Saldatura laser, sai davvero come funziona il laser?

Sempre più spesso ci troviamo davanti a un impianto di saldatura laser a discutere sulla tipologia di maschere di saldatura da utilizzare.

Sembra che ci siano in giro due correnti di pensiero opposte. Per farla breve, c’è chi dice che le maschere di saldatura devono essere più semplici e snelle possibili. Altri pensano che devono essere complesse e automatiche, quindi molto costose.

E non si capisce perché ci sia questa dicotomia. Ma chi ha ragione?

Prima di ragionare sulle maschere di saldatura, vorrei un momento raccontare cos’è il laser e come è possibile che un raggio di luce sia in grado di saldare il metallo e di tagliarlo.

Naturalmente, non è una lezione di fisica quantistica. Se sei un fisico, scusa le imprecisioni.

Come funziona il laser

Se sei interessato a capire come funziona la saldatura laser, prima partiamo dai principi di funzionamento del laser, qui metto una spiegazione.

Laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation, cioè amplificazione della luce per mezzo di emissione stimolata di radiazione.

Introduciamo i nostri personaggi.

 

Un atomo è formato da un nucleo centrale e da elettroni che gli volano intorno. E volano all’interno di spazi confinati che si chiamano orbitali. Ogni orbitale può contenere al massimo due elettroni. Inoltre, ogni orbitale ha un suo livello di energia. Immaginiamo una scala stretta dove ci si sta solo in due e dove l’alzata dei gradini aumenta più si sale.

Per far saltare un elettrone al gradino superiore, devi dargli esattamente una certa quantità di energia, pari all’altezza del gradino. Quando l’elettrone salta su, si dice che l’atomo ha assorbito la radiazione e si è eccitato, quello giallo.

L’elettrone a un certo, perché gli va, punto salta giù e restituisce l’esatta quantità di energia ricevuta (emissione spontanea). E l’atomo si rilassa, quello blu.

L’energia viene assorbita ed emessa sotto forma radiazione elettromagnetica (l’onda rossa). Se la radiazione ha una lunghezza d’onda compresa fra 720 e 380 nanometri, si chiama luce visibile.

Ricapitolando:

  1. La luce colpisce l’atomo rilassato;
  2. L’atomo si eccita, perché un suo elettrone è saltato su di un gradino (l’atomo assorbe energia);
  3. Spontaneamente o per uno stimolo, l’elettrone salta giù di un gradino e restituisce la luce, esattamente come l’ha ricevuta (l’atomo emette energia);
  4. L’atomo è di nuovo rilassato.

Succede che, se un’onda incontra un’atomo eccitato, stimola l’elettrone a saltare giù. Durante il salto, emette una radiazione della stessa lunghezza d’onda (stesso colore), in fase e nella stessa direzione dell’onda in arrivo (coerenza). E questa è una bella fortuna.

Quando due onde elettromagnetiche sono in fase, si sommano nella direzione di propagazione. E questa è un’altra bella fortuna.
Quindi può succedere che inizi una reazione a catena. E l’onda continui a rafforzarsi, sbattendo contro altri atomi eccitati (amplificazione della luce).

E con questo, come si fa un laser?

Nel 1960 Theodore Maiman ha costruito il primo laser sfruttando queste conoscenze teoriche.

Ecco come l’ha costruito. Ha preso una barra cilindrica di cristallo di rubino con due specchi alle estremità, uno dei quali parzialmente riflettente. Ha messo una sorgente di energia (una lampada lampeggiante) intorno alla barretta e ha tirato su l’interruttore.

Cosa succede? La lampada emette luce (pompa energia) verso gli atomi del rubino, che si eccitano. Quando un’atomo (per caso) si rilassa, restituisce l’energia ricevuta come onda elettromagnetica. Molte onde escono fuori di traverso dalla barretta. Ma le onde emesse verso gli specchi vengono riflesse e cominciano a rimbalzare avanti e indietro. Durante i rimbalzi urtano altri atomi e causano la reazione a catena di amplificazione.

A un certo punto l’onda è abbastanza intensa da passare attraverso lo specchio semi-riflettente, emergendo come un fascio luminoso monocromatico concentrato: il raggio laser.

Ovviamente in parole molto semplici, questo è il meccanismo di funzionamento del laser.

Perché il laser è tanto potente da poter essere usato in saldatura?

Prendi una lampadina da 60Watt e accendila. Dal filamento viene fuori una radiazione luminosa con uno spettro che va dal blu (poco) all’infrarosso (molto, senti il calore). Il colore sul giallo che vedi è la somma dei colori dello spettro emesso.

I 60 Watt emessi dalla lampadina si propagano nello spazio in tutte le direzioni, tipo un palloncino che si gonfia. Se consideri una sfera di raggio (R) un metro dove al centro hai la lampadina e fai la potenza diviso la superficie della sfera, trovi la densità di potenza.
In questo caso, l’area della sfera è 4R2, quindi la potenza è 60 Watt diviso 12.560.000 mm2. Viene un numero piccolo. No?

A nessuno verrebbe in mente di fare la saldatura laser con una lampadina.

Adesso prendi il fascio di una sorgente laser da 60 Watt, focalizzato a un metro di distanza in uno spot di 0,1 mm di diametro. La superficie attraversata dalla luce laser è l’area del cerchio dello spot, R2= 1/127 mm2. Per cui la densità di potenza è 7.620 W/mm2. Decisamente maggiore.

Naturalmente, questo esempio non considera efficienza, riflessioni, perdite, ecc.

La concentrazione di potenza è talmente alta che è in grado di fondere il metallo in una frazione di secondo. Per fondere il metallo servono potenze dell’ordine 10 KW/mm2. Per questo trova impiego nel taglio e nella saldatura laser dei metalli, per l’appunto.

Quali tecnologie vengono utilizzati per la saldatura laser?

Dal primo laser di Maiman la tecnologia ha fatto qualche passo avanti. Ma il concetto di base è immutato. Le sorgenti laser costruite come quelli di Maiman sono classificate come Laser a stato solido.

Poi ci sono i laser a gas, a semiconduttore, chimici, a vapori metallici.
A seconda della sorgente cambia la lunghezza d’onda, la potenza massima, l’efficienza, la dimensione della sorgente.

In saldatura, le sorgenti maggiormente utilizzate sono:

  • il cristallo Nd:YAG (stato solido);
  • la fibra ottica (stato solido);
  • il diodo laser (semiconduttore);
  • la CO2 (gas).

In un prossimo post proverò ad approfondire l’aspetto dell’impiego in saldatura.