Monitoraggio e Controllo nei Processi di Saldatura Laser: nuove soluzioni e prospettive

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1 Monitoraggio e Controllo nei Processi di Saldatura Laser: nuove soluzioni e prospettive Daniele Colombo, Barbara Previtali - SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser Luca Cevasco, Claudio Cenati, Diego Parazzoli, Nicola Pedrocchi CNR ITIA

2 Our competencies in laser material processing: Laser Welding Laser Cutting Laser Hardening Laser Cladding Laser Micromachining (drilling, cutting, texturing) Monitoring and Control of Laser Processes Our major equipment: Fiber Laser IPG YLR1000 Fiber Laser IPG YLS3000 Fiber Laser IPG YLP-1/100/50/50 Trumpf Nd:YAG HL 124P PowerWeld Robots ABB IR 2400 and IR 4400 Robot COMAU Smartlaser BLM AdigeSys LTCombo fiber laser cutting system Aerotech ALS and ACS moving stages

3 IRAS group competencies Artificial Vision: development of 3D laser scanning systems development of stereoscopic vision systems for optical tracking Industrial Controls: development of embedded Linux images with Xenomai and RTAI realtime extension development of modules for interfacing with advanced sensors (vision, laser scanner, manual guidance, etc...) design and configuration of Embedded Systems study and implementation of devices for data collection, remote configuration and management (GSM Ehternet or encrypted), advanced web interfaces etc...! Mechanical design with 3D solid modeling CAD-CAM.! Electronic boards design and programming (signal conditioning, IO management, interfaces to devices, battery management, FPGA, etc...)

4 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

5 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

6 Settori Applicativi della Saldatura Laser

7 Tecnologie di giunzione tradizionale MIG/ MAG Cold Metal Transfer TIG/ Plasma Hybrid (MIG/ MAG + Laser) Laser con filo d apporto Laser autogeno Remote Laser Welding aumento della QUALITA del giunto saldato, in termini di minor deformazione termica del componente, maggior ripetibilità e controllo del processo; aumento della PRODUTTIVITA in termini di velocità di saldatura

8 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

9 La saldatura laser Sorgenti Laser ad Elevata Brillanza: Sorgenti Laser in Fibra: λ = 1070 nm Sorgenti Laser a Disco: λ = 1030 nm Sorgenti Laser a Diodi: λ nm [W.Steen J.Mazumder, 2010]

10 La saldatura laser cortesia IPG Photonics IT [W.Steen J.Mazumder, 2010]

11 e of the nt gas iation is /He es from velength aximum Nitrogen mw is n levels ographs, or laser nd filter ing the 300 nm T.O.C. ere also roscopic and off fixed at erred to e to the d in the (ASTM ess. Butt m were e Focus position [z] Shielding gas Collimating focal length Focusing focal length Beam spot diameter elapsed mean irradiance Depth of field 0 mm He / Ar 60 mm 125 mm 114 µm 7.7 x 1010 W/m2 Ar/He He/He La saldatura laser (λ = 1070 nm) 1,5 mm 40 Power Ti6Al4V, [kws=2mm ] SITEC Figure 6 Weld bead cross section of the welding condition used in the off-axis/t.o.c. monitoring comparison. λ=1070nm, P=1kW SITEC Ar/He AZ31B, s=5mm He/He Cu60Zn40 SMA, B.o.P. λ=1070nm, P=2.6kW 3 SITEC / CNR-IENI λ=1070nm, P=1kW 2.6 Power B.o.P. [kw]cu60zn40, λ=1070nm, P=1kW 3 5 SITEC SITEC SITEC! AISI, s=2mm λ=1070nm, P=0.6kW AISI, buttλ=1070nm, P=1.0kW Acciaio, s=6mm λ=1070nm, P=4.0kW

