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Tuesday, 17 Ottobre 2017
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Il laser in fibra nella saldatura ibrida

1. Testa ibrida  laser-arco.  Hybrid laser-arc welding head. 1. Testa ibrida laser-arco. Hybrid laser-arc welding head.

La saldatura ibrida laser consiste nell’affiancare al fascio laser una seconda sorgente termica con finalità sinergiche nella saldatura di materiali tradizionali e innovativi. Il processo ibrido ha i vantaggi di entrambi i processi di saldatura quando eseguiti singolarmente. L’uso dell’arco elettrico come sorgente di supporto è ormai largamente diffuso nei settori automotive e nautica. L’impiego del laser in assistenza alla Friction Stir Welding è invece in piena fase di studio.

di Angelastro A., Campanelli S.L., Casalino G., Casavola C., Contuzzi N., Ludovico A.D., Moramarco V. - In collaborazione con AITeM - PromozioneL@aser

Novembre-Dicembre 2015

In questo articolo, si riporta inizialmente lo stato dell’arte per le due tecnologie ibride laser arco e laser friction. Di seguito si descrivono alcune esperienze dirette maturate dal gruppo di ricerca operante nel Politecnico di Bari, presso i laboratori di Hybrid Welding e Residual Stress della Rete di laboratori TISMA (Tecniche Innovative per la Saldatura di Materiali Innovativi), finanziata dalla regione Puglia.

Saldatura laser-arco
La tecnologia di saldatura ibrida laser-arco è stata per la prima volta messa a punto da Steen [1], il quale dimostrò che mettendo insieme, in un processo di saldatura, un arco elettrico e un fascio laser è possibile diminuire la potenza necessaria per la saldatura rispetto a una saldatura laser. Successivamente, lo sviluppo della tecnologia di saldatura ibrida laser-arco è iniziato non solo a livello accademico ma anche a livello industriale, ed è stato descritto in dettaglio nei lavori pubblicati da Peyffarth e Krivt [2] e Petring e Fuhrmann [3]. I vantaggi della tecnica di saldatura ibrida, confrontata con la saldatura laser o la saldatura ad arco pura, sono ben noti e includono un aumento in (a) velocità di saldatura, (b) spessore del materiale saldabile, (c) capacità di giunzione in presenza di gap, (d) stabilità ed efficienza del processo. Dunque la combinazione di un arco elettrico e di una sorgente laser consente di realizzare giunti saldati con molteplici vantaggi tecnici rispetto all’utilizzo di una singola sorgente di saldatura, tra cui una maggiore profondità di penetrazione e una riduzione delle distorsioni termiche; tale riduzione consente inoltre di ridurre i trattamenti di post saldatura e agevolare il rispetto delle tolleranze ammesse nonché le eventuali operazioni di montaggio dei componenti [4]. Inoltre il processo di saldatura ibrida laser-arco, in cui sia il laser che l’arco agiscono nello stesso bagno di fusione (Figura 1), consente il raggiungimento di velocità elevate, penetrazioni ancora più grandi e una maggiore tolleranza dei gap (ovvero una minore finitura meccanica dei lembi da saldare) rispetto all’impiego del solo laser. La saldatura ibrida, quindi, risulta più vantaggiosa, in termini economici, di quella laser e conserva, o addirittura migliora, i vantaggi tecnici di quest’ultima. Inoltre, laddove i fattori metallurgici del giunto risultassero critici, la composizione del cordone saldato potrebbe essere migliorata attraverso l’impiego di metallo d’apporto, capace di incrementare le proprietà meccaniche del giunto, nonché la qualità della forma del cordone (compresa l’eliminazione di difetti superficiali quali undercut, overlap e humping, ingobbamento), e ridurre la porosità [5, 6]. Tuttavia numerosi sono i parametri di processo che devono essere correttamente impostati per ottenere dei reali vantaggi dalla saldatura ibrida laser-arco. Rayes e al. [7] hanno analizzato sperimentalmente l’influenza di diversi parametri di processo della saldatura ibrida, come la velocità di saldatura, la corrente di arco, la potenza del laser e l’angolo di inclinazione della torcia TIG rispetto alla testa laser, sulla geometria del giunto. Chen e al. [8] hanno studiato anche sperimentalmente la saldatura ibrida laser-arco dell’acciaio inossidabile e hanno osservato l’interazione tra il fascio laser e il plasma dell’arco. Una classificazione e una descrizione delle caratteristiche e delle applicazioni di saldatura ibrida laser-arco sono fornite da Mahrle e Beyer [9]. Liu e al. [10] hanno studiato la saldatura ibrida laser-TIG della lega di magnesio AZ31B. Essi hanno trovato che la velocità ottimale della suddetta saldatura ibrida è uguale alla velocità di saldatura relativa al solo processo laser, ma è più alta di quella di un processo TIG, mantenendo elevato il livello di qualità. Questo processo è uno strumento interessante con un alto potenziale nella saldatura di strutture, soprattutto per quelle leggere di alluminio e di acciaio, in quanto possiedono un elevato rapporto resistenza/peso. Da anni, questa tecnologia attira l’interesse dell’industria (aeronautica, automobilistica, navale) [11] e del mondo accademico (università e centri di ricerca). La tecnologia di saldatura ibrida minimizza gli svantaggi dei due processi, laser e arco elettrico, in modo da ottenere una tecnica di saldatura ottimizzata. In sintesi, i principali vantaggi ottenibili con la tecnica ibrida sono:
•    riduzione dei costi per il fabbisogno energetico grazie alla riduzione della potenza richiesta (diminuzione di circa il 30-40%);
•    velocità di saldatura più elevate;
•    profondità di penetrazione elevate;
•    alta stabilità del processo;
•    maggiore tolleranza del gap di saldatura e conseguente minore precisione richiesta nella preparazione dei lembi da saldare;
•    minore apporto di calore e conseguenti minori distorsioni;
•    miglioramento delle caratteristiche metallurgiche del giunto.

