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Saturday, 22 Luglio 2017
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Il laser nella cantieristica navale: trattamento superficiale per la preparazione delle lamiere rivestite con PCP destinate alla saldatura

Nei processi di saldatura la preparazione delle superfici da giuntare rimane uno dei fattori determinanti ai fini della resistenza del giunto sia a medio che a lungo termine. Generalmente, quando si parla di preparazione del giunto si pensa immediatamente alla preparazione geometrica delle superfici da saldare, tuttavia, esistono diversi casi in cui il processo di preparazione prevede anche la pulizia superficiale, al fine di eliminare possibili contaminanti e/o rivestimenti che possono generare difetti nel cordone di saldatura. Un caso particolare, in cui tale esigenza è fortemente sentita, è la saldatura delle lamiere destinate alla realizzazione delle strutture navali. Questo perché le lamiere destinate alla cantieristica navale sono, generalmente, rivestite da un primer che svolge la funzione di barriera protettiva ai fini dell’ossidazione.

di Leone Claudio, Genna Silvio, Luigi Nele, Doriana D’Addona

Settembre-Ottobre 2015

Tra i primer adottati nella cantieristica navale, di fondamentale importanza sono i Pre-Construction Primer (PCP), anche detti “Shop Primer”. Questi sono dei rivestimenti sottili (15-25 micron di spessore) che vengono applicati direttamente in cantiere prima dello stoccaggio a breve termine delle lamiere. Il PCP è formato essenzialmente da una matrice polimerica caricata da zinco in polvere che funge da anodo sacrificale evitando l’ossidazione della lamiera sottostante. Durante il processo di saldatura la vaporizzazione dei componenti del primer (sia quelli organici sia quelli inorganici) può generare difetti nel cordone di saldatura, quali soffiature e porosità. Questi difetti, ovviamente, influenzano il comportamento meccanico a breve e lungo termine della giunzione. Per evitare questi difetti, è necessario rimuovere il primer dalle zone limitrofe al giunto prima dell’operazione di saldatura. Le tecniche normalmente utilizzate per la pulizia delle lamiere sono: spazzolatura, sabbiatura (anche con anidride carbonica solida), getto d’acqua ad alta pressione e solventi chimici. Queste tecniche oltre a non permettere un controllo accurato dell’estensione della zona trattata, hanno lo svantaggio di essere difficilmente automatizzabili. Inoltre, l’uso di solventi o di abrasivi potrebbe causare problemi ambientali o di contaminazione del materiale. Una valida alternativa a queste tecniche proviene ancora una volta dal mondo dei laser ed è la pulizia laser. Questo processo ha recentemente trovato applicazioni nella pulizia degli stampi, nella preparazione delle superfici per l’incollaggio e, ovviamente, nella pulizia selettiva dei metalli da vernici o da rivestimenti. Il processo è molto semplice, esso si basa sull’utilizzo di sorgenti impulsate, generalmente caratterizzate da potenze di picco elevate, che, agendo sul rivestimento in tempi molto brevi, riescono a produrne la vaporizzazione senza necessariamente intaccare il materiale sottostante. Le tecniche più raffinate prevedono l’utilizzo di una sorgente laser con una lunghezza d’onda tale che il fascio risulti essere ben assorbito dal rivestimento e, contemporaneamente, totalmente riflesso dal substrato. In questa maniera è possibile assicurarsi che il processo di pulizia si limiti alla sola rimozione del rivestimento senza intaccare il substrato. Nel caso della preparazione delle lamiere per la saldatura, questa finezza non è necessaria in quanto, l’operazione successiva di saldatura comunque produrrà un cambiamento profondo della superficie. Rispetto alle tecniche tradizionali, la pulizia laser offre numerosi vantaggi, tra cui: assenza di contatto meccanico o usura dell’utensile, ottimo controllo della dimensione della zona trattata, riduzione degli inquinanti secondari, elevata silenziosità del sistema, basso consumo energetico, minima manutenzione, bassi costi di gestione, processo costante e ripetibile, possibilità di essere facilmente implementato sulle attrezzature in uso per la realizzazione di sistemi automatici. Lo studio realizzato presenta una sperimentazione in tale ambito. In particolare presenta i risultati di prove di pulizia realizzati su rivestimenti protettivi di tipo commerciale, mediante un laser a bassa potenza (30W) ed elevata efficienza energetica. Queste ultime caratteristiche sono fondamentali quando si deve considerare la sostenibilità del processo da un punto di vista energetico-ambientale. Lo studio fa parte di un progetto di ricerca finalizzato alla realizzazione di un sistema intelligente e sostenibile di saldatura per l’industria della costruzione navale.

