Sviluppo di un processo di saldatura con laser in fibra ottica per componenti in acciaio inox di impiego automobilistico

U

NIVERSITÀ DI

P

ISA

D

I

C

I

L

S

I

A

Sviluppo di un processo di saldatura con laser in fibra ottica

per componenti in acciaio inox di impiego automobilistico

Relatori Allievo

Prof. Ing. A. Lanciotti Maria Carmela Fierro

Ing. L. Romoli, PhD Ing. M. Fiaschi

Sommario

Lo scopo del presente lavoro è lo sviluppo di un processo di saldatura laser per componenti in acciaio inox di piccole dimensioni. La sorgente laser in fibra ottica è stato identificata come la tecnologia più adeguata per saldare giunti di questa tipologia. La saldatura è stata dimensionata attraverso un’analisi preliminare con il metodo delle tensioni nominali ed una successiva verifica sperimentale delle sollecitazioni a fatica. Ai requisiti strutturali, tradotti in parametri geometrici, si affiancano i vincoli qualitativi imposti dalla norma ISO 13919-1. Al fine di far convergere le molteplici esigenze in fase di sviluppo è stato utilizzato l’approccio

Design for Six Sigma (DFSS). Partendo dal modello energetico del Laser Beam Welding

è stato identificato nel modo cosiddetto “per conduzione” l’intervallo energetico ottimale. Su tale ipotesi predittiva è stato quindi individuato l’insieme di parametri con cui costruire il Design of Experiment (DOE). La campagna di test è stata effettuata presso i laboratori Continental di Pisa ed ha fornito un’indicazione iniziale sui parametri in grado di soddisfare i requisiti di progetto. Tuttavia, l’analisi Six Sigma dei risultati ha evidenziato i limiti di capacità di processo (process capability) e la difficoltà di conservare il rapporto tra larghezza e profondità del giunto. Per rispettare tale requisito è stata modificata la geometria delle ottiche, sfruttando la capacità delle lenti bifocali di sdoppiare localmente il fascio laser: in tal modo è stato possibile eseguire giunti aventi un rapporto tra sezione e penetrazione modificato a parità di densità di energia. Il metodo di lavoro, utilizzato nello specifico per saldare i componenti in acciaio inox degli elettroiniettori prodotti da Continental Automotive Italy spa, può essere facilmente esteso ai processi di saldatura di componenti assial-simmetrici aventi caratteristiche simili.

Abstract

Purpose of work is the development of laser welding process for stainless steel components with small dimensions. The fiber laser source has been identified as the most appropriate technology to weld joints like this ones.

The welding was sized through the nominal stress method as a preliminary analysis and, subsequent, an experimental fatigue stress verification.

Structural requirements, in terms of geometric parameters, are furthermore linked to the quality constraints imposed by standard ISO 13919-1. In order to bring together all the different requirements it has been used the Design for Six Sigma (DFSS) approach in all the steps of development. Starting from the energy model of the Laser Beam Welding, it has been identified the so-called “conductive mode” as the optimal energy range. Based on this predictive hypothesis, it was therefore identified the set of parameters with which to build the Design of Experiment (DOE). The tests were carried out at the Continental laboratories of Pisa and they have provided an initial indication on the parameters that will satisfy the requirements of the project.

However, the Six Sigma analysis of the results showed the limits of process capability and the difficulty to preserve the relationship between the width and depth of the joint. To comply with this requirement it has been changed the geometry of the optics, exploiting the ability of bifocals to split the laser beam locally: in this way it was possible to do with a relationship between section joints and penetration changed at constant energy density. The working method, which is used specifically to weld stainless steel components of the electro produced by Continental Automotive Italy SpA, can be easily extended to the processes of welding components axially symmetrical with similar characteristics.

Ringraziamenti

Sono arrivata a Pisa molti anni fa, accompagnata dalla mia famiglia, durante un settembre umido, fatto di precorsi e da quel tipico smarrimento degli studenti fuori sede. A quel settembre sono seguiti i mesi e gli anni che mi hanno portato dove sono ora, come persona, come studente e come lavoratore. La mia famiglia, lontana, non mi ha mai fatto mancare tenerezza e coraggio, non ha mai distolto lo sguardo da me ed io oggi, quello che ho potuto fare, lo devo interamente a loro.

Ho avuto la fortuna di incontrare Ivano e so quanto sia stata una fortuna perché il mondo è subito apparso diverso, migliore, geniale, divertente e molto più umano.

Indice

1 CARATTERISTICHE DELLE SALDATURE NEGLI INIETTORI AD ALTA

PRESSIONE ... 1

1.1 INTRODUZIONE ... 1

1.2 STRUTTURA E MATERIALI IN ESAME ... 2

1.3 “CASE STUDY”: SALDATURA INNER VALVE –OUTER SHELL ... 4

1.4 ACCIAI INOX ... 6

1.4.1 AISI 305 ... 7

1.4.2 AISI 430F ... 8

1.5 SALDATURA DEGLI ACCIAI INOX ... 11

2 FONDAMENTI DEL LASER ... 15

2.1 DEFINIZIONE DI LASER... 15

2.2 CENNI SULLA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA... 15

2.3 PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DEL LASER ... 17

2.3.1 Modello di Einstein: emissione stimolata ... 18

2.3.2 Inversione di popolazione ... 21

2.3.3 Amplificazione e Oscillazione ... 21

2.4 CLASSIFICAZIONE DEI LASER IN BASE AL MEZZO ATTIVO... 23

2.4.1 Laser allo stato solido ... 23

2.4.2 Principali caratteristiche del fascio laser ... 32

2.4.3 Modi del laser e ottica gaussiana ... 35

3.1.1 Assorbimento della radiazione ... 39

3.2 LA SALDATURA LASER ... 43

3.2.1 Energy Density factor (ED) ... 43

3.2.2 Saldatura per conduzione ... 45

3.2.3 Saldatura per keyhole ... 46

3.2.4 Geometria della giunto IV-OS in funzione dell’ Energy Density factor (ED) 47 3.2.5 Altri parametri di processo ... 48

3.3 ASPETTI QUALITATIVI DELLA SALDATURA ... 49

3.3.1 Diagramma Ishikawa ... 53

4 CENNI SUL DIMENSIONAMENTO DELLA SALDATURA IV-OS ... 54

4.1 CONDIZIONI OPERATIVE ... 54

4.2 SEZIONE RESISTENTE ... 56

4.2.1 Saldatura laser d’angolo ... 59

4.2.2 Sezione resistente della saldatura IV-OS ... 60

4.3 DIMENSIONAMENTO CON IL METODO DELLE TENSIONI NOMINALI... 61

4.4 VERIFICA A FATICA CON LE CURVE DI WOHLER E METODO DEL “NOTCH RADIUS STRESS” ... 65

5 SVILUPPO DEL PROCESSO CON METODO SIX SIGMA... 73

5.1 CONDIZIONI INIZIALI ... 73

5.2 INTRODUZIONE AL SIX SIGMA E CAPACITÀ DI PROCESSO ... 74

5.3 DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE)... 78

5.3.3 Test B: potenza P variabile ... 82

5.3.4 Simulazione Montecarlo della capacità di processo ... 84

6 OTTIMIZZAZIONE DEL PROCESSO: OTTICHE BIFOCALI ... 91

6.1 LIMITI GEOMETRICI DEL FASCIO LASER ... 91

6.2 OTTICHE BIFOCALI ... 93

6.2.1 Nuovo apparato sperimentale ... 94

6.3 RISULTATI ... 95

Simboli ed Acronimi

1 Caratteristiche delle saldature negli iniettori ad alta pressione HPI, LPI High Pressure Injectors, Low Pressure Injectors

PR Penetrazione radiale massima

PZ Penetrazione assiale massima

Hi Quota di riferimento assiale

S Sezione resistente

ZTA Zona Termicamente Alterata

HAZ Heat Affected Zone

 Coefficiente di espansione termica

1

1.1

Introduzione

Continental Automotive Italy, è il sito di progettazione, sviluppo e produzione di elettroiniettori benzina, attivo a Pisa dal 1987, nel quale sono stati prodotti oltre 250 Milioni di iniettori di alta e bassa pressione (High Pressure Injector, HPI e Low

