Saldatura pulita con laser a diodi

Saldatura di Tailored Blanks: i laser a diodi Laserline migliorano la qualità del processo e l’efficienza.

In generale, tutti i tipi di laser sono adatti alla saldatura di Tailored Blanks. Tuttavia considerando la qualità della saldatura e l’efficienza energetica, sussistono differenze importanti. ArcelorMittal Tailored Blanks, filiale del più grande produttore al mondo di acciai ArcelorMittal, ha sostituito i laser CO2 con i laser a diodi Laserline. Tali laser sono rinomati per la loro elevata solidità e qualità della saldatura prodotta, oltre che per i benefici economici che offrono. Solo coloro che quotidianamente sono coinvolti nella realizzazione di telai per il settore automotive possono comprendere la complessità ed il volume di risorse dedicate a tali elementi. Osservando le curve e l’armoniosità delle portiere e delle carrozzerie delle automobili non traspare la difficoltà della trasformazione dalla materia prima al semilavorato per raggiungere poi il componente finale. Ed è proprio così che deve essere, perché l’estetica è quando lo sforzo sotteso diventa invisibile. Allo stesso tempo, il cliente si aspetta che il telaio offra la migliore protezione possibile e che l’auto abbia costi contenuti. Dunque, l’obiettivo di tale processo è quello di mettere a sistema in un’ideale relazione forme armoniose, massima solidità ed elevata efficienza.

Tailored Blanks – La fase preliminare della realizzazione di una carrozzeria automotive

I Tailored blanks rappresentano la chiave per il raggiungimento di questo obiettivo: i pannelli d’acciaio vengono trasformati nella carrozzeria vera e propria attraverso una sola fase di lavorazione. Questi semilavorati sono composti da pannelli – di differenti spessori, materiali e finiture superficiali – saldati fra loro. Durante la fase di progettazione, la resistenza e lo spessore dei pannelli viene determinata puntualmente. Tale approccio permette di migliorare la rigidezza del telaio e di trasformare l’energia derivante dall’impatto con corpi esterni ridistribuendola in punti predefiniti. Al contrario, altre zone del telaio sono progettate ad hoc per incrementare la protezione dei passeggeri e quindi, la sicurezza in caso di incidente. Utilizzando inoltre pannelli pretagliati, si ottimizza il consumo dei materiali (acciaio e alluminio) riducendo ulteriormente i costi. Tuttavia il vantaggio più importante derivante dall’utilizzo dei Tailored Blanks è la riduzione del peso che si ottiene attraverso l’impiego di specifici acciai alto resistenziali o laminati, di spessori variabili a seconda delle richieste del componente. Infatti, non appena la riduzione del peso e quella dei consumi viaggiano di pari passo, la sicurezza e l’efficienza del veicolo vengono incrementate in parallelo.

Pannelli saldati laser prima e dopo la deformazione

Nella produzione dei Tailored Blanks, la saldatura di pannelli di metalli differenti è realizzata mediante accostamento testa-testa dei laminati e successiva saldatura laser. Tale metodologia permette di ottenere la miglior resistenza meccanica e le migliori caratteristiche di deformazione del componente. Per questo motivo sono ampiamente adoperati i laser allo stato solido, a diodi e a CO2 . L’impiego di quest’ultimo sta tuttavia progressivamente calando in quanto è considerato poco vantaggioso a livello economico per via della sua scarsa efficienza energetica che si attesta intorno al 10%. Tale considerazione è condivisa anche da ArcelorMittal Tailored Blanks (AMTB), leader nella realizzazione di soluzioni custom all’interno del mercato crescente della deformazione a caldo per carrozzerie nel settore automotive. Per questo motivo, a livello internazionale, la filiale del più grande produttore di acciai al mondo ArcelorMittal ha deciso di rimpiazzare i propri laser a CO2 con delle nuove sorgenti.

La scelta dei laser a diodi per la realizzazione di Tailored Blanks

La scelta di un laser del futuro ha rappresentato il punto di partenza del processo di modernizzazione. Tra i laser allo stato solido sono stati considerati i laser a disco e quelli in fibra; entrambe le tipologie sono ben consolidate nell’ambito della saldatura, con un’efficienza energetica pari a circa il 30%.

