Saldatura a puntil'uso dei laser è possibile e offre numerosi vantaggi potenziali rispetto alla saldatura a punti convenzionale con corrente elettrica. Ma la domanda rimane: le tecniche basate sul laser possono davvero eguagliare o superare la produzione ad alta velocità e in grandi volumi dei tradizionali metodi di saldatura a punti utilizzati per carrozzerie di automobili, linguette di batterie e altri grandi assemblaggi metallici? Esaminiamo la tecnologia, i vantaggi e i limiti della saldatura a punti laser.
Come funziona la saldatura a punti laser
Come la saldatura a punti a resistenza standard, la saldatura a punti laser concentra l'intensità del calore su una piccola area precisa per fondere insieme le lamiere in poche frazioni di secondo. Ma anziché utilizzare la corrente elettrica tramite le punte degli elettrodi, i laser concentrano elevate quantità di energia ottica per fondere e unire rapidamente i metalli.[1]
Le dimensioni dello spot inferiori a 2 millimetri consentono un trasferimento preciso di energia ad alta densità in lamiere di acciaio stratificate. Questo crea un nucleo di saldatura che fonde insieme gli strati metallici nella sezione trasversale del raggio laser in pochi millisecondi.[2]
Grazie al controllo preciso e all'elaborazione rapida, il laser può depositare energia sufficiente per creare saldature a punti fino a 2 mm di profondità negli acciai al carbonio in meno di 10 secondi utilizzando solo un laser a fibra da 2 kilowatt.[3] Questa combinazione di velocità, densità e profondità rende il laser un'opzione realistica per la saldatura a punti di componenti ad alto volume.
Vantaggi rispetto alla saldatura a punti a resistenza standard
La saldatura a punti laser vanta numerosi vantaggi derivanti dal fatto di essere un processo ottico anziché elettrico:
- Non sono necessari elettrodi
I laser eliminano gli elettrodi costosi e soggetti a usura consentendo al tempo stesso la lavorazione senza contatto. Ciò riduce anche l'attrito e la marcatura delle impronte degli elettrodi sulle parti finite.[4]
- Legami a maggiore resistenza
Il laser produce saldature con una resistenza alla trazione superiore fino al 30% che presenta meno problemi di microfessurazioni o porosità comuni con la saldatura a punti a resistenza.[5]
- Funziona con nuovi materiali
I laser possono saldare con successo metalli esotici come il magnesio o l'alluminio che pongono problemi di conduttività elettrica e consistenza del materiale per la saldatura a punti standard.[6]
- Controllo/diagnostica del processo migliorati
I laser offrono monitoraggio, controllo e conferma della qualità superiori. Parametri come gli angoli del fascio, la durata dell'impulso o il punto focale regolano con precisione le saldature.[7] E metodi come la termografia a infrarossi visualizzano meglio il flusso di calore in tempo reale.[8]
Pertanto i laser presentano vantaggi distinti sia che aumentino o sostituiscano le operazioni di saldatura a punti standard a lungo termine. Ma la realizzazione di questi benefici dipende dalla risoluzione di alcune limitazioni rimanenti.
Vincoli rimanenti con la saldatura a punti laser
Pur dimostrandosi promettente, la tecnologia di saldatura a punti laser deve ancora affrontare alcune barriere:
- Costo
Il costo più elevato delle attrezzature dei laser può scoraggiare l'adozione di modifiche sulle linee di produzione attive. Il ROI a breve termine rimane impegnativo.[9]
- Velocità
La saldatura a punti standard raggiunge una produttività estremamente elevata, finora ineguagliata dai metodi laser. Attualmente i laser funzionano a velocità inferiori di circa il 20%, anche se il miglioramento costante continua.[10]
- Squilibrio diagnostico
Anche se il monitoraggio laser in sé è superiore, decenni di metrologia della saldatura a punti a resistenza per il controllo qualità sono ben consolidati. Standard, specifiche e procedure di prova equivalenti rimangono nelle prime fasi di sviluppo dei metodi laser.[9]
Pertanto la diagnostica avanzata deve espandersi insieme ai miglioramenti nella velocità e nella modellazione del fascio per replicare meglio i processi standard su larga scala. Ma il potenziale tecnico a lungo termine favorisce ancora il raggiungimento con il laser di velocità di ciclo pari o più veloci.