Pressure Injector, LPI). Negli ultimi dieci anni, lo sviluppo dell’iniezione diretta

solenoide e piezoelettrica, ha permesso di soddisfare richieste di innovazione e di riduzione dei consumi e delle emissioni, sempre crescenti nei mercati dell’automobile. In tal senso i sistemi di iniezione sono da considerarsi i principali responsabili dell’aumento di efficienza dei motori, grazie alla regolazione dell’ingresso della benzina nella camera combustione. Le tecnologie coinvolte nei processi di produzione degli iniettori rivestono un ruolo fondamentale poiché da queste dipendono la precisione micrometrica di lavorazione, la velocità di esecuzione dei passi di assemblaggio e l’integrabilità all’interno di linee di automatiche. La tecnologia analizzata nel presente lavoro è la saldatura1 _{laser in} fibra ottica, un processo di assemblaggio tra i più innovativi per la realizzazione di giunti saldati, grazie all’elevata qualità del fascio laser che viene concentrato su diametri di focalizzazione molto piccoli e con distribuzione della densità di energia

1 _{“Per saldatura si intende l’unione intima di due particolari di materiale e si ottiene portando le loro superfici a}

2

prossimi a quella gaussiana. L’utilizzo della fibra quale mezzo attivo riduce notevolmente la distorsione termica rispetto ai laser allo stato solido e il rendimento di tali sorgenti è compreso tra il 25 ed il 60%, contro il 10% massimo di quelle tradizionali a disco o a diodo.

1.2

Struttura e Materiali in esame

I componenti dell’iniettore ad alta pressione Continental, Figura 1-1, sono realizzati principalmente in acciaio inox ed assemblati su linee di produzione automatiche ad elevato tempo di ciclo. I processi di assemblaggio fondamentali sono la foratura, il montaggio, l’incollaggio, la saldatura, lo stampaggio e la calibrazione. A ciascuna delle fasi di assemblaggio suddette corrispondono una o più fasi di controllo automatico, secondo gli standard qualitativi Continental. La saldatura negli iniettori ha la funzione di realizzare accoppiamenti fissi tra componenti che devono essere vincolati per esigenze strutturali o di ermeticità.

Figura 1-1: Iniettore Solenoide ad Alta Pressione “XL3” e sezione assiale in cui sono evidenziate cinque saldature

3

in cui sono evidenziati cinque accoppiamenti saldati.

Le saldature sono realizzate con geometrie differenti in relazione ai requisiti richiesti: vi è però una differenza morfologica sostanziale tra le saldature “classiche” realizzate con materiale d’apporto ed una saldatura laser. In questo caso infatti, la giunzione viene realizzata fondendo completamente il materiale “base” dei due componenti da collegare. Uno schema comparativo delle due tipologie di giunto (classico e laser) evidenzia la differenza morfologica:

Figura 1-2: Confronto tra le configurazioni del giunto di saldatura classica e laser: (a) d’angolo; (b) di testa; (c) per sovrapposizione

Dallo schema appare evidente la differenza morfologica tra le saldature: nel caso

(c), ad esempio, la saldatura per sovrapposizione prevede, nel caso del laser,

l’attraversamento completo del componente più esterno fino al raggiungimento

Saldatura Laser Saldatura “tradizionale” (a) (b) (c) Saldatura Laser Continental

4

della fusione di quello interno: la definizione di sezione resistente, per questo tipo di giunto, come si vedrà in seguito, è quindi differente da quella utilizzata per le saldature tradizionali.

La geometria di un giunto è il risultato del dimensionamento dei componenti, dei carichi statici ed a fatica ai quali essi devono resistere, ma anche della fattibilità del processo di saldatura: l’individuazione di una geometria di saldatura d’angolo (fillet joint), di testa (but joint) o per sovrapposizione (lap joint) deve tener conto necessariamente sia dei vincoli di design che di quelli di industrializzazione.

Come mostrato nelle Figura 1-2, la sezione di un giunto di saldatura laser può essere schematicamente individuato attraverso le dimensioni che lo caratterizzano:

− PR è la massima penetrazione in direzione radiale,

− PZ è la massima penetrazione in direzione assiale,

− H1 è la quota cui viene riferita la saldatura nel posizionamento assiale dei

componenti,

− H2 è, nel caso mostrato, la quota di sporgenza del giunto dal metallo base,

− S è la sezione resistente, ovvero la quota dimensionante vera e propria,

vedi §4.2.

1.3

“Case study”: saldatura Inner Valve – Outer Shell

La saldatura in esame viene effettuata per realizzare un giunto cosiddetto “per sovrapposizione”, ermetico, strutturale e assial-simmetrico, tra due componenti in acciaio inox, denominati nel seguito Inner Valve (ovvero il corpo valvola interno all’iniettore) ed Outer Shell (il rivestimento esterno) aventi spessore analogo . Il giunto, realizzato per sovrapposizione tra i due elementi Inner Valve e Outer Shell

(IV-OS), come schematicamente riportato in Figura 1-4 è di tipo strutturale ed

ermetico. I materiali e le dimensioni significative sono illustrati nella seguente tabella:

Tabella 1-1: Materiali, lavorazioni e dimensioni dei componenti da saldare

Prima della saldatura, i due componenti sono assemblati tra loro mediante inserimento ad interferenza fi

Figura 1-3: Montaggio a interferenza (press

Figura

Componenti Materiali

Outer Shell AISI 305 Inner Valve AISI 430F

5

: Materiali, lavorazioni e dimensioni dei componenti da saldare

Prima della saldatura, i due componenti sono assemblati tra loro mediante inserimento ad interferenza fino alla quota di riferimento prevista a disegno.

: Montaggio a interferenza (press-fitting) dei componenti prima della saldatura

Figura 1-4: Saldatura 1, InnerValve – Outer Shell

Materiali Lavorazione Diametro interno ϕ [mm] Spessore t [mm]

Deep Drawn 12,3 +0/-0,05

AISI 430F Machined 12,31 ± 0,03

: Materiali, lavorazioni e dimensioni dei componenti da saldare

Prima della saldatura, i due componenti sono assemblati tra loro mediante no alla quota di riferimento prevista a disegno.

fitting) dei componenti prima della saldatura

Spessore t [mm] 0,62 0,72

6

1.4

Acciai inox

I materiali da saldare sono entrambi acciai inossidabili, ovvero acciai ad alto contenuto di Cr (superiore al 12%). Questi materiali costituiscono una frazione limitata della produzione complessiva dell’acciaio (circa il 2%) ma, per le loro proprietà chimico-fisiche, rivestono un ruolo decisivo in vari settori industriali. Il Cr conferisce a questi acciai una buona passibilità, ovvero la capacità di formare uno strato di ossido superficiale (10÷100 Å) a contatto con l’atmosfera che protegge il metallo sottostante dalla corrosione. La caratteristica principale è rappresentata quindi dalla resistenza a corrosione a caldo ed in vari ambienti aggressivi.

Figura 1-5: Lavorabilità e resistenza alla corrosione degli acciai inox [1]

Come anticipato, gli acciai utilizzati per i componenti da saldare sono AISI 305 per l’ Outer Shell e AISI 430F per l’ Inner Valve: le seguenti tabelle descrivono la nomenclatura, la composizione chimica e il punto di fusione dei due materiali:

R es is te nz a al la co rr os io ne Lavorabilità 304 416 430F 410 430 303 +S +S +S R es is te nz a al la co rr os io ne Caratteristiche Meccaniche Austenitici Martensitici Austenitico-ferritici Ferritici

7

Tabella 1-2: Denominazione Standard dei materiali

Materiale C Cr Mn Ni Si Ph S Mo

AISI 305 0,12 max 17÷19 2 10÷13 1 0,45 0,03max2 _-

AISI 430F 0,12 max 16÷18 1,25 max - 1 max 0,06 0,15 min3 _{0,6 max}

Tabella 1-3: Composizione chimica degli acciai AISI 305 e AISI 430F

Materiale Punto di fusione [°C]

