Monitoraggio e Controllo nei Processi di Saldatura Laser

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Monitoraggio e Controllo nei Processi di Saldatura Laser:
nuove soluzioni e prospettive
Daniele Colombo, Barbara Previtali - SITEC Laboratorio per le Applicazioni Laser
Luca Cevasco, Claudio Cenati, Diego Parazzoli, Nicola Pedrocchi – CNR ITIA
www.sitec.mecc.polimi.it
Our competencies in laser material processing:
•  Laser Welding
•  Laser Cutting
•  Laser Hardening
•  Laser Cladding
•  Laser Micromachining (drilling, cutting, texturing)
•  Monitoring and Control of Laser Processes
Our major equipment:
•  Fiber Laser IPG YLR1000
•  Fiber Laser IPG YLS3000
•  Fiber Laser IPG YLP-1/100/50/50
•  Trumpf Nd:YAG HL 124P – PowerWeld
•  Robots ABB IR 2400 and IR 4400
•  Robot COMAU Smartlaser
•  BLM AdigeSys LTCombo fiber laser cutting system
•  Aerotech ALS and ACS moving stages
Seminario ESI-AITeM “Saldatura e Trattamenti Termici” - Brescia – 16 Ottobre 2014
www.itia.cnr.it
IRAS group competencies
•  Artificial Vision:
•  development of 3D laser scanning systems
•  development of stereoscopic vision systems for optical
tracking
•  Industrial Controls:
• development of embedded Linux images with Xenomai
and RTAI realtime extension
• development of modules for interfacing with advanced
sensors (vision, laser scanner, manual guidance, etc. ..)
• design and configuration of Embedded Systems
• study and implementation of devices for data collection,
remote configuration and management (GSM Ehternet or
encrypted), advanced web interfaces etc. ..
! 
Mechanical design with 3D solid modeling CAD-CAM.
! 
Electronic boards design and programming (signal
conditioning, IO management, interfaces to devices, battery
management, FPGA, etc. ..)
Indice della presentazione
1.  INTRODUZIONE
2.  LA SALDATURA LASER
3.  LE TECNOLOGIE ABILITANTI LA SALDATURA LASER 3D
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
Settori Applicativi della Saldatura Laser
Tecnologie di giunzione tradizionale
MIG/
MAG
Cold Metal
Transfer
TIG/
Plasma
Hybrid
(MIG/
MAG +
Laser)
Laser con
filo
d’apporto
Laser
autogeno
Remote
Laser
Welding
aumento della QUALITA’ del giunto saldato, in termini di
minor deformazione termica del componente,
maggior ripetibilità e controllo del processo;
aumento della PRODUTTIVITA’ in termini di velocità di saldatura
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
La saldatura laser
Sorgenti Laser ad Elevata Brillanza:
Sorgenti Laser in Fibra: λ = 1070 nm
Sorgenti Laser a Disco: λ = 1030 nm
Sorgenti Laser a Diodi: λ ≈ 800 ÷ 1000 nm
[W.Steen J.Mazumder, 2010]
La saldatura laser
cortesia IPG Photonics IT
[W.Steen J.Mazumder, 2010]
e of the
nt gas
iation is
/He
es from
velength
aximum
Nitrogen
mW is
n levels
ographs,
or laser
nd filter
ing the
300 nm
T.O.C.
ere also
roscopic
and off
fixed at
erred to
e to the
d in the
(ASTM
ess. Butt
m were
e
Focus position [z]
Shielding gas
Collimating focal
length
Focusing focal length
Beam spot diameter
elapsed mean
irradiance
Depth of field
0 mm
He / Ar
60 mm
125 mm
114 µm
7.7 x 1010 W/m2
Ar/He
He/He
La saldatura laser (λ = 1070 nm)
1,5 mm
40
Power
Ti6Al4V,
[kWs=2mm
]
SITEC
Figure 6 Weld bead cross section of the welding
condition used in the off-axis/T.O.C. monitoring
comparison.
λ=1070nm,
P=1kW
SITEC
Ar/He
AZ31B, s=5mm
He/He
Cu60Zn40 SMA, B.o.P.
λ=1070nm, P=2.6kW
3
SITEC / CNR-IENI
λ=1070nm, P=1kW
2.6
Power
B.o.P.