Le prospettive per la saldatura a punti laser
Con vantaggi chiave in termini di qualità della saldatura, flessibilità e diagnostica, l’adozione della saldatura a punti laser si espanderà, soprattutto laddove la richiesta di nuovi materiali determina il cambiamento. Un'analisi prevede che il settore automobilistico guiderà una crescita di oltre il 50% nelle vendite di apparecchiature per la saldatura laser dal 2020 al 2025 con l'aumento dell'utilizzo di metalli più leggeri.[11]
E la produzione di batterie sta anche stimolando un enorme rialzo per la saldatura a punti laser di linguette e lamine di rame dove sorgono problemi di contatto elettrico. Pertanto, sebbene permangano i vincoli relativi all'integrazione della produzione legacy, lo slancio tecnico della saldatura a punti laser supporta una penetrazione più costante di grandi volumi a lungo termine per sfruttare la qualità e il miglioramento della produttività.
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Riferimenti:
[1] Ready, JF Applicazioni industriali dei laser. Stampa accademica. 25 aprile 2003, pag. 468
[2] Ione JC. Lavorazione laser di materiali tecnici: principi, procedura e applicazione industriale. Butterworth-Heinemann. 1 gennaio 2005. p 34-35
[3] Quintino L, Costa A, Miranda R, et al. Saldatura con laser fibra ad alta potenza - Uno studio preliminare. Mater Des. 2007;28(4):1231-1237.
[4] Casalino G. Studio del controllo del feedback della saldatura laser mediante termografia quantitativa a infrarossi: tempo di interazione e metodo di ordine zero per il controllo della penetrazione della saldatura; modellazione analitica della radiazione infrarossa emessa dal bagno di saldatura laser. Frattura ed integrità strutturale. 2016;36:69-77.
[5] Norman P, Karlsson L, Kaplan AFH. Prestazioni a fatica e modalità di cedimento delle saldature a punti laser. Analisi dei guasti ingegneristici. 1;28 marzo 2013:345-57.
[6] Chen G, Liu L, Dunne D, et al. Saldatura laser di lamiera in lega di magnesio AZ31. Tecnologia di processo J Mater. 30 maggio 2005;166(1):30-6.
[7] Gao C, Hu L, Liu J, Ye X, Chen G. Il modo per ottenere una saldatura laser dissimile in acciaio Al senza difetti. Ottica e tecnologia laser. 1 febbraio 2015; 66:21-6.
[8] Hu L, Gao C, Liu J, et al. Diagnosi in tempo reale del plasma sottoposto ad ablazione laser per un monitoraggio preciso della qualità della saldatura laser. Tecnologia di processo J Mater. 1 ottobre 2015;224:233-40.
[9] Norman P, Karlsson L, Kaplan AF. Recensione: saldatura a raggio laser di rame su alluminio, una recensione. Transazioni di materiali. 1 luglio 2013;54(7):878-87.
[10] Peng Y, Chen D, Pan Z et al. Microstrutture e valutazione delle prestazioni di componenti Al-Cu dissimili prodotti mediante fusione laser selettiva. Ottica e tecnologia laser. 2020 febbraio 1;123:105991.
[11] Mercato delle apparecchiature per saldatura laser: crescita, tendenze, impatto COVID-19 e previsioni|Intelligenza di Mordor [Internet]. Intelligenza di Mordor. 2021 [citato il 19 gennaio 2023]. Disponibile da: https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/laser-welding-equipment-market