La saldatura a punti è un metodo di giunzione rapido ed economico. È adatta per collegare componenti in lamiera sottile con giunzioni a sovrapposizione che non richiedono tenuta all'aria. Esistono molti tipi di saldatura a punti, come la saldatura a punti a resistenza, la saldatura a punti ad arco, la saldatura a punti adesiva,saldatura a punti compositae la saldatura a punti laser. Attualmente, la saldatura a punti a resistenza è ampiamente utilizzata nella produzione. Prendendo come esempio l'industria automobilistica, sono necessari da 3.000 a 4.000 punti di saldatura durante l'assemblaggio dei componenti del pannello della carrozzeria, il che richiede da 250 a 300 robot, insieme ai sistemi di controllo di supporto e ad altre apparecchiature ausiliarie. Tuttavia, la saldatura a punti a resistenza ha una scarsa flessibilità. Con il rapido sviluppo economico, il ciclo di aggiornamento delle forme geometriche e delle strutture dei componenti automobilistici si è fatto molto breve. L'aggiornamento di nuovi prodotti e modelli richiede un nuovo tipo di tecnologia di saldatura a punti che sia efficiente e flessibile. Pertanto, la tecnologia di saldatura a punti laser è gradualmente diventata il fulcro dell'attenzione e si prevede che sarà ampiamente applicata nella produzione industriale automobilistica. Anche nel settore aerospaziale, la saldatura a punti laser viene testata come tecnologia alternativa. Per lungo tempo, le giunzioni a sovrapposizione dei prodotti aerospaziali sono state generalmente realizzate mediante rivettatura, che comporta molti processi produttivi e un carico di lavoro elevato. Con la crescente applicazione di nuovi materiali come leghe di alluminio, leghe di titanio e materiali compositi, l'adozione di nuove tecnologie di saldatura per sostituire i metodi di giunzione tradizionali è diventata una tendenza dominante. Questo non solo migliora l'efficienza produttiva, ma riduce anche il peso strutturale e soddisfa i nuovi requisiti di progettazione strutturale, aspetto di grande importanza per i prodotti aerospaziali. L'elevata precisione e la grande flessibilità della saldatura a punti laser le conferiscono notevoli vantaggi nella produzione pratica, soprattutto nel settore aeronautico, dove può sostituire i processi tradizionali come la saldatura a punti a resistenza e la rivettatura.
I. Definizione e caratteristiche della saldatura a punti laser
Definizione
La saldatura laser a punti si riferisce al processo di fusione e unione di pezzi utilizzando un singolo impulso laser (t > 1 ms) o una serie di impulsi laser nella stessa posizione.
La saldatura a punti laser è sostanzialmente simile ad altri processi di saldatura laser; l'unica differenza è che non vi è alcuno spostamento relativo tra il raggio laser e il pezzo durante la saldatura a punti. La saldatura a punti laser si divide in due tipi: saldatura a conduzione termica e saldatura a penetrazione profonda (keyhole). Nella saldatura a conduzione termica, il laser può solo fondere il metallo senza vaporizzarlo. Questo metodo è più adatto per la saldatura di metalli con uno spessore inferiore a 0,5 mm, come la saldatura a punti laser Nd:YAG di componenti elettronici. Nella saldatura a punti laser a penetrazione profonda, il laser può entrare direttamente all'interno del materiale attraverso il foro, aumentando il tasso di utilizzo dell'energia laser e ottenendo una maggiore profondità di penetrazione. La saldatura a punti a resistenza tradizionale fonde i pezzi per formare i punti di saldatura utilizzando il calore generato dalla corrente elettrica, mentre la fonte di calore della saldatura a punti laser proviene dalla radiazione laser, con conseguente forma del punto di saldatura significativamente diversa.
I parametri regolabili della saldatura a punti laser includono generalmente la potenza del laser, il tempo di saldatura e la quantità di defocalizzazione. Per la saldatura a punti in modalità pulsata, i parametri includono anche la forma d'onda dell'impulso, la frequenza e il duty cycle. Tra questi, la potenza del laser influisce principalmente sulla profondità di penetrazione del punto di saldatura, mentre il tempo di saldatura ha un impatto maggiore sulla dimensione laterale del punto di saldatura. In generale, maggiore è il tempo di azione del laser, maggiori saranno le dimensioni delle superfici superiore e inferiore del punto di saldatura e la dimensione della superficie di fusione. Le variazioni della quantità di defocalizzazione influiscono principalmente sul diametro del punto e sulla densità di energia agente sulla superficie del pezzo, avendo quindi un impatto significativo sulla forma complessiva del punto di saldatura.
Caratteristiche
- Grazie all'utilizzo del laser come fonte di calore, la saldatura a punti offre elevata velocità, alta precisione, basso apporto termico e minima deformazione del pezzo.
