Sperimentazione comparata di sistemi di adduzione del gas per la saldatura laser della lega di alluminio AA5083

Capitolo 1
Generalita` sulla saldatura laser
La saldatura laser e` realizzata focalizzando un fascio laser in corrispondenza dei
lembi del giunto da saldare. L’energia del fascio laser e` trasferita nel metallo per
assorbimento di Fresnel1 e il calore generato si propaga all’interno per conduzione
termica provocando un innalzamento della sua temperatura. A seguito di cio` si
ha la fusione del materiale e la creazione di un bagno fuso (melt pool) in cui
si realizzano anche moti convettivi. L’ulteriore evoluzione del processo dipende
dalla densita` di potenza incidente.
Se il fascio laser incide sulla lamiera con una densita` di potenza minore di
106 W
cm2 , non si hanno ulteriori fenomeni e dopo il passaggio del fascio laser, il ma-
teriale si raffredda solidificandosi e lasciando un cordone di saldatura. In questa
maniera si ottiene una saldatura per conduzione detta cos´ı perche´ ha luogo
solo un transizione di fase solido-liquido e l’energia si propaga essenzialmente per
conduzione. Nonostante la presenza della zona fusa comporti la formazione di
moti convettivi, questo meccanismo di propagazione di calore e` trascurabile ri-
spetto alla conduzione per la piccola quantita` di materiale fuso. La caratteristica
di questo tipo di saldatura e` quella di avere una sezione metallografica con un
piccolo rapporto penetrazione/larghezza di saldatura (generalmente minore di 1).
Per questo motivo, le saldatura laser per conduzione sono competitive rispetto
alle tecniche tradizionali per spessori inferiori a 2mm.
Per densita` di potenza superiori a 106 W
cm2 si ottiene la cosidetta saldatura
per penetrazione. La peculiarita` della saldatura per penetrazione e` la vapo-
rizzazione del metallo e la formazione di un capillare largo circa le dimensioni
trasversali del fascio chiamato keyhole e circondato da metallo fuso. In questo
tipo di saldatura, l’impiego di energie superiori permette di ottenere profonde
penetrazioni e la realizzazione di giunti la cui sezione metallografica presenta un
1L’assorbimento di Fresnel e` il risultato dell’interazione diretta del fascio con il materiale.
Si tratta dell’assorbimento della radiazione da parte del metallo nello stato solido (interazione
dei fotoni con i fononi del reticolo cristallino). In generale, si parla di assorbimento di Fresnel
anche durante l’interazione del fascio laser con metallo liquido, per distinguerlo da quello che
avviene in un plasma (assorbimento per Bremsstrahlung inverso).
1.1 La saldatura per penetrazione 6
maggiore rapporto penetrazione/larghezza di saldatura (generalmente maggiore
di 1). Poiche´ la quantita` di metallo fuso e` maggiore, il trasferimento di energia
per convezione si realizza lungo lo spessore del materiale, diventando confronta-
bile con quello per conduzione. Ulteriori vantaggi rispetto ad altri procedimenti
di saldatura sono: una minore distorsione termica della struttura del materiale
in prossimita` del giunto (zona termicamente alterata), migliore esteticita` dei co-
doni, migliore resistenza del giunto saldato a prove di trazione, alte velocita` di
processo, realizzabilita` a pressione atmosferica a differenza delle saldatura a fa-
scio elettronico, saldature autogene2, saldature efficienti di materiali difficilmente
realizzabili con procedure tradizionali[1].
Figura 1.1: La saldatura per penetrazione
1.1 La saldatura per penetrazione
Quando un fascio laser incide sulla superficie del metallo, una grande porzione
dell’energia e` riflessa. L’energia riflessa puo` essere superiore al 95% di quella
incidente, dipendentemente dalla lunghezza d’onda (vedi fig. 1.2(a)). Infatti il
coefficiente di riflessione per incidenza perpendicolare su di una superficie metal-
lica posta in aria puo` essere ricavata dall’indice di rifrazione n e dal coefficiente
2Una saldatura autogena e` realizzata mediante la semplice fusione delle due parti metal-
liche senza aggiunta di materiale d’apporto. Quindi non costituisce un problema l’eventuale
mancanza di fili d’apporto idonei in casi di leghe speciali o di nuova invenzione.