Inizialmente, la scelta di AMTB è ricaduta sui laser in fibra, forti della comprovata esperienza acquisita. L’orientamento si è poi successivamente modificato verso i laser a diodi accoppiati in fibra prodotti da Laserline. La società, fondata nel 1997 nella città di Mülheim-Kärlich localizzata nella Renania (in prossimità di Koblenz), è pioniera nello sviluppo di laser a diodi ed ha influenzato in maniera rilevante il progresso di questa tecnologia. A favore della scelta iniziale di utilizzare laser in fibra ha avuto un ruolo fondamentale l’esito delle prove effettuate presso i laboratori applicativi: le prove, realizzate su differenti materiali e con diversi parametri di processo, sono state realizzate in stretta collaborazione direttamente con AMTB. La qualità del fascio e la stabilità del processo sono state confermate in tutti i test eseguiti inducendo così la sostituzione, nel dicembre 2011, del più vecchio laser a CO2 con un laser a diodi Laserline modello LDF5000-40, con una fibra da 400 µm ed una potenza massima di 5 kW. A seguito delle ulteriori conferme derivanti dalla produzione effettuata con il laser a diodi installato, ne sono stati acquistati degli altri. Ad oggi, nella gran parte degli stabilimenti di AMTB, in Europa, India e Australia, i laser a diodi Laserline sono impiegati a pieno ritmo.

Una pozza fusa stabile per una maggiore solidità

Per quanto riguarda il processo di saldatura, se paragonati ad altre tipologie di sorgenti, i laser a diodi dimostrano una notevole superiorità sotto molteplici aspetti. Uno dei vantaggi è, ad esempio, la stabilità della pozza fusa: «Nonostante una più ridotta stand off distance, i laser a diodi generano una minore quantità di schizzi sui pannelli durante la saldatura, formando un cordone molto più pulito ed uniforme. Un ulteriore vantaggio di questa tipologia di sorgenti risiede in un maggiore gap tollerabile tra i pannelli in fase di saldatura» ha spiegato il Dott. Andre Eltze, Europe Sales Manager per Laserline.

La distribuzione di energia uniforme e la molteplicità delle lunghezze d’onda comprese tra I 930 e I 1060 nm, caratteristiche dei laser a diodi, sono spesso state indicate come le motivazioni principali dei vantaggi sopracitati e dell’alta stabilità del processo. Inoltre, il fascio laser è assorbito in maniera più efficace in quanto le lunghezze d’onda sono inferiori a quelle dei laser in fibra e a disco (comprese tra I 1030 e i 1070 nm).

«Tuttavia, per qualificare il processo di realizzazione di un telaio di un automobile, la saldatura laser non deve fornire solo buoni risultati», afferma Anne Kathrin Krause, ingegnere presso i laboratori di Laserline. «In un ambiente di lavoro così estremo, la robustezza nell’evitare la contaminazione del cordone gioca un ruolo fondamentale». In questo caso i laser a diodi sono rinomati per questa qualità. Polvere ed umidità non hanno accesso ai diodi in quanto questi sono isolati in un apposita camera (protezione IP54) mentre l’intera sorgente può operare anche in condizioni avverse. Al contrario, nei laser in fibra, è richiesto l’impiego di aria condizionata  – una soluzione che induce ulteriori costi e difficoltà di accesso durante la manutenzione della sorgente stessa.

Elevata efficacia dell’attrezzatura

«Per AMTB, la decisione di scegliere Laserline non si è basata solamente sulla robustezza e sulla qualità della saldatura ottenuta mediante laser a diodi. Questi sono infatti caratterizzati anche da un’elevatissima efficienza» ha aggiunto il Dott. Andre Eltze.

L’alta efficienza dei laser a diodi (fino al 39%) riduce i consumi per ogni kW di potenza laser e pertanto anche la potenza richiesta per il raffreddamento dalla sorgente. In aggiunta, i laser a diodi, richiedono molta meno manutenzione dei laser a CO2 risultando maggiormente efficienti dal punto di vista dei costi.

Laserline, per esempio, raccomanda un singolo intervento manutentivo precauzionale all’anno che richiede mediamente mezza giornata lavorativa.

Per questi motivi AMTB ha optato per i laser a diodi. I sistemi Laserline hanno comprovato le loro performance in termini di velocità di saldatura e soddisfazione delle richieste tecniche del cliente. In aggiunta ai laser a diodi che lavorano con 5kW di potenza e sono quindi ideali per bassi spessori di metalli, AMTB usa anche il laser LDF6000-40 con una potenza massima di 6 kW. Questo ha generato ottime saldature per spessori fra 0,5 e 2,8 mm.

La garanzia dei laser offerta da Laserline è poi un ulteriore punto chiave: alcuni produttori offrono solo due anni contro i cinque di Laserline. A seguito di queste considerazioni, AMTB ha installato non solo una soluzione tecnica che garantisce un ottima qualità di processo e di efficacia, ma garantisce anche elevati standard sul lungo periodo.

A seguito di queste considerazioni, AMTB ha installato non solo una soluzione tecnica che garantisce un ottima qualità di processo e di efficacia, ma garantisce anche elevati standard sul lungo periodo.

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