SALDATURA LASER DI MATERIALI DISSIMILI Prof. Alessandro Fortunato DIN-Università di Bologna
DIN Il Dipartimento di Ingegneria Industriale svolge le funzioni relative alla ricerca scientifica e alle attività formative nell ambito delle aree tipiche dell'ingegneria Aerospaziale, Biomeccanica, Energetica, Gestionale, Meccanica, Nucleare, della Fisica Tecnica e della Metallurgia. Ha la struttura di un multi-campus con sedi a Forlì, Rimini e Ravenna Circa 100 tra professori e ricercatori a cui si aggiungono circa altri 50 dottorandi di ricerca http://www.ingegneriaindustriale.unibo.it/it
Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Il laser Le macchine utensili Processi di deformazione plastica Fonderia Materiali compositi a matrice polimerica http://www.ingegneriaindustriale.unibo.it/it/ricerca/ambiti-di-ricerca/tecnologiee-sistemi-di-lavorazione
CIRI
Gruppo Laser Il gruppo laser Le macchine Alessandro Fortunato Leonardo Orazi Giampaolo Campana Alessandro Ascari Adrian Lutey Erica Liverani Nunziante Pagano Iaroslav Gnilitskyi Ø 1 kw Nd:YAG sorgente in continuo Ø 4 kw Diode sorgente in continuo Ø 20 W Fiber laser sorgente ad impulsi (durata di impulso ns) Ø 200 W Nd:YAG sorgente ad impulsi (durata di impulso ms) Ø Robot antropomorfo Ø Centro CNC 13 years in laser material interaction research field and more than 100 scientific publications Several end users interested in the technology
Il Laser P Intensità = P / A L intensità è il parametro che utilizzo nella lavorazioni. La posso variare variando la potenza P oppure il diametro dello spot d I laser di buona qualità sono quelli che possono essere focalizzati su spot più piccoli
Confronto laser lampadina SORGENTE LASER 100 W 10 6 W/mm 2 10 W/mm 2 100 W Con una lampadina da 100 W posso solo illuminare mentre con un laser da 100 W posso fondere/vaporizzare materiali metallici!!!
Proprietà Al variare della lunghezza d onda: Onda infra-rossa λ = 1064 nm Onda verde λ = 532 nm Al variare dell ampiezza: Onda rossa con bassa intensità Onda rossa con alta intensità
Spettro di emissione Lunghezze d onda dei tipi comuni di laser: Azoto λ = 337 nm Argon λ = 500 nm Rubino λ = 700 nm Neodimio λ = 1,06 µm Anidride carbonica λ = 10,6 µm
La riflettività è il maggior problema!
Modalità di funzionamento Modalità in continuo CW Modalità ad impulsi PW f p : frequenza di pulsazione τ: durata di un singolo impulso P av : potenza media emessa dalla sorgente P H : potenza media del singolo impulso P pk : potenza di picco Q: energia di ogni singolo impulso Il duty cycle rappresenta la percentuale di tempo in cui la sorgente emette la radiazione δ= f p τ= τ T
Vantaggi del laser
Saldatura diretta Plastica-Metallo CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Motivazioni e possibili settori applicativi Fenomeni fisici di maggiore rilevanza Esempio applicativo con laser di potenza Effetti della potenza della sorgente laser Materiali saldati e carichi di resistenza ottenuti 15
La giunzione plastica - metallo CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 16
Obiettivi della tecnologia CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 17
Caratteristiche salienti CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Si possono saldare sia plastiche opache che trasparenti. Le plastiche possono essere anche caricate con fibra di vetro o fibra di carbonio Le sorgenti laser utilizzate sono ad alta efficienza e a basso costo I carichi di rottura massimi sopportabili dal giunto possono essere superiori a quelli ottenibili per incollaggio 18
Configurazioni giunto CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 19
Trasmissività CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 20
Fisica del processo CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 21
I fattori di giunzione CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI La posizione del fuoco è un parametro fondamentale! 22
Come appare un cordone? CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 23
Attrezzature e setup CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI! Attrezzatura per il serraggio del giunto per sovrapposizione. Il gas di assistenza usato è sempre argon 24
Saldature con CO2 CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Il metallo in esame è AISI 304 di dimensione: 100x50x1 mm Il polimero ha sempre le seguenti dimensioni: 100x50x2 Le sorgenti laser usate sono: CO2 FAF El.En. da 3 kw Modalità di saldatura: per sovrapposizione sul metallo Riflettività tipiche dell AISI304: 85% col CO 2 Velocità di saldatura costante ad 1m/min 25
Come appaiono le superfici? CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI a) Lato metallo b) Lato poliammide rinforzata 26
Tipologie di rotture CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI In un giunto ottimale la rottura avviene sempre fuori dal cordone 27
Risultati ottenibili con Nd:YAG CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Spot circolare! 28
AISI-PAGF 30% 660W; 12mm/s TI-PA 1047W; 6mm/s
Qualche considerazione sui diodi CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Le resistenze del giunto metallo-plastica sono il doppio del giunto plastica-plastica Spot rettangolare 1x10mm 30
Ti-El:170 W;v=5mm/sec PA-PA:20 W; v=5mm/sec
Confronto CO2-Nd:YAG CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 32
Resistenze meccaniche CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 33
CENTRO Carichi massimi di ro,ura o,enibili con diverse INTERDIPARTIMENTALE plas4che MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Plastic Molecular formula Tensile load PA (Polyamide) O C CH N H n 3,434 N PC (Polycarbonate) O C O CH 3 C CH 3 O n 1,330 N PET (Polyethylene terephthalate) O C C O O C 2 H 4 O n 2,950 N Con carichi di rottura 15 MPa per ogni cordone! 34
Discussione risultati Nd:YAG Per vincere la riflettività dell Alluminio si lavora con potenze prossime al kw anche se con spot defocalizzato sempre per avere resistenza del giunto più alte (maggiore superficie del cordone) P/v= 250 J/mm Per quanto riguarda la configurazione del giunto con alluminio si focalizza sempre sul metallo. Per gli altri metalli dipende dall assorbitività della plastica A parità di potenza sul Ti ed AISI si sono avuti carichi massimi inferiori del 40% rispetto al diodo per via della minore estensione del cordone (spot diodo più grande) Nessuna difficoltà di saldare metallo con PA rinforzato col 30% di fibra di vetro
Effetto della potenza laser CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI Le finestre operative sono molto strette! 36
Effetto della potenza laser CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 37
Meccanismo di giunzione CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 38
Nuove applicazioni CENTRO INTERDIPARTIMENTALE MECCANICA AVANZATA E MATERIALI 39
5. CONCLUSIONI Sono possibili saldature sia con laser diodi che Nd:YAG che CO2 su AISI, leghe di alluminio e leghe di titanio saldate su PA66, PET, Elastomeri e materiali compositi con fibra di vetro e di carbonio fino a 40% I risultati preliminari dimostrano che 2kN (15-20 Mpa) di carico massimo possono essere facilmente ottenuti e replicati. Ci sono sensibili variazioni di risultati tra prove differenti soprattutto in termini di allungamenti a rottura La rottura avviene nella Zona Termicamente Alterata della plastica
Approfondimenti Introduzione ai processi di saldatura. Ed.2014. Pitagora editore. Ascari-Fortunato
Alessandro Fortunato Università degli Studi di Bologna, dipartimento DIN alessandro.fortunato@unibo.it www.unibo.it