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Sviluppo di impianti robotizzati per la saldatura di leghe di alluminio con Laser Ibrido GMAW: l’attività sperimentale

Lo sviluppo di stazioni di saldatura automatizzate a elevata efficienza e flessibilità per la fabbricazione di componenti in alluminio ad alte prestazioni rappresenta un obiettivo di molti settori industriali, quali l’automotive, il settore aeronautico e navale. Fra le varie tecnologie di saldatura esisitenti, il processo ibrido laser - arco elettrico (Hybrid Laser-Arc Welding technology - HLAW) sembra poter fornire una risposta concreta a tale esigienza. L’HLAW è una tecnica relativavamente nuova, caratterizzata da prestazioni elevate e notevole flessibilità d’impiego. Tuttavia, i reali effetti dell’interazione tra arco elettrico e fascio laser su di un materiale complesso come le leghe di alluminio non sono ancora completamente noti, pertanto la sua implementazione in una realtà produttiva rappresenta un traguardo ancora distante e richiede ulteriori
approfondimenti. La presente memoria riassume le attività sperimentali condotte da IIS Progress S.r.l nell’ambito di un progetto cofinanziato dalle risorse del POR Regione Liguria 2007-2013, finalizzato allo sviluppo di una innovativa stazione di saldatura ibrida laser-MIG per la realizzazione di strutture saldate in lega di alluminio per il settore navale.

