Innovazioni di processo e sistema nella saldatura laser e trattamento termico e confronto con le soluzioni più tradizionali

Innovazioni di processo e sistema nella saldatura laser e trattamento termico e confronto con le soluzioni più tradizionali Daniele Colombo, Barbara Previtali Università di Brescia 16 Ottobre 2014

sitec.mecc.polimi.it 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

Indice della presentazione 1. L UTENSILE LASER 2. PROCESSI DI LAVORAZIONE LASER 3. LA SALDATURA LASER 4. I TRATTAMENTI TERMICI LASER 5. EVOLUZIONI 4. CONCLUSIONI

L utensile laser ISO 11145:2006 Optics and Photonics Lasers and laser-related equipment Vocabulary and symbols d 0 M g 4 λ = π d = d d 2 0 0 g f f d y,u or d y m Beam width in y-direction d 0,u or d 0 m Beam waist diameter d. 0 /4 rad m Beam parameter product E u or E W/m 2 Average power density f p Hz Pulse repetition rate H u or H J/m 2 Average energy density K 1 Beam propagation factor l c m Coherence length M 2 1 Beam propagation ratio p 1 Degree of linear polarization P W Cw-power P av W Average power P H W Pulse power P pk W Peak power Q J Pulse energy R(f) Hz 1 or db/hz Relative intensity noise, RIN w u or w m Beam radius w 0,u or w 0 m Beam waist radius z R m Rayleigh length m Misalignment angle m Spectral bandwidth in terms of wavelength Hz Spectral bandwidth in terms of optical frequenc x (z') m Beam positional stability in x-direction y (z') m Beam positional stability in y-direction z a m Astigmatic waist separation z r 1 Relative astigmatic waist separation 1 Ellipticity of a power density distribution L 1 Laser efficiency Q 1 Quantum efficiency T 1 Device efficiency u or rad Divergence angle x,u or x rad Divergence angle for x-direction y,u or y rad Divergence angle for y-direction m Wavelength H s Pulse duration 10 s 10 %-pulse duration c s Coherence time NOTE R(f) expressed in db/hz equals 10 lg R(f) with R(f) given in Hz 1. d 0 = 4 M 2 π When stating quantities marked by an index u, u shall always be replaced by the c A 90 for u = 90 %. λ f In contrast to these quantities defined by setting a cut-off value [ encircled power (energ and derived beam properties can also be defined based on the second moment of the po distribution function (see 3.5.2). Only beam propagation ratios based on beam widths an d f 2 ISO --``,,```,`,,,,,`,,,,,``,``,,,,,-`-`,,`,,`,`,,`--- Copyright International Organization for Standardization Monno, Previtali, Strano Provided by IHS under, license Tecnologia with ISO Meccanica: Le Lavorazioni No reproduction or networking permitted without license from IHS non Convenzionali, Città Studi Edizioni, 2012 Licensee=Politecnico Milano/5935522004 Not for Resale, 05/15/2014 06:35:53 MDT

L utensile laser ISO 11145:2006 Optics and Photonics Lasers and laser-related equipment Vocabulary and symbols Δz Non Gaussian beam: pdc = d 0g d reference [1] f f M 2 d y,u or d y m Beam width in y-direction d 0,u or d 0 m Beam waist diameter d. 0 /4 rad m Beam parameter product E u or E W/m 2 Average power density f p Hz Pulse repetition rate H u or H J/m 2 Average energy density K 1 Beam propagation factor l c m Coherence length M 2 1 Beam propagation ratio p 1 Degree of linear polarization P W Cw-power P av W Average power P H W Pulse power P pk W Peak power Q J Pulse energy R(f) Hz 1 or db/hz Relative intensity noise, RIN w u or w m Beam radius w 0,u or w 0 m Beam waist radius z R m Rayleigh length m Misalignment angle m Spectral bandwidth in terms of wavelength Hz Spectral bandwidth in terms of optical frequenc x (z') m Beam positional stability in x-direction y (z') m Beam positional stability in y-direction z a m Astigmatic waist separation z r 1 Relative astigmatic waist separation 1 Ellipticity of a power density distribution L 1 Laser efficiency Q 1 Quantum efficiency T 1 Device efficiency u or rad Divergence angle x,u or x rad Divergence angle for x-direction y,u or y rad Divergence angle for y-direction m Wavelength H s Pulse duration 10 s 10 %-pulse duration c s Coherence time NOTE R(f) expressed in db/hz equals 10 lg R(f) with R(f) given in Hz 1. When stating quantities marked by an index u, u shall always be replaced by the c A 90 for u = 90 %. Same d 0 : Δz pdc = d 2 0 π 4 M 2 λ Copyright International Organization for Standardization Provided by IHS under license with ISO No reproduction or networking permitted without license from IHS In contrast to these quantities defined by setting a cut-off value [ encircled power (energ and derived beam properties can also be defined based on the second moment of the po distribution function (see 3.5.2). Only beam propagation ratios based on beam widths an 2 ISO --``,,```,`,,,,,`,,,,,``,``,,,,,-`-`,,`,,`,`,,`--- Licensee=Politecnico Milano/5935522004 Not for Resale, 05/15/2014 06:35:53 MDT

