Saldatura laser di giunti dissimili di leghe Al5754-H111 e Ti6Al4V

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1 Saldatura laser di giunti dissimili di leghe Al5754-H111 e Ti6Al4V Giuseppe Casalino, Michelangelo Mortello Abstract La necessità di strutture sempre più leggere e resistenti richiede spesso l integrazione di leghe metalliche diverse messe in opera mediante opportune tecniche di giunzione. La giunzione di acciaio e leghe d alluminio nel settore automotive e quello delle leghe di titanio e d alluminio in quello aerospace riveste un ruolo importante nello sviluppo di progetti innovativi in termine di performance e sostenibilità ambientale. La tecnologia di saldatura mediante fascio laser promette di essere tra quelle di maggiore impatto nel raggiungimento di giunti defect-free. In questo lavoro mediante il processo di saldatura laser sono stati ottenuti giunti di testa costituiti da lamierini di leghe di titanio e d alluminio con spessori differenti. Sono state utilizzate piastre da 3 mm in lega di alluminio Al5754-H111 e piastre in lega di titanio Ti6Al4V da 2 mm. Ai fini di prevenire il degrado a cui è sottoposta la lega di alluminio a seguito dell interazione col fascio laser e ai fini di favorire una maggiore stabilità al processo, le lavorazioni sono state condotte focalizzando la sorgente sulla lega di titanio in prossimità dell interfaccia tra i due materiali. 1. Introduzione 1.1 Cenni introduttivi agli assemblaggi eterogenei La combinazione di materiali differenti finalizzata alla costituzione di strutture eterogenee performanti in grado di operare in condizioni chimiche, fisiche e meccaniche variabili nell ambiente di esercizio può essere realizzata attraverso le giunzioni dissimili. Esse consistono in strutture assemblate, qualitativamente accettabili secondo criteri di valutazione dei giunti, costituite da due o più materiali differenti. Negli ultimi anni, le aziende operanti nel settore aeronautico e automobilistico hanno rivolto particolari attenzioni a questo tipo di giunto, in riferimento a quelle applicazioni per le quali è richiesto che le strutture presentino simultaneamente caratteristiche eterogenee in varie parti di esse. Per la creazione di tali assemblaggi dissimili si è ricorso dapprima a tecnologie di giunzione di tipo meccanico, quali clinciatura e rivettatura, che non presentano una stringente richiesta di compatibilità tra le proprietà termofisiche dei differenti materiali. Tuttavia, ai fini di evitare l utilizzo di elementi additivi (quali i rivetti) che produrrebbero un aumento del peso della struttura e garantire versatilità e incremento della capacità produttiva del processo di assemblaggio, si è valutata la possibilità di realizzare tali giunti attraverso tecniche di saldatura. Sono stati condotti diversi studi sull ottimizzazione del processo di saldatura per la realizzazione di giunti dissimili. In particolare, le leghe dissimili di alluminio e di titanio sono leghe leggere fortemente impiegate nel settore aeronautico per la realizzazione di componenti meccanici e pannelli di rivestimento. La necessità di realizzazione di giunti eterogenei di alluminio e di titanio

