RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

EKLAST - Enhancing the Knowledge of LAser Surface Treatments

Università di riferimento

Università degli Studi de L'AQUILA - INGEGNERIA MECCANICA, ENERGETICA E GESTIONALE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antoniomaria Di Ilio

Descrizione

Dal panorama sopra delineato si evince come siano ancora numerose le carenze riguardanti le conoscenze sui meccanismi di indurimento e rinvenimento, sull'influenza dei parametri operativi e sull'ottimizzazione e controllo del processo.
L'obiettivo generale del presente progetto è quello di contribuire al miglioramento delle conoscenze sul trattamento termico laser in generale, focalizzando in particolare l’attenzione sul trattamento di tempra degli acciai mediante laser a diodi ed affrontando lo studio sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Il lavoro sarà articolato in fasi come evidenziato nel seguito.

Fase 1: Analisi preliminare
Si parteciperà, insieme con le altre unità operative, alla definizione della strategia di ricerca e alla scelta dei materiali che saranno oggetto di indagine sperimentale.
L’unità dell’Aquila si occuperà della problematica del rinvenimento degli acciai nel caso di passate adiacenti e porrà quindi la sua attenzione allo studio dei meccanismi di tale processo. La scelta dei materiali per la successiva sperimentazione si orienterà verso materiali diversamente sensibili al rinvenimento dopo tempra; i fattori che influenzano la sensibilità al rinvenimento saranno oggetto di analisi nella fase di ricerca successiva.
Sul piano delle indagini sperimentali si identificheranno le problematiche di messa a punto dell’apparecchiatura di prova con laser a diodi: le misurazioni in process da effettuare (temperatura, altezza focale), le possibili cause di errore e le procedure per la determinazione della incertezza dei valori misurati.

Fase 2: Miglioramento della base di conoscenza
L’unità operativa dell’Aquila parteciperà allo studio teorico e sperimentale dei meccanismi di tempra laser e in particolare affronterà la problematica delle passate affiancante, che inducono un certo rinvenimento nelle zone già trattate.
2.1 Identificazione di un modello empirico di rinvenimento
Questa attività mira alla comprensione dei fenomeni che si manifestano sottoponendo ad un ciclo termico, in cui la fase di riscaldamento è particolarmente elevata, un materiale precedentemente temprato. Lo studio sarà condotto in cooperazione con il Politecnico di Milano al quale si richiederà di allestire una procedura, analoga a quella di tempra, con la quale si possa analizzare lo spostamento delle temperature di trasformazione del materiale temprato. Sarà in tal modo possibile identificare le strutture e le microdurezza correlate alle temperature raggiunte con differenti velocità di riscaldamento e raffreddamento ed ai tempi di interazione. Queste prove dovranno fornire una relazione tra la microdurezza e i valori temperatura-tempo del ciclo di rinvenimento.
Tenendo conto dei risultati di tale indagine, saranno condotte prove in condizioni operative reali mediante laser a diodi su materiale precedentemente temprato e caratterizzato in termini di microstruttura e durezza.
L’obiettivo è di identificare gli effetti di cicli successivi sul materiale già temprato, attraverso l’osservazione delle alterazioni strutturali al microscopio ottico, della durezza e della rugosità superficiale. Il risultato atteso di questa fase è una migliore conoscenza dei meccanismi di trasformazione microstrutturale indotta nel rinvenimento laser e la formulazione di una relazione empirica della durezza e della profondità di trattamento in funzione dei parametri temperatura-tempo. Tale relazione sarà poi utilizzata per prevedere l’entità del rinvenimento nel caso di passate adiacenti in funzione del grado di sovrapposizione e, dopo validazione sperimentale, verrà utilizzata in fase di ottimizzazione del processo.

2.2 Selezione empirica dei materiali più idonei
Sulla base dei risultati dello studio precedente sarà possibile individuare le tipologie di acciaio che maggiormente si prestano al trattamento di indurimento mediante laser a diodi. Verrà quindi studiata una metodologia di selezione dei materiali idonei (acciai), in cooperazione con le altre unità operative, focalizzando in particolare l’attenzione sulla sensibilità al rinvenimento,
Il risultato di questa attività è una metodologia che, a livello industriale, un progettista dovrebbe tener presente nella scelta del materiale per un componente.

