Sia la saldatura laser che la saldatura ad arco sono da tempo utilizzate nella produzione industriale e consentono un ampio spettro di applicazioni nel campo della tecnologia di giunzione dei materiali. Ciascuno di questi processi ha le sue specifiche aree di applicazione, descritte dai processi fisici di trasporto dell'energia al pezzo e dai flussi di energia che è possibile ottenere. L'energia viene trasmessa dalla sorgente laser al materiale da lavorare mediante radiazione infrarossa coerente ad alta energia, utilizzando un cavo in fibra ottica. L'arco trasmette il calore necessario per la saldatura mediante una corrente elettrica elevata che fluisce verso il pezzo attraverso una colonna d'arco. La radiazione laser genera una zona termicamente alterata molto stretta con un elevato rapporto tra profondità di saldatura e larghezza del cordone (effetto di saldatura profonda). La capacità di colmare le lacune del processo di saldatura laser è molto bassa, a causa del suo piccolo diametro focale, ma d'altra parte può raggiungere velocità di saldatura molto elevate. Il processo di saldatura ad arco ha una densità di energia molto inferiore, ma genera un punto focale più grande sulla superficie del pezzo ed è caratterizzato da una velocità di lavorazione inferiore. Unendo questi due processi, si possono ottenere utili sinergie. In definitiva, ciò consente di conseguire vantaggi in termini di qualità e ingegneria di produzione, nonché una maggiore efficienza dei costi. Questo processo offre applicazioni interessanti ed economicamente vantaggiose, soprattutto nel settore automobilistico, in quanto permette tolleranze più elevate sulle saldature, tassi di giunzione più alti e consente di raggiungere ottimi parametri meccanici/tecnologici.
1. Introduzione:
È noto fin dagli anni '70 come combinare la luce laser e l'arco in un processo di saldatura integrato, ma per lungo tempo non sono stati intrapresi ulteriori sviluppi. Recentemente, i ricercatori hanno rivolto nuovamente la loro attenzione a questo argomento, tentando di unire i vantaggi dell'arco a quelli del laser, in un processo di saldatura ibrido. Mentre agli albori le sorgenti laser dovevano ancora dimostrare la loro idoneità all'uso industriale, oggi sono apparecchiature tecnologiche standard in molte imprese manifatturiere.
La combinazione della saldatura laser con un altro processo di saldatura viene definita "processo di saldatura ibrido". Ciò significa che un raggio laser e un arco agiscono simultaneamente in una zona di saldatura, influenzandosi e supportandosi a vicenda.
2. Laser:
La saldatura laser richiede non solo un'elevata potenza del laser, ma anche un fascio di alta qualità per ottenere il desiderato "effetto di saldatura profonda". La maggiore qualità del fascio risultante può essere sfruttata per ottenere un diametro focale più piccolo o una maggiore distanza focale.
Per i progetti di sviluppo attualmente in corso, viene utilizzato un laser a stato solido pompato a lampada con una potenza del fascio laser di 4 kW. La luce laser viene trasmessa tramite una fibra di vetro da 600 µm.
La luce laser viene trasmessa attraverso una fibra di vetro, le cui estremità sono raffreddate ad acqua. Il raggio laser viene proiettato sul pezzo in lavorazione da un modulo di focalizzazione con una distanza focale di 200 mm.
3. Processo ibrido laser:
Per la saldatura di pezzi metallici, il raggio laser Nd:YAG viene focalizzato a intensità superiori a 10⁶ W/cm². Quando il raggio laser colpisce la superficie del materiale, riscalda quel punto fino alla temperatura di vaporizzazione e si forma una cavità di vapore nel metallo di saldatura a causa del vapore metallico che fuoriesce. La caratteristica distintiva del cordone di saldatura è il suo elevato rapporto profondità-larghezza. La densità di flusso di energia dell'arco a combustione libera è leggermente superiore a 10⁴ W/cm². La Figura 1 illustra il principio di base della saldatura ibrida. Il raggio laser
Il processo qui raffigurato fornisce calore al metallo di saldatura nella parte superiore della giunzione, oltre al calore dell'arco. A differenza di una configurazione sequenziale in cui due processi di saldatura separati agiscono in successione, la saldatura ibrida può essere vista come una combinazione di entrambi i processi di saldatura che agiscono simultaneamente in una e stessa zona di processo. A seconda del processo ad arco o laser utilizzato e dei parametri di processo, i processi si influenzeranno reciprocamente in misura e modi diversi [1, 2].
