Qualifiche di procedimento WPS saldatura laser

Include variabili critiche come la potenza del laser, la velocità di avanzamento, la posizione del fuoco e il flusso del gas di protezione, tutte componenti settate con tolleranze precise per garantire stabilità e qualità del processo. La corretta impostazione di questi parametri è essenziale per evitare difetti e assicurare la consistenza delle saldature.

Compilazione della WPS per Saldatura Laser

Una WPS per la saldatura laser include i seguenti elementi principali:

1. Identificazione della procedura:
   • Numero e revisione della WPS.
   • Nome o sigla dell'azienda.
   • Data di approvazione e revisione.
2. Descrizione del giunto di saldatura:
   • Tipo di giunto: sovrapposto, testa a testa o angolare.
   • Preparazione del giunto: Pulizia, preparazione dei bordi e tolleranze dimensionali.
   • Dimensioni del giunto: Spessori, larghezza, gap tra i pezzi da saldare.
3. Materiali di base:
   • Materiale da saldare: identificazione e specifica del materiale (ad es. acciai, leghe di alluminio, titanio, ecc.).
   • Spessore del materiale: indicare il range di spessori dei materiali che la procedura può coprire.
   • Trattamento dei materiali: Eventuale pretrattamento come pulizia superficiale o riscaldamento.
4. Tipo di laser:
   • Tipo di sorgente laser: NdYAG, fibra, CO₂, diodi…
   • Lunghezza d'onda del laser: Ad esempio, 1.064 nm per NdYAG, 10,6 µm per CO₂….
   • Potenza del laser: Definire il range di potenza espressa in kW.
5. Parametri di processo:
   • Potenza del fascio laser: Generalmente espressa in kW, da parametro fondamentale per una penetrazione corretta.
   • Velocità di avanzamento: Velocità con cui la testa laser si muove lungo il giunto, solitamente espressa in mm/min o m/min.
   • Energia per unità di lunghezza: Rapporto tra potenza e velocità, che indica quanta energia viene rilasciata per ogni unità di lunghezza (es. kJ/mm).
   • Focalizzazione del fascio: Distanza focale, ovvero la distanza tra la lente focale e il punto di fuoco sul pezzo da saldare. Definire il diametro del punto focale.
   • Posizione focale relativa: Posizione del fuoco rispetto alla superficie del pezzo (ad esempio sopra, sotto o sulla superficie del giunto).
   • Modulazione della potenza: Se il processo è pulsato, devono essere definiti anche i parametri relativi al duty cycle, alla durata e alla frequenza degli impulsi.
   • Orientamento del fascio: Incidenza angolare della testa laser rispetto al pezzo.
6. Parametri di gas:
   • Gas di protezione: Tipo di gas (argon, elio, azoto) utilizzato per proteggere il bagno di fusione da ossidazioni e contaminazioni e dimensioni della zona termicamente alterata (ZTA) 
   • Portata del gas: Definire il flusso del gas in litri/minuto (L/min).
7. Specifiche di materiale d'apporto (se utilizzato):
   • Tipo di materiale d'apporto: Ad esempio, fili o polveri metalliche. Indicare la natura del materiale d’apporto
   • Diametro del materiale d'apporto: Se si usa un filo, deve essere specificato il diametro (mm).
   • Velocità di avanzamento del filo: Regolazione del filo d'apporto espressa in mm/min.
8. Configurazione dell'attrezzatura:
   • Sistemi di movimentazione: Sistema utilizzato per muovere il pezzo o la testa laser.
   • Sistema di controllo del fascio: Regolazioni di ottiche o riflettori per garantire un'accurata concentrazione della potenza.
   • Sistema di raffreddamento: Specifiche per il raffreddamento della sorgente laser o dei pezzi durante o dopo il processo di saldatura. 

Tolleranze sui Parametri

I parametri specificati in una WPS per saldatura laser devono rispettare tolleranze ben definite. Questa pressi garantisce la qualità della saldatura. Alcuni esempi di tolleranze critiche includono:

• Potenza del laser: Solitamente ±5% della potenza nominale. Eccessiva potenza può portare a sovrapenetrazione e difetti, mentre potenze inferiori possono causare saldature insufficienti.
• Velocità di avanzamento: ±10% della velocità nominale. La velocità influenza direttamente l'input di calore, e una variazione eccessiva può compromettere la fusione o generare difetti.
• Posizione focale: ± 0,1-0,2 mm. Spostamenti eccessivi del fuoco possono influire negativamente sulla penetrazione della saldatura e sulla larghezza del giunto.
• Portata del gas di protezione: ±10%. Una protezione insufficiente può causare ossidazione, mentre un eccesso di gas può creare turbolenze nel bagno fuso.

Esempio di Parametri per una WPS Laser

Supponiamo di sviluppare una WPS per la saldatura laser in sovrapposizione di due lamine di acciaio inossidabile di spessore rispettivo di 1mm e di 2 mm:

• Giunzioni: sovrapposto 10/10 su 20/10
• Tolleranza dimensionale: +/- 1%
• Metalli: AISI: 316L - EU:  X2CrNiMo17-12-2 (1.4404)
• Preparazione: decapaggio chimico delle superfici di contatto
• Sorgente laser: Fibra, 1.064 nm.
• Potenza del laser: 4 kW, tolleranza ±5%.
• Velocità di avanzamento: 3 m/min, tolleranza ±10%.
• Posizione focale: 0 mm (sulla superficie), tolleranza ±0,1 mm.
• Gas di protezione: Argon, 15 L/min, tolleranza ±10%.
• Filo d'apporto: Non usato (procedura autogena).

