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Monday, 22 Ottobre 2018
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Saldatura Laser di parti in Lega AlSi10Mg prodotta per additive manufacturing

Grazie ai rapidi sviluppi degli ultimi anni la tecnologia Selective Laser Melting (SLM) è oramai considerata la più diffusa tra i processi di fabbricazione additiva, non solo in ambito di ricerca ma anche a livello industriale. Il suo principale vantaggio consiste nella possibilità di creare, sovrapponendo strato a strato, strutture complesse quasi senza limitazioni di forma. Un limite attuale dei sistemi SLM disponibili in commercio riguarda il volume della camera di costruzione, che risulta essere abbastanza limitato (in genere 250 x 250 x 300 mm3; estendibile al massimo 500 x 500 x 500 mm3). Questo fatto impedisce la costruzione di prodotti di dimensioni maggiori. Diventa quindi interessante valutare alcune soluzioni di giunzione di parti prodotte separatamente per realizzare assemblati di grandi dimensioni.
Il problema è stato affrontato in diversi modi sia in ambito industriale che scientifico. In questo lavoro si presentano alcuni risultati preliminari legati alla saldatura, effettuata con sorgente laser in fibra, di parti sottili prodotte via SLM di AlSi10Mg. Caratteristiche del cordone di saldatura, quali dimensioni del cordone, composizione chimica e microdurezza, sono state valutate e confrontate rispetto a quelle del materiale base.

di C. A. Biffi, J. Fiocchi, S. Galli e A. Tuissi

Febbraio/Marzo 2018

Come detto, il problema è stato affrontato in diversi modi sia in ambito industriale che scientifico; alcune soluzioni di giunzione, che sono state studiate finora a questo scopo, includono processi di saldatura a fascio elettronico [1-3] e per friction stir welding [4], oltre che l’impiego di mezzi adesivi [5]. I processi di giunzione che passano attraverso la fusione del materiale possono diventare di grande interesse, ma richiedono di essere ricalibrati per parti prodotte per tecnologie additive.
Infatti, come ben noto, le microstrutture e le conseguenti proprietà meccaniche di parti prodotte con tecnologie additive sono significativamente differenti rispetto a quelle prodotte per casting convenzionale, a causa delle velocità di raffreddamento estremamente differenti. Di conseguenza, la saldabilità di leghe con microstrutture differenti rispetto a quelle degli stessi materiali prodotti in modo convenzionale richiede di essere almeno riverificata.
Tra i materiali disponibili sul mercato risultano particolarmente interessanti le leghe di alluminio, principalmente contenenti silicio, che presentano buone proprietà nei confronti della fusione laser, in quanto già utilizzate nei processi di casting, un’alta resistenza specifica e sono già ampiamente usate in campo automobilistico e aeronautico. In questo lavoro riportiamo alcuni risultati preliminari legati alla saldatura, effettuata con sorgente laser in fibra, di parti sottili prodotte via SLM di AlSi10Mg. Caratteristiche del cordone di saldatura, quali dimensioni del cordone, composizione chimica e microdurezza, sono state valutate e confrontate rispetto a quelle del materiale base.