Materiali, attrezzature e procedure sperimentali
Per simulare il processo in maniera quanto più aderente a quello reale, si è deciso di adottare la classica lamiera in acciaio al carbonio per applicazioni navali, di 6 mm di spessore. La lamiera è stata rivestita, mediante verniciatura a spruzzo, con uno strato da 20-25 micron di “Pre Costruction Primer” di tipo commerciale (CERABOND 2000 E BASE). La scelta di questo tipo di primer, è stata effettuata considerando che questo prodotto può essere utilizzato sia per la realizzazione di rivestimenti protettivi a breve periodo, sia come fondo per rivestimenti protettivi a lungo periodo. In Tabella 1 si riporta la composizione chimica del primer adottato. La scelta della sorgente è stata effettuata considerando la particolare natura del rivestimento (parte organica e parte inorganica), gli aspetti funzionali (affidabilità del sistema, facilità di manutenzione, modalità di trasporto del fascio …) nonché aspetti energetici (efficienza della sorgente, consumo energetico). In particolare, a valle delle suddette considerazioni, si è deciso di utilizzare un laser impulsato in fibra (Yb:YAG) ad impulso corto (50 ns), con potenza nominale di 30 W. Questa tipologia di laser è spesso adottata per operazioni di marcatura, taglio e microlavorazioni su materiali metallici e non metallici. Nel caso in esame è stato scelto per la capacità di erogare impulsi con potenze di picco fino a 20 kW, la possibilità di fornire la massima potenza media (30 W) a tutte le frequenze, nonché per l’alta efficienza e basso consumo energetico (120 W) rispetto alle tradizionale sorgenti laser a Nd:YAG o a CO2. Quest’ultima caratteristica è molto importante quando si devono considerare la sostenibilità del processo da un punto di vista energetico-ambientale. In Tabella 2 si riportano le caratteristiche principali del sistema laser adottato. Per la movimentazione del fascio laser si è utilizzata una testa a scansione galvanometrica equipaggiata con una lente piana di focalizzazione con lunghezza focale di 160 mm. Questa soluzione consentiva di avere un diametro del fascio al punto focale di circa 80 micron e quindi di raggiungere una densità di potenza sufficientemente elevata da garantire la rimozione sia della fase inorganica che di quella organica presente nel primer. In Figura 1 si riporta la schematizzazione di una possibile soluzione per il processo. In particolare si vede la testa galvanometrica che muovendosi lungo la zona di giunzione delle due lamiere, “spazzola” e ripulisce dal primer i lembi delle due lamiere da giuntare. La soluzione proposta è particolarmente vantaggiosa perché può essere facilmente integrata negli attuali sistemi automatici di saldatura, senza dovere effettuare modifiche sostanziali della loro architettura. Le prove sono state realizzate andando a trattare aree di 10 x 10 mm. Le aree sono state trattate facendo muovere il fascio laser al loro interno, lungo linee parallele opportunamente distanziate, in analogia a quanto riportato nello schema di Figura 1. Durante le prove è stata mantenuta costante la potenza media al valore massimo nominale (30 W), mentre sono stati variati i seguenti parametri di processo: potenza di picco (Pp); velocità di scansione (Vs) e passo. Quest’ultimo rappresenta la distanza tra due linee successive. In Tabella 3 si riportano le condizioni di processo analizzate ed i loro livelli. Una volta realizzati i provini, si è proceduto alla misura della quantità di materiale asportato in termini di percentuale di area pulita (Ap), ossia la percentuale dell’area trattata dove era stato totalmente rimosso il primer. Per effettuare queste misure è stato necessario acquisire le immagini di tutti i campioni e sottoporle ad elaborazione grafica. Il processo di elaborazione grafica, sebbene non particolarmente complicato, ha richiesto una serie di passaggi prima di poter definire la percentuale di area pulita. Questo perché il colore del primer (grigio chiaro) era molto simile a quello della lamiera nuda. In particolare l’elaborazione ha richiesto i seguenti passaggi:
a) downgrade dell’immagine a 1.200 dpi, 8 bit; b) inversione del colore (questa operazione consente un miglioramento del contrasto tra il primer e la lamiera);
c) individuazione dei colori corrispondenti al primer (il colore del primer è composto da non meno di tre tonalità);
d) trasformazione dei colori del primer in trasparente (nel formato natio il trasparente non esiste, questo permette di ridurre l’errore nel computo della percentuale di area pulita);
e) trasformazione dei neri in bianco (serve a non aggiungere pixel alle zone non trattate);
f) nuova inversione dei colori;
g) trasformazione in scala di grigi (a questo punto dell’elaborazione i pixel bianchi sono assenti);
h) trasformazione del trasparente (primer) in bianco.
Così facendo, alla fine del processo, i pixel di colore bianco all’interno dell’immagine in scala di grigi rappresentavano le sole zone in cui era ancora presente il primer. In Figura 2 si riporta l’immagine di una superficie realizzata con un passo elevato (180 micron). La porzione di sinistra (a) dell’immagine è in formato natio, quella di destra (b) è come appare dopo l’elaborazione grafica. Oltre alla percentuale di area pulita, conoscendo i tempi di lavorazione, si è andati a calcolare la velocità di avanzamento equivalete del sistema (Va, espressa in mm/min). Questa rappresenta la velocità di trattamento della lamiera, calcolata, nel caso specifico, assumendo una larghezza dell’area pulita pari a 10 mm, valore compatibile con quello richiesto per le lamiere da 6 mm di spessore. Per l’analisi dei dati si è utilizzato un classico approccio statistico, ossia l’analisi della varianza (anche detta ANOVA). In particolare, si è andati a valutare l’effetto dei parametri di processo sulla percentuale di area pulita, e le condizioni ottimali di processo (quelle che assicuravano una Ap maggiore del 95%). Una volta individuate queste ultime, si è proceduto alla valutazione della massima velocità di avanzamento equivalente.

