Sia a saldatura à fasciu laser sia a saldatura à arcu sò state aduprate dapoi tantu tempu per a pruduzzione industriale, è permettenu un largu spettru d'usi in u campu di a tecnulugia di unione di materiali. Ognunu di sti prucessi hà e so specifiche aree d'applicazione, cum'è descritte da i prucessi fisichi di u trasportu d'energia à u pezzu di travagliu è da i flussi d'energia chì ponu esse ottenuti. L'energia hè trasmessa da a fonte di u fasciu laser à u materiale per a trasfurmazione per mezu di radiazione coerente infrarossa d'alta energia, utilizendu un cavu in fibra ottica. L'arcu trasmette u calore necessariu per a saldatura per mezu di una corrente elettrica elevata chì scorre à u pezzu di travagliu via una colonna d'arcu. A radiazione laser porta à una zona assai stretta affettata da u calore cù un grande rapportu trà a prufundità di saldatura è a larghezza di a cucitura (effettu di saldatura profonda). A capacità di colmà i gap di u prucessu di saldatura laser hè assai bassa, per via di u so picculu diametru di focu, ma d'altra parte pò ghjunghje à velocità di saldatura assai elevate. U prucessu di saldatura à arcu hà una densità d'energia assai più bassa, ma provoca un puntu focale più grande nantu à a superficia di u pezzu di travagliu è hè carattarizatu da una velocità di trasfurmazione più lenta. Fusionendu tramindui sti prucessi, si ponu ottene sinergie utili. In fine, questu permette di ottene sia vantaghji di qualità sia benefici in termini di ingegneria di pruduzzione, è ancu una migliore efficienza di i costi. Stu prucessu offre applicazioni interessanti è ecunomicamente attraenti, sia in l'industria automobilistica, micca menu perchè sò permesse tolleranze più elevate nantu à e saldature, sò pussibuli tassi di giunzione più elevati è si ponu ottene parametri meccanichi/tecnologichi assai boni.
1. Introduzione:
Si sà cumu si pò cumminà a luce laser è l'arcu in un prucessu di saldatura amalgamatu dapoi l'anni 1970, ma per un bellu pezzu dopu, ùn hè statu realizatu alcun ulteriore travagliu di sviluppu. Recentemente, i circadori anu vultatu a so attenzione à questu tema è anu pruvatu à unisce i vantaghji di l'arcu cù quelli di u laser, in un prucessu di saldatura ibridu. Mentre chì in i primi tempi, e fonti laser avianu ancu da dimustrà a so idoneità per l'usu industriale, oghje sò apparecchiature tecnologiche standard in parechje imprese di fabricazione.
A cumbinazione di a saldatura laser cù un altru prucessu di saldatura hè chjamata "prucessu di saldatura ibridu". Questu significa chì un raghju laser è un arcu agiscenu simultaneamente in una zona di saldatura, è s'influenzanu è si sustenenu l'un l'altru.
2. Laser:
A saldatura laser richiede micca solu una putenza laser elevata, ma ancu un fasciu di alta qualità per ottene l'effettu di "saldatura profonda" desideratu. A qualità superiore di u fasciu risultante pò esse sfruttata sia per ottene un diametru focale più chjucu sia una distanza focale più grande.
Per i prughjetti di sviluppu chì sò attualmente in corsu, hè utilizatu un laser à statu solidu pompatu da una lampada cù una putenza di u fasciu laser di 4 kW. A luce laser hè trasmessa via una fibra di vetru di 600 µm.
A luce laser hè trasmessa via una fibra di vetru, in a quale l'iniziu è a fine sò raffreddati à acqua. U raghju laser hè prughjettatu nantu à a pezza da un modulu di focalizazione cù una distanza focale di 200 mm.