12 La saldatura laser (λ = 1070 nm) SALDATURA LASER (componente in Ti6Al4V, s=2su6mm, SITEC)

13 mission. To evaluate the ability of each method to identify the effect of e parameters (gap and location), the analysis of variance NOVA) is performed using the set of indicators provided by e three approaches as response variables. The ANOVA results re used as performance indicators to compare the effectiveness f the three approaches in analysing emission spectra. In partiular, the adjusted coefficient of determination R 2 -adj and the -value of each factor (gap and location) in the analysis of ariance are used as indicators. The coefficient of determination escribes the proportion of variability in a data set that is ollected by the statistical Saldatura model di andacciaio provides azincato: measure of ow well future outcomes are likely to be predicted by the model. he use of the adjusted form of the coefficient of determination nables one to take into account the effects of a number of able 5 ata-analysis methods used in the present paper. Data-analysis method Analysis of the overall emission Analysis of the selected emission ranges factor. The comparison of the F-value is used in heuristic approaches for model selection (as stepwise regression) and is effective for models that have approximately the same number of significant factors. The full results from the statistical analysis are presented in an appendix. The main hypotheses of the ANOVA test (residuals that are independently and identically distributed as a normal variable with constant variance) have always been checked but are not reported here for the sake of brevity. La saldatura laser (λ = 1070 nm) Indicators 4. Results and discussion 4.1. Joints analysis The quality of the remote laser welding process was evaluated by visual inspection of the weld seams and metallurgical analyses performed on cross and longitudinal sections of the welded samples. Fig. 3 shows representative macro-photographs and sections of the welding condition at each of the three gaps. With an optimal gap value of 200 mm, the weld bead is regular and does not present local defects. Welding defects such as pores or cracks are not present and the weld bead is sound. Furthermore a constant penetration is observed along the whole welding seam. 1. Laser Dimpling PCs[Ferrarini, 2013] Premio Laurea Mag. AITeM 2013 Spectra normalisationþprincipal component analysis Overall emission Plasma emission Laser emission Thermal emission On the contrary, when the gap is moved from its reference value, IPG YLR ElEn Thetafiber + ABB SITEC 2. Remote Laser Welding [Gattere, 2014] Premio L.M. UCIMU 2014 SITEC 3. Monitoraggio del gap [Colombo, Colosimo, Previtali, 2013] IPG YLS COMAU SITEC

14 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

15 Criticità nella saldatura di assemblati

16 Criticità nella saldatura di assemblati Precisione dell Attrezzaggio Tolleranze Dimensionali Parte A Tolleranze Dimensionali Parte B Robustezza del Processo di Saldatura Precisione del Robot

17 La saldatura laser 3D: le tecnologie abilitanti Precisione dell Attrezzaggio Tolleranze Dimensionali Parte A Tolleranze Dimensionali Parte B Robustezza del Processo di Saldatura Precisione del Robot

18 Le Tecnologie Abilitanti: Technology Layers Precisione dell Attrezzaggio Livello 1: Sistema Livello 2: Ciclo Produttivo Livello 2: Ciclo Produttivo Tolleranze Dimensionali Parte A Tolleranze Dimensionali Parte B Livello 0: Processo Robustezza del Processo di Saldatura Precisione del Robot Livello 1: Sistema

19 Le Tecnologie Abilitanti: Technology Layers Precisione dell Attrezzaggio Livello 1: Sistema Livello 2: Ciclo Produttivo Livello 2: Ciclo Produttivo Tolleranze Dimensionali Parte A Tolleranze Dimensionali Parte B Livello 0: Processo Robustezza del Processo di Saldatura Precisione del Robot Livello 1: Sistema

20 Le Tecnologie Abilitanti: Technology Layers Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Laser Beam Shaping Diagnosi sistemi accessori al processo Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto (programmazione off-line, machine Vision, interazione uomo/macchina, etc)

21 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

22 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping cortesia SITEC/HZG/IPG Robustezza del processo di saldatura a variazioni di - gap tra i lembi - posizione del piano di fuoco Saldatura di lega AZ31B s = 2 mm butt-joint P = 3 kw diametro fibra = 50 µm spot size = 100 µm