2 nasce dalla presenza, in ambito aeronautico e spaziale, di ambienti nei quali le condizioni meccaniche, fisiche e chimiche variano nello spazio di lavoro in modo tale che un materiale (quali titanio o alluminio) risulta più adeguato in alcune parti piuttosto che in altre. Considerate distintamente, le leghe di titanio e di alluminio hanno vantaggi tali da essere impiegate in una vasta gamma di applicazioni. In particolare, le leghe di alluminio presentano un elevata duttilità, una bassa densità, buona riciclabilità e basso costo. Le leghe di titanio, invece, presentano elevatissima resistenza specifica, resistenza alla corrosione e resistenza all usura. Tuttavia, dato che tali leghe si differenziano sotto il profilo chimico, fisico, meccanico e tecnologico, la saldabilità di giunti saldati dissimili Al-Ti ne risulta fortemente compromessa. Principalmente, la qualità di tali giunti è inficiata dai seguenti fattori: Fragilità dei composti intermetallici. Tali composti generati all interfaccia e in prossimità di essa (soprattutto TiAl e TiAl 3 ) presentano una buona resistenza e durezza ma compromettono le proprietà meccaniche del giunto a causa della scarsa duttilità. Difetti geometrici, cricche e inclusioni gassose. Trattandosi di processi di saldatura per fusione l insorgenza delle difettosità persiste anche nel caso di giunti eterogenei. Mescolamento di materiale in prossimità dell interfaccia. I moti di materiale fuso avvengono secondo varie direzioni in funzione dei gradienti termici generati. Di conseguenza i materiali si mescolano in corrispondenza della zona di giunzione. Ciò comporta sia un ampliamento della zona intermetallica che la presenza di una delle due leghe originarie nel lato opposto del giunto. Tale mescolamento, dunque, conferisce disomogeneità metallurgiche e anisotropie. Ripetibilità. Il processo di saldatura comporta fenomeni aleatori molto complessi dei quali non è possibile determinare con precisione l esito, quali ad esempio la fusione e vaporizzazione del metallo, il trasferimento di calore, la formazione delle specie chimiche nel processo di solidificazione. Tali fenomeni, inoltre, interagiscono tra loro e rendono impossibile definire con certezza a priori il risultato del processo. Misurazione e controllo. Si consideri che le grandezze geometriche coinvolte sono nell ordine dei micron e, pertanto, anche scostamenti apparentemente ridotti possono avere risvolti deleteri sul giunto. Per poter gestire accuratamente piccole grandezze occorre poter contare su adeguata strumentazione e procedure di misurazione e controllo. 1.2 Valutazione delle problematiche di interazione laser-materia Nonostante i processi di saldatura laser per giunti di testa siano stati generalmente condotti focalizzando la sorgente lungo la linea di separazione delle due piastre, i fattori appena evidenziati rendono inadeguata questa procedura nel coso specifico dei giunti dissimili. Essa, infatti, acuirebbe le problematiche descritte comportando una scarsa qualità dei giunti realizzati, sia sotto un profilo geometrico che meccanico. La ricerca si è orientata sullo studio della focalizzazione del fascio laser e dell apporto termico specifico introdotto nella zona di giunzione, ai fini di ottimizzare qualitativamente i risultati conseguibili. Innanzitutto, dunque, si è ritenuto indispensabile analizzare le problematiche di saldabilità riscontrate nella conduzione del processo sui singoli materiali, ovvero sulle leghe di alluminio e sulle leghe di titanio, in modo tale da evincere indicazioni significative sulla procedura ottimale da condurre per la realizzazione di giunti dissimili. a) Saldatura laser di leghe di allumino.

