La saldatura laser rappresenta oggi una tecnologia di giunzione consolidata nell'industria e offre vantaggi sostanziali rispetto alle tecnologie concorrenti, quali elevata produttività, possibilità di saldare senza materiale d'apporto e limitato apporto di calore, che si traducono in zone termicamente alterate più contenute e distorsioni termiche trascurabili. Inoltre, il caratteristico meccanismo di saldatura laser, che porta alla formazione del key hole, consente di raggiungere le condizioni di penetrazione profonda garantendo un'ampiezza minima del cordone. Va infine considerato che le configurazioni geometriche possibili sono molteplici, anche grazie alla possibilità del fascio di poter accedere in zone difficilmente accessibili.
Vi è però un problema molto sentito soprattutto nell'industria e connesso alla preparazione accurata dei bordi necessaria per minimizzare il gap tra le due parti da saldare a causa delle ridotte dimensioni dello spot focale del laser. Tale caratteristica deve essere tenuta sotto controllo per garantire una corretta formazione del key hole e permettere la fusione di entrambi i bordi. Per risolvere il problema del gap, non è possibile considerare il ricorso alla defocalizzazione del fascio, in quanto, tranne per casi molto particolari, la conseguente riduzione della densità di potenza porterebbe ad eseguire la saldatura con un meccanismo di tipo diverso, quello per conduzione che non permette di operare in profondità.
La soluzione proposta in tale ricerca consiste nel fornire al raggio laser un ulteriore movimento, oltre al percorso di saldatura, che impone la sua oscillazione intorno alla pozza di materiale fuso ad elevata frequenza. Questo innovativo processo di saldatura, noto nella letteratura recente come laser wobbling, prevederà l'impiego di un laser in fibra.
Si vogliono analizzare le performance della nuova tecnologia sia in termini di prestazioni delle strutture saldate che di rapidità di processo operando su diversi metalli.
L'adozione di materiali più leggeri e più resistenti nei prodotti di uso quotidiano, dalle automobili all'elettronica di consumo, ha portato a una serie di sfide significative nella saldatura di queste strutture, specialmente in ambienti di produzione ad alto volume. Esempi nel settore dei trasporti includono la diffusione dei veicoli elettrici, per i quali la produzione di batterie spesso richiede l'unione di materiali dissimili altamente riflettenti come alluminio e rame. Nell'elettronica di consumo, i requisiti per strutture leggere con proprietà termiche ed elettriche altamente personalizzate guidano costantemente la necessità di progettazioni più complesse, che spesso utilizzano fogli sottili e richiedono l'unione di metalli diversi, prevalentemente alluminio e rame. Anche l'industria dei dispositivi medici richiede soluzioni tecnologiche per unire piccole parti metalliche, spesso impiegando materiali tra loro diversi, tra i quali in particolare possono prevedersi acciai inossidabili o anche leghe a memoria di forma.
La tecnologia di oscillazione del fascio, tecnologia economica e facile da integrare, ha aperto nuove strade per l'impiego di soluzioni laser per superare difficoltà di saldatura tipiche dei materiali riflettenti all¿infrarosso come rame e alluminio, soprattutto se si impiega una sorgente laser in fibra che è caratterizzata da un'elevata qualità del fascio ed opera ad una lunghezza d'onda di 1,07 micron. La crescita della saldatura laser è in corso da oltre un decennio grazie soprattutto all'industria automobilistica - una delle prime a adottare la tecnologia e la prima a vedere i vantaggi di un processo di giunzione automatizzato combinato con i vantaggi intrinseci della tecnologia laser in fibra. Tuttavia, la persistenza di talune difficoltà tecnologiche e l'inerzia del mercato rappresentano il maggior elemento di rischio per l'adozione della saldatura laser con fascio oscillante in nuovi segmenti industriali. Tra le problematiche tecnologiche, l'elemento di criticità più severo è rappresentato dall'incremento dei tempi ciclo necessari tutte le volte che si intende effettuare saldature di precisione di componenti molti precisi. Tali componenti richiedono un pre-accoppiamento di precisione per minimizzare il gap tra essi ed incrementare la precisione del processo di saldatura. L'esigenza del corretto posizionamento dei lembi da saldare deriva, prevalentemente, dalle ridotte dimensioni dello spot focale del laser, specie se trattasi di una sorgente in fibra. Il problema non può essere affrontato semplicisticamente, ovvero defocalizzando il fascio ed aumentandone l'ampiezza. Infatti, ciò determinerebbe una conseguente riduzione della potenza specifica e la mutazione del meccanismo di saldatura (da profonda penetrazione a conduzione che non permette di operare in profondità).
In tal senso, la tecnica di oscillazione del fascio si dimostra particolarmente preziosa per ridurre i tempi ciclo nella giunzione di precisione. Utilizzando una delle forme programmabili (circolare, ellittica, a infinito) e ottimizzando l'ampiezza e la frequenza dell'oscillazione, sarà possibile ottenere un aumento della larghezza del cordone più accettabile rispetto a quella che si ottiene nella saldatura laser convenzionale per profonda penetrazione. La continua oscillazione del fascio consente, infatti, di generare uno spot "apparente" più esteso e soprattutto customizzabile in funzione delle specifiche necessità. È possibile quindi rendere il cordone di saldatura più ampio in termini di larghezza, senza alterare le caratteristiche del fascio utilizzate in assenza di wobbling, quindi impiegando sostanzialmente la stessa attrezzatura. La nuova tecnica potrebbe aiutare a superare i problemi di cracking a caldo che facilmente si riscontrano nella saldatura laser in regime di key hole, oltre a favorire riduzioni della porosità come riscontrabile dai primi dati sperimentali esaminati in letteratura. Infatti, la tecnica di oscillazione può permettere di gestire una migliore distribuzione del calore nel pezzo da saldare poiché il raggio viene fatto passare più volte in corrispondenza di un determinato punto della saldatura. La rampa di temperatura e la velocità di raffreddamento possono essere regolate in modo opportuno e tali da essere più lente rispetto alla tradizionale saldatura laser. Ciò aiuterebbe a eliminare i difetti oltre che ad impedire la formazione di spruzzi di materiale fuso, spesso principale causa di danneggiamento delle lenti. Pertanto, gli sforzi di questa ricerca saranno, in particolare, indirizzati ad acquisire avanzamenti delle conoscenze su due principali aspetti: benefici della tecnologia laser nel processare un'ampia gamma di materiali, anche riflettenti, di specifico interesse industriale (leghe di alluminio, rame, acciai inox e leghe a memoria di forma) con la nuova tecnica e stime sull'aumento del tasso di produttività potendo operare su gap più ampi nei processi di saldatura di precisione.