Grazie alla combinazione del processo laser e del processo ad arco, si registra anche un aumento sia della profondità di penetrazione della saldatura che della velocità di saldatura (rispetto a ciascuno dei processi utilizzato singolarmente). Il vapore metallico che fuoriesce dalla cavità di vapore reagisce sul plasma dell'arco. L'assorbimento della radiazione laser Nd:YAG nel plasma di processo rimane trascurabile. A seconda del rapporto scelto tra i due input di potenza, il carattere del processo complessivo può essere determinato in misura maggiore o minore dal laser o dall'arco [3,4].
Figura 1: Rappresentazione schematica: saldatura laser-ibrida
L'assorbimento della radiazione laser è sostanzialmente influenzato dalla temperatura della superficie del pezzo. Prima di poter avviare il processo di saldatura laser, è necessario superare la riflettività iniziale, soprattutto sulle superfici in alluminio. Ciò può essere ottenuto avviando la saldatura con un programma di avvio specifico. Una volta raggiunta la temperatura di vaporizzazione, si forma la cavità di vapore, con il risultato che quasi tutta l'energia radiante può essere trasferita al pezzo. L'energia necessaria a tale scopo è quindi determinata dall'assorbimento dipendente dalla temperatura e dalla quantità di energia persa.
per conduzione nel resto del pezzo. Nella saldatura LaserHybrid, la vaporizzazione avviene non solo dalla superficie del pezzo ma anche dal filo di riempimento, il che significa che è disponibile più vapore metallico, che a sua volta facilita l'immissione della radiazione laser. Ciò previene anche l'interruzione del processo [5, 6, 7, 8, 9].
4. Applicazione nel settore automobilistico:
Grazie all'utilizzo della tecnologia a telaio spaziale, è possibile ottenere una riduzione di peso del 43% rispetto a una carrozzeria in acciaio.
Figura 2: Concept Audi Space frame A2
Il telaio spaziale dell'Audi A2 è costituito da 30 m di saldatura laser (strisce gialle nella figura 2) e 20 m di saldatura MIG. Inoltre, vengono utilizzati anche 1700 rivetti.
Figura 3: Confronto tra profili e tecniche di giunzione sull'Audi A2
La Figura 4 mostra una giunzione saldata con il metodo LaserHybrid tra un materiale fuso ALMg3 e una lamiera di AlMgSi. Il filo d'apporto è AlSi5 e il gas di protezione utilizzato è Argon. Con l'aumentare della potenza del laser, è possibile ottenere una maggiore penetrazione. La combinazione del raggio laser con l'arco in questo modo consente di ottenere un bagno di saldatura più ampio rispetto al solo processo di saldatura laser. Ciò permette di saldare componenti con intercapedini più ampie.
Figura 4: Giunto sovrapposto con uno spazio di 0,5 mm
Nell'industria automobilistica sono numerose le applicazioni della saldatura a sovrapposizione senza preparazione del giunto. Attualmente, il processo più avanzato per questa operazione di saldatura è la saldatura laser con filo d'apporto freddo, a causa della fessurazione a caldo della lega AA 6xxx. Quando il giunto viene saldato con un filo d'apporto, gran parte dell'energia laser viene dispersa per fondere il filo stesso.
La figura seguente rappresenta le differenze tra la saldatura LaserHybrid e la saldatura laser su un giunto sovrapposto con una velocità di saldatura di 2,4 m/min. Nel caso della saldatura laser, non vi è possibilità di riempire il cordone di saldatura e si produce un sottosquadro. Inoltre, la penetrazione nel materiale di base è molto piccola. La larghezza del cordone di saldatura è molto piccola e quindi ci si aspetta una bassa resistenza alla trazione. Nel caso della saldatura LaserHybrid,
Materiale aggiuntivo viene trasportato nel bagno di saldatura. Il sottosquadro viene riempito con il filo proveniente dal processo MIG e una parte dell'energia laser viene così risparmiata. Questa energia laser risparmiata può essere utilizzata per aumentare la penetrazione nel materiale di base e la larghezza del cordone di saldatura risulta maggiore dello spessore del materiale, come richiesto dalla simulazione numerica.
Figura 5 Confronto tra saldatura LaserHybrid e saldatura laser senza filo d'apporto
Con il processo di saldatura LaserHybrid è possibile saldare materiali in alluminio, acciaio e acciaio inossidabile con spessori fino a 4 mm. Se lo spessore è eccessivo, la penetrazione completa non è possibile. Per la giunzione di materiali zincati, è inoltre preferibile utilizzare il processo di brasatura laser.
