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1 DG Industria, Artigianato, Edilizia e Cooperazione SCHEDE TECNICHE INTERVENTI CONCLUSI ATI CASTELLINI OFFICINE MECCANICHE - CASTELLINI OFFICINE MECCANICHE Spa Cazzago S.M. (BS) - TUBE TECH MACHINERY Srl Cazzago San Martino (BS) - RO.TECH Srl Cazzago San Martino (BS) ID4373/2007 PROGETTO R&S Laserlamieresottili. AREA MD NUOVI MATERIALI DURATA MESI 30 QUADRO ECONOMICO PREVISIONE INIZIALE ,00 COSTO FINALE ,00 INTERVENTO FINANZIARIO EROGATO ,00 DESCRIZIONE Il progetto LASERLAMIERESOTTILI ha avuto lo scopo di progettare e realizzare un impianto prototipo su scala industriale per studiare la possibilità di saldare lamiere di spessore fino a 8mm e di dimensioni fino a 12 metri di lunghezza. Questo infatti è il range di misure più utilizzato dall industria dei trasporti, in cui la saldatura di lamiere di spessori relativamente bassi e di dimensioni anche elevate è spesso uno dei punti critici della produzione in quanto finora difficilmente automatizzabile. Un elevato livello di automazione ed una alta velocità di processo sono raggiungibili attraverso l utilizzo di sorgenti laser a stato solido che realizzano saldature di testa senza materiale d apporto. Il progetto LASERLAMIERESOTTILI è partito da studi sulle caratteristiche meccaniche delle lamiere saldate di testa con la sorgente a stato solido.

2 Un primo studio teorico è stato svolto dal CSMT di Brescia, per valutare l effetto dello stress termico introdotto dal LASER su acciai al carbonio non legati, acciai austenitici, acciai alto resistenziali e leghe di alluminio: Figura 1 Simulazioni dell apporto termico sul giunto di lamiere saldate di testa. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati pienamente confermati poi dai test condotti sui campioni in laboratorio, in collaborazione con IPG Photonics, fornitore poi della sorgente laser installata sul prototipo. Il ricorso a consulenze esterne di laboratori qualificati per la valutazione delle proprietà meccaniche delle saldature effettuate ha dato risultati più che positivi. Inizialmente i test condotti sono stati eseguiti in riferimento alle norme tecniche vigenti su lamiere saldate senza materiale di apporto di spessore 2,4 e 6 mm. Figura 2 - uno dei campioni realizzati in laboratorio ed utilizzati per le prove di trazione e piega. Si sono effettuati test alla trazione ed alla piega, come specificato dalla norma UNI EN ISO , nonché esami macrografici e micrografici del cordone di saldatura. Infine sono state effettuate una serie di prove di durezza nelle zone attorno al cordone stesso.

3 Le maggiori criticità erano previste su lamiere sottili, di spessori 1 e 2 mm, a causa della difficoltà del controllo della profondità di penetrazione. I risultati sono stati soddisfacenti anche per i test di spessori pari a 2 mm. In tutti i casi, sui test di resistenza alla trazione, si è verificata la rottura dei campioni nelle zone del materiale base e non nella zona di saldatura. Figura 3 - il provino per la prova di trazione: si noti come la rottura è avvenuta prima sul materiale base rispetto al cordone di saldatura. La saldatura a laser di potenza è un processo estremamente veloce, in rapporto alle possibilità di controllo. Questa situazione non ha consentito finora lo studio e lo sviluppo di sistemi di controllo in tempo reale e quindi prima del presente progetto non esisteva al mondo alcun impianto che consentisse di governare il processo in tempo reale. La ricerca effettuata nel progetto LASERLAMIERESOTTILI ha cercato di individuare quali parametri, fra tutti quelli possibili, siano correlati alla qualità della saldatura, in rapporto alle caratteristiche chimicofisiche macro e micro cristalline dei materiali da saldare, e come questi parametri influenzino la qualità del processo (ripetibilità) guidandolo in tempo reale, quindi anticipando le devianze (ad attività predittiva) e governando i parametri di saldatura durante il processo. In particolare si è indagato sulla possibilità di correlare alcuni dati di processo, scegliendoli tra quelli maggiormente adatti da un lato a fornire indicazioni sullo stato del processo, e dall altro ad essere facilmente campionati ed analizzati alle velocità necessarie. Il risultato di questa attività in particolare è stato lo sviluppo di un sistema software di correlazione basato su algoritmi matematico-sperimentali su cui si intende continuare nelle attività di ricerca per validarne la piena applicazione industriale. La realizzazione del prototipo è partita dalla scelta di una delle tecniche più moderne utilizzate ad oggi per le applicazioni industriali nella saldatura laser dei metalli: tale indagine iniziale ha consentito di optare per una