23 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping cortesia SITEC/HZG/IPG Robustezza del processo di saldatura a variazioni di - gap tra i lembi - posizione del piano di fuoco Saldatura di lega AZ31B s = 2 mm butt-joint P = 3 kw diametro fibra = 50 µm spot size = 100 µm

24 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping cortesia SITEC/HZG/IPG Variazione del diametro della fibra ottica " effetto del diametro del fascio (in prima approx) Saldatura di lega AZ31B s = 2 mm butt-joint M = 1 E [J/mm] = P/v = 40 J/mm (cost) Gap = 0 mm

25 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping Variazione del diametro della fibra ottica " effetto del diametro del fascio (in prima approx) cortesia SITEC/HZG/IPG Heat Input 40 j/mm Base material UTS 276 MPa Saldatura di lega AZ31B s = 2 mm butt-joint E [J/mm] = P/v = 40 J/mm (cost) Gap = 0 mm UTS(MPa) Power (kw)

26 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping (wobbling) cortesia IPG Photonics IT Sovraimporre alla velocità di avanzamento del fascio laser una oscillazione (circolare) ad elevata frequenza per generare uno spot laser apparente

27 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping (wobbling) cortesia SITEC/HZG/IPG D = 177µm D = 355µm D = 557µm Sovraimporre alla velocità di avanzamento del fascio laser una oscillazione (circolare) ad elevata frequenza per generare uno spot laser apparente D = diametro di wobbling D = 952µm D = 1445µm D = 1950µm

28 4.1. Laser spot and keyhole area When the applied laser power is high enough, the laser beam fully penetrates the materials, the keyhole opens to the bottom surface and a dark spot becomes visible within the laser spot 5,6. This well-known full-penetration hole occurs Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping Optical Emission Spectroscopy (O.E.S.) Optical Emission Monitoring (O.E.M.) Si attenuated welding direction Fig. 3: Comparison of images of the welding zone and its surrounding as taken with a Si- (left) or an InGaAs- (right) camera. The weld pool is more clearly observable in the InGaAs (=NIR) image, the thermal trace is virtually only detectable in the NIR. (Welding direction is from right to left here and in all following images. The laser spot in the Si-image is not saturated, but its appearance is just an effect of the print. The left quarter of the InGaAs-image is attenuated by a filter.) Visual Monitoring (V.M.) 4. EXPERIMENTS InGaAs We have conducted many sets of experimental welds of ferrous materials in various configurations that reflect industrial relevance. In TRUMPF s application laboratory we used commercial equipment, like a TruDisk thin disk laser with up to 16 kw cw output power and an industrial grade beam delivery system. The process sensor head SeamLine Pro was connected to the laser by a standard industry D-type fiber connector. The core diameter of the used optical fiber determines the spot size on the work piece: The BEO welding optics that we used has a magnification of 1.4, which results in a 280 µm or 560 µm spot size with 200 µm or 400 µm core diameter fiber, respectively. The smaller spot of 280 µm corresponds to typical industrial welding applications of several millimeter thicknesses, whereas a 560 µm spot represents the typical spot for lap welding of sheet metals of approx. 1 mm thickness. laser spot / keyhole attenuated weld pool (liquid) thermal trace (solidified) Fig. 4: The NIR-image of a laser beam welding process shows three significant regions. The area of the laser spot and the keyhole is attenuated by a neutral density filter (left quarter of the image) to increase the overall dynamic of the image. (Material: Mild steel S235) spectral domain [nm] time domain [t] spatial domain [m] The NIR-image of the welding zone reveals different features that can be evaluated (see fig. 4):

