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Tuesday, 22 Agosto 2017
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Saldatura laser in fibra con offset di materiali metallici dissimili

La necessità di strutture sempre più leggere, resistenti e versatili richiede spesso l’integrazione di leghe metalliche diverse, messe in opera mediante opportune tecniche di giunzione. Gli assemblaggi acciaio-alluminio nel settore automotive e quelli titanio-alluminio nel settore aerospace rivestono un ruolo importante nello sviluppo di progetti innovativi in termine di performance e sostenibilità ambientale. La tecnologia di saldatura mediante fascio laser promette di essere tra quelle di maggiore impatto nel raggiungimento di giunti defect-free. In questo lavoro, mediante il processo di saldatura laser, sono stati ottenuti giunti dissimili di testa, costituiti da lamierini in materiali e spessori differenti. Sono state utilizzate piastre da 3 mm in lega di alluminio AA5754, piastre da 2 mm in lega di titanio Ti6Al4V e piastre da 2 mm in acciaio inossidabile austenitico AISI304. Ai fini di favorire una maggiore stabilità al processo, le lavorazioni sono state condotte focalizzando la sorgente in prossimità dell’interfaccia tra i due materiali a una certa distanza (offset) dalla superficie di accostamento. Per questo tipo di saldatura è stato adottato l’acronimo inglese FLOW (Fiber Laser Off-set Welding).

di Giuseppe Casalino e Michelangelo Mortello

Maggio-Giugno 2015

La combinazione di materiali differenti, finalizzata alla costituzione di strutture eterogenee performanti e in grado di operare in condizioni chimiche, fisiche e meccaniche variabili nell’ambiente di esercizio, può essere realizzata attraverso le giunzioni dissimili. Esse consistono in strutture assemblate, qualitativamente accettabili secondo criteri di valutazione dei giunti, costituite da due o più materiali differenti. Negli ultimi anni, le aziende operanti nel settore aeronautico e automobilistico hanno rivolto particolari attenzioni a questo tipo di giunto, in riferimento a quelle applicazioni per le quali è richiesto che le strutture presentino simultaneamente caratteristiche eterogenee in varie parti di esse [1]. Per la creazione di tali assemblaggi dissimili si è ricorso dapprima a tecnologie di giunzione di tipo meccanico, quali chiodatura e rivettatura, che non presentano una stringente richiesta di compatibilità tra le proprietà termofisiche dei differenti materiali. In seguito, ai fini di garantire versatilità e incremento della capacità produttiva del processo di assemblaggio, si è valutata la possibilità di realizzare tali giunti attraverso tecniche di saldatura automatizzabili [2]. Considerate distintamente, le leghe di titanio, gli acciai inossidabili e le leghe e di alluminio hanno vantaggi tali da essere impiegate in una vasta gamma di applicazioni [3]. In particolare, le leghe di alluminio presentano un’elevata duttilità, una bassa densità, buona riciclabilità e basso costo [4]. Le leghe di titanio, invece, presentano elevatissima resistenza specifica, resistenza alla corrosione e resistenza all’usura. Gli acciai inossidabili, infine, presentano elevata resistenza meccanica e tenacità.
La qualità dei giunti dissimili risente dei seguenti fattori:
-   Fragilità dei composti intermetallici.
-   Difetti geometrici, cricche e inclusioni gassose.
-   Mescolamento di materiale in prossimità dell’interfaccia.
-   Mancanza di ripetibilità.
-   Problemi di misurazione e controllo.
-   Ridotta saldabilità delle leghe di alluminio al laser [5].
I fattori appena evidenziati rendono inadeguata la focalizzazione del fascio laser per giunti di testa lungo la linea di contatto delle due piastre. Per cui è allo studio la possibilità di focalizzare il fascio laser su uno dei due materiali, di solito l’alto fondente, in prossimità della linea di contatto e di ottenere la saldatura per conduzione di calore. In questo modo, si riduce al minimo il mescolamento tra i due metalli, che tende a ridurre la qualità e la resistenza della saldatura. Nota in inglese con l’acronimo FLOW (Fiber Laser Off-set Welding), questa tecnica promette di essere utile per la saldatura di numerose coppie di materiali dissimili.
In questo lavoro sono presentati i risultati iniziali relativi alla caratterizzazione metallurgica e meccanica di due giunti dissimili composti uno da una lega di titanio e una di alluminio e l’altro da un acciaio inossidabile e una lega di alluminio mediante la tecnica FLOW.

