Saldatura laser: la misura della potenza

Ophir ci spiega quali sono le sfide del laser nel settore della mobilità elettrica, e perché la qualità del fascio rivesta un ruolo essenziale. Una prima indicazione del corretto funzionamento di un sistema laser si può ottenere dalla misura della potenza

di Christian Dini

La mobilità elettrica si affermerà nel nostro Paese? Un fatto è certo: i nuovi concetti di produzione e le nuove tecnologie di questo settore sono strettamente correlati alla saldatura laser. Soprattutto nelle auto elettriche, il peso riveste un ruolo importante. Ma nonostante tutti i componenti siano fatti per essere il più leggeri possibile, devono mantenere la stabilità richiesta. Oltre ai nuovi radicali approcci di progettazione, come quelli offerti dalla produzione additiva con laser, non è ancora stato sfruttato appieno il potenziale dei metodi tradizionali. In ambito automotive, gli impianti di saldatura laser consentono da una parte la definizione flessibile di punti e cordoni di saldatura, e in aggiunta i nuovi materiali a fibre rinforzate, alluminio o acciaio ad alta resistenza possono essere lavorati e saldati in modo affidabile. Un esempio su tutti, la produzione dei sistemi batteria per i veicoli elettrici.

La potenza del laser influisce sulla qualità della produzione

A prescindere dal processo di saldatura laser impiegato, la qualità dei punti o dei cordoni di saldatura influisce in modo decisivo sulla sicurezza e sull’affidabilità delle parti prodotte, e sulla qualità complessiva del veicolo.
In che modo i produttori degli impianti e gli operatori possono assicurare che i sistemi laser, spesso integrati in linee di produzione automatizzate, funzionino correttamente? Chi si affida semplicemente alla considerazione che i laser lavorano senza usura, dovrà poi fare i conti col calo di qualità. È proprio nell’ambiente produttivo che vanno prese in considerazione le influenze esterne sul fascio dei sistemi laser. Una prima indicazione del corretto funzionamento di un sistema laser si può ottenere dalla misura della potenza.

Sensori che lavorano col metodo della potenza pulsata

Nella fabbricazione di carrozzerie vengono spesso impiegati laser con potenze nell’intervallo di kW. Per misurare questi laser in modo rapido e semplice, Ophir, un marchio di MKS Instruments, ha sviluppato sensori che operano in base al metodo della potenza pulsata. Il sensore L40 misura l’energia del fascio laser durante un lasso di tempo molto breve e, in combinazione con uno strumento di misura e di indicazione compatibile, calcola la potenza del laser. Questo significa che, per una durata d’impulso di 0,5 s, è possibile misurare ad esempio potenze del laser fino a 10.000 W con costi contenuti e senza un ulteriore raffreddamento del sensore. Un aspetto di particolare importanza soprattutto nella saldatura di batterie, dato che è fondamentale evitare il raffreddamento ad acqua.

La misura nella produzione totalmente automatizzata

Non appena il laser viene utilizzato in un ambiente completamente automatizzato, cambiano i requisiti della tecnologia di misura. Accanto alla pura misura della potenza, le aziende nel settore automobilistico richiedono spesso che lo strumento di misura sia connesso alla rete dei dati di produzione; hanno bisogno di uno strumento compatto e robusto, facilmente integrabile nei processi produttivi. Per queste applicazioni Ophir ha sviluppato Helios, che si basa sulla stessa tecnologia del sensore della potenza pulsata. Durante un breve lasso di tempo compreso tra 0,1 e 10 s, lo strumento di misura rileva potenza ed energia di laser a diodi a fibra o Nd:YAG; può calcolare la potenza totale fino a 12 kW, e l’energia totale fino a 10 kJ senza raffreddamento dell’aria o dell’acqua.
Per la brevità del tempo di misura, è possibile misurare la potenza durante il processo di carico e scarico. Tramite le interfacce Profinet, RS232 e USB, i valori misurati possono essere memorizzati per la valutazione come richiesto. Non appena la potenza del laser sul piano della lavorazione si sposta su valori al di fuori della tolleranza, è possibile intervenire tempestivamente.

Una soluzione di misura che opera senza contatto

Conoscere la potenza del laser a livello di lavorazione offre una prima indicazione per capire se lavora rispettando le specifiche. I dettagli sulla posizione del punto di focalizzazione, o sui cambiamenti della posizione nel tempo, possono essere determinati solo con un dispositivo che misuri il profilo del fascio. Anche un minimo spostamento della posizione del punto di focalizzazione modifica significativamente la densità della potenza. Questa, a sua volta, influenza direttamente la qualità del cordone di saldatura che, proprio in processi di saldatura sensibili, consente modifiche della densità di potenza solo con tolleranze molto strette. Anche in questo caso, il punto cruciale è l’elevata potenza.
Ophir ha sviluppato appositamente un metodo di misura che funziona senza contatto, e si basa sullo scattering di Rayleigh.

Come funziona lo scattering delle onde elettromagnetiche?

Lo scattering delle onde elettromagnetiche viene descritto per particelle, il cui diametro è piccolo rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione. Il campo elettrico della radiazione laser induce un’oscillazione del dipolo alla frequenza del laser, determinando uno scattering elastico della stessa frequenza. La luce laser diffusa viene riprodotta di lato su una videocamera CCD o CMOS, usando una struttura a lenti telecentriche. Ogni singolo pixel di una riga della videocamera CCD rileva la luce diffusa come un punto di misura dell’intensità nel profilo del fascio. Partendo da queste misure, attraverso un software integrato, è possibile calcolare con precisione i parametri del fascio e la sua qualità secondo gli standard ISO-13694 e ISO-11146. Dato che i sistemi della linea di prodotto BeamWatch si basano su questo principio di misura, consentono il monitoraggio del profilo del fascio in tempo reale. In questo modo, le modifiche del fuoco possono essere visualizzate direttamente. Inoltre, se necessario, gli strumenti di misura della serie BeamWatch sono facilmente trasportabili.
Per l’impiego in processi manifatturieri automatizzati o robotizzati, Ophir ha sviluppato BeamWatch Integrated. Questo strumento combina le misure di potenza di cui abbiamo appena parlato con le funzionalità BeamWatch, aggiungendo svariate interfacce che permettono di integrare lo strumento in ambienti di fabbrica intelligenti.

Autore: Christian Dini, Director Global Business Development Ophir