Vantaggi della saldatura laser

Tra i materiali più comuni che il laser può saldare vi sono: metalli, plastiche, ceramica, materiali compositi, e anche vetro.

Quali sono i principali vantaggi e svantaggi della saldatura laser?

Punti di forza della saldatura laser

La saldatura laser offre numerosi vantaggi rispetto alle tecniche più tradizionali, come la saldatura ad arco.

• Zona termicamente alterata molto contenuta : la zona di saldatura è meno voluminosa, risulta stretta e profonda, il cui effetto è una minore quantità totale di calore  da fornire e quindi minore deformazione o tensioni  nel giunto saldato. Possibilità di saldare da piccolissimi decimi di mm fino ad alti spessori (per l’acciaio fino a 30 mm) in mono passata, con o senza materiale d’apporto.  
• Elevata ripetibilità e qualità dei giunti saldati.
• Cordoni di saldatura stretti e resistenti, di bell'aspetto e privi di contaminazione.
• Capacità di saldare un'ampia gamma di materiali (comprese le giunzioni tra materiali dissimili).
• Processo adatto per le aree difficilmente raggiungibili con altre tecniche.
• Processo più rapido e maggiore velocità di trasferimento rispetto ad altre tecniche.

Inoltre, la saldatura laser può essere effettuata anche su pezzi che hanno subito una precedente lavorazione o trattamento termico, grazie alla sua influenza molto localizzata.

Aspetti da valutare nella scelta dell’applicazione di saldatura laser

La saldatura laser presenta alcuni aspetti da tenere in considerazione, in modo da operare la scelta di processo migliore: 

• Investimento iniziale: una saldatrice laser richiede solitamente un investimento iniziale maggiore.
• Personale qualificato: è necessario fornire una formazione specifica e qualificare gli operatori, principalmente sugli aspetti relativi a  sistemi di sicurezza e qualità.
• Sicurezza: l’utilizzo del laser introduce dei fattori di rischio. Tra quelli da ridurre al minimo va ricordato che l'esposizione diretta a laser di una determinata potenza può causare danni irreversibili agli occhi e alla pelle, inoltre in saldatura, data l’altissima temperatura, vengono prodotti fumi e vapori metallici che possono essere nocivi se inalati in quantità. Inoltre, il laser può innescare incendi in caso di contatto accidentale con materiali infiammabili presenti nelle vicinanze dell'area di lavoro. In definitiva, l’introduzione della saldatura laser in produzione richiede che si effettuino un’attenta analisi e relative azioni di mitigazione garantendo la sicurezza dell’ambiente di lavoro.

Settori industriali in cui la saldatura laser è in via di sviluppo

Vi sono diversi settori industriali in cui questa applicazione è in forte crescita come ad esempio l'industria automobilistica, elettrodomestici, aerospaziale, elettronica, arredi metallici, cantieristica navale, settore ferroviario, costruzioni.

Questi settori stanno valorizzando i vantaggi della saldatura laser e, da circa un decennio, stanno implementando sempre maggiormente questo processo nelle proprie produzioni, sostanzialmente grazie agli aspetti di qualità, facile replicabilità, basse deformazioni e capacità di operare anche su piccole dimensioni, su tutti i materiali, anche eterogenei tra loro.

Focus: il keyhole

Mentre nel TIG o nel MIG il calore si propaga per conduzione (dalla superficie verso l'interno, come una candela che scioglie la cera), nel laser ad alta densità di potenza avviene qualcosa di molto più violento ed efficiente. Il Keyhole è un fenomeno fisico che si verifica quando la densità di potenza del raggio laser supera una certa soglia (generalmente > 10⁶ W/cm²).

Vaporizzazione Istantanea: il raggio laser non si limita a sciogliere il metallo, ma ne vaporizza una piccola parte istantaneamente.

La Formazione del Capillare: le pressioni elevate del vapore metallico spingono verso l'esterno il metallo fuso, creando un sottile tunnel (il capillare, appunto) che attraversa la lamiera.

Trappola di Luce: una volta formato il foro, il raggio laser entra nel tunnel e subisce riflessioni multiple sulle pareti interne. Questo fa sì che quasi il 100% dell'energia venga assorbita dal materiale.

Nella saldatura tradizionale o nel laser a bassa potenza (modalità conduzione), il cordone è largo e meno profondo. Nel Keyhole Mode, cambiano le regole del gioco: la penetrazione profonda permette di saldare spessori elevati in un'unica passata, poiché il calore è portato direttamente nel "cuore" del giunto dal capillare di vapore.

Ad oggi, con sorgenti ad alta potenza (10 kW) è possibile saldare in keyhole spessori fino a 20-25 mm.

