Saldatura a raggio laserGrazie alla sua elevata velocità, precisione e caratteristiche di saldatura senza contatto, la saldatura a fusione è ampiamente utilizzata in settori quali l'industria automobilistica, aerospaziale e dei dispositivi elettronici, mostrando vantaggi unici soprattutto nella connessione di materiali dissimili. Tuttavia, le cricche di solidificazione che si generano durante il processo di saldatura rappresentano uno dei principali difetti che ne limitano l'applicazione industriale. Queste cricche si verificano solitamente alla fine della solidificazione nella zona di fusione, innescate dagli effetti combinati di stress termico, ritiro da solidificazione e film liquido sui bordi dei grani, riducendo significativamente le proprietà meccaniche e la durata a fatica del giunto.
1. Meccanismo di formazione
Il meccanismo principale delle cricche di solidificazione risiede nel film liquido residuo presente ai bordi dei grani al termine del processo di solidificazione. Durante la solidificazione, il bagno fuso si divide in tre zone: la zona liquida libera, la zona liquida ristretta e la zona solida, come mostrato in Figura 1. Nella zona liquida ristretta, il flusso del liquido è bloccato e non può compensare la deformazione generata dal ritiro da solidificazione, con conseguente separazione dei bordi dei grani. Il rapporto tra l'energia del bordo del grano (γgb) e l'energia dell'interfaccia solido-liquido (γsl) determina la stabilità del film liquido: se γgb < 2γsl, il film liquido è instabile e si verifica la coalescenza dei grani; al contrario, il film liquido è stabile e si verifica l'innesco di cricche.
Inoltre, la formazione di cricche di solidificazione è correlata anche alle proprietà metallurgiche dei materiali. Materiali diversi presentano caratteristiche di solidificazione distinte, come l'intervallo di temperatura di solidificazione, la velocità di ritiro da solidificazione e la distribuzione degli elementi di lega, ecc. Queste caratteristiche influenzano la suscettibilità alle cricche. Ad esempio, nei materiali contenenti un'elevata quantità di fasi eutettiche a basso punto di fusione, la suscettibilità alle cricche di solidificazione è maggiore perché queste fasi eutettiche tendono a formare film liquidi continui durante la solidificazione, intensificando così la formazione di cricche.
Durante ilprocesso di saldatura laserAnche i parametri di saldatura, come la potenza del laser, la velocità di saldatura e la dimensione del punto, hanno un impatto sulla formazione di cricche di solidificazione. Questi parametri influenzano l'apporto di calore e il gradiente di temperatura durante il processo di saldatura, modificando di conseguenza la struttura di solidificazione e la morfologia dei grani. Ad esempio, una maggiore potenza del laser e una minore velocità di saldatura comportano un maggiore apporto di calore e una velocità di raffreddamento più lenta, che favoriscono la crescita di cristalli colonnari e aumentano la suscettibilità alle cricche. Al contrario, una minore potenza del laser e una maggiore velocità di saldatura determinano un minore apporto di calore e una velocità di raffreddamento più rapida, facilitando la formazione di cristalli equiassiali e riducendo la suscettibilità alle cricche.
2. Misure di repressione
Per sopprimere efficacemente le crepe di solidificazione insaldatura laserI ricercatori hanno proposto diverse strategie, incentrate principalmente sul controllo della struttura granulare, sull'ottimizzazione dei parametri di saldatura e sul miglioramento delle proprietà del materiale. Affinando la struttura granulare, è possibile aumentare il numero di bordi di grano e ridurre la concentrazione di stress, diminuendo così la formazione di cricche. Studi hanno dimostrato che, utilizzando la tecnologia di oscillazione del raggio laser, i cristalli colonnari possono essere trasformati in cristalli equiassiali fini senza l'aggiunta di altri materiali. L'oscillazione del raggio laser può disperdere l'energia laser, causando la generazione di turbolenza nel bagno fuso, interrompendo così la direzione di crescita dei cristalli colonnari e promuovendo la formazione di cristalli equiassiali, come mostrato in Figura 3. Inoltre, l'oscillazione del raggio laser può anche aumentare l'ampiezza del bagno fuso, ridurre il gradiente di temperatura e prolungare il tempo di solidificazione del bagno fuso, favorendo la diffusione dei soluti e il rifornimento dei film liquidi, riducendo significativamente la sensibilità alle cricche di solidificazione.
