Saldatura a conduzione termica e saldatura a penetrazione profonda

1. Definizione e caratteristiche della saldatura a conducibilità termica laser

La saldatura laser a conducibilità termica è un metodo di saldatura laser. Questa modalità di saldatura ha una profondità di penetrazione ridotta e un rapporto profondità-larghezza ridotto. Quando la densità di potenza è inferiore a 10^4~10^5 W/cm2, viene classificata come saldatura a conduzione, caratterizzata dalla profondità di fusione ridotta e velocità di saldatura più lenta.

Durante la saldatura a conduzione termica, l'energia della radiazione laser agisce sulla superficie del materiale e l'energia della radiazione laser viene convertita in calore sulla superficie. Il calore superficiale si diffonde all'interno attraverso la conduzione termica, provocando la fusione del materiale e la formazione di una pozza fusa nell'area di collegamento tra i due materiali. La piscina fusa si muove in avanti insieme al raggio laser e il metallo fuso nella piscina fusa non si muove in avanti. Mentre il raggio laser si muove in avanti, il metallo fuso nella piscina fusa si solidifica, formando una saldatura che collega i due pezzi di materiale.

L'energia della radiazione laser agisce solo sulla superficie del materiale e la fusione del materiale sottostante avviene mediante conduzione di calore. Dopo che l'energia laser viene assorbita e fusa dallo strato sottile di 10~100 nm sulla superficie, la temperatura superficiale continua ad aumentare, facendo sì che l'isoterma della temperatura di fusione si propaghi in profondità nel materiale. La temperatura superficiale massima può raggiungere solo la temperatura di vaporizzazione. Pertanto, la profondità di fusione che può essere raggiunta con questo metodo è limitata dalla temperatura di vaporizzazione e dalla conduttività termica. Viene utilizzato principalmente per la saldatura di parti sottili (circa 1 mm) e di piccole dimensioni.

La densità di potenza del raggio utilizzato nella saldatura è bassa. Dopo che il pezzo ha assorbito il laser, la temperatura deve solo raggiungere il punto di fusione superficiale, quindi il calore viene trasferito all'interno del pezzo per formare un bagno di fusione per conduzione termica, quindi è economico. Inoltre, il cordone di saldatura è liscio e privo di pori e può essere utilizzato per la saldatura di parti estetiche.

Applicazioni tipiche sono la saldatura di lavelli in acciaio inossidabile, la saldatura di soffietti metallici, la saldatura di raccordi per tubi metallici, ecc.

2. Definizione e caratteristiche della saldatura a penetrazione profonda del laser

Quando la densità di potenza è maggiore di 10^5~10^7 W/cm2, la superficie metallica viene concava in "fori" a causa del calore, formando una saldatura a penetrazione profonda, che ha le caratteristiche di un'elevata velocità di saldatura e di un ampio rapporto d'aspetto.

Il processo fisico metallurgico della saldatura laser a penetrazione profonda è molto simile a quello della saldatura a fascio di elettroni, ovvero il meccanismo di conversione dell'energia viene completato attraverso la struttura del "piccolo foro". Sotto irradiazione con un fascio di densità di potenza sufficientemente elevata, il materiale evapora fino a formano piccoli fori. Questo piccolo foro pieno di vapore è come un corpo nero, assorbe quasi tutta l'energia della luce incidente e la temperatura di equilibrio nel foro raggiunge circa 25,000 gradi. Il calore viene trasferito dalla parete esterna di questo ad alta temperatura cavità, provocando la fusione del metallo che circonda la cavità. Il piccolo foro è riempito con vapore ad alta temperatura generato dalla continua evaporazione del materiale della parete sotto l'irradiazione del fascio. Le pareti del piccolo foro sono circondate da metallo fuso e il metallo liquido è circondato da materiali solidi. Il flusso di liquido all'esterno della parete del foro e la tensione superficiale dello strato della parete sono in fase con la pressione del vapore generata continuamente nella cavità del foro e mantenere un equilibrio dinamico. Il raggio di luce entra continuamente nel piccolo foro e il materiale all'esterno del piccolo foro scorre continuamente. Mentre il raggio di luce si muove, il piccolo foro è sempre in uno stato di flusso stabile. Vale a dire, il piccolo foro e il metallo fuso che circonda la parete del foro si muovono in avanti con la velocità di avanzamento del raggio pilota. Il metallo fuso riempie lo spazio rimasto dopo la rimozione del piccolo foro e si condensa di conseguenza, dando origine alla saldatura. Tutto ciò avviene così rapidamente che la velocità di saldatura può facilmente raggiungere diversi metri al minuto.

