Metodi di saldatura per micro e piccole parti La saldatura laser è un metodo di saldatura efficiente e di precisione che utilizza un raggio laser ad alta densità di energia come fonte di calore. È una delle applicazioni più importanti della tecnologia di lavorazione dei materiali laser. Negli anni '70, veniva utilizzata principalmente per la saldatura di materiali a parete sottile e per la saldatura a bassa velocità, e il processo di saldatura apparteneva al tipo di conduzione termica. Nello specifico, la radiazione laser riscalda la superficie del pezzo e il calore sulla superficie si diffonde verso l'interno attraverso la conduzione termica. Controllando parametri quali la larghezza, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione degli impulsi laser, il pezzo viene fuso per formare una specifica pozza fusa. Grazie ai suoi vantaggi unici, è stata applicata con successo allaSaldatura di precisione di componenti micro e di piccole dimensioni.La tecnologia di saldatura laser cinese si colloca tra le più avanzate al mondo. Possiede la tecnologia e la capacità di realizzare componenti complessi in lega di titanio su una superficie di oltre 12 metri quadrati utilizzando il laser, ed è stata applicata nella prototipazione e nella produzione di prodotti per numerosi progetti di ricerca aeronautica nazionali. Nell'ottobre del 2013, un esperto cinese di saldatura ha vinto il Premio Brook, il più alto riconoscimento accademico nel campo della saldatura, a conferma dell'eccellenza mondiale della Cina in questo settore.
Storia dello sviluppo Il primo raggio laser al mondo fu generato nel 1960 eccitando cristalli di rubino con una lampada a scarica. Limitato dalla capacità termica del cristallo, poteva produrre solo fasci pulsati molto brevi a bassa frequenza. Sebbene l'energia di picco istantanea dell'impulso potesse raggiungere fino a 10^6 watt, rientrava comunque nella categoria delle basse potenze. Una barra di cristallo di granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio (Nd:YAG), con il neodimio (Nd) come elemento di eccitazione, può generare un fascio laser continuo a singola lunghezza d'onda con una potenza di 1-8 kW. Il laser YAG, con una lunghezza d'onda di 1,06 μm, può essere collegato alla testa di lavorazione laser tramite una fibra ottica flessibile, offrendo una configurazione flessibile dell'apparecchiatura e risultando adatto alla saldatura di pezzi con uno spessore di 0,5-6 mm. Il laser a CO₂, che utilizza anidride carbonica come eccitante (con una lunghezza d'onda di 10,6 μm), può raggiungere un'energia di uscita fino a 25 kW e realizzare la saldatura a penetrazione completa in un unico passaggio di lamiere di 2 mm di spessore. È stato ampiamente utilizzato nella lavorazione dei metalli nel settore industriale. A metà degli anni '80, la saldatura laser, come nuova tecnologia, ha attirato l'attenzione generale in Europa, negli Stati Uniti e in Giappone. Nel 1985, ThyssenKrupp Steel AG (Germania) e Volkswagen AG (Germania) hanno collaborato per adottare con successo il primo semilavorato saldato al laser al mondo sulla carrozzeria dell'Audi 100. Negli anni '90, le principali case automobilistiche in Europa, Nord America e Giappone hanno iniziato a utilizzare ampiamente la tecnologia dei semilavorati saldati al laser nella produzione di carrozzerie. L'esperienza pratica, sia di laboratorio che delle case automobilistiche, ha dimostrato che i semilavorati saldati al laser possono essere applicati con successo nella produzione di carrozzerie per automobili. La saldatura laser su misura utilizza l'energia laser per unire e saldare automaticamente diversi acciai, acciai inossidabili, leghe di alluminio, ecc., con materiali, spessori e rivestimenti differenti, in una piastra, un profilo o un pannello sandwich integrati. Ciò soddisfa i diversi requisiti