La saldatura laser

La saldatura laser LBW (Laser Beam Welding) impiega un laser quale fonte energetica per provocare la fusione dei lembi da saldare. Il termine laser è l’acronimo in lingua inglese di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, è quindi una fonte di luce che viene stimolata ripetutamente.

Principio di funzionamento del laser
Il funzionamento del laser si basa sull’ emissione di radiazioni da parte degli atomi di una certa sostanza che viene chiamata materia attiva. Gli atomi vengono dapprima eccitati cioè “pompati” in uno stato energetico superiore tramite una sorgente, quindi stimolati a emettere l’energia immagazzinata per mezzo di una radiazione esterna di frequenza determinata. I fotoni che compongono la radiazione emessa, hanno la frequenza caratteristica degli atomi che li hanno prodotti e viaggiano in fase con i fotoni stimolatori. L’amplificazione della luce viene ottenuta come conseguenza del movimento dei fotoni in una cavità risonante, cioè in uno spazio delimitato da due specchi paralleli, di cui uno totalmente riflettente e l’altro solo parzialmente. Durante il movimento, i fotoni colpiscono altri atomi eccitati che a loro volta emettono nuovi fotoni. Contemporaneamente la luce laser monocromatica ad alta intensità e direzionalità filtra all’esterno attraverso lo specchio semiargentato. Il laser è generato da una sorgente che trasforma l’energia elettrica in energia elettromagnetica sotto forma di luce coerente; viene trasportato attraverso un sistema di specchi o attraverso una fibra ottica e infine viene focalizzato nella zona da saldare. Quando il fascio colpisce la superficie, l’energia viene in parte riflessa e in parte assorbita portando il materiale alla fusione. In sintesi, esso trasforma l’ energia elettrica in energia elettromagnetica sotto forma di luce coerente. 
Il fascio laser è concentrato, non disperso, composto da fotoni sotto forma di onde che hanno lo stesso periodo, la stessa ampiezza e sono in fase, vale a dire si tratta appunto di energia coerente. Con questo fascio è possibile concentrare grandi quantità di energia su aree molto piccole; energia che può essere applicata in molti modi per svolgere il lavoro richiesto con precisione e velocità, ma soprattutto con minime distorsioni e danneggiamenti dei materiali e dei pezzi in lavorazione. Il raggio laser può essere trasmesso attraverso l’atmosfera o altri gas senza subire alterazioni; non richiede il vuoto; non è influenzato da campi elettrostatici o elettromagnetici, come per esempio avviene nella saldatura ad arco elettrico; non genera dannosi raggi X e non richiede che il pezzo in saldatura completi un circuito elettrico, come nella saldatura per resistenza e nella saldatura ad arco elettrico. Grazie alla facilità di focalizzare in piccole aree densità di energia molto elevate, capaci di portare in poco tempo i metalli ad alta temperatura, fin dalle prime costruzioni (anni ‘60), risultò chiara la possibilità di sfruttare le sorgenti laser per ottenere la fusione dei metalli, ovvero, in termini di applicazioni industriali, il taglio e la saldatura dei materiali. Il laser impiega un’alta densità di energia ma ha un basso apporto di calore; produce un rapido riscaldamento in zone molto ristrette che, associate alle alte velocità, consentono di ottenere giunti di saldatura molto profondi e molto stretti (con rapporti fino a 4:1). Il risultato è una saldatura che produce una minima deformazione; inoltre la zona fusa (“ZF”) e la zona termicamente alterata (“ZTA”) sono più ristrette rispetto agli altri processi di saldatura e il grano metallurgico rimane relativamente di piccole dimensioni. La saldatura a mezzo di fascio laser può avvenire in due modi: per conduzione o per penetrazione. 
Nel primo caso si impiegano potenze relativamente contenute nell’ordine di 10Kw/cmq. Il calore fonde lo strato superficiale e poi si propaga per conduzione agli strati inferiori portandoli a fusione. Nella saldatura per conduzione si cerca di evitare la vaporizzazione del bagno fuso e per questo viene generalmente impiegata per la saldatura di lamiere di piccolo spessore. La saldatura di penetrazione, invece, avviene concentrando potenze nell’ordine di 1000Kw/cmq che provocano la vaporizzazione e la perforazione del materiale, creando una cavità passante chiamata key-hole circondata da materiale fuso. Il vapore metallico a elevate temperatura e pressione, spinge lateralmente il fuso e il fascio procede nel metallo sottostante. Si crea quindi un equilibrio tra la pressione di vapore, che tende ad allargare il foro, e la pressione idrostatica del metallo fuso circostante, che tende a chiuderlo. Tale equilibrio determina la profondità di penetrazione del foro nel pezzo. Il procedere della testa di saldatura, si lascia alle spalle una parte fusa che solidifica rapidamente producendo un giunto a piena penetrazione. Per avere una massima penetrazione, può essere necessario focalizzare il fascio laser leggermente al di sotto della superficie del pezzo. La profondità di penetrazione del giunto di saldatura è proporzionale alla potenza del laser ma una potenza troppo elevata può dare un buco instabile. L’ altro parametro fondamentale per un corretto giunto saldato è la velocità della testa di saldatura. Per le saldature a piena penetrazione vengono impiegate sorgenti laser a Gas: tipicamente CO2.