Saldatura laser-FSW
Nella saldatura FSW il materiale viene portato allo stato plastico grazie al calore sviluppato dal movimento relativo dell’utensile rispetto ai pezzi da saldare. Nella saldatura laser-FSW il laser è utilizzato per preriscaldare il materiale in modo da portarlo a una temperatura prossima a quella di plasticizzazione, al fine di ridurre la forza (e la conseguente usura) che l’utensile della FSW dovrà esplicare per penetrare e scorrere all’interno della giunzione. Inoltre, la presenza del fascio laser di supporto consente di aumentare la velocità di saldatura normalmente impiegata in FSW. In Figura 2 è mostrata la macchina per il processo di saldatura laser-FSW presente nel laboratorio di Hybrid Welding della Rete TISMA. La letteratura a riguardo è molto povera e non si hanno notizie di macchinari che implementino la saldatura ibrida laser-FSW e che siano installati e utilizzati a livello industriale. Si tratta di una tecnologia ancora in fase di analisi e di considerazione sotto forma di prototipi. Di seguito, si riportano gli studi sperimentali condotti sull’argomento presso laboratori di ricerca presenti in Corea e in Germania. Il primo studio [12] riguarda l’analisi degli effetti della tecnologia ibrida laser-FSW tra lega di alluminio AA6061-T6 e lega di magnesio AZ31. Le proprietà del giunto ottenuto tramite saldatura ibrida laser-FSW di piastre in lega di alluminio e piastre in lega di magnesio, cui in seguito è stato aggiunto nichel come materiale di riempimento, sono state confrontate con la saldatura FSW con o senza l’aggiunta di nichel tra l’alluminio e il magnesio. La tensione di rottura nel caso di leghe a base di Mg è pari al 66% di quella del materiale base per la saldatura ibrida, al 45% per la saldatura FSW con aggiunta di nichel e al 38% nel caso di saldatura dissimile senza l’aggiunta di nichel. Ciò probabilmente è dovuto alla presenza di piccole inclusioni di fasi intermetalliche del composto Al12Mg17. Con una potenza del laser pari a 1.7 kW sono apparsi alcuni difetti all’interfaccia del giunto, dovuti forse al non raggiungimento della temperatura di fusione del nichel. La tensione di rottura è risultata pari al 66% quando la potenza è stata innalzata a 2 kW. Nel secondo studio [13] sono stati eseguiti giunti testa a testa di lamiere spesse 1 mm di materiali dissimili, acciaio DC04 e lega AA 6016 T4, quest’ultimo avente composizione chimica Al (96.4-98.8), Cr (0.10, Cu 0.20), Fe 0.5, Mg 0.25, Si 1.5, Ti 0.15, Zn 0.2. La soluzione principale è offerta dal preriscaldamento del lamierino d’acciaio con il fascio laser e, a seguire, dal processo di saldatura FSW che permette la giunzione dei due lamierini dissimili. Il macchinario utilizzato ha potenza laser max 1.5 kW e diodo laser LDL 160-1500 (Laserline company), lunghezze d’onda Laser 808 ±10 nm e 940 ±10 nm, dimensione spot 9 mm2. Mentre, per quanto riguarda la macchina friction, si tratta di una macchina cinematica parallela Tricept 605, con velocità di rotazione massima 3.200 giri/min, velocità di saldatura 2.000 mm/min, tilt angle 2.5°. I parametri di processo analizzati sono stati la velocità di rotazione, la velocità di saldatura e la potenza del laser.