29 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping [Colombo, Capello, Previtali, 2009] Scatterplot of pc2 vs pc1 Identificazione di variazioni di potenza laser e portata di gas di protezione mediante O.E.S. Saldatura di lega Ti6Al4V s = 2 mm lap-joint pc2 0,0050 0,0025 0,0000-0,0025-0,0050 r r r z r r rr r r z z z z zr z r z z z z r z z rr z gas50 p15 p15 p15 p15 p15 p15 p15 p15 p15 p15 p15 gas50 gas50 gas50 p15 gas50 gas50p15 gas50 gas50 gas50 p15 gas50 p30 p30 p30 p30 p30 p30 p30 p30p30 p30 p30 p30 p30 p30 gas50 gas50 gas50 gas50 gas50 gas100 gas50 p15 p30 r z -0,0075-0,0100-0,015-0,010-0,005 gas100 gas100 gas100 gas100 gas100 gas100 gas100 gas100 0,000 0,005 0,010 0,015 pc1 0,020 0,025

30 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping [Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013] Identificazione del piano di fuoco mediante automatizzazione della procedura secondo UNI 10300

31 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping [Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013] [Colombo et al, US Patent , 2012] Identificazione del piano di fuoco mediante automatizzazione della procedura secondo UNI 10300

32 Le Tecnologie Abilitanti Livello 0: Processo di Saldatura Process Knowledge Process Monitoring Diagnosi sistemi accessori al processo Laser Beam Shaping [Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013] Identificazione del piano di fuoco mediante automatizzazione della procedura secondo UNI 10300

33 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

34 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2009 MGD: E un dispositivo che facilita il movimento intuitivo del robot, remotando a tutti gli effetti gli scomodi tasti di movimentazione del Jpad del Teach Pendant

35 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2009 L'operatore può programmare il robot, trascinando intuitivamente l'end-effector attraverso la traiettoria di lavoro, salvando i punti caratteristici per creare il path program link al video sulla PMG

36 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto Saldatura di testa o di spigolo lega AA7020, s = 2mm P = 3 kw

37 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto Saldatura di testa di acciaio Fe P04 zincato s = 0.8/0.8 mm Gap = 0 mm! # P = 1 kw v = 2 m/min

38 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2010 Cevasco et al, 2011 Cevasco et al, 2012 Lo scanner laser 3D a triangolazione per l'inseguimento di un giunto, riconosce un profilo (es. uno scalino o un gap, un cordone, etc) come feature chiave a cui agganciarsi, con triplice funzionalità: Programmazione: ausilio alla generazione del programma Correzione programma robot on line: segue deformazione della lamiera durante la saldatura Controllo Qualità : analisi 3D del giunto a saldatura eseguita

39 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2010 Cevasco et al, 2011 Cevasco et al, 2012 Inseguigiunto per programmazione la scrittura del programma di saldatura vine ulteriormente facilitata con l'utilizzo combinato di uno scanner inseguigiunto durante la generazione della traiettoria di saldatura 3D tramite la manual guidance In particolare il robot viene costretto ad agganciarsi al giunto (centraggio sulla feature), alla distanza Z necessaria al processo di saldatura, correggendo anche l'angolo di inclinazione del polso in modo da mantenere costante l'angolo di attacco al piano di saldatura impostato. L'unico grado di libertà che rimane è l'ascissa curvilinea del giunto da seguire

40 Le Tecnologie Abilitanti Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2010 Cevasco et al, 2011 Cevasco et al, 2012 Inseguigiunto per correzione del programma robot on-line in processi la dove è attesa la deformazione termica del componente che si sta saldando

41 Le Tecnologie Abilitanti (CNR) Livello 1: Sistema di Saldatura Programmazione mediante Manual Guidance Visione: Inseguigiunto L.M.Tosatti et al, 2010 Cevasco et al, 2011 Cevasco et al, 2012 Controllo Qualità : analisi 3D del giunto a saldatura eseguita Il controllo del giunto saldato può essere fatto anch'esso on line utilizzando un secondo scanner che inquadri il giunto appena saldato, oppure offline ripercorrendo la traiettoria a valle del processo. Con la modalità online si possono retroazionare i parametri di processo in un loop che mantenga la forma del cordone entro certe tolleranze, ma spesso l'ingombro di 2 teste di scansione ne preclude l'utilizzo Il controllo può essere fatto anche indirettamente monitorando la forma della pozza durante il processo

42 Indice della presentazione 1. INTRODUZIONE 2. LA SALDATURA LASER 3. LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D 3 A DI PROCESSO 3 B DI SISTEMA 4. CONCLUSIONI

43 Conclusioni La saldatura laser è un processo maturo e robusto. Tecnologie abilitanti sono disponibili per la saldatura laser 3D. I robot di saldatura non saranno più solo tools ma veri assistenti di processo.