3 La saldabilità delle leghe di alluminio attraverso l utilizzo di sorgenti laser è fortemente compromessa a causa delle caratteristiche termo-fisiche del materiale. L elevata riflettività alle lunghezze d onda del fascio laser riduce drasticamente il rapporto tra l energia assorbita dal materiale e quella erogata dalla sorgente. Inoltre, l elevata diffusività termica favorisce la diffusione del calore nel pezzo impedendo che esso permanga in corrispondenza della zona di giunzione. Tali due aspetti, oltre a costituire fattori di perdita di energia termica (e quindi causare dispendio economico di energia elettrica), compromettono la stabilità del key-hole. Infatti, ai fini della generazione e stabilità di quest ultimo è importante che si sviluppi nel materiale un ottimale densità di energia termica. Il collasso del key-hole, la cui stabilità è legata all equilibrio meccanico, fisico e chimico tra plasma e metallo liquido, riduce le profondità di penetrazione, favorisce difetti geometrici, priva il processo di ripetibilità e promuove la formazione di porosità. Infatti, a seguito del collasso, il fascio laser incide sulle pareti di liquido e, conseguentemente, si generano flussi di metallo fuso a causa dell irradiazione diretta e della pressione esercitata dal metallo evaporato. Tale evaporazione, unitamente all inglobamento dei gas atmosferici e di protezione, comporta la formazione dei bubbles e, quindi, delle porosità. Inoltre, la presenza del magnesio condiziona negativamente il processo perché incrementa l ossidabilità della lega allo stato fuso. L allumina così costituita presenta un più elevato punto di fusione ed una maggiore massa volumica rispetto alla lega fusa. Di conseguenza, costituisce uno strato che limita il trasferimento del calore e, in parte, precipita nella struttura sottoforma di difetto, favorendo fenomeni corrosivi. b) Saldatura laser di leghe di titanio. Per quanto riguarda le leghe di titanio, invece, si verifica che, a temperature superiori a circa 500 C, la solubilità dei gas atmosferici nella lega aumenta sensibilmente. Pertanto, a causa della condizione di elevata reattività chimica, tali gas tendono ad essere assorbiti comportando la generazione di inclusioni, strutture fragili e ossidazione superficiale. Tuttavia, la progettazione di adeguato sistema di protezione e la determinazione di ottimali parametri fluidodinamici riducono sensibilmente tali fenomeni e comportano un significativo aumento della qualità del giunto realizzato. Per quanto concerne la generazione del key-hole e il mantenimento della relativa condizione di equilibrio, invece, si registra che, differentemente da quanto descritto nel caso di leghe di alluminio, la maggiore affinità del fascio laser con il materiale e la più bassa diffusività di quest ultimo favoriscono il trasferimento di calore nella zona di giunzione. Inoltre, nei materiali con maggiore tensione superficiale la stabilità del processo è incrementata perché i vapori prodotti vengono espulsi verso la zona superiore. Tali aspetti si ripercuotono nella maggiore ripetibilità e qualità del processo. c) Saldatura laser di giunti eterogenei alluminio-titanio. Alcuni studi sono stati condotti sull ottimizzazione del processo di saldatura laser per la realizzazione di giunti dissimili Al-Ti. Tuttavia, essi sono stati condotti, generalmente, sotto forma di brasatura, adottando filo d apporto, pre-trattando con cianfrinatura e focalizzando la sorgente laser sull alluminio, il quale presenta un più basso punto di fusione rispetto al titanio. Tuttavia, sulla base di quanto evidenziato, per poter minimizzare la difettologia dei giunti e limitare le problematiche intrinsecamente legate al processo, risulta più consono focalizzare la sorgente laser

4 sulla lega di titanio, garantendo una maggiore stabilità al processo. Pertanto, diversamente da quanto riscontrato in lavori antecedenti, questo studio è stato condotto focalizzando la sorgente laser sulla superficie superiore della lega di titanio, ad una certa distanza dall interfaccia tra i due lembi. Di conseguenza, l energia introdotta produce il key-hole di saldatura proprio sulla lega di titanio, ove è favorita la sua stabilità. La giunzione è così generata dal calore pervenuto all interfaccia per conduzione dal key-hole di saldatura. Tale quantità di calore all interfaccia, infatti, promuove la formazione dei legami intermetallici e la conseguente saldatura delle piastre. In funzione dei parametri di processo adottati la conformazione geometrica e metallurgica della zona alterata è variata. In questo studio l eterogeneità dei giunti non è derivata soltanto dall impiego di materiali differenti. Si sono utilizzati, infatti, spessori differenti delle piastre allo scopo di uniformare in tutta la struttura i livelli di carico di resistenza (in termini di forza resistente anziché di sollecitazione). Trattandosi di uno studio preliminare si sono trascurati fenomeni di stress aggiuntivo legati alla geometria dei provini di trazione. I risultati hanno confermato le considerazioni fatte in merito alla focalizzazione della sorgente sulla lega di titanio. Le differenti modalità di conduzione del processo sono state analizzate allo scopo di evidenziare gli aspetti peculiari di ciascuna modalità. L analisi condotta, nonostante il numero ridotto i campioni analizzati, ha fornito interessanti indicazioni sull ottimizzazione del processo. La figura 2. Procedura sperimentale 2.1 Proprietà dei materiali Sono stati realizzati giunti di testa a partire da piastre di lega di Titanio Ti6Al4V e lega di Alluminio Al5754 aventi rispettivamente spessore di 2 e 3 mm. Nelle tabelle 1, 2, 3 e 4 sono indicate le composizioni chimiche e le caratteristiche meccaniche e termofisiche delle leghe utilizzate.