1.1 La saldatura per penetrazione 7
Figura 1.2: (a) riflettivita` in funzione della lunghezza d’onda, (b) riflettivita` in
funzione della temperatura.
Materiale k n R
Al 8,50 1,75 0,91
Cu 6,93 0,15 0,99
Fe 4,44 3,81 0,64
Mo 3,55 3,83 0,57
Ni 5,26 2,62 0,74
Pb 5,40 1,41 0,84
Sn 1,60 4,70 0,46
Ti 4,0 3,8 0,63
W 3,52 3,04 0,58
Zn 3,48 2,88 0,58
Vetro 0 1,5 0,04
Tabella 1.1: Indice di rifrazione complesso e coefficiente di riflessione di alcuni
metalli alla lunghezza d’onda di 1.06 µm [1]. Per confronto. si riporta anche
l’indice di rifrazione del vetro.
1.1 La saldatura per penetrazione 8
di estinzione k del metallo3:
R = (1− n)
2 + k2
(1 + n)2 + k2 . (1.1)
Per un materiale opaco come un metallo, l’assorbimento A e`:
A = 1−R = 4n
(1 + n)2 + k2 . (1.2)
Dai valori riportati in tabella 1.1 si ricava che l’assorbitivita` per i metalli nella
regione dell’infrarosso e` A ≤ 0, 1 per cui solo una piccola parte dell’energia e`
assorbita. La restante energia riflessa e` persa nell’ambiente circostante.
La percentuale dell’energia del fascio laser assorbita dal materiale procura l’in-
nalzamento della temperatura e a sua volta l’aumento dell’ assorbitivita` del ma-
teriale che dipende dalla temperatura (vedi fig. 1.2 (b)) oltre che dalla lunghezza
d’onda della radiazione incidente4.
L’ulteriore innalzamento della temperatura procura la fusione del metallo, con
conseguente aumento dell’assorbimento dell’energia. La conclusione del tran-
siente avviene con la vaporizzazione del metallo fuso e la creazione della key-
hole riempita di vapori metallici, atomi ionizzati ed elettroni liberi (plasma di
saldatura).
Affinche´ la keyhole rimanga aperta, si deve realizzare un equilibrio nel bilancio
di energia e pressioni sulle sue pareti. Riguardo le pressioni, si realizza un equili-
brio da una parte tra la pressione dei vapori (pvapori) e la pressione di ablazione5
(pabl) indotta dalla vaporizzazione delle pareti della keyhole, e dall’altra parte
la tensione superficiale (che genera la pγ), la pressione idrostatica (pidr) e quella
idrodinamica (pfl) dovuta al flusso del metallo fuso. Quindi sulla superficie di
separazione liquido-vapore si ha:
pvapori + pabl = pγ + pidr + pfl. (1.3)
Questo bilancio di pressioni evita che la cavita` collassi [2; 3].
Quindi nel caso della saldatura con la formazione della keyhole si ottiene una
doppia transizione di fase del materiale sottoposto all’interazione con il fascio
laser e, differentemente dal caso di saldatura per conduzione, si ha la formazione
di un plasma termico le cui proprieta` ottiche giocano un ruolo importante nella
dinamica del processo (vedi parag.1.3). In questi processi e` importante l’uso di
gas detti di assistenza che vengono flussati sul plasma per controllarne le proprieta`
e le dimensioni. Data la loro importanza, se ne parlera` diffusamente nel cap.3.
3n e` la parte reale e k e` la parte immaginaria dell’indice di rifrazione complesso m = n− ik
che dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione incidente.
4Possono intervenire altri fattori ad incrementare la velocita` di assorbimento come l’angolo
d’incidenza della radiazione, le asperita` della superficie, la presenza di ossidi (vedi [1]).
