A seguito del lancio del progetto Horizon Europe Lasers4MaaS, il Laser Beam Welding team dell’Università di Warwick (WMG) ha lavorato a stretto contatto insieme all’UK Atomic Energy Authority (UKAEA) e a CIVAN Lasers per sviluppare processi avanzati di saldatura laser per gli acciai inossidabili delle centrali a fusione.
Nell’attuale progetto sviluppato all’interno di Horizon Europe Lasers4MaaS , il Laser Beam Welding team dell’Università di Warwick (WMG) in collaborazione con l’UK Atomic Energy Authority (UKAEA) si concentra su una sfida produttiva fondamentale per le future centrali a fusione: la giunzione affidabile ed efficiente di tubi strutturali di servizio a sezione spessa.
L’ambizione è chiara: sfruttare fasci laser ad alta potenza e forma dinamica per la saldatura autogena a passaggio singolo di tubi di servizio di grosso spessore, migliorando la stabilità del foro chiave e la qualità della saldatura, mantenendo la potenza del laser al livello più basso.
Il raggiungimento di questo obiettivo rappresenterebbe un importante passo avanti, non solo per l’energia da fusione, ma anche per l’industria pesante in generale. Guardando alle centrali del futuro, l’obiettivo è quello di sviluppare un dimostratore rappresentativo per la saldatura laser interna ( la cosiddetta “in-bore laser welding”) in ambiente confinato. L’obiettivo primario è dimostrare che uno strumento di saldatura integrato, che incorpora un’efficace protezione con gas, la gestione dei fumi e il raffreddamento attivo, è in grado di completare in modo affidabile il processo di saldatura per tutta la durata operativa richiesta.
Il successo dipende dal mantenimento di una qualità di saldatura costante e dalla ripetibilità, senza causare danni critici allo strumento stesso. In questo contesto, è essenziale mantenere bassa la potenza del laser, a causa dei limiti intrinseci del raffreddamento in ambienti così ristretti.
La saldatura laser si evolve
La saldatura laser è già saldamente affermata come tecnologia industriale fondamentale, apprezzata per la sua precisione, le elevate velocità di lavorazione e la capacità di fornire giunti di alta qualità in modo costante. È indispensabile in settori quali la mobilità elettrica automobilistica, i dispositivi medici, ma anche la microelettronica. Tuttavia, quando i requisiti si spostano verso la saldatura profonda a passaggio singolo di metalli strutturali, i limiti della saldatura laser convenzionale diventano sempre più evidenti. Nell’ambito del programma attuale, sono già state realizzate saldature a passaggio singolo di 5 mm di spessore in SS316L utilizzando un fascio statico proveniente da una sorgente laser multimodale. Andare più in profondità comporta una nuova serie di sfide derivanti dai limiti di qualità del fascio dei laser a fibra multimodali ad alta potenza convenzionali, dall’aumento dell’instabilità del foro chiave a grandi profondità di penetrazione e dall’attenuazione del fascio causata dal pennacchio di vapore.
Il successo è quindi determinato dal sistema integrato, che combina il generatore laser stesso, un efficace gas di protezione superiore e inferiore per prevenire l’ossidazione, una gestione robusta del pennacchio (plume) e un fissaggio adeguato.
I recenti progressi nella tecnologia laser stanno iniziando ad affrontare queste sfide attraverso la combinazione coerente dei fasci (CBC) e l’array ottico a fase (OPA). Anziché affidarsi a un’unica sorgente multimodale ad alta potenza, i sistemi CBC combinano in modo coerente più fasci monomodali, ciascuno con una qualità intrinseca elevata. Fondamentalmente, quando combinati, questi fasci mantengono le loro caratteristiche monomodali, producendo un’emissione laser con bassa divergenza e una grande profondità di fuoco. Il diametro finale del fascio è definito dall’ottica di focalizzazione selezionata, preservando il rapporto favorevole tra lunghezza focale, dimensione del punto e profondità di fuoco.