Zona Termicamente Alterata (ZTA) minima: poiché il raggio è strettissimo e la velocità di avanzamento è elevatissima, il calore non ha il tempo di diffondersi lateralmente. Questo è il motivo per cui la lamiera non subisce deformazioni.

Rapporto Profondità/Larghezza: In modalità keyhole, il cordone può essere molto profondo ma incredibilmente stretto (rapporti anche di 10:1), cosa non possibile per un arco elettrico TIG.

La saldatura laser tuttavia richiede attenzione al settaggio dei parametri. Di seguito alcuni elementi critici del processo:

Stabilità del Capillare: se la pressione del vapore diminuisce o la velocità è errata, il capillare può "collassare" con il rischio che il metallo fuso in solidificazione chiuda il buco, intrappolando del gas con conseguente rischio di porosità.

Spruzzi: L'alta pressione all'interno del keyhole può espellere goccioline di metallo fuso. Per questo le saldatrici laser moderne usano la tecnologia wobbling (oscillazione del raggio) per stabilizzare il bagno di fusione.

Accoppiamento dei Lembi: poiché il foro è minuscolo (fino a 0.1 mm), se le due lamiere non sono perfettamente a contatto, il raggio rischia di oltrepassare il giunto senza saldare nulla.

Focus: la saldatura laser manuale

La saldatura laser manuale sta progressivamente diventando un concorrente tecnologico rispetto a processi 'tradizionali' come TIG e MIG/MAG.

Investimento Iniziale e Sicurezza

Il divario maggiore tra le due tecnologie risiede nel capitale iniziale richiesto. Per i procedimenti TIG e MIG/MAG l'investimento è contenuto. Una macchina professionale richiede poche migliaia di euro. La sicurezza si limita a DPI standard (maschere oscuranti, guanti, grembiuli) e sistemi di aspirazione fumi localizzati. Per la Saldatura Laser l'investimento è molto elevato. Oltre al generatore (spesso in fibra), il costo lievita a causa dei dispositivi di sicurezza obbligatori. La radiazione laser riflessa è estremamente pericolosa per gli occhi e la pelle. Extra necessari: Cabine di protezione certificate (Classe 4), sistemi di interblocco sulle porte, cartellonistica luminosa, occhiali con lunghezze d'onda specifiche e una formazione dedicata per il personale (Addetto Sicurezza Laser).

Costi Operativi

Il laser si riscatta nella gestione quotidiana. Manodopera: il laser è molto più semplice da apprendere rispetto al TIG, che richiede anni di esperienza manuale. Questo riduce il costo orario dell'operatore specializzato. Velocità: il laser è fino a 5-10 volte più veloce del TIG. In un'ora di produzione, il costo energetico per pezzo è significativamente inferiore. Consumabili: nel laser i consumabili sono minimi (ugelli e vetrini protettivi). Nel MIG/MAG il consumo di filo e gas è massiccio; nel TIG, l'usura degli elettrodi di tungsteno è costante.

Materiali e Spessori

Materiali Eterogenei: il laser eccelle nell'unire materiali con punti di fusione diversi (es. rame-acciaio o alluminio-acciaio) grazie alla densità di energia concentrata che minimizza la creazione di fasi intermetalliche fragili.

Spessori: il laser è vantaggioso sugli spessori sottili e medi (da 0.5 mm a max 6-8 mm). Oltre queste misure, richiede potenze (e costi) proibitivi. L'arco (MIG/MAG) rimane imbattibile per i medi e grandi spessori e per la carpenteria pesante, grazie alla capacità di riempire rapidamente ampi lembi con il materiale d'apporto.

Tipo di Produzione

Produzione di Serie: il laser è molto competitivo. La velocità e la ripetibilità (specialmente se integrato con robotica) permettono volumi di produzione che i processi ad arco non possono approcciare.

Produzione a Commessa: se i pezzi cambiano ogni giorno e le tolleranze di accoppiamento sono diverse e non costanti, il MIG/MAG o il TIG sono più flessibili. Il laser richiede accoppiamenti dei lembi estremamente precisi (tolleranze inferiori al decimo di millimetro); l'arco 'perdona' molto di più.

Qualità Finale e Operazioni Post-Saldatura

Qualità e Deformazioni: il laser ha una Zona Termicamente Alterata (ZTA) ridottissima. Questo significa che il pezzo non si imbarca e non perde le proprietà meccaniche.

Post-saldatura: Con il TIG/MIG, spesso servono tempi di molatura, spazzolatura o raddrizzatura a caldo delle lamiere deformate. Con il laser, il cordone è esteticamente perfetto e le deformazioni sono quasi nulle. In molti settori (arredamento, medicale, alimentare), il pezzo esce dalla saldatura pronto per la verniciatura o la spedizione.

Tabella Comparativa di Sintesi