Come saldare l'acciaio con tecnica laser?

La saldatura a fascio laser è una tecnica molto versatile e adatta per saldare in un'ampia gamma di materiali come:

• Acciai al carbonio e acciai basso legati
• Acciaio inox
• Acciaio zincato
• Leghe di Nichel
• Rame, alluminio e loro leghe
• Oro, argento
• Platino e titanio

E' inoltre possibile saldare tra loro giunti di natura diversa, grazie al basso rapporto di diluizione, tipico di questa tecnologia.

Tipi di Acciai

Acciai al carbonio

• Acciai strutturali
  Questi acciai sono caratterizzati dalle loro eccellenti proprietà meccaniche: resistenza allo snervamento, alla trazione, all'allungamento e all'energia di frattura da impatto (resilienza). In generale, maggiore è la resistenza alla trazione di questi acciai, maggiori sono le precauzioni da adottare per la loro saldatura (rischio di cricche a freddo in particolare). Tuttavia, a parità di proprietà meccaniche, le difficoltà di saldatura aumentano con il contenuto di carbonio, e più precisamente con il valore del carbonio equivalente.

  Nota: Il carbonio equivalente (CE) è un indice che misura la saldabilità di un acciaio, sommando l'influenza del carbonio e di altri componenti (come manganese, cromo, molibdeno, nichel, rame, vanadio) sulla durezza della zona saldata. Un valore elevato (ad esempio 0,45%) indica un alto rischio di cricche a freddo, rendendo necessaria la pianificazione di trattamenti termici come il preriscaldo al fine di evitare rotture fragili.

  Alcuni esempi di acciai strutturali: S355J2, S275NH...

• Acciai bassolegati e trattati termicamente
  La classificazione di questi acciai è definita dai loro componenti chimici, le cui proprietà finali sono ottenute dopo opportuno trattamento termico (es. 39NiCrMo3, 30NiCrMo12, ..).
  A seconda del tipo di trattamento previsto, delle dimensioni dei pezzi e delle proprietà finali desiderate, questi acciai possono essere legati al cromo, al nichel, al molibdeno e al vanadio, e in genere hanno un contenuto di carbonio più elevato rispetto agli acciai da costruzione. L'aumento di elementi in lega aumenta talvolta il rischio di cricche a caldo e a freddo. Su tali acciai è necessario eseguire pulizie accurate dei lembi, adottare preriscaldo e controllare le temperature di interpass (tra il preriscaldo e max 400-450 °C in modo da avere curve di raffreddamento lente. Talvolta è necessario mantenere il giunto a temperature di 200-250 °C per alcune ore in modo da favorire la diffusione dell’idrogeno talvolta è necessario anche effettuare trattamenti di distensione a circa 5-600 °C.

Acciai inossidabili

Gli acciai inossidabili possono essere classificati in quattro categorie in base ai diversi tipi di struttura metallurgica:

• Acciai austenitici: Questi acciai sono i più utilizzati (AISI 304, ..., 316L). Oltre all'elevato contenuto di cromo, che li rende inossidabili, e alle eccellenti proprietà meccaniche fino a temperature criogeniche industriali (≈ -196 °C), contengono un elevato contenuto di nichel, che conferisce loro una struttura austenitica, tipicamente non sensibile all'ossidazione.

Questi acciai inossidabili tuttavia sono sensibili al fenomeno della corrosione intergranulare. In saldatura ad arco questi acciai sono compatibili anche con l'uso di miscele di gas contenenti piccole percentuali di idrogeno.

• Acciai martensitici: Questi acciai sono facilmente temprabili. Maggiore è il contenuto di carbonio, maggiore è il contenuto di cromo (AISI 410, ..., 440C). Sono generalmente utilizzati allo stato bonificato e hanno una resistenza alla trazione molto elevata.

Dal punto di vista metallurgico, il rischio principale, anche nella saldatura a fascio laser, è la cricca a freddo. Questi acciai possono essere saldati a patto di adottarne tutte le misure per minimizzare questo rischio.

• Acciai ferritici e semi-ferritici: legati con cromo e talvolta con aggiunte di titanio, niobio e molibdeno (AISI 430, 444, 3Cr12), questi acciai sono molto meno costosi degli acciai inossidabili austenitici. Tuttavia, offrono un'eccellente resistenza ad alcune forme di corrosione.

E' possibile saldare questi acciai con il minore apporto termico specifico in modo da contenere il gradiente di temperatura in fase di raffreddamento. Per questi acciai occorre evitare la presenza di idrogeno.