- Il grado di libertà nelle posizioni di saldatura a punti è notevolmente migliorato, consentendo la saldatura a punti in tutte le posizioni e realizzando facilmentesaldatura a punti su un solo lato, aumentando così significativamente la libertà di progettazione del prodotto.
- La saldatura laser a punti ha requisiti minimi per quanto riguarda le dimensioni dei giunti di sovrapposizione. Esistono restrizioni minime su parametri quali il numero di giunti di sovrapposizione e la distanza tra i punti di saldatura, e non è necessario considerare l'impatto dello shunt di corrente.
- Per la saldatura di lamiere di diverso spessore, materiali dissimili e materiali speciali (leghe di alluminio, lamiere zincate), la saldatura a punti laser offre prestazioni superiori rispetto ai metodi tradizionali di saldatura a punti.
- Non richiede un gran numero di attrezzature ausiliarie, si adatta rapidamente ai cambiamenti del prodotto e soddisfa le richieste del mercato.
II. Analisi dei difetti della saldatura a punti laser
Crepe, pori e cedimenti sono i difetti più comuni nella saldatura laser a punti, che vengono analizzati uno per uno di seguito.
1. Crepe
Le cricche si dividono in cricche superficiali e cricche longitudinali. Le velocità di riscaldamento e raffreddamento durante la saldatura laser a punti sono molto rapide, con conseguente elevato gradiente di temperatura tra l'area riscaldata e il metallo circostante, che favorisce la formazione di cricche. La probabilità di formazione di cricche è strettamente correlata al materiale; ad esempio, le leghe di alluminio presentano una tendenza alla fessurazione molto maggiore durante la saldatura laser a punti rispetto all'acciaio inossidabile. Un metodo efficace per sopprimere la formazione di cricche consiste nell'ottimizzare la forma d'onda dell'impulso per controllare la velocità di raffreddamento del processo di solidificazione del metallo e ridurre le tensioni interne.
2. Pori
I difetti porosi (pori) nelle saldature a punti laser possono essere suddivisi in pori piccoli e pori grandi. I pori piccoli sono causati principalmente dalla diminuzione della solubilità dell'idrogeno nel metallo liquido durante la solidificazione del metallo, nonché dalla rapida evaporazione del metallo nel foro di penetrazione e dalla perturbazione del bagno fuso. I pori grandi sono dovuti principalmente a una velocità di raffreddamento troppo elevata durante la saldatura a punti laser, che non lascia tempo sufficiente al metallo intorno al foro di penetrazione per riempire completamente lo spazio. In generale, i pori piccoli tendono a formarsi nella saldatura a punti a impulsi lunghi, mentre i pori grandi sono più probabili nella saldatura a punti a impulsi brevi.
Nella saldatura laser a punti, la formazione di pori è più probabile in due punti: uno vicino alla zona di fusione al centro del punto di saldatura e l'altro alla radice del cordone. Le immagini di fusione acquisite tramite raggi X mostrano che i pori vicino alla zona di fusione sono causati principalmente dalla formazione di un restringimento quando il foro di penetrazione si chiude; per quanto riguarda i pori alla radice del cordone, la loro formazione è dovuta principalmente al collasso del foro di penetrazione a causa della rapida scomparsa del laser dopo la sua formazione.
3. Cedimento
L'abbassamento è un fenomeno evidente nella saldatura laser a punti. L'abbassamento centrale sulla superficie del punto di saldatura e l'accumulo di metallo attorno ad esso sono causati dalla forza di rinculo generata dalla vaporizzazione del metallo che spinge il metallo liquido verso la superficie del punto di saldatura. Durante il processo di raffreddamento, il metallo accumulato sulla superficie si solidifica rapidamente e non può essere completamente riempito. Inoltre, la perdita di materiale causata dalla rapida evaporazione del metallo e dagli spruzzi è un altro fattore che contribuisce all'abbassamento centrale. La durata dell'impulso ha un impatto significativo sia sull'abbassamento della superficie del punto di saldatura che sulla formazione di pori. È possibile ottenere punti di saldatura soddisfacenti ottimizzando la forma d'onda e la durata dell'impulso.
