meccaniche sono state eseguite in configurazione di taglio( vedi norma ASTM D1002), considerando le due condizioni di processo esaminate. I test sono stati condotti utilizzando una macchina per prove di trazione( sistema elettromeccanico MTS 2 / M), adottando una velocità costante della traversa mobile pari a 0,5 mm / min e registrando la forza corrispondente fino al completo cedimento del giunto.
Analisi dei risultati La Figura 3 mostra, rispettivamente, le viste superiore e inferiore dei cordoni di saldatura ottenuti nella configurazione Cu / Al per tutte le due condizioni di processo esaminate. I cordoni di saldatura, osservati dall’ alto, risultano essere stabili, senza particolari variazioni di forma e larghezza, suggerendo che l’ assorbimento da parte del rame nei confronti della radiazione a 450 nm è molto buono. La morfologia della superficie superiore varia in funzione della strategia di scansione( si vedano le immagini di Figura 3a-c): l’ impiego della tecnica wobbling determina un’ evidente irregolarità sulla superficie superiore dei cordoni, dovuta al movimento circolare del fascio laser. Al contrario, la traiettoria lineare favorisce una fusione più uniforme lungo la direzione di saldatura. Non si osservano fenomeni di spatter( intesi come proiezione di materiale fuso sotto forma di goccioline) né evidenti cricche superficiali in nessuno dei cordoni di saldatura, indipendentemente dall’ adozione di una strategia di scansione lineare o wobbling. Questo comportamento è tipico della saldatura in conduzione, oppure al più di transizione tra conduzione e profonda penetrazione; infatti, la densità di potenza associata alle condizioni di processi studiate è pari a 7.27 · 105 W / cm 2. Inoltre, la larghezza dei cordoni risulta maggiore nel caso della tecnica wobbling; tale incremento di larghezza è da attribuire sia alle dimensioni del fascio laser sia all’ ampiezza dell’ oscillazione, che provocano un apporto termico maggiore rispetto alla saldatura con percorso lineare. I parametri di processo sono stati selezionati in modo da ottenere l’ unione tra le lamiere di Cu e Al senza raggiungere la completa penetrazione attraverso la lamiera di Al. Tale scelta comporta esclusivamente il riscaldamento del lato posteriore della lamiera di Al, senza raggiungerne la fusione: le immagini ottenute tramite microscopia ottica( OM) del lato inferiore di ciascun cordone confermano l’ assenza di fusione, come illustrato nelle immagini di Figure 3b-d; le linee tratteggiate delimitano la regione sottostante il cordone riscaldata dal bagno di
fusione generato durante il passaggio del fascio laser. La Figura 4 mostra le sezioni trasversali dei cordoni di saldatura, mostrati in Figura 3. Si osserva che le due condizioni di processo hanno permesso di ottenere una penetrazione completa attraverso la lamiera superiore in Cu, favorendo l’ unione con la lamiera inferiore in Al. Al contrario, le lamiere in Al sono risultate solo parzialmente fuse nello spessore, in buon accordo con le immagini riportate nella Figura 3. La forma dei cordoni può essere considerata intermedia tra la modalità a conduzione e quella a penetrazione profonda, a causa dei valori di densità di potenza adottati e della distribuzione di potenza quasi piatta( vedi Figura 1). Dalle immagini riportate nella Figura 5c-d si osserva un evidente ampliamento della zona di materiale coinvolta nella fusione grazie all’ adozione del percorso wobbling. Nei cordoni realizzati seguendo una traiettoria lineare non si osservano cricche evidenti; al contrario, quando si utilizza il wobbling è visibile un’ unica cricca che circonda l’ area del cordone all’ interno della lamiera di alluminio. In tutti i cordoni sono presenti anche difetti di piccole dimensioni, quali porosità e zone non riempite: la maggior parte delle porosità è rilevabile all’ interno dei cordoni stessi, mentre nell’ area del gap si riscontrano difetti di maggiori dimensioni, riconducibili principalmente all’ impiego della traiettoria wobbling. Diverse regioni all’ interno della zona fusa suggeriscono che si sia ottenuto un effetto di miscelazione tale da favorire la formazione della lega Cu-Al a partire dagli elementi puri. La tecnica di wobbling sembra potenziare l’ effetto di miscelazione nella zona fusa rispetto alla saldatura eseguita con traiettoria lineare.
Figura 5. Immagini SEM dei cordoni( a sinistra) e relativa mappatura composizionale degli elementi Cu( al centro, evidenziati in arancione) e Al( a destra, evidenziati in azzurro). I cordoni di saldatura sono stati realizzati con la traiettoria lineare( d-e-f), e con la traiettoria wobbling( jkl)
Inoltre, la Figura 5 mostra le immagini SEM della zona di giunzione tra le due lamiere e le relative mappe EDS, che evidenziano la distribuzione degli elementi Cu e Al all’ interno dei cordoni di saldatura. Le mappe elementali mostrano la ridistribuzione tra il Cu( colorato in arancione), proveniente dalla lamiera superiore, e l’ Al( colorato in azzurro), proveniente dalla lamiera inferiore. Si può osservare che i cordoni presentavano una penetrazione del Cu nella zona di fusione dell’ Al( ovvero la parte superiore della lamiera di Al) bel caso della saldatura lineare. Al contrario, l’ adozione del percorso wobbling provoca effetti significativi di forte mescolamento degli elementi, in cui il Cu entra nella pozza fusa di Al, ma anche il contrario, ovvero Al risale all’ interno della parte di cordone in cui il Cu è principalmente presente. Per cui, si miscelamento tra i due elementi è reso più intenso nel caso del wobbling, probabilmente a causa di un forte effetto di stirring. A maggiori ingrandimenti( vedi Figura 6), si può osservare che dal Cu all’ Al si formano due fasi, una eutettica di Cu e Al, e una fase Al2Cu. La zona in cui si mostra questo profilo di composizione chimica aumenta con la saldatura wobbling. Le dimensioni delle grandezze caratteristiche dei cordoni di saldatura in termini di larghezza e penetrazione sono riportati in Tabella 3. Si osserva che la larghezza W è influenzata dalla strategia di saldatura, mentre la profondità P non varia. Tale andamento può essere spiegato dal fatto che l’ oscillazione del fascio distribuisce il calore irradiato su un’ area effettiva maggiore durante la saldatura; l’ allargamento del cordone di saldatura dipende dall’ ampiezza dell’ oscillazione compiuta dal fascio laser. L’ analisi
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