La saldatura laser è un metodo per unire due materiali insieme utilizzando un raggio laser come fonte di calore concentrata per sciogliere e fondere i materiali nel loro punto di contatto. Offre vantaggi rispetto alle tecniche di saldatura tradizionali come maggiore velocità, automazione più semplice, migliore qualità e precisione e opzioni di materiali ampliate.Saldatura laser a freddosi riferisce a un sottoinsieme di metodi di saldatura laser che comportano un apporto di calore molto inferiore rispetto alla saldatura laser standard. Ma come funziona e quali sono le principali tecniche di saldatura laser freddo utilizzate oggi?
Minore apporto di calore
Per definizione, la saldatura laser fredda utilizza una densità di potenza laser e un apporto di calore significativamente inferiori rispetto ai metodi di saldatura per fusione più caldi. Ciò consente di unire materiali più sensibili al calore, come plastica o lamine sottili, con minori deformazioni, bruciature o altri danni termici rispetto alla saldatura laser a temperature più elevate.[1]
Le tipiche tecniche di saldatura laser a freddo forniscono solo il 25-30% dell'energia utilizzata nella saldatura laser convenzionale. Ciò equivale a densità di potenza inferiori a 1 megawatt per centimetro quadrato e temperature di picco inferiori a 2500 gradi F sulle superfici della linea di collegamento.[2]
Il calore inferiore riduce al minimo la deformazione delle parti e i rischiosi cambiamenti metallurgici nei componenti da saldare. Consente inoltre incollaggi efficaci in materiali altamente riflettenti come l'alluminio o il rame che normalmente devierebbero quantità maggiori di energia laser anziché assorbirla.[3]
Principali Tecniche di Saldatura Laser Freddo
Le tre principali categorie di saldatura laser considerate tecniche a freddo includono:
1. Saldatura laser a bassa densità di potenza
Ciò comporta la riduzione della densità di potenza dei laser standard a stato solido o a fibra a 0,5 megawatt per cm2 o meno. Consente saldature fino a 0,5 mm di profondità riducendo al minimo l'apporto di calore e l'impatto metallurgico sulle leghe sensibili.[4]
2. Scansione della saldatura laser
Questo metodo fa oscillare o scansionare rapidamente il raggio laser sopra la cucitura durante l'emissione di impulsi. La combinazione di un fascio più ampio e di un movimento rapido limita l’apporto di calore nonostante l’utilizzo di densità di potenza superiori a 2 megawatt per cm2. Facilita la saldatura di leghe aerospaziali esotiche e linguette di batterie.[5]
3. Microsaldatura laser
Questo utilizza diodi laser a infrarossi che emettono lunghezze d'onda sintonizzate sui picchi di assorbimento dei polimeri. Un attento controllo dell'emissione al di sotto di 150 watt crea saldature strette profonde meno di 0,1 mm ma sufficientemente resistenti per componenti come cateteri medici e microelettronica.[6],[7]
Vantaggi rispetto alla saldatura laser standard
Sebbene le velocità e le profondità massime di saldatura siano limitate, le tecniche laser freddo offrono vantaggi tra cui:
- Riduzione al minimo della distorsione delle parti e dei cambiamenti metallurgici deleteri
- Evita danni da calore e perdita di temperamento nelle leghe sensibili
- Facilitare legami forti e di precisione in materiali altamente riflettenti e conduttivi precedentemente non saldabili
- Unione di accoppiamenti di materiali termoplastici e polimeri dissimili soggetti a degradazione termica
- Consente la saldatura automatizzata di lamine estremamente sottili fino a 0,05 mm di spessore [8]
Pertanto la saldatura laser a freddo riempie un'importante nicchia, facilitando giunzioni complesse di metalli, plastica e miscele di materiali incompatibili con i metodi di saldatura laser convenzionali più caldi.
