmente su materiali lamiera sottile. Sì, la saldatura laser richiede un allineamento del giunto più preciso rispetto ad alcune tecniche di saldatura più datate. Tuttavia, i sistemi moderni utilizzano tecnologie come fasci laser oscillanti in grado di chiudere giunti più ampi e sistemi ibridi che combinano laser e alimentazione tradizionale di filo per facilitare questa operazione.

Gli esperti del settore riconoscono che le tecniche di saldatura tradizionali si avvalgono di una solida base di professionisti qualificati e di anni di esperienza, mentre la saldatura laser offre risultati più affidabili e prevedibili grazie a un migliore controllo del processo. La tecnologia laser in continua evoluzione e sempre più accessibile sul mercato rende questo aspetto sempre più evidente, soprattutto per processi che richiedono assenza totale di punti di errore, ai quali la saldatura laser può offrire coerenza come punto di forza principale. 'la sua coerenza come punto di forza principale.

Conclusione

Le evidenze dimostrano che la saldatura laser è superiore ad altri metodi per quanto riguarda penetrazione, metallurgia e controllo del processo, garantendo giunti più resistenti. La saldatura per penetrazione e l'effetto keyhole consentono una migliore distribuzione delle sollecitazioni. La ridotta distorsione termica e il minimo apporto di calore contribuiscono inoltre a preservare le caratteristiche del materiale di base e a minimizzare le deformazioni. I vantaggi combinati della tecnologia laser in termini di efficienza, qualità e produzione nelle applicazioni di saldatura con elevata resistenza dei giunti costituiscono un argomento convincente.

Ovviamente, i metodi tradizionali mantengono ancora un valore —soprattutto quando i costi delle attrezzature sono bassi, o l'assemblaggio è di basso volume e complesso, rendendo l'automazione impraticabile —ma i risultati in termini di resistenza della saldatura laser sono più difficili da contestare. I progetti e i prodotti attuali e futuri nel settore manifatturiero richiedono che tutto sia più leggero, più resistente e più affidabile. Questo renderà la necessità della saldatura laser sempre più critica. Le aziende che utilizzeranno questi progetti di saldatura laser e svilupperanno nuovi prodotti guideranno i loro settori. Questo potenziale renderà i loro prodotti esemplari grazie alla tecnologia avanzata di giunzione laser.