Programmare il fascio laser fibra

L’innovazione tecnologica non conosce sosta, e all’interno di un mercato globale che è alla costante ricerca di soluzioni che permettano di migliorare un processo sotto diversi aspetti ogni fornitore di tecnologia deve costantemente impegnarsi in attività di ricerca & sviluppo. Nell’ambito delle soluzioni laser, tale attività è serrata e ha portato a notevoli miglioramenti in tutte le declinazioni di questa tecnologia, a partire dalle operazioni di saldatura laser per le quali la possibilità di regolare la dimensione e la forma del fascio in base al risultato che si vuole ottenere rappresentano un indiscutibile vantaggio. Due esempi di impiego sono rappresentati dalla saldatura “keyhole”, in cui l’energia del fascio si concentra in un’area ridotta per generare un cordone stretto e profondo, e la saldatura in regime di conduzione, dalla quale si ottiene un cordone più largo, meno penetrato ed esteticamente migliore che non richiede ulteriori processi di finitura. Adottare una forma del fascio laser composta da uno spot centrale circondato da un anello può incrementare la stabilità di una saldatura in keyhole riducendo schizzi (spatter) e porosità, incrementando quindi la resistenza meccanica e l’uniformità della zona fusa, mentre per saldature in regime di conduzione una forma ad anello con un’elevata densità di energia può tradursi in una maggiore produttività se comparata con la classica forma circolare con densità energetica minore. In entrambi i casi, la migliore forma e dimensione del fascio sono strettamente dipendenti dalla geometria e dal materiale del pezzo da lavorare. Forma e dimensione ottimali.

In linea con queste nuove evoluzioni a livello tecnologico la statunitense nLight, i cui prodotti sono distribuiti in Europa da Optoprim, ha sviluppato i laser in fibra con tecnologia proprietaria Corona, che permette di selezionare rapidamente la dimensione e la forma del fascio direttamente in uscita dalla fibra di processo. Più precisamente, è possibile variare la forma del fascio direttamente all’interno della fibra senza l’utilizzo di ottiche aggiuntive, mantenendo tutte le caratteristiche di stabilità, efficienza e affidabilità dei laser in fibra. Inoltre, per ogni differente forma del fascio è possibile utilizzare la massima potenza della sorgente laser. La modifica del fascio avviene in tempi estremamente rapidi, con un tempo di transizione dal diametro più piccolo a quello più grande di meno di 30 ms. La rapidità con la quale può essere modificato il fascio consente di utilizzare la distribuzione di energia più adatta per ogni differente parte del tratto da saldare (per esempio, l’inizio e la fine del cordone) e non solo per lavorazioni o pezzi differenti. La fibra di processo Corona è suddivisa in zone concentriche che possono trasportare il fascio laser.

Keyhole o per conduzione

Per comprendere meglio i vantaggi della tecnologia Corona è necessario considerare le due tipiche modalità di saldatura: quella cosiddetta keyhole e per conduzione. Durante una saldatura in keyhole il fascio laser ha una densità energetica sufficiente per vaporizzare il metallo. Nei primi millisecondi del processo l’energia del fascio laser fonde e vaporizza una piccola porzione della superficie metallica. Il vapore espande rapidamente, generando una forza tale da bilanciare la tensione superficiale del metallo liquido. Si genera quindi una cavità che consente al fascio laser di penetrare in profondità per fondere e vaporizzare il materiale fino a spessori non raggiungibili nel regime per conduzione. La cavità generata viene chiamata keyhole e viene sostenuta dalla continua generazione ed espulsione di vapore metallico formatosi dall’interazione con il laser. La saldatura risultante da questo tipo di processo è generalmente stretta e profonda, quindi con un alto rapporto tra profondità e larghezza. Per avere una superficie di saldatura il più possibile liscia e regolare l’obiettivo è quello di avere una cavità di vapore molto stabile. Il keyhole tende spesso a essere instabile, a tratti intermittente a causa della continua interazione tra la pressione del vapore e la tensione superficiale del metallo fuso circostante. Quando il keyhole collassa vengono generate di conseguenza discontinuità nella saldatura come porosità, schizzi e irregolarità della superficie. Quando la pozza fusa collassa e chiude la cavità, la vaporizzazione dovuta al laser tende a riaprirla causando l’espulsione di gocce (spatter) dalla pozza fusa.

Ridurre lo spatter

Nella saldatura di acciai a medio e alto tenore di carbonio la generazione di spatter è piuttosto comune e difficile da evitare con tecniche standard. In un esempio di saldatura su un acciaio a medio tenore di carbonio (AISI 4140) con una tipica formazione di spatter, nonostante questo fenomeno nella sezione trasversale della saldatura non sono presenti effetti significativi sulla profondità di penetrazione. In questo caso la saldatura risulta efficace, ma lo spatter prodotto può essere comunque considerato un problema rilevante per il prodotto o il processo. Il miglior modo per ridurre sensibilmente lo spatter è quello evitare che la cavità collassi durante il processo. Storicamente sono stati utilizzati diversi approcci per limitare il problema. Il più semplice consiste nel posizionarsi in una condizione lontana dal punto di fuoco in modo tale da avere una ridotta densità energetica sulla superficie, riducendo però penetrazione e/o velocità del processo. La modulazione della potenza del laser ha dato risultati positivi per alcuni materiali, ma richiede una maggiore potenza di picco della sorgente per mantenere costante la potenza media. Più recentemente tecniche di wobbling (oscillazione) del fascio sono risultate efficaci per migliorare la stabilità del keyhole, ma la rapidità di oscillazione e la potenza del laser possono incidere sulla velocità lineare del processo. Con la tecnologia Corona si ha la possibilità di fornire del fascio dove è richiesta, al fine di mantenere aperto il keyhole senza andare a inficiare sulla velocità di processo o sulla profondità di penetrazione, poiché la distribuzione di energia ad anello circondante il fascio centrale amplia l’apertura del keyhole al fine di evitare il collasso della cavità. Nella saldatura dell’acciaio lo spot centrale fornisce l’energia necessaria per la penetrazione, mentre l’anello più esterno facilita la vaporizzazione nella parte alta della cavità risultando efficace nel mantenere più stabile la cavità stessa. La frazione di potenza del laser contenuta nell’anello più esterno cresce da sinistra a destra. La potenza totale del laser e la velocità del processo sono state mantenute costanti. La larghezza della saldatura cresce al crescere della potenza nell’anello, mentre la profondità di penetrazione tende a decrescere.

Applicazioni sul campo

In seguito alle prove dimostrative eseguite da nLight sulla lastra di acciaio e avendo identificato le condizioni più favorevoli per la riduzione di difettosità come lo spatter, l’azienda ha saldato reali componenti industriali utilizzando sia la distribuzione di energia standard sia quella ottimizzata per il processo. Il componente testato rappresenta un ingranaggio proveniente dall’industria automotive. Nei fermo immagine si può notare la differenza considerabile di “scintille” visibili. Ogni “scintilla” è in realtà una goccia di materiale fuso che viene poi soffiata via, al fine di preservare le componenti ottiche, dall’aria compressa del crossjet. Nella saldatura Corona queste scintille sono totalmente assenti. Questo è verificabile anche sul pezzo finito dove la superficie del cordone risulta regolare e senza presenza di materiale espulso, dimostrando come la tecnologia sviluppata da nLight possa assicurare un vantaggio competitivo a chi la adotta.