44 Gli autori ringraziano per la collaborazione:

45 Grazie per l attenzione! Ing. Daniele Colombo, PhD Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano via La Masa, , Milano (IT) website: Ing. Luca Cevasco Consiglio Nazionale delle Ricerche Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione via Bassini, , Milano (IT) website:

46 Riferimenti Bibliografici [Steen, Mazumder, 2010] W.Steen J.Mazumder, Laser Material Processing, Springer, 2010 [Ferrarini, 2013] Tesi di Laurea Magistrale: Characterization of the laser dimpling process on galvanized steels for automotive applications;supervisor. Prof.Barbara Previtali (PoliMi), Co-Superviosor: Prof.Darek Ceglarek (WMG-UK) Premio di Laurea Magistrale UCIMU 2014 [Gattere, 2014] Tesi di Laurea Magistrale: Development of an Optical Based Monitoring Device for Remote Laser Welding of Zinc Coated Steels. Supervisor: Prof.Barbara Previtali (PoliMi),Co-Superviosor: Prof.Darek Ceglarek (WMG-UK) Premio di LaureaMagistrale AITeM 2013 F.Soavi [Colombo, Colosimo, Previtali, 2013] D.Colombo, B.M.Colosimo, B.Previtali Comparison of methods for data analysis in the remote monitoring of remote laser welding Optics and Lasers in Engineering 51 (2013) D.Colombo, B.Previtali Laser dimpling and remote welding of zinc coated steels for automotive applications International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2014) (DOI: /s ) - Febbraio 2014

47 Riferimenti Bibliografici [Colombo, Capello, Previtali, 2009] E.Capello, D.Colombo, B.Previtali Process monitoring through the optical combiner in fiber laser welding applications Proceedings of the Fifth international WLT-Conference on Laser in Manufacturing 2009, Munich, June 2009 [Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013] D.Colombo, B.Previtali, G.Riva, Q.Semeraro Procedure for the identification of the focal plane position in high power fiber laser systems Proceedings del convegno AITeM San Benedetto del Tronto (IT), Settembre 2013 [Colombo et al, US Patent , 2012] No. WO/2012/036664, 22 March Industrial high power fiber laser system with optical monitoring assembly Applicant: IPG Photonics Corp. (US). Inventors: G. Moroni, D. Colombo, B. Previtali, S. Cattaneo, L. Rossotti

48 Riferimenti Bibliografici [Cevasco et al, 2011] C. Cenati & G. Borroni & L. Cevasco & D. Parazzoli & M. Danesi National Research Council (CNR) Institute of Industrial Technologies And Automation (ITIA), Milano, Italy "An innovative methodologie for laser scanner integration in a robot cell for small batch production of sculpture artworks" [Cevasco et al, 2012] C. Cenati & L. Cevasco & G. Borroni & N. Pedrocchi & L.M. Tosatti National Research Council (CNR) Institute of Industrial Technologies And Automation (ITIA), Milano, Italy "Low Cost Scanning Device Application for Footwear Industry" [Tosatti et al, 2010] Deposito di Brevetto 23/07/2010 CIA S.r.l. & L.M. Tosatti & C. Cenati & G. Borroni & L. Cevasco & D. Parazzoli & M. Danesi "Sistema e metodo per la ricostruzione tridimensionale di oggetti [Tosatti et al, 2009] Deposito brevetto 16/11/ COMAU S.p.a. & L.M. Tosatti & D. Parazzoli & M. Danesi & E. Scari "Robot System"

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