• Acciai duplex e superduplex (austenitico-ferritici): sono utilizzati in settori industriali quali la produzione di petrolio, la chimica, la petrolchimica e la produzione di energia, nonché nei settori dell'edilizia e dell'agroalimentare (AISI 2101, 2205, 2507). Il loro successo è giustificato dalla combinazione di buona resistenza alla corrosione ed elevate proprietà meccaniche.

Occorre porre attenzione a mantenere l'equilibrio chimico dell'acciaio duplex utilizzando miscele specifiche contenenti piccole percentuali di azoto. In saldatura ad arco, l'aggiunta al gas di saldatura compensa la perdita di azoto (elemento austenitizzante) dal bagno fuso e garantisce il corretto rapporto ferrite/austenite necessario a garantire la caratteristica di tenacità e resistenza alla corrosione tipica di questi acciai.
L'uso di miscele di gas contenenti idrogeno è sconsigliato in quanto può generare un rischio di cricche a freddo.

Keyhole vs Conduzione termica

La conduzione termica (MIG/MAG/TIG) riscalda la superficie e penetra per diffusione termica, generando cordoni larghi e una vasta zona termicamente alterata. Il keyhole (laser) vaporizza il metallo creando un profondo capillare di vapore che garantisce saldature strette, penetrazioni elevate e velocità estreme.
Mentre la conduzione è limitata dalla conducibilità del materiale, nel keyhole il laser concentra l'energia riducendo drasticamente le deformazioni e l'apporto termico totale. In sintesi, l'arco agisce per "spalmatura" superficiale del calore, mentre il keyhole "perfora" il giunto con un fascio ad altissima densità di potenza.

Vantaggi della saldatura laser sugli acciai

Rispetto ai tipi di saldatura più tradizionali, come la saldatura a resistenza o ad arco elettrico, l’utilizzo della saldatura laser per gli acciai offre numerosi vantaggi:

• In maggiori casi rispetto ai metodi tradizionali non necessita di materiale d'apporto.
• Processo automatizzabile con elevata precisione (maggiore qualità e durata).
• Elevata velocità di saldatura.
• Consente di saldare una grande varietà di acciai.
• In grado di saldare da spessori molto sottili a diverse decine di millimetri
• Sezioni di saldatura più strette e profonde (keyhole) e di bell'aspetto sia in sezione che in superficie.
• Possibilità di effettuare saldature complesse sia in geometria che in posizione di saldatura.
• Basso apporto specifico di calore (minori sforzi e deformazioni). Minori rischi di difettologie dovute ai cicli termici sostenuti (es.cricche a freddo).
• Minore tempo per lavorazioni post saldatura.

Il trend di sviluppo della saldatura laser è quello di sviluppare progressivamente macchine a maggiore potenza. Ad oggi è possibile saldare spessori fino diverse decine di millimetri.

La saldatura ibrida laser-arco negli acciai

La saldatura ibrida combina la penetrazione profonda del laser con la capacità di riempimento e controllo metallurgico dell'arco (MAG/TIG). Il laser crea un keyhole stabile che aumenta la velocità, mentre l'arco gestisce tolleranze di accoppiamento più ampie tramite l'apporto di materiale. Questa sinergia riduce drasticamente le distorsioni termiche e la ZTA, permettendo di saldare forti spessori in passata unica con alta produttività. È una tecnica che si sta sviluppando molto nella cantieristica e nell'automotive. Tuttavia, richiede un investimento elevato e una calibrazione molto accurata dei parametri per armonizzare le due diverse sorgenti di energia.

L'evoluzione della saldatura ibrida vede l’importante contributo dell'intelligenza artificiale, ad esempio nel monitoraggio del keyhole in tempo reale o nella predizione e prevenzione dei difetti in saldatura. I trend sono le nuove sorgenti a fibra miniaturizzate che rendono la tecnologia compatibile ai cobot, con la possibilità di economizzare il processo e, al contempo gestire al meglio la saldatura di acciai particolari come quelli ad alta resistenza oppure di riuscire saldare acciai dissimili con facilità. Il trend punta deciso verso una sostenibilità "intelligente" che riduce l'apporto termico e il materiale d'apporto, ottimizzando ogni joule di energia impiegato nel giunto.

Scelta dei gas nella saldatura laser manuale degli acciai

Nella saldatura laser manuale a fibra, la dinamica è radicalmente diversa dall'arco elettrico: il bagno di fusione è piccolissimo, la velocità di raffreddamento è estrema e l'apporto termico è localizzato. Il gas non deve solo proteggere dall'ossigeno, ma anche gestire il pennacchio di vapori metallici che può interferire con il fascio. Di seguito una tabella di scelta rapida in funzione del tipo di acciaio da saldare: