Nei moderni forni di produzione industriale,la saldatura laser e la saldatura ad arcosono come due strumenti affilati con bordi distinti, che supportano congiuntamente l'enorme domanda di connessioni metalliche. Dai dispositivi medici precisi e minuscoli a grandi strutture come navi e ponti, sebbene i loro campi di applicazione a volte si sovrappongano, formano anche distinte distinzioni nelle caratteristiche fondamentali. Una profonda comprensione delle differenze essenziali tra queste due principali tecnologie è la pietra angolare fondamentale per ottenere una selezione precisa e massimizzare l'efficienza nella pratica ingegneristica.
I. Fonti di energia: dai quanti di luce agli archi ionizzanti
Saldatura laser: la saldatura laser è un metodo di saldatura efficiente e preciso che utilizza un raggio laser ad alta densità di energia come fonte di calore. La saldatura laser è una delle importanti applicazioni della tecnologia di lavorazione dei materiali laser. La saldatura laser può essere ottenuta utilizzando raggi laser continui o pulsati. I principi della saldatura laser possono essere suddivisi in saldatura a conduzione termica e saldatura laser a penetrazione profonda.
Il principio della saldatura laser a conduzione termica è il seguente: la radiazione laser riscalda la superficie da trattare e il calore superficiale si diffonde all'interno attraverso la conduzione termica. Controllando i parametri del laser come la larghezza, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione dell'impulso laser, il pezzo viene fuso per formare una specifica pozza di fusione.
(1) Densità di potenza. La densità di potenza è uno dei parametri più cruciali nella lavorazione laser. Adottando una densità di potenza relativamente alta, lo strato superficiale può essere riscaldato fino al punto di ebollizione entro un intervallo di tempo di microsecondi, generando una grande quantità di vaporizzazione. Pertanto, un'elevata densità di potenza è vantaggiosa per la lavorazione di rimozione del materiale, come foratura, taglio e incisione. Per una densità di potenza inferiore, ci vogliono diversi millisecondi affinché la temperatura dello strato superficiale raggiunga il punto di ebollizione. Prima che lo strato superficiale si vaporizzi, lo strato inferiore raggiunge il punto di fusione, il che favorisce la formazione di una buona saldatura di fusione
(2) Forma d'onda dell'impulso laser. La forma d'onda degli impulsi laser è un problema importante nella saldatura laser, in particolare per la saldatura di lamiere sottili. Quando un raggio laser ad alta intensità viene diretto sulla superficie di un materiale, dal 60 al 98% dell'energia laser sulla superficie metallica verrà riflessa e persa e la riflettività varia con la temperatura superficiale. Durante il periodo di un impulso laser, la riflettività dei metalli varia notevolmente.
(3) Larghezza dell'impulso laser. La larghezza dell'impulso è uno dei parametri importanti nella saldatura laser pulsata. Non è solo un parametro cruciale che distingue la rimozione del materiale dalla fusione del materiale, ma anche un parametro chiave che determina il costo e il volume delle apparecchiature di lavorazione.
(4) Velocità di saldatura. La velocità di saldatura influisce sulla quantità di calore immesso per unità di tempo. Se la velocità di saldatura è troppo lenta, l'apporto di calore sarà troppo elevato, causando la bruciatura del pezzo. Se la velocità di saldatura è troppo elevata, l'apporto di calore sarà troppo piccolo, con conseguente mancata penetrazione del pezzo.
Saldatura ad arco: la sua energia proviene dall'arco formato dalla scarica continua tra l'elettrodo (elettrodo o filo) e il pezzo. L'alta temperatura generata dall'arco elettrico (di solito superiore a 5000°C) fa sì che l'elettrodo e il metallo di base si fondano simultaneamente per formare una pozza di fusione. A seconda del tipo di elettrodo e del metodo di protezione, viene ulteriormente classificato in più approcci:
Saldatura ad arco con gas metallico (MIG/MAG): alimentare continuamente il filo di saldatura come elettrodo e spruzzare contemporaneamente gas di protezione inerte o attivo (argon, CO₂ o loro miscele).
Saldatura a gas tungsteno inerte (TIG): utilizza un elettrodo di tungsteno refrattario ed è protetta da gas inerte (principalmente argon). È possibile aggiungere o meno il filo di riempimento e il materiale di base viene fuso dal calore dell'arco.
Saldatura ad arco con elettrodo rivestito (SMAW): l'elettrodo rivestito si scioglie sotto il calore dell'arco elettrico e il rivestimento genera gas protettivo e scoria per coprire la pozza di fusione.
Saldatura ad arco sommerso (SAW): il filo di saldatura e il flusso granulare vengono alimentati simultaneamente nella zona dell'arco. L'arco brucia sotto lo strato di flusso e il flusso si scioglie per formare scoria che copre la pozza di fusione.