[kW]Cu60Zn40,
λ=1070nm, P=1kW
3
5
SITEC
SITEC
SITEC
!
AISI, s=2mm
λ=1070nm, P=0.6kW
AISI, buttλ=1070nm, P=1.0kW
Acciaio, s=6mm
λ=1070nm, P=4.0kW
SALDATURA LASER (componente in Ti6Al4V, s=2su6mm, λ=1070nm @ SITEC)
emission.
To evaluate the ability of each method to identify the effect of
he parameters (gap and location), the analysis of variance
ANOVA) is performed using the set of indicators provided by
he three approaches as response variables. The ANOVA results
are used as performance indicators to compare the effectiveness
of the three approaches in analysing emission spectra. In particular, the adjusted coefficient of determination R2-adj and the
F-value of each factor (gap and location) in the analysis of
variance are used as indicators. The coefficient of determination
describes the proportion of variability in a data set that is
collected by the statistical model and provides a measure of
how well future outcomes are likely to be predicted by the model.
The use of the adjusted form of the coefficient of determination
enables one to take into account the effects of a number of
factor. The comparison of the F-value is used in heuristic
approaches for model selection (as stepwise regression) and is
effective for models that have approximately the same number of
significant factors.
The full results from the statistical analysis are presented in an
appendix. The main hypotheses of the ANOVA test (residuals that
are independently and identically distributed as a normal variable
with constant variance) have always been checked but are not
reported here for the sake of brevity.
Saldatura di acciaio zincato:
Table 5
Data-analysis methods used in the present paper.
Data-analysis method
Indicators
Analysis of the overall emission
Overall emission
Analysis of the selected emission ranges
Plasma emission
Laser emission
Thermal emission
PCs
4. Results and discussion
IPG YLR1000 + ElEn Thetafiber + ABB IRB2400 @ SITEC
4.1. Joints analysis
The quality of the remote laser welding process was evaluated
by visual inspection of the weld seams and metallurgical analyses
performed on cross and longitudinal sections of the welded
samples.
Fig. 3 shows representative macro-photographs and sections
of the welding condition at each of the three gaps.
With an optimal gap value of 200 mm, the weld bead is regular
and does not present local defects. Welding defects such as pores
or cracks are not present and the weld bead is sound. Furthermore
a constant penetration is observed along the whole welding seam.
Premio Laurea Mag. AITeM 2013
On the contrary, when the gap is moved from its reference value,
1.  Laser Dimpling [Ferrarini, 2013]
Spectra normalisation þprincipal component analysis
2.  Remote Laser Welding [Gattere, 2014] Premio L.M. UCIMU 2014
SITEC
3.  Monitoraggio del gap [Colombo, Colosimo, Previtali, 2013]
IPG YLS3000 + COMAU SmartLaser @ SITEC
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
Criticità nella saldatura di assemblati
Criticità nella saldatura di assemblati
Precisione
dell’Attrezzaggio
Tolleranze
Dimensionali
Parte A
Robustezza del
Processo di
Saldatura
Tolleranze
Dimensionali
Parte B
Precisione del
Robot
La saldatura laser 3D: le tecnologie abilitanti
Precisione
dell’Attrezzaggio
Tolleranze
Dimensionali
Parte A
Robustezza del
Processo di
Saldatura
Tolleranze
Dimensionali
Parte B
Precisione del
Robot
Le Tecnologie Abilitanti: Technology Layers
Precisione
dell’Attrezzaggio
Livello 1: Sistema
Livello 2: Ciclo Produttivo
Tolleranze
Dimensionali
Parte A
Livello 0: Processo
Robustezza del
Processo di
Saldatura
Tolleranze
Dimensionali
Parte B
Precisione del
Robot
Livello 1: Sistema
Precisione
dell’Attrezzaggio
Livello 1: Sistema
Tolleranze
Dimensionali
Parte A
Livello 0: Processo
Robustezza del
Processo di
Saldatura
Tolleranze
Dimensionali
Parte B
Precisione del
Robot
Livello 1: Sistema
Livello 0: Processo di Saldatura
•  Process Knowledge
•  Process Monitoring
•  Laser Beam Shaping
•  Diagnosi sistemi accessori al processo
•  …
Livello 1: Sistema di Saldatura