prestazionali dei materiali dei componenti e consente di ottenere apparecchiature leggere con il peso più basso, una struttura ottimale e le migliori prestazioni. Nei paesi sviluppati come l'Europa e gli Stati Uniti,saldatura laser su misuraNon è utilizzato solo nell'industria manifatturiera di attrezzature per il trasporto, ma è anche ampiamente applicato in campi come l'edilizia, i ponti, la produzione di saldatura di lamiere per elettrodomestici e la saldatura di lamiere d'acciaio nelle linee di laminazione (collegamento di lamiere nella laminazione continua). Tra le aziende di saldatura laser di fama mondiale figurano Soudonic (Svizzera), ArcelorMittal Group (Francia), ThyssenKrupp TWB (Germania), Servo-Robot (Canada) e Precitec (Germania). L'applicazione della tecnologia di saldatura laser di lamiere in Cina è appena iniziata. Il 25 ottobre 2002, la prima linea di produzione commerciale professionale cinese per lamiere saldate al laser è stata ufficialmente messa in funzione. È stata introdotta da Wuhan ThyssenKrupp Zhongren Laser Tailor Welding di ThyssenKrupp TWB (Germania). Successivamente, Shanghai Baosteel Arcelor Laser Tailor Welding Co., Ltd., FAW Baoyou Laser Tailor Welding Co., Ltd. e altre aziende sono entrate in produzione. Nel 2003, i paesi stranieri hanno realizzato la saldatura laser a CO₂ a doppio raggio con filo d'apporto eSaldatura a filo d'apporto con laser YAGper la struttura del pannello inferiore della parete in lega di alluminio dell'A318. Questa tecnologia ha sostituito la tradizionale struttura rivettata, riducendo il peso della fusoliera dell'aereo del 20% e risparmiando il 20% sui costi. Gong Shuili era convinto che la tecnologia di saldatura laser avrebbe giocato un ruolo significativo nella trasformazione e nell'ammodernamento dell'industria manifatturiera aeronautica tradizionale cinese. Ha immediatamente presentato domanda per una serie di progetti di ricerca preliminare correlati, ha organizzato un team di ricerca e ha assunto la guida nell'introduzione della tecnologia di "saldatura laser a doppio raggio" nei progetti di ricerca in Cina. Fin dall'inizio, aveva pianificato di applicare questa tecnologia alla produzione di aeromobili. Il team di esperti cinesi ha presentato la tecnologia preliminare a un istituto di progettazione aeronautica e ha promosso i vantaggi e la fattibilità della saldatura laser a doppio raggio. Dopo molteplici verifiche e valutazioni, l'istituto di progettazione ha deciso di applicare questa tecnologia alla produzione di pannelli a parete nervati per un determinato aeromobile, raggiungendo l'obiettivo iniziale di applicare la tecnologia di "saldatura laser a doppio raggio" alla produzione aeronautica. Ha raggiunto livelli tecnologici chiave, come il controllo di precisione del filo d'apporto per la saldatura laser di leghe leggere, ha sviluppato un dispositivo ibrido integrato e innovativo per la saldatura di fili d'apporto laser a doppio raggio, ha creato la prima piattaforma cinese per la saldatura di fili d'apporto laser a doppio raggio ad alta potenza, ha realizzato la saldatura sincrona a doppio raggio e su entrambi i lati di giunti a T in grandi strutture a parete sottile e l'ha applicata con successo per la prima volta alla produzione di componenti strutturali chiave di pannelli a parete nervata per l'aviazione, svolgendo un ruolo importante nello sviluppo del nuovo aeromobile cinese. Nel 2003, il primo set completo di apparecchiature per la saldatura di nastri in linea su larga scala, fornito da HG Laser, ha superato il collaudo offline. Questa apparecchiatura integra taglio laser, saldatura e trattamento termico, rendendo HG Laser una delle quattro aziende al mondo in grado di produrre tali apparecchiature. Nel 2004, il progetto "Tecnologia e apparecchiature per il taglio, la saldatura e la lavorazione combinata