3. Prucessu ibridu laser:
Per a saldatura di pezzi metallichi, u fasciu laser Nd:YAG hè focalizatu à intensità superiori à 106W/cm2. Quandu u fasciu laser tocca a superficia di u materiale, riscalda stu puntu à a temperatura di vaporizazione, è una cavità di vapore si forma in u metallu saldatu per via di u vapore metallicu chì esce. A caratteristica distintiva di a cucitura di saldatura hè u so altu rapportu prufundità-larghezza. A densità di u flussu d'energia di l'arcu chì brusgia liberamente hè ligeramente superiore à 104 W/cm2. A Figura 1 illustra u principiu basicu di a saldatura ibrida. U fasciu laser
rapprisintatu quì furnisce calore à u metallu di saldatura in a parte superiore di a cucitura, in più di u calore di l'arcu. À u cuntrariu di una cunfigurazione sequenziale induve dui prucessi di saldatura separati agiscenu in successione, a saldatura ibrida pò esse vista cum'è una cumbinazione di i dui prucessi di saldatura chì agiscenu simultaneamente in una è a listessa zona di prucessu. Sicondu u prucessu à arcu o laser utilizatu, è i parametri di u prucessu, i prucessi s'influenzaranu l'uni l'altri in una misura diversa è in modi diversi [1, 2].
Grazie à a cumbinazione di u prucessu laser è di u prucessu à arcu, ci hè ancu un aumentu sia di a prufundità di penetrazione di a saldatura sia di a velocità di saldatura (in paragone à qualsiasi di i prucessi utilizati da soli). U vapore metallicu chì esce da a cavità di vapore retroagisce nantu à u plasma di l'arcu. L'assorbimentu di a radiazione laser Nd:YAG in u plasma di trasfurmazione ferma trascurabile. Sicondu u rapportu sceltu trà i dui ingressi di putenza, u caratteru di u prucessu generale pò esse determinatu in una misura più grande o più chjuca sia da u laser sia da l'arcu [3,4].
Fig. 1: Rappresentazione schematica: Saldatura LaserHybrid
L'assorbimentu di a radiazione laser hè sustanzialmente influenzatu da a temperatura di a superficia di a pezza. Prima chì u prucessu di saldatura laser possi cumincià, a riflettanza iniziale deve esse prima superata, in particulare nantu à e superfici in aluminiu. Questu pò esse ottenutu cuminciendu a saldatura cù un prugramma di partenza speciale. Dopu chì a temperatura di vaporizazione hè stata raggiunta, a cavità di vapore hè furmata, cù u risultatu chì quasi tutta l'energia di radiazione pò esse immessa in a pezza. L'energia necessaria per questu hè dunque determinata da l'assorbimentu dipendente da a temperatura è da a quantità di energia persa.
per conduzione in u restu di a pezza. In a saldatura LaserHybrid, a vaporizazione si faci micca solu da a superficia di a pezza, ma ancu da u filu di riempimentu, ciò chì significa chì ci hè più vapore metallicu dispunibule, ciò chì facilita l'entrata di a radiazione laser. Questu impedisce ancu l'interruzzione di u prucessu [5, 6, 7, 8, 9].
4. Applicazione automobilistica:
Utilizendu a tecnulugia di u quadru spaziale, hè pussibule una riduzione di pesu di 43% in paragone à una carrozzeria d'acciaiu.
Fig. 2: Audi Space frame cuncettu A2
U quadru di l'Audi A2 Space hè custituitu da 30 m di Laser (strisce gialle in a figura 2) è 20 m di lunghezza di saldatura MIG. Inoltre, sò ancu aduprati 1700 rivetti.
Fig. 3: Paragone di i profili è di e tecniche di giunzione nantu à l'Audi-A2
A figura 4 mostra una giunzione saldata LaserHybrid di un materiale fusu ALMg3 cù un materiale in foglia AlMgSi. U filu di riempimentu hè AlSi5 è u gas di prutezzione utilizatu hè Argon. Cù l'aumentu di a putenza laser, una penetrazione più profonda hè pussibule. Cumbinendu u raghju laser cù l'arcu in questu modu si ottiene un bagnu di saldatura più grande chè cù u prucessu di saldatura à raghju laser solu. Questu rende pussibule di saldà cumpunenti cù spazii più larghi.
