Quanti tipi di laser per saldatura esistono e quali sono le differenze?

Principio della saldatura laser

Il fascio laser, generato da sorgenti di varia natura, attraversa una lente di focalizzazione che permette di concentrare energia termica ad altissima densità su un punto specifico di lavorazione. L'energia generata consente di ottenere la fusione e l’evaporazione dei lembi del materiale da saldare, creando un profilo di fusione molto sottile e profondo (keyhole) composto da vapore ionizzato e materiale fuso, dalla cui solidificazione si ottiene il giunto di saldatura. 

Normalmente è la testa di saldatura che si muove rispetto ai componenti da saldare, fissi. Il bagno fuso deve essere protetto dall'azione dell'aria con un gas o una miscela protettivi, chimicamente compatibili con il metallo da saldare. Talvolta è necessario proteggere il giunto saldato anche "a rovescio", in funzione del materiale trattato. 

Che tipo di laser scegliere nella saldatura?

I laser di tipo solido, come i laser Nd:YAG (cristallo di granato di ittrio e alluminio) offrono un'elevata precisione e qualità di saldatura. I laser a gas, come i laser a CO₂, sono più adatti alle applicazioni che richiedono una maggiore potenza, una penetrazione profonda, alti spessori e materiali ad alta resistenza. I laser a diodi (semiconduttori) sono compatti e flessibili e adatti in particolare alle micro-saldature e, grazie al loro ridotto ingombro, particolarmente idonei ad esigenze di mobilità in officina o cantiere.
I laser a fibra di fatto sono anch’essi di tipo solido, ottimizzano  l’energia di conversione dalla dalla sorgente al pezzo, sono compatti ed è possibile modulare la potenza in funzione di materiali e dimensioni del giunto (ottima precisione, anche per la lavorazione di minuterie di piccolo spessore). 

Dal punto di vista economico i laser CO₂ hanno costi di investimento e di esercizio (efficienza elettrica, manutenzione, ecc.) minori rispetto, ad esempio, ai laser allo stato solido come Nd:YAG e fibra, per tale motivo i laser CO₂ in passato hanno avuto uno sviluppo industriale più rapido. Tra le tipiche saldature con laser CO₂: produzione di tubi saldati, alberi di trasmissione, flange dei corpi valvola. 
Per quanto riguarda i laser a diodi, la caratteristica del loro fascio non consente attualmente di essere competitivo  con i laser Nd:YAG e CO₂ in termini di potenza, velocità e spessore saldato. In compenso i laser a diodi, data la loro lunghezza d'onda (buon assorbimento da parte dei materiali) e la dimensione del loro punto focale, sono più leggeri e compatti e sono efficaci per lamiere molto sottili; talvolta sono integrati in applicazioni robotizzate. 
Lo sviluppo recente dei laser fibra ha ampliato le opportunità produttive della saldatura laser, principalmente grazie alla più semplice dinamica di trasferimento ottico e alla maggiore flessibilità operativa (compatibilità con tutte le posizioni di saldatura, sistemi robot, cobot). Lo studio di sorgenti sempre più compatte e leggere ha permesso di sviluppare generatori portatili che, di fatto sono valide alternative alla saldatura ad arco come TIG e, talvolta, MIG/MAG

La scelta della sorgente laser per la saldatura dipende da vari fattori, tra cui il materiale da saldare, lo spessore del materiale, il costo dell'investimento e della manutenzione, e le specifiche tecniche richieste. Ecco una panoramica delle caratteristiche di quattro comuni tipi di sorgenti laser: Nd:YAG, fibra, CO₂ e diodi.

Laser Nd:YAG

L’Nd:YAG (Neodimio-Yttrium Aluminum Garnet) è adatto per la saldatura di materiali metallici, inclusi acciai e metalli riflettenti come l'alluminio e il rame, permette di ottenere una buona penetrazione e un buon controllo della saldatura per spessori medi. Questo tipo di fascio è compatibile ad essere trasferito attraverso fibra ottica, il che permette una maggiore flessibilità nell'orientamento del fascio stesso e quindi della posizione di saldatura. L’Nd:YAG presenta costi di investimento e manutenzione relativamente alti, ha inoltre un’efficienza energetica inferiore rispetto ai laser a fibra o a diodi e risulta non adatto per saldare materiali non metallici come plastica, vetro, o tessuti.

Laser a fibra

Il Laser a fibra (sottogruppo delle sorgenti allo stato solido) ha alta efficienza energetica e qualità del fascio superiore, i costi di manutenzione sono minori grazie soprattutto ad un più semplice sistema di trasferimento del fascio sulle parti mobili. E’ possibile saldare spessori sottili e medi con alta precisione. I laser fibra hanno 
costi iniziali di investimento elevati. E risultano poco efficaci su materiali altamente riflettenti come l'argento o il rame a meno di integrare il sistema con adeguati sistemi di controllo e regolazione del fascio.

Laser a gas

Il Laser a gas (CO₂) richiede investimenti inferiori rispetto ai laser a stato solido ed ha buona versatilità su differenti tipi di materiali, inclusi plastica o vetro. Risulta efficace per saldature su alti spessori ma i costi operativi risultano più elevati per via del consumo di gas e delle maggiori esigenze di manutenzione di sorgente e ottiche. Non è un metodo efficace per la saldatura di metalli altamente riflettenti o molto conduttivi.

Laser a diodi

Il Laser a diodi è adatto per saldare una vasta gamma di materiali: metalli e loro leghe, materiali plastici e compositi. Ha bassi costi di investimento, alta efficienza energetica e costi operativi più bassi, la vita operativa è maggiore. E’ particolarmente adatto ad applicazioni che richiedono bassa potenza e precisione, come ad esempio nella saldatura di componenti elettronici, di contro presenta potenze di picco minori, di conseguenza non ideale per spessori di saldatura elevati, soprattutto su materiali metallici in genere.

In definitiva la scelta della sorgente laser dipende molto dalle specifiche applicazioni di saldatura. Ogni tipo presenta vantaggi e svantaggi che devono essere considerati in relazione al mix di  materiali da saldare, agli spessori, alla precisione richiesta e al budget disponibile. Un'attenta valutazione dei costi iniziali e operativi, insieme alle esigenze specifiche dell'applicazione, guiderà la decisione finale.

Tabella di confronto tra laser Nd YAG, laser CO₂, diodi e laser fibra