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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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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:
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
Monno, Previtali, Strano , “Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali”, Città Studi Edizioni, 2012
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
8
Abs
orpt
ion
% A
100
80
60
40
20
0
Melting Vaporisation
Temperature
1.06 µm 10.6 µm
0.808 µm
I processi di lavorazione laser
Monno, Previtali, Strano , “Tecnologia Meccanica: Le Lavorazioni non Convenzionali”, Città Studi Edizioni, 2012
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
I processi di lavorazione laser
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]
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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]
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Key hole laser welding: proximity laser welding 12
Cortesia IPG
Fonte: Laser Technik Journal
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Qualche dato di mercato 15
Industrial Laser Solutions – Jannuary 2014
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Il problema del gap: saldatura ibrida 19
Industrial Laser Solutions – Innovation in shipbuilding using vertical-down hybrid laser welding, 15/07/2014
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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?
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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 …..
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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
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Introduzione 27
Automotive Alluminio
• Bassa densità • Duraturo • Ottima conducibilità termica ed
elettrica • Alta resistenza alla corrosion • Reciclabile
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Di necessità Virtù: L’addolcimento 28
ORIGinal Advanced Manufacturing for Innovation in metal sheet forming
POLITECNICO DI MILANO
Thermal treatment
Locale Globale
Forno Laser
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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
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Organizzazione del lavoro 30
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
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Organizzazione del lavoro 31
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Risultati 32
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
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
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Risultati 33
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Strategia Tracce
1 Sovrapposte (50%)
2 Adiacenti
3 Distanziate
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Risultati 34
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
25% 50%
Sov
rapp
. A
diac
enti
Dis
tanz
.
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Risultati 35
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
25% 50%
Sov
rapp
. A
diac
enti
Dis
tanz
.
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Risultati 36
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
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
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Risultati 37
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
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Risultati 38
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Tubo Ø 80 mm
Conifica
Addolcimento in forno
Idroformatura
Taglio e finitura
Addolcimento LASER
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Risultati 39
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Ane
llo
Bugna
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Risultati 40
Verifica di fattibilità Caso industriale
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Ane
llo
Bugna
Zona Potenza [W] Velocità [mm/s] Diametro spot [mm] Anello 650 3 4 Bugna 950 3 4
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Risultati 41
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
A-A
B-B B-B
C-C
A-A
C-C
Verifica di fattibilità Caso industriale
Anello
Bugna
Anello + Bugna
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Risultati 42
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
A-A
C-C
Verifica di fattibilità Caso industriale
A-A
C-C
Trattato laser Non Trattato
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Risultati 43
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Verifica di fattibilità Caso industriale
Non trattato
Idroformatura
Trattato laser Trattato Forno
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Risultati 44
T.T. Laser Micro durezze Metallurgia Efficacia
Verifica di fattibilità Caso industriale
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)
SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
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
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Evoluzioni 46
Laser metal deposition Selective laser melting
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Qualche dato di mercato 47
Industrial Laser Solutions – Jannuary 2014
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