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Sunday, 19 Novembre 2017
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Saldatura laser per la chiusura dei canali conformali su nozzle guide vane

1. Tappo metallico (grigio chiaro)  da saldare sui fori d’uscita delle anime sul componente di base (grigio scuro). Metal plate (light gray) to be welded  at core exits on the base component (dark gray). 1. Tappo metallico (grigio chiaro) da saldare sui fori d’uscita delle anime sul componente di base (grigio scuro). Metal plate (light gray) to be welded at core exits on the base component (dark gray).

L’obiettivo di questo lavoro è quello di verificare la fattibilità tecnica della sostituzione della saldatura manuale ad arco con la saldatura automatizzata laser su componenti metallici reali per applicazioni industriali reali nell’aerospazio, valutando i problemi di set-up in vista dell’implementazione del processo. Oggetto del caso di studio è uno statore di secondo stadio di bassa pressione. L’alleggerimento degli airfoil del nozzle guide vane prevede la realizzazione di canali conformali dai quali, dopo il processo di fusione, va estratta la cera delle anime; successivamente, i canali devono essere occlusi sul lato esterno del nozzle guide vane utilizzando tappi metallici. La giunzione dei tappi al nozzle è eseguita per saldatura lungo il contorno del tappo.

di F. Caiazzo, V. Alfieri, V. Sergi, A. Tartaglia, M. Di Foggia, A. Niola

Maggio-Giugno 2015

Nell’industria automobilistica e aerospaziale è richiesto un crescente grado di automazione al fine di ridurre gli scarti e migliorare la flessibilità degli impianti. In questo contesto, per molte applicazioni si sta sperimentando la fattibilità della sostituzione della saldatura manuale ad arco con la saldatura automatizzata con fascio laser. Quest’innovazione è dettata soprattutto dall’esigenza di automatizzare il processo affinché le condizioni ottimali siano garantite e riproducibili; inoltre, la saldatura laser permette l’integrazione di sensori per l’acquisizione di segnali critici e la correzione in tempo reale delle traiettorie di lavoro e dei parametri di processo. Il vantaggio è significativo anche in termini di qualità, perché il fascio laser consente di ridurre deformazioni termiche, degrado delle proprietà meccaniche e dimensioni della zona termicamente alterata in prossimità del cordone di saldatura. Tuttavia, ci sono diverse problematiche che vanno affrontate in fase di riconfigurazione del processo. Il caso in esame rientra nell’ambito di un progetto che il gruppo TESEO - Laser Engineering Research del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Salerno sta conducendo in collaborazione con EMA - Europea Microfusioni Aerospaziali di Morra De Sanctis (AV): l’obiettivo è valutare la fattibilità della saldatura laser su componenti reali per applicazioni aerospaziali, esaminando tutte le problematiche connesse all’implementazione di un nuovo set-up sulla linea di processo. La fase di sperimentazione che è stata condotta si basa sul componente nella sua configurazione attuale.

Il componente
È stato considerato uno statore di secondo stadio di bassa pressione. L’alleggerimento degli airfoil che compongono il nozzle guide vane è determinato dalla presenza di canali conformali che in fase di colata sono prodotti grazie all’inserimento di anime nello stampo. La cera delle anime viene quindi estratta dai fori laterali che successivamente vengono occlusi con l’applicazione di tappi metallici (Figura 1), in modo da prevenire depositi di polvere e detriti all’interno degli airfoil nelle normali condizioni di funzionamento. La giunzione dei tappi al bordo del nozzle guide vane è realizzata per saldatura. I tappi hanno lo spessore di 0,8 mm, hanno una dimensione di circa 5 mm e sono realizzati per stampaggio in Nimonic 75, mentre il nozzle guide vane è realizzato in C1023. Entrambi i materiali fanno parte della famiglia delle superleghe che vengono prodotte appositamente per il settore aerospaziale e sono progettate per resistere a temperature di esercizio prossime a quella di fusione; in particolare, entrambe le leghe di questo studio sono a base nichel, con percentuali significativamente diverse di altri alliganti, per cui il processo di giunzione avviene per saldatura dissimile. Nel caso della saldatura ad arco attualmente impiegata per le due leghe, è necessario l’utilizzo del filo d’apporto. In questo studio, invece, l’obiettivo è di realizzare una saldatura laser autogena in modo da semplificare il set-up in vista della futura applicazione sulla linea produttiva.