AISI 305 1454

AISI 430F 1482

Tabella 1-4: Punti di fusione teorici dei due acciai

1.4.1

AISI 305

Gli acciai inossidabili austenitici (serie AISI 2XX, 3XX), presentano una notevole resistenza alla corrosione e all’ossidazione. La percentuale di nichel è molto elevata e può variare tra 8÷20%, per quanto riguarda la struttura cristallina, invece, l’alta percentuale di Cr (elemento α-geno) favorisce la formazione di fase α con reticolo cubico a corpo centrato, tipico della ferrite α, mentre il Ni agisce come elemento γ-geno, in quanto favorisce la formazione di fase γ con reticolo cubico a facce centrate, tipico dell’austenite γ. La presenza di elementi di lega stabilizzanti sposta a destra le curve di Bain tanto da rendere impossibile la formazione di ferrite. La

2 _{Per la saldabilità degli acciai, la percentuale di zolfo non deve superare lo 0,03% in peso.}

3 _{L’acciaio AISI 430F è infatti classificato tra gli acciai insaldabili poiché la percentuale in peso dello zolfo è 0,15.}

Materiale American Iron

and Steel Institute

European Standard formerly ISO Unified Numbering System X4CrNi18-12 305 14.303 S30500 X6Cr17 430F 14.016 S43000

Figura 1-6 mostra i più importanti tipi

304, più noto come inox 18/10 (18% Cr e 10% Ni), modificando opportunamente gli elementi di lega si ottengono materiali adatti all’impiego specifico. Il materiale impiegato per l’Outer Shell, l’AISI 305, ha i

tutti gli acciai inox austenitici, caratteristica che ne favorisce la formabilità grazie all’aggiunta di Nichel (

componente è prodotto da lamierini lavorati ad imbutitura profonda, un processo che renderebbe l’acciaio

Figura 1-6: Principali criteri di modifica dell’acciaio inox austenitico, su base AISI 304.

1.4.2

AISI 430F

Gli acciai inossidabili f

8

mostra i più importanti tipi di acciai inox austenitici: a partire dall’AISI 304, più noto come inox 18/10 (18% Cr e 10% Ni), modificando opportunamente gli elementi di lega si ottengono materiali adatti all’impiego specifico. Il materiale impiegato per l’Outer Shell, l’AISI 305, ha il tasso di incrudimento più basso di tutti gli acciai inox austenitici, caratteristica che ne favorisce la formabilità grazie all’aggiunta di Nichel (Figura 1-6). Infatti, come si evince dalla Tabella

componente è prodotto da lamierini lavorati ad imbutitura profonda,

un processo che renderebbe l’acciaio particolarmente sensibile all’incrudimento.

: Principali criteri di modifica dell’acciaio inox austenitico, su base AISI 304.

Gli acciai inossidabili ferritici (serie AISI 4XX), sono leghe Fe-Cr, con C minore di di acciai inox austenitici: a partire dall’AISI 304, più noto come inox 18/10 (18% Cr e 10% Ni), modificando opportunamente gli elementi di lega si ottengono materiali adatti all’impiego specifico. Il materiale l tasso di incrudimento più basso di tutti gli acciai inox austenitici, caratteristica che ne favorisce la formabilità grazie Tabella 1-1, questo componente è prodotto da lamierini lavorati ad imbutitura profonda, deep-drawing,

particolarmente sensibile all’incrudimento.

: Principali criteri di modifica dell’acciaio inox austenitico, su base AISI 304. [2]

9

0,1% e Cr compreso tra 18 e 26% ed addizioni in molibdeno per migliorare la resistenza al pitting.

È un materiale più economico dell’austenitico, perché privo del costoso nichel. Nella Figura 1-7 è indicato al centro l’acciaio base (AISI 430) alla cui composizione di si aggiungono altri elementi per migliorare gli aspetti richiesti dallo specifico impiego.

Figura 1-7: Principali criteri di modifica dell’acciaio inox ferritico, su base AISI 430. [2]

Tra le caratteristiche indesiderate degli acciai inox ferritici vi è il cosiddetto infragilimento a 475 °C, ovvero la precipitazione all’interno della fase α di una fase α', diversa da quella principale, per l’alto contenuto in cromo (87÷94 %Cr). Tale fase, molto fragile, può determinare il decadimento delle caratteristiche di tenacità dell’acciaio. Il massimo effetto deleterio si ha proprio a 475 °C, ma la fase α' può formarsi anche a temperature superiori in concomitanza con un’altra fase dura e fragile detta fase σ (circa 50 %Cr).

La cinetica di formazione della fase σ è relativamente lenta negli inox austenitici, più veloce nei ferritici e questo pone problemi nell’esecuzione di saldature in caso di elevati apporti termici. Inoltre, nel componente considerato, per la lavorabilità alle macchine utensili, è stata aggiunta alla base 430, una percentuale elevata di zolfo, 0,15%, rispetto ai limiti di 0,03% tollerati per la saldabilità.

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Figura 1-8:Diagramma di stato Fe-Cr [3]

manganese MnS) che, in funzione di dimensioni, forma e orientamento, causa la frantumazione del truciolo ed ha una funzione anti-aderente che impedisce a quest’ultimo di aderire all’utensile. Il risultato è una maggiore velocità di taglio, una minor potenza necessaria e una migliore finitura superficiale: quindi un aumento generale della produttività. Gli effetti benefici sulla lavorabilità, producono però degli svantaggi nel processo di saldatura, dovuti alle diverse temperature di solidificazione della matrice metallica e dei solfuri di manganese.

11

Intorno ai 1400 °C l'acciaio è solidificato con formazione di dendriti, mentre i composti di zolfo e di fosforo, caratterizzati da una temperatura di solidificazione relativamente più bassa, rimangono liquidi intorno ai bordi dei grani, fino alla temperatura di 900 °C circa. Durante quest'intervallo, il ritiro che si verifica nella zona fusa, impedito dai vincoli costituiti dalle parti circostanti tale zona, stabilisce uno stato di tensione a componenti positive che tende ad allontanare i grani tra loro. Questa azione è contrastata dalla coesione ma, ove è presente una zona ricca in composti ancora allo stato liquido, la coesione viene a mancare e si formano distacchi di cristalli che si estendono col proseguire del raffreddamento.

Questi difetti prendono il nome di “cricche a caldo” in quanto si manifestano quando il cordone è ancora ad elevata temperatura. Le cricche a caldo sono sempre interdendritiche e il loro andamento può essere sia longitudinale che trasversale.

Figura 1-10: Cricca a caldo in direzione perpendicolare alla direzione del cordone di saldatura su componenti di elettroniettori

1.5

Saldatura degli acciai inox

Nel presente paragrafo si discute una nomenclatura generale delle saldature negli acciai inox, per dettagli sul processo e sulle interazioni laser-materia si rimanda al §3.2. La saldatura, come è noto, provoca una fusione localizzata dei componenti da congiungere e, nei casi di saldature con metallo d’apporto, anche di quest’ultimo.

12

Tale fusione determina una serie di trasformazioni microstrutturali complesse sia nel bagno fuso (melting pool) che nelle regioni adiacenti, ovvero nella cosiddetta zona termicamente alterata (ZTA o heat affected zone, HAZ).

Figura 1-11:Materiale Base (Base Materia, BM); Zona Termicamente Alterata (Heat Affected Zone, HAZ); Zona Fusa (Fusion Zone,FZ)

La previsione della microstruttura finale nel cordone di saldatura può essere condotta con l’utilizzo del diagramma di Schaffler e De Long.

Gli elementi di lega di un acciaio possono essere distinti anche sulla base della fase che tendono a stabilizzare, cioè in ferritizzanti e austenitizzanti. I Diagrammi prima citati riportano in ordinata e in ascissa rispettivamente il cromo equivalente ed il nichel equivalente così definiti:

− % = % + % + 0,5 ∙ % + 1,5 ∙ %

− _{% ℎ = % + 30 ∙ % + 0,5 ∙ %}

Nel Diagramma di Schaeffler si individuano tre zone monofasiche (ferrite, austenite, martensite) e altre zone con due o più fasi. In origine, tale diagramma risultava assai utile a selezionare opportunamente il metallo d’apporto, in modo da predire la struttura risultante in saldatura. Nel caso di saldature tra metalli dissimili, il diagramma è utile tenendo conto delle diluizioni tra i metalli.

13

In linea generale, nella saldatura di acciai inox austenitici, una piccola frazione di ferrite è benefica per ridurre l’insorgenza di cricche a caldo, ma una frazione elevata comporta perdita di resistenza a corrosione e di tenacità. La presenza di martensite nel cordone può comportare decadimento meccanico del giunto.