Indice della presentazione 1. L UTENSILE LASER 2. PROCESSI DI LAVORAZIONE LASER 3. LA SALDATURA LASER 4. I TRATTAMENTI TERMICI LASER 5. EVOLUZIONI 4. CONCLUSIONI

I processi di lavorazione laser 7 100 Nd:YAG (1/3 λ) Nd:YAG Diodo Fibra CO 2 P = P + P P i t r r = RP P = ( 1 R)P = AP A+ R= 1 i t i i Assorbimento % A 80 60 40 20 0 Metalli Non Metalli 0.1 0.2 0.3 0.8 1 3 5 10 20 Lunghezza d onda (µm) Monno, Previtali, Strano, Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali, Città Studi Edizioni, 2012

I processi di lavorazione laser 8 100 80 Absorption % A 60 40 20 0.808 µm 0 1.06 µm 10.6 µm Melting Vaporisation Temperature Monno, Previtali, Strano, Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali, Città Studi Edizioni, 2012

I processi di lavorazione laser alcune tra le grandezze più significative dal punto di vista tecnologico: Lunghezza d onda, λ [nm] Potenza del fascio, P [kw] Diametro del fascio nel piano di fuoco, Φ spot [mm] à IRRADIANZA I = P/Φ spot [W/cm 2 ] Profondità di campo, Δz pdc [mm] Durata dell interazione laser-materia, τ [s] Monno, Previtali, Strano Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali, Città Studi Edizioni, 2012 reference [2]

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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 800 1000 nm W.Steen J.Mazumder, Laser Material Processing, Springer, 2010 [3]

Key hole laser welding: proximity laser welding 12 Fonte: Laser Technik Journal Cortesia IPG

Key hole laser welding: remote laser welding 13

La saldatura laser (λ = 1070 nm) Cu60Zn40 SMA, B.o.P. λ=1070nm, P=1kW Cu60Zn40, B.o.P. λ=1070nm, P=1kW DX56D+Z λ=1070nm, P=4kW DX56D+Z λ=1070nm, P=4kW AISI, s=2mm λ=1070nm, P=0.6kW AISI, buttλ=1070nm, P=1.0kW! Acciaio, s=6mm λ=1070nm, P=4.0kW

Qualche dato di mercato 15 Industrial Laser Solutions Jannuary 2014

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

Confronto con la saldatura tradizionale ad arco 17 Progetto MONACO: Tre tipologie di giunto Differenti materiali e spessori Saldatura laser vs GTAW Applicazione: settore del bianco (gap meno di 0.15 mm) VANTAGGI laser: Elevata produttività (4-8 volte) Elevata ripetibilità Ridotto apporto termico Post processo minimo Elevata flessibilità di processo Industrial Laser Solutions Laser welding in commercial furniture manufacturing, 27/01/2014

Confronto con la saldatura tradizionale ad arco 18 Progetto MONACO: Quattro tipologie di giunto Differenti materiali e spessori Saldatura laser vs GTAW Applicazione: settore del bianco (gap meno di 0.15 mm) SVANTAGGI laser: Strette tolleranze dai processi precedenti (taglio e piega) Nuova attrezzatura Attrezzatura complessa Design for specifico Industrial Laser Solutions Laser welding in commercial furniture manufacturing, 27/01/2014!

Il problema del gap: saldatura ibrida 19 Industrial Laser Solutions Innovation in shipbuilding using vertical-down hybrid laser welding, 15/07/2014

Il problema del gap: confronto CMT e laser 20 Saldatura laser prox senza filo AHS, 1.5-2 mm λ=1 µm, 3 kw, v=5 mm/s Saldatura CMT in collaborazione con ABB AHS, 1.5-2 mm V=12V, I=175A, v=20 mm/s

Il problema del gap: wobbling con scanner 21 λ=1 µm, 3 kw, v=15 mm/s Modifica del design del giunto Assenza del filo Minore deformazione Conveniente? λ=1 µm, 3 kw, v=30 mm/s