Prove laser-MAG sull’acciaio inossidabile
I test esplorativi condotti nel laboratorio di Hybrid Welding sono stati effettuati utilizzando la macchina, a configurazione cantilever, per saldatura ibrida laser-arco (Figura 1). L’obiettivo perseguito è stato quello di realizzare delle saldature su acciaio AISI 304 e AISI 410 (spessore 6 mm), utilizzando la tecnologia laser-MAG. L’AISI 304 è caratterizzato dalla possibilità di essere incrudito per deformazione a freddo e dall’elevata resistenza alla corrosione intercristallina; mentre l’AISI 410 viene solitamente impiegato per l’elevata resistenza meccanica, la buona resistenza alla corrosione e la tenacità. Quindi, riuscendo a saldare questi due acciai tra loro, sarebbe possibile realizzare componenti che in parte devono essere sollecitati notevolmente dal punto di vista meccanico e in parte devono resistere alla corrosione. Sono state effettuate 5 prove per giunti eterogenei testa a testa. I principali parametri di processo fatti variare durante le prove sono:
•    velocità di processo [m/min];
•    potenza del fascio laser [W];
•    spessore programmato sul generatore MIG/MAG (ovvero la coppia di tensione e corrente necessarie a produrre una saldatura su uno spessore programmato in millimetri);
I parametri di processo mantenuti costanti sono:
•    distanza tra la sorgente laser e l’arco elettrico: Dla=3 [mm];
•    gas di protezione utilizzato: STARGAS (Miscela Argon 87% e CO2 13%);
•    distanza elettrodo-pezzo: 2-4 [mm];
•    filo d’apporto: EN ISO 14341-A: G 46 4 M G4Si1; d=1 [mm];
•    portata Gas di protezione: 1.500 [nl/h];
•    pressione aria secca: 6.5 [bar];
•    diametro fibra laser: 200 micron.
Nella stesura del programma di lavorazione è stato previsto un ritardo di accensione della sorgente laser rispetto all’arco elettrico di 0,5 s. Tale ritardo è imputabile alla maggiore inerzia di accensione che ha una sorgente ad arco elettrico con filo d’apporto rispetto ad una sorgente laser. Scopo di queste prove è stato trovare una prima stima dei parametri di processo. In particolare il parametro Dla è risultato molto influente sui risultati del processo; in base ai dati presenti in letteratura scientifica è stato scelto un valore interno all’intervallo 2-4 mm, considerato come intervallo utile per ottenere una valida sinergia tra le due sorgenti (Figura 3). Dopo il primo set di prove, di cui la Figura 4 mostra un campione, si sono esplorati campi di velocità più elevate combinate con la massima potenza erogabile dal laser (4 kW). In questo modo si sono valutate la capacità di penetrazione del sistema ibrido, connessa all’aumento della potenza della sorgente laser, e le potenzialità produttive dell’intero processo, legate alla velocità di saldatura. Come mostrato nella Figura 5, che tra l’altro ne riporta i profili di microdurezza, sono state realizzate saldature di testa laser-MAG, di piastre da 6 mm di spessore, tra AISI 410 e AISI 304, in un’unica passata, alla velocità di 3 m/min, classificabili con un livello di qualità B secondo la normativa UNI EN ISO 5817.