Il set-up di saldatura
Ogni tappo è appositamente realizzato affinché il suo profilo segua la forma del foro corrispondente sul bordo esterno del nozzle guide vane. Il posizionamento dei tappi tuttavia è critico perché deve essere realizzato manualmente, a prescindere dal metodo di saldatura impiegato. Ciò costituisce un aspetto critico in fase di preparazione della saldatura perché il posizionamento impreciso può determinare assenza di fusione all’interfaccia tra i due componenti. Si deve anche considerare che le superleghe a base nichel sono particolarmente soggette all’ossidazione in fase di solidificazione e raffreddamento. Quindi è indispensabile adottare un opportuno sistema di protezione del bagno fuso, affinché si possano ottenere cordoni di saldatura lisci, argentei e privi di imperfezioni. Il set-up per la saldatura è stato interamente riprogettato rispetto a quello utilizzato nel caso della saldatura ad arco. Un condotto per l’aspirazione è inserito all’interno di ogni canale, in modo da prevenire lo spostamento dei tappi rispetto alla posizione nominale; poi si procede con la realizzazione di quattro punti di saldatura (Figura 2) che saranno successivamente eliminati dal cordone sul profilo del tappo. Una volta realizzati i punti di saldatura, il canale viene riempito con argon per la protezione del bagno fuso a rovescio, malgrado la radice del cordone non sia a vista perché nascosta all’interno dell’airfoil. Per la protezione della corona del cordone si impiegano invece due condotti di rame solidali alla testa di saldatura (Figura 3). Questa soluzione è la più efficace tra tutte quelle esaminate perché consente di concentrare il gas di protezione sul contorno del tappo da saldare e permette un accesso agevole su una superficie di geometria complessa. In accordo con la pratica industriale comune, l’argon ha una purezza del 99.995%; la portata è di 3 l/min sia per la protezione della corona, sia per la protezione della radice. Occorre però tenere presente che affinché il laser lavori in un’atmosfera di gas inerte, l’attivazione del fascio deve avvenire in ritardo rispetto all’erogazione del flusso di argon; per lo stesso motivo, l’invio del gas deve proseguire per un tempo opportuno anche dopo lo spegnimento del fascio. Tutte le analisi in termini di tipo di gas, portata e posizionamento dei componenti derivano da studi preliminari basati su un brevetto per un sistema automatizzato di protezione dei cordoni di saldatura laser. La sperimentazione è stata condotta con un laser a disco della potenza massima di 4 kW, disponibile presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Salerno (Tabella 1). La testa di saldatura è movimentata da robot antropomorfo.

Il piano sperimentale
Con riferimento alla letteratura e ai risultati già conseguiti nel campo della saldatura laser delle superleghe per applicazioni aeronautiche, è stato possibile definire che nonostante il Nimonic 75 e il C1023 abbiano finestre di processo diverse, esiste una fascia in cui essi sono saldabili con gli stessi parametri. In questa fascia è stata concentrata la sperimentazione, basata su un piano fattoriale misto (Tabella 2) in cui i fattori di potenza del laser e velocità di avanzamento del fascio sono stati fissati su tre livelli, a differenza della posizione del fuoco che invece è stata definita su due livelli, in particolare con fascio a fuoco e con sfocalizzazione negativa. Questa scelta è dettata dall’esigenza di indagare, rispettivamente, la condizione che assicura la massima irradianza all’interfaccia tra i componenti da saldare, e una condizione che permetta di utilizzare un fascio con spot più largo per compensare possibili disallineamenti tra tappo e foro. Considerando tutte le possibili combinazioni dei livelli dei fattori, si struttura un piano con 18 condizioni di saldatura.

Risultati della sperimentazione
Come suggerisce la pratica usuale, il primo passo dell’analisi delle saldature consiste nell’ispezione visiva per promuovere il sistema di protezione dall’ossidazione. I cordoni ottenuti sono uniformi, lisci e argentei, senza spruzzi di metallo fuso nelle zone limitrofe. Sebbene i requisiti in termini di qualità non siano stringenti per questa applicazione, si è ritenuto opportuno eseguire comunque dei controlli non distruttivi attraverso liquidi fluorescenti che non hanno riscontrato cricche superficiali. L’analisi visiva abbinata all’osservazione delle sezioni trasversali permette di apprezzare la differenza significativa dei cordoni ottenuti per saldatura laser rispetto a quelli che si possono realizzare con tecnologia ad arco convenzionale (Figure 4 e 5). In particolare, è evidente che i cordoni di saldatura ottenuti con fascio laser sono più regolari e contenuti. Proprio la dimensione della zona di fusione è una variabile significativa per discutere l’effetto dei parametri di processo. È interessante notare che essa segue gli andamenti attesi, ovvero aumenta all’aumentare della potenza e decresce all’aumentare della velocità (Figura 6); in effetti, la dimensione della zona di fusione è proporzionale all’entità dell’input termico, inteso come una grandezza proporzionale al rapporto tra potenza e velocità. È fondamentale inoltre osservare che la risposta del materiale in termini di dimensioni della zona di fusione prescinde dalla posizione del fuoco; ciò vuol dire che la focalizzazione è un fattore che influenza in misura limitata il risultato della saldatura, senza interazioni con i fattori di potenza e velocità. Di conseguenza, ai fini dell’applicazione industriale, bisogna ritenere che la riproducibilità dei cordoni sia garantita anche a fronte di possibili variazioni della posizione del fuoco a causa di imprecisioni di posizionamento dei robot e traiettorie su percorsi complessi.