2.3 Identificazione dell’insieme dei parametri di processo che influenzano il risultato finale
Lo studio sarà affrontato con metodologie analitiche e sperimentali.
Sulla base delle risultanze delle precedenti indagini, si pianificherà, adottando le regole della pianificazione sperimentale (DOE), una campagna di prove sperimentali volta a definire l’influenza dei parametri di processo da cui si otterranno delle relazioni empiriche o semiempiriche che consentiranno di tracciare delle mappe di trattabilità per ciascun materiale prescelto nella fase 1.
Per ottenere una buona risposta del materiale alla tempra laser sono importanti, oltre alla composizione del materiale, anche la microstruttura di partenza che dovrebbe essere “preparata” da un opportuno trattamento termico convenzionale in forno. Infatti, a causa della elevata velocità di evoluzione della temperatura durante la tempra laser, il carbonio e gli altri elementi di lega non hanno il tempo sufficiente per diffondere omogeneamente nel materiale e, nel caso di distribuzione non uniforme dei componenti (strutture sferoidali, segregazione) il risultato potrebbe non essere soddisfacente. La dimensione dei grani, che dovrebbe essere fine, è un altro parametro la cui influenza deve essere quantificata. Le suddette mappe di trattabilità saranno pertanto sottoposte a revisione critica per tener conto delle condizioni del materiale di partenza.

2.4 Identificazione di un modello di genesi delle tensioni residue e delle deformazioni
L’attività in questa fase è di cooperare, insieme con le altre unità operative, allo sviluppo di modelli analitici e numerici per studiare le tensioni residue e le conseguenti deformazioni indotte dal trattamento termico. In particolare, sarà sviluppato un modello analitico semplificato in grado di mettere in relazione lo stato tensionale residuo, dovuto ai gradienti termici ed alle trasformazioni di fase, con i parametri del processo e le proprietà del materiale. Il modello di partenza, di tipo termo-meccanico, potrà essere desunto da analoghi modelli riportati in letteratura per altre lavorazioni, come ad esempio la rettifica, (pubblicazione [2]).
Sul piano sperimentale si effettueranno prove di trattamento con laser a diodi volte a fornire risultati sperimentali alle unità di ricerca direttamente preposte allo sviluppo della modellistica sulle tensioni residue. Queste ultime saranno misurate mediante diffrattometro a raggi X, disponibile presso la sede di Milano.
Una metodologia di misura delle tensioni residue in un processo di indurimento laser per rifusione della ghisa è stato recentemente proposto da [GRU04], utilizzando degli estensimetri incollati sulla superficie opposta a quella investita dal fascio.
Nel caso della presente ricerca sarà studiata una metodologia di valutazione delle tensioni residue attraverso la misura delle deformazioni indotte nel trattamento laser di lastre di piccolo spessore. In letteratura scientifica esistono numerosi studi sul piegamento delle lamiere mediante tensioni termiche indotte da fascio laser (Laser Forming); se ne riportano alcuni a titolo di esempio [VOL93, CHE02, YAN05]). Mentre nella formatura laser le tensioni termiche sono necessarie per ottenere il piegamento dell’elemento, nel caso del trattamento superficiale rappresentano un fattore di disturbo che andrebbe minimizzato. A tale scopo si useranno quindi i materiali utilizzati nelle precedenti prove di trattamento, scegliendo un opportuno spessore al fine di meglio evidenziare le relazioni tra lo stato tensionale residuo, le trasformazioni strutturali e i gradienti termici. I risultati delle prove saranno messi a disposizione delle altre unità di ricerca al fine di valutate le tensioni residue mediante modelli i analitici o numerici da loro sviluppati. Oltre alla misura dell’angolo di piegamento della lamiera dopo il trattamento, si prevede di effettuate anche misurazioni in process. A tal fine l’apparecchiatura di prova sarà implementata con sensori di posizione senza contatto o con vibrometro laser (LDV), in grado di rilevare la velocità di piegamento del materiale e le eventuali vibrazioni [HSI04].
I risultati attesi da questa fase saranno:
- modello empirico di rinvenimento;
- metodologia per l’individuazione dei parametri che influenzano il processo;
- modello semiempirico e metodologia di valutazione sperimentale delle tensioni residue.

