A study on the influence of laser ablation process configurations over the surface morphology and the mechanical behavior of aluminium bonded joints

Scopo della tesi è lo studio dell’effetto dell’ablazione laser utilizzando un laser a impulsi a fibra di itterbio per pre-trattare superfici in lega di alluminio AA6082-T6 destinate ad essere incollate tra loro. Varie configurazioni di processo del laser sono esaminate, variando la potenza e la velocità di scansione, la cui combinazione è espressa dall’indice rappresentativo della densità di energia, nonché modificando la distanza nominale tra i solchi e la direzione di scansione del laser. Le modifiche indotte dal laser sul materiale sottoposto ad ablazione sono valutate sia in termini di stato della superficie che in quelli di risposta meccanica di giunti incollati. In particolare, la morfologia superficiale è valutata misurando la rugosità superficiale e il primo coefficiente di “skewness” di Pearson. Le modifiche chimiche sono valutate con misure EDS, da cui appare evidente un aumento di uno spesso strato di ossido all’aumentare della densità di energia. Infine, si effettuano misure di angolo di contatto da cui si rivela che la bagnabilità della superficie è totale quando la densità di energia è al di sopra di un certo valore. Il comportamento meccanico è valutato tramite il valore critico del rateo di rilascio di energia di deformazione di Modo I calcolato sulