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
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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
Alessandro Fortunato
Leonardo Orazi
Giampaolo Campana
Alessandro Ascari
Adrian Lutey
Erica Liverani
Nunziante Pagano
Iaroslav Gnilitskyi
Le macchine
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1 kW Nd:YAG sorgente in continuo
4 kW Diode sorgente in continuo
20 W Fiber laser sorgente ad impulsi (durata di impulso ns)
200 W Nd:YAG sorgente ad impulsi (durata di impulso ms)
Robot antropomorfo
Centro CNC
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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
106 W/mm2
SORGENTE
LASER
100 W
10 W/mm2
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
fp: frequenza di pulsazione
τ: durata di un singolo impulso
Modalità ad impulsi PW
Pav: potenza media emessa dalla
sorgente
P H : potenza media del singolo
impulso
Ppk: potenza di picco
Q: energia di ogni singolo impulso
→ Il duty cycle rappresenta la percentuale di tempo in cui la
sorgente emette la radiazione
τ
δ= f p τ =
T
Vantaggi del laser
Saldatura diretta Plastica-Metallo
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
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
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Obiettivi della tecnologia
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Caratteristiche salienti
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
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
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Configurazioni giunto
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Trasmissività
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
20
Fisica del processo
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
21
I fattori di giunzione
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
La posizione del fuoco è un parametro fondamentale!
22
Come appare un cordone?
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Attrezzature e setup
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
!
Attrezzatura per il serraggio del giunto per sovrapposizione. Il gas di
assistenza usato è sempre argon
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Saldature con CO2
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CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
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 CO2
Velocità di saldatura costante ad 1m/min
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Come appaiono le superfici?
a) Lato metallo
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
b) Lato poliammide rinforzata
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Tipologie di rotture
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
§  In un giunto ottimale la rottura avviene sempre fuori dal cordone
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Risultati ottenibili con Nd:YAG
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Spot circolare
!
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AISI-PAGF 30% 660W; 12mm/s
TI-PA 1047W; 6mm/s
Qualche considerazione sui diodi
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Le resistenze del giunto metallo-plastica sono il doppio del giunto plastica-plastica
Spot rettangolare 1x10mm
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Ti-El:170 W;v=5mm/sec
PA-PA:20 W; v=5mm/sec
Confronto CO2-Nd:YAG
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Resistenze meccaniche
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Carichi massimi di ro,ura o,enibili con diverse plas4che CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Plastic
Molecular formula
PA
O
(Polyamide)
PC
(Polycarbonate)
PET
Tensile load
CHｍ N
H
C
O
CH3
C O
C
CH3
3,434 N
n
1,330 N
O
n
O
(Polyethylene terephthalate)
C
C
O
O
C 2H 4
2,950 N
O
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
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
Le finestre operative sono molto strette!
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Effetto della potenza laser
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
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INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Meccanismo di giunzione
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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Nuove applicazioni
CENTRO
INTERDIPARTIMENTALE
DI RICERCA
INDUSTRIALE
MECCANICA AVANZATA E MATERIALI
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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
[email protected]
www.unibo.it