Riassunto analitico
E’ stata compiuta una ricerca sullo stato dell’arte della modellizzazione del fenomeno del Keyhole nella
saldatura laser ad alta potenza e sono stati individuati gli articoli accademici più significativi nella
rappresentazione delle varie tipologie di modelli adottati. Gli articoli sono stati singolarmente analizzati per
comprendere vantaggi e svantaggi dei singoli modelli e valutare qualitativamente lo scostamento dei risultati
del singolo modello dalle prove sperimentali presentate. Si è individuato come particolarmente interessante il
modello Fabbro-Chouf come base per il modello da sviluppare data la sua relativa semplicità e la possibilità
di implementazione di futuri sviluppi orientati all’affinamento della simulazione. Parallelamente alla stesura
delle basi del modello che si sarebbe andato a sviluppare nei mesi successivi, sono state effettuate prove
sperimentali di saldatura ad alta potenza con laser in fibra da 10kW presso l’azienda IPG di Milano
seguendo la teoria del DOE mediante prove beam on plate con tre parametri su tre livelli per ottenere un
modello statistico per correlare la profondità e larghezza dei cordoni alla distanza focale, alla potenza, e alla
velocità di saldatura, e sono state effettuate prove sperimentali per verificare la validità di alcune ipotesi
derivate dal modello Fabbro-Chouf. Presso il laboratorio del DIN di Bologna sono stati sezionati, lucidati, e
misurati i provini di saldatura ottenendo i dati necessari alla costruzione del modello statistico, e sono stati
sezionati longitudinalmente i provini delle prove sperimentali non correlate al DOE valutando i risultati per
verificare la veridicità delle ipotesi derivate dal modello Fabbro-Chouf. Visti i risultati positivi delle prove
sperimentali si sono delineati conseguentemente ulteriori aspetti del modello che si stava sviluppando.
Successivamente ci si è concentrati interamente sullo sviluppo del modello in C++ usando l’ambiente di
sviluppo Qt. Il modello è stato suddiviso in moduli, ciascuno implementato in C++ mediante una funzione. Si
è iniziato a sviluppare il modulo computeBeamCraterIntersection, il più complesso dal punto di vista della
programmazione anche se riguarda problematiche strettamente geometriche, che determinare ad ogni
iterazione quali sono le aree della geometria irraggiate dal laser. Il modulo è stato sviluppato in circa un
mese considerando anche il debug, ed è stato successivamente ripreso per essere ottimizzato.
Successivamente si sono sviluppati i moduli di riflessione dei raggi sul cratere, di interazione tra raggio e
geometria, e il modulo di aggiornamento cratere che tiene conto dell’ablazione del materiale, della velocità
del sistema di riferimento solidale alla testa di saldatura, e della contropressione della parete posteriore.
Parallelamente è stata sviluppata la componente di output grafico attraverso la libreria OpenGL.
Come sviluppo futuro si cercherà inizialmente di ottenere dati di paragone dalla
letteratura scientifica, e/o si cercheranno di effettuare test sperimentali. Il modello è ulteriormente
sviluppabile tenendo conto della profondità laterale, i gradienti di temperatura e le tensioni residue.
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Abstract
Firstly a research on the state of the art of the modeling of the Keyhole phenomenon in the high power laser weldings was done and the most significant scholarly articles have been identified in representation of the various types of models adopted . The articles were individually analyzed for
understand the advantages and disadvantages of each model and qualitatively evaluate the deviation of the results
of the single model from the experimental tests presented. It has been identified as particularly interesting
the Fabbro-Chouf model as the basis for the model to develop given its relative simplicity and the possibility
implementation of future oriented developments to the refinement of the simulation. In parallel with the drafting
of the bases of the model, beam on plate tests were carried out about experimental welding with high-power fiber laser (10kW) at the company IPG in Milan
following the DOE theory with three parameters on three levels to achieve a
statistical model to relate the depth and width of the leads on the focal length , power , and
welding speed, and experimental tests were carried out to verify the validity of certain assumptions
model derived from the Fabbro-Chouf article. In the laboratory of DIN Bologna the specimens were sectioned , polished , and
measured to obtain the data necessary to build the statistical model , and some specimens of experimental tests not related to DOE were
longitudinally sectioned for evaluating the results and check the veracity of the hypotheses derived from the model Fabbro-Chouf . Given the positive results of the experimental tests, we outlined further aspects of the model that was developing.
Subsequently, the focus was entirely on the development of the model in C + + using the Qt environment. The model was divided into modules, each implemented in C + + using a function. Firstly I started to develop the module computeBeamCraterIntersection , the more complex from the point of view of
programming even if it relates strictly geometric problems , which determine at each
iteration which areas of geometry are irradiated by the laser. The module has been developed in approximately one
month considering debugging, and was subsequently optimized .
Later I developed the modules of the ray reflections on the crater , the interaction between beam and
geometry , and the crater-update module which takes account of the ablation of the material, the speed
of the reference system integral with the welding head , and the backpressure of the rear wall .
At the same time the graphical output component has been developed through the OpenGL library .
The model is further developable taking into account the depth side, the temperature gradients and the residual stress.
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