•  Programmazione mediante Manual Guidance
•  Visione: Inseguigiunto
•  …(programmazione off-line, machine Vision,
interazione uomo/macchina, etc)
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
Le Tecnologie Abilitanti
•  Livello 0: Processo di Saldatura
Robustezza del processo di
saldatura a variazioni di
- gap tra i lembi
- posizione del piano di fuoco
Saldatura di lega AZ31B
s = 2 mm
butt-joint
P = 3 kW
diametro fibra = 50 µm
spot size = 100 µm
cortesia SITEC/HZG/IPG
Robustezza del processo di
saldatura a variazioni di
- gap tra i lembi
- posizione del piano di fuoco
s = 2 mm
butt-joint
P = 3 kW
diametro fibra = 50 µm
spot size = 100 µm
Variazione del diametro della
fibra ottica " effetto del diametro
del fascio (in prima approx)
s = 2 mm
butt-joint
M=1
E [J/mm] = P/v = 40 J/mm (cost)
Gap = 0 mm
Heat Input 40 j/mm
Variazione del diametro della
fibra ottica " effetto del diametro
del fascio (in prima approx)
280
Base material UTS 276 MPa
s = 2 mm
butt-joint
E [J/mm] = P/v = 40 J/mm (cost)
Gap = 0 mm
UTS(MPa)
260
240
200
400
600
1000
220
200
180
2
4
6
Power (kW)
8
•  Laser Beam Shaping (wobbling)
Sovraimporre alla velocità di
avanzamento del fascio laser una
oscillazione (circolare) ad elevata
frequenza per generare uno spot
laser apparente
cortesia IPG Photonics IT
•  Laser Beam Shaping (wobbling)
D = 177µm
D = 355µm
D = 557µm
D = 952µm
D = 1445µm
D = 1950µm
Sovraimporre alla velocità di
avanzamento del fascio laser una
oscillazione (circolare) ad elevata
frequenza per generare uno spot
laser apparente
D = diametro di wobbling
Optical Emission
Spectroscopy (O.E.S.)
InGaAs
Si
attenuated
welding direction
Fig. 3: Comparison of images of the welding zone and its surrounding as taken with a Si- (left) or an InGaAs- (right) camera.
The weld pool is more clearly observable in the InGaAs (=NIR) image, the thermal trace is virtually only detectable
in the NIR.
(Welding direction is from right to left here and in all following images.
The laser spot in the Si-image is not saturated, but its appearance is just an effect of the print. The left quarter of the
InGaAs-image is attenuated by a filter.)
Optical Emission
Monitoring (O.E.M.)
Visual Monitoring
(V.M.)
4. EXPERIMENTS
We have conducted many sets of experimental welds of ferrous materials in various configurations that reflect industrial
relevance. In TRUMPF´s application laboratory we used commercial equipment, like a TruDisk 16002 thin disk laser
with up to 16 kW cw output power and an industrial grade beam delivery system. The process sensor head SeamLine Pro
was connected to the laser by a standard industry D-type fiber connector. The core diameter of the used optical fiber
determines the spot size on the work piece: The BEO welding optics that we used has a magnification of 1.4, which
results in a 280 µm or 560 µm spot size with 200 µm or 400 µm core diameter fiber, respectively.
The smaller spot of 280 µm corresponds to typical industrial welding applications of several millimeter thicknesses,
whereas a 560 µm spot represents the typical spot for lap welding of sheet metals of approx. 1 mm thickness.
laser spot /
keyhole
attenuated
spectral domain [nm]
weld pool
(liquid)
thermal trace
(solidified)
Fig. 4: The NIR-image of a laser beam welding process shows three significant regions.
area of the laser spot and the keyhole is attenuated by a neutral density filter (left quarter of the image) to increase
time domain [t] The
spatial domain [m]
the overall dynamic of the image. (Material: Mild steel S235)
The NIR-image of the welding zone reveals different features that can be evaluated (see fig. 4):
4.1. Laser spot and keyhole area
When the applied laser power is high enough, the laser beam fully penetrates the materials, the keyhole opens to the
bottom surface and a dark spot becomes visible within the laser spot5,6. This well-known “full-penetration hole” occurs
[Colombo, Capello, Previtali, 2009]
Scatterplot of pc2 vs pc1
p30
p30 p30
p30
0,0050
Identificazione di variazioni di
potenza laser e portata di gas di
protezione mediante O.E.S.