II. Analisi approfondita delle dimensioni delle prestazioni principali
Saldatura laser: vantaggi significativi. L'energia è altamente concentrata, l'apporto di calore è estremamente basso e la zona termicamente alterata è molto stretta. Ciò riduce significativamente la deformazione di saldatura e le sollecitazioni residue, particolarmente adatto per lamiere sottili, parti di precisione e componenti assemblati, evitando efficacemente i successivi e ingombranti processi di correzione.
Saldatura ad arco: l'apporto di calore è relativamente elevato e ampiamente distribuito e la zona termicamente alterata è significativamente più ampia. I problemi di deformazione e sollecitazioni residue sono più evidenti, soprattutto nella saldatura di lamiere sottili, dove sono necessari una progettazione di attrezzature e una pianificazione della sequenza di saldatura particolarmente prudenti.
Velocità ed efficienza di saldatura
Saldatura laser: vantaggi significativi. Ha un'elevata densità di energia e una velocità di saldatura di gran lunga superiore a quella della maggior parte dei metodi di saldatura ad arco. I suoi vantaggi nelle linee di produzione automatizzate ad alta velocità sono insostituibili.
Saldatura ad arco: la velocità è relativamente lenta. Sebbene la saldatura ad arco sommerso o la saldatura MIG ad alta velocità possano raggiungere velocità relativamente elevate, sono solitamente ancora inferiori alla saldatura laser. La sua efficienza è limitata dalle proprietà fisiche dell'arco e dal processo di transizione delle goccioline.
Capacità di penetrazione e formazione della saldatura:
Saldatura laser: vantaggi (soprattutto saldatura a penetrazione profonda). L'effetto keyhole lo rende adatto per ottenere saldature con un elevato rapporto profondità-larghezza e può penetrare piastre spesse in un'unica passata. I cordoni di saldatura sono solitamente stretti e profondi, con una superficie liscia e bella.
Saldatura ad arco: la sua capacità di penetrazione è relativamente limitata e il rapporto profondità-larghezza è piccolo. La saldatura di piastre spesse richiede solitamente la smussatura per la saldatura multistrato e multipassaggio. La larghezza del cordone di saldatura è solitamente maggiore di quella della saldatura laser e la formazione dipende da specifici parametri di processo e dalle capacità del saldatore.
III. Adattabilità dei materiali e intervallo di spessore:
Saldatura laser
Materiali vantaggiosi: metalli comuni come acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, lega di alluminio e lega di titanio sono tutti applicabili. Per materiali ad alta riflettività come rame e oro, sono necessarie lunghezze d'onda speciali (luce verde, luce blu) o una potenza maggiore per superare la riflessione.
Intervallo di spessore: esperto in lamiere sottili e piastre medie. I laser ad alta potenza (come i laser a fibra da 10.000 watt) possono anche saldare materiali più spessi (> 10 mm), ma il costo delle apparecchiature è salito alle stelle. La saldatura di metalli dissimili (come acciaio-alluminio) ha un grande potenziale, ma richiede un controllo preciso.
Saldatura ad arco
Vantaggi: è applicabile a una gamma estremamente ampia di materiali, che copre quasi tutti i metalli saldabili (acciaio, acciaio inossidabile, alluminio, rame, leghe a base di nichel, ghisa, ecc.). Non ci sono particolari difficoltà per i materiali altamente riflettenti.
Intervallo di spessore: adattabilità estremamente ampia. Può gestire di tutto, da lamine ultrasottili (che richiedono tecnologie speciali come TIG/Plasma a micro-fascio) a strutture giganti spesse centinaia di millimetri (come la saldatura ad arco sommerso per la costruzione navale e la saldatura elettroscoria di piastre spesse) ed è la forza principale nella saldatura di parti spesse e grandi.
La saldatura laser, con le sue caratteristiche di alta velocità, basso apporto di calore, alta precisione e alto rapporto di aspetto, si è distinta nei settori della produzione di precisione e dell'automazione efficiente. La saldatura ad arco, con i suoi vantaggi di ampia adattabilità dei materiali, forte capacità di piastre spesse, basso costo delle apparecchiature e funzionamento flessibile, ha una profonda base nell'industria pesante e nella costruzione in loco. Entrambi giocano i loro punti di forza nel grande progetto della produzione industriale e guidano congiuntamente la continua espansione dei confini delle tecnologie di connessione. La saggezza di un ingegnere risiede nel percepire le esigenze fondamentali di specifici scenari applicativi e nel trovare il punto di equilibrio più adatto nel triangolo di costo, efficienza e qualità, rendendo la connessione dei metalli sia solida e affidabile, sia efficiente ed economica.