Composizione chimica e microstruttura della zona di fusione
Dalle indagini al microscopio ottico è evidente la presenza di tre zone distinte: il metallo di base C1023 del nozzle guide vane, il metallo di base Nimonic 75 del tappo e una zona di fusione in cui i due metalli di base si mescolano formando nuove fasi e nuove strutture a valle della solidificazione. Con riferimento a queste tre zone, sono state condotte delle ispezioni con microanalisi SEM delle composizioni chimiche. Il metallo di base del nozzle guide vane è costituito da una matrice di nichel con precipitati fini di cromo e cobalto, accompagnati dalla presenza di grani più grossolani in cui il costituente principale è il molibdeno. Nel Nimonic 75 è possibile osservare invece carburi e cromo al bordo dei grani. La zona di fusione non risponde a nessuna delle due strutture dei metalli di base, a testimonianza del fatto che la saldatura promuove un processo che innesca la formazione di nuove fasi. Per meglio analizzare quest’aspetto, sono state condotte delle ispezioni lineari con sonda per microanalisi. È emerso che la concentrazione degli elementi alliganti è uniforme su scala macroscopica nella zona di fusione, per effetto dei moti convettivi che mescolano vigorosamente la massa fusa quando si innesca la modalità di saldatura per key-hole. La composizione diversa tra i metalli di base e la zona di fusione è anche più chiara se si osservano le mappe di distribuzione (Figura 7). Non ha senso procedere a un confronto tra le composizioni che si ottengono nella zona di fusione nel caso del laser e nel caso della saldatura convenzionale ad arco in quanto quest’ultima richiede necessariamente l’impiego del metallo d’apporto che inevitabilmente modifica le strutture nel cordone. La formazione di una nuova struttura amorfa nella zona di fusione è prevedibilmente associata a una variazione di micro durezza. Per appurarlo, sono state condotte delle prove di micro durezza Vickers nella sezione trasversale del cordone di saldatura; in particolare, data la geometria del componente, sono stati realizzati due percorsi di impronte, mutuamente ortogonali, uno procedendo dal materiale di base del tappo verso la zona di fusione; un altro procedendo dalla zona di fusione verso il materiale di base del nozzle guide vane. A seconda delle condizioni di saldatura impiegate, il valore medio di micro durezza nella zona di fusione varia tra 250 e 390 HV e risulta sempre compreso tra i valori di micro durezza di riferimento dei materiali di base, ovvero circa 240 e circa 425, rispettivamente per il tappo in Nimonic 75 e per il nozzle guide vane in C1023 (Figura 8). È interessante osservare che la micro durezza media nella zona di fusione dipende quindi dai parametri di processo e segue un andamento del tutto simile a quello che si riscontra per la dimensione della zona di fusione, cioè i valori aumentano all’aumentare della potenza del laser e diminuiscono all’aumentare della velocità di saldatura. Ancora più interessante è notare che, esattamente come nel caso della dimensione della zona di fusione, la posizione del fuoco ha un effetto trascurabile sulla risposta, senza interazioni con potenza e velocità. Ciò costituisce un’ulteriore rassicurazione sulla riproducibilità del processo a fronte delle variazioni nel controllo della posizione del fuoco su traiettorie complesse come quelle dei profili dei tappi sul nozzle guide vane. Ancora una volta, come nel caso della composizione chimica, non c’è nessun interesse a confrontare questi valori di micro durezza con quelli che si registrano nei cordoni di saldatura ottenuti nel caso del processo convenzionale ad arco con filo d’apporto; tuttavia, è opportuno osservare che proprio dal confronto di micro durezza, relativamente agli andamenti, scaturisce la conferma che il processo di saldatura laser determina zone termicamente alterate di estensione ridotta rispetto a quelle che si riscontrano sui componenti saldati ad arco. Sulla base dei risultati del piano sperimentale si può suggerire una condizione di processo ottimale, puntando a selezionare i livelli dei fattori che assicurino una zona di fusione di ridotta estensione e, allo stesso tempo, micro durezza intermedia tra quelle dei metalli di base, ai fini della continuità di proprietà meccaniche tra i componenti. Una condizione che rispetta questi requisiti è quella con potenza di 800 W e velocità di 20 mm/s, a prescindere dalla posizione del fuoco che, in base a quanto è stato osservato sia in fase di analisi delle dimensioni della zona di fusione, sia in fase di prove di micro durezza, non ha influenza sulla risposta dei materiali. È consigliabile tuttavia selezionare la condizione con fascio sfocalizzato, per beneficiare di spot più larghi sui percorsi di saldatura.

