Study and experimental characterization of the laser welding process for the manufacturing of electric powertrain components in the automotive industry

The PhD project that will be presented in this thesis is focused on the study and optimization of the production process for the manufacturing of electrical powertrain components in the automotive field using the laser beam welding process (LBW). The objective is to define, through experimental activities, an optimized process condition for applications in the electrical field that can be generalized, that is, which guarantees its reproducibility as the types of connections vary and which represents the basis for extending the method to future applications in e-mobility sector. The work developed along two lines of research, the convergence of which made it possible to create prototypes of battery modules based on different types of lithium-ion cells and stator windings for electric motors. On the one hand, the different welding configurations involving the production of batteries based on pouch cells and therefore the welding of aluminum and copper in dissimilar configuration were studied, while for the prismatic cells only one configuration was analyzed. On the other hand, the welding of pure copper hairpins with rectangular shape in edge joint configuration was studied for the production of stator windings. The experimental tests carried out have demonstrated the feasibility of using the LBW process for the production of electric powertrain components entirely designed and developed internally as the types of materials and welding configurations vary; the methodologies required for the characterization methods, necessary for the end-of-line tests, for the evaluation of the properties of the different joint configurations and components (battery and electric motor) were also defined with the aim of obtaining the best performance. The entire doctorate program was conducted in collaboration with Ferrari Auto S.p.A. and the direct industrial application of the issues addressed has been faced.

Dinamica sedimentaria torbiditica in bacini confinati: margine orientale della Sardegna

La sedimentazione clastica di mare profondo è attualmente uno dei principali argomenti della ricerca sedimentologica sia in ambito puramente accademico che in ambito petrolifero-industriale. Gli studi recenti hanno enfatizzato l'influenza fondamentale della topografia preesistente del fondo marino sulla crescita e la morfologia sui fan di mare profondo; si è visto come, in molti systemi torbiditici, l’evoluzione dei processi deposizionali sia stata da moderatamente a fortemente controllata dall’ effetto di confinamento di scarpate tettoniche, ridge strutturali e seamounts. Scopo di questo lavoro è studiare l'effetto del confinamento alla scala di bacino sui principali sistemi torbiditici del margine orientale della Sardegna che rappresenta un margine passivo articolato di bacini di intraslope confinati verso mare da seamounts. Lo studio dei sistemi deposizionali è stato eseguito attraverso l'interpretazione di dati di batimetria multibeam ad alto dettaglio acquisiti dall’ISMAR di Bologna durante la crociera Tir99. L’ interpretazione multibeam è stata integrata con l’ analisi di profili sismici a riflessione per comprendere la morfologia l’organizzazione interna e l’evoluzione nel tempo dei principali elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. Tre bacini di intraslope (Olbia, Baronie e il settore settentrionale del bacino Ogliastra) sono stati investigati. Il bacino di Olbia è il bacino più settentrionale del margine orientale della Sardegna ed è limitato verso mare dai seamount Etruschi e Baronie. Il principale sistema torbiditico del bacino di Olbia è costituito dal Caprera, articolato in un sistema di canyon alimentatori nella piattaforma e nella scarpata continentale e da un ampio canale con argini alla base della scarpata. Il Caprera è fiancheggiato da un ampia piattaforma continentale, e questa, fungendo da “magazzino” per il materiale piu grossolando, può spiegare la peculiare architettura sedimentaria del suo fan. L'effetto di confinamento del bacino sulla forma e sull'evoluzione del fan del Caprera è evidente soprattutto sull'asimmetria dei leve e su fenomeni di avulsione che hanno coinvolto il canale. Il bacino di intraslope di Olbia appare completamente riempito, e, nel bordo orientale, è presente il canyon di intrabacino verso il bacino sottostante. Gli effetti dell'abbassamento del livello di base sono visibili nel settore distale del sistema, dove si ha lo sviluppo di canali distributari e di valli erosive a basso rilievo, che rappresentano le porzioni "upslope" dei canyon di "bypass". Il bacino di intraslope del Baronie è il bacino centrale del margine, confinato verso mare dal seamount delle Baronie, e presenta una via di fuga laterale rappresentato dal sistema di canyon di Gonone-Orosei. Il Posada è il sistema torbiditico principale, consiste di un canyon profondamente inciso nella piattaforma e nella scarpata, e sviluppa alla base della scarpata un piccolo fa radiale. La morfologia del è il risultato dell'interazione complessa tra la geoemtria del bacino ricevente ed il comportamento dei flussi sedimentari. La forma del bacino ha costretto il sistema torbiditico a cambiare la direzione di sviluppo, da est verso sud. Processi di framanento in massa a grande scala hanno inoltre contribuito alla riorganizzazione del sistema torbiditico. Il bacino dell’Ogliastra è localizzato nel settore meridionale del margine, limitato verso mare dal seamount Quirra. Il settore settentrionale della scarpata continentale del bacino Ogliastra è caratterizzato da canyon e incisioni di carattere ibrido, con tratti deposizionali ed erosivi. L'Arbatax è il principale sistema torbiditico del bacino di Ogliastra caratterizzato da un settore meridionale dominato da un canale alimentatore e da un settore settentrionale abbandonato, caratterizzato da fenomeni di smantellamento e instabilità gravitativa. In generale i risultati dello studio evidenziano l'importanza della combinazione dei fattori di controllo esterni, e della topografia preesistente, nello sviluppo dei processi sedimentari e degli elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. In particolare, appare evidente come lo stile deposizionale dei sistemi torbiditici in ambiente confinato diverga sostanzialmente da quello previsto dai modelli di fan sottomarini usati come strumenti predittivi nella esplorazione e sfruttamento dei giacimenti di idrocarburi.

