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Prefazione
Grazie all'elevata densità di energia, al basso apporto di calore e alla natura senza-contatto, la tecnologia di saldatura laser è emersa come uno dei processi fondamentali nella moderna produzione di precisione. Tuttavia, problemi come l'ossidazione, la porosità e la combustione-elementale-risultanti dal contatto tra il bagno di saldatura e l'atmosfera durante il processo di saldatura-limitano gravemente le proprietà meccaniche e la durata dei cordoni di saldatura. Essendo il mezzo critico per il controllo dell'ambiente di saldatura, la selezione del tipo di gas di protezione, della portata e del metodo di erogazione deve essere attentamente abbinata alle caratteristiche specifiche del materiale (come reattività chimica e conduttività termica) e allo spessore del pezzo.
Elaborazione laser e fascio di elettroni
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Tipi di gas di protezione
La funzione primaria di un gas di protezione è quella di isolare l'ossigeno, regolare il comportamento del bagno di saldatura e migliorare l'efficienza dell'accoppiamento energetico. In base alle loro proprietà chimiche, i gas di protezione possono essere ampiamente classificati in gas inerti (come argon ed elio) e gas attivi (come azoto e anidride carbonica). I gas inerti possiedono un'elevata stabilità chimica, prevenendo efficacemente l'ossidazione del bagno di saldatura; tuttavia, differenze significative nelle loro proprietà termofisiche possono avere un impatto profondo sul risultato della saldatura. L'argon (Ar), ad esempio, presenta un'elevata densità (1.784 kg/m³), che gli consente di formare uno stabile velo protettivo sul bagno di saldatura; al contrario, la sua bassa conduttività termica (0,0177 W/m·K) comporta un raffreddamento più lento del bagno di saldatura e una profondità di penetrazione inferiore. Al contrario, l'elio (He) presenta una conduttività termica circa otto volte quella dell'argon (0,1513 W/m·K), accelerando così il raffreddamento del bagno di saldatura e aumentando la profondità di penetrazione; tuttavia, la sua bassa densità (0,1785 kg/m³) lo rende soggetto a una rapida dispersione, richiedendo portate più elevate per mantenere una schermatura efficace. I gas attivi-come l'azoto (N₂)-possono, in alcune applicazioni, aumentare la resistenza del cordone di saldatura attraverso il rafforzamento della-soluzione solida; tuttavia un loro uso eccessivo può portare alla porosità o alla precipitazione di fasi fragili. Ad esempio, durante la saldatura di acciai inossidabili duplex, la dissoluzione dell'azoto nel bagno di saldatura può interrompere l'equilibrio delle fasi di ferrite-austenite, con conseguente riduzione della resistenza alla corrosione.
Dal punto di vista dei meccanismi di processo, l'elevata energia di ionizzazione dell'elio (24,6 eV) sopprime l'effetto di schermatura del plasma e migliora l'assorbimento dell'energia laser, aumentando così la profondità di penetrazione. Al contrario, la bassa energia di ionizzazione dell'argon (15,8 eV) tende a generare un pennacchio di plasma, rendendo necessario l'uso di tecniche come la defocalizzazione o la modulazione degli impulsi per mitigare le interferenze. Inoltre, le reazioni chimiche tra i gas di protezione attivi e il bagno di fusione-come la formazione di nitruri attraverso la reazione dell'azoto con il cromo nell'acciaio-possono alterare la composizione della saldatura; pertanto la scelta del gas di protezione deve essere effettuata con cautela, tenendo conto delle proprietà specifiche del materiale.
**Esempi di applicazione dei materiali:**
• **Acciaio:** Nella saldatura di lamiere sottili (<3 mm), argon ensures a high-quality surface finish; for instance, the oxide layer thickness on a weld in 1.5 mm low-carbon steel is merely 0.5 μm. For thick plates (>10 mm), tuttavia, per aumentare la profondità di penetrazione è necessaria una piccola aggiunta di elio (He).
• **Acciaio inossidabile:** la schermatura in argon previene l'esaurimento del contenuto di cromo (Cr); in una saldatura su acciaio inossidabile 304 di 3 mm di spessore, il contenuto di Cr raggiunge il 18,2% (si avvicina molto al 18,5% del metallo base). Gli acciai inossidabili duplex, d'altro canto, richiedono una miscela di Ar-N₂ (con N₂ inferiore o uguale al 5%) per mantenere un rapporto di fase equilibrato. Gli studi indicano che quando si salda acciaio inossidabile duplex 2205 di 8 mm di spessore utilizzando una miscela di Ar-2%N₂, il rapporto di fase ferrite-e-austenite si stabilizza a 48:52, producendo una resistenza alla trazione di 780 MPa, superiore a quella ottenuta con la schermatura ad argon puro (720 MPa).
• **Leghe di alluminio:** *Lamiere sottili (<3 mm):* The high reflectivity of aluminum alloys results in low energy absorption; helium, with its high ionization energy (24.6 eV), helps stabilize the plasma. Research shows that when welding 2 mm thick 6061 aluminum alloy under helium shielding, the penetration depth reaches 1.8 mm-a 25% increase compared to argon shielding-while porosity remains below 1%. *Thick Plates (>5 mm):* La saldatura di lamiere di alluminio spesse richiede un elevato apporto di energia; una miscela di elio-argon (He:Ar=3:1) offre un equilibrio tra il raggiungimento di una profondità di penetrazione sufficiente e la gestione dei costi. Ad esempio, quando si saldano piastre 5083 spesse 8 mm, la schermatura con questa miscela determina una profondità di penetrazione di 6,2 mm-un miglioramento del 35% rispetto all'argon puro-riducendo contemporaneamente i costi di saldatura del 20%.