Normative di Riferimento per la Preparazione delle WPS

• ISO 15609-4: Specifiche e qualifiche delle procedure di saldatura - Saldatura per fusione - Parte 4: Laser

Questo standard definisce il formato e il contenuto delle WPS specificatamente al campo della saldatura laser. Include le informazioni tecniche necessarie per eseguire una saldatura conforme, come i materiali di base, il tipo di laser, i parametri di processo e le condizioni di controllo.

• ISO 15614-11: Specifiche e qualifiche delle procedure di saldatura - Saldatura per fusione - Parte 11: Qualificazione delle procedure di saldatura per saldatura laser

Riguarda la qualificazione delle procedure di saldatura laser, definendo i test necessari per garantire che le WPS siano conformi agli standard e idonee all'uso pratico. Include prove meccaniche, ispezioni non distruttive e prove metallurgiche.

• ISO 15607: Specifica e qualificazione delle procedure di saldatura per materiali metallici - Regole generali

Stabilisce i principi generali per la qualificazione delle procedure di saldatura, applicabili ai diversi tipi di saldatura, incluso il laser. Fornisce un quadro generale per la preparazione delle WPS e il processo di qualificazione.

• EN ISO 1090-2: Esecuzione di strutture in acciaio e alluminio - Requisiti tecnici per le strutture in acciaio

Include i requisiti per la saldatura di strutture in acciaio e alluminio, specificando le modalità di preparazione delle WPS per saldature laser utilizzate in costruzioni strutturali.

• AWS D17.1/D17.1M: Welding in Aerospace

La norma AWS D17.1 copre le specifiche delle procedure di saldatura per applicazioni aerospaziali, includendo la saldatura laser per materiali ad alte prestazioni, come leghe di titanio e alluminio. Si focalizza sulla qualità e la sicurezza delle saldature in contesti critici.

• ASME Section IX: Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures

L'ASME Section IX regola la qualificazione delle procedure di saldatura, inclusa la saldatura laser, con particolare attenzione alla pressione e alla sicurezza nelle apparecchiature sotto pressione.

In tutti questi ambiti normativi va sottolineato che ogni  singolo operatore va opportunamente formato e qualificato sulla specifica applicazione in cui opera.

Controlli qualità sulle saldature laser

Nell’industria la saldatura è un procedimento speciale e come tale va integrato nei documenti e nelle certificazioni qualità di produzione. 
Ogni controllo qualità è selezionato in base alle esigenze dell’applicazione e alle specifiche della WPS. I controlli distruttivi vengono effettuati su campioni di prova, mentre quelli non distruttivi possono essere applicati anche ai pezzi finali. L'obiettivo è garantire che la saldatura laser sia affidabile, sicura e conforme agli standard richiesti.

Ispezione Visiva: 
Verifica immediata delle saldature per identificare difetti superficiali come crateri, porosità, sottofondo o eccessivo apporto di materiale.

Prove Non Distruttive (NDT)

• Ultrasuoni (UT): Utilizzati per rilevare difetti interni come porosità, cricche o inclusioni che non sono visibili all’esterno. Viene emesso un segnale ultrasonico attraverso la saldatura, con eventuali riflessioni anomale che indicano difetti.
• Radiografia (RT): Fornisce un'immagine dettagliata del giunto saldato utilizzando raggi X o gamma. Ottima per rilevare difetti volumetrici come cricche, porosità o inclusioni non metalliche.
• Ispezione con Liquidi Penetranti (PT): Utilizzata per individuare cricche o altri difetti di superficie su materiali non porosi. Un liquido penetrante colorato o fluorescente viene applicato sulla superficie e, dopo la rimozione dell’eccesso, eventuali difetti si rivelano con un tracciante.
• Particelle Magnetiche (MT): Usato per identificare cricche o discontinuità in materiali ferromagnetici. La magnetizzazione del pezzo permette di evidenziare eventuali difetti superficiali o sub-superficiali attraverso la raccolta di particelle magnetiche.

Prove Distruttive

• Prova di trazione: Determina la resistenza meccanica della saldatura misurando la forza necessaria per romperla. Consente di valutare la qualità dell'unione tra i materiali.
• Prova di flessione: Il campione saldato viene piegato per valutare la duttilità e la resistenza a cricche o altri difetti.
• Prova di durezza: Misura la durezza della zona saldata e della zona termicamente alterata (ZTA).
• Prova di resilienza (Charpy): Valuta la tenacità della saldatura misurando l'energia assorbita durante la frattura, importante per applicazioni soggette a sollecitazioni dinamiche o basse temperature.

Controllo Dimensionale
Verifica delle dimensioni del giunto saldato rispetto alle specifiche del disegno. Si controlla la larghezza del cordone, la profondità di penetrazione e l'eventuale deformazione del pezzo dopo la saldatura.

Prova di Tenuta
Test per verificare l'ermeticità delle saldature in applicazioni che richiedono la tenuta a fluidi o gas. Viene applicata una pressione interna e si verifica la presenza di eventuali perdite (test con gas tracciante, pressione idraulica o pneumatica).

Termografia a Infrarossi
Utilizza le immagini termiche per controllare in tempo reale il calore emesso durante il processo di saldatura. Le anomalie termiche possono indicare difetti come porosità o una distribuzione disomogenea del calore.

Monitoraggio In-Process
Sistemi di monitoraggio automatici integrati direttamente nella macchina laser, come sensori ottici o termici, per verificare continuamente la qualità del processo. Questi sistemi possono rilevare variazioni nel punto focale, nella potenza laser o nella velocità di avanzamento, identificando potenziali problemi prima che si trasformino in difetti.