pc2
0,0000
Saldatura di lega Ti6Al4V
s = 2 mm
lap-joint
-0,0025
-0,0050
-0,0075
p15
p15
p15
p15
p15
p15
p15p15p15p15
r
r r
rr rr r rz z
zz
z zr
z
r z zz
z
rz z
z
rr z
0,0025
r
p30
p30p30
p15
p15
p30
p30
p30
p30p30
p30
p30
p30
p15
gas50
gas50p15 gas50
gas50
gas50
p15
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas50
gas100
gas100
gas100
gas100
gas100
gas100
gas100
gas100
gas100 gas100
-0,0100
-0,015 -0,010 -0,005 0,000 0,005
pc1
0,010 0,015
0,020 0,025
gas100
gas50
p15
p30
r
z
Identificazione del piano di fuoco
mediante automatizzazione della
procedura secondo UNI 10300
[Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013]
[Colombo et al, US Patent 036664, 2012]
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
L.M.Tosatti et al, 2009
•  Livello 1: Sistema di Saldatura
MGD: E’ un dispositivo che facilita
il movimento intuitivo del robot,
remotando a tutti gli effetti gli
scomodi tasti di movimentazione
del Jpad del Teach Pendant
L'operatore può programmare il
robot, trascinando intuitivamente
l'end-effector attraverso la traiettoria
di lavoro, salvando i punti
caratteristici per creare il path
program
link al video sulla PMG
Saldatura di testa o di spigolo
lega AA7020, s = 2mm
P = 3 kW
Saldatura di testa di acciaio Fe P04
zincato s = 0.8/0.8 mm
Gap = 0 mm ! #
P = 1 kW
v = 2 m/min
•  Visione: inseguigiunto
Lo scanner laser 3D a
triangolazione per l'inseguimento di
un giunto, riconosce un profilo (es.
uno scalino o un gap, un cordone,
etc) come feature chiave a cui
agganciarsi, con triplice
funzionalità:
• 
• 
• 
Programmazione:
ausilio alla generazione del programma
Correzione programma robot on line:
segue deformazione della lamiera durante la saldatura
Controllo Qualità :
analisi 3D del giunto a saldatura eseguita
Cevasco et al, 2011
Cevasco et al, 2012
Inseguigiunto per programmazione
la scrittura del programma di saldatura vine ulteriormente
facilitata con l'utilizzo combinato di uno scanner inseguigiunto
durante la generazione della traiettoria di saldatura 3D
tramite la manual guidance
In particolare il robot viene “costretto” ad agganciarsi al
giunto (centraggio sulla feature), alla distanza Z necessaria
al processo di saldatura, correggendo anche l'angolo di
inclinazione del polso in modo da mantenere costante l'angolo
di attacco al piano di saldatura impostato.
L'unico grado di libertà che rimane è l'ascissa curvilinea del
giunto da seguire
Cevasco et al, 2011
Cevasco et al, 2012
Inseguigiunto per correzione del
programma robot on-line
… in processi la dove è attesa la deformazione termica del
componente che si sta saldando
Cevasco et al, 2011
Cevasco et al, 2012
Le Tecnologie Abilitanti (CNR)
Controllo Qualità :
analisi 3D del giunto a saldatura
eseguita
Il controllo del giunto saldato può essere fatto anch'esso
on line utilizzando un secondo scanner che inquadri il
giunto appena saldato, oppure offline ripercorrendo la
traiettoria a valle del processo.
Con la modalità online si possono retroazionare i parametri di
processo in un loop che mantenga la forma del cordone entro
certe tolleranze, ma spesso l'ingombro di 2 teste di scansione
ne preclude l'utilizzo
Il controllo può essere fatto anche indirettamente monitorando
la forma della pozza durante il processo
Cevasco et al, 2011
Cevasco et al, 2012
1.  INTRODUZIONE
3A
DI PROCESSO
3B
DI SISTEMA
4. CONCLUSIONI
Conclusioni
La saldatura laser è un processo maturo e robusto.