Gli sviluppi futuri
Il piano sperimentale è stato condotto sui componenti nella loro configurazione attuale, ha dimostrato che la saldatura laser dei due metalli è fattibile in una condizione di reale applicazione e ha permesso di mettere a punto un set-up destinato all’implementazione sulla linea. Il processo, comunque, può essere ulteriormente migliorato se si prevede di realizzare in corrispondenza dell’uscita delle anime, una sede per sistemare opportunamente il tappo e prevenirne lo slittamento; ciò renderebbe superflua la realizzazione dei punti di saldatura iniziali, con ulteriore riduzione del tempo di processo. Attualmente, si stima una riduzione dell’ordine dell’80% rispetto ai tempi che richiede la saldatura convenzionale ad arco. In prospettiva economica, il passaggio al laser diventa fattibile e conveniente a patto di realizzare un aumento della produzione e una condivisione della sorgente su più processi, in un ambiente di produzione avanzato in cui le tecnologie sono integrate, in accordo con i principi della fabbrica del futuro.

Ringraziamenti
Gli autori ringraziano l’ingegner Gaetano Corrado del Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università degli Studi di Salerno, per il valido supporto nella progettazione e nell’implementazione del set-up di saldatura; l’ingegner Federica Palma per l’impegno assiduo nella fase sperimentale nel corso del lavoro di tesi di laurea magistrale.

QUALIFICA AUTORI
di F. Caiazzo1, V. Alfieri1, V. Sergi1,
A. Tartaglia2, M. Di Foggia2, A. Niola2
1 Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università degli Studi di Salerno
2 EMA Europea Microfusioni Aerospaziali

Laser Welding for Closing Nozzle Guide Vane Conformal Channels
This study is aimed to evaluate the technical feasibility of the shift from manual arc welding to automated laser beam welding on real metal components for actual industrial application in aerospace, with the discussion of any set-up issue in view of the implementation of the process. A second-stage stator of low-pressure turbine is considered. Lightening of the airfoils of the nozzle guide vane is achieved thanks to conformal channels which are drained from wax upon casting; afterward, the core exits on the outer side of the nozzle must be conveniently closed off by means of metal plates. Joining of the plates to the nozzle is performed by fusion welding along the edge of each plate.

Bibliografia
[1] F. Caiazzo, V. Alfieri, V. Sergi, A. Schipani, S. Cinque, “Dissimilar autogenous disk-laser welding of Haynes 188 and Inconel 718 superalloys for aerospace applications”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, DOI: 10.1007/s00170-013-4979-9 (2013)
[2] F. Caiazzo, V. Sergi, G. Corrado, V. Alfieri, F. Cardaropoli, Apparato automatizzato di saldatura laser, brevetto SA2012A000016 (2012)
[3] F. Zapirain, F. Zubiri, F. Garciandia, I. Tolosa, S. Chueca, A. Goria, “Development of laser welding of Ni based superalloys for aeronautic engine applications (experimental process and obtained properties)”, Physics Procedia, vol. 12, pp. 105-112 (2011)
[4] F. Caiazzo, G. Corrado, V. Alfieri, V. Sergi, L. Cuccaro, “Disk-laser welding of Hastelloy X cover on René 80 turbine stator blade”, Proceedings di XIX International Symposium on High-Power Laser Systems and Applications, Istanbul (2012)
[5] V. Alfieri, F. Caiazzo, V. Sergi, “Dissimilar joining of titanium alloy Ti-6Al-4V to alluminum alloy 2024 via laser welding”, Proceedings di 32nd International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, ICALEO, Miami (2013)

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