Procedura sperimentale: proprietà dei materiali
Sono stati realizzati giunti di testa in materiali e spessori differenti per conferire caratteristiche di resistenza approssimativamente omogenee in ogni parte del componente assemblato. Sono state impiegate piastre in lega di Titanio Ti6Al4V (2 mm), in acciaio inossidabile austenitico AISI 304 (2 mm) e in lega di Alluminio Al5754 (3 mm). Nelle Tabelle 1- 5 sono indicate le composizioni chimiche e le caratteristiche meccaniche e termofisiche delle leghe utilizzate. Per limitare le problematiche di saldabilità descritte in precedenza è stata assegnata una certa distanza tra l’interfaccia di separazione tra i due metalli e il centro dello spot (laser offset). La Figura 1 rappresenta schematicamente la configurazione geometrica di lavoro. Sono stati indicati con M e Al rispettivamente il materiale su cui si è focalizzata la sorgente e la lega di alluminio. Il processo è stato condotto secondo due diverse modalità, in funzione del solo apporto termico specifico fornito dalla sorgente. Condizione di fusione differita. Rappresentata in Figura 2, viene realizzata adottando dei valori di apporto termico specifico relativamente bassi, oppure elevati valori di offset. In questo modo, la fusione della lega M, derivante dall’azione del key-hole di saldatura e dalla conduzione di calore, investe parti di materiale sufficientemente lontane dalle superfici di accostamento tra le piastre da non provocare fusione di metallo in prossimità dell’interfaccia. Affinché si possa realizzare la giunzione, tuttavia, occorre che la quantità di calore trasmessa sia sufficiente a generare i composti intermetallici. La lega di alluminio in prossimità dell’interfaccia, a causa del calore trasmesso, invece, sarà soggetta a fusione. In conclusione, si registra un’interazione tra la ZTA del materiale M, allo stato solido, e la ZF dell’alluminio, allo stato liquido. Condizione di fusione contestuale. Rappresentata in Figura 3, viene realizzata adottando valori relativamente elevati di apporto termico specifico oppure bassi valori di offset. Anche in questo caso il key-hole generato nella lega M, unitamente ai fenomeni di conduzione di calore, provoca la fusione della lega. Però, in tal caso, la fusione non è limitata a zone distanti dalle superfici di accostamento dei lembi e quindi raggiunge l’interfaccia metallica causando interazione di tipo liquido-liquido tra le leghe fuse. L’interfaccia presenterà, quindi, una geometria curvilinea e mescolamento di materiale. Un ulteriore caso è quello conseguito attraverso una combinazione dei due meccanismi sopra citati. È frequente, infatti, riscontrare casi per cui, a causa del comportamento fluidodinamico del bagno fuso, si verifichi una condizione di fusione contestuale in prossimità delle superfici inferiore e superiore ed una condizione di fusione differita nella parte centrale.

Attrezzatura sperimentale
È stato utilizzato un sistema laser in fibra Ytterbium Laser System (IPG YLS-4000), avente una massima potenza erogabile pari a 4 kW. La sorgente laser è stata trasmessa in attraverso una fibra di diametro pari a 200 μm. Il fascio laser, avente una lunghezza d’onda di 1070.6 nm, è stato focalizzato in regime continuo da una lente di distanza focale di 250 mm producendo un diametro dello spot di 0,4 mm sulla superficie del pezzo. La distribuzione di potenza erogata nello spot approssima un andamento di tipo gaussiano. Sulla base della procedura adottata e dell’impiego di una sorgente in fibra, la tecnologia è stata denominata fiber laser offset welding (FLOW). Argon ed Elio sono stati impiegati come gas di protezione. La Figura 4 presenta la testa della macchina saldatrice, il sistema di afferraggio e il sistema di adduzione dei gas di protezione.

Parametri di processo
La Tabella 6 mostra i parametri di processo adottati per l’esecuzione dell’analisi. È indicata anche l’energia di linea, definita come rapporto tra potenza erogata e velocità di saldatura. La scelta dei parametri di processo, che costituiscono il piano sperimentale, derivano da prove preliminari bead-on-plate.