4 sorgente a stato solido, con fibra di processo a Itterbio da 100 um per le operazioni di taglio e 200 um per la saldatura. La taglia di potenza è stata fissata a W, in modo da consentire di effettuare poi sul prototipo anche test a velocità e potenze elevate. Questa architettura consente di ottenere il massimo della qualità sulle operazioni di taglio di spessori fino a 8 mm per l acciaio al carbonio e fino a 5 mm per l acciaio inossidabile. Ulteriori prove sono comunque previste per spessori superiori, in modo da verificare il limite tecnologico dell applicazione. Dal punto di vista del controllo dell impianto si è indagato in questa fase su come si possa costruire un impianto di controllo flessibile ed affidabile su una macchina di grosse dimensioni. I risultati di questa attività di ricerca hanno consentito di realizzare una architettura completamente decentralizzata per il controllo dell intero impianto, organizzata a più livelli che comunicano tra loro mediante fibre ottiche plastiche. I vantaggi di questi studi sono stati il basso costo dei mezzi fisici di trasporto della comunicazione, la modularità e la flessibilità della rete realizzata per il comando della macchina. Altro vantaggio non indifferente introdotto dall architettura in fibra è l immunità ai disturbi, che sarebbero invece stati un fattore non trascurabile sull impianto delle dimensioni e delle potenze in questione. Accanto a questo, l architettura progettata ben si presta all inserimento di elementi innovativi rispetto ai classici nodi che compongono une rete di controllo per la movimentazione per impianti complessi. Si è pensato infatti di utilizzare moderni dispositivi programmabili (basati su architetture FPGA) e di inserire su questi direttamente il protocollo di comunicazione utilizzato a basso livello dal CNC. In questo modo, qualsiasi dispositivo real-time collegato alla rete di controllo, può scambiare dati alla maggiore velocità possibile direttamente con il CNC. Questo si è rivelato un metodo molto efficace per: Sollevare le risorse del CNC centrale da una enorme quantità di calcoli. L analisi delle immagini, ad esempio, richiede grosse capacità di elaborazione, che richiede spesso funzioni particolari che non sono normalmente implementate nei moderni CNC. Utilizzare i risultati dell analisi real-time per il controllo del processo. I risultati che si ottengono dall analisi dei sensori (ad esempio quelli di visione) possono essere resi disponibili al CNC centralein tempo reale. Questa velocità di scambio delle informazioni è la base per chiudere l anello di controllo agendo sui motori che generano il moto o sul controllo dei parametri di emissione del laser. Il progetto di una architettura di controllo flessibile ed aperta è stato la base da cui partire per la ricerca di soluzioni idonee ad effettuare un controllo della qualità della saldatura direttamente a bordo dell impianto. Inizialmente si sono effettuate ricerche sullo stato dell arte sia per quanto riguarda i sistemi in-process, quindi che operano direttamente durante la fase di saldatura, che off-process, cioè che operano sul prodotto finito dopo l operazione di saldatura.