Gli acciai martensitici presentano struttura interamente martensitica quando il tenore di cromo è superiore al 13% e quello di carbonio supera 0,1-0,15%, altrimenti hanno struttura mista martensite-ferrite.

Gli acciai ferritici non presentano trasformazioni di fase, ma il riscaldamento può provocare ingrossamento del grano e conseguente perdita di resistenza meccanica e tenacità del giunto. Per questa ragione spesso si dice che gli inox ferritici sono di difficile saldabilità.

Da questo punto di vista occorre, con l’ausilio del Diagramma di Schaffler, distinguere i ferritici:

− acciai inox semiferritici al solo cromo come l’AISI 430 e al cromo-molibdeno AISI 434, acciai al di sopra della linea del 100% ferrite. In questo caso può formarsi anche una certa quantità di austenite che in raffreddamento andrà a formare martensite. Questa occorrenza, insieme all’ingrossamento irreversibile delle dimensioni del grano, può comportare decadimento del giunto;

− acciai inox ferritici a più alto tenore di cromo come l’AISI 446 (23-27 %Cr), che risultano al di sotto della linea 100% ferrite;

− acciai ferritici stabilizzati con basso contenuto di interstiziali del tipo AISI 409, 409 LI, 430 Nb, 430 Ti, 430 Ti, con struttura interamente ferritica. Questi acciai, come i precedenti, non sviluppano aree austenitiche durante riscaldamento e, pertanto, sono soggetti solo a ingrossamento del grano e non a formazione di martensite.

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saldatura per non indurre eccessivi ingrossamenti del grano. Da questo punto di vista le saldature laser eseguite in Continental assicurano di evitare tali rischi e la saldabilità degli acciai ne risulta sensibilmente incrementata.

Gli acciai austenitici non presentano nel loro diagramma di stato alcuna trasformazione di fase e la loro struttura assicura ottima tenacità e duttilità anche alle basse temperature. Un problema presentato nelle saldature convenzionali è la possibile ‘sensibilizzazione’ in ZTA del materiale, cioè la precipitazione lungo i bordi di grano di carburi assai ricchi in cromo (Cr23C6) che comporta il rischio di corrosioni intergranulari per esposizione ad ambienti aggressivi. Normalmente nelle strutture saldate con metodi convenzionali si impiegano le versioni ‘Low Carbon’ come l’AISI 304L o l’AISI 316L o le versioni ‘stabilizzate’ con elementi formatori di carburi come l’AISI 321 (Ti) o l’AISI 347 (Nb). Nel caso delle saldature laser condotte in Continental, dato l’esiguo apporto termico ed i ridotti tempi di riscaldamento, il problema della sensibilizzazione in pratica non esiste.

Nelle saldature convenzionali, gli inox austenitici possono dare problemi di criccatura a caldo in ragione degli elevati coefficienti di dilatazione termica e delle basse conducibilità termiche; per questo si impiegano materiali d’apporto contenenti opportune quantità di ferrite (non oltre il 15%). Tale soluzione non è naturalmente adottabile nelle saldature laser condotte in Continental.

15

2.1

Definizione di Laser

L’acronimo LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fu coniato nel 1957 da Gordon Gould1 _{ed indica oggi un dispositivo in grado di} generare un fascio di fotoni monocromatico e coerente con bassa divergenza ed elevata brillanza, nello spettro di emissione compreso tra e l’infrarosso l’ultravioletto. Un’onda elettromagnetica monocromatica è un’onda sinusoidale di frequenza costante " =#_$

Figura 2-1: Schema di funzionamento di un generatore laser [4]

2.2

Cenni sulla radiazione elettromagnetica

La teoria dell’elettromagnetismo prevede che la luce, come ogni radiazione

1 _{Secondo altri, Schawlow e Townes in 1958.}

Highly Reflecting Mirror Laser Medium Pump Light Output Coupler Laser Beam

16

elettromagnetica, sia un’onda trasversale in cui le direzioni dei vettori elettrici E e magnetici B oscillanti siano perpendicolari alla direzione di propagazione e non paralleli ad essa.

Figura 2-2: Direzione di propagazione di un’onda elettromagnetica

Le onde trasversali hanno inoltre la caratteristica di essere polarizzate in un piano. In riferimento alla Figura 2-2, uno dei casi più importanti di onda piana polarizzata è quello in cui la funzione %&'( è sinusoidale, si ha allora un’onda monocromatica caratterizzata dalle equazioni:

) * + * ,- = -. sin 22π_{λ ' − " 7 ,} 8 = 8. sin 22π_{λ ' − " 7 ,} 9 2-1

dove : è la lunghezza d’onda: fissato t, : rappresenta la distanza tra due picchi successivi dell’onda, mentre il parametro ; = 2</: è la costante di propagazione nel mezzo. I due vettori -. e 8. sono perpendicolari tra loro e vale -.= 8. e dove

= :" è la velocità della luce (3 ∙ 10> _{/? nel vuoto).}

Si definisce irradianza I di un’onda elettromagnetica, l’energia che attraversa nell’unità di tempo una superficie unitaria disposta perpendicolarmente alla

B E z x y λ f(x)

17

direzione di propagazione dell’onda. Nel caso di un’onda piana unidirezionale, vale:

@ = ∙ AB∙ CD 2-2

con _AB, permettività del vuoto, &AB= 1 &A⁄ B D(= 8,8 ∙ 10G#D H/ ( e IB, permeabilità

magnetica del vuoto &IB= 4< ∙ 10GK L/ (.

La Figura 2-3 mostra la classificazione dello spettro elettromagnetico in base alla frequenza (Hz) e alla lunghezza d’onda (µm). I meccanismi di trasmissione della luce, sono descritti dalla Teoria Ondulatoria che però non arriva a giustificare i processi di produzione della luce. Questi sono infatti descritti dalla Teoria Quantistica, secondo la quale, emissione ed assorbimento avvengono attraverso pacchetti di onde aventi quantità di moto ed energia definiti, chiamati quanti di luce o fotoni.

Ad ogni fotone è associata una quantità di energia proporzionale alla sua frequenza, che può essere espressa come:

C = ℎ" 2-3

dove ℎ = 6,6262 ∙ 10GNO _{PQ?R è la costante di Plank.}

Nella maggior parte dei casi il comportamento della radiazione elettromagnetica è tipicamente ondulatorio, ma per alcuni fenomeni, le proprietà corpuscolari dei fotoni risultano predominanti. Tale comportamento è noto con il nome di dualismo onda-corpuscolo.

2.3

Principi di funzionamento del Laser

Alla base del funzionamento del laser, vi sono i concetti di emissione stimolata, introdotta da Einstein nel 1917, inversione di popolazione e amplificazione.

18

Figura 2-3: Lo spettro elettromagnetico

2.3.1

Modello di Einstein: emissione stimolata

Secondo tale modello la materia può essere considerata come un insieme di sistemi atomici aventi stati stazionari di energia definiti (livelli energetici). Dati due livelli energetici CD ed C#, con CD> C#, un sistema che si trovi allo stato di energia più

elevata, tende a ritornare al livello di energia minore cedendo la quantità CD− C#

come radiazione elettromagnetica e la frequenza dell’onda emessa, dalla Error!

Frequenza (Hz) Lunghezza d'onda (µµµµm) 10 23 ₁₀--9 10 22 ₁₀--8 10 21 10--7 10 20 Raggi Gamma 10 --6 10 19 10--5 10 18 _{Raggi X 10}--4 _{Ångström (Å)} 10 17 ₁₀--3 _{nanometro (nm) 0,40 µm} 10 16 _{Ultravioletto 10}--2 10 15 10--1 0,50 µm 10 14 1 micron (µm) 10 13 _{10 0,60 µm} 10 12 _{Infrarosso 10} 2 10 11 ₁₀ 3 _{millimetro (mm)} 10 10 Microonde 10 4 centimetro (cm) 0,70 µm 10 9 10 5 10 8 Radio F.M. 10 6 metro (m) 10 7 _{Televisione 10} 7 10 6 ₁₀ 8

10 5 _{Radio A.M. 10} 9 _{chilometro (km)}

10 4 10 10 10 3 10 11 10 2 ₁₀ 12 10 10 13 1 10 14 Raggi Cosmici Visibile

19

Reference source not found. si ha la cosiddetta relazione di Plank:

ℎ" = CD− C# 2-4

Tale fenomeno viene chiamato emissione spontanea, si verifica a prescindere dalla presenza di altre radiazioni elettromagnetiche ed è comune a tutte le sorgenti di luce convenzionali (lampade a incandescenza, scariche nel gas, etc.).