Prove laser-friction stir welding su lega di alluminio AA5754
Sono state condotte delle prove per valutare i benefici dell’assistenza del laser nella saldatura FSW di leghe leggere. Nello specifico, sono state realizzate saldature FSW e laser-FSW testa a testa di piastre spesse 6 mm in lega AA5754. Nella Figura 6 è mostrata la testa di saldatura laser-FSW utilizzata. Dalla sperimentazione è emerso che l’impiego del laser consente, a parità di qualità del cordone saldato, di aumentare la velocità di saldatura, e dunque la produttività del processo, del 20 % circa rispetto alla FSW. Infatti, per alte velocità di processo (> 240 mm/min) il calore generato solo dall’utensile è risultato insufficiente ed il materiale non si è plasticizzato adeguatamente. Come risultato, nel giunto ottenuto era presente una cricca piuttosto larga che si sviluppava, in direzione longitudinale, lungo tutta la saldatura. Come mostrato nelle Figure 7 e 8, questa cricca è sparita quando la FSW è stata assistita dal fascio laser, impiegato per preriscaldare il materiale. Tale giunto è caratterizzato dalla presenza di bava sui contorni della linea di saldatura, dovuta semplicemente ad una eccessiva penetrazione dell’utensile nel materiale, che può essere ottimizzata senza problemi. Inoltre, si è registrata una perfetta tenuta degli ammorsaggi, soprattutto nella zona iniziale della saldatura. Dunque, questo studio ha permesso di evidenziare gli effetti benefici che può avere il laser sulla qualità e sulla produttività del processo FSW. Si è proceduto alla misura della tensione residua (TR) parallela (Longitudinal stress σ//) e perpendicolare (Transverse stress σⱶ al cordone di saldatura, lungo la linea mediana della zona utile di saldatura perpendicolare al cordone stesso (Figura 9). I valori delle TR parallele al cordone σ// hanno mostrato il tipico andamento a V, con due picchi nelle zone esterne al cordone di saldatura. Sono stati riscontrati valori di σ// più elevati nell’advancing side (σ//MAX = 30,0 MPa) rispetto a quelli misurati nel retreating side (σ//008 ≈ 11,0 MPa). I valori di σⱶ misurati risultano piuttosto costanti nella zona a ridosso della saldatura (σⱶAVG008 = 21,5 MPa; σⱶAVG009 = 16,0 MPa) e tendono al valore di 0 MPa nel metallo base. I valori di σⱶ misurati non mostrano differenze sostanziali tra advacing side e retreating side.

Conclusioni
L’impiego della saldatura ibrida laser promette di risolvere molti dei problemi legati alla saldatura di metalli poco saldabili e alla realizzazione di giunti eterogenei. In questo studio, è stato provato che la saldatura laser assistita da arco si adatta bene alla giunzione termica di acciai inossidabili di struttura diversa. Nel caso della saldatura laser-FSW, il laser risulta utile per aumentare la velocità di processo della Friction Stir Welding incrementandone la produttività senza che ciò implichi la creazione di difetti lungo la linea di saldatura.

Hybrid laser-arc welding is a joining process whereby arc and laser are carried out simultaneously, in the same weld pool and in the same welding operation. The hybrid process has the individual advantages of both welding processes when carried out separately. The use of the arc as a supporting source is already widely used in the automotive and nautical industry. Laser-assisted friction stir welding is a new modification of hybrid laser-arc where Friction Stir Welding and laser combine. Whereas the former is well established, the latter is under investigation in order to determine its potential at welding materials. In this paper, the authors report a synthetic state-of-art for both techniques. Moreover, some demonstrative results are presented for laser-arc of stainless steel and laser-friction welding of aluminum alloys. Experimental tests were conducted by a group of researcher of the Politecnico di Bari (Italy), operating in the Hybrid Welding laboratory and in the Residual Stress laboratory of TISMA (Innovative Techniques for Advanced Materials Welding) Network of Laboratories, funded by Regione Puglia.

QUALIFICA AUTORI
Angelastro A., Campanelli S.L., Casalino G., Casavola C., Contuzzi N., Ludovico A.D., Moramarco V. - TISMA, Politecnico di Bari, Dipartimento di Meccanica, Matematica e Management.

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Comunicazione tecnica per l'industria