5 Per l analisi in-process sono state analizzate le moderne tecniche di visione artificiale, basate sull acquisizione veloce delle immagini del processo di fusione del materiale. Inizialmente si è prevista l installazione di una camera digitale con interfaccia IEEE1394 (firewire). Altre prove sono state poi effettuate con camere VGA e GigabitEthernet. La testa di taglio è stata provvista di un sistema ottico co-assiale che consente di osservare la zona di saldatura (il keyhole) come se la si guardasse dall alto, consentendo allo stesso tempo ovviamente al laser di potenza di passare. Questo sistema risulta essere molto valido per fare poi analisi di forma e di dimensioni della zona fusa, in quanto non introduce deformazioni dovute ad errori di parallasse. Figura 4 Ottica coassiale installata sulla testa di saldatura Quello che si è osservato è che il corretto procedere del processo di saldatura è evidenziabile dall analisimdelle immagini. Di seguito si riportano alcuni esempi dell immagine acquisita dalla camera (figura 7) e delle successive elaborazioni. Figura 5 Esempio di immagine così come rilevata dalla camera durante la saldatura di una lamiera in acciaio inossidabile spessore 3mm. A sinistra l immagine così come acquisita dalla camera, a destra l immagine del keyhole durante il processo di saldatura visto mediante illuminazione esterna con laser pulsato.

6 L applicazione di filtri digitali e la successiva analisi con tecniche di visione artificiale, consente di ottenere l andamento del campo di emissione nella zona di saldatura: Figura 6 Prima analisi dell immagine proveniente dalla camera durante la saldatura. Il sistema si è rivelato un valido strumento per l analisi in linea del processo. Le tecniche di diagnostica e di intervento real-time sui parametri di processo sono ancora oggetto di valutazione e ricerca. Per l analisi off-process si è invece indagato sulla applicabilità di una tecnica più consolidata, quale quella dell analisi ecografica ad ultrasuoni. L indagine ha riguardato l integrabilità di un sistema di controllo con sonde ad ultrasuoni direttamente sull impianto, analizzando le possibili soluzioni per quanto riguarda

7 l adduzione ed il recupero del fluido di accoppiamento per le sonde e, soprattutto, l architettura hardware e software per l acquisizione ed analisi dei tracciati ecografici. Questa fase ha visto il progetto simultaneo della parte meccanica e della parte di controllo. L impianto prototipo è stato realizzato con lo scopo di unire longitudinalmente lamiere in acciaio al carbonio ed acciaio inossidabile con spessore variabile tra 1 e 10 mm. La tecnica di saldatura utilizzata è saldatura di testa senza materiale di apporto con sorgente LASER a stato solido. L impianto ha un ingombro complessivo di circa x mm e raggiunge un altezza massima di circa mm. La massa complessiva è di circa 150 tonnellate. Figura 7 - Rappresentazione d'assieme dell'impianto prototipo. La lunghezza complessiva supera i 45 metri. Complessivamente sono state impiegate circa ore di progettazione di personale interno, con la consulenza esterna di studi di progettazione ed il contributo del dipartimento di ingegneria meccanica dell Università di Brescia. Sono stati eseguiti studi agli elementi finiti (FEM) per il calcolo dei carichi, delle flessioni e per garantire la totale assenza di fenomeni di vibrazione e risonanza, che sarebbero risultati estremamente dannosi ai fini della qualità del taglio prima e della saldatura di conseguenza. L impianto è stato pensato per operare stand-alone oppure anche inserito in una linea di produzione continua. Lo studio su architetture di controllo configurabili e flessibili ha consentito di minimizzare l impatto dei quadri elettrici destinati ai componenti del controllo numerico e della strumentazione. L impianto è infatti gestito interamente da una unica postazione-operatore, che interagisce con la macchina mediante una superficie HMI (humanmachine interface) progettata ad-hoc su panel PC touch screen. Lo studio sulla usabilità dell impianto ha poi consentito di introdurre una seconda postazione di controllo dedicata esclusivamente alle operazioni di carico delle lamiere da saldare.

8 L impianto è previsto per operare in assoluta autonomia, escludendo ogni presenza di operatori in zone pericolose. Studi successivi sono previsti per migliorare la funzionalità e valutare la possibilità di funzionamento non presidiato dall uomo. Le attività di costruzione del prototipo sono iniziate all inizio del 2009 ed hanno richiesto complessivamente circa ore/uomo. Figura 8 - La trave del portale principale con in evidenza il gruppo teste di taglio e saldatura. Conclusa la costruzione meccanica sono iniziate le sperimentazioni. Una prima fase ha riguardato il test complessivo dei sistemi hardware di controllo dei movimenti, il setup e la taratura dei sensori di processo. In seguito si è passati ad una misura della precisione del posizionamento, la quale è risultata essere inferiore agli 0.02 mm su tutti gli assi controllati ed in ogni condizione di velocità ed accelerazione. Di seguito si è passati alla messa in funzione del LASER a stato solido. Figura 9 Particolare di una sequenza di taglio di rifilo prima della saldatura. Si nota la testa di taglio e, nella parte inferiore, il carro di aspirazione.

