Technological readiness assessment of hand-held laser welding applied to AISI 301LN products with aesthetic requirements

This work is a deep investigation of the hand-held laser welding technology, a manufacturing technique currently spreading, but not yet examined in literature. The present technology improvements have reduced the cost of hand-held laser machines, which can substitute the less precise manual arc processes. The weld requires aesthetical qualities, mechanical properties are subordinated. The use of this technology regards stainless steel workpieces of low thickness (<3 mm) mainly suitable for furniture production, reducing the finishing operations. The development of an open laser hand-held welding system with dedicated monitoring system has started with an engineered process of re-design of optical laser chain, with a description of its calibration. Having an effective setup, different aspects have been examined by the use of an automatic machine as reference. The best welding parameters have been experimentally defined for a 1350 W power emission and 330 μm spot diameter on a 2 mm thick stainless steel AISI 301 LN. The wobbling amplitude of 0.3 mm, the wobbling frequency of 51 Hz and the welding speed of 1 m/min have been determined as the most effective set of values. The innovation of a monitoring method over the welding process has been developed, since laser welding is more open to process monitoring and signals acquisitions. Off-axis optical photodiodes were defined as the best configuration to reach an effective monitoring method after a signal processing procedure. Since the importance of the welding operator is unknown, a wide investigation of the operator effect on the process has been conducted with designed experiments, also inserting an implemented mechanical device aimed at controlling the hand-holding of the laser welding machine, studying the width variations of the welding seam. The experiments were conducted both by professional and rookie operators. The mechanical properties of the manual welds were independent from the operator. The weld width varied weakly as a function of the welder skill. The weld seam variability was appreciable only by a qualitative inspection. The roller managed to regulate the manual welding parameters, but some weaknesses of the device could be improved. The monitoring of this last phase allowed to detect possible defects of the welding process and an allowance band has been defined for an in-line monitoring of the laser welds. Among the wide number of output produced by the last experimental campaign, the mechanical tests demonstrated strong mechanical characteristics of the weld, comparable to the base material, and the top pictures showed a limited weld seam width variance and a high aesthetical quality of the welded seams. The hand-held laser welding process resulted technically ready for the industrial use.

Il lavoro di questa tesi magistrale si occupa di un’analisi approfondita della tecnologia di saldatura laser manuale, una tecnica produttiva di manifattura attualmente in espansione, ma non ancora esaminata in letteratura. Gli attuali miglioramenti tecnologici hanno ridotto il costo delle macchine di saldatura laser manuale, le quali possono ora sostituire i meno precisi processi ad arco elettrico. Le saldature richiedono qualità estetiche, le proprietà meccaniche sono secondarie. L’uso di questa tecnologia riguarda parti in acciaio inossidabile di basso spessore (<3 mm), principalmente adatto per mobili, riducendo le operazioni di finitura. Lo sviluppo di un sistema aperto di saldatura manuale con un sistema dedicato di monitoraggio è iniziato con un processo ingegneristico di re-design della catena ottica laser, insieme con una descrizione della sua calibrazione. Dopo l’avvio del sistema, diversi aspetti sono stati esaminati attraverso l’uso di una macchina automatica di riferimento. Il miglior set di parametri di processo è stato definito sperimentalmente per una potenza emessa di 1350 W e un diametro di spot di 330 μm su acciaio inox AISI 301 LN di spessore 2 mm. I parametri scelti sono stati: ampiezza di wobbling di 0.3 mm, frequenza di wobbling di 51 Hz e velocità di saldatura di 1 m/min. É stato sviluppato un innovativo metodo di monitoraggio del processo di saldatura, dato che la saldatura laser si presenta più aperta a un monitoraggio di processo e all’acquisizione di segnali. I fotodiodi ottici off-axis sono stati definiti come la miglior configurazione per ottenere un efficace sistema di monitoraggio, dopo una procedura di correzione del segnale. Siccome l’importanza dell’operatore di saldatura è sconosciuta, è stata condotta un’ampia ricerca dell’effetto degli operatori sul processo attraverso specifici esperimenti, anche inserendo un sistema meccanico a rotella volto a controllare il sostenimento manuale della pistola di saldatura, studiando le variazioni di larghezza del cordone di saldatura. Gli esperimenti sono stati svolti da operatori professionali e principianti. Le proprietà meccaniche delle saldature manuali si sono rivelate indipendenti dall’operatore. La larghezza del cordone di saldatura è variata debolmente in funzione dell’abilità del saldatore. La variabilità del cordone è apprezzabile solamente da un’ispezione qualitativa. La rotella è riuscita a regolare i parametri manuali di saldatura, ma alcune sue debolezze possono essere migliorate. Il monitoraggio di questa ultima fase si è rivelato in grado di trovare eventuali difetti del processo di saldatura e una banda di ammissione del segnale è stata determinata per un monitoraggio in-line delle saldature laser. Tra un ampio numero di output dell’ultima campagna sperimentale, i test di trazione hanno dimostrato forti caratteristiche meccaniche delle saldature, comparabili al materiale base, e le foto del cordone di saldatura hanno esposto una limitata varianza di larghezza del cordone di saldatura e ottime qualità estetiche. Il processo di saldatura laser manuale è risultato tecnicamente pronto all’uso industriale.