2 Beam shaping: wobbling con ottiche 22 Cortesia IPG

Brasatura con sorgenti a diodo 23! Left: Audi A3 in 2002 and the brazed joint in detail; right: 2012 Audi A3, brazing process, and roof joint in detail (Source: Audi) Sorgenti diodi, 3-4 kw Teste di prossimità Filo AlSi e argon (cricche a caldo & estetica) Velocità dell ordine di 4-7 m/min Elevata efficienza 45% Laser Technik Journal, A.Luft, Diode Lasers in Car-Body, 10(5) 2013

Saldatura diodo continua automotive di Al 24 Tailgate of a US truck with externally invisible seam; rinternal door part of modern series-production vehicle Series production Audi Q5 tailgate Sorgenti diodi, 4-6 kw Teste di prossimità Velocità dell ordine di 4-7 m/min Elevata efficienza 45% Laser Technik Journal, A.Luft, Diode Lasers in Car-Body, 10(5) 2013

Conclusioni 25 Ø Grande interesse per la saldatura laser Ø Sorgenti laser ad 1 micron con qualità da programmare Ø Beam shaping, wobbling, modellazione del fascio Ø Sistemi..

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Introduzione 27 Alluminio Automotive Bassa densità Duraturo Ottima conducibilità termica ed elettrica Alta resistenza alla corrosion Reciclabile

Di necessità Virtù: L addolcimento 28 Globale Locale Forno Laser POLITECNICO DI MILANO ORIGinal Advanced Manufacturing for Innovation in metal sheet forming

Attrezzatura e descrizione materiale 29 Attrezzatura Sorgente: Laser a fibra IPG YLR-1000 Max power: 1000W λ=1070 nm Materiale Movimentazione: ABB IRB 2400-10 Testa: HighYag BIMU Focale:200 mm Collimazione: 100 mm

Organizzazione del lavoro 30 Verifica di fattibilità Caso industriale T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Organizzazione del lavoro 31 Verifica di fattibilità Caso industriale T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 32 Verifica di fattibilità Caso industriale NON Deformato Parametro 25 % rid. spessore 50% rid. Spessore P [W] 900 650 V [mm/s] 3 3 D [mm] 4 4 Deformato Spessore iniziale: 2 mm T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 33 Verifica di fattibilità Caso industriale Strategia Tracce 1 Sovrapposte (50%) 2 Adiacenti 3 Distanziate T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 34 Verifica di fattibilità Caso industriale 25% 50% Distanz. Adiacenti Sovrapp. T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 35 Verifica di fattibilità Caso industriale 25% 50% Distanz. Adiacenti Sovrapp. T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 36 Verifica di fattibilità Caso industriale Ø Si è dimostrata l efficacia dell addolcimento laser in fibra su un materiale alto riflettente come la lega AL6060 Ø Per livelli di deformazione maggiori (spessori minori) l addolcimento laser risulta essere più efficacie Ø Per estendere la superficie trattata è necessario una sovrapposizione parziale di tra tracce successive T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 37 Verifica di fattibilità Caso industriale T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 38 Verifica di fattibilità Caso industriale Tubo Ø 80 mm Conifica Addolcimento in LASER forno Idroformatura Taglio e finitura T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 39 Verifica di fattibilità Caso industriale Anello Bugna T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 40 Verifica di fattibilità Caso industriale Anello Bugna Zona Potenza [W] Velocità [mm/s] Diametro spot [mm] Anello 650 3 4 Bugna 950 3 4 T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 41 Verifica di fattibilità Caso industriale A-A B-B Bugna B-B C-C A-A C-C Anello + Bugna Anello T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 42 Verifica di fattibilità Caso industriale A-A A-A C-C C-C Trattato laser Non Trattato T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 43 Verifica di fattibilità Caso industriale Idroformatura Non trattato Trattato laser Trattato Forno T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Risultati 44 Verifica di fattibilità Caso industriale Ø Dal punto di vista industriale si è dimostrata la validità dell addolcimento tramite laser in fibra come alternativa al forno Ø Tale tecnologia risulta strategica in componenti di grandi dimensioni che possono deformarsi in forno Ø Può essere applicata a forme complesse (previa opportuna programmazione del sistema di movimentazione) T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia

Indice della presentazione 1. L UTENSILE LASER 2. PROCESSI DI LAVORAZIONE LASER 3. LA SALDATURA LASER 4. I TRATTAMENTI TERMICI LASER 5. EVOLUZIONI 4. CONCLUSIONI

Evoluzioni 46 Laser metal deposition Selective laser melting

Qualche dato di mercato 47 Industrial Laser Solutions Jannuary 2014

Grazie per l attenzione 48 Barbara Previtali Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano via La Masa,1-20156, Milano (IT) website: http://sitec.mecc.polimi.it/ e-mail: barbara.previtali@polimi.it