5 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al Al <0.15 balance Tabella 1: Composizione chimica della lega Al5754 C Fe N2 O2 Al V H2 Al Ti6Al4V <0.08 <0.25 <0.05 < < Balance Tabella 2: Composizione chimica della lega Ti6Al4V UTS [MPa] YS [MPa] E [GPa] A% HV Ti6Al4V Al Tabella 3: Caratteristiche meccaniche delle leghe impiegate K [W/(m.K)] Tm [k] ρ [g/ cm 3 ] Ti6Al4V Al Tabella 4: Caratteristiche termofisiche delle leghe impiegate Lo scopo, come già evidenziato, è stato la realizzazione di un giunto dissimile Al-Ti tendente, nel contempo, a omogenee caratteristiche di resistenza ai carichi esterni di trazione (in termini di forza) in ogni parti del componente assemblato. Ciò è stato realizzato attraverso la focalizzazione della sorgente laser sulla lega di Titanio, imponendo una certa distanza tra l interfaccia di separazione tra i due metalli e il centro dello spot (laser offset) e interponendo una lastra sottile di 0.5 mm tra il supporto e la piastra di titanio. La figura 1 rappresenta schematicamente la configurazione geometrica di lavoro. Figura 1: Configurazione geometrica di lavoro

6 Lo studio è stato svolto per valori costanti di laser offset (1 mm). Come già anticipato, si è condotto il processo secondo 2 diverse modalità, in funzione del solo apporto termico specifico fornito dalla sorgente: a) Condizione di interazione solido-liquido. Rappresentata in figura 2, viene realizzata adottando dei valori di apporto termico specifico relativamente bassi. In questo modo la fusione della lega di titanio, derivante dall azione del key-hole di saldatura e dalla conduzione di calore, investe parti di materiale sufficientemente lontane dalle superfici di accostamento tra le piastre da non provocare fusione di metallo in prossimità dell interfaccia. In questa zona, tuttavia, la quantità di calore trasmessa sarà sufficiente ad alterare termicamente la lega. Inoltre, sarà indotta una diffusione di titanio nella lega di alluminio attraverso l interfaccia e la formazione di composti intermetallici che costituiscono la giunzione eterogenea. La lega di alluminio in prossimità dell interfaccia, a causa del calore trasmesso e della presenza delle lamelle di titanio diffuse, invece, sarà soggetta a fusione. Il calore nella zona di giunzione, infatti, insufficiente a fondere la lega di titanio produce una temperatura superiore a quella di fusione nella lega di alluminio. In conclusione, si registra un interazione tra la ZTA del titanio, allo stato solido, e la ZF dell alluminio, allo stato liquido. b) Condizione di interazione liquido-liquido. Rappresentata in figura 3, viene realizzata adottando valori relativamente elevati di apporto termico specifico. Anche in questo caso il key-hole generato nella lega di titanio, unitamente ai fenomeni di conduzione di calore, provoca la fusione della lega. In questo caso, però, la fusione non è limitata a zone distanti dalle superfici di accostamento dei lembi e quindi raggiunge l interfaccia metallica generando una geometria curvilinea e provocando mescolamento di materiale. La quantità di calore nella zona di giunzione fonde anche la lega di alluminio e produce un interazione tra leghe fuse di alluminio e di titanio. Figura 2: Condizione di saldo-brasatura Figura 3: Condizione di saldatura 2.2 Attrezzatura sperimentale È stato utilizzato un sistema laser in fibra Ytterbium Laser System (IPG YLS-4000), avente una massima potenza erogabile pari a 4 kw. La sorgente laser è stata trasmessa in attraverso una fibra di diametro pari a 200 μm, con un beam parameter product (BPP) pari a 6.3?? mm*mrad. Il fascio laser, avente una lunghezza d onda di nm, è stato focalizzato in regime continuo da una lente di distanza focale di 250 mm producendo un diametro dello spot di 0.4 mm sulla superficie del