Un set-up sperimentale
Lasers4MaaS ha adottato questo progresso tecnologico e ha sviluppato sistematicamente un setup sperimentale dedicato, come illustrato nella Figura 1. In questo lavoro sperimentale, è stata eseguita la saldatura laser bead-on-plate su piastre SS316L da 50 mm x 150 mm, con saldature eseguite su una lunghezza di 120 mm e a una velocità di saldatura standard del settore di 15 mm/s.
La configurazione di saldatura laser utilizzata per gli esperimenti includeva un laser CIVAN OPA6 da 14 kW, con una lente di pre-focalizzazione di 1,5 m. Il sistema è stato abbinato a una testa di scansione galvanometrica SmartMOVE SH30G-ME-LD per posizionare con precisione il raggio. Il piano focale è stato impostato a 1070 mm dalla piastra inferiore della testa ottica CIVAN. Con il CBC-OPA di CIVAN, la forma del raggio viene generata sovrapponendo più modelli di diffrazione.
Seguendo un approccio incrementale, abbiamo iniziato a utilizzare la forma più fondamentale, corrispondente a un singolo modello di diffrazione e mostrata nella Figura 1: essa comprende un punto gaussiano centrale (circa 136 μm di diametro con una lente di pre-focalizzazione di 1,5) e 4 lobi principali, generati da un singolo clic posto al centro della matrice di generazione della forma. La profondità di fuoco con questa configurazione era di ben ±10 mm. Tutti i test sono stati eseguiti utilizzando gas di protezione argon puro, erogato alla zona di saldatura a una pressione manometrica di 2 bar e con un controllo del flusso di 30 (superficie superiore)/10 (superficie inferiore) l/min. Il gas è stato erogato attraverso un ugello appositamente progettato integrato con la lama d’aria, posizionato a 70 mm dalla zona di processo. Durante la saldatura, il raggio laser è rimasto fisso, insieme alla lama d’aria e all’ugello del gas, mentre il campione è stato spostato da uno stadio lineare di precisione per garantire condizioni di saldatura costanti.
I risultati ottenuti finora sono molto incoraggianti. Le prove di saldatura dimostrano una relazione quasi lineare tra la potenza laser applicata e la profondità di saldatura ottenuta su spessori di piastra di 3, 5, 10 e 16 mm (Figura 2). Il confronto di questi risultati con la letteratura pubblicata evidenzia ulteriormente il potenziale della capacità di saldatura sviluppata.
Sostenibile e prestazionale
Come riassunto nella Figura 3, il presente lavoro dimostra prestazioni particolarmente elevate in termini di energia richiesta per unità di penetrazione della profondità di saldatura. Nel complesso, il nostro sistema offre prestazioni eccezionali rispetto agli studi su spessori di materiale e condizioni di lavorazione simili. Questo vantaggio è direttamente collegato all’architettura del sistema, che supera i sistemi laser multimodali ad alta potenza convenzionali sia in termini di capacità di penetrazione che di efficienza energetica. Dal punto di vista della sostenibilità, i risultati sono particolarmente promettenti, con un’ulteriore ottimizzazione in corso e la sperimentazione di forme di fascio dinamiche più avanzate.
Rompendo il compromesso di lunga data tra alta potenza e qualità del fascio, il progetto sta dimostrando la saldatura profonda, stabile ed efficiente dal punto di vista energetico di materiali esigenti come l’acciaio inossidabile 316L. Per le centrali a fusione, questa capacità supporta la produzione di strutture robuste e ad alta integrità, essenziali per i sistemi energetici del futuro. Al di là delle centrali a fusione, la stessa tecnologia ha un potenziale di trasformazione per settori quali la cantieristica navale e l’industria pesante in generale, dove la giunzione di sezioni spesse, la produttività e l’efficienza sono sempre più critiche per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità.
di prof. Pasquale Franciosa, WMG – University of Warwick
***BOX FINALE***
Questo progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione HORIZON EUROPE dell’Unione Europea nell’ambito della convenzione di sovvenzione n. 101178719. Il contenuto della presente pubblicazione è di esclusiva responsabilità dei partner del Consorzio qui elencati e non rappresenta necessariamente il punto di vista della Commissione Europea o dei suoi servizi.