Distribuzione dei film liquidi ai bordi dei grani in presenza di diverse forme del pool.
Schema del bagno di fusione durante la saldatura: a, b) senza oscillazione, c, d) oscillazione laterale, e, f) oscillazione longitudinale, g, h) oscillazione circonferenziale.
Oltre alraggio laserLa tecnologia di oscillazione, che utilizza doppie sorgenti laser, è anche uno dei metodi efficaci per sopprimere le cricche di solidificazione. Le doppie sorgenti laser possono ottenere la trasformazione da cristalli colonnari a cristalli equiassiali ottimizzando il ciclo termico, riducendo così la dimensione dei grani e la concentrazione di deformazione. Ad esempio, quando si utilizza un laser a CO₂ come fonte di calore principale e un laser pulsato Nd:YAG come fonte di calore ausiliaria, è possibile formare un ciclo termico ottimizzato durante la saldatura, favorendo la formazione di cristalli equiassiali e riducendo la sensibilità alle cricche di solidificazione, come mostrato in Figura 4.
L'ottimizzazione dei parametri di saldatura è un altro mezzo importante per sopprimere le cricche di solidificazione. Regolando parametri come la potenza del laser, la velocità di saldatura e la dimensione del punto, è possibile controllare l'apporto termico e il gradiente di temperatura durante il processo di saldatura, influenzando così la struttura di solidificazione e la morfologia dei grani. Studi hanno dimostrato che il trattamento di preriscaldamento può ridurre la velocità di raffreddamento, promuovere la formazione di cristalli equiassiali e quindi ridurre la sensibilità alle cricche di solidificazione, come mostrato in Figura 5. Inoltre, metodi come l'utilizzo della saldatura laser pulsata e l'aumento della velocità di saldatura possono anche ottenere la trasformazione da cristalli colonnari a cristalli equiassiali modificando l'apporto termico e la velocità di raffreddamento, riducendo così la sensibilità alle cricche.
Figura 5. a) Granuli equiassiali non riscaldati, b) Granuli preriscaldati a 300 °C.
Nella saldatura laser di materiali dissimili, a causa delle significative differenze nelle proprietà fisiche e chimiche tra i materiali, si tende a formare composti intermetallici fragili, che rappresentano una delle principali cause di cricche di solidificazione. Pertanto, la regolazione dei parametri e delle impostazioni del laser per ridurre la formazione o la quantità di composti intermetallici è una strategia importante per sopprimere le cricche di solidificazione. Ad esempio, nella saldatura laser di materiali dissimili rame-alluminio, controllando l'offset del raggio laser e la velocità di saldatura, è possibile ridurre il rapporto di miscelazione di rame e alluminio nel bagno fuso, diminuendo così la formazione di composti intermetallici fragili e riducendo la suscettibilità alle cricche. Inoltre, l'utilizzo di materiali d'apporto può migliorare le prestazioni del giunto saldato e ridurre la formazione di cricche. I materiali d'apporto possono ridurre la formazione di composti intermetallici modificando la composizione e la microstruttura del giunto saldato e migliorandone la tenacità.
Le cricche di solidificazione sono uno dei difetti più comuni nei processi di saldatura laser. Il loro meccanismo di formazione è complesso e coinvolge l'interazione di molteplici fattori, quali calore, meccanica e metallurgia. Studiando a fondo il meccanismo di formazione delle cricche di solidificazione, è possibile fornire una base teorica per la loro soppressione. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno proposto diverse strategie per sopprimere le cricche di solidificazione, incentrate principalmente sul controllo della struttura granulare, sull'ottimizzazione dei parametri di saldatura e sul miglioramento delle proprietà del materiale. L'esperienza ha dimostrato che queste strategie possono ridurre efficacemente, entro certi limiti, la suscettibilità alle cricche di solidificazione e migliorare la qualità e l'affidabilità della saldatura laser. Tuttavia, a causa della complessità e della diversità del processo di saldatura laser, la ricerca attuale presenta ancora alcune lacune. Ad esempio, sono necessarie ulteriori ricerche approfondite sui meccanismi di inibizione delle cricche di solidificazione in diversi materiali e condizioni di saldatura.
Data di pubblicazione: 20 marzo 2025
