Innovazioni di processo e sistema nella saldatura laser e ... · Daniele Colombo, Barbara Previtali...

Innovazioni di processo e sistema nella saldatura laser e trattamento termico e confronto con le soluzioni più tradizionali Daniele Colombo, Barbara Previtali SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser

Università di Brescia 16 Ottobre 2014

SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser

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

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

sitec.mecc.polimi.it


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/DIS 11145

2 © ISO 2013 – All rights reserved

Table 1 — Symbols and units of measurement

Symbol Unit Term Au or AV m2 Beam cross-sectional area du or dV m Beam diameter

dx,u or dV x m Beam width in x-direction dy,u or dV y m Beam width in y-direction d0,u or dV 0 m Beam waist diameter dV 0

.4V /4 rad m Beam parameter product Eu or EV W/m2 Average power density

fp Hz Pulse repetition rate Hu or HV J/m2 Average energy density

K 1 Beam propagation factor lc m Coherence length

M 2 1 Beam propagation ratio

p 1 Degree of linear polarization P W Cw-power

Pav W Average power PH W Pulse power Ppk W Peak power Q J Pulse energy

R(f) Hz �1 or dB/Hz Relative intensity noise, RIN wu or wV m Beam radius

w0,u or wV 0 m Beam waist radius zR m Rayleigh length '- m Misalignment angle 'O m Spectral bandwidth in terms of wavelength 'Q Hz Spectral bandwidth in terms of optical frequency 'x(z') m Beam positional stability in x-direction 'y(z') m Beam positional stability in y-direction 'za m Astigmatic waist separation 'zr 1 Relative astigmatic waist separation H 1 Ellipticity of a power density distribution KL 1 Laser efficiency KQ 1 Quantum efficiency K T 1 Device efficiency

4u or 4V rad Divergence angle 4x,u or 4V x rad Divergence angle for x-direction 4y,u or 4V y rad Divergence angle for y-direction

O m Wavelength W H s Pulse duration W10 s 10 %-pulse duration Wc 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 concrete number, e.g. A90 for u = 90 %.

In contrast to these quantities defined by setting a cut-off value [“encircled power (energy)”], the beam widths and derived beam properties can also be defined based on the second moment of the power (energy) density distribution function (see 3.5.2). Only beam propagation ratios based on beam widths and divergence angles

Copyright International Organization for Standardization Provided by IHS under license with ISO Licensee=Politecnico Milano/5935522004

Not for Resale, 05/15/2014 06:35:53 MDTNo reproduction or networking permitted without license from IHS

--``,,```,`,,,,,`,,,,,``,``,,,,,-`-`,,`,,`,`,,`---

ISO 11145:2006 Optics and Photonics

Lasers and laser-related equipment Vocabulary and symbols

d 0 =4 ⋅M 2

πλ ⋅ fd f

0

2 0

0

4g

g

f

fdd

dMd

λπ

⋅=

=

Monno, Previtali, Strano , “Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali”, Città Studi Edizioni, 2012


L’utensile laser

ISO/DIS 11145

2 © ISO 2013 – All rights reserved

Table 1 — Symbols and units of measurement

Symbol Unit Term Au or AV m2 Beam cross-sectional area du or dV m Beam diameter

dx,u or dV x m Beam width in x-direction dy,u or dV y m Beam width in y-direction d0,u or dV 0 m Beam waist diameter dV 0

.4V /4 rad m Beam parameter product Eu or EV W/m2 Average power density

fp Hz Pulse repetition rate Hu or HV J/m2 Average energy density

K 1 Beam propagation factor lc m Coherence length

M 2 1 Beam propagation ratio

p 1 Degree of linear polarization P W Cw-power

Pav W Average power PH W Pulse power Ppk W Peak power Q J Pulse energy

R(f) Hz �1 or dB/Hz Relative intensity noise, RIN wu or wV m Beam radius

w0,u or wV 0 m Beam waist radius zR m Rayleigh length '- m Misalignment angle 'O m Spectral bandwidth in terms of wavelength 'Q Hz Spectral bandwidth in terms of optical frequency 'x(z') m Beam positional stability in x-direction 'y(z') m Beam positional stability in y-direction 'za m Astigmatic waist separation 'zr 1 Relative astigmatic waist separation H 1 Ellipticity of a power density distribution KL 1 Laser efficiency KQ 1 Quantum efficiency K T 1 Device efficiency

4u or 4V rad Divergence angle 4x,u or 4V x rad Divergence angle for x-direction 4y,u or 4V y rad Divergence angle for y-direction

O m Wavelength W H s Pulse duration W10 s 10 %-pulse duration Wc 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 concrete number, e.g. A90 for u = 90 %.