5La pressione di ablazione si origina a causa della vaporizzazione del metallo sulla superficie
libera della keyhole. Poiche` le particelle vaporizzate subiscono un improvviso cambio della
quantita` di moto, allora si verifica una forza di rinculo per la conservazione della quantita` di
moto.
1.1 La saldatura per penetrazione 9
Figura 1.3: Geometria del fronte della keyhole. Il fascio laser, con intensita`
I0, incide sul fronte della keyhole in A. β e` l’angolo di incidenza, la velocita` di
saldatura vw forma un angolo γ con il fascio laser. La velocita` vd con cui il
materiale e` spinto dalla pressione di ablazione e` diretta all’interno del metallo.
1.1.1 Dinamica della keyhole
Lo studio della dinamica della keyhole si e` molto evoluto negli ultimi tempi e
attualmente esistono molti modelli che tengono conto dei vari aspetti del processo.
Gli studi iniziali sulla dinamica della keyhole [4; 5; 6], la consideravano come
un cilindro di volume stazionario che si spostava nel metallo alla velocita` di
traslazione del pezzo (velocita` di saldatura) in direzione opposta alla traslazione
dello stesso, e che si manteneva aperta per l’equilibrio tra la tensione superficiale
e pressione dei vapori. In questi modelli, l’illuminazione delle pareti della keyhole
era considerata omogenea e non si accennava ad alcuna differenza tra la parte di
radiazione che incideva sul fronte anteriore e quella che andava ad illuminare il
fronte posteriore.
I nuovi approcci [7; 3] considerano alcune evidenze sperimentali sulla natura
della keyhole (l’inclinazione della keyhole, lo spostamento del suo asse rispetto
quello del fascio, le alte velocita` del flusso del fuso, le oscillazioni della profon-
dita` di penetrazione, ecc.) non prese in considerazione nei modelli precedenti ma
importanti per comprenderne la dinamica. Questi approcci considerano la for-
mazione della keyhole simile ai processi di “perforazione” (drilling process, vedi
fig.1.3). A seguito dell’interazione del fascio laser sulla parte frontale della key-
hole e a causa dell’alta pressione di ablazione, si ha espulsione del materiale fuso
verso le parti laterali e il fondo. La forma della keyhole risultante, dipende dalla
combinazione dello spostamento verso il basso del materiale con velocita` vd per-
pendicolare alla superficie e del moto longitudinale corrispondente alla velocita`
di saldatura vS. Il fronte della keyhole e` di conseguenza inclinato e l’inclinazione
cresce con l’aumentare della velocita` di saldatura.
Il modello di Fabbro e Chouf [3] permette di comprendere il fenomeno della
riflessione multipla nella keyhole e il concetto di profonda penetrazione. Si consi-
1.1 La saldatura per penetrazione 10
Figura 1.4: Evoluzione schematica della geometria della keyhole in funzione della
della velocita` di saldatura, con altri parametri laser incidenti costanti.
deri una densita` di potenza laser nell’intervallo 1− 5MW
cm2 . Come si puo` osservare
nella fig.1.4, se la velocita` di saldatura e` sufficientemente alta, l’inclinazione del
fronte della keyhole e` tale che la prima riflessione avviene verso l’alto (caso a,
retroriflessione). Di conseguenza il fascio riflesso e` perso e non c’e` piu` interazione
con il materiale. Questo caso si puo` assimilare alla situazione della saldatura per
conduzione in cui non si ha un adeguato assorbimento dell’energia e la penetra-
zione e` molto ridotta. Con il diminuire della velocita` di saldatura (nelle stesse
condizioni di saldatura), si ha che l’inclinazione della keyhole diminuisce e la pri-
ma riflessione e` diretta verso la zona fusa (caso b). Diminuendo ulteriormente
la velocita`, si ha che il fronte anteriore della keyhole diventa quasi verticale e
la prima riflessione del fascio cade completamente al suo interno (caso c). Nel-
l’ultimo caso la radiazione deve successivamente subire altre numerose riflessioni
prima che possa uscire. Questa e` la situazione della saldatura per penetrazione in
cui l’assorbimento della radiazione che cade all’interno della keyhole e` pressocche´
totale. In questa maniera si ottiene penetrazione profonda.
