AUTOMOTIVE

Una saldatura laser leggera, robusta e senza difetti per l’industria automobilistica

Lexi Carver

Ridurre le emissioni, migliorare continuamente la sicurezza, contenere i costi: la maggiore sensibilità verso i veicoli eco-friendly impone nuove sfide all’industria automotive. Gli ingegneri di ArcelorMittal ottimizzano l’uso dei materiali per la progettazione automobilistica in modo da rispondere ai criteri di sicurezza e ridurre l’impatto sull’ambiente.

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Sicurezza. Impatto ambientale. Progettazione economicamente sostenibile. Il numero dei fattori che un produttore di automobili deve considerare durante lo sviluppo del suo prodotto è elevato. Gli standard di sicurezza continuano a evolvere di giorno in giorno e l’esigenza di ridurre le emissioni e i costi è sempre pressante: tra gli ambiti che maggiormente influenzano questi fattori ci sono il design e il peso del veicolo.
Le case automobilistiche si affidano ai Laser Welded Blanks (sviluppi saldati al laser), che comprendono lamiere metalliche di diverso spessore e qualità, per contenere e controllare la quantità di materiale utilizzata nelle diverse parti del veicolo, come per esempio telaio e carrozzeria (figura 1). Questi sviluppi devono rispondere a diversi requisiti, tra cui norme di sicurezza in caso di collisione.
Benvenuti in ArcelorMittal, un’azienda che produce acciaio robusto e di alta qualità. Attraverso la simulazione numerica, ArcelorMittal lavora all’ottimizzazione dei processi di saldatura LWB per creare sviluppi che assicurino performance adeguate e riducano il più possibile il peso delle parti, attraverso una combinazione ottimale di diverse tipologie e spessori per le lamiere in acciaio saldato.

Fig. 1 - In alto: uno sviluppo saldato al laser con una sezione ravvicinata che mostra la saldatura di testa. In basso: esempi di aree in cui può essere utilizzata la LWB. Le parti in arancione indicano i componenti in cui una saldatura ben progettata può contribuire alla riduzione del peso: per esempio, il montante centrale, i supporti motore, parte della scocca e i piantoni della portiera.

Rispondere ai requisiti in materia di collisioni ed emissioni

“Ottimizziamo la collocazione dell’acciaio in modo tale che alcune porzioni dell’automobile siano più sottili e leggere, ma ugualmente resistenti quanto è necessario, utilizzando acciai innovativi di elevata robustezza e stampati a caldo. In sostanza, vogliamo una saldatura di qualità eccellente, che risponda ai requisiti di sicurezza per i crash test”, osserva il dr. Sadok Gaied, che coordina il team di ArcelorMittal impegnato nella modellazione numerica dei processi di saldatura. Perché una saldatura sia considerata sicura, non deve creparsi, spezzarsi o cedere in qualsiasi altro modo durante un test. ArcelorMittal utilizza la saldatura laser per trasformare acciaio solido in metallo fuso, grazie a una fonte concentrata di calore: si producono così saldature strette e profonde (figura 2).

Fig. 2 - La creazione del keyhole e il bagno di fusione dell’acciaio durante la saldatura. Il keyhole si sposta insieme al laser lungo la giunzione tra le due lamiere, mentre l’acciaio fuso riempie lo spazio attorno e dietro di esso a mano a mano che si muove.

“Il laser ad alta potenza deposita un’energia così intensa che parte del metallo vaporizza. Quando l’acciaio si fonde, la sua densità diminuisce improvvisamente, mentre il suo volume e il movimento del materiale aumentano, generando un vapore ad altissima pressione. Si crea così un ‘keyhole’, un foro sottile nel punto d’impatto del laser”, spiega Gaied. “Quindi l’acciaio circostante si scioglie, creando un bagno di fusione. Quando si raffredda, crea una connessione tra le due lamiere di metallo”.
“La maggior parte dei cedimenti meccanici è causata da difetti nelle giunzioni, perché sono il punto dove materiali diversi sono collegati. Se la giunzione non è eseguita correttamente, si possono generare sollecitazioni troppo elevate”. Una saldatura con parametri inadeguati può creare anche instabilità, che causano a loro volta porosità, penetrazione parziale o undercutting, producendo così una connessione più debole. Nella figura 3 sono mostrati esempi di diversi difetti di saldatura.

Fig. 3 - A sinistra in alto: la geometria di un undercut sotto forma di scanalature nella parte alta e bassa della saldatura, causato dall’espulsione di acciaio fuso. A destra in alto: un foro causato da un collasso inopportuno del metallo fuso. In basso: una saldatura a bolle dovuta a un comportamento idrodinamico complesso.

“Per prevedere i difetti connessi a diverse condizioni di saldatura, utilizziamo la simulazione, che ci permette di indagare gli effetti del cambiamento di parametri come la potenza del laser”, continua Gaied. “In questo modo possiamo testare virtualmente come le condizioni operative influenzano la probabilità che insorgano difetti, possiamo prevedere il moto dei fluidi, il comportamento termico e la forma finale della saldatura”.