4. Impatto del grado di sfocatura sui punti di saldatura
Le variazioni del valore di defocalizzazione modificano direttamente il diametro del punto e la densità di energia. Quando il valore di defocalizzazione aumenta sia in senso negativo che positivo, il diametro del punto aumenta e la densità di energia diminuisce. Durante la saldatura laser a punti, esiste una certa correlazione tra il diametro del punto e la dimensione del foro di penetrazione iniziale formato dal laser incidente sul pezzo in esame, mentre la densità di energia determina la velocità di espansione del bagno di fusione. Quando il valore assoluto della defocalizzazione è piccolo, il diametro del punto laser è piccolo, la densità di potenza del laser è elevata e la velocità di espansione del bagno di fusione del punto di saldatura è rapida, ma il diametro del foro di penetrazione iniziale è piccolo. Al contrario, quando il valore di defocalizzazione è grande, il diametro del foro di penetrazione iniziale è grande, ma la velocità di espansione del bagno di fusione rallenta e la dimensione del punto di saldatura risultante potrebbe non essere grande. Pertanto, durante la variazione del valore di defocalizzazione, l'effetto combinato del diametro del punto e della densità di potenza superficiale del punto di saldatura determina la dimensione del punto di saldatura.
III. Applicazione della tecnologia di saldatura laser a punti
La saldatura laser a punti si caratterizza per l'elevata velocità, la grande profondità di penetrazione, la minima deformazione e può essere eseguita a temperatura ambiente o in condizioni particolari con semplici apparecchiature di saldatura. Inoltre, l'avvento dei laser a impulsi ad alta frequenza (con una frequenza superiore a 40 impulsi al secondo) ha permesso un'ampia applicazione della saldatura laser a punti nell'assemblaggio e nella saldatura di micro e piccoli componenti nella produzione automatizzata di massa. Quando si saldano piccoli componenti elettronici che richiedono una zona termicamente alterata ridotta, come ad esempio la connessione tra vetro e metallo, la giunzione di circuiti a semiconduttore termosensibili e la connessione tra metalli diversi nei fili, la saldatura laser a punti risulta più vantaggiosa rispetto ai processi di saldatura a punti tradizionali (ad esempio, la saldatura a resistenza a punti), grazie a punti di saldatura privi di contaminazione e a un'elevata qualità di saldatura. La Figura 6-60 mostra un esempio di applicazione della saldatura laser a punti nella produzione di fari per autoveicoli: un laser a impulsi a stato solido da 500 W genera quattro punti di saldatura simili con una frequenza di impulsi molto elevata.
Nella saldatura a punti di alta precisione su microstrutture mediante impulsi ad alta energia, i laser Nd:YAG pulsati offrono vantaggi tecnici ed economici. Nella maggior parte delle applicazioni industriali di saldatura a punti, si utilizzano principalmente laser a stato solido pulsati con una potenza media di 50 W e una potenza per impulso > 2 kW. Il laser può agire direttamente sul pezzo in lavorazione tramite fibre ottiche o lenti di focalizzazione combinate.
La saldatura a punti laser è applicabile a una vasta gamma di materiali. Ad esempio, nella saldatura a punti di batterie al litio, utilizzando il neodimio (Nd):tecnologia di saldatura a punti laser YAGIl collegamento di metalli diversi risulta più efficiente della saldatura TIG e della saldatura a punti per resistenza. In particolare, poiché durante la produzione vengono utilizzate fibre ottiche per trasmettere i laser, è possibile spostarsi rapidamente e con flessibilità tra le diverse postazioni di lavoro.
In sintesi, la saldatura laser a punti presenta le seguenti caratteristiche:
- Con l'aumento della potenza del laser, il diametro della superficie del punto di saldatura fluttua verso l'alto e verso il basso, mentre il diametro della superficie di fusione e della superficie inferiore aumentano lentamente. La variazione della forma della sezione trasversale del punto di saldatura non è evidente. Con l'aumentare della durata, la dimensione del punto di saldatura aumenta rapidamente e il tasso di variazione del diametro della superficie di fusione è maggiore di quello dei diametri delle superfici superiore e inferiore. La variazione della quantità di defocus ha un impatto significativo sulla dimensione del punto di saldatura. Essa modifica direttamente il diametro del punto e la densità di potenza del laser, e l'effetto combinato di questi due fattori determina la dimensione del punto di saldatura.
- In caso di penetrazione completa, si osserva un evidente avvallamento sulla superficie della saldatura a punti laser. Con l'aumento della potenza e della durata del laser, aumenta anche la profondità dell'avvallamento sulla superficie del punto di saldatura. Quando la durata o la dimensione dell'intercapedine sono elevate, anche la superficie inferiore può presentare delle rientranze.
- Con l'aumentare della distanza, la deformazione complessiva del punto di saldatura, l'abbassamento centrale e l'indentazione diventano evidenti. La superficie di fusione si restringe e la resistenza diminuisce rapidamente. Attualmente, nella saldatura di resistori, batterie e nel settore dell'elettronica, si utilizza comunemente il processo di saldatura simultanea di due punti, che di solito adotta un design con due sorgenti luminose laser.
Data di pubblicazione: 27 ottobre 2025