Ulteriori applicazioni nel settore automobilistico riguardano le trasmissioni, gli assali e le carrozzerie, dove il processo di saldatura ibrida laser può risultare adatto.
Testa di saldatura:
La testa di saldatura deve avere dimensioni geometriche ridotte, in modo da garantire una buona accessibilità ai componenti da saldare, soprattutto nel settore della carrozzeria automobilistica. Inoltre, deve essere progettata per consentire sia un collegamento facilmente rimovibile alla testa del robot, sia la regolazione di variabili di processo quali la distanza focale e la distanza della torcia in tutte le coordinate cartesiane. La Figura 5 mostra la testa di saldatura durante il processo. Gli schizzi che si verificano durante la saldatura causano un progressivo sporcamento del vetro protettivo. Il vetro al quarzo è rivestito su entrambi i lati con un materiale antiriflesso e ha lo scopo di proteggere il sistema ottico laser da eventuali danni.
A seconda del grado di sporcizia, gli schizzi che si accumulano sul vetro possono causare una diminuzione della potenza laser effettivamente incidente sul pezzo in lavorazione fino al 90%. Una sporcizia più pesante porta generalmente alla distruzione del vetro protettivo, poiché una grande proporzione dell'energia radiante viene quindi assorbita dal vetro stesso, causando stress termici nel vetro. Con quella testa di saldatura e attrezzatura di saldatura, è possibile utilizzarla per la saldatura LaserHybrid, la saldatura laser, la saldatura MSG eBrasatura laser a filo caldo.
Figura 6: Testa di saldatura e processo
5. Vantaggi della saldatura ibrida laser:
I seguenti vantaggi derivano dalla fusione dell'arco e del raggio laser: Vantaggi della saldatura LaserHybrid rispetto alla saldatura laser:
• maggiore stabilità del processo
• maggiore capacità di attraversamento
• penetrazione più profonda
• minori costi di investimento di capitale
• maggiore duttilità
Vantaggi della saldatura LaserHybrid rispetto alla saldatura MIG:
• velocità di saldatura più elevate
• maggiore penetrazione a velocità di saldatura più elevate
• minore apporto termico
• maggiore resistenza alla trazione
• saldature più strette
Figura 7: Vantaggi della combinazione dei due processi
Il processo di saldatura ad arco è caratterizzato da una fonte di energia a basso costo, una buona capacità di ponte e dalla possibilità di influenzare la struttura mediante l'aggiunta di materiale d'apporto. Le caratteristiche distintive del processo laser, d'altra parte, sono la grande profondità di saldatura, l'elevata velocità di saldatura, il basso carico termico e i cordoni di saldatura stretti che esso consente di ottenere. Al di sopra di una certa densità del fascio, il raggio laser produce un "effetto di saldatura profonda" nei materiali metallici che permette di saldare componenti con spessori di parete maggiori, a condizione che la potenza del laser sia sufficientemente elevata. La saldatura laser ibrida consente quindi velocità di saldatura più elevate, stabilizzazione del processo grazie all'interazione tra l'arco e il raggio laser, maggiore efficienza termica e maggiori tolleranze del pezzo. Poiché il bagno di saldatura è più piccolo rispetto al processo MIG, vi è un minore apporto termico e quindi una zona termicamente alterata più piccola. Ciò significa meno saldatura
distorsione, che riduce la quantità di lavoro di raddrizzamento successivo necessario dopo la saldatura.
In presenza di due bagni di saldatura separati, l'apporto termico successivo dell'arco fa sì che l'area saldata dal raggio laser, soprattutto nel caso dell'acciaio, venga sottoposta a un trattamento di tempra post-saldatura, distribuendo i valori di durezza in modo più uniforme lungo la saldatura. La Figura 6 riassume i vantaggi del processo combinato (ovvero ibrido).
Passando ora ai vantaggi economici della saldatura ibrida rispetto alla saldatura laser, si possono fare le seguenti affermazioni: il cordone di saldatura è costituito in parte da una saldatura laser e in parte da una saldatura MIG. Il processo ibrido consente di ridurre la potenza del raggio laser, il che significa che il consumo energetico della sorgente laser può essere notevolmente ridotto, poiché l'apparecchiatura laser ha un'efficienza di solo il 3%. In altre parole: una riduzione di 1 kW nella potenza del raggio laser che incide sul pezzo comporta una riduzione di circa 35 kVA nell'energia prelevata dalla rete elettrica.