Figura 2-4: Decadimento per emissione spontanea

Si verifica sperimentalmente che la probabilità di decadimento è indipendente dal tempo. In un volume unitario formato da N2 atomi di livello energetico C_D, la

probabilità di decadimento per unità di tempo, ovvero la velocità di decadimento, è data da:

2T_{T 7}D

UVWXY= −Z D

2-5

dove N2 è il numero di atomi nello stato 2 per unità di volume e il coefficiente A è

chiamato coefficiente di emissione spontanea o coefficiente di Einstein.

Nel caso in cui gli atomi allo stato 2 vengano “investiti” da un’onda elettromagnetica di frequenza atomica " = &CD− C#( ⁄ ℎ, può accadere che il sistema

sia indotto a portarsi allo stato 1. La differenza sostanziale tra l’emissione spontanea e l’emissione stimolata è che nel primo caso le onde emesse da ciascun atomo non hanno alcuna relazione di fase tra loro e possono quindi avere qualsiasi direzione.

Figura 2-5: Decadimento per emissione stimolata

2 1 hν 2 1 hν hν hν

20

Nell’ emissione stimolata, poiché il processo è forzato dall’onda elettromagnetica incidente, l’emissione di ogni atomo avviene in fase con l’onda incidente e nella stessa direzione:

2T_{T 7}D

UY[\= −]D# D 2-6

dove ]D# è il coefficiente di emissione stimolata e dipende dall’intensità dell’onda

incidente tramite la relazione:

]D#= ^D#H 2-7

dove ^D# P ? = 10GDO DR è la sezione d’urto per emissione stimolata e H

P GD_?G#_{R è il flusso di fotoni. Infine, nel processo di assorbimento fra i due livelli 1}

e 2, il sistema si porta dallo stato 1 allo stato 2 assorbendo un fotone incidente di frequenza ", pari alla frequenza atomica:

Figura 2-6: Assorbimento si ha: 2T_{T 7}# UY[\= −]#D # 2-8 con ]#D= ^#DH 2-9

dove _]#D è il coefficiente di assorbimento, _# il numero di atomi nello stato e _^#D è la sezione d’urto per l’assorbimento. Einstein ha dimostrato che, per livelli non degeneri,

^#D= ^D#= ^ 2-10

Il numero di atomi N di un dato livello, per unità di volume, è chiamato

2

1

21

popolazione.

2.3.2

Inversione di popolazione

In un’onda piana di intensità @ = "ℎ ∙ H che si propaghi lungo l’asse z in un dato materiale, avente popolazione atomica _# e _D rispettivamente nei livelli l1 e l2 , la

frequenza " dell’onda sia uguale alla frequenza propria del materiale, ℎ" = CD− C#.

Nei processi di solo decadimento e assorbimento, il numero di fotoni è dato dalle

2-5 e 2-6. Dalle 2-7 e 2-9 si ottiene:

TH = ^H& D− #(T_ 2-11

il materiale si comporta come un amplificatore se _D> # (TH T_⁄ > 0( e come un

assorbitore se _D< # (TH T_⁄ < 0(. Per un materiale che si trovi in equilibrio

termico, le popolazioni dei livelli sono date dalla statistica di Boltzmann:

D = # G&ab Gac(

d$ 2-12

dove _D e _# sono le popolazioni dei due livelli all’equilibrio termico ( _D< #( e T

è la temperatura e k è la costante di Boltzmann (1,38 ∙ 10GDN _{J/K(. Un materiale con}

un’inversione di popolazione viene detto materiale attivo (gain medium) Se il delta energetico CD− C# fra i due livelli corrisponde ad una frequenza " nel campo delle

microonde, l’amplificatore è detto MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), se invece corrisponde ad una frequenza ottica, l’ amplificatore è detto LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), Figura 2-3.

2.3.3

Amplificazione e Oscillazione

Un amplificatore da solo non è in grado di generare una radiazione ma solo di aumentarla. Nella fisica dei laser, si utilizza spesso il termine oscillatore per

22

distinguere esplicitamente le funzioni di amplificazione e quelle di generazione della radiazione: un laser può essere considerato come un oscillatore ottico ad alta frequenza costituito da un amplificatore e un risonatore (resonator) o cavità di feedback ottico: qui la radiazione laser può circolare attraverso il mezzo attivo che compensa le perdite ottiche. Lo schema di funzionamento, in Figura 2-7, mostra il materiale attivo posto tra due specchi dotati di elevata riflettività. Un’onda piana di frequenza " nel visibile viaggerà avanti e indietro attraverso il mezzo attivo e verrà amplificata ad ogni passaggio. Parte della luce potrà essere estratta dal risonatore se uno degli specchi è semitrasparente. Si avrà un’oscillazione, cioè una generazione di radiazione, quando l’inversione _D− # è tale che il guadagno ad ogni passaggio

nel materiale attivo compensi le perdite attraverso lo specchio semiriflettente. La condizione di funzionamento del laser è dato dalla condizione di soglia:

Figura 2-7: Specchio riflettente e semi-riflettente nella cavità risonante

g#gD Dh&ibGic(j= 1 2-13

dove g# ed gD sono le riflettenze dei due specchi, l la lunghezza del materiale attivo.

Il termine Dh&ibGic(j _{rappresenta il guadagno per il doppio passaggio, (rapporto tra} il numero di fotoni presenti dopo il doppio passaggio e quello iniziale), mentre il termine g#gD rappresenta la perdita nel doppio passaggio, dovuta alle trasmittanze

degli specchi. Lo specchio semiriflettente è l’elemento che permette di estrarre un fascio laser utilizzabile al di fuori della cavità formata dai due specchi. Dalla 2-13 si vede che la soglia viene raggiunta quando l’inversione di popolazione _D−

# raggiunge un valore critico, detto inversione critica, che corrisponde alla Mezzo Attivo

Specchio semi-riflettente Specchio

23

situazione in cui le perdite per doppio passaggio equilibrano il guadagno corrispondente. Una volta raggiunta l’ inversione critica l’oscillazione parte per effetto dell’ emissione spontanea da parte di atomi da parte del mezzo attivo.

2.4

Classificazione dei Laser in base al mezzo attivo

A seconda della natura del mezzo attivo, le principali tipologie di laser possono essere classificate come laser allo stato solido (Solid State Laser), laser allo stato gassoso (Gas Laser), laser a semiconduttore (Semiconductors Laser), laser a vapori

metallici, laser chimici, laser a coloranti organici (Dye Laser), Tabella 2-1.

Il presente lavoro è stato svolto confrontando tra loro i risultati geometrici, microstrutturali e qualitativi ottenuti effettuando una saldatura con due sorgenti laser allo stato solido aventi un differente mezzo attivo, ND:YAG (DY022, Rofin-Sinar) e fibra (FL020, Rofin-Rofin-Sinar), ma uguale potenza massima nominale in uscita di 2000 W. Di seguito si presentano brevemente le caratteristiche delle due sorgenti.

2.4.1

Laser allo stato solido

Nel laser allo stato solido, il mezzo attivo è costituito da un materiale ospite dielettrico, cristallo o vetro, drogato con una piccola percentuale di impurezze appartenenti solitamente ad una delle serie di

transizione della Tavola Periodica, come i metalli di transizione (Cr3+) o le Terre Rare. Come ospiti

24 Nella

Tabella 2-2 sono indicati alcuni elementi droganti con la rispettiva configurazione elettronica.

