Ciò che rende la lavorazione laser dei metalli uno strumento indispensabile

Un raggio laser è una cosa straordinaria. Un raggio laser a potenza continua ha densità di energia oltre 4 trilioni di volte superiori all’energia focalizzata del sole, e i produttori hanno determinato modi per utilizzare questa densità di potenza straordinariamente elevata per fare qualsiasi cosa, dal taglio e saldatura di lamiere alla perforazione di fori nelle schede PCB.

I laser possono tagliare, unire e sottrarre materiale. Possono persino aggiungere materiale tramite deposizione laser di metalli o stampa 3D. Possiamo variare i livelli di potenza, le frequenze degli impulsi e le densità di energia attraverso la manipolazione del diametro del raggio, tra gli altri modi, tutto in modo che il raggio laser possa indurre le giuste reazioni materiali per vari processi. In verità, l'uso del laser nell'industria è vasto e vario.

Materiali diversi interagiscono in modo diverso con varie lunghezze d'onda della luce, rendendo alcune sorgenti laser più efficienti nella lavorazione di determinati materiali rispetto ad altri. Ad esempio, uno dei vantaggi noti del taglio del metallo per applicazioni industriali con laser con lunghezza d’onda di 1 μm è l’aumento della velocità rispetto al taglio con laser a CO2. Gran parte di questo deriva dall’elevata capacità di assorbimento di quella lunghezza d’onda della luce, ad esempio, nell’acciaio al carbonio (vediFigura 1 ). Un piccolo raggio di luce effettivamente assorbito nell'acciaio da tagliare si traduce direttamente in velocità più elevate durante il taglio per fusione (ovvero il taglio con un gas non reattivo come l'azoto) nell'acciaio al carbonio.

Durante il taglio con laser a stato solido come disco o fibra, il diametro del fascio focalizzato, unito all'elevata percentuale di assorbimento dell'emissione laser, consente velocità di taglio molto elevate. Questo aumento delle prestazioni rispetto alla CO2 si riscontra principalmente nei materiali di spessore medio-sottile, con il vantaggio che si riduce all’aumentare dello spessore del materiale. Il diametro del raggio può essere controllato in una certa misura attraverso cose come la collimazione della luce o spostando la posizione della lente di focalizzazione (vedifigura 2), ma esiste un limite a quanto grande o piccolo può essere prodotto un raggio.

L'intervallo del diametro del fascio è determinato dalla dimensione della fibra di consegna del fascio (vediFigura 3 ). Una fibra di trasmissione del raggio da 100 μm è comune per i laser utilizzati per il taglio della lamiera. Questo diametro del nucleo garantisce un'elevata qualità del fascio e velocità di taglio elevate. Man mano che lo spessore del materiale aumenta, la dimensione del punto molto piccola diventa un ostacolo, limitando le prestazioni, la qualità del taglio e l'affidabilità del processo.

Per mitigare questo, è possibile scegliere un diametro del nucleo maggiore. Lo svantaggio, ovviamente, è che il diametro minimo del raggio diventa molto più grande di quello che può fornire il nucleo più piccolo. Sebbene la qualità e l’affidabilità del processo migliorino sostanzialmente, la velocità nei materiali più sottili è compromessa.

È qui che la fibra dual-core può aiutare. Un nucleo di piccolo diametro è installato coassialmente a un nucleo di grande diametro. Un otturatore programmabile cambia quale nucleo è attivo. Tale fibra è progettata per far sì che un sistema di taglio laser raggiunga velocità elevate su materiali sottili e alta qualità e affidabilità su materiali più spessi.

Il diametro della trave svolge un'altra funzione durante la saldatura. Sebbene non sia affatto una novità, la saldatura laser ha molto fascino, sia nelle officine che negli OEM, a causa del potenziale risparmio sui costi derivante da minori rilavorazioni; maggiore flessibilità ingegneristica; e l'eliminazione di processi a valle costosi e dispendiosi in termini di tempo, come la molatura e la lucidatura.

Nella lamiera, la saldatura laser avviene principalmente in due modi: saldatura a conduzione di calore e saldatura a penetrazione profonda. La saldatura a conduzione di calore utilizza un raggio fortemente sfocato situato sopra il pezzo da lavorare. La posizione di messa a fuoco del raggio varia generalmente da 6 a 12 mm sopra la superficie del pezzo, ma può raggiungere un'altezza di 25 mm. Il processo riscalda il metallo al di sopra della sua temperatura di fusione senza formazione di vapore. Le densità di potenza vanno da 104 a 105 W/cm2 e dipendono dalla conducibilità termica del metallo; il carbonio e l'acciaio inossidabile sono più facili da saldare con questa tecnica rispetto, ad esempio, all'alluminio.

Sebbene la saldatura a conduzione di calore presenti un cordone di saldatura altamente estetico, posizionato perpendicolarmente (90 gradi) al raggio laser, sebbene vi sia una certa flessibilità angolare con un compromesso sulla profondità di penetrazione, l'efficienza del processo è piuttosto scarsa. Quando il processo utilizza un laser a stato solido che produce luce da 1 μm, il 68% dell’energia si riflette sull’area irradiata del pezzo, determinando una bassa efficienza di accoppiamento che limita la profondità di penetrazione e la velocità di saldatura. Con un laser CO2, l'accoppiamento è ancora più scarso con l'88% della luce riflessa dall'area irradiata, rendendo impraticabile la saldatura a conduzione di calore con un laser CO2.