Meccanismi di formazione dei tubi di lava

Two analytical models are proposed to describe two different mechanisms of lava tubes formation. A first model is introduced to describe the development of a solid crust in the central region of the channel, and the formation of a tube when crust widens until it reaches the leve\'es. The Newtonian assumption is considered and the steady state Navier- Stokes equation in a rectangular conduit is solved. A constant heat flux density assigned at the upper flow surface resumes the combined effects of two thermal processes: radiation and convection into the atmosphere. Advective terms are also included, by the introduction of velocity into the expression of temperature. Velocity is calculated as an average value over the channel width, so that lateral variations of temperature are neglected. As long as the upper flow surface cools, a solid layer develops, described as a plastic body, having a resistance to shear deformation. If the applied shear stress exceeds this resistance, crust breaks, otherwise, solid fragments present at the flow surface can weld together forming a continuous roof, as it happens in the sidewall flow regions. Variations of channel width, ground slope and effusion rate are analyzed, as parameters that strongly affect the shear stress values. Crust growing is favored when the channel widens, and tube formation is possible when the ground slope or the effusion rate reduce. A comparison of results is successfully made with data obtained from the analysis of pictures of actual flows. The second model describes the formation of a stable, well defined crust along both channel sides, their growing towards the center and their welding to form the tube roof. The fluid motion is described as in the model above. Thermal budget takes into account conduction into the atmosphere, and advection is included considering the velocity depending both on depth and channel width. The solidified crust has a non uniform thickness along the channel width. Stresses acting on the crust are calculated using the equations of the elastic thin plate, pinned at its ends. The model allows to calculate the distance where crust thickness is able to resist the drag of the underlying fluid and to sustain its weight by itself, and the level of the fluid can lower below the tube roof. Viscosity and thermal conductivity have been experimentally investigated through the use of a rotational viscosimeter. Analyzing samples coming from Mount Etna (2002) the following results have been obtained: the fluid is Newtonian and the thermal conductivity is constant in a range of temperature above the liquidus. For lower temperature, the fluid becomes non homogeneous, and the used experimental techniques are not able to detect any properties, because measurements are not reproducible.

Studio di fenomeni d'instabilità gravitativa sui fondali marini, con particolare riferimento all'isola di Stromboli

