Giunzione mediante laser di materiali difficili, ibridi ed a struttura cellulare

Lo studio presentato in questa sede concerne applicazioni di saldatura LASER caratterizzate da aspetti di non-convenzionalità ed è costituito da tre filoni principali. Nel primo ambito di intervento è stata valutata la possibilità di effettuare saldature per fusione, con LASER ad emissione continua, su pannelli Aluminum Foam Sandwich e su tubi riempiti in schiuma di alluminio. Lo studio ha messo in evidenza numerose linee operative riguardanti le problematiche relative alla saldatura delle pelli esterne dei componenti ed ha dimostrato la fattibilità relativa ad un approccio di giunzione LASER integrato (saldatura seguita da un post trattamento termico) per la realizzazione della giunzione completa di particolari tubolari riempiti in schiuma con ripristino della struttura cellulare all’interfaccia di giunzione. Il secondo ambito di intervento è caratterizzato dall’applicazione di una sorgente LASER di bassissima potenza, operante in regime ad impulsi corti, nella saldatura di acciaio ad elevato contenuto di carbonio. Lo studio ha messo in evidenza come questo tipo di sorgente, solitamente applicata per lavorazioni di ablazione e marcatura, possa essere applicata anche alla saldatura di spessori sub-millimetrici. In questa fase è stato messo in evidenza il ruolo dei parametri di lavoro sulla conformazione del giunto ed è stata definita l’area di fattibilità del processo. Lo studio è stato completato investigando la possibilità di applicare un trattamento LASER dopo saldatura per addolcire le eventuali zone indurite. In merito all’ultimo ambito di intervento l’attività di studio si è focalizzata sull’utilizzo di sorgenti ad elevata densità di potenza (60 MW/cm^2) nella saldatura a profonda penetrazione di acciai da costruzione. L’attività sperimentale e di analisi dei risultati è stata condotta mediante tecniche di Design of Experiment per la valutazione del ruolo preciso di tutti i parametri di processo e numerose considerazioni relative alla formazione di cricche a caldo sono state suggerite.

This dissertation concerns LASER-based joining and welding applications characterized by non-conventional prerogatives. The work is divided into three main topics: LASER joining of hybrid cellular-structured materials, with particular attention to aluminum foam sandwiches and foam-cored tubes, short-pulse LASER micro welding of high carbon steels and high power density continuous wave LASER welding of structural steels. The first topic investigates the role of LASER in joining hybrid components characterized by an external dense skin and an internal foam core. In particular the possibility of achieving both the fusion welding of the skin and the restoration of the cellular structure at the welding interface is assessed and the main guidelines concerning an integrated LASER welding - LASER heat treatment processing cycle are suggested. The second topic deals with the application of a low-power nanosecond pulsed LASER source in welding high carbon steels. The study points out that an accurate selection of pulse-related parameters allows to achieve sound micro-joints characterized by a penetration between 20 and 200 microns. These results point out the possibility to consider the construction of integrated LASER manufacturing cells in which, with the same low-cost source and on the same workpiece positioning, welding, cutting, marking and texturing processes can be performed. The study is completed by the investigation of the possibility to carry out a LASER post welding heat treatment for annealing the eventual hardened zones occurring in the welded material. The last topic deals with high power density LASER welding of carbon steels: by exploiting a high brilliance fiber source, capable of achieving 60 MW/cm^2, high penetration weld beads were obtained. By means of Design of Experiment techniques the role of radiation power, welding speed and beam focal position is assessed and several considerations were made concerning the influence of this kind of process on hot cracks formation.