La saldatura a penetrazione profonda dei materiali richiede una potenza laser molto elevata. A differenza della saldatura a conduzione di calore, la saldatura a penetrazione profonda non solo scioglie il metallo, ma lo vaporizza anche. Il metallo fuso viene scaricato sotto la pressione del vapore metallico per formare piccoli fori. Il raggio laser continua a illuminare la parte inferiore del foro, provocandone l'estensione finché la pressione del vapore all'interno del foro non si bilancia con la tensione superficiale e la gravità del metallo liquido. Dopo la saldatura a penetrazione profonda, si formerà una saldatura stretta e uniforme e la sua profondità sarà generalmente maggiore della larghezza della saldatura. Questo processo ha le caratteristiche di un'elevata velocità di elaborazione e di una piccola zona influenzata dal calore, quindi la deformazione del materiale è piccola.

Applicazioni tipiche sono la saldatura di lamiere di acciaio di grosso spessore (10-25 mm) e la saldatura di gusci di alluminio di batterie di potenza.

3.Caratteristiche della saldatura laser a penetrazione profonda

Proporzioni elevate. Poiché il metallo fuso si forma attorno ad una camera cilindrica di vapore ad alta temperatura e si estende verso il pezzo in lavorazione, la saldatura diventa profonda e stretta.

Portata termica minima. Poiché la temperatura all'interno del piccolo foro è molto elevata, il processo di fusione avviene in modo estremamente rapido, l'apporto di calore al pezzo è molto basso e la deformazione termica e la zona interessata dal calore sono piccole.

Alta densità. Perché i piccoli fori riempiti di vapore ad alta temperatura favoriscono l'agitazione del bagno di saldatura e la fuoriuscita del gas, risultando in una saldatura a penetrazione senza pori. L'elevata velocità di raffreddamento dopo la saldatura può facilmente affinare la struttura della saldatura.

Saldature forti. Grazie alla fonte di calore caldo e al completo assorbimento dei componenti non metallici, il contenuto di impurità viene ridotto, la dimensione delle inclusioni e la loro distribuzione nel bagno di fusione vengono modificate. Il processo di saldatura non richiede elettrodi o fili di apporto e la zona di fusione è meno contaminato, rendendo la resistenza e la tenacità della saldatura almeno pari o addirittura superiori a quelle del metallo base.

Controllo preciso. Poiché il punto luminoso focalizzato è piccolo, il cordone di saldatura può essere posizionato con elevata precisione. L'emissione laser non ha "inerzia" e può essere arrestata e riavviata ad alta velocità. I pezzi complessi possono essere saldati utilizzando la tecnologia di movimento della trave CNC.

Processo di saldatura atmosferica senza contatto.Poiché l'energia proviene dal fascio di fotoni e non vi è alcun contatto fisico con il pezzo, non viene esercitata alcuna forza esterna sul pezzo. Inoltre, il magnetismo e l'aria non hanno alcun effetto sulla luce laser.

Vantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda:

1）Poiché il laser focalizzato ha una densità di potenza molto più elevata rispetto ai metodi convenzionali, si traduce in una velocità di saldatura elevata, in una piccola zona interessata dal calore e in una piccola deformazione e può anche saldare materiali difficili da saldare come il titanio.
2）Poiché il raggio è facile da trasmettere e controllare, non è necessario sostituire frequentemente le pistole e gli ugelli di saldatura e non è necessario il vuoto per la saldatura a fascio di elettroni, il che riduce significativamente i tempi di inattività e i tempi ausiliari, quindi il fattore di carico e l'efficienza produttiva sono alti.
3）A causa dell'effetto di purificazione e dell'elevata velocità di raffreddamento, il cordone di saldatura ha elevata resistenza, tenacità e prestazioni complessive.
4）Grazie al basso apporto termico medio e all'elevata precisione di lavorazione, i costi di ritrattamento possono essere ridotti; inoltre, anche i costi operativi della saldatura laser sono bassi, il che può ridurre i costi di lavorazione del pezzo.
5) Può controllare efficacemente l'intensità del raggio e il posizionamento preciso ed è facile realizzare il funzionamento automatico.

Svantaggi della saldatura laser a penetrazione profonda:

1）La profondità di saldatura è limitata.

2）L'assemblaggio del pezzo richiede requisiti elevati.

3）L'investimento una tantum nel sistema laser è relativamente elevato