Risultati della sperimentazione
In Figura 3 si riportano le immagini non ancora elaborate delle superfici di due campioni trattati in condizioni differenti: a) superficie totalmente pulita, b) superficie parzialmente pulita. I punti neri che si vedono nella figura 3a sono relativi a macchie di ossido già presenti sulla lamiera. Inoltre si deve notare che nel campione b), nonostante la percentuale di area pulita risulti essere molto bassa, lo spessore del primer risulta notevolmente ridotto. Da questo punto di vista, si può dire che la scelta di utilizzare Ap come indice di pulizia è sicuramente vincente poiché sottostima la pulizia reale della superficie. Per verificare l’influenza dei parametri sul processo si è utilizzata la procedura dell’ANOVA, di cui non si riporta la tabella finale per brevità. L’analisi ha evidenziato che tutti i parametri di processo utilizzati (Pp, Vs e Passo) sono significativi, ossia influenzano direttamente il valore della percentuale di area pulita. Inoltre, l’analisi ha indicato come significative tutte le interazioni tra i parametri. Ciò significa che l’effetto della variazione del singolo parametro dipende dai valori utilizzati per gli altri due parametri. In Figura 4 si riporta il valore medio di Ap al variare dei singoli parametri di processo. Dalla figura si osserva che un aumento della potenza di picco comporta un aumento della percentuale di area pulita. Al contrario un aumento della velocità di scansione o del passo, comporta una riduzione della quantità di materiale rimosso. Quanto osservato non è inaspettato. Di fatto, un aumento della potenza di picco fa si che aumenti la larghezza della zona pulita per singola linea percorsa dal fascio laser e, di conseguenza, la quantità totale di materiale rimosso durante l’intera scansione. Quanto appena detto è confermato dall’analisi delle immagini dei campioni ed è in Figura 5. Nella figura si riportano le immagini di due superfici dopo trattamento di pulizia ottenute a parità di Vs (1.400 mm/s) e passo (160 micron) ma con differente potenza impulsiva: a) Pp=10 kW; b) Pp=20 kW. Nella porzione a destra delle due immagini, il grigio indica l’area pulita con il metallo esposto, il bianco l’area con il primer ancora aderente alla superficie. Dal confronto di queste due immagini si osserva che lo spessore delle linee grigie (aree pulite) è maggiore nella superficie trattata a 20 kW rispetto a quella trattata a 10 kW. Di conseguenza l’adozione di elevate potenze di picco, a parità di potenza media erogata (30W), risulta più vantaggioso in termini di Ap. In merito all’effetto della velocità e del passo, si deve considerare che dal primo dipende la quantità di energia fornita dalla sorgente lungo la singola scansione, dal secondo dipende sia l’energia totale rilasciata sulla superficie trattata che la quantità di area sottoposta a trattamento. Ovviamente, ad elevati valori di velocità corrispondono basse energie rilasciate lungo la singola scansione; mentre ad un passo elevato corrisponde sia una minore energia totale rilasciata sulla superficie che una minore superficie esposta. Di conseguenza Ap diminuisce all’aumentare della velocità o all’aumentare del passo. In merito alle interazioni, Figura 6, si può dire che quando uno dei tre parametri di processo è settato in condizione sfavorevoli (Pp basso, Vs alto o Passo alto) la variazione degli altri comporta un effetto maggiore. Da quanto esposto sembrerebbe che lavorare ad alte potenze di picco, basse velocità di scansione e passo stretto sia la soluzione ottimale, perché in queste condizioni è possibile ottenere la massima percentuale di area pulita. In realtà, come detto prima, ai fini dell’applicazione industriale si deve considerare che, fissata la larghezza dell’area di pulizia, la velocità di scansione ed il passo determinano univocamente la velocità di avanzamento equivalete del sistema. Ovviamente velocità di avanzamento troppo basse non consentirebbero un efficace applicazione del processo in ambito industriale. Per verificare le velocità raggiungibili con il sistema adottato, si è proceduto a ricavare il diagramma dell’Ap medio in funzione della velocità di scansione e del passo per il caso più favorevole, ossia per la potenza di picco pari a 20 kW (Figura 7). Da questo diagramma sono state ricavate le condizioni di processo in cui è possibile ottenere una Ap pari all’95% e quelle in cui è possibile ottenere una Ap pari a 98%. Si è quindi proceduto a ricavare l’analogo diagramma per la le velocità di avanzamento (Figura 8) e a sovrapporre a questo i confini delle aree di processo dove  è possibile avere una Ap pari al 95% o al 98%. Nel diagramma di Figura 8, la linea tratteggiata rappresenta, appunto, tali confini. Dal diagramma è facile dedurre che accettando una Ap pari al 95% (linea tratteggiata nera) è possibile lavorare con velocità di avanzamento dell’ordine dei 600 mm/min. mentre volendo superare il valore del 98% (linea tratteggiata bianca) la velocità massima si riduce a 500 mm/min. I risultati, sebbene siano stati ottenuti in laboratorio, sono molto interessanti, poiché le velocità ottenute sono confrontabili con i valori adottati nella saldatura con gli attuali sistemi di saldatura ad arco sommerso. D’altra parte, considerando che nel mercato attuale sono disponibili sorgenti simili fino a 200 W, si può facilmente stimare che, con queste ultime sorgenti, sia possibile raggiungere velocità di avanzamento, a parità di larghezza di trattamento (10 mm), dell’ordine dei 2.000 - 2.500 mm/min.

