La saldatura laser può essere realizzata mediante un generatore laser continuo o pulsato. Il principio della saldatura laser si divide in saldatura a conduzione termica e saldatura a fusione profonda. Una densità di potenza inferiore a 10⁴~10⁵ W/cm² corrisponde alla saldatura a conduzione termica; in questo caso, la profondità di fusione e la velocità di saldatura sono basse. Quando la densità di potenza è superiore a 10⁵~10⁷ W/cm², la superficie del metallo si incurva formando delle "chiavi" sotto l'azione del calore, dando luogo a una saldatura a fusione profonda, caratterizzata da un'elevata velocità di saldatura e da un grande rapporto profondità-larghezza.
Oggi tratteremo principalmente la conoscenza dei principali fattori che influenzano la qualità della saldatura a fusione profonda laser.
1. Potenza laser
Nella saldatura laser a fusione profonda, la potenza del laser controlla sia la profondità di penetrazione che la velocità di saldatura. La profondità di saldatura è direttamente correlata alla densità di potenza del fascio ed è funzione della potenza del fascio incidente e del punto focale del fascio. In generale, per un determinato diametro del fascio laser, la profondità di penetrazione aumenta con l'aumentare della potenza del fascio.
2. Punto focale
La dimensione del punto del fascio è una delle variabili più importanti nella saldatura laser perché determina la densità di potenza. Tuttavia, misurarla rappresenta una sfida per i laser ad alta potenza, nonostante siano disponibili numerose tecniche di misurazione indiretta.
La dimensione del punto focale del fascio, al limite di diffrazione, può essere calcolata secondo la teoria della diffrazione, ma la dimensione effettiva del punto è maggiore del valore calcolato a causa della scarsa riflessione focale. Il metodo di misurazione più semplice è quello del profilo di isotemperatura, che misura il diametro del punto focale e della perforazione dopo che la carta spessa è stata bruciata e ha attraversato la piastra di polipropilene. Questo metodo, attraverso la pratica di misurazione, permette di padroneggiare la potenza del laser e il tempo di azione del fascio.
3. Gas protettivo
Il processo di saldatura laser spesso utilizza gas di protezione (elio, argon, azoto) per proteggere il bagno di fusione, impedendo l'ossidazione del pezzo durante la saldatura. Un secondo motivo per l'utilizzo di gas di protezione è quello di proteggere la lente di focalizzazione dalla contaminazione da vapori metallici e dagli spruzzi di gocce di metallo fuso. Soprattutto nella saldatura laser ad alta potenza, il materiale espulso diventa molto potente, quindi è necessario proteggere la lente. Un terzo effetto del gas di protezione è la sua efficacia nel disperdere il plasma prodotto dalla saldatura laser ad alta potenza. Il vapore metallico assorbe il raggio laser e si ionizza formando una nube di plasma. Anche il gas di protezione intorno al vapore metallico si ionizza a causa del calore. Se il plasma è eccessivo, il raggio laser viene in qualche modo assorbito dal plasma stesso. Come ulteriore fonte di energia, il plasma presente sulla superficie di lavoro riduce la profondità di saldatura e amplia la superficie del bagno di fusione.
Come scegliere il gas di protezione più adatto?
4. Tasso di assorbimento
L'assorbimento laser da parte di un materiale dipende da alcune importanti proprietà del materiale stesso, come il tasso di assorbimento, la riflettività, la conduttività termica, la temperatura di fusione e la temperatura di evaporazione. Tra tutti questi fattori, il più importante è il tasso di assorbimento.
Due fattori influenzano il tasso di assorbimento del materiale da parte del raggio laser. Il primo è il coefficiente di resistenza del materiale. Si è constatato che il tasso di assorbimento del materiale è proporzionale alla radice quadrata del coefficiente di resistenza, e quest'ultimo varia con la temperatura. In secondo luogo, lo stato superficiale (o finitura) del materiale ha un'influenza importante sul tasso di assorbimento del raggio, il che ha un effetto significativo sull'efficacia della saldatura.
5. Velocità di saldatura
La velocità di saldatura ha una grande influenza sulla profondità di penetrazione. Aumentando la velocità, la profondità di penetrazione diminuisce, ma una velocità troppo bassa può causare una fusione eccessiva dei materiali e la saldatura completa del pezzo. Pertanto, esiste un intervallo di velocità di saldatura appropriato per un determinato materiale, con una certa potenza laser e un certo spessore, e la massima profondità di penetrazione si ottiene al valore di velocità corrispondente.
6. Lunghezza focale dell'obiettivo di messa a fuoco
Una lente di focalizzazione viene solitamente installata nella testa della torcia di saldatura; in genere, si sceglie una lunghezza focale compresa tra 63 e 254 mm (diametro da 2,5" a 10"). La dimensione del punto di focalizzazione è proporzionale alla lunghezza focale: minore è la lunghezza focale, più piccolo sarà il punto. Tuttavia, la lunghezza focale influisce anche sulla profondità di fuoco, ovvero la profondità di fuoco aumenta in modo sincrono con la lunghezza focale. Pertanto, una lunghezza focale ridotta può migliorare la densità di potenza, ma poiché la profondità di fuoco è ridotta, è necessario mantenere con precisione la distanza tra la lente e il pezzo in lavorazione e la profondità di penetrazione non è elevata. A causa dell'influenza degli schizzi e della modalità laser durante la saldatura, la profondità di fuoco minima utilizzata nella pratica è generalmente di 126 mm (diametro 5"). Una lente con una lunghezza focale di 254 mm (diametro 10") può essere selezionata quando la saldatura è ampia o quando è necessario aumentare la dimensione del punto. In questo caso, è necessaria una maggiore potenza di uscita del laser (densità di potenza) per ottenere l'effetto di penetrazione profonda del foro.
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Data di pubblicazione: 27 settembre 2022