1. Introduzione
La tecnologia di saldatura laser presenta un basso apporto di calore, giunti di saldatura densi e esteticamente gradevoli, controllo di alta precisione e facile integrazione dell'automazione, consentendo la sua rapida adozione nell'industria manifatturiera dei metalli. Tuttavia, non tutti i materiali sono adatti alla saldatura laser. Fattori come la conducibilità termica, le caratteristiche di assorbimento ottico, le differenze di punto di fusione, gli elementi di lega e le condizioni superficiali possono influenzare la qualità della saldatura. Pertanto, comprendere la gamma di materiali applicabili e i limiti della saldatura laser è fondamentale per la selezione delle apparecchiature, la pianificazione del processo e il controllo della qualità della produzione.
2. Gamma di materiali applicabili
La saldatura laser è adatta a molteplici categorie di materiali metallici, tra i quali i materiali ferrosi rappresentano il campo di applicazione più maturo. Materiali come l'acciaio al carbonio, l'acciaio a basso tenore di lega e l'acciaio inossidabile mostrano un buon assorbimento del raggio laser, fornendo una formazione di saldatura stabile, una profondità di penetrazione controllabile e una resistenza meccanica sufficiente. Anche le leghe a base di nichel mostrano microstrutture stabili durante la saldatura con una bassa tendenza alla fessurazione e sono ampiamente utilizzate nei componenti aerospaziali e nelle linguette delle batterie. Questi materiali sono considerati i più adatti alla saldatura laser.
Anche l'alluminio e le leghe di alluminio sono saldabili, sebbene con una maggiore difficoltà di processo rispetto ai materiali ferrosi. L'alluminio presenta un'elevata riflettività, un'elevata conducibilità termica e un basso punto di fusione, rendendo il bagno fuso instabile e soggetto a porosità. Pertanto, la saldatura dell'alluminio richiede tipicamente una maggiore potenza laser, un controllo più preciso della posizione focale e una selezione ottimizzata del gas di protezione per garantire la stabilità del processo e la densità della saldatura. Nonostante le sfide, le leghe di alluminio sono frequentemente utilizzate negli involucri delle batterie, negli alloggiamenti dell'elettronica di consumo e nelle strutture aerospaziali.
Il rame e le leghe di rame rappresentano materiali con una difficoltà di saldatura ancora maggiore. Il rame ha un'elevatissima riflettività e conducibilità termica, con conseguente bassa efficienza di accoppiamento laser iniziale e difetti frequenti come mancanza di fusione, saldature discontinue o fessurazioni di solidificazione. Con lo sviluppo di laser a fibra ad alta potenza, laser verdi e sorgenti laser pulsate, le prestazioni di saldatura del rame sono migliorate e vengono sempre più utilizzate nelle barre collettrici delle batterie, nei connettori elettrici, nei terminali e nei componenti elettronici di precisione.
La saldatura laser è adatta anche per metalli preziosi come oro, argento e platino. Questi materiali sono ampiamente utilizzati nella fabbricazione di gioielli e nella produzione di contatti elettrici. Sebbene abbiano un'elevata conducibilità termica, la loro stabilità di saldatura rimane eccellente. I laser pulsati sono comunemente utilizzati per la microsaldatura di precisione, offrendo un'eccezionale consistenza della saldatura e qualità della superficie.
3. Materiali con limitazioni
La saldatura laser non è adatta a tutti i materiali. Gli acciai ad alto tenore di carbonio e la ghisa, pur appartenendo al sistema ferroso, contengono un contenuto di carbonio più elevato. Durante il riscaldamento e il raffreddamento rapidi, tendono a formare microstrutture dure e fragili, generando crepe o porosità. Tali materiali richiedono preriscaldamento, raffreddamento controllato o una ridotta densità di energia per ridurre al minimo i difetti di saldatura.
Anche lo zinco, il magnesio e alcune leghe di magnesio e alluminio presentano limitazioni di processo. Questi materiali hanno bassi punti di fusione e alte pressioni di vapore, che tendono a produrre porosità, spruzzi e bagni fusi instabili, con conseguente scarsa aspetto e densità della saldatura. Sebbene l'ottimizzazione del processo possa migliorare le prestazioni, le applicazioni industriali rimangono relativamente limitate.
I materiali con rivestimenti superficiali come argento, nichel o oro presentano ulteriori sfide. Lo strato di rivestimento altera l'assorbimento dell'energia laser, portando a un accoppiamento insufficiente o a una fusione incoerente. Inoltre, i rivestimenti multistrato possono delaminarsi sotto il calore a causa della scarsa adesione interfacciale. La levigatura della superficie o l'uso di laser pulsati o verdi sono spesso necessari per migliorare l'assorbimento.
Per i materiali non metallici, i sistemi di saldatura laser convenzionali per metalli non sono adatti per plastica, gomma o compositi. La saldatura della plastica richiede specifici processi di saldatura a trasmissione e abbinamenti di materiali, applicando tipicamente sistemi di saldatura laser per plastica dedicati anziché sorgenti laser per metalli convenzionali.
4. Saldatura di metalli dissimili
La saldatura laser viene utilizzata anche per unire metalli dissimili. Tuttavia, la compatibilità metallurgica, il disallineamento dell'espansione termica e le differenze di punto di fusione impongono vincoli significativi. L'acciaio inossidabile e l'acciaio al carbonio sono più facili da saldare insieme, mentre le coppie alluminio-acciaio inossidabile, rame-acciaio inossidabile e alluminio-rame sono inclini a formare composti intermetallici fragili, riducendo la resistenza del giunto. La pratica industriale adotta spesso la brasatura laser, la scansione a zig-zag, l'aggiunta di filo di riempimento o percorsi del fascio ottimizzati per migliorare le prestazioni del giunto. La fattibilità dipende più dalla strategia del processo che dai materiali di base stessi.
5. Limitazioni del processo e fattori influenti
L'idoneità dei materiali per la saldatura laser è determinata da molteplici fattori influenti, tra cui la lunghezza d'onda del laser, le caratteristiche di assorbimento superficiale, gli elementi di lega, la conducibilità termica, la riflettività, la contaminazione superficiale, gli strati di ossido, la velocità di avanzamento, la posizione focale e il gas di protezione. Materiali diversi hanno finestre di elaborazione distinte, che richiedono un'attenta selezione delle apparecchiature e la regolazione dei parametri in base alle caratteristiche dei materiali.
6. Conclusione
In sintesi, le saldatrici laser mostrano un'ampia applicabilità nella lavorazione dei metalli. I materiali ferrosi e a base di nichel sono i più adatti, mentre le leghe di alluminio e rame sono saldabili ma richiedono un controllo avanzato del processo. Alcuni materiali ad alto tenore di carbonio, metalli rivestiti e leghe leggere mostrano limitazioni di applicazione e le plastiche o i materiali non metallici richiedono sistemi laser specializzati anziché sorgenti di saldatura per metalli convenzionali. Con l'avanzamento dei laser a fibra ad alta potenza, delle sorgenti laser verdi/blu e dei laser ultrarapidi, la gamma di materiali applicabili continua ad espandersi e si prevede che gli attuali colli di bottiglia della saldatura vengano superati in un numero maggiore di settori industriali.