Tipi di laser per la saldatura
Esistono due tipi di sorgenti laser impiegati nella saldatura:

1. laser a stato solido, tipicamente Nd-YAG;
2. laser a gas, tipicamente CO2.

In entrambi i casi il rendimento della conversione da potenza elettrica a potenza laser è piuttosto bassa e non supera il 15%.

Laser a Nd-YAG 
Viene impiegato come mezzo attivo un cristallo di granato di ittrio e alluminio (YAG) in cui circa il 2% di ioni di ittrio è sostituito da ioni di Neodimio che è l’elemento che produce l’azione laser. Tale materiale che ha la forma di una barretta cilindrica è eccitato mediante lampade flash. Il rendimento è molto basso: circa il 5%. Il laser Nd-YAG produce radiazioni monocromatiche di lunghezza d’onda pari a 1.06μm molto dannose all’occhio umano e, pertanto, per gli operatori è indispensabile utilizzare occhiali o schermi protettivi. La qualità del fascio non è elevata e viene trasportato con fibre ottiche. Questi generatori vengono utilizzati per la saldatura di lamiere di piccolo spessore e per la saldatura a punti.

Laser a CO2
Vengono utilizzate quando è necessaria una maggiore potenza (fino a 25Kw) con la quale è possibile ottenere penetrazioni di saldatura fino a mm 150. Questi generatori sono più ingombranti e complessi rispetto a quelli a Nd-YAG e le radiazioni emesse hanno una lunghezza d’onda di 10 μm. Il rendimento è più alto: circa il 10-15%. Nei laser a CO2, il mezzo attivo è costituito da una miscela di gas eccitata mediante una scarica elettrica. Il fascio laser può essere trasportato a mezzo di cavi fibra ottica, ma più comunemente vengono utilizzati sistemi di lenti e specchi.

Gas di saldatura
Diverse sono le funzioni dei gas nei processi di saldatura laser. Per la protezione del bagno di saldatura della zona termicamente alterata nonché del rovescio di saldatura, vengono impiegati gas inerti, soprattutto Argon, al fine di evitare l’ossidazione del cordone di saldatura. Il gas ha poi la funzione di proteggere le ottiche del laser da fumi e spruzzi che ne riducono l’efficienza e la potenza. Infine nelle saldature a CO2 a penetrazione, i gas controllano la formazione del plasma, di quella nube di vapori metallici e ionizzati che si formano sopra il key hole. Questa nube assorbe la radiazione del laser e ne può provocare l’interruzione.

Vantaggi della saldatura laser

• Velocità di saldatura elevata.
• Ottima flessibilità di lavoro.
• Facile accesso ed elevate caratteristiche del giunto.
• Minimo apporto termico.
• Ottima forma della saldatura: buona profondità del cordone rispetto alla larghezza del giunto.

Saldabilità laser dei principali materiali metallici
Acciai al carbonio e bassolegati. Ben saldabili con il laser, con limiti correlati al contenuto di Carbonio, alla percentuale di impurezze quali S e P, al contenuto di Cromo e di altri elementi di lega rinforzanti. Nel caso di piccoli spessori, si ha una buona saldabilità fino a valori molto alti di Carbonio equivalente, ma nel caso di spessori elevati, quantitativi di Carbonio superiori allo 0,30% possono determinare l’insorgere di difettosità e di comportamenti fragili, comunque affrontabili con uso di materiale d’apporto e di preriscaldo.

Acciai inossidabili austenitici, duplex, ferritici e martensitici. Saldabilità laser molto buona su austenitici e in genere su ferritici. Può essere necessario un preriscaldo sui martensitici, in funzione del tipo di materiale e di spessore. Si richiedono trattamenti post saldatura sui duplex per ripristinare il rapporto delle fasi.

Leghe di Alluminio. Alta conducibilità termica ed elevata riflettività non facilitano la saldatura di questi materiali, ma ormai molte delle problematiche sono state superate su di un discreto numero di leghe, soprattutto con l’impiego delle sorgenti YAG e similari. La presenza di elementi in lega quali Si, Mn, Mg, Cu, Zn in genere aumenta la facilità di innesco ma tende a complicare la saldabilità.

Leghe di Titanio. Ottima saldabilità grazie alla bassa conducibilità termica e al buon assorbimento della radiazione. Il materiale è però sensibile alla contaminazione da Ossigeno, Azoto e Idrogeno, e necessita pertanto di una buona pulizia superficiale e di una copertura gassosa estremamente accurata.

Leghe di rame. L’alta riflettività del materiale rende opportuno l’utilizzo di sorgenti YAG, ma questo dipende dalla percentuale di elementi di lega. Gli ottoni sono i più difficili da lavorare ma esistono casi in cui questo è possibile con la necessaria qualità.

Superleghe. Saldabilità laser tipicamente buona anche se si richiedono attenzioni particolari anche in vista degli impieghi tipici (aeronautica).

 

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