Fig 4: Ghjunta di sovrapposizione cù una fessura di 0,5 mm
In l'industria automobilistica ci sò parechje applicazioni di saldatura à sovrapposizione senza preparazione di giunti. À u mumentu, u prucessu di punta per questu travagliu di saldatura hè u prucessu di saldatura laser cù un filu di riempimentu fretu, per via di a frattura à caldu di a lega AA 6xxx. Quandu u giuntu hè saldatu cù un filu di riempimentu, assai di l'energia laser serà persa per scioglie quellu filu di riempimentu.
A figura dopu rapprisenta e differenze trà a saldatura LaserHybrid è a saldatura laser nantu à un giuntu di sovrapposizione cù una velocità di saldatura di 2,4 m/min. In u casu di a saldatura laser, ùn ci hè pussibilità di riempie u cordone di saldatura, è si produce un sottosquadro. Inoltre, ci hè solu una penetrazione assai chjuca in u materiale di basa. A larghezza di u cordone di saldatura hè assai chjuca, è dunque si prevede una bassa resistenza à a trazione. In u casu di a saldatura LaserHybrid,
U materiale supplementu hè trasportatu in u bagnu di saldatura. U sottosquadru hè pienu cù u filu di u prucessu MIG, è una parte di l'energia laser hè avà risparmiata. Questa energia laser risparmiata pò esse aduprata per aumentà a penetrazione in u materiale di basa è a larghezza di u cordone di saldatura hè più grande di u spessore di u materiale, chì hè necessariu da a simulazione numerica.
Fig. 5 Paragone trà LaserHybrid è a saldatura laser senza filu d'apportu
Cù a prucedura di saldatura LaserHybrid hè pussibule di saldà materiali d'aluminiu, acciai è acciai inossidabili finu à 4 mm di spessore. Sè u spessore hè troppu altu, a penetrazione cumpleta ùn hè micca pussibule. Per unisce materiali rivestiti di zincu, hè ancu preferibile aduprà u prucessu di brasatura laser.
Altre applicazioni in l'automobile sò i treni di putenza, l'assi è e carrozzerie di l'auto, induve u prucessu di saldatura ibrida laser pò esse adattatu.
Testa di saldatura:
A testa di saldatura deve avè dimensioni geometriche chjuche, in modu da assicurà una bona accessibilità à i cumpunenti da saldà, in particulare in u campu di e carrozzerie. Inoltre, deve esse cuncipita per permette sia una cunnessione staccabile adatta à a testa di u robot sia a regulabilità di variabili di prucessu cum'è a distanza focale è e distanze di a torcia in tutte e coordinate cartesiane. A figura 5 mostra a testa di saldatura, mentre u prucessu hè in azzione. I spruzzi chì si verificanu durante u prucessu di saldatura portanu à una crescente sporcizia di u vetru protettivu. U vetru di quarzu hè rivestitu da i dui lati cù un materiale antiriflessu è hè destinatu à prutege u sistema otticu laser da danni.
Sicondu u gradu di sporcizia, i spruzzi chì s'accumulanu nantu à u vetru ponu fà diminuisce a putenza laser chì impatta effettivamente nantu à a pezza finu à u 90%. Una sporcizia più pesante generalmente porta à a distruzzione di u vetru protettivu, postu chì una grande parte di l'energia radiante hè tandu assorbita da u vetru stessu, causendu tensioni termiche in u vetru. Cù quella testa di saldatura è l'attrezzatura di saldatura, hè pussibule aduprà per a saldatura LaserHybrid, a saldatura laser, a saldatura MSG èBrasatura à filu caldu laser.
