Fiber laser beam welding with linear and wobbling technique of magnesium alloy AZ31B

Magnesium alloys are growing in importance in automotive field due to the constant request of reduction of weight and consumption of fuel. Cast alloys are already used and represent today over the 90 % of magnesium production. The spread of hot rolled magnesium sheets is linked to the development of adequate welding technologies that generate reliable joining of components. One of the most interesting fusion welding processes is laser beam welding because it can produce deep penetration welds at high speed due to the high power density. Laser beam is a suitable heat source for joining processes because it presents a low and precise heat input that generate lower residual stresses, distortions, smaller heat affected zone and fusion zone, less change in microstructure in the weld seam compared to other joining technologies (e.g. gas tungsten arc welding or gas metal arc welding). The magnesium alloys of the AZ series are widely used as wrought alloy, so it was decided to investigate AZ31B magnesium alloy. The aim of this work was to study the laser beam welding via fiber laser with both linear and wobbling technique of 2 mm thick sheet of magnesium alloy AZ31B butt joint configuration without filler wire. In particular the attention was focused on gaining knowledge about the effect of the welding velocity, the laser power and the laser beam spot diameter on the weld seam geometry and mechanical properties (UTS and microhardness). To replicate a real working situation samples with gap levels were welded. It was found that for classical linear technique the mechanical properties and the weld seam geometry mostly depend on the spot diameter and at the same level of heat input the welding velocity has a predominant effect compared to the laser power. Wobbling technique is a suitable method to obtain good results compared to the linear technique without necessity to perform mechanical changes on laser facility. The maximum gap bridged was 20 % the thickness of the sample but results in a high presence of undercut, the welding technique has low influence on gap bridging capacity. The samples were tested mostly as welded, but some tensile tests of sample with milled surface were performed. This work can be implemented by studying separately the effects of undercut and microstructure on the joints properties, for example milling the surface to remove the undercut. A further step can be welding with filler wire.

Le leghe di magnesio hanno sempre maggiore importanza in campo automobilistico a causa della continua richiesta di riduzione di peso e consumo di carburante. Le leghe ottenute tramite processo di fonderia sono giá oggi utilizzate e rappresentano il 90 % della produzione di magnesio. La diffusione dell´utilizzo di lamine in lega di magnesio ottenute tramite processo di laminatura a caldo è invece legata allo sviluppo di adeguate tecnologie di saldatura che possano generare componenti affidabili. Uno dei più interessanti processi di saldatura per fusione è la saldatura laser perché questa può produrre giunti con profonda penetrazione e alta velocità di realizzazione, grazie all´elevata densitá di potenza che puó fornire. La saldatura a fascio laser è una tecnica interessante perché, rispetto alle classiche tecnologie di giunzione (saldatura TIG, saldatura ad arco), opera con un basso e preciso apporto di calore che genera minori tensioni residue, minori distorsioni, zona termicamente alterata e zona di fusione ridotte, meno cambiamenti microstrutturali del cordone di saldatura. Tra le leghe di magnesio la serie AZ è ampiamente usata come lega ottenuta per laminatura a caldo, per questo motivo è stato deciso di indagare lega di magnesio AZ31B. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di studiare la saldatura a fascio laser tramite fibra con tecnica sia lineare sia wobbling di lega di magnesio AZ31B di 2 mm di 2 mm di spessore in configurazione butt joint senza filo d´apporto. In particolare si è focalizzata l´attenzione sugli effetti dei parameti: velocitá di saldatura, potenza del laser e diametro dello spot laser sulle caratteristiche meccaniche (UTS e microdurezza) e sulla geometria del giunto saldato. Per replicare una situazione industriale alcuni giunti con presenza di gap tra le superfici di saldatura sono stati prodotti. Si è costatato che per la tecnica di saldatura lineare le proprietà meccaniche e la geometria del cordone di saldatura principalmente dipendono dal diametro dello spot laser e per egual livello di potenza termica la velocità di saldatura ha un effetto predominante rispetto alla potenza laser. La tecnica di saldatura wobbling si è dimostrata un metodo adeguato per ottenere buoni risultati rispetto alla tecnica lineare senza necessitá di operare modifiche meccaniche alle attrezzature laser. Il massimo livello di gap chiudibile si è rivelato essere il 20% lo spessore del campione saldato, ma ció ha comportato un´elevata presenza di undercut, inoltre si è trovato che la tecnica di saldatura non ha influenza sulla capacità di chiudere il gap. I campioni sono stati testati per lo più come appena saldati, ma sono state effettuate anche alcune prove di trazione su campioni con superficie fresata. Il lavoro qui presentato in futuro può essere implementato studiando separatamente gli effetti di undercut e microstruttura sulle proprietà del giunto, ad esempio fresando le superfici per rimuovere l´undercut. Un successivo sviluppo può essere eseguire saldature con filo d´apporto.