I successivi paragrafi descriveranno in particolar modo due sorgenti, laser a Nd:YAG e laser in Fibra, con cui sono stati condotti i test per lo sviluppo della saldatura in oggetto. Il motivo per cui sono stati selezionate queste due sorgenti è legato alle caratteristiche di assorbimento della radiazione da parte degli acciai inox (§3.1.1). Elemento drogante Configurazione elettronica Xenon, Xe (Kr)4d10_5s2_5p6 Neodimio, Nd (Xe)4f4_5d0_6s2 Holmio, Ho (Xe)4f11_5d0_6s2 Erbio, Er (Xe)4f12_5d0_6s2 Tulio, Tm (Xe)4f13_5d0_6s2 Ytterbio, Yb (Xe)4f145d06s2 Cromo, Cr (Ar)3d5_4s1 Titanio, Ti (Ar)3d2_4s2 Cobalto, Co (Ar)3d7_4s2 Nickel, Ni (Ar)3d8_4s2

25

Tabella 2-1: Classificazione dei laser, mezzi attivi e lunghezze d’onda

2.4.1.1 Laser Nd:YAG

Il più utilizzato tra i laser allo stato solido è il laser a Neodimio, ovvero un cristallo di Y3_Al5_{O12 (YAG) in cui lo ione Nd}3+ _{sostituisce lo ione Y}3+ _{in alcuni punti del} reticolo o semplicemente vetro in cui lo ione Nd3+ _{risulti inglobato. Il cristallo di} Nd3+ _{YAG è molto usato sia per i laser a funzionamento continuo, continuous wave,} che ad impulsi, pulsed wave (§2.4.3).

La sorgente di luce per il pompaggio dipende dalle caratteristiche di assorbimento

Mezzo Attivo Laser Lunghezza d’onda [nm]

Stato Solido Nd:YAG 1064

Ruby 694 Nd:glass 1062 Alexandrite 700 ÷ 820 Ti-sapphire 700 ÷ 1100 Er:YAG 2940 Nd:YLF 1047 Gas He-Ne 633 Ar 488, 514 Kr 520 ÷ 676 He-Cd 442 ÷ 325 CO2 10600 Ar-F 191 Kr-F 259 Xe-Cl 308 Xe-F 351 Cu vapour 511 ÷ 578 Au vapour 628 Semiconduttore In-Ga-As 980 Al-Ga-In-P 630 ÷ 680 In-Ga-As-P 1150 ÷ 1650 Al-Ga-As 780 ÷ 880 Rhodamine 6G 570 ÷ 640 Coumarin 102 460 ÷ 515 Stilbene 403 ÷ 428 Coloranti Organici

26

del cristallo: per il funzionamento del laser in modo continuo si utilizzano le lampade ad arco o, più di recente, i diodi che permettono un assorbimento della luce più efficiente e tale che la qualità del fascio in uscita sia meno affetta da distorsione termica. Nel funzionamento ad impulsi, si utilizzano solitamente dei commutatori ottici, Q-switch, che vengono inseriti nella cavità risonante e rimangono chiusi finché il cristallo non ha raggiunto la massima inversione di popolazione, momento in cui, aprendosi, permettono al laser di emettere un singolo impulso di potenza molto elevata. In questo modo si possono raggiungere potenze di picco in uscita di 20 MW e durate di impulso inferiori a 10 ns.

Nei laser Nd:Yag pompati a lampada solo una piccola percentuale della potenza (10 ÷ 15%) viene effettivamente assorbita dagli ioni Nd3+_{, la restante parte contribuisce a} riscaldare il cristallo di YAG provocandone la distorsione e la conseguente variazione dell’indice di rifrazione che causa una bassa qualità del fascio laser, M2_. Tale effetto, noto con il nome di thermal lens, provoca una minore probabilità di raggiungere l’inversione di popolazione, di conseguenza, la massima potenza in uscita diminuisce, §2.4.2.

Per questi motivi la loro funzione è stata sostituita di recente dai diodi, la cui efficienza è maggiore (30÷40 %) poiché tutta la luce emessa viene concentrata nella linea di assorbimento del Nd3+_{, di conseguenza l’alimentazione e il raffreddamento} risultano notevolmente ridotti mentre la qualità del fascio aumenta.

Il costo dei diodi di pompaggio è per contro, lo svantaggio maggiore di questa tecnologia.

Il Laser Nd:YAG emette luce nel vicino infrarosso ad un lunghezza d’onda di 1064 nm, tale proprietà gioca un ruolo fondamentale per le caratteristiche di questa tecnologia (§3.1.1)

27

Tabella 2-2: Terre Rare e metalli di transizione utilizzati come impurezze del mezzo attivo

Figura 2-8: Schema di funzionamento di un Laser Nd:YAG

2.4.1.2 Laser in Fibra

La più recente generazione di Laser allo stato solido è quella dei cosiddetti Laser in Fibra, in cui il mezzo attivo è costituito appunto da una particolare fibra ottica drogata con ioni di terre rare quali Er3 + _{, neodimio Nd}3+_{, itterbio Yb}3 +_{, tulio Tm}3+ _o praseodimio Pr3+_. Elemento drogante Configurazione elettronica Xenon, Xe (Kr)4d10_5s2_5p6 Neodimio, Nd (Xe)4f4_5d0_6s2 Holmio, Ho (Xe)4f11_5d0_6s2 Erbio, Er (Xe)4f12_5d0_6s2 Tulio, Tm (Xe)4f13_5d0_6s2 Ytterbio, Yb (Xe)4f145d06s2 Cromo, Cr (Ar)3d5_4s1 Titanio, Ti (Ar)3d2_4s2 Cobalto, Co (Ar)3d7_4s2 Nickel, Ni (Ar)3d8_4s2 Cristallo Nd:YAG Shutter Highly Reflecting Mirror Output Mirror Beam Expander Beam Bending Workpiece Focusing Module Cavity

28

Figura 2-9: Sorgente Laser ND:YAG, DY022, utilizzata per la realizzazione dei test

Il suo primo utilizzo risale al 1961 presso la American Optical Company [5], mentre negli anni ’70 fu realizzato il primo laser in fibra dopata con neodimio con pompaggio a diodi. L’interesse nei confronti di questa tecnologia fu dovuto inizialmente a due fattori: la reperibilità di fibre ottiche drogate con ioni di erbio, capaci di emettere nella fascia delle lunghezze d’onda usate nelle telecomunicazioni (intorno a 1.55μm e la disponibilità di diodi come dispositivi di pompaggio compatti e resistenti; inizialmente quindi le applicazioni interessarono principalmente l’ambito delle telecomunicazioni. Solo dagli anni ’90, grazie anche all’impiego di questi laser in campo militare, lo sviluppo si è rivolto verso l’ambito industriale vero e proprio.

Figura 2-10:Variazione dell’indice di rifrazione nelle grate di Bragg

Il Laser in fibra è costituito principalmente da tre elementi: il sistema di pompaggio, la fibra drogata con materiale attivo e le grate di Bragg, Figura 2-10.

Core Fiber Optical Fiber Core Refractive Index Λ n n0 n1 n2 n3 n3 n2

29

Gli specchi integrati nella fibra, detti grate di Bragg, sono realizzati facendo variare l’indice di rifrazione del materiale in modo da riflettere solo alcune lunghezze d’onda e lasciar trasparire le altre: in tal modo si genera uno specifico specchio di lunghezze d’onda che può essere utilizzato come filtro ottico al fine di bloccare alcune lunghezze ed amplificare solo la lunghezza d’onda predefinita in relazione al passo Λ tra i reticoli. Il mezzo attivo è una fibra costituita da silice vetrosa SiO2 drogata con ioni itterbio (Yb) nella zona più interna, detta core, e da un rivestimento esterno, detto cladding. Il funzionamento della fibra ottica, sia quella utilizzata come mezzo attivo che quella in uscita dalla cavità che trasporta il fascio fino al gruppo ottico esterno, si basa sulla totale riflessione dell’onda elettromagnetica grazie alla presenza di un materiale a più alto indice di rifrazione. Tra gli indici di rifrazione di

core e cladding infatti sussiste la relazione: _kW > _kj . Teoricamente si potrebbe fare a

meno del cladding ed ottenere una guida d’onda (beam guidance) basata solo sulla differenza di indice di rifrazione tra il vetro e l’aria circostante ( _#), in pratica però a piccole imperfezioni della superficie del core corrisponderebbero ingenti perdite di luce. Per questo, nei dispositivi reali, il cladding è sempre presente. Si usa inoltre, come rivestimento ulteriore, uno strato plastico o ad elevato indice di rifrazione per proteggere la superficie in vetro ed evitare la propagazione di lunghezze d’onda indesiderate [6].