Tecnologie abilitanti sono disponibili per la saldatura laser 3D.
I robot di saldatura non saranno più solo “tools” ma veri “assistenti di processo”.
Gli autori ringraziano per la collaborazione:
Grazie per l’attenzione !
Ing. Daniele Colombo, PhD
Dipartimento di Meccanica
Politecnico di Milano
via La Masa, 1 - 20156, Milano (IT)
website: http://sitec.mecc.polimi.it/
e-mail: [email protected]
Ing. Luca Cevasco
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto di Tecnologie Industriali e Automazione
via Bassini, 15 – 20133, Milano (IT)
website: http://www.itia.cnr.it
e-mail: [email protected]
Riferimenti Bibliografici
[Steen, Mazumder, 2010] W.Steen J.Mazumder, “Laser Material Processing”, Springer, 2010
[Ferrarini, 2013] Tesi di Laurea Magistrale: Characterization of the laser dimpling process on galvanized steels for
automotive applications;Supervisor. Prof.Barbara Previtali (PoliMi), Co-Superviosor: Prof.Darek Ceglarek (WMG-UK)
Premio di Laurea Magistrale UCIMU 2014
[Gattere, 2014] Tesi di Laurea Magistrale: Development of an Optical Based Monitoring Device for Remote Laser Welding
of Zinc Coated Steels. Supervisor: Prof.Barbara Previtali (PoliMi),Co-Superviosor: Prof.Darek Ceglarek (WMG-UK)
Premio di LaureaMagistrale AITeM 2013 “F.Soavi”
[Colombo, Colosimo, Previtali, 2013] D.Colombo, B.M.Colosimo, B.Previtali
Comparison of methods for data analysis in the remote monitoring of remote laser welding
Optics and Lasers in Engineering 51 (2013) 34-46
D.Colombo, B.Previtali
Laser dimpling and remote welding of zinc coated steels for automotive applications
International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2014)
(DOI: 10.1007/s00170-014-5690-1) - Febbraio 2014
[Colombo, Capello, Previtali, 2009] E.Capello, D.Colombo, B.Previtali
Process monitoring through the optical combiner in fiber laser welding applications
Proceedings of the Fifth international WLT-Conference on Laser in Manufacturing 2009, Munich, June 2009
[Colombo, Previtali, Riva, Semeraro, 2013] D.Colombo, B.Previtali, G.Riva, Q.Semeraro
Procedure for the identification of the focal plane position in high power fiber laser systems
Proceedings del convegno AITeM 2013 - San Benedetto del Tronto (IT), Settembre 2013
[Colombo et al, US Patent 036664, 2012] No. WO/2012/036664, 22 March 2012.
Industrial high power fiber laser system with optical monitoring assembly
Applicant: IPG Photonics Corp. (US).
Inventors:
G. Moroni, D. Colombo, B. Previtali, S. Cattaneo, L. Rossotti
[Cevasco et al, 2011] C. Cenati & G. Borroni & L. Cevasco & D. Parazzoli & M. Danesi National Research Council (CNR)
Institute of Industrial Technologies And Automation (ITIA), Milano, Italy
"An innovative methodologie for laser scanner integration in a robot cell for small batch production of sculpture
artworks"
[Cevasco et al, 2012] C. Cenati & L. Cevasco & G. Borroni & N. Pedrocchi & L.M. Tosatti National Research Council
(CNR) Institute of Industrial Technologies And Automation (ITIA), Milano, Italy "Low Cost Scanning Device
Application for Footwear Industry"
[Tosatti et al, 2010] Deposito di Brevetto 23/07/2010 CIA S.r.l. & L.M. Tosatti & C. Cenati & G. Borroni & L. Cevasco & D.
Parazzoli & M. Danesi
"Sistema e metodo per la ricostruzione tridimensionale di oggetti”
[Tosatti et al, 2009] Deposito brevetto 16/11/2009 - COMAU S.p.a. & L.M. Tosatti & D. Parazzoli & M. Danesi & E. Scari
"Robot System"

Monitoraggio e Controllo nei Processi di Saldatura Laser

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