Impianti di saldatura laser in automazione e robotica

Le sorgenti laser si distinguono per affidabilità, costi di esercizio contenuti e alta efficienza, rendendoli ideali per la produzione avanzata.

Vantaggi degli Impianti di Saldatura Laser nell'Automazione e Robotica

Rispetto ai metodi tradizionali di saldatura (ad arco, MIG/MAG, TIG, ecc.), la soluzione delle sorgenti di saldatura laser offre diversi vantaggi in automazione e robotica:

• Precisione Elevata: La capacità di concentrare il calore in un punto molto piccolo consente saldature di alta precisione e giunti sottili, riducendo al minimo la deformazione dei materiali.
• Velocità di Saldatura: I laser possono eseguire saldature ad alta velocità, aumentando la produttività, specialmente in linee di produzione automatizzate.
• Qualità del Giunto: I laser producono saldature con minori difetti, notevole profondità e una finitura superficiale migliore rispetto ai metodi tradizionali. Inoltre, riducono al minimo la necessità di lavorazioni post-saldatura.
• Basso Apporto Termico: La riduzione dell'apporto termico comporta un migliore controllo della temperatura di raffreddamento, minori distorsioni e riduce le tensioni residue nei giunti saldati, migliorando le proprietà meccaniche.
• Automazione Completa: Gli impianti di saldatura laser possono essere completamente automatizzati e integrati con robot industriali, migliorando l'efficienza e riducendo l'intervento manuale.
• Flessibilità: E’ possibile ottenere ottimi risultati su qualsiasi tipo di materiale, inclusi metalli ad alta riflettività e spessori molto sottili, ampliando le possibilità applicative.

Sorgenti Laser più Idonee all'Automazione e Robotica

1. Laser a Fibra: Estremamente versatile e ideale per l'automazione e robotizzazione. Il fascio di alta qualità e la flessibilità del trasporto della fibra lo rendono facile da integrare. Costi iniziali medio-alti, ma con un’elevata efficienza energetica e lunga durata. Costi di esercizio bassi rispetto ad altre sorgenti, con una manutenzione minima.
2. Laser a Disco: adatto a sistemi automatizzati e robotizzati, con alta qualità del fascio e capacità di lavorare materiali ad alta riflettività. Alti costi di investimento, ma offre eccellente qualità e durata. I costi di esercizio sono simili al laser a fibra, ma con prestazioni leggermente superiori in alcune applicazioni.
3. Laser a CO₂: buono per grandi applicazioni industriali, ad esempio fabbricazione tubi, ma meno adatto per robotizzazione rispetto ai laser a fibra o a disco a causa delle dimensioni e dei costi operativi più elevati. Investimento Medio-alto. Costi di esercizio più elevati rispetto ai laser a fibra, a cui contribuisce la manutenzione dell’ottica, più complessa, e l'alimentazione dei gas laseranti.
4. Laser Nd:YAG: Utilizzato principalmente in applicazioni di micro-saldatura automatizzata, ma meno diffuso nelle applicazioni robotizzate su larga scala. Investimento alto, con costi di manutenzione più significativi rispetto ai laser a fibra. Costi di esercizio abbastanza elevati.

Impianti di Saldatura Laser: esempi di possibili configurazione per settore industriale

Il potenziale, l’ampia gamma e la flessibilità del laser ha permesso di integrare questa applicazione nell’ambito dell’automazione e della robotica industriale.
I Driver che normalmente guidano la scelta sono la potenza, il tipo di testa e il cinematismo richiesto.
I tre pilastri tecnologici che guidano alla scelta del sistema sono:

