Le lavorazioni di trattamento superficiale di corpi metallici con fasci laser sono state le prime applicazioni che sono state provate industrialmente sul finire degli anni ’70. Questo è avvenuto per molteplici ragioni: si disponevano di conoscenze approfondite sui campi termici che venivano indotti all’interno di una struttura metallica soggetta ad una fonte di calore posta in superficie e si era subito visto che l’elevata intensità dei fasci laser già allora disponibili poteva permettere di eseguire, abbastanza facilmente, lavorazioni di tempra superficiale con trasformazione di fase e che queste potevano essere eseguite senza richiedere complessi dispositivi di raffreddamento esterni poiché era sufficiente il materiale circostante la zona di interazione per raffreddare velocemente il tratto lavorato e consentire la trasformazione di fase. Il processo era quindi molto semplice e si disponeva già della potenza laser necessaria, poiché erano già disponibili sul mercato sorgenti a CO2 con potenza continua di 15 kW. Nonostante queste premesse positive, queste applicazioni non sono mai decollate e quegli studi sono rimasti semplici dissertazioni teoriche. Nei vent’anni successivi le applicazioni sperimentali sono state limitate e, nonostante la dichiarata semplicità della tecnica, sono stati sempre complessi i dispositivi accessori che si rendevano indispensabili per evitare che localmente si avessero degli eccessivi riscaldamenti con fusioni superficiali o che si procedesse al rinvenimento di parti già trattate.
All’inizio si pensava che tutto questo fosse dovuto alla necessità di utilizzare le sorgenti a CO2 (dato che solo queste potevano allora generare la potenza necessaria) e alle limitazioni da esse derivanti, quali la necessità di disporre di complessi dispositivi ottici per poter avere un fascio con distribuzione sufficientemente uniforme per evitare i cosiddetti punti caldi con fusioni superficiali entro l’area trattata; oppure la necessità di rivestire la superficie con una vernice nera che consentisse un maggiore assorbimento della potenza laser incidente. Alla fine si è visto che queste difficoltà, pur reali, non erano da sole la causa del mancato decollo di questa tecnica, ma che era necessario arrivare a disporre di un dispositivo che consentisse di misurare, continuamente e in tempo reale, le condizioni geometriche del pezzo da trattare per potervi adeguare istantaneamente le condizioni di lavoro (potenza e tempo di interazione). La mancata risoluzione di questo problema non ha impedito che si sviluppassero alcune applicazioni dedicate (poche, in realtà), ma non ha permesso che si mettesse in funzione quel classico volano delle “lavorazioni in conto terzi” che ha avuto un ruolo importante nella diffusione delle principali lavorazioni laser quali il taglio e la saldatura. Recentemente si è riusciti a superare questa difficoltà e sta entrando in funzione il primo reale centro laser per lavorazioni di tempra. Dato il recente sviluppo di questo centro, non siamo al momento ancora autorizzati a entrare nei particolari e a mostrare immagini, ma diamo il nome della società che, dopo anni di studio, ha installato il sistema laser oggetto del presente articolo. Si tratta della TTL Tecno Tempranova Lombarda, con sede a Dolzago che, nei suoi vari stabilimenti distribuiti in Italia e ora anche in Spagna, eseguiva già lavorazioni di tempra per conto terzi utilizzando la tecnica ad induzione.
La tecnica
Abbiamo accennato in precedenza alle limitazioni che l’utilizzo di laser a CO2 aveva per poter operare trattamenti di tempra superficiale mediante trasformazione di fase: necessità di integrare il fascio (passando ad una distribuzione di intensità rettangolare), necessità di verniciare la superficie da trattare (per aumentarne il rendimento). Per ovviare a questi inconvenienti, da alcuni anni (non appena si sono rese disponibili le potenze necessarie), per queste applicazioni si è pensato di far uso di laser Nd:YAG e laser a diodi che, avendo emissione vicino al campo dell’infrarosso, presentavano già un adeguato assorbimento da parte delle superfici metalliche da trattare e potevano già dare un fascio con distribuzione di intensità rettangolare. Questa risulta essere infatti la caratteristica dei fasci laser a diodi e di quelli delle sorgenti Nd:YAG trasmesse in fibra ottica. Per risolvere invece il problema del controllo di processo si sono invece utilizzati dei pirometri che, posti direttamente sulla testa di focalizzazione, potevano misurare con continuità la temperatura della zona trattata e adeguare quindi la potenza laser alla reale temperatura raggiunta nel trattamento, evitando surriscaldamenti in prossimità di bordi. Questi dispositivi sono integrati direttamente nella testa di lavoro da cui esce il fascio laser. In questo modo, però, viene misurata la temperatura media del tratto di superficie sottoposto, in quel momento, al fascio laser, e quindi non si hanno informazioni puntuali per sapere quale sia la situazione in corrispondenza di un bordo o nel caso in cui vi sia un foro lungo il tratto da temprare. Certamente questa soluzione costituisce un passo avanti. Esempio di una soluzione di questo tipo è rappresentato dal dispositivo PYROmaster prodotto dalla società tedesca Stiefelmayer che, prima in Europa, ha creduto in questa applicazione e che ora propone sistemi completi per trattamenti di tempra laser. In questo dispositivo la zona in cui viene misurata la temperatura può essere ridotta rispetto alla larghezza della macchia laser e può anche essere posta in un’area ben precisa, ma questo comporta un adeguamento che deve essere fatto di volta in volta in base alla geometria del pezzo che deve essere trattato. Una soluzione diversa è stata presentata recentemente dal Fraunhofer Institut für Lasertechnik (Aachen – Germania) per risolvere i problemi di tempra di un particolare ben preciso: una molla di connessione tra la portiera di una’automobile e la struttura della fiancata. In questo caso sono state utilizzate diverse sorgenti laser a diodi poste in linea per dare, sul pezzo da trattare, la macchia rettangolare necessaria alla tempra.