7 pezzo. La distribuzione di potenza erogata nello spot approssima un andamento di tipo gaussiano. Argon ed Elio sono stati impiegati come gas di protezione, rispettivamente per le superfici superiore ed inferiore del giunto. Infatti, l elio presenta un peso specifico inferiore a quello dell aria atmosferica e tale condizione favorisce fluidodinamicamente la protezione del bagno fuso posto superiormente ai canali di adduzione. L argon, invece, ha un peso specifico superiore e, quindi, la sua adduzione sulla parte superiore del bagno garantisce una sufficiente copertura. Si consideri che il comportamento del key-hole è strettamente correlato alla generazione del plasma metallico, a sua volta correlato al potenziale di ionizzazione dei gas di protezione. Argon ed elio, i quali presentano un più basso potenziale di ionizzazione, favoriscono la formazione del plasma e la stabilità del keyhole, nonostante tale effetto sia più contenuto nel caso di adozione di laser in fibra. Una portata volumetrica di 10 l/min per ciascun gas di protezione è stata ripartita in più parti tramite valvole a tre vie e distribuita lungo un sistema di tubi in PE di sezione circolare con diametro di 0.5 pollici. 2 tubi che trasportano l elio sono posti lungo le scanalature del supporto lungo al direzione di saldatura, mentre 3 tubi che trasportano l argon sono stati disposti trasversalmente alla linea di giunzione ed accoppiati ad una dima alloggiata sulle piastre. Quest ultima, la cui geometria è presentata in figura 4, è stata progettata fluidodinamicamente per ridurre turbolenze nel bagno fuso e presenta un asola scanalata per simulare una camera di protezione e fori per l accoppiamento con i tubi. La figura 5 presenta la testa della macchina saldatrice, il sistema di ancoraggio e il sistema di adduzione dei gas di protezione. Figure 4, 5: Sistema di saldatura Prima di eseguire le lavorazioni, data la criticità degli accostamenti tra le due piastre ai fini della formazione e dell estensione delle strutture intermetalliche, le superfici di accostamento sono state preparate attraverso taglio alla troncatrice metallografica (velocità di taglio 2 mm/s) e spianatura con carta-vetrata (granulometria 300 grift). In seguito, per un ottimale analisi microstrutturale delle sezioni trasversali, i corrispondenti provini metallografici sono stati inglobati, lappati e attaccati con

8 una soluzione chimica ai reagenti di Keller (1% HF, 1.5% HCl, 2.5% HNO 3 and 95% H 2 O). Per l analisi microstrutturale si è ricorso sia al microscopio ottico OM che al microscopio elettronico SEM. In alcune zone in prossimità dell interfaccia è stata analizzata la composizione chimica attraverso l impiego dell EDS. Per quanto concerne la caratterizzazione meccanica si è impiagata una macchina di trazione INSTRON 5881, adottando uno strain rate di 10-4 s -1. Per ogni assemblaggio sono stati ricavati due provini di trazione. Le superfici di frattura sono state caratterizzate attraverso ispezione al microscopio elettronico SEM. infine è stato rilevato un profilo di microdurezza Vickers in corrispondenza dello spessore medio della sezione trasversale. Si è utilizzato un carico di 200 gf ed un passo tra due impronte successive di 0.25 mm. 2.3 Parametri di processo La tabella 5 mostra i parametri di processo adottati per l esecuzione dell analisi. È indicata anche l energia di linea, definita come rapporto tra potenza erogata e velocità di saldatura, in modo tale da rendere esplicito il valore di apporto termico specifico introdotto per ogni condizione di saldatura. La scelta dei parametri di processo, che costituiscono il piano sperimentale definito, derivano da ricerche sulla saldatura laser del Titanio e da prove preliminari. sample Power [W] Welding speed [mm/min] Lineic energy [J/mm] s s s s Tabella 5: Parametri di processo adottati 3. Risultati 3.1 Ispezione dei giunti Le figure 5a e 5b rappresentano rispettivamente la superficie superiore ed inferiore di un giunto realizzato. Si badi come, grazie all opportuno sistema di protezione adottato, i livelli di ossidazione superficiale del cordone siano molto bassi. Inoltre, i cordoni risultano ristretti, omogenei e con un basso contenuto di difettosità geometrica. Anche il quantitativo si spatter sulla superficie superiore è estremamente ridotto. La colorazione nera in prossimità del key-hole deriva dalla vaporizzazione e condensazione di nano-particelle prodotte, in regime di key-hole, dall interazione tra i materiali, gas atmosfericie gas di protezione.