Applicazioni che traggono vantaggio
I settori aerospaziale, elettronico e dei dispositivi medici, in particolare, adottano soluzioni di saldatura laser a freddo per sfruttare vantaggi come consentire giunzioni di materiali impegnativi con distorsione minima su componenti piccoli e complessi.
Le applicazioni di esempio includono:
- Sigillatura ermetica delle custodie in titanio dei pacemaker [9]
- Saldatura di camere da vuoto esterne per spettrometri di massa [10]
- Unione di bobine di lamina di nichel nei generatori elettrici preservando le proprietà magnetiche [11]
- Sigillatura dei polimeri nei cerotti per la somministrazione di farmaci senza adesivi termoliquefacenti [12]
Pertanto, pur lavorando su scala più piccola, le tecniche laser freddo consentono legami mission-critical in leghe di grado spaziale, strumenti diagnostici e componenti medici salvavita dove il mantenimento delle proprietà e delle dimensioni dei materiali di base è fondamentale.
In sintesi
La saldatura laser a freddo utilizza tecniche laser a densità di energia ridotta che limitano l'apporto di calore durante la saldatura di precisione. Mantenere le temperature basse riduce al minimo la distorsione delle parti e i danni metallurgici, consentendo al tempo stesso legami in componenti altamente riflettenti e termicamente sensibili precedentemente vietati alla saldatura per fusione a caldo. Pur lavorando su microscala, il laser freddo consente un’unione complessa di accoppiamenti di materiali esotici e dissimili, fondamentali per applicazioni dai satelliti agli impianti chirurgici.
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Riferimenti:
[1] Katayama, S. Manuale delle tecnologie di saldatura laser. Editoria Woodhead. 2013. pag. 342.
[2] Lavorazione laser Ion JC di materiali tecnici: principi, procedura e applicazione industriale. Elsevier. 2005. p 203-204.
[3] Dawes C. Saldatura laser: una guida pratica. Editoria Woodhead. 1992, pag. 88.
[4] Kah P, Suoranta R, Martikainen J, Magnus C. Tecniche per unire materiali dissimili: metalli e polimeri. Rev. Adv Mater Sci. 2014;36:152-164.
[5] Kah P, Suoranta R, Martikainen J. Tecniche avanzate per la saldatura laser di polimeri trasparenti. Procedimento di fisica. 2015;78:182-190.
[6] Acherjee B, Mondal B, Tudu B, Misra D. Progressi e recenti innovazioni nella tecnologia di saldatura a raggio laser. Ottica e laser in ingegneria. 2021; 140:106877.
[7] Roesner A, Scheik S, Olowinsky A, Gillner A, Reisgen U, Schleser M. Saldatura laser di polimeri mediante laser ad alta intensità. Giornale di micro nanoingegneria laser. 2019;14(1):1-6.
[8] Katayama S. Fenomeni di saldatura laser nella saldatura di lamine sottili. Giornale delle applicazioni laser. 2011 1 giugno;23(2):022005.
[9] L rispettivamenteampe T, Roos E. Indagini sulla saldatura per fusione di leghe di titanio per pacemaker. Materiali per dispositivi medici II: atti della conferenza Materiali e processi per i dispositivi medici. 8 novembre 2004, pag. 12-6.
[10] Synowicki RA. Problemi materiali per camere a vuoto in titanio saldato in applicazioni di spettrometria di massa. 18° Convegno Topico sulla Scienza dell'Energia da Fusione. 28 ottobre 1999.
[11] Dilger K, Nussbaum C, Nusbickel W, Rodman R. Saldatura laser di acciai elettrici e sue conseguenze tecnologiche sui nuclei magnetici CA. Transazioni IEEE su prodotti magnetici. 28 settembre 1992(5):2260-3.
[12] D comandissingh SP, Wieduwilt TJ. Utilizzo del processo di saldatura a trasmissione laser per la sigillatura di dispositivi protesici per l'impianto. Domanda di brevetto statunitense US 06/938,069. 4 dicembre 1974.