Comparison of laser welded and resistance spot welded overlap joints of magnesium AZ31B sheets

Mg is already used as a cast alloy in the automotive industry. Using Mg wrought alloys - e.g., in the form of sheets - will allow for further weight reduction potential. In automobile manufacturing, laser beam welding is concurring to resistance spot welding due to its high process flexibility and efficiency. The rule of thumb is that a joint can be laser welded if it can be seen, which allows for complex structures to be realised. Nevertheless, studies concerning the mechanical performance of laser welded Mg overlap joints are scarce. The aim of this work was to develop a process for laser welding single overlap joints of 2.5 mm thick Mg sheets, AZ31B, and investigate the mechanical performance of these joints relative to resistance spot welded joints. A Nd:YAG laser was used for the welding experiments, and a design of experiment approach was applied. Both mechanical testing and advanced metallurgical examinations were used to establish the process-property-performance relationship of the overlap joints. The micro-hardness, shear tensile and fatigue tests were implemented for the mechanical characterisation. To improve the fatigue behaviour, different joint geometries (linear, circular and C-shape) were investigated. The developed surface preparation provided welds with optimal bead geometry and without cracks and pores. Compared with conventional resistance spot welds, laser welded joints showed improved fatigue behaviour with comparable performance for the tensile shear strength. The developed laser process can also be implemented via remote scanner welding. For example, it is expected that using a scanner optic increases the throughput and reduces the cost of automotive production.

Il Magnesio è già impiegato nel settore automobilistico come prodotto di fonderia. Utilizzando leghe di magnesio da lavorazione plastica - per esempio, in forma di laminati – si prospetta un’ulteriore riduzione dei pesi. Nella fabbricazione ed assemblaggio dell’automobile, lo sviluppo della saldatura laser può sostituire la consolidata saldatura per punti (detta anche a resistenza) grazie alla sua elevata flessibilità ed efficienza di processo. In generale, un giunto può essere saldato laser se “a vista”, il che permette anche la realizzazione di strutture complesse. Tuttavia, sono scarsi gli studi riguardanti le prestazioni meccaniche dei giunti per sovrapposizione (overlap), saldati al laser, di laminati in Mg. Lo scopo di questo lavoro è stato, perciò, lo sviluppo di un processo di saldatura laser per un giunto overlap di laminati in lega di magnesio AZ31B, di spessore 2.5mm, ed indagarne la bontà delle prestazioni meccaniche relativamente ai giunti saldati a resistenza. Una sorgente laser Nd:YAG è stata utilizzata per la campagna sperimentale di saldatura, realizzata seguendo i principi del DOE. Prove meccaniche ed avanzati esami metallurgici sono stati condotti per stabilire il rapporto processo-proprietà-prestazioni dei giunti per sovrapposizione. Micro-durezze, prove statiche di resistenza al taglio e numerose prove di fatica sono state eseguite per la caratterizzazione meccanica. Per migliorare il comportamento a fatica, sono state analizzate poi diverse geometrie di saldatura (lineare, circolare e C-shape). Le soluzioni adottate per la preparazione delle superfici di accoppiamento hanno fornito geometrie ottimali dei cordoni di saldatura, esenti da cricche o porosità. Rispetto ai tradizionali giunti saldati per punti, le giunzioni saldate al laser hanno mostrato un miglior comportamento a fatica e prestazioni paragonabili in termini di resistenza statica alla trazione. Il processo laser sviluppato può essere, inoltre, implementato tramite saldatura remota con un laser scanner. Si prevede, con l'utilizzo di uno scanner ottico, un aumento della produttività e una riduzione dei costi di produzione nel settore automobilistico.