di taglio e saldatura laser ad alta potenza" di HG Laser Farley Laserlab ha vinto il secondo premio del National Science and Technology Progress Award, rendendola l'unica azienda laser in Cina con la capacità di ricerca e sviluppo di questa tecnologia e di queste apparecchiature. Con il rapido sviluppo dell'industria laser industriale, il mercato ha posto requisiti più elevati per la tecnologia di lavorazione laser. La tecnologia laser si è gradualmente spostata da una singola applicazione ad applicazioni diversificate. In termini di lavorazione laser, non è più limitata al singolo taglio o alla saldatura. La domanda del mercato di apparecchiature di lavorazione laser integrate che combinano taglio e saldatura è in aumento, e quindi sono emerse apparecchiature integrate per taglio e saldatura laser. HG Laser Farley Laserlab ha sviluppato la macchina integrata per taglio e saldatura Walc9030, con un formato ultra-grande di 9×3 metri, che è attualmente l'apparecchiatura integrata per taglio e saldatura laser di formato più grande al mondo. La Walc9030 è un'apparecchiatura di taglio e saldatura di grande formato che integrafunzioni di taglio e saldatura laserÈ dotata di una testa di taglio professionale e di una testa di saldatura, e le due teste di lavorazione condividono un unico raggio laser. La tecnologia a controllo numerico garantisce che non interferiscano tra loro. L'apparecchiatura può completare simultaneamente due processi che richiedono taglio e saldatura. Può passare liberamente dal taglio alla saldatura, o viceversa, realizzando entrambe le funzioni di taglio e saldatura laser con un'unica apparecchiatura, senza bisogno di apparecchiature aggiuntive. Ciò consente ai produttori di risparmiare sui costi delle apparecchiature, migliorando l'efficienza e la gamma di lavorazione. Inoltre, grazie all'integrazione di taglio e saldatura, la precisione di lavorazione è pienamente garantita e le prestazioni dell'apparecchiatura sono efficienti e stabili. In aggiunta, ha superato le difficoltà di deformazione termica delle lamiere durante la saldatura su misura di lamiere di grandi dimensioni e ha permesso la realizzazione stabile di percorsi ottici ultra-lunghi. Può saldare contemporaneamente due lamiere piane di 6 metri di lunghezza e 1,5 metri di larghezza, ottenendo una superficie saldata liscia e piana senza necessità di ulteriori lavorazioni. Allo stesso tempo, può tagliare lastre con una larghezza di 3 metri, una lunghezza di oltre 6 metri e uno spessore inferiore a 20 mm in un unico processo di formatura senza posizionamento secondario. L'Istituto di Automazione di Shenyang, Accademia Cinese delle Scienze, ha condotto una cooperazione internazionale con IHI Corporation (Giappone). Seguendo la strategia nazionale di sviluppo scientifico e tecnologico di "introduzione, digestione, assorbimento e re-innovazione", ha superato diverse tecnologie chiave disaldatura laser su misuraNel settembre 2006, ha sviluppato il primo set completo di linee di produzione per la saldatura laser su misura in Cina e ha realizzato con successo un sistema robotizzato di saldatura laser, in grado di eseguire la saldatura laser di curve piane e spaziali. Nell'ottobre 2013, un esperto cinese di saldatura ha vinto il Brook Award, il più alto riconoscimento accademico nel campo della saldatura. Il Welding Institute (TWI, Regno Unito) raccomanda e nomina ogni anno candidati tra oltre 4.000 unità associate in più di 120 paesi, e infine assegna questo premio a un esperto in riconoscimento del suo eccezionale contributo alla scienza e alla tecnologia della saldatura o dell'unione e alla sua applicazione industriale. Questo premio non è solo un riconoscimento per Gong Shuili e il suo team, ma anche una conferma del ruolo di AVIC nel promuovere il progresso della tecnologia di giunzione dei materiali.
