Saldatura a raggio laser e saldatura a fascio di elettroni Quale processo funziona meglio per cosa?

I sostenitori della saldatura a raggio laser (LBW) e della saldatura a fascio di elettroni (EBW) pronunciano ciascuno i singolari elogi della loro tecnologia preferita, ma spesso la soluzione migliore per un cliente è utilizzare entrambe le tecnologie insieme. Entrambi i processi sono adatti all'unione di componenti con geometrie complesse e in grado di soddisfare le richieste più rigorose in termini di caratteristiche metallurgiche dell'assemblaggio finale.

L'utilizzo delle tecnologie laser e del fascio di elettroni in un unico impianto può semplificare il processo di produzione quando il progetto di un componente incorpora più giunti di saldatura adattati separatamente per un processo o per l'altro. Gli esempi includono sensori, dispositivi medici e prodotti che richiedono la sigillatura di gas inerte o vuoto all'interno della parte finita.

La lavorazione laser è necessaria quando le dimensioni dell'assemblaggio finale sono troppo grandi per una camera di saldatura EB, alcuni componenti dell'assemblaggio sono incompatibili con la lavorazione sotto vuoto (come un liquido o un gas) o quando la saldatura è inaccessibile a un fascio di elettroni fonte. Il fascio di elettroni sarà la scelta primaria quando l'assemblaggio completato deve essere sigillato con componenti interni sotto vuoto, quando le penetrazioni di saldatura superano 1⁄2", quando è difficile avviare l'accoppiamento laser con il materiale o quando la saldatura non deve essere esposta alle condizioni atmosferiche finché non si è raffreddato a una temperatura accettabile. Esempi sono la saldatura aerospaziale del titanio e delle sue leghe e di molti metalli refrattari come tungsteno, niobio, renio e tantalio.

Le fonti di energia per la saldatura laser utilizzano un'onda continua (CW) o un'emissione pulsata di fotoni. Con i sistemi CW, il raggio laser è sempre attivo durante il processo di saldatura. I sistemi a impulsi sono modulati per emettere una serie di impulsi con un tempo di spegnimento tra tali impulsi. In entrambi i metodi il raggio laser viene focalizzato otticamente sulla superficie del pezzo da saldare. Questi raggi laser possono essere consegnati direttamente alla parte tramite la classica ottica rigida o tramite un cavo in fibra ottica altamente flessibile in grado di fornire l'energia laser a postazioni di lavoro distanti.

È l’elevata densità di energia del laser che consente di portare rapidamente la superficie del materiale alla temperatura liquidus, consentendo un tempo di interazione del raggio breve rispetto ai metodi di saldatura tradizionali come GTAW (saldatura TIG) e processi simili. All'energia viene così concesso meno tempo per dissiparsi all'interno del pezzo. Ciò si traduce in una zona influenzata dal calore ristretta e in una minore fatica a carico del componente.

L'energia emessa dal fascio può essere altamente controllata e modulata per produrre profili di impulsi arbitrari. I cordoni di saldatura possono essere prodotti sovrapponendo singoli impulsi, il che riduce l'apporto di calore introducendo un breve ciclo di raffreddamento tra gli impulsi, un vantaggio per la produzione di saldature in materiali sensibili al calore.

Salay Stannard, ingegnere dei materiali per Joining Technologies, un'azienda innovatrice con sede a East Granby, con sede in CT, nelle applicazioni di rivestimento laser, fascio di elettroni e saldatura laser, osserva che i laser CW possono raggiungere penetrazioni fino e superiori a 0,5 pollici, mentre i laser pulsati in genere raggiungono solo 0,030 -0,045 pollici. Dice: "Questi risultati possono variare tra i sistemi laser e dipendono in gran parte dalla scelta dei parametri di elaborazione e dalla progettazione del giunto". La Figura 1 illustra la costruzione di un sistema di saldatura laser a stato solido.

Stannard aggiunge: “Poiché la fonte di calore in questo tipo di processo di saldatura è l'energia della luce, è necessario considerare la riflettività del materiale saldato. Ad esempio, oro, argento, rame e alluminio richiedono un apporto energetico più intenso. Una volta fusa, la riflettività si riduce e la conduttanza termica del processo progredisce fino a raggiungere la penetrazione”.

Come notato, l'elevata densità di potenza del laser crea piccole zone interessate dal calore e garantisce che i componenti critici non vengano danneggiati. Ciò presenta vantaggi particolari per strumenti chirurgici, componenti elettronici, gruppi di sensori e molti altri dispositivi di precisione. A differenza dell’EBW, LBW non genera raggi X ed è facilmente manipolabile con l’automazione e la robotica. In generale, LBW ha anche requisiti di attrezzaggio più semplici e non ci sono vincoli fisici legati a una camera a vuoto. Tempi di ciclo più brevi si traducono in vantaggi in termini di costi senza sacrificare la qualità. La tabella 1 elenca i vantaggi dell'onda continua e dell'impulso LBW.