Risultati: Giunti dissimili acciaio inossidabile (SS) - AA5754
La Figura 5 mostra le sezione trasversale del provino s1. Il provino presenta un’interfaccia metallica curvilinea derivante, sulla base di quanto discusso in precedenza, dalla condizione di fusione contestuale. L’acciaio fuso ha raggiunto le superfici di accostamento dei lembi e si è registrata un’interazione di tipo liquido-liquido, caratterizzata dal mescolamento di fasi nella zona di saldatura, da un’interfaccia curvilinea e dall’addensarsi di inclusioni e cricche a caldo. La Figura 6 mostra la microstruttura rilevata all’interfaccia del provino s1, ottenuta con un ingrandimento 500 x. Composti intermetallici si estendono per una larghezza nell’ordine di pochi micron. Lamelle di intermetallici, lunghe all’incirca una decina di micron, sono diffuse a partire dallo strato intermetallico verso la lega di alluminio. L’elevato apporto termico ha causato un certo grado di mescolamento tra le fasi. L’interazione liquido-liquido ha favorito l’insorgenza di ampie zone intermetalliche e disomogeneità metallurgica [6]. La struttura dell’acciaio in corrispondenza della zona di focalizzazione della sorgente presenta dendriti di grande dimensione allungate nella direzione del flusso termico. In prossimità dell’interfaccia, invece, l’acciaio presenta grani equiassici di dimensione più ridotta a causa dei maggiori gradienti termici. A causa della elevata conducibilità termica della lega di alluminio, infatti, il calore viene smaltito rapidamente attraverso l’interfaccia, comportando una granulometria più fine. La zona fusa dell’alluminio, invece, presenta un affinamento del grano in relazione al metallo base. Composti di magnesio sono precipitati ai bordi dei grani comportando la formazione di agglomerati intergranulari. Questi ultimi hanno ostacolato la crescita dei grani, affinando la microstruttura.

Giunti dissimili AA5754- Ti6Al4V
La Figura 7 mostra la sezione trasversale del provino s2, consistente nella giunzione Ti-Al. In questo caso l’apporto termico non è stato sufficiente fondere i due metalli in prossimità dell’interfaccia (condizione di fusione differita). Ciò ha promosso la formazione di un’interfaccia metallica rettilinea. Il provino s2 è stato prodotto adottando un’energia di linea di 30 J/mm e presenta, nella zona centrale dello spessore, un’interfaccia lineare, derivante da una condizione di interazione di tipo solido-liquido (detta appunto di fusione differita). Si badi tuttavia che, in prossimità delle superfici superiore ed inferiore, si è verificata la condizione di fusione contestuale; al contrario, nella parte centrale si evidenzia il tipico andamento della condizione di fusione differita. Le immagini nelle Figure 8 e 9, relative al provino s2, sono state ottenute, invece, utilizzando un fattore di ingrandimento 500x. La figura 8 è relativa alle zone in cui si è raggiunto un contatto liquido-liquido (anche detto di fusione contestuale). La Figura 9, invece, presenta chiaramente la condizione di fusione differita, con un’interfaccia rettilinea e spessore dello strato intermetallico contenuto nell’ordine del micron [7,8]. Lamelle di titanio sono diffuse lungo la direzione del gradiente termico. Durante la fase di solidificazione il materiale è stato soggetto a elevati gradienti di temperatura e di velocità di raffreddamento. Ciò ha prodotto una struttura non-uniforme all’interno della zona di giunzione. La zona fusa di titanio presenta una struttura aciculare martensitica a1 (β trasformato) e grani allungati nella direzione del flusso termico. La struttura interamente martensitica è indicativa di elevate velocità raffreddamento, tali da superare la velocità critica di tempra [9]. Come si evince dalla figura 8, il provino s2 presenta una ZTA di titanio in prossimità di un’interfaccia lineare, derivante da un’interazione di tipo solido-liquido. La distribuzione di martensite all’interno della ZTA si riduce all’aumentare della distanza dalla ZF e appaiono, quindi, fasi equiassiche α e β in prossimità dello strato intermetallico. La Figura 10 presenta la curva ingegneristica rilevata per il provino s2. La formazione di strutture intermetalliche dure e fragili ha promosso la riduzione di duttilità del materiale e ha favorito la propagazione delle cricche nella struttura metallica nel corso della prova. Nel caso analizzato, inoltre, la presenza di spessori differenti fornisce ulteriori contributi nocivi in termini di resistenza meccanica. Infatti, sono generate delle sovrasollecitazioni indotte sia dalla mancanza di coassialità, sia per la presenza di fattori di intaglio legati alla variazione di sezione del provino.

