Tre metodi per ridurre la porosità nella saldatura laser delle leghe di alluminio
Grazie alla bassa densità, all’elevata resistenza e alla buona resistenza alla corrosione, le leghe di alluminio sono molto diffuse nell’industria automobilistica, nelle nuove energie, nell’aerospaziale e nell’edilizia. Oggi la saldatura laser è ampiamente utilizzata nella produzione di componenti in lega di alluminio. Rispetto ai metodi di saldatura tradizionali, la saldatura laser offre una maggiore efficienza produttiva e una migliore qualità del cordone, e consente saldature di alta precisione e l’automazione anche su strutture complesse.
La saldatura laser è una tecnologia che irradia un laser ad alta intensità sulla superficie del metallo: per effetto dell’accoppiamento termomeccanico tra laser e metallo, il metallo fonde e poi, raffreddandosi e cristallizzando, forma il cordone. In base al meccanismo termico si distinguono due tipi: la saldatura in conduzione termica e la saldatura a penetrazione profonda. La saldatura in conduzione termica si usa soprattutto per la saldatura di incapsulamento di componenti di precisione o per la micro- e nanosaldatura; la saldatura laser a penetrazione profonda si usa invece soprattutto per i materiali che richiedono una penetrazione completa. Durante il processo il materiale vaporizza e nel bagno di fusione si forma un keyhole: è il metodo di saldatura laser più diffuso e la prima scelta per le leghe di alluminio.
Caratteristiche della saldatura laser per fusione:
Vantaggi: la saldatura laser delle leghe di alluminio con testa wobble (oscillante) non richiede materiale d’apporto, l’impianto di saldatura è semplice, non ci sono materiali di consumo ed è facile da automatizzare;
Svantaggi: requisiti molto severi sulla distanza tra i lembi, altrimenti il cordone tende a collassare; all’inizio e alla fine del cordone si concentrano facilmente i difetti; il processo di saldatura è poco stabile e tende a generare difetti;
Caso: saldatura di telai per porte in lega di alluminio della serie 5 nel settore delle finiture edili
A causa delle proprietà fisiche intrinseche delle leghe di alluminio, come il basso assorbimento del laser, il basso punto di ebollizione degli elementi di lega, l’elevata conducibilità termica, l’elevato coefficiente di dilatazione termica, l’intervallo di solidificazione relativamente ampio, l’elevato ritiro di solidificazione, la bassa viscosità e l’elevato assorbimento di idrogeno allo stato liquido, durante la saldatura laser si formano facilmente difetti come porosità e cricche a caldo.
La porosità è uno dei difetti più comuni nella saldatura laser delle leghe di alluminio. Compromette la compattezza del metallo saldato, riduce la sezione resistente effettiva del cordone e ne peggiora le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione: occorre quindi adottare misure efficaci per prevenire la porosità e migliorare la qualità interna del cordone.
Come ridurre la porosità nella saldatura laser per fusione:
- Ridurre la porosità con il trattamento superficiale prima della saldatura
Il trattamento superficiale prima della saldatura è un metodo efficace per controllare la porosità nella saldatura laser delle leghe di alluminio.
Dal confronto è emerso che il risultato migliore si ottiene con il trattamento chimico della superficie delle piastre di prova (pulizia con detergente per metalli – risciacquo con acqua – lavaggio alcalino – risciacquo con acqua – decapaggio acido – risciacquo con acqua – asciugatura). Per asportare lo strato superficiale del materiale si è usata una soluzione acquosa di NaOH (idrossido di sodio) al 25%, mentre per il decapaggio acido, che neutralizza la soluzione alcalina residua, si è usata una soluzione acquosa di HNO3 (acido nitrico) al 20% + HF (acido fluoridrico) al 2%. Dopo il trattamento superficiale, le piastre di prova vengono saldate entro 24 ore; prima della saldatura vengono assemblate e poi pulite con alcol anidro.
- Ridurre la porosità con i parametri del processo di saldatura
La formazione di porosità nel cordone non dipende solo dalla qualità del trattamento superficiale dei pezzi, ma anche dai parametri del processo di saldatura. L’influenza dei parametri sulla porosità si manifesta soprattutto attraverso la penetrazione della saldatura, cioè attraverso il rapporto di larghezza al rovescio del cordone.
I risultati mostrano che con un rapporto di larghezza al rovescio r > 0,6 la distribuzione concentrata della porosità a catena migliora sensibilmente, mentre con r > 0,8 si riduce efficacemente anche la presenza di pori di grandi dimensioni e la porosità nel cordone viene in gran parte eliminata.
- Ridurre la porosità scegliendo correttamente gas di protezione e portata
Durante la saldatura laser, un corretto apporto di gas di protezione può ridurre efficacemente la porosità del cordone.
Come mostrato sopra, per proteggere la superficie del cordone si usano Ar (argon) e He (elio). Nella saldatura laser delle leghe di alluminio, Ar e He hanno un diverso grado di ionizzazione sotto il laser, il che porta a una diversa formazione del cordone. I risultati mostrano che con Ar come gas di protezione la porosità del cordone è inferiore rispetto all’He.
Occorre inoltre considerare che, con una portata di gas ridotta (< 10 l/min), la saldatura genera una grande quantità di plasma che non viene allontanato, rendendo instabile il bagno di fusione e aumentando la probabilità di formazione di porosità. Con una portata moderata (circa 15 l/min) il plasma è controllato efficacemente, il gas di protezione svolge una buona azione antiossidante sul bagno e i pori sono minimi. Se la portata e la pressione del gas sono troppo elevate, una parte del gas di protezione viene inglobata nel bagno di fusione e la porosità aumenta.
Ridurre la porosità nella saldatura laser delle leghe di alluminio è un problema difficile: a causa delle caratteristiche del materiale, la porosità non si può eliminare del tutto durante la saldatura. Ottimizzando il processo prima e dopo la saldatura, abbiamo sintetizzato i risultati sperimentali e proposto 3 metodi per ridurre la porosità, come riferimento per i colleghi del settore. Chuangxin Laser non si concentra solo sulla ricerca e sull’innovazione tecnologica dei prodotti laser, ma esplora anche diverse tecnologie di lavorazione laser, e auspica il confronto con altri esperti del settore per promuovere la lavorazione laser in Cina.