di Eduardo Adile, Paolo Baccarini e Matteo Pedemonte

Marzo 2016

Messa a punto del processo laser su leghe di alluminio
Come anticipato nella prima parte dell’articolo pubblicata sul fascicolo numero 218 di Deformazione del febbraio 2016, la definizione dei parametri di saldatura della tecnologia ibrida laser - arco elettrico è molto complessa e richiede una messa a punto dei singoli processi coinvolti. Pertanto, la prima parte della fase sperimentale si è incentrata sulla valutazione della saldabilità ad arco e della saldabilità laser delle leghe di alluminio utilizzate nell’ambito del progetto. Nella fattispecie sono state impiegate due diverse tipologie di leghe appartenenti alle famiglie Al-Mg ed Al-Mg-Si, classificate in accordo alla “UNI EN 573-3:2009”, rispettivamente, come EN AW 5083 H321 ed EN AW 6082 T651. Le prove sono state condotte su lamiere di 15 mm di spessore. Le due leghe presentano composizione chimica e proprietà fisiche differenti. La seguente Tabella 1 riporta un confronto delle composizioni chimiche delle due tipologie di materiali impiegati. In Tabella 2 sono invece confrontate le proprietà fisiche. Entrambi i materiali sono caratterizzati da eccellenti doti anticorrosive e da proprietà meccaniche elevate. La messa a punto del processo ad arco non ha presentato particolari criticità. Sulla base dell’esperienza acquisita, infatti, sono stati definiti i valori di tensione e corrente “iniziali” da impiegare in combinazione con il processo laser (Tabella 3). Come materiale d’apporto è stata usata una lega ISO 18273 - S Al 5356 (AlMg5), diametro 1,2 mm. Altri parametri, quali velocità, stick-out e portata del gas, sono stati in seguito adattati in funzione della configurazione ibrida adottata. Le prove effettuate hanno confermato l’idoneità dei parametri scelti in relazione alle due tipologie di materiali. Per quanto riguarda la valutazione della saldabilità mediante processo laser, sono state eseguite numerose passate (Bead on Plate - BoP), adottando differenti configurazioni di saldatura (Tabella 4). I parametri sono stati analizzati con particolare attenzione sulla presenza di eventuali difetti di carattere operativo e/o metallurgico e sulla profondità di penetrazione. Nello specifico, si è cercato di raggiungere una profondità di penetrazione pari a circa 5 mm. Le due leghe hanno manifestato comportamenti molto differenti fra loro. In particolare, la lega EN AW 6082 T651 è risultata più critica da saldare: durante le prove sono state riscontrate numerose problematiche di tipo operativo, quali la difficoltà di innescare il processo per bassi valori di potenza e la generazione di spruzzi di saldatura; gli esami metallografici hanno evidenziato inoltre la presenza di difetti di tipo metallurgico, quali cricche in zona fusa e porosità diffuse di dimensioni variabili, in alcuni casi anche affioranti in superficie. L’aspetto del cordone è risultato sempre piuttosto irregolare e presenta incisioni marginali tanto più evidenti quanto maggiore è la potenza erogata dal fascio. Al fine di valutare l’efficacia del processo in termini di profondità di penetrazione del cordone, sono state analizzate le caratteristiche geometriche misurate dalle sezioni metallografiche. In particolare, la Tabella 5 riporta l’andamento della profondità di penetrazione in funzione della potenza del laser e della posizione del fuoco. Per valori di densità di energia troppo bassi (fascio eccessivamente de-focalizzato o livelli di potenza contenuti) il fascio è stato riflesso completamente dal materiale, provocando l’intervento del sensore di sicurezza che ha interrotto immediatamente il funzionamento del Laser per evitare il danneggiamento della fibra ottica. È emersa pertanto l’importanza di adottare su questa lega parametri di densità di energia elevati. Osservando il grafico di Figura 11 si nota come la profondità di penetrazione aumenti al crescere della potenza e si riduca per valori della posizione di fuoco differenti dallo zero. Tale riduzione è molto più marcata per valori elevati di fuoco (f = ±5) e, a parità di valore, per posizioni del fuoco sopra al piano di lavoro (fuoco negativo). In Tabella 6 è riportato l’andamento della profondità di penetrazione al variare della velocità di avanzamento e della posizione del fuoco. In questo caso è stata utilizzata una densità di potenza minima per innescare il processo di saldatura (P = 3 kW). La massima penetrazione è stata ottenuta per valori di velocità compresi tra 500 e 750 e per valori della posizione del fuoco pari a 0 mm o spostati internamente al pezzo (+1,5 mm). Tuttavia, tutti i cordoni sono caratterizzati da cricche o porosità (Figure 12, 13, 14). La lega EN AW 5083 H321 ha presentato una criticità inferiore rispetto alla lega Al-Mg-Si. In generale, il processo è risultato più stabile e meno sensibile alla densità di potenza. Tale differenza è probabilmente legata alla minore conducibilità termica della lega Al-Mg. L’innesco della modalità di saldatura mediante key-hole non ha richiesto infatti valori di densità di energia, dunque di potenza del fascio, eccessivamente elevati. In generale i cordoni presentano un aspetto superficiale irregolare, caratterizzato da incisioni marginali, spruzzi di saldatura e porosità affioranti. Proprio le porosità sono la criticità principale per questa tipologia di giunti: le analisi al microscopio eseguite sui campioni metallografici hanno evidenziato in molti casi la presenza di vere e proprie cavità, spesso di dimensioni superiori a quelle riscontrate nei giunti in lega 6000. Tuttavia, a differenza dell’altra tipologia di materiale, non sono state riscontrate cricche in zona fusa. Anche in questo caso, al fine di verificare le potenzialità del processo Laser, sono state analizzate le caratteristiche geometriche dei cordoni e, in particolare, la profondità di penetrazione in relazione ai parametri di processo (Tabella 7). Come si può osservare dal grafico di Figura 15, la profondità di penetrazione aumenta al crescere della potenza e, a parità di potenza, è maggiore nel caso di posizione del fuoco corrispondente alla superficie del materiale. Allontanandosi da tale posizione si ha una riduzione della penetrazione. A differenza della lega Al-Mg-Si, le differenze tra valori del fuoco positivo e negativo sono meno marcate. In modo analogo a quanto visto, per la lega Al-Mg-Si, in Tabella 8 è riportato l’andamento della profondità di penetrazione al variare della velocità di avanzamento e della posizione del fuoco. Le Figure 16, 17 e 18 riportano le immagini delle sezioni metallografiche di cordoni realizzati con parametri differenti.
La saldabilità di tali leghe mediante il solo processo laser risulta pertanto estremamente critica a causa di differenti aspetti, quali la presenza di porosità, incisioni marginali e, nel caso della lega 6000, anche micro-cricche in zona fusa. Sulla base delle prove eseguite, sono stati individuati due set di parametri per le due leghe in grado di ridurre le problematiche riscontrate (Tabella 9). Tali parametri sono stati impiegati come valori di partenza per il sistema ibrido.