• La Sorgente: Oggi il Laser in Fibra domina per efficienza e affidabilità. La scelta della potenza e della lunghezza d’onda (es. Laser rosso o verde per il Rame), nonché della modalità di emissione (Continua o Pulsata) garantisce una flessibilità estrema.
• Il Sistema di Consegna (Testa): è possibile operare con testa fissa, cioè il raggio laser esce in una posizione rigida rispetto alla testa stessa. Per saldare un tratto rettilineo il robot deve spostare fisicamente tutto il suo "braccio" per la lunghezza da saldare. La testa scanner (o Galvo) invece contiene al suo interno due piccoli specchi motorizzati (galvanometri). Il robot porta la testa sopra l'area di lavoro e si ferma (o si muove lentamente); gli specchi all'interno della testa iniziano a oscillare (wobbling) velocemente, distribuendo il raggio in diverse direzioni. In presenza di un gap, un laser "fisso" potrebbe attraversare il giunto senza toccare i lembi, il laser con scanner, oscillando, riesce a colmare il vuoto, unendo i due lembi.
• Il cinematismo si riferisce a "chi muove la sorgente laser nello spazio". La scelta dipende dal volume di lavoro, dalla velocità richiesta e dalla flessibilità dei lotti. Il Robot Industriale è un braccio antropomorfo a 6 o più assi. È lo standard nell’industria pesante. Ha una elevatissima velocità di spostamento e uno sbraccio che può raggiungere alcuni metri. È estremamente rigido, il che garantisce precisione anche quando porta teste laser pesanti. Un limite, legato alla sicurezza, è che richiede barriere fisiche (gabbie) e sistemi di interblocco. E’ la scelta ottimale per produzione di massa. Il Cobot (Collaborative Robot) è progettato per interagire con l’operatore umano. Spesso è possibile programmare "per apprendimento": non serve un ingegnere esperto di codice per ogni modifica. Anche con un cobot, sarà necessaria una cabina schermata, ma sarà molto più compatta e flessibile rispetto a quella di un robot industriale.
  Il Gantry o Portale è un ponte carroponte che si muove su binari, con la testa laser che pende verso il basso. Si muove su assi cartesiani (X, Y, Z). Questo sistema garantisce una estrema solidità e precisione costante. Mentre un braccio robotico, in posizioni critiche, può avere delle micro-vibrazioni, un gantry, scorrendo su binari rigidi, mantiene la stessa precisione millimetrica in qualsiasi condizione di lavoro. E’ la scelta ideale per la grande carpenteria (Navale, Oil & Gas, Aerospaziale) o per macchinari di grande formato.

Impianti di Saldatura Laser: Campi di Impiego e Settori Industriali

Gli impianti di saldatura laser sono ampiamente utilizzati in molti settori industriali grazie alla loro precisione, velocità, e capacità di realizzare saldature di alta qualità. Ecco i principali campi di impiego:

• Settore Automotive: Saldatura di parti della carrozzeria, telai, motori e componenti per veicoli elettrici come le batterie. In una scocca auto, ci sono centinaia di punti di saldatura. La testa scanner permette di saldare "al volo" (on-the-fly) mentre il robot si muove fluidamente sopra il pezzo.
• Settore Aerospaziale: Saldatura di componenti strutturali in leghe di titanio, alluminio e acciai speciali, così come saldature su tubazioni e sistemi di propulsione. I materiali come leghe di Alluminio-Litio o superleghe di Nichel) sono difficili da saldare. Le configurazioni emergenti sono quelle dei Laser a Disco o Fibra + Robot con Sistemi di Tracking in tempo reale + Sensori di monitoraggio del bagno di fusione. La configurazione deve prevedere un controllo a circuito chiuso che regoli i parametri in base a ciò che il sensore vede nel bagno di fusione
• Industria Elettronica Micro-saldature per circuiti stampati, sensori, componenti elettronici e packaging. I laser permettono di realizzare saldature estremamente precise su scala microscopica, minimizzando il calore applicato e preservando l'integrità dei materiali. Saldare i busbar (Rame su Rame o Rame su Alluminio) richiede di vincere l'alta riflettività del rame senza distruggere i componenti sensibili sottostanti. Il "wobbling" (micro-oscillazione del raggio) permette di controllare la larghezza del cordone e la porosità
• Settore Medicale: Produzione di dispositivi impiantabili, strumenti chirurgici e diagnostici, protesi. La precisione e la pulizia della saldatura laser sono ideali per materiali sensibili come il titanio e gli acciai inossidabili, garantendo biocompatibilità e sicurezza. Spesso si saldano piccolissimi lotti di componenti in Titanio o Acciaio Inox (stent, pacemaker). Il Cobot è un'ottima soluzione perché permette all'operatore di posizionare il pezzo e avviare cicli brevi con estrema flessibilità.
• Industria Navale e Oil & Gas: Saldatura di scafi di navi, piattaforme offshore e tubazioni. La capacità del laser di saldare grandi spessori e di produrre giunzioni resistenti con una penetrazione uniforme lo rende ideale per strutture critiche e di grandi dimensioni. Il laser in genere fatica se i lembi non sono perfettamente accoppiati (comune su lamiere da diversi metri di lunghezza). Un sistema ibrido combina la profondità del laser con la capacità di riempimento dell'arco elettrico (MIG).
• Energie Rinnovabili: Saldatura di componenti per pannelli fotovoltaici, turbine eoliche, e batterie per veicoli elettrici. L'efficienza del laser consente una produzione di massa con alta precisione, specialmente per materiali riflettenti come l'alluminio e il rame. Per scambiatori di calore o piastre solari, la configurazione è spesso un portale cartesiano che esegue saldature continue a velocità altissime.