Descrizione degli esperimenti
Il materiale selezionato per valutare la saldabilità laser è una lega commerciale AlSi10Mg (Tabella 1), prodotta per processo SLM. Questa è una tipica lega utilizzata in processi di fonderia, caratterizzata da una buona saldabilità.
Il sistema laser impiegato per valutare la saldabilità di questa lega AlSi10Mg, prodotta per SLM, è costituito da una sorgente laser a Itterbio in fibra (IPG Photonics - modello YLR-300/3000-QCW-MM-AC-Y12), che può operare distintamente nelle due modalità: continua (Potenza Massima: 300 W) e pulsata (Potenza di Picco: 3.000 W) con una lunghezza d’onda λ = 1070 nm.
La sorgente è caratterizzata da una fibra di trasporto di diametro del core pari a 50 µm. Il fascio laser in uscita dalla sorgente viene collimato e focalizzato sull’area di processo attraverso una testa di lavoro (Laser Mech - Fiber MiniTM) con una rapporto di ingrandimento, ovvero tra la distanza di focalizzazione e la distanza di collimazione, pari a 2. Lo spostamento relativo tra il campione (mobile) e il fascio laser (fisso) avviene attraverso una movimentazione a due assi motorizzati X-Y (Aerotech - PRO165LM), su cui è montato il sistema tavola-portapezzo.
Il processo è stato eseguito su lastre di spessore di 1 mm, come mostrato in Figura 1. Si riportano in Tabella 2 i parametri di processo utilizzati per eseguire il processo di saldatura laser di un’unica condizione di processo, che ha garantito l’ottenimento di un cordone di saldatura passante.
I cordoni di saldatura sono stati sezionati e caratterizzati mediante microscopia ottica e a scansione elettronica; inoltre, i campioni sono stati sottoposti a misure di composizione chimica. Successivamente, sono state eseguite le prove meccaniche dei campioni saldati attraverso misure dei profile di microdurezza.
Come termine di confronto, le medesime caratterizzazioni sono state eseguite sui provini stampati SLM.
Analisi dei risultati
In Figura 2 sono riportate le immagini della superficie superiore del cordone di saldatura, acquisite con microscopia elettronico a scansione (SEM). In particolare, la prima immagine fornisce informazioni di tipo morfologico della superficie del cordone (Figura 2a), in cui sono evidenti delle sfere di ridotta dimensione che dipendono dalla proiezione del materiale durante la saldatura verso l’esterno della pozza fusa. L’aspetto del cordone è sufficientemente regolare, anche se la superficie non è estremamente liscia, e non mostra cricche superficiali. La seconda immagine è stata, invece, acquisita per mettere in contrasto elementi pesanti (colore chiaro) rispetto a elementi leggeri (colore scuro), come mostrato in Figura 2b. Si osserva che il cordone di saldatura ha un colore chiaro, analogo a quello del materiale circostante, rappresentativo del materiale di partenza. Le gocce di materiale fuso hanno, al contrario del materiale base, un colore più scuro, in quanto sono state ossidate prima della loro solidificazione.
A ogni modo, è stata osservata una certa variabilità sulla possibilità di ottenere un cordone di saldatura passante, che dipende dall’elevata conducibilità termica della lega di alluminio, in funzione della distanza della zona di saldatura dall’estremo libero della lastra.
Dal punto di vista quantitativo, è stata eseguita un’indagine locale per misurare il quantitativo di elementi (Al, Si, Mg e O) a partire dal materiale base fino al centro del cordone di saldatura.
In Figura 3 si mostrano le aree di misura e si riportano le misure composizionali. L’andamento dei principali elementi di lega è evidente: verso il centro del cordone, dove si raggiungono temperature via via crescenti, aumenta il quantitativo di ossido di magnesio, che tende a formare una pellicola sulla parte superiore del cordone. Al contrario, effettuando le medesime misure composizionali sulla sezione trasversale del cordone, non si osservano variazioni del contenuto degli elementi di lega.
La Figura 4 mostra la sezione del cordone di saldatura, in cui si può osservare la presenza di porosità e l’assenza di cricche, oltre alla grande variazione di microstruttura passando dal materiale inizialmente prodotto per SLM a quello saldato laser. La difettosità più marcata è legata alla presenza di pori sferici, anche di significativa dimensione, che è abbastanza come i cordoni di saldatura per questa tipologie di lega. La microstruttura presente all’interno del cordone di saldatura è apparentemente più fine rispetto a quella del materiale di partenza, come succede spesso a seguito di processi di fusione laser.
La fase chiara di Figura 4b è legata alla matrice di alluminio, mentre la fase scusa è la fase ricca di silicio ed associata all’eutettico di Al-Si. La zona di transizione, di cui un ingrandimento è illustrato in Figura 4c, mette bene in evidenza il passaggio tra una struttura del materiale iniziale, in cui si riconoscono le tracce delle pozze fuse legate al processo di produzione additiva, a quella già descritta del cordone di saldatura.