Un apparato a raggio laser costa circa 0,1 milioni di euro per ogni 1 kW dipotenza del raggio laserPer fare solo un esempio, nel caso in cui l'utilizzo del processo ibrido consenta di impiegare un apparecchio laser da 2 kW anziché uno da 4 kW, si ottiene un risparmio di 0,2 milioni di euro in spese di investimento. Tuttavia, occorre ricordare che per il processo ibrido sarà necessaria una saldatrice MIG del costo di circa 20.000 euro.
Grazie alla maggiore velocità di saldatura, è possibile ridurre sia i tempi di fabbricazione che i costi di saldatura.
6. Brasatura laser a filo caldo:
Un'altra possibilità per combinare il raggio laser con un filo di riempimento è il processo LaserHotwire [10]. In questa procedura il filo di riempimento viene preriscaldato con la stessa fonte di alimentazione, che può essere utilizzata per ilProcesso di saldatura ibrida laserIl filo d'apporto ha una corrente nominale da 100 A a 220 A. La velocità di avanzamento del filo dipende dalla sezione trasversale del cordone di brasatura e dalla velocità di brasatura stessa. La brasatura, grazie alla quantità di materiale d'apporto, consente di ottenere un materiale modellabile che può essere rifinito più facilmente rispetto a giunti saldati di pari caratteristiche. La brasatura di lamiere consente di effettuare riparazioni in modo più agevole rispetto alle giunzioni saldate. Un vantaggio della brasatura LaserHotwire è l'elevata resistenza alla corrosione della zona brasata.
Come materiali d'apporto si utilizzano leghe economiche a base di rame come la SG-CuSi3, mentre l'argon funge da gas di protezione.
Figura 8: Rappresentazione schematicaBrasatura laser a filo caldo:
La figura seguente mostra la sezione trasversale di un materiale brasato con filo caldo laser. Il materiale rivestito di zinco viene brasato a una velocità di 3 m/min e il filo d'apporto ha un carico di corrente di 205 A. L'apporto di calore è molto basso, pertanto il risultato del processo di brasatura è una distorsione minima.
7. Riepilogo:
La saldatura ibrida laser è una tecnologia completamente nuova che offre sinergie per ampi campi di applicazione nelle industrie metalmeccaniche, in particolare laddove non è possibile o economicamente conveniente ottenere le tolleranze dei componenti richieste persaldatura a raggio laserLa gamma di applicazioni molto più ampia e l'elevata capacità del processo combinato si traducono in una maggiore competitività in termini di riduzione degli investimenti, tempi di fabbricazione più brevi, costi di produzione inferiori e maggiore produttività.
Il processo LaserHybrid offre un nuovo approccio alla saldatura dell'alluminio. Tuttavia, un processo stabile e utilizzabile nella pratica è diventato possibile solo relativamente di recente, grazie alle maggiori potenze di uscita disponibili dei laser a stato solido. Numerosi studi hanno esaminato i fondamenti dei processi di saldatura ibrida laser-arco. Per "processo di saldatura ibrido" si intende la combinazione della saldatura laser e della saldatura ad arco, con un'unica zona di processo (plasma e fusione). Studi di ricerca di base hanno dimostrato che è possibile realizzare un processo in cui, combinando i due processi, si possono ottenere sinergie e compensare gli svantaggi di ciascun processo separato, con conseguente miglioramento delle possibilità di saldatura, della saldabilità e dell'affidabilità della saldatura per molti materiali e strutture diverse. In particolare, ciò è stato dimostrato per le leghe di alluminio. Scegliendo parametri di processo favorevoli, è possibile influenzare selettivamente le proprietà della saldatura, come la geometria e la composizione strutturale. Il processo di saldatura ad arco aumenta la capacità di ponteggiamento mediante l'aggiunta di materiale d'apporto; inoltre, determina la larghezza del cordone di saldatura e riduce quindi la quantità di preparazione del pezzo necessaria. Inoltre, le interazioni che si verificano tra i processi portano a un sostanziale aumento dell'efficienza del processo stesso. Questo processo combinato richiede anche costi di investimento notevolmente inferiori rispetto al processo di saldatura laser.
Il processo di brasatura laser a filo caldo può essere utilizzato soprattutto per materiali zincati al fine di ottenere una buona resistenza alla corrosione.
Data di pubblicazione: 18 aprile 2025