## Parametri strutturali
### Apparecchiatura di lavoro È composta da un oscillatore ottico e da un mezzo posto tra gli specchi alle due estremità della cavità dell'oscillatore. Quando il mezzo viene eccitato ad uno stato di alta energia, inizia a generare onde luminose in fase, che si riflettono avanti e indietro tra gli specchi alle due estremità, formando un effetto di concatenazione fotoelettrica. Questo amplifica le onde luminose e, quando si ottiene energia sufficiente, viene emesso il laser. Il laser può anche essere definito come un dispositivo che converte fonti di energia primaria come energia elettrica, energia chimica, energia termica, energia luminosa o energia nucleare in fasci di radiazione elettromagnetica di specifiche frequenze ottiche (luce ultravioletta, luce visibile o luce infrarossa). Questa conversione può essere facilmente effettuata in determinati mezzi solidi, liquidi o gassosi. Quando questi mezzi vengono eccitati sotto forma di atomi o molecole, producono un fascio di luce con quasi la stessa fase e quasi un'unica lunghezza d'onda: il laser. Grazie alla sua proprietà in fase e alla singola lunghezza d'onda, l'angolo di divergenza è molto piccolo e può essere trasmesso su una lunga distanza prima di essere altamente concentrato per fornire funzioni come saldatura, taglio e trattamento termico. ### Classificazione dei laser Esistono principalmente due tipi di laser utilizzati per la saldatura, ovvero i laser a CO₂ e i laser Nd:YAG. Sia i laser a CO₂ che i laser Nd:YAG emettono luce infrarossa invisibile a occhio nudo. Il fascio generato dal laser Nd:YAG è principalmente luce nel vicino infrarosso con una lunghezza d'onda di 1,06 μm. I conduttori termici hanno un tasso di assorbimento relativamente elevato per la luce di questa lunghezza d'onda e, per la maggior parte dei metalli, la riflettività è del 20%-30%. Il fascio nel vicino infrarosso può essere focalizzato a un diametro di 0,25 mm utilizzando lenti ottiche standard. Il fascio del laser a CO₂ è luce nel lontano infrarosso con una lunghezza d'onda di 10,6 μm. La maggior parte dei metalli ha una riflettività dell'80%-90% per questo tipo di luce, quindi sono necessarie lenti ottiche speciali per focalizzare il fascio a un diametro di 0,75-1,0 mm. La potenza dei laser Nd:YAG può generalmente raggiungere circa 4.000-6.000 W, e la potenza massima ha ora raggiunto i 10.000 W. Al contrario, la potenza dei laser a CO₂ può facilmente raggiungere i 20.000 W o anche di più. I laser a CO₂ ad alta potenza risolvono il problema dell'elevata riflettività grazie all'effetto keyhole. Quando la superficie del materiale irradiata dal punto luminoso si fonde, si forma un keyhole. Questo keyhole, riempito di vapore, è come un corpo nero che assorbe quasi tutta l'energia della luce incidente. La temperatura di equilibrio all'interno del keyhole raggiunge circa 25.000 °C e la riflettività diminuisce rapidamente in pochi microsecondi. Sebbene lo sviluppo dei laser a CO₂ si concentri ancora sulla ricerca e lo sviluppo di apparecchiature, l'obiettivo non è più aumentare la potenza massima in uscita, ma migliorare la qualità del fascio e le sue prestazioni di focalizzazione. Inoltre, quando si utilizza l'argon come gas di protezione per la saldatura laser a CO₂ con una potenza superiore a 10 kW, si genera spesso un plasma intenso che riduce la profondità di penetrazione. Pertanto, l'elio, che non genera plasma, viene spesso utilizzato come gas di protezione per la saldatura laser a CO₂ ad alta potenza. L'applicazione di combinazioni di laser a diodi per l'eccitazione di cristalli Nd:YAG ad alta potenza rappresenta un importante tema di ricerca e sviluppo, che migliorerà notevolmente la qualità dei fasci laser e consentirà una lavorazione laser più efficiente. L'utilizzo di array di diodi diretti per eccitare e generare laser nella regione del vicino infrarosso ha permesso di raggiungere una potenza media di 1 kW e un'efficienza di conversione fotoelettrica di quasi il 50%. I diodi hanno inoltre una durata maggiore (10.000 ore), il che contribuisce a ridurre i costi di manutenzione delle apparecchiature laser. Anche lo sviluppo di apparecchiature laser a stato solido pompate a diodi (DPSSL) sta facendo progressi.
Data di pubblicazione: 27 agosto 2025