Diventa però estremamente interessante valutare l’effettiva microstruttura delle due zone estreme (materiale base e materiale fuso del cordone di saldatura) a elevati ingrandimenti. Infatti, gli ingrandimenti SEM delle due zone indicano come l’evoluzione classica della microstruttura, tipica della saldatura laser, non sia rispettata in questo caso specifico.
In Figura 5 si mostrano gli ingrandimenti SEM rispettivamente del materiale base, prodotto per tecnologia SLM, della zona di transizione e della zona fusa del cordone di saldatura. Il materiale di partenza è caratterizzato da un network di silicio continuo e molto fine, che dipende dalle elevate velocità di raffreddamento che avvengono nel processo SLM (Figura 5a).
Spostandosi verso il cordone di saldatura, come mostrato in Figura 5b, si osserva come tale struttura di silicio inizialmente tende a rompersi; questo effetto dipende da un surriscaldamento del materiale, come se fosse stato sottoposto ad un trattamento termico [6]. Inoltre, avvicinandosi maggiormente alla pozza fuse del cordone si osserva anche un aumento di dimensione del network di silicio, confermato dall’osservazione della microstruttura caratteristica del centro del cordone stesso, come illustrato in Figura 5c.
Tale crescita della fase ricca in silicio dipende dalla solidificazione indotta dalla saldatura laser, che è avvenuta con tempi più lunghi rispetto a quelli del processo SLM. Questo effetto è confermato dal fatto che il processo additivo prevede la fusione di uno strato di polvere molto sottile, circa 60 micron, rispetto allo spessore di 1 mm della lastra che è stata saldata. Il processo di saldatura richiede, quindi, tempi di esposizione al fascio laser decisamente superiori rispetto al processo SLM, che comportano a velocità di raffreddamento inferiori e quindi a microstrutture decisamente più grossolane.
La conferma di un effetto termico notevole nel corso della saldatura laser viene dall’osservazione del profilo di microdurezze, effettuato sulla sezione trasversale del cordone (Figura 6).
Si osserva come il cordone di saldatura offra valori di microdurezza decisamente inferiori rispetto a quelli del materiale circostante (70 HV contro 100 HV), il quale a ogni modo ha subito un ciclo termico che ha portato a un effetto di invecchiamento artificiale. Infatti, l’effetto del trattamento termico di questa lega prodotta per SLM è già stato studiato in letteratura dagli autori [6].
Conclusioni
Oggigiorno le tecnologie additive su metallo stanno incontrando l’interesse di molti, grazie ai loro effettivi e potenziali vantaggi nel settore del manufatturiero avanzato. Uno dei limiti maggiori delle tecnologie additive a letto di polvere riguarda la massima dimensione realizzabile, di conseguenza diventa interessante valutare alcune soluzioni di giunzione di parti prodotte separatamente in maniera additiva e successivamente da assemblare tra di loro.
In questo lavoro è stato affrontato il problema della saldabilità laser della lega commerciale AlSi10Mg, prodotta per tecnologia additiva SLM. Dal punto di vista della composizione chimica, il materiale non mostra evidenti problematiche dal punto di vista della saldabilità; i principali problemi riscontrati, quali la formazione di porosità, è abbastanza comune per questa tipologia di leghe. Al contrario, è stato osservato come il processo SLM e quello di saldatura laser possano portare all’ottenimento di caratteristiche microstrutturali differenti, nonostante sia stata utilizzata la medesima tecnologia laser sia in fase di stampa 3D sia in fase di saldatura. In particolare, è stato osservato che la saldatura laser, nota per portare alla formazione di microstrutture molto fini, ha conseguito l’effetto contrario su una parte prodotta per SLM. La microstruttura del cordone di saldatura è risultata essere più grossolana rispetto a quella del materiale iniziale, portando ad una riduzione della microdurezza. Ciò significa che la formazione di cricche, potenzialmente generate da elevate velocità di raffreddamento, oppure stress residui dovrebbero essere problemi non manifestabili nella saldatura laser di parti prodotte per tecnologie additive, in quanto le velocità di raffreddamento tra processo di produzione e processo di saldatura sono invertite rispetto a quanto avviene tradizionalmente. Viene, dunque, ritenuto strategico rivalutare le prestazioni di saldatura su elementi prodotti per via additiva, considerando come le caratteristiche meccaniche finali potrebbero avere delle differenze non trascurabili rispetto a quanto è oramai consolidato nei casi di saldatura di semilavorati tradizionali.

QUALIFICA AUTORI
Carlo Alberto Biffi, Jacopo Fiocchi e Ausonio Tuissi - Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Chimica della Materia Condensata e per le Tecnologie dell’Energia, Unità di Lecco Simone Galli - Politecnico di Milano, Polo Territoriale di Lecco

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