Quali sono le principali sorgenti laser, i loro vantaggi e svantaggi?

Ecco una panoramica delle applicazioni più adatte a ciascun tipo di sorgente di saldatura laser.

Laser di CO₂

I laser CO₂ sono tra i tipi più comuni di laser industriali utilizzati per la saldatura. Funzionano stimolando elettricamente una miscela di gas composta da diossido di carbonio (CO₂,), azoto (N₂,) ed elio (He). Questa eccitazione fa sì che le molecole di CO₂, emettano luce infrarossa a una lunghezza d'onda di 10,6 micrometri. La cavità del laser, tipicamente composta da specchi altamente riflettenti, amplifica questa luce attraverso l'emissione stimolata, creando un fascio laser coerente. In genere, i laser CO₂, hanno potenze che vanno da 1 kW a 20 kW. 
Come già menzionato, la miscela di gas principale utilizzata nei laser a CO₂, è la miscela CO₂/N₂/He. 
In termini di schermatura, l'elio (He) è spesso utilizzato come gas di schermatura per proteggere il bagno di saldatura dalla contaminazione atmosferica, soprattutto nella saldatura di alluminio e acciaio inossidabile.
L'argon (Ar) è talvolta utilizzato, in particolare per materiali come il titanio e quando si desidera un flusso di gas meno turbolento.
Questi laser sono utilizzati con frequenza in diversi settori per la saldatura di materiali spessi come l'acciaio, l'acciaio inossidabile e l'alluminio, nonché per il taglio. È possibile anche utilizzare il laser CO₂, per la saldatura di materiali non metallici come la plastica, la ceramica e il vetro.

Vantaggi e svantaggi del laser di CO₂

I principali vantaggi di questo tipo di sorgente laser sono:

• Elevata potenza di uscita: può raggiungere diversi kilowatt di potenza continua, rendendola adatta alla saldatura di materiali spessi.
• Economico: tecnologia matura con catene di fornitura consolidate, che porta a costi relativamente più bassi per le attrezzature e la manutenzione.
• Versatile: efficace sia per le attività di taglio che di saldatura, garantendo flessibilità nei processi produttivi.

Per quanto riguarda gli svantaggi, possiamo citare:

• Dimensioni e complessità: richiede sistemi di raffreddamento grandi e complessi (spesso raffreddati ad acqua), rendendo l'apparecchiatura ingombrante.
• Limitazioni in termini di materiali: ha difficoltà con i metalli altamente riflettenti come il rame e l'alluminio a causa dello scarso assorbimento alla lunghezza d'onda di 10,6 micrometri.
• Manutenzione: i laser a CO₂, richiedono una manutenzione regolare per garantire l'efficacia della miscela di gas e la pulizia dei componenti ottici.

Laser Nd:YAG

I laser Nd:YAG utilizzano un cristallo allo stato solido di granato di ittrio e alluminio (YAG) drogato con ioni di neodimio (Nd) come mezzo laser. II laser Nd:YAG hanno in genere potenze che vanno da 100 W a 5 kW. 
Questi laser sono adatti per applicazioni di saldatura di precisione nella produzione di dispositivi medici, gioielli ed elettronica, nonché per la saldatura a penetrazione profonda di componenti aerospaziali e automobilistici.
I laser Nd:YAG sono laser a stato solido e non richiedono un gas specifico per il processo di laser stesso.
In termini di gas di schermatura:

• Argon (Ar): comunemente usato per le sue proprietà inerti, fornisce un'atmosfera protettiva intorno al bagno di saldatura.
• Elio (He): talvolta utilizzato per ottenere una penetrazione più profonda e ridurre la formazione di plasma durante la saldatura.

Vantaggi e svantaggi del laser Nd:YAG

Vantaggi:

• Elevata potenza di picco: in grado di erogare impulsi di elevata potenza di picco, ideali per la saldatura e la foratura di precisione.
• Erogazione in fibra ottica: può essere erogato attraverso fibre ottiche, consentendo un'erogazione flessibile del fascio e l'accesso a zone difficili da raggiungere.
• Versatilità: è efficace per la saldatura di un'ampia gamma di metalli e ceramiche.

