Laser CW e laser QCW nella saldatura

Caratteristiche della distribuzione dell'energia

Un attributo notevole dei laser CW è la loro distribuzione gaussiana di energia, dove la distribuzione di energia della sezione trasversale di un raggio laser diminuisce dal centro verso l'esterno secondo uno schema gaussiano (distribuzione normale). Questa caratteristica di distribuzione consente ai laser CW di raggiungere una precisione di messa a fuoco ed un'efficienza di elaborazione estremamente elevate, soprattutto in applicazioni che richiedono un dispiegamento di energia concentrata.

Diagramma di distribuzione dell'energia laser CW

Vantaggi della saldatura laser a onda continua (CW).

Prospettiva microstrutturale

L'esame della microstruttura dei metalli rivela distinti vantaggi 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 a 500 Hz, deve affrontare un compromesso tra velocità di sovrapposizione e profondità di penetrazione. Un tasso di sovrapposizione basso determina una profondità insufficiente, mentre un tasso di sovrapposizione elevato limita la velocità di saldatura, riducendo l’efficienza. Al contrario, la saldatura laser CW, attraverso la selezione di diametri del nucleo laser e teste di saldatura adeguati, consente di ottenere una saldatura efficiente e continua. Questo metodo si rivela particolarmente affidabile nelle applicazioni che richiedono un'elevata integrità della tenuta.

Considerazione sull'impatto termico

Dal punto di vista dell’impatto termico, la saldatura laser a impulsi QCW soffre del problema della sovrapposizione, che porta al ripetuto riscaldamento del cordone di saldatura. Ciò può introdurre incoerenze tra la microstruttura del metallo e il materiale principale, comprese variazioni nelle dimensioni delle dislocazioni e nelle velocità di raffreddamento, aumentando così il rischio di fessurazioni. La saldatura laser CW, invece, evita questo problema fornendo 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 numerosi parametri, tra cui la frequenza di ripetizione dell'impulso, la potenza di picco, l'ampiezza dell'impulso, il ciclo di lavoro e altro ancora. La saldatura laser CW semplifica il processo di regolazione, concentrandosi principalmente sulla forma d'onda, sulla velocità, sulla potenza e sulla quantità di sfocatura, alleviando significativamente la difficoltà operativa.

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 a pareti estremamente sottili, i progressi nella tecnologia di saldatura laser CW, in particolare per applicazioni ad alta potenza (tipicamente superiori a 500 watt) e la saldatura a penetrazione profonda basata sull'effetto buco della serratura, ha ampliato significativamente la sua gamma di applicazioni e la sua efficienza. Questo tipo di laser è particolarmente adatto per materiali più spessi di 1 mm, raggiungendo rapporti di aspetto elevati (oltre 8:1) nonostante un apporto di calore relativamente elevato.

Saldatura laser a onda quasi continua (QCW).

Distribuzione mirata dell'energia

QCW, che sta per "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 garantisce ai laser QCW una densità di energia superiore, traducendosi in capacità di penetrazione più forti. L'effetto metallurgico risultante è simile a una forma a "chiodo" con un significativo rapporto profondità-larghezza, consentendo ai laser QCW di eccellere in applicazioni che coinvolgono leghe ad alta riflettenza, materiali sensibili al calore e microsaldature di precisione.

Stabilità migliorata e interferenza ridotta del pennacchio

Uno dei vantaggi evidenti della saldatura laser QCW è la sua capacità di mitigare gli effetti del pennacchio metallico sul tasso di assorbimento del materiale, portando a un processo più stabile. Durante l'interazione laser-materiale, un'intensa evaporazione può creare una miscela di vapore metallico e plasma sopra il bagno di fusione, comunemente denominata pennacchio metallico. Questo pennacchio può proteggere la superficie del materiale dal laser, causando un'erogazione di potenza instabile e difetti come spruzzi, punti di esplosione e cavità. Tuttavia, l'emissione intermittente dei laser QCW (ad esempio, un burst di 5 ms seguito da una pausa di 10 ms) garantisce che ciascun impulso laser raggiunga la superficie del materiale senza essere influenzato dal pennacchio metallico, risultando in 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, soprattutto in termini di forze che agiscono sul buco della serratura, sono cruciali nel determinare la qualità della saldatura. I laser continui, a causa della loro esposizione prolungata e delle zone influenzate dal calore più grandi, tendono a creare vasche di fusione più grandi riempite di metallo liquido. Ciò può portare a difetti associati a grandi bacini di fusione, come il collasso del buco della serratura. Al contrario, l’energia focalizzata e il tempo di interazione più breve della saldatura laser QCW concentrano il pool di fusione attorno al buco della serratura, determinando una distribuzione della forza più uniforme e una minore incidenza di porosità, fessurazioni e spruzzi.