In the last decade the interest for submarine instability grew up, driven by the increasing exploitation of natural resources (primary hydrocarbons), the emplacement of bottom-lying structures (cables and pipelines) and by the development of coastal areas, whose infrastructures increasingly protrude to the sea. The great interest for this topic promoted a number of international projects such as: STEAM (Sediment Transport on European Atlantic Margins, 93-96), ENAM II (European North Atlantic Margin, 96-99), GITEC (Genesis and Impact of Tsunamis on the European Coast 92-95), STRATAFORM (STRATA FORmation on Margins, 95-01), Seabed Slope Process in Deep Water Continental Margin (Northwest Gulf of Mexico, 96-04), COSTA (Continental slope Stability, 00-05), EUROMARGINS (Slope Stability on Europe’s Passive Continental Margin), SPACOMA (04-07), EUROSTRATAFORM (European Margin Strata Formation), NGI's internal project SIP-8 (Offshore Geohazards), IGCP-511: Submarine Mass Movements and Their Consequences (05-09) and projects indirectly related to instability processes, such as TRANSFER (Tsunami Risk ANd Strategies For the European region, 06-09) or NEAREST (integrated observations from NEAR shore sourcES of Tsunamis: towards an early warning system, 06-09). In Italy, apart from a national project realized within the activities of the National Group of Volcanology during the framework 2000-2003 “Conoscenza delle parti sommerse dei vulcani italiani e valutazione del potenziale rischio vulcanico”, the study of submarine mass-movement has been underestimated until the occurrence of the landslide-tsunami events that affected Stromboli on December 30, 2002. This event made the Italian Institutions and the scientific community more aware of the hazard related to submarine landslides, mainly in light of the growing anthropization of coastal sectors, that increases the vulnerability of these areas to the consequences of such processes. In this regard, two important national projects have been recently funded in order to study coastal instabilities (PRIN 24, 06-08) and to map the main submarine hazard features on continental shelves and upper slopes around the most part of Italian coast (MaGIC Project). The study realized in this Thesis is addressed to the understanding of these processes, with particular reference to Stromboli submerged flanks. These latter represent a natural laboratory in this regard, as several kind of instability phenomena are present on the submerged flanks, affecting about 90% of the entire submerged areal and often (strongly) influencing the morphological evolution of subaerial slopes, as witnessed by the event occurred on 30 December 2002. Furthermore, each phenomenon is characterized by different pre-failure, failure and post-failure mechanisms, ranging from rock-falls, to turbidity currents up to catastrophic sector collapses. The Thesis is divided into three introductive chapters, regarding a brief review of submarine instability phenomena and related hazard (cap. 1), a “bird’s-eye” view on methodologies and available dataset (cap. 2) and a short introduction on the evolution and the morpho-structural setting of the Stromboli edifice (cap. 3). This latter seems to play a major role in the development of largescale sector collapses at Stromboli, as they occurred perpendicular to the orientation of the main volcanic rift axis (oriented in NE-SW direction). The characterization of these events and their relationships with successive erosive-depositional processes represents the main focus of cap.4 (Offshore evidence of large-scale lateral collapses on the eastern flank of Stromboli, Italy, due to structurally-controlled, bilateral flank instability) and cap. 5 (Lateral collapses and active sedimentary processes on the North-western flank of Stromboli Volcano), represented by articles accepted for publication on international papers (Marine Geology). Moreover, these studies highlight the hazard related to these catastrophic events; several calamities (with more than 40000 casualties only in the last two century) have been, in fact, the direct or indirect result of landslides affecting volcanic flanks, as observed at Oshima-Oshima (1741) and Unzen Volcano (1792) in Japan (Satake&Kato, 2001; Brantley&Scott, 1993), Krakatau (1883) in Indonesia (Self&Rampino, 1981), Ritter Island (1888), Sissano in Papua New Guinea (Ward& Day, 2003; Johnson, 1987; Tappin et al., 2001) and Mt St. Augustine (1883) in Alaska (Beget& Kienle, 1992). Flank landslide are also recognized as the most important and efficient mass-wasting process on volcanoes, contributing to the development of the edifices by widening their base and to the growth of a volcaniclastic apron at the foot of a volcano; a number of small and medium-scale erosive processes are also responsible for the carving of Stromboli submarine flanks and the transport of debris towards the deeper areas. The characterization of features associated to these processes is the main focus of cap. 6; it is also important to highlight that some small-scale events are able to create damage to coastal areas, as also witnessed by recent events of Gioia Tauro 1978, Nizza, 1979 and Stromboli 2002. The hazard potential related to these phenomena is, in fact, very high, as they commonly occur at higher frequency with respect to large-scale collapses, therefore being more significant in terms of human timescales. In the last chapter (cap. 7), a brief review and discussion of instability processes identified on Stromboli submerged flanks is presented; they are also compared with respect to analogous processes recognized in other submerged areas in order to shed lights on the main factors involved in their development. Finally, some applications of multibeam data to assess the hazard related to these phenomena are also discussed.

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.

Modelling, diagnostics and experimental analysis of plasma assisted processes for material treatment

This work presents results from experimental investigations of several different atmospheric pressure plasmas applications, such as Metal Inert Gas (MIG) welding and Plasma Arc Cutting (PAC) and Welding (PAW) sources, as well as Inductively Coupled Plasma (ICP) torches. The main diagnostic tool that has been used is High Speed Imaging (HSI), often assisted by Schlieren imaging to analyse non-visible phenomena. Furthermore, starting from thermo-fluid-dynamic models developed by the University of Bologna group, such plasma processes have been studied also with new advanced models, focusing for instance on the interaction between a melting metal wire and a plasma, or considering non-equilibrium phenomena for diagnostics of plasma arcs. Additionally, the experimental diagnostic tools that have been developed for industrial thermal plasmas have been used also for the characterization of innovative low temperature atmospheric pressure non equilibrium plasmas, such as dielectric barrier discharges (DBD) and Plasma Jets. These sources are controlled by few kV voltage pulses with pulse rise time of few nanoseconds to avoid the formation of a plasma arc, with interesting applications in surface functionalization of thermosensitive materials. In order to investigate also bio-medical applications of thermal plasma, a self-developed quenching device has been connected to an ICP torch. Such device has allowed inactivation of several kinds of bacteria spread on petri dishes, by keeping the substrate temperature lower than 40 degrees, which is a strict requirement in order to allow the treatment of living tissues.