Messa a punto del processo ibrido laser-GMAW
Sulla base dei parametri individuati per i singoli processi ad arco elettrico e laser nella precedente fase sperimentale, sono state eseguite una serie di prove preliminari per la messa a punto del sistema ibrido. Tuttavia, prima di poter iniziare ad effettuare le prove, è stato necessario definire la configurazione di saldatura da impiegare nonché il posizionamento relativo tra la torcia a filo e la testa laser. La configurazione di saldatura adottata prevede l’impiego della testa laser come sistema trainante, seguita dalla torcia MIG. Come già accennato in precedenza, tale scelta sembrerebbe favorire l’evacuazione dal bagno delle fasi gassose generate durante il processo [18, 19] le quali, alla luce dei risultati ottenuti nella precedente fase sperimentale, rappresentano un aspetto notevolmente critico per il processo laser su leghe di alluminio.
Per quanto riguarda il posizionamento relativo tra la testa laser e la torcia, al fine di garantire la massima penetrazione e, al contempo, il corretto funzionamento del sistema a filo, la configurazione ideale sarebbe stata quella caratterizzata dalla testa laser perpendicolare al piano di lavoro, seguita dalla torcia a filo, inclinata di circa 15 ÷ 20°. Tuttavia, al fine di evitare pericolose riflessioni del fascio laser all’interno della fibra, è importante prevedere un angolo di inclinazione della testa laser, il quale è correlato all’angolo di divergenza del fascio. Sulla base delle caratteristiche della testa BIMO II-VI, è stato definito un angolo minimo di inclinazione pari a 5°.
Si è passati pertanto alla definizione della distanza sul piano di lavoro tra l’arco elettrico e lo spot del fascio laser. A tal scopo, sono state eseguite alcune prove per individuare la distanza massima oltre la quale non si ha interazione tra le due sorgenti. Tale distanza è stata riscontrata essere pari a circa 6 mm. Purtroppo ci si è resi contro che, a causa degli ingombri fisici della testa laser e della torcia, tale parametro è influenzato dall’angolo di inclinazione relativa. Al di sotto di una certa distanza, infatti, il fascio laser intercetta l’ugello del gas di protezione della torcia a filo. Tale problema è stato risolto incrementando l’angolo della testa laser a circa 8÷10°, sino a ottenere un angolo relativo tra le due teste di circa 30° (fig. 20), valore questo peraltro riscontrato in molti altri studi scientifici. La nuova configurazione ha consentito di ridurre la distanza fra i due processi sino a circa 3 mm, valore sufficiente a garantire una totale interazione tra fascio laser ed arco elettrico e, al contempo, mantenere valori di penetrazione del fascio adeguati unitamente ad un corretto funzionamento della torcia in termini di protezione del bagno e generazione di spatters.
La configurazione di saldatura è stata pertanto impiegata per eseguire dei BoP su lamiere di alluminio di spessore pari a 15 mm. In Figura 21 è riportato il confronto delle sezioni metallografiche dei giunti realizzati su lega EN AW 6082-T651 con i tre differenti processi impiegati separatamente, ovvero laser, MIG ed ibrido laser-MIG. In Tabella 10 sono riportati i parametri impiegati. Tutti i cordoni sono stati realizzati con la stessa velocità di avanzamento. Come si può notare dalle immagini, il passaggio al sistema ibrido ha consentito di eliminare le problematiche associate alla formazione di micro-cricche e incisioni marginali tipiche del processo laser sulla lega Al-Mg-Si, aumentando però la profondità di penetrazione. Il cordone ibrido è caratterizzato da un rapporto di forma (larghezza – profondità di penetrazione) più proporzionato. Rispetto al solo processo MIG, il cordone è più largo e meglio raccordato al materiale base, aspetto questo che favorisce sia le funzioni di “gap-bridging” del processo sia il comportamento a fatica. Al fine di verificare l’effetto della distanza “d” tra l’arco elettrico ed il fascio laser, sono stati eseguiti differenti saggi di saldatura. Per valori inferiori a 3 mm, si è assistito ad un parziale intercettamento del fascio da parte della torcia di saldatura, mentre per valori superiori, l’interazione fra i due processi risulta essere minore, come si evince dalla macro grafia del cordone riportata in Figura 22, ove si distingue chiaramente l’effetto del laser e quella dell’arco.
Sulla base di questi parametri è stata avviata una seconda fase sperimentale, finalizzata alla realizzazione di giunti di spessore pari a 15 mm in lega di alluminio mediante tecnica multipass con prima passata eseguita con il sistema laser-ibrido e riempimento a filo. Le prove sono attualmente in corso.

