Laser CW e laser QCW nella saldatura

Caratteristiche di distribuzione dell'energia

Una caratteristica degna di nota dei laser a onda continua (CW) è la loro distribuzione energetica gaussiana, in cui la distribuzione energetica della sezione trasversale del fascio laser diminuisce dal centro verso l'esterno seguendo un andamento gaussiano (distribuzione normale). Questa caratteristica di distribuzione consente ai laser a onda continua (CW) di raggiungere una precisione di focalizzazione e un'efficienza di elaborazione estremamente elevate, soprattutto nelle applicazioni che richiedono un'erogazione di energia concentrata.

Diagramma di distribuzione dell'energia laser CW

Vantaggi della saldatura laser a onda continua (CW)

Prospettiva microstrutturale

Esaminando la microstruttura dei metalli, si possono individuare i vantaggi distintivi della saldatura laser a onda continua (CW) rispetto alla saldatura a impulsi a onda quasi continua (QCW). La saldatura a impulsi QCW, vincolata dal suo limite di frequenza, tipicamente intorno ai 500 Hz, si trova a dover scegliere tra tasso di sovrapposizione e profondità di penetrazione. Un basso tasso di sovrapposizione si traduce in una profondità insufficiente, mentre un alto tasso di sovrapposizione limita la velocità di saldatura, riducendo l'efficienza. Al contrario, la saldatura laser CW, grazie alla scelta di diametri del nucleo laser e teste di saldatura appropriati, consente di ottenere una saldatura efficiente e continua. Questo metodo si dimostra particolarmente affidabile nelle applicazioni che richiedono un'elevata integrità di saldatura.

Considerazione dell'impatto termico

Dal punto di vista dell'impatto termico, la saldatura laser a impulsi QCW presenta il problema della sovrapposizione, che porta a un riscaldamento ripetuto del cordone di saldatura. Questo può causare incongruenze tra la microstruttura del metallo e il materiale di base, comprese variazioni nelle dimensioni delle dislocazioni e nelle velocità di raffreddamento, aumentando così il rischio di cricche. La saldatura laser CW, invece, evita questo problema garantendo un processo di riscaldamento più uniforme e continuo.

Facilità di regolazione

In termini di funzionamento e regolazione, la saldatura laser QCW richiede una meticolosa regolazione di diversi parametri, tra cui la frequenza di ripetizione degli impulsi, la potenza di picco, la durata degli impulsi, il ciclo di lavoro e altro ancora. La saldatura laser CW semplifica il processo di regolazione, concentrandosi principalmente su forma d'onda, velocità, potenza e livello di sfocatura, riducendo notevolmente le difficoltà operative.

Progresso tecnologico nella saldatura laser CW

Sebbene la saldatura laser QCW sia nota per l'elevata potenza di picco e il basso apporto termico, vantaggiosi per la saldatura di componenti sensibili al calore e materiali con pareti estremamente sottili, i progressi nella tecnologia di saldatura laser CW, in particolare per applicazioni ad alta potenza (tipicamente superiori a 500 watt) e per la saldatura a penetrazione profonda basata sull'effetto keyhole, ne hanno ampliato significativamente il campo di applicazione e l'efficienza. Questo tipo di laser è particolarmente adatto per materiali di spessore superiore a 1 mm, raggiungendo elevati rapporti di aspetto (oltre 8:1) nonostante un apporto termico relativamente elevato.

Saldatura laser a onda quasi continua (QCW)

Distribuzione energetica mirata

QCW, acronimo di "Quasi-Continuous Wave", rappresenta una tecnologia laser in cui il laser emette luce in modo discontinuo, come illustrato nella figura a. A differenza della distribuzione uniforme dell'energia dei laser continui monomodali, i laser QCW concentrano la loro energia in modo più denso. Questa caratteristica conferisce ai laser QCW una densità energetica superiore, che si traduce in una maggiore capacità di penetrazione. L'effetto metallurgico risultante è simile a quello di un "unghia" con un significativo rapporto profondità-larghezza, consentendo ai laser QCW di eccellere in applicazioni che coinvolgono leghe ad alta riflettività, materiali sensibili al calore e microsaldature di precisione.

Maggiore stabilità e ridotta interferenza del pennacchio

Uno dei vantaggi più evidenti della saldatura laser QCW è la sua capacità di mitigare gli effetti del pennacchio metallico sul tasso di assorbimento del materiale, garantendo un processo più stabile. Durante l'interazione laser-materiale, un'intensa evaporazione può creare una miscela di vapore metallico e plasma al di sopra del bagno di fusione, comunemente chiamata pennacchio metallico. Questo pennacchio può schermare la superficie del materiale dal laser, causando un'erogazione di potenza instabile e difetti come schizzi, punti di esplosione e vaiolature. Tuttavia, l'emissione intermittente dei laser QCW (ad esempio, un burst di 5 ms seguito da una pausa di 10 ms) garantisce che ogni impulso laser raggiunga la superficie del materiale senza essere influenzato dal pennacchio metallico, garantendo un processo di saldatura notevolmente stabile, particolarmente vantaggioso per la saldatura di lamiere sottili.

Dinamica stabile del pool di fusione

La dinamica del bagno di fusione, in particolare in termini di forze agenti sul foro di saldatura, è cruciale per determinare la qualità della saldatura. I laser continui, a causa della loro esposizione prolungata e delle maggiori zone termicamente alterate, tendono a creare bagni di fusione più grandi, pieni di metallo liquido. Ciò può portare a difetti associati a bagni di fusione di grandi dimensioni, come il collasso del foro di saldatura. Al contrario, l'energia focalizzata e il tempo di interazione più breve della saldatura laser QCW concentrano il bagno di fusione attorno al foro di saldatura, con conseguente distribuzione più uniforme della forza e una minore incidenza di porosità, cricche e spruzzi.