9 Figura 5a: Superficie superiore del giunto Figura 5a: Superficie inferiore del giunto 3.2 Caratterizzazione microstrutturale e analisi chimica Le figure 6 e 7 rappresentano la sezione trasversale dei provini 1 e 4 rispettivamente. Come evidenziato in tabella 5 i due giunti sono stati ottenuti attraverso valori molto differenti di energia di linea. Si noti che, in riferimento al provino 1, la zona fusa di Titanio ha raggiunto, lungo tutto lo spessore del giunto, l interfaccia metallica rendendo quest ultima curvilinea. Tale condizione è determinata dall elevata energia di linea impiegata e costituisce la condizione di saldatura esplicata in precedenza. Nel caso del provino 4, invece, i livelli di energia di linea introdotta risultano significativamente più bassi (meno della metà) e ciò ha comportato la generazione di un interfaccia metallica lineare, caratterizzata dalla prossimità della ZTA di Titanio con l Alluminio fuso per conduzione di calore. Tale condizione corrisponde alla condizione di saldo-brasatura evidenziata in precedenza. Figura 6: Sezione trasversale del provino 1 Figura 7: Sezione trasversale del provino 4 Sempre in riferimento ai provini 1 e 4, le figure 8 e 9 rappresentano le immagini rilevate al microscopio ottico con un fattore di ingrandimento di 50x. In tali immagini è possibile osservare con maggiore chiarezza quanto già discusso in merito alle diverse tipologie di interfaccia generata. Inoltre, è evidente la struttura della lega di Titanio. Il provino 1 presenta, in prossimità dell interfaccia metallica curvilinea, la ZF di Titanio, con struttura aciculare martensitica α1 e grani allungati β nella direzione del flusso termico. Il provino 4, invece, presenta in prossimità dell interfaccia lineare strutture globulari equiassiche, tipiche della zona ZTA.

10 Figura 8: Sezione trasversale del provino 1 (50x) Figura 9: Sezione trasversale del provino 4 (50x) Le immagini nelle figure 10 e 11 sono state ottenute utilizzando fattori di ingrandimento di 500x. In questo modo risultano evidenti le differenze di interfaccia metallica e la presenza delle lamelle di titanio in prossimità di tale interfaccia. Figura 10: Sezione trasversale del provino 1 (500x) Figura 11: Sezione trasversale del provino 4 (500x) Infine, la figura 12 rappresenta un immagine rilevata dalla sezione trasversale del provino 1 al microscopio elettronico SEM con un fattore di ingrandimento di 1000x. Unitamente è evidenziata la mappatura delle zone per le quali è stata eseguita un analisi della composizione chimica all EDS e i relativi risultati in termini di percentuale atomica.

11 Figura 12: Sezione trasversale del provino 1 (1000x) e analisi chimica Lo studio ha rivelato la presenza di Ti, Al e composti intermetallici TiAl e TiAl3 in corrispondenza dell interfaccia; non è possibile stabilire con precisione tuttavia, con la sola analisi EDS, i quantitativi dei singoli costituenti. 3.3 Caratterizzazione meccanica Microdurezza La figura 13 presenta un esempio di profilo di microdurezza rilevato nella sezione trasversale del provino 4 in corrispondenza dello spessore medio del giunto. Innanzitutto, per quanto concerne la lega di Alluminio, si registra che, in prossimità dell interfaccia i valori di durezza aumentano. Ciò è dovuto, sostanzialmente, sia alla presenza di Ti localmente diffuso che indurisce la lega, sia all affinamento del grano conseguente all interazione della lega con il fascio laser e successiva solidificazione. In corrispondenza della ZF di titanio si registra un aumento dei valori di durezza rispetto al metallo base a causa della ricristallizzazione. Si badi che non è stato possibile determinare i valori di durezza in corrispondenza dell interfaccia metallica a causa dei limiti tecnici della prova. Infatti, anche nel caso in cui si fossero adottati bassi valori di carico di prova, la dimensione dell impronta prodotta dal pin sarebbe stata eccessivamente grande per poter rilevare un valore di durezza in una zona che si estende per dimensioni prossime al micrometro. Figura 13: Profilo di microdurezza della sezione trasversale del provino 4 (1000x) e analisi chimica