Fig. 6: Testa di saldatura è prucessu
5. Vantaghji di a saldatura ibrida laser:
I seguenti vantaghji risultanu da a fusione di l'arcu è di u raghju laser: Vantaghji di a saldatura LaserHybrid rispetto à a saldatura laser:
• una maggiore stabilità di prucessu
• una maggiore capacità di ponticellatura
• penetrazione più prufonda
• costi d'investimentu di capitale più bassi
• una maggiore duttilità
Vantaghji di a saldatura LaserHybrid rispetto à a saldatura MIG:
• velocità di saldatura più elevate
• penetrazione più prufonda à velocità di saldatura più elevate
• input termicu più bassu
• resistenza à a trazione più alta
• saldature più strette
Fig. 7: Vantaghji di a cumbinazione di i dui prucessi
U prucessu di saldatura à arcu hè carattarizatu da una fonte d'energia à bassu costu, una bona capacità di ponte è da a facilità d'influenzà a struttura aghjunghjendu metalli d'apportu. E caratteristiche distintive di u prucessu di u fasciu laser, invece, sò a grande prufundità di saldatura, l'alta velocità di saldatura, u bassu caricu termicu è e saldature strette ch'ellu ottiene. Sopra una certa densità di u fasciu, u fasciu laser produce un "effettu di saldatura profonda" in i materiali metallichi chì permette di saldà cumpunenti cù spessori di parete più grandi - à cundizione chì a putenza laser sia sufficientemente alta. A saldatura ibrida laser permette dunque velocità di saldatura più elevate, stabilizazione di u prucessu per via di l'interazione trà l'arcu è u fasciu laser, una maggiore efficienza termica è tolleranze di u pezzu di travagliu più elevate. Siccomu u bagnu di saldatura hè più chjucu chè in u prucessu MIG, ci hè menu input termicu è dunque una zona affettata da u calore più chjuca. Questu significa menu saldatura.
distorsione, chì riduce a quantità di travagliu di raddrizzamentu dopu a saldatura chì deve esse fattu.
Quandu ci sò dui bagni di saldatura separati, l'apportu termicu susseguente da l'arcu significa chì u fasciu laser - zona saldata - in particulare in u casu di l'acciaiu - riceve un trattamentu di rinvenimentu dopu a saldatura, sparghjendu i valori di durezza in modu più uniforme in tutta a cucitura. A figura 6 riassume i vantaghji di u prucessu cumminatu (vale à dì ibridu).
Passendu avà à i vantaghji ecunomichi di a saldatura ibrida rispetto à a saldatura laser, si ponu fà e seguenti dichjarazioni: A saldatura hè custituita in parte da una saldatura laser è in parte da una saldatura MIG. U prucessu ibridu permette di riduce a putenza di u fasciu laser, ciò chì significa chì u cunsumu energeticu di a fonte laser pò esse assai diminuitu, postu chì l'apparecchiu à fasciu laser hà una efficienza di solu u 3%. In altre parole: Una riduzione di 1 kW in a putenza di u fasciu laser chì impatta nantu à a pezza porta à una riduzione di circa 35 kVA in a putenza cunsumata da a rete elettrica.
Un apparecchiu à fasciu laser costa circa 0,1 milioni d'euri per ogni kW diputenza di u raghju laserPer piglià solu un esempiu, in un casu induve l'utilizazione di u prucessu ibridu permette di utilizà un apparecchiu à fasciu laser di 2 kW invece di unu cù 4 kW di putenza di fasciu, questu si traduce in risparmi di 0,2 milioni d'euri in spese d'investimentu. Tuttavia, ci vole à ricurdà quì chì per u prucessu ibridu, serà necessaria una macchina MIG chì costa circa 20.000 euri.
Grazie à a più alta velocità di saldatura, si ponu riduce sia i tempi di fabricazione sia i costi di saldatura.