In contrast to these quantities defined by setting a cut-off value [“encircled power (energy)”], the beam widths and derived beam properties can also be defined based on the second moment of the power (energy) density distribution function (see 3.5.2). Only beam propagation ratios based on beam widths and divergence angles

Copyright International Organization for Standardization Provided by IHS under license with ISO Licensee=Politecnico Milano/5935522004

Not for Resale, 05/15/2014 06:35:53 MDTNo reproduction or networking permitted without license from IHS

--``,,```,`,,,,,`,,,,,``,``,,,,,-`-`,,`,,`,`,,`---

ISO 11145:2006 Optics and Photonics

Lasers and laser-related equipment Vocabulary and symbols

reference [1]

Non Gaussian beam:

20 Mdfd

zf

gpdc

⋅=Δ

Δzpdc =d 20 ⋅

π4

M 2 ⋅λSame d0:





5.  EVOLUZIONI

4. CONCLUSIONI


7

11

i t r

r i

t i i

P P PP RPP ( R )P APA R

= +

=

= − =

+ =

0.1 0.2 0.3 0.8 1 3 5 10 20

Fibra

Nd:YAG CO2

Ass

orbi

men

to %

A

100

80

60

40

20

0

Lunghezza d�onda (µm)

Metalli

Non Metalli

Diodo Nd:YAG (1/3 λ)

I processi di lavorazione laser



8

Abs

orpt

ion

% A

100

80

60

40

20

0

Melting Vaporisation

Temperature

1.06 µm 10.6 µm

0.808 µm





Monno, Previtali, Strano “Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali”,

Città Studi Edizioni, 2012 reference [2]

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, Φspot [mm]

à IRRADIANZA I = P/Φspot [W/cm2]

•  Profondità di campo, Δzpdc [mm]

•  Durata dell’interazione laser-materia, τ [s]





5.  EVOLUZIONI

4. CONCLUSIONI


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

Cortesia IPG

Fonte: Laser Technik Journal


Key hole laser welding: remote laser welding 13


Cu60Zn40, B.o.P. λ=1070nm, P=1kW

La saldatura laser (λ = 1070 nm)

Cu60Zn40 SMA, B.o.P. λ=1070nm, P=1kW

AISI, s=2mm λ=1070nm, P=0.6kW

!

AISI, butt- λ=1070nm, P=1.0kW

Acciaio, s=6mm λ=1070nm, P=4.0kW

DX56D+Z λ=1070nm, P=4kW

DX56D+Z λ=1070nm, P=4kW


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

Saldatura CMT in collaborazione con ABB

AHS, 1.5-2 mm λ=1 µm, 3 kW, v=5 mm/s

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=30 mm/s

λ=1 µm, 3 kW, v=15 mm/s

•  Modifica del design del giunto •  Assenza del filo •  Minore deformazione •  Conveniente?


22 2 Beam shaping: wobbling con ottiche

Cortesia IPG


Brasatura con sorgenti a diodo

Left: Audi A3 in 2002 and the brazed joint in detail; right: 2012 Audi A3, brazing process, and roof joint in detail (Source: Audi)

23

!

•  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 …..





5.  EVOLUZIONI

4. CONCLUSIONI


Introduzione 27

Automotive Alluminio

•  Bassa densità •  Duraturo •  Ottima conducibilità termica ed

elettrica •  Alta resistenza alla corrosion •  Reciclabile


Di necessità Virtù: L’addolcimento 28

ORIGinal Advanced Manufacturing for Innovation in metal sheet forming

POLITECNICO DI MILANO

Thermal treatment

Locale Globale

Forno Laser


Attrezzatura e descrizione materiale 29

Sorgente: Laser a fibra IPG YLR-1000 Max power: 1000W λ=1070 nm

Movimentazione: ABB IRB 2400-10 Testa: HighYag BIMU Focale:200 mm

Collimazione: 100 mm

Attrezzatura

Materiale


Organizzazione del lavoro 30

Verifica di fattibilità Caso industriale

T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia


Organizzazione del lavoro 31




Risultati 32



NON Deformato

Deformato

Parametro 25 % rid. spessore 50% rid. Spessore P [W] 900 650 V [mm/s] 3 3 D [mm] 4 4

Spessore iniziale: 2 mm


Risultati 33



Strategia Tracce

1 Sovrapposte (50%)

2 Adiacenti

3 Distanziate


Risultati 34



25% 50%

Sov

rapp

. A

diac

enti

Dis

tanz

.


Risultati 35



25% 50%

Sov

rapp

. A

diac

enti

Dis

tanz

.


Risultati 36



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


Risultati 37




Risultati 38



Tubo Ø 80 mm

Conifica

Addolcimento in forno

Idroformatura

Taglio e finitura

Addolcimento LASER


Risultati 39



Ane

llo

Bugna


Risultati 40



Ane

llo

Bugna

Zona Potenza [W] Velocità [mm/s] Diametro spot [mm] Anello 650 3 4 Bugna 950 3 4


Risultati 41


A-A

B-B B-B

C-C

A-A

C-C


Anello

Bugna

Anello + Bugna


Risultati 42


A-A

C-C


A-A

C-C

Trattato laser Non Trattato


Risultati 43



Non trattato

Idroformatura

Trattato laser Trattato Forno


Risultati 44



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)





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: [email protected]

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