Conclusioni
Nel presente studio si è utilizzato un laser Yb:YAG in fibra da 30 W, a elevata efficienza energetica, per dimostrare la fattibilità del processo di pulizia laser delle lamiere rivestite con Pre Construction Primer utilizzate nella cantieristica navale. I risultati ottenuti sono molto interessanti alla luce del fatto che questi possono essere già utilizzati per lo sviluppo e la realizzazione di un sistema automatico di saldatura per l’industria delle costruzioni navali. Nell’ambito dei parametri investigati e della sorgente utilizzata, l’analisi dei risultati sperimentali ci permette di trarre le seguenti conclusioni:
• la percentuale di area pulita (Ap) è influenzata dalla potenza di picco, dalla velocità di scansione e dal passo;
• Ap aumenta all’aumentare della potenza di picco e diminuisce all’aumentare della velocità di scansione e/o del passo utilizzato;
• velocità di avanzamento dell’ordine dei 600 mm/min, possono essere facilmente ottenute considerando come target una Ap di circa il 95%;
• considerando un target per Ap di circa il 98%, la velocità di avanzamento si riduce a circa il 500 mm/s;
• infine, considerando che nel mercato attuale sono disponibili sorgenti simili fino a 200 W, si può facilmente stimare che, con queste ultime sorgenti, sia possibile raggiungere velocità di avanzamento dell’ordine dei 2.000 - 2.500 mm/min.    l

QUALIFICA AUTORI
Leone Claudio1-2, Genna Silvio2, Luigi Nele1, Doriana D’Addona1.
1 Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale, Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80 - 80125 Napoli, Italy.
2 Centro di Ricerca Interuniversitario CIRTIBS Università degli Studi di Napoli Federico II, P.le Tecchio 80 - 80125 Napoli, Italy.

Pre-construction Primer (PCP) is a polymer charged with zinc powder, often applied at low thickness in the coating of the iron sheets adopted into shipbuilding industries. In this coating, the zinc, in contact with the iron support, acts as a sacrificial anode protecting the surface from corrosion. However, this coating is problematic when the steel sheets require to be welded because involves in porosity inside the welding bead. Different methods can be used to remove the primer before the welding: brushing, sand or ice blasting, waterjet, chemical solvent. These techniques besides not allow an accurate control of the extension of the treated area, have the drawback of being difficult to in-process implementation. Furthermore, the use of solvents or abrasives could cause environmental problems or contamination of the material. Laser cleaning represents a promising alternative to the aforementioned methods. Compared to traditional processes, it offers several advantages, including: absence of mechanical contact or tool wear, good control of the cleaned area geometry, reduction of secondary pollutants, low energy consumption and the possibility to be used in-process. In this research, laser cleaning tests were carried out by etching a 10 mm x 10 mm surface of primer coated steel plate, using a 30 W Q-Switched Yb:YAG fibre laser. The tests were carried out changing the pulse power, the scan speed and the hatch distance. From the treated surface analysis, the percentage of cleaned area was measured and related to the process parameters. The process window where laser cleaning could be successfully performed and the maximum process speed were individuated.

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Comunicazione tecnica per l'industria