6. Brasatura LaserHotwire:
Un'altra pussibilità per cumminà u raghju laser cù un filu di riempimentu hè u prucessu LaserHotwire [10]. In questa prucedura, u filu di riempimentu hè preriscaldatu cù a listessa fonte di energia, chì pò esse aduprata per uPrucessu di saldatura ibrida laserU filu d'apportu hà una carica di corrente da 100 A finu à 220 A. A velocità di alimentazione di u filu dipende da a sezione trasversale di u cordone di brasatura è da a velocità di brasatura. A brasatura offre, per via di a quantità di metallu d'apportu, un materiale di stampaggio chì pò esse finitu più facilmente chè e saldature paragunabili. Per via di a brasatura di pezzi in lamiera, i travagli di riparazione ponu esse realizati in un modu più faciule chè cù i giunti saldati. Un vantaghju di a brasatura LaserHotwire hè a bona resistenza à a corrosione di a zona brasata.
Cum'è metalli d'apportu, si utilizanu leghe economiche à base di rame cum'è SG-CuSi3 è l'argon serve cum'è gas di prutezzione.
Fig. 8: Rappresentazione schematicaBrasatura à filu caldu laser:
A figura dopu mostra a sezione trasversale di un materiale brasatu à filu caldu laser. U materiale rivestitu di zincu hè brasatu cù una velocità di 3 m/min è u filu di riempimentu hà una carica di corrente di 205 A. L'apportu di calore hè assai bassu, dunque una bassa distorsione hè u risultatu di u prucessu di brasatura.
7. Riassuntu:
A saldatura laser ibrida hè una tecnulugia cumpletamente nova chì offre sinergie per ampi campi d'applicazione in l'industrie di a lavorazione di i metalli, in particulare induve ùn hè micca pussibule o finanziariamente fattibile ottene e tolleranze di i cumpunenti necessarie per...saldatura à fasciu laserA gamma assai più larga d'applicazione è l'alta capacità di u prucessu cumminatu portanu à una maggiore cumpetitività in termini di spese d'investimentu ridotte, tempi di fabricazione più brevi, costi di fabricazione più bassi è una maggiore produttività.
U prucessu LaserHybrid offre ancu un novu approcciu à a saldatura di l'aluminiu. Tuttavia, un prucessu stabile chì pò esse adupratu in pratica hè diventatu pussibule solu relativamente recentemente, grazia à e putenze di uscita più elevate dispunibili di i laser à statu solidu. Numerosi studii anu esaminatu i fundamenti di i prucessi di saldatura laser-arcu-ibrida. Per "prucessu di saldatura ibrida", intendimu a cumbinazione di a saldatura à fasciu laser è u prucessu di saldatura à arcu, cù una sola zona di prucessu (plasma è fusione). Studi di ricerca basica anu dimustratu chì hè pussibule un prucessu in u quale - cumbinendu i dui prucessi - si ponu ottene sinergie è si ponu cumpensà l'inconvenienti di ogni prucessu separatu, risultendu in migliori pussibilità di saldatura, saldabilità è affidabilità di saldatura per parechji materiali è custruzzioni diversi. In particulare, questu hè statu dimustratu per e leghe d'aluminiu. Scegliendu parametri di prucessu favurevuli, hè pussibule influenzà selettivamente e proprietà di saldatura cum'è a geometria è a custituzione strutturale. U prucessu di saldatura à arcu aumenta a capacità di ponte aghjunghjendu metallu d'apportu; determina ancu a larghezza di a saldatura è cusì riduce a quantità di preparazione di u pezzu chì hè necessaria. Inoltre, l'interazioni chì si verificanu trà i prucessi portanu à un aumentu sustanziale di l'efficienza di u prucessu. Stu prucessu di cumbinazione richiede ancu costi d'investimentu considerablemente più bassi cà u prucessu di saldatura laser.
U prucessu di brasatura à filu caldu laser pò esse adupratu in particulare per i materiali rivestiti di zincu per ottene una bona resistenza à a corrosione.
Data di publicazione: 18 d'aprile di u 2025