Comprendere come le condizioni operative influenzano la qualità della saldatura

Considerato il numero di fattori che possono influenzare la qualità di una saldatura, è necessario prestare la massima attenzione ai dettagli: la potenza del laser, la porzione del laser riflessa dal materiale, la velocità di saldatura e la lunghezza d’onda influenzano i fenomeni che si verificano intorno al keyhole, come per esempio scambio termico, cambiamento di fase e fluidodinamica. In particolare, l’angolo del keyhole e la forma del bagno di fusione influenzano il campo di moto che risulta dal cambio di fase e dal carico termico. “Il comportamento elettrico, termico e fluidodinamico sono intrecciati tra di loro”, dice Gaied. “È molto importante sapere che cosa sta succedendo nella saldatura per poterne prevenire i difetti. Avevamo quindi bisogno di considerare tutte le fisiche contemporaneamente per poter tracciare il campo di moto all’interno e intorno al keyhole e capire i suoi effetti sulla stabilità della saldatura.
Il team di Gaied ha collaborato con Mickael Courtois, Muriel Carin e Philippe Le Masson dell’Université Bretagne Sud: hanno utilizzato il software COMSOL Multiphysics® per analizzare l’evolversi della distribuzione della temperatura nell’acciaio fuso e solido, dell’angolo del keyhole e del campo di moto durante il processo di saldatura. Hanno incluso diversi studi nella stessa simulazione con COMSOL, a cominciare dal modello elettromagnetico che determina la riflessione e le proprietà di assorbimento del materiale basate sull’angolo di riflessione del laser (figura 4).

Fig. 4 - Simulazione della riflessione del laser con il software COMSOL. I risultati mostrano la norma del campo elettrico per diversi angoli di riflessione e, di conseguenza, le diverse quantità di energia assorbita.

Hanno indagato anche i cambiamenti di potenza, lunghezza d’onda e velocità di saldatura per prevedere la forma del keyhole in diverse condizioni operative. Questo modello descrive lo scambio termico e il cambio di fase durante la fusione del metallo, permettendo al team di analizzare la vaporizzazione risultante, il movimento dell’interfaccia liquido-gas e l’accrescimento del bagno di fusione (figura 5).

Fig. 5 - In alto a sinistra: il campo di temperatura dell’acciaio fuso che scorre intorno al keyhole. In basso a sinistra: i risultati mostrano l’inclinazione capillare (l’angolo di keyhole) per diverse velocità di saldatura, il campo di temperatura nel metallo circostante e il campo di moto nel bagno di fusione e nel keyhole (grafico a frecce). A destra: immagine tridimensionale del campo di moto immediatamente intorno al keyhole durante la sua formazione1.

Modellare il comportamento accoppiato getta luce sui risultati finali della saldatura

Per prevedere la forma finale della giunzione, il team di Gaied e quello dell’Université Bretagne Sud hanno quindi modellato la profondità di penetrazione in funzione della velocità di saldatura, della potenza del laser e delle dimensioni del keyhole, basandosi sui risultati del loro studio precedente.
Per una saldatura di alta qualità è richiesta la completa penetrazione nelle lamiere; una penetrazione parziale può verificarsi quando la densità di energia è limitata, cioè con basse potenze o alte velocità.
La penetrazione parziale può causare undercut: di conseguenza, rimarranno fessure tra le due lamiere (figura 6).

Fig. 6 - Profondità di penetrazione per una velocità di saldatura di 6 m/minuto (a sinistra) e 8 m/minuto (a destra) con un laser 4kW. La condizione più lenta mostra piena penetrazione, dimostrando che la densità di energia nella deposizione è sufficiente. La condizione più veloce mostra una penetrazione soltanto parziale, dimostrando che non c’era abbastanza energia per creare una connessione di alta qualità. I risultati COMSOL mostrano la profondità di penetrazione e la forma dei difetti di saldatura (curva in giallo)2.

Tecniche di saldatura perfezionate per una maggiore sicurezza e per la riduzione delle emissioni

Offrire la giusta LWB ai propri clienti – con il tipo di acciaio e lo spessore della lamiera adatti per soddisfare le specifiche dei crash test, i requisiti di peso e il costo – richiede la scelta della migliore combinazione di parametri di saldatura. Basandosi sulle simulazioni, il test di Gaied ha contribuito a identificare il range di condizioni operative necessario per ottenere giunture prive di difetti.
“Riuscire a comprendere questi fenomeni fisici nelle loro interazioni ed eseguire una simulazione capace di combinarli tutti, invece di effettuare studi diversi in parallelo, è stato un vantaggio enorme per noi”, conclude Gaied. “Stiamo aiutando l’industria dell’automobile a ridurre il peso dei veicoli e stiamo facendo in modo che le nostre saldature siano di alta qualità e sicure per i conducenti”.

References

1. M. Courtois, M. Carin, P. Le Masson, S. Gaied, M. Balabane
Guidelines in the experimental validation of a 3D heat and fluid flow model of keyhole laser welding. Journal of Physics D: Applied Physics (2016), 49 (15)

2. M. Courtois, M. Carin, P. Le Masson, S. Gaied, M. Balabane
A new approach to compute multi-reflections of laser beam in a keyhole for heat transfer and fluid flow modeling in laser welding. Journal of Physics D: Applied Physics (2013), 46 (50)

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