La propagazione della luce attraverso la superficie di separazione tra due mezzi aventi indice di rifrazione diversi, _kW e _kj, è descritta dalla legge di Snell-Descartes:

kj∙ sin lmj = kW∙ sin lmW 2-14

dove lmj e lmW sono, rispettivamente, gli angoli tra la direzione di propagazione e la

30

Figura 2-11: Indici di rifrazione nell’interfaccia core-cladding

Il valore massimo del sin lmW è dato da sin lmW = kj⁄ , pertanto i raggi incidenti kW

ad un angolo lmW> sinG#& kj⁄ ( non possono fuoriuscire dal mezzo e vengono kW

totalmente riflessi all’interno del core: tale angolo è detto angolo critico di riflessione ld e rappresenta l’angolo minimo al quale avviene la riflessione interna totale,

Figura 2-12. Nelle fibre ottiche di comune utilizzo, valori tipici per gli indici di rifrazione sono _kj=1.475 e _kW=1.5 e quindi l’angolo critico è pari a 79.5 deg. Per aumentare l’indice di rifrazione della silice vengono utilizzati diossido di germanio, GeO2, e Anidride fosforica, P2O5, mentre per ridurlo anidride borica, B2O3, e tetrafluorosilano, SiF4.

Affinché il generico raggio incida sempre con angolo superiore al valore critico è necessario

Figura 2-12:Angolo critico di riflessione nel core della fibra

che sia introdotto in una delle estremità con un dato angolo di accettazione _{l > ld} tale che:

sin l = n& mWD − mjD( 2-15

dove sin l = Z, Numerical Aperture, è un parametro caratteristico della fibra che

nCo nCl θCl θCo Core Fiber Cladding n_Cl nCo Plastic Coating θK θ<θK

31

determina il cosiddetto cono di accettazione, il quale descrive la capacità della fibra di assorbire la luce.

Figura 2-13: Cono di Accettazione della fibra

Un raggio in ingresso con angolo maggiore di l incide sulla superficie core-cladding con angolo inferiore al valore ld e pertanto tende a disperdersi nel mantello a

seguito della rifrazione, Figura 2-13.

Il campo elettromagnetico in una fibra ottica si propaga secondo “modi elettromagnetici”. La fibra si comporta come una struttura dielettrica guidante, ovvero una struttura nella quale l’indice di rifrazione ha una dipendenza trasversale rispetto alla direzione di propagazione. Tale proprietà da luogo al confinamento della radiazione elettromagnetica nello spazio, cioè all’effetto guidante. A seconda delle dimensioni del core si hanno regimi propagativi multimodali o monomodali. Per una fibra di diametro d ed emissione di lunghezza d’onda λ, la propagazione è di singolo modo se:

o =<T Z_{: < 2.405} 2-16

dove o è detta frequenza normalizzata, Normalized FrequencyParameter. Se o > 2.405 la fibra è detta multimodale e il numero di modi che in essa si propaga è dato da:

Cono di accettazione della fibra

θ

Raggio esterno al cono di accettazione

32

≈_<4_DoD

2-17

La differenza principale tra la fibra ottica multimodale e quella monomodale è quindi il diametro della fibra stessa: 50÷100 μm per la prima, 8,3÷20 μm per la seconda.

Il limite tecnologico delle fibre multimodali risiede nell’elevata dispersione: essendo diversi

Figura 2-14: Multimodo e Singolo modo nella fibra ottica

e numerosi i percorsi che un raggio rifratto nel core può seguire, a parità di velocità di propagazione, il tempo speso dalla luce nel percorrere il tragitto dalla sezione di ingresso alla sezione di uscita, sarà maggiore. Per ridurre gli effetti negativi causati da questo fenomeno, è possibile agire sul profilo dell’indice di rifrazione, modificando il profilo di rifrazione “a gradino” in un profilo “graduale”. In questo tipo di fibra l’indice di rifrazione non è costante ma decresce gradualmente dal suo valore massimo _kW al centro del core fino ad un valore minimo _kj all’interfaccia

core-cladding, Figura 2-15.

Figura 2-15: Profilo dell’indice di rifrazione “a gradino” e “graduale”

Multimodo Singolo Modo

r(µm) n(r)

n(r)

r(µm)

33

Di seguito sono riportati i dati tecnici di una delle due sorgenti, il Laser in fibra FL020 Rofin-Sinar®, con cui è stata sviluppata la saldatura in oggetto:

Tabella 2-3: Dati tecnici relativi al Laser in Fibra, FL020 Rofin-Sinar®, utilizzato per i test

2.4.2

Principali caratteristiche del fascio laser

Di seguito sono descritte alcune proprietà dei fasci laser, con particolare riferimento a quelle fondamentali per l’applicazione di saldatura: monocromaticità, coerenza, divergenza e elevata brillanza. La Figura 2-16 mostra una sintesi delle suddette proprietà:

Figura 2-16: Schema delle proprietà del fascio laser

2.4.2.1 Monocromaticità

La monocromaticità è la proprietà principale della radiazione laser ed è una conseguenza del fatto che da un lato, solo un’onda elettromagnetica di frequenza data (2-4) può essere amplificata nella cavità e, dall’altro, si potrà avere oscillazione

Solid State Laser Fiber Laser

Pumping Mode Diode

Active Material Ytterbium

Maximum Output Power Single Mode 2000 W

Fiber Core Diameter 20 µm

Wavelength 1064 nm

Caratteristiche del Laser in Fibra utilizzato

Coerenza

Divergenza

Monocromaticità Fascio Laser

34

solo alle frequenze caratteristiche di risonanza della cavità. La radiazione verrà emessa pertanto in un intervallo spettrale molto ristretto che soddisfi la condizione di risonanza:

= :₂ 2-18

dove l è la lunghezza della cavità, n è un numero intero e : è la lunghezza d’onda. Queste linee dette modi della cavità si sviluppano in una gamma di frequenze discretizzate attraverso _{/2T dove è la velocità della luce. Le frequenze amplificate} mediante emissione stimolata dipenderanno principalmente dalle perdite nella cavità e dalle caratteristiche di guadagno. Tale proprietà è correlata con la coerenza temporale.

2.4.2.2 Divergenza

La divergenza intrinseca di un fascio laser, ipotizzato di sezione circolare finita, è la variazione dell’angolo solido del fascio data dal rapporto:

lr= D_<s: 2-19

dove lr è l’ angolo di divergenza, D è il diametro del fascio luminoso e D è un

fattore numerico ( D≈1), § 2.4.3, che dipende dalla forma della distribuzione di ampiezza e da come vengono definiti la divergenza e il diametro del fascio. Nel caso, ad esempio, del fascio laser di lunghezza d’onda : = 1064 nm in uscita da una fibra ottica avente diametro T = 300 µm, si ottiene per D_{= 1, l}

r= 2.26 ∙ 10GN

rad.

2.4.2.3 Coerenza

La coerenza è definita, in ottica, come la proprietà di un’onda elettromagnetica di mantenere una certa relazione di fase con se stessa durante la sua propagazione. Il fenomeno fisico più conosciuto, dovuto alla coerenza di fase è quello

35

dell’interferenza. Infatti, mentre due fasci di luce coerenti, come quelli prodotti da un laser, possono produrre facilmente fenomeni di interferenza, con la normale luce solare o prodotta da una lampadina, l’interferenza è visibile solo in casi particolari. Nel fascio laser si distingue tra coerenza spaziale e coerenza temporale: un onda è coerente nello spazio se esiste una differenza di fase costante tra due punti qualsiasi sul fronte d’onda; mentre è coerente nel tempo se la differenza di fase tra E(t) ed E(t + ∆t) rimane costante anche per qualunque valore di ∆t , si dice che l’onda elettromagnetica possiede coerenza temporale perfetta. Una rappresentazione grafica della coerenza spaziale e temporale è illustrata in Figura 2-17.