Focus sugli Impianti Ibridi: LASER-MIG/MAG, | Laser-TIG e Laser-Plasma

La saldatura ibrida nasce da un'esigenza fondamentale: unire i vantaggi del laser (densità di energia, velocità, penetrazione) con quelli dell'arco elettrico (capacità di riempimento, tolleranza dei giunti, controllo metallurgico).

L'Architettura dell'Impianto Ibrido: In un sistema ibrido, le due sorgenti (Laser e Arco) agiscono contemporaneamente nello stesso bagno di fusione. La configurazione non è solo meccanica (come montare la torcia), ma riguarda la sinergia fisica tra le due energie.

Configurazione "Leader" vs "Follower": il Laser Leading (Laser avanti) è la configurazione più comune. Il laser crea il "keyhole", mentre l'arco segue stabilizzando il bagno e aggiungendo materiale. Questo massimizza la penetrazione. Nell'Arc Leading (Arco avanti) l'arco preriscalda il materiale, riducendo la riflettività (utile su alluminio o rame) e permette al laser di accoppiarsi meglio. Si usa per migliorare la stabilità su materiali difficili.

Le Configurazioni ibride Principali

• Laser-MIG/MAG 
  È il sistema più diffuso. La torcia MIG/MAG alimenta un filo continuo che fonde nell'area colpita dal laser. Principio: Il laser fornisce la profondità; il filo MIG riempie il gap tra le lamiere. Per lamiere spesse o giunti non perfettamente accoppiati (gap > 0.5 mm). Il laser da solo non riuscirebbe a saldare con continuità i lembi; il MIG va a compensare il gap depositando il materiale necessario alla realizzazione del giunto.
• Laser-TIG 
  L'arco è generato da un elettrodo di tungsteno non consumabile. L'arco TIG "allarga" la parte superiore del cordone laser, riducendo la velocità di raffreddamento. Questo evita la formazione di strutture cristalline fragili (martensite) e riduce la porosità. Adatto per ottenere un'ottima qualità estetica e metallurgica su spessori sottili o medi, senza necessità di aggiungere troppo materiale.
• Laser-Plasma 
  Simile al TIG, ma l'arco è costretto da un ugello che lo rende molto più denso e direzionale. Il plasma ha una densità di energia superiore al TIG. La sinergia col laser è talmente forte che l'arco plasma viene "attratto" dal punto di incidenza del laser, stabilizzandosi anche ad altissime velocità. E’ un sistema ideale quando serve una velocità di processo elevata su spessori medi, con un controllo del calore superiore al MIG (zero spruzzi).