9 Le misure calorimetriche sulla testa hanno fornito un valore di potenza effettivamente erogata di circa W per ciascuna testa, confermando la corretta messa in funzione del laser e della fibra di processo da 100 e 200 um. I test di taglio e saldatura sono potuti quindi iniziare a metà di dicembre Le immagini seguenti mostrano due campioni di saldature effettuate sul materiale X5Cr13. Figura 10 - Campione di acciaio inossidabile saldato alla velocità di 2000 mm/min. Potenza utilizzata 1.5 KW. Gas di shield:azoto. Su questo materiale, si sono ottenuti ottimi risultati con l impiego di basse potenze (mediamente 1.5 KW). Questo valore potrebbe consentire di ottenere saldatura di qualità sull acciaio inossidabile con la tecnica utilizzata anche con sorgenti di potenza inferiore a quella installata. Di seguito è mostrato un campione dello stesso materiale saldato a velocità tripla rispetto a quella sopra, a parità di potenza. Questo valore si è dimostrato essere il limite di velocità accettabile, in quanto si sono rilevate interruzioni nel cordone di saldatura. Figura 11 - Campione di acciaio inossidabile saldato alla velocità limite di mm/min. A questa velocità con 1.5 kw di potenza iniziano a rilevarsi interruzioni nel cordone di saldatura.

10 Figura 12 - Campione di saldatura tra materiale diverso e spessore diverso. Il campione utilizza acciaio INOX (AISI) di spessore 6mm ed un comune acciaio al carbonio da 3mm. I test in campo si sono conclusi con la ripetizione dei test di piega e trazione che si sono effettuati durante la attività di ricerca.si è ottenuta una buona ripetibilità anche in condizioni operative. I primi test effettuati hanno infatti sostanzialmente confermato i valori del carico di rottura, durezza e resistenza alla piega che si erano ottenuti in fase sperimentale, sui campioni saldati in laboratorio. Oltre alle norme relative ai requisiti di qualità meccanica dei materiali, sono state effettuate analisi relative anche alla sicurezza dell impianto in condizioni operative, alle procedure di set-up delle ottiche ed altri aspetti. Di seguito l elenco delle norme applicate: - UNI EN ISO :2005 Macchine Laser requisiti generali di sicurezza - UNI EN ISO :2003 Prove di qualificazione della procedura di saldatura saldatura a fascio elettronico e a fascio laser. - UNI EN ISO 14731:2007 Coordinamento delle attività di saldatura Compiti e responsabilità - UNI EN ISO :1997 Giunti saldati a fascio elettronico e laser Guida dei livelli di qualità delle imperfezioni. - UNI 10300:1994 Determinazione del piano focale di un fascio laser focalizzato Metodo del piano inclinato. - UNI EN ISO :2006 Specificazione della procedura di saldatura Parte 4: Saldatura a fascio laser. - UNI 10476:1995 Procedimento di controllo della altezza del fuoco di un fascio laser di elevata potenza media impiegato in un impianto di lavorazione meccanica. Il lavoro svolto è stato presentato per la prima volta al Made in Steel, Brescia a Marzo 2009.

11 Figura 13 - Copertina della presentazione dell'impianto a Made in Steel - Marzo Si è partecipato con un convegno anche ad Alumotive, Montichiari a aprile 2009, in cui si è parlato dell impianto realizzato e delle sue possibili applicazioni future anche alla saldatura dell alluminio. La partecipazione ad Expolaser, Piacenza nel novembre 2009 ha visto l organizzazione di una giornata dedicata ad illustrare l esperienza fatta sulla saldatura con laser in fibra. Il convegno ha visto la partecipazione di esponenti dell Università di Brescia, tra cui il direttore del dipartimento di ingegneria meccanica, prof. Rodolfo Faglia. Il prof. Crescini, del dipartimento di elettronica per l automazione, ha illustrato i risultati ottenuti riguardo al sistema di controllo della saldatura.

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