Conclusioni
Il processo di saldatura ibrida laser-filo, considerate le enormi potenzialità cui sono associate in termini di produttività, rappresenta sicuramente una tecnica di forte interesse per l’intero panorama industriale. Tuttavia, data la criticità della messa a punto di tale sistema, la sua completa implementazione in un ciclo produttivo risulta ancora un traguardo molto distante e richiede ulteriori approfondimenti. Il progetto di ricerca condotto da IIS Progress, finalizzato allo studio e sviluppo di una stazione di saldatura ibrida laser-MIG per applicazioni navali su leghe di alluminio, contribuirà fortemente a incrementare il know-how tecnologico necessario per raggiungere tale obiettivo. Gli studi condotti sino a oggi hanno consentito di sviluppare e mettere a punto un impianto automatizzato di saldatura ibrida, basato sull’unione del processo a filo MIG con un sistema laser in fibra ad Itterbio, per la realizzazione di componenti in lega EN AW 6082-T651 ed EN AW 5083-H321. Le prove condotte hanno dimostrato come la tecnologia di saldatura ibrida sia in grado di superare alcune delle principali problematiche associate all’impiego dei singoli processi laser e filo su tali leghe. In particolare, si è assistito a una riduzione della formazione di cricche ed incisioni marginali, nonché a un migliore rapporto di forma del cordone. Al contempo, sono state raggiunte profondità di penetrazione superiori rispetto a quanto ottenuto con il solo processo laser, mantenendo velocità di avanzamento superiori a quelle tipiche del solo processo a filo continuo.

L’Istituto Italiano della Saldatura
La pubblicazione dell’articolo è stata concessa dalla Rivista Italiana della Saldatura, Organo ufficiale dell’Istituto Italiano della Saldatura, che svolge la propria attività istituzionale dal 1948.
Da qualche tempo, attraverso un percorso di partizione, è stato costituito il “Gruppo IIS”, composto da quattro Organizzazioni giuridicamente distinte:
• Istituto Italiano della Saldatura - Ente  Morale, Organizzazione Guida che mantiene la personalità giuridica di Associazione, volta principalmente all’acquisizione, patrimonializzazione e diffusione della conoscenza in ogni campo della saldatura e delle tecniche affini e connesse, nonché alla promozione ed alla protezione del “brand” di Gruppo;
• IIS Cert, Organizzazione con personalità giuridica di Srl, volta essenzialmente allo svolgimento di attività di certificazione;
• IIS Progress, Organizzazione con personalità giuridica di Srl, volta essenzialmente allo svolgimento di attività di formazione e di effettuazione di prove di laboratorio;
• IIS Service, Organizzazione con personalità giuridica di Srl, volta essenzialmente allo svolgimento delle attività collegate ai servizi di consulenza, assistenza e controllo.
La Rivista Italiana della Saldatura esce ininterrottamente dal 1949 a ogni bimestre.
Dal maggio 2012 l’Istituto Italiano della Saldatura ha dato vita anche alla Televisione Italiana della Saldatura, visibile all’indirizzo www.iisweb.tv.
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La Sede Centrale dell’Istituto è a Genova (Lungobisagno Istria, 15, www.iis.it) gli Uffici Regionali sono a Legnano (MI), Mogliano Veneto (TV), Modena, Roma, Taranto e Priolo (SR).
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QUALIFICA AUTORI
Eduardo Adile, Paolo Baccarini e Matteo Pedemonte - IIS PROGRESS s.r.l Genova (Italy)

Bibliografia
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