12 3.3.2 Prova di trazione La figura 14 presenta un istogramma riportante i valori di resistenza a trazione rilevati per i vari provini esaminati. Innanzitutto, per ciascuna saldatura sono stati prelevati due campioni e i valori ottenuti di resistenza a trazione dimostrano che le proprietà meccaniche sono approssimativamente inalterate nelle varie parti del giunto. Ciò evidenzia la stabilità del key-hole di saldatura nel corso del processo che, sulla base del raggiunto equilibrio chimico e termo-fisico, non collassa inficiandone l efficacia. Si badi che, relativamente al provino 1, realizzato con elevati valori di energia di linea e per il quale l interfaccia risulta curvilinea, i valori di resistenza meccanica sono risultati significativamente più bassi. D altra parte, invece, bassi valori di energia di linea promuovono giunti più resistenti e favoriscono la plasticizzazione. La riduzione delle proprietà meccaniche dei giunti è causata dalla formazione dei composti intermetallici fragili, dalle microcricche formatesi in prossimità dell interfaccia metallica, e il mescolamento di materiali. Nel caso analizzato, inoltre, la presenza di spessori differenti fornisce ulteriori contributi nocivi in termini di resistenza meccanica. Infatti, sono generate delle sovrasollecitazioni indotte sia dalla mancanza di coassialità durante la prova (che provoca la formazione di coppie di momento in corrispondenza del cordone e quindi uno stato additivo di sollecitazione), sia per la presenza di fattori di intaglio legati alla variazione di sezione del provino. Figura 14: Resistenza meccanica dei giunti Analisi delle superfici di frattura Le superfici di frattura, presentate nelle figure 15(a) e 15(b) si presentano differenti tra loro. Per quanto concerne il provino 1, la rottura è avvenuta in modo più fragile e secondo varie direzioni di propagazione delle cricche. La superficie è costituita essenzialmente dalla lega di titanio che, a seguito della ricristallizzazione, ha subito infragilimento. Per quanto riguarda il provino 4, invece,

13 la rottura risulta più duttile. La superficie di rottura si presenta più omogenea e si evince una direzione di rottura più uniforme. Nonostante la quasi totalità di tale superfice sia costituita dalla lega di alluminio, v i è presente anche del titanio, a dimostrazione del fatto che la rottura interessa parzialmente anche lo strato intermetallico essa interessa lo strato intermetallico. Figura 15(a): Superficie di frattura del provino 1 Figura 15(b): Superficie di frattura del provino 4 4. Conclusioni Sono stati realizzati giunti di testa eterogenei costituiti originariamente da due piastre Alluminio e Titanio di spessori differenti (rispettivamente 3 e 2 mm). Le prove di caratterizzazione metallografica e meccanica hanno permesso di evincere fondamentali elementi per intraprendere un successivo studio più approfondito: Le proprietà meccaniche dei giunti sono più basse di quelle registrate per i metalli base a causa della formazione di composti intermetallici fragili, mescolamento di materiale, difetti geometrici e difetti strutturali. Sulla base di considerazioni in merito all interazione tra la sorgente laser e le leghe impiegate per l analisi, si è deciso di focalizzare la sorgente laser sulla lega di titanio ottenendo risultati soddisfacenti sia sotto un profilo metallografico che meccanico. Si possono distinguere, in funzione dell eccentricità della sorgente rispetto all interfaccia e dell apporto termico specifico, due differenti tipologie di processo, ovvero la saldatura e saldo-brasatura. Come descritto, saranno differenti sia la dinamica della giunzione sia la qualità e caratteristiche dei risultati conseguiti. Alti apporti termici specifici favoriscono una giunzione per saldatura e producono un interfaccia curvilinea e l interazione tra ZF di titanio e ZF di alluminio. Interazioni liquido-liquido mescolamento di materiale risulta dannoso sia in termini metallografici che meccanici. Bassi apporti termici specifici favoriscono la saldo-brasatura e comportano un interfaccia metallica lineare e una giunzione realizzata per saldobrasatura. L interazione liquido-solido e diffusioni locali di titanio nell alluminio promuovono la formazione di lamelle di titanio e composti intermetallici nella struttura dell alluminio. Le caratteristiche meccaniche risultato migliori rispetto al caso di alti apporti termici.

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