La riflessione multipla viene schematizzata nel modo seguente: durante l’in-
terazione iniziale del fascio incidente sul fronte anteriore della keyhole, l’assorbi-
mento dell’energia e` molto piccolo a causa dell’angolo locale di incidenza piuttosto
grande (β in fig.1.3), per cui il fascio laser incidente e` riflesso. Qualora il fascio
riflesso cada nella keyhole, su questo si puo` ripetere lo stesso discorso precedente.
La superficie del materiale, su cui incide il fascio riflesso, e` spinta verso il bas-
so con una velocita` minore poiche´ e` minore l’intensita` assorbita del fascio laser
riflesso (l’ablazione e` minore). Percio`, il secondo angolo di inclinazione e` mag-
giore di quello relativo alla prima interazione. Questo processo si ripete finche´
l’intensita` del fascio assorbita localmente (che dipende dal numero di riflessio-
ni, l’assorbimento del plasma e l’angolo locale di incidenza sulla superficie – a
sua volta dipendente dal numero di riflessioni –), e` sufficiente per generare una
pressione di ablazione. Quando l’intensita` locale e` minore della soglia per ave-
re l’ablazione, il processo si ferma e l’intensita` restante si ridistribuisce lungo le
pareti della keyhole durante la riflessione all’indietro (retro-riflessione).
1.1 La saldatura per penetrazione 11
1.1.2 Il modello di Fabbro e Chouf
Innanzitutto si consideri la prima riflessione del fascio laser sul fronte anteriore
della keyhole (caso di singola riflessione). Il fascio incidente (con intensita` I0)
raggiunge il fronte nel punto A (vedi fig.1.3) con una angolo di incidenza β.
Nel sistema laboratorio (X,Z) in cui il fascio si propaga lungo la direzione Z, il
punto A e` soggetto alla velocita` di traslazione di saldatura vW (per generalita` si
considera un angolo γ) ed alla velocita` vd (causata dalla pressione di ablazione
nell’intervallo di tempo in cui e` assorbita l’energia incidente). La velocita` vd
e` perpendicolare al fronte delle keyhole e, per semplicita`, e` posta linearmente
proporzionale all’intensita` del fascio laser assorbita:
vd = kIabs (1.4)
= kI0 cos β A(β) (1.5)
= kI0 cos β {A0(cos β)q)} (1.6)
= vd0 (cos β)q+1 (1.7)
dove k e` una costante, A0 e q e` una quantita` caratteristica del materiale ed infine
vd0 = kI0A0 e` la velocita` con cui il fronte anteriore si sposta se β = 0 (caso in
cui il fascio laser incide con angolo nullo). vd0 non dipende dalle condizioni del
punto A, ma dalle caratteristiche del fascio e del materiale.
Da calcoli trigonometrici, si ricava che [3]:
cosα
(sinα)q+1
= vd
vd0
(1.8)
dove α = pi2 − β, per cui se il coefficiente di assorbimento A(β) e` indipendente
dall’angolo di incidenza (β = 0), si ottiene
tanα = vw
vd0
(1.9)
Ora, se il fascio incidente ha diametro D, il materiale in quella dimensione
trasversale (vedi fig.1.5) subira` uno spostamento con una penetrazione massima
data dalla relazione
P = D
tanα
= D
vw
vd0. (1.10)
Quest’ultima relazione esprime il fatto che durante la interazione del fascio laser
con il materiale, questo ultimo e` spinto verso il basso con una velocita` vd0 durante
il tempo di traslazione D
vw .
Il risultato ottenuto nel caso della prima riflessione puo` essere applicato alle
successive riflessioni. Dopo ogni riflessione, il fascio sara` deviato e la sua intensita`
diminuisce. Reiterando il processo, si ottiene una geometria finale stazionaria
della keyhole e si puo` ottenere la profondita` di penetrazione totale P data dalla
somma delle penetrazioni P (n) relativa allo strato della n-esima riflessione.