Conclusioni
Attraverso l’impiego di una sorgente laser a fibra focalizzato sul materiale alto-fondente sono stati realizzati giunti di testa eterogenei costituiti da spessori e materiali differenti, attraverso la tecnica FLOW. Gli accoppiamenti studiati sono stati: AISI304-AA5754 e Ti6Al4V-AA5754. Si sono evidenziati i seguenti risultati.
- Si possono distinguere, in funzione dell’apporto termico specifico adottato, due differenti tendenze: il caso di fusione contestuale (interazione liquido-liquido) e quello di fusione differita (interazione liquido-solido). Come descritto, sono differenti sia la dinamica della giunzione sia la qualità e caratteristiche dei risultati conseguiti.
- Per il giunto in acciaio e alluminio, le condizioni di saldatura hanno causato un certo grado di mescolamento tra i due metalli. L’interazione liquido-liquido ha favorito l’insorgenza di ampie zone di rimescolamento con disomogeneità metallurgiche.
- Per il giunto in leghe di titanio e alluminio, è stata ottenuta un’interfaccia regolare senza rimescolamento tra i due metalli. Questo ha prodotto un’apprezzabile resistenza meccanica del giunto.

QUALIFICA AUTORI
Giuseppe Casalino, Michelangelo Mortello - Politecnico di Bari, Dipartimento di Meccanica Matematica e Management (DMMM)

Fiber Laser Off-set Welding of Dissimilar Metal Materials
The necessity for more and more light, resistant and versatile structures often requires the integration of different metal alloys, realized through useful joining techniques. Joining stainless steel-aluminum in automotive field and titanium-aluminum in aerospace field, play an important role for the development of innovative design in terms of performance and environmental sustainability. Laser beam welding technology shows the greater potential to achieve defect-free joints. In this work, dissimilar butt joints, made up of sheets in different materials and thicknesses, were performed through laser welding process. 3 mm thick AA5754-H111plates, 2 mm thick Ti6Al4V plates and 2 mm thick AISI304 plates were used. With the aims to favor process stability, welds were performed by focusing the source in proximity to the interface between the materials, at a certain distance (offset) from the contact surface. FLOW (Fiber Laser Off-set Welding) is the acronym of this welding process.

Bibliografia
[1] Chengwu Yao, BinshiXu, XianchengZhang, JianHuang, JunFu,  YixiongWu.: «Interface microstructure and mechanical properties of laser welding copper-steel dissimilar joint». Optics and Lasers in Engineering 47 2009; 807-814.
[2] Yaowu Hu, Xiuli He, Gang Yu, Zhifu Ge, Caiyun Zheng, Weijian Ning. «Heat and mass transfer in laser dissimilar welding of stainless steel and nickel». Applied Surface Science 258 2012; 5914-5922.
[3] Torkamany, Tahamtan S., Sabbaghzadeh J.: «Dissimilar welding of carbon steel to 5754 aluminum alloy by Nd:YAG pulsed laser». Materials and Design 31 2010; 458-465.
[4] Casalino G., Mortello M. Leo P., Benyounis K. Y., Olabi A.G.: «Study on arc and laser powers in the hybrid welding of AA5754 Al-alloy». Materials and Design 2014 AA61: 191-198.
[5] Tsung-Yuan Kuo, Yen-Tsun Lin.: «Effects of Shielding Gas Flow Rate and Power Waveform on Nd:YAG Laser Welding of A5754-O Aluminum Alloy». Materials Transactions, Vol. 47, No. 5 2006; 1365-1373.
[6] Casalino G., Rella C.: «MIG-Laser Combined Welding of Aluminum Alloy to 304 Stainless Steel». 26th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics, ICALEO 2007 - Congress Proceedings.
[7] Shuhai Chena, Liqun Li, Yanbin Chen, Jihua Huanga.:«Joining mechanism of Ti/Al dissimilar alloys during laser welding-brazing process». Journal of Alloys and Compounds 509 2011; 891-898.
[8] Zhihua Song, KazuhiroNakata, AipingWub, JinsunLiao.:«Interfacial microstructure and mechanical property of Ti6Al4V/A6061 dissimilar joint by direct laser brazing without filler metal and groove». Materials Science & Engineering A 560 2013; 111-120.
[9] Akman E., Demir A., Canel T., Sınmazcelik T.: “Laser welding of Ti6Al4V titanium alloys”. Journal of materials processing technology 2 0 9 2009; 3705-3713.

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