Svantaggi:

• Efficienza: efficienza elettrica inferiore rispetto ai laser a fibra e a diodi, con conseguente consumo di energia più elevato.
• Costi operativi: più elevati a causa della necessità di sostituire regolarmente le lampade flash o le pompe a diodi.
• Limitazioni nello spessore: in genere viene utilizzato per la saldatura di materiali più sottili a causa della sua natura ad impulsi.

Laser a fibra

I laser a fibra utilizzano una fibra ottica drogata con elementi di terre rare come l'itterbio come mezzo di guadagno. I laser a diodi pompano la fibra drogata, facendo sì che gli ioni di itterbio emettano luce a circa 1,07 micrometri. La fibra stessa guida la luce, fornendo un'amplificazione attraverso l'emissione stimolata. 
I laser a fibra hanno in genere potenze che vanno da 500 W a 10 kW.
Le caratteristiche di questi laser sono ideali per la saldatura ad alta velocità nell'industria automobilistica e aerospaziale, nonché per la saldatura di precisione e a penetrazione profonda nei dispositivi elettronici e medici.
Anche i laser a fibra sono laser a stato solido e non richiedono un gas per il processo di laser, ma necessitano di gas di schermatura:

• Argon (Ar): ampiamente utilizzato per la sua inerzia e la capacità di fornire un'atmosfera stabile e protettiva intorno alla saldatura.
• Elio (He): utilizzato per migliorare la penetrazione e ridurre al minimo la formazione di plasma, particolarmente utile per la saldatura ad alta velocità.

Vantaggi e svantaggi del laser a fibra

Tra i vantaggi di questo tipo di laser, possiamo citare:

• Elevata efficienza: l'efficienza elettrica può superare il 30%, riducendo i costi operativi.
• Compattezza e robustezza: il design è compatto e robusto, con requisiti minimi di manutenzione.
• Qualità del fascio: l'eccellente qualità del fascio consente di eseguire saldature fini e di alta precisione e saldature a penetrazione profonda.

I principali svantaggi sono:

• Costo iniziale: investimento iniziale più elevato rispetto ad altri tipi di laser.
• Difficoltà con i materiali riflettenti: può incontrare difficoltà con materiali altamente riflettenti come il rame, anche se le tecniche avanzate stanno mitigando questi problemi.

Laser a diodi

I laser a diodi generano luce laser direttamente da diodi semiconduttori, in genere basati su materiali di arseniuro di gallio (GaAs). Questi diodi emettono luce a lunghezze d'onda comprese tra 800 e 980 nanometri. I sistemi laser a diodi comprendono i diodi laser, che sono i diodi semiconduttori che producono la luce laser, e le ottiche di modellazione del fascio, che comprendono lenti e specchi per focalizzare e dirigere il fascio laser. I laser a diodi hanno in genere potenze comprese tra 50 W e 6 kW.
Questi laser sono utilizzati per la saldatura ad alta velocità nella produzione elettronica, per la saldatura della plastica nell'industria automobilistica e dei beni di consumo, per la brasatura e la saldatura nell'elettronica e nei circuiti.
I laser a diodi non richiedono un gas per il processo di laser, mentre per la schermatura i principali gas utilizzati sono:

• Argon (Ar): spesso utilizzato per schermare il bagno di saldatura e prevenire l'ossidazione.
• Azoto (N₂): talvolta utilizzato, soprattutto in applicazioni che coinvolgono l'acciaio inossidabile, per prevenire l'ossidazione e ottenere una saldatura più pulita.

Vantaggi e svantaggi del laser a diodi

I principali vantaggi del laser a diodi sono:

• Elevata efficienza: l'efficienza elettrica può essere molto elevata, intorno al 50% o più.
• Dimensioni compatte: l'ingombro ridotto ne facilita l'integrazione negli impianti di produzione esistenti.
• Economicità: costo generalmente inferiore a quello della fibra, soprattutto nelle configurazioni a diodo diretto.

In termini di svantaggi:

• Qualità del fascio: in genere la qualità del fascio è inferiore a quella dei laser a fibra, con ripercussioni sulla precisione e sulla focalizzabilità del fascio.
• Profondità di penetrazione: profondità di penetrazione limitata, che li rende meno adatti alla saldatura di materiali spessi.
• Compatibilità con i materiali: meno efficace sui metalli altamente riflettenti e su alcuni materiali difficili da saldare.