Figura 2-17: Coerenza spaziale (le onde hanno la stessa fase in tutti i punti della sezione del fascio) e temporale (le onde conservano la stessa fase nel tempo)

2.4.2.4 Brillanza

La brillanza (brightness) è la quantità di energia emessa da una sorgente elettromagnetica per unità di superficie e per unità di angolo solido:

] =_{cos lT TΩ}t 2-20

dove dP è la potenza emessa da un elemento di superficie dS entro l’angolo solido TΩ, Figura 2-18.

coerenza temporale coerenza

36

Figura 2-18: Definizione di Brillanza

Per un fibra ottica a sezione circolare, la brillanza è data da [4]:

] =_{< D}t_<lD 2-21

che mostra come la brillanza sia inversamente proporzionale alla divergenza. Nel fascio laser, tale parametro assume un valore molto elevato a causa della piccola divergenza ed elevata intensità di energia. Come si vedrà, questa è la caratteristica più importante per i processi di lavorazione industriale.

2.4.3

Modi del laser e ottica gaussiana

L’andamento del campo elettromagnetico dei fasci di luce, genericamente descritto dalle 2-1, si manifesta con modi di oscillazione longitudinali e trasversali: questi ultimi, chiamati TEMmn, Transverse Electric and Magnetic Modes, sono responsabili del tipo di distribuzione di energia che caratterizza il fascio in una sezione ortogonale all'asse di propagazione. I pedici m e n indicano il numero intero di punti nodali sui due assi delle sezioni trasversali. Il modo di oscillazione più semplice è il TEM00, nel quale la distribuzione di potenza è di tipo gaussiano. La distribuzione di intensità per un fascio laser gaussiano, che sta propagando lungo l’asse z, segue la formula

2 _{Il paragrafo ha il solo scopo di fornire alcune definizioni fondamentali dell’ottica gaussiana, utili nel prosieguo, ma}

la cui trattazione approfondita non è oggetto del presente elaborato. Per maggiori dettagli sull’argomento si rimanda all’opera citata [8].

dΩ

nr

dΑ θ

37

[8]:

@& ( = @B G Dx

b

yzb 2-22

dove r è la coordinata radiale ( = {'D_{+ |}D_{( e sB detto beam waist è definito come}

la distanza entro la quale la potenza passa dal valore massimo (localizzato sull’asse) a un valore pari a 1/e2 _{(0.135) volte quello massimo. Il parametro} s

B è spesso

chiamato spot size.

Figura 2-19: Fascio gaussiano

L’equazione di propagazione nello spazio di un fascio gaussiano (che caratterizza il modo

trasversale fondamentale TEM00) è data da:

s&_( = sB}1 + ~_<s:_ BD• D € # D⁄ = sB•1 + 2_{_}_ ‚7 D ƒ# D⁄ 2-23 dove _‚ =<sB D : 2-24

è detta distanza di Rayleigh distanza alla quale il fascio viene considerato collimato, equivalente con la distanza dal waist del fascio alla posizione in quale il fascio raggiunge un area doppia rispetto al waist.

La qualità di un fascio laser viene comunemente definita attraverso il parametro D:

w0 θ r w(z) I(r) z 2 0 1 e I ⋅ 0 I

38

Figura 2-20:Distanza di Rayleigh

D₌ <

2: sB‚l‚ 2-25

e, per un fascio gaussiano:

D_{= 1}

2-26

pertanto la qualità di un qualunque fascio di luce, può essere espressa mediante il rapporto:

D₌sB&„C \X(

sB&„C BB( 2-27

Di seguito sono mostrati alcuni esempi della diversa distribuzione energetica dei fasci.

Figura 2-21: Differenti distribuzioni dell’intensità del fascio [9]

Quelli finora descritti sono i cosiddetti modi “spaziali” del fascio laser. I modi “temporali” descrivono invece il regime di emissione che può essere continuo (Continuous Wave, CW, l’onda viene emessa ininterrottamente per un dato periodo

2w0

39

di tempo) o ad impulsi (Pulsed Wave) [10]. Di seguito sono schematicamente illustrati i profili di potenza con cui il fascio viene erogato nel tempo:

Figura 2-22: Profilo di potenza in modalità continua o impulsata

dove appare chiaro come il regime ad impulsi sia caratterizzato da parametri quali la durata del picco di potenza τκ , la frequenza di ripetizione fp=1/τp, la potenza di

picco Ppk, la potenza media di picco Ph e la potenza media degli impulsi Pavg. τh P(t) Ppk P(t) t t Ph Pavg τp– 1/fp Continuous Wave Pulsed Wave

41

3.1

Principi

Nell’incidenza tra un radiazione elettromagnetica e una superficie si verificano vari fenomeni quali la riflessione, la rifrazione, l’assorbimento, la dispersione e la trasmissione. Nel caso dei processi di lavorazione industriale, l’assorbimento è naturalmente il fenomeno maggiormente desiderato: esso si manifesta attraverso il riscaldamento, la fusione, la vaporizzazione e la formazione di plasma: tutti effetti che costituiscono la base delle tecnologie di lavorazione laser. L'entità di tali effetti dipende principalmente dalle proprietà termofisiche del materiale e dalle caratteristiche della radiazione elettromagnetica incidente. I parametri del materiale sono la conducibilità termica, il calore specifico, il calore latente, la densità e la finitura superficiale dei componenti. I parametri del laser sono l’intensità, la lunghezza d'onda, l’angolo di incidenza, il modo temporale, etc., entrambi già citati nei precedenti capitoli.

3.1.1

Assorbimento della radiazione

Nell’assorbimento della luce, la forza che la radiazione elettromagnetica esercita dove è la velocità elettronica e è la velocità della luce e dove il contributo più consistente è legato al campo elettrico. La variazione energetica introdotta è convertita in energia cinetica degli elettroni liberi ed energia di attivazione degli elettroni legati. L’intensità della radiazione assorbita può essere espressa dalla

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legge di Lambert-Beer:

@&_( = @B Gd…† 3-1

dove @B e @&_( sono rispettivamente le intensità sulla superficie e a quota _ nel

materiale e ;‡ è il coefficiente di assorbimento (dipende dal mezzo assorbente e

dalla lunghezza d'onda λ).

Si definisce inoltre trasmittanza T il rapporto @&_(/@B e assorbimento A come:

Z = − ln „ 3-2

per cui la 3-1 assume la forma semplificata:

Z = ;‡_ 3-3

Detta inoltre R la riflettività del materiale, per i materiali cosiddetti “opachi”, si ha:

Z + g = 1 3-4

Figura 3-1: Assorbimento percentuale di alcuni metalli rispetto alla lunghezza d’onda

La Figura 3-1 mostra la percentuale di assorbimento della radiazione

A ss or bi m en to (% ) Lunghezza d’onda (µm) CO2 10.6µm 30 25 20 15 10 5 0.1 0.2 0.4 0.81 1 2 4 6 8 10 20 Al Ag Au Cu Nd:Yag 1064µm _St Fe

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elettromagnetica da parte di alcuni metalli. Si noti in particolare la differenza tra la percentuale di assorbimento della radiazione emessa dal laser Nd:YAG rispetto al laser allo stato gassoso CO2, che giustifica la scelta del primo negli impieghi di saldatura laser degli acciai inox. I materiali risultano tanto più assorbenti quanto minore è la lunghezza d’onda, sebbene l’assorbimento sia influenzato anche da altre condizioni, come anticipato, quali la temperatura e la finitura superficiale del materiale.

Di seguito si riportano, a titolo di esempio, i risultati inerenti alla percentuale di assorbimento da parte dell’acciaio inox AISI 304 in rapporto alle diverse lavorazioni, in cui appare evidente come l’assorbimento della radiazione diminuisca all’aumentare del grado di finitura superficiale. Il comportamento ottico è influenzato dal grado di finitura superficiale a causa delal maggiore capacità di riflessione interna del materiale in presenza di asperità o disuniformità micro geometriche superficiali, Figura 3-2 e Figura 3-3. Anche l’aumento di temperatura influisce sull’assorbimento del materiale perché rende possibile il coinvolgimento di una maggiore percentuale di elettroni nell’interazione con la radiazione incidente.

Figura 3-2: Assorbimento medio, Aavg,e relativa deviazione standard, σ,dell’acciaio inox AISI 304

per due diverse finiture superficiali [11]

Tale fenomeno è di importanza fondamentale in quei processi, come il taglio o la

Acciaio inox AISI 304 ricotto e lucidato [Sa=0.09%] Acciaio inox AISI 304 laminato a caldo [Sa=3.26%]

λ=1053 µm λ=1053 µm

Aavg=32.4% σ= 0.2% Aavg=57.5% σ= 3.2%

λ=527 µm λ=527 µm