Nella saldatura per penetrazione il laser, che deve avere potenza elevata, vaporizza una stretta porzione cilindrica di materiale tramite l'apporto di una densità di potenza superiore ai 1O6 W/cm2, formando così un foro di penetrazione (keyhole). Questo foro capillare risulta quindi circondato da uno strato di materiale fuso, che tende a richiudere il capillare stesso. A questa forza si oppone la pressione del vapore continuamente prodotto nella cavità . Si avrà allora una situazione stazionaria solo ponendo il fascio laser e il pezzo da saldare in moto con una certa velocità relativa, così elevata da permettere la produzione di sufficiente vapore per il sostentamento del keyhole stesso. Questa cavità , piena di vapori metallici, diviene una sorta di corpo nero nei riguardi del raggio: al suo interno si raggiunge un coefficiente di assorbimento α = 0,95 e temperature fino a 20000 °C. In questo modo, a differenza della saldatura per conduzione, in cui il calore si propagava dalla superficie verso il basso, il calore viene trasferito dalle pareti del keyhole verso l'esterno (Figura 6.5).
Se il processo di saldatura è ben regolato, i vapori metallici che si formano, essendo pressochè trasparenti alla lunghezza d'onda del laser Nd:YAG, non subiscono ulteriori eccitazioni a livello elettronico da parte della radiazione, per cui non ha luogo la ionizzazione dei vapori cioè la formazione di plasma. Solo qualora la velocità di lavoro risultasse troppo ridotta rispetto al valore della densità di potenza irradiata, i vapori metallici presenti nel capillare assorbirebbero energia in eccesso e si trasformerebbero in plasma. Questa è una situazione che si può e si deve evitare perchè il plasma ha un elevato coefficiente di assorbimento per cui, fuoriuscendo dal keyhole, ostacola e defocalizza il raggio stesso. Si avrebbe, quindi, diffusione della radiazione con conseguente riduzione della penetrazione e allargamento in superficie della zona fusa con caratteristica forma «a testa di chiodo» della saldatura (Figura 6.6).
Grazie alla velocità relativa tra pezzo e raggio laser, il keyhole trasla lungo il giunto: il materiale che progressivamente viene a trovarsi davanti al foro di penetrazione si fonde, fluisce lungo le superfici del foro e si solidifica subito dietro di esso. Quando si utilizza un sistema laser impulsato, un singolo impulso provoca il keyhole, il tempo di riposo permette ai vapori di allontanarsi e l'impulso successivo riforma il foro. Il primo tipo di saldatura illustrata è attualmente la più praticata a causa della ancora scarsa diffusione di laser Nd:YAG a elevata potenza: per la saldatura di grandi spessori sono stati fino a oggi usati laser di elevata potenza al CO2.
Precedentemente è stato spiegato perchè durante la saldatura con laser Nd:YAG non vi sia bisogno di rimuovere la nube di plasma. Tuttavia, per evitare che il materiale su cui si sta eseguendo una saldatura sia contaminato dal punto di vista metallurgico, con conseguente formazione di porosità e inclusioni, è importante utilizzare una copertura di gas inerte detto gas d'assistenza o di copertura che eviti il contatto con agenti atmosferici dannosi. Secondo la natura del materiale che si deve saldare, si utilizzano diversi gas e diverse portate del gas stesso: nella tabella 3.4 sono indicate le soluzioni adottate per i metalli comunemente saldati a laser diversi dall'acciaio.
TABELLA 3.4
Gas di assistenza utilizzati per la saldatura Nd:YAG.
| Materiale |
Importanza del gas |
Tipo di gas |
| Alluminio e leghe leggere |
Necessario |
Elio o Argon |
| Titanio |
Necessario |
Argon |
| Inox e leghe a base di Nichel |
Importante |
Argon |
L'elio è un ottimo gas di assistenza perchè, oltre a fornire una buona copertura, possiede un elevato potenziale di ionizzazione (24,5 eV), cioè capacità di assorbire una potenza elevata prima di ionizzarsi e dar luogo alla formazione del plasma. Ciò significa che solo una ridottissima quantità dell'elio inviato sul punto di saldatura sarà ionizzato dal raggio laser, garantendo così trasparenza quasi completa alla radiazione anche per potenze elevate e per basse velocità di saldatura.
L'argon costituisce un buon gas di copertura dagli agenti esterni, ma, avendo un potenziale di ionizzazione (1,57 eV) inferiore a quello dell'elio, da origine a una maggior quantità di plasma. Avendo tuttavia un costo inferiore, viene spesso preferito all'elio quando le potenze in gioco non sono elevate.