Fase 3: Ottimizzazione
L’obiettivo di questa fase è quello di determinare le condizioni di processo che consentono di rispettare le specifiche (durezza entro un prestabilito intervallo, valore dello spessore interessato) minimizzando i tempi e i costi di lavorazione. Dovrà essere formulata una espressione analitica che terrà conto, in particolare, della distanza di sovrapposizione delle passate adiacenti, in accordo con i risultati delle indagini precedenti.
Saranno quindi condotte prove sperimentali adottando i parametri di trattamento ottimali determinati dal modello, cui seguiranno prove di funzionalità delle parti lavorate.
Allo stato attuale si prevede di effettuare prove di fatica a flessione utilizzando un’apparecchiatura già presente presso il Dipartimento DIMEG, che necessita solo piccole trasformazioni. Sui campioni giunti a rottura saranno condotte analisi della frattura al SEM, al fine di correlare le cause di innesco con le caratteristiche strutturali ottenute dal trattamento e le imperfezioni superficiali. Queste prove potranno essere estese anche ai campioni sottoposti a trattamento di riporti avanzati, ottenuti presso la sede di Roma “Tor Vergata”.
Altri tipi di prove funzionali, ad esempio usura da impatto (allestendo un’apparecchiatura simile a quella riportata in [TIA03]), potranno essere prese in considerazione nel corso delle indagini, in cooperazione con gli altri gruppi di lavoro.
I risultati attesi al termine di questa fase saranno:
- modello di ottimizzazione tecnico-economico del processo di indurimento con laser a diodi per gli acciai;
- metodologia di valutazione funzionale del materiale trattato.

Fase 4: Controllo
Questa fase mira allo sviluppo di un sistema di controllo del processo basato sulla misura di alcuni parametri, elaborazione in linea degli stessi, e conseguente regolazione della potenza e/o della velocità di scansione. Attualmente, i costruttori di sistemi laser offrono, tra gli accessori opzionali, dei pirometri per il monitoraggio e controllo della lavorazione; tuttavia tali sistemi da un lato sono molto costosi, dall’altro necessitano di una taratura, in quanto agiscono su un’area in cui i gradienti termici sono particolarmente elevati. L’incertezza della misura è poi affetta da una molteplicità di fattori, tra cui lo stato superficiale del materiale, che rendono la misura non rappresentativa della reale temperatura nel materiale e poco riproducibile.
In questa sede si intende allestire un’apparecchiatura formata da un pirometro commerciale a basso costo o, in alternativa, da un sensore piroelettrico inserito in un sistema ottico progettato e realizzato ad hoc (con ottica a riflessione, eventualmente con trasporto in fibra della radiazione infrarossa fino al sensore) per la misura in linea della temperatura. Il sistema comprenderà appositi filtri in modo da selezionare la radiazione che arriva al sensore, impedendo cosi che questo possa essere “accecato” dalla radiazione laser riflessa dal materiale. L’allestimento sarà completato da uno studio volto a determinare le migliori condizioni in termini di posizione del sensore e zona di osservazione, tali da rendere significativa la misura ai fini del controllo di processo.
Seguirà quindi uno studio volto alla determinazione dei fattori che influenzano l’incertezza di misura, ed infine la determinazione di quest’ultima nelle reali condizioni operative del sistema laser.
Si passerà successivamente alla realizzazione del sistema di controllo, basato sull’acquisizione del valore di temperatura. Sulla base delle indagini precedenti, si effettueranno simulazioni allo scopo di determinare il parametro di regolazione più opportuno (potenza oppure velocità di scansione) seguendo il criterio della massima stabilità del processo.
Si valuterà infine la possibilità di regolare la distanza di lavoro del fascio, ottenendo in tal modo una dimensione maggiore dello spot, con conseguente diminuzione dell’irradianza. L’opportunità di tale regolazione discenderà dagli studi di ottimizzazione sulla forma e la dimensione del fascio, condotti congiuntamente con le altre unità operative.
Sviluppo ulteriore della possibilità di regolazione in process della distanza di lavoro è la possibilità di trattamento di un pezzo con geometria non piana: in tal caso si potrebbe pensare ad sensore senza contatto (ad esempio a triangolazione laser) che rilevi la geometria del pezzo con sufficiente anticipo rispetto alla zona di interazione laser materiale, permettendo in tale modo il mantenimento della distanza di lavoro ottimale.
Il risultati attesi al termine di questa fase sono:
- realizzazione di un sistema di misura della temperatura basato su pirometro a basso costo e metodologia di valutazione dell’incertezza di misura;
- relazione empirica tra le proprietà dello strato indurito e la temperatura misurata;
- implementazione di un sistema di controllo del processo basato sulla misura della temperatura.

Fase 5: Analisi finale
In questa fase, che vede la partecipazione di tutte le unità operative, l’Aquila si occuperà di un caso di studio che vedrà l’impiego dell’apparecchiatura messa a punto nella fase precedente, adottando parametri definiti secondo un criterio di ottimizzazione e sottoponendo a verifica funzionale il componente trattato.

Criteri di verificabilità
I risultati del presente progetto si tradurranno in un miglioramento delle conoscenze del processo di indurimento superficiale mediante fascio laser (in particolare degli acciai mediante laser a diodi). I criteri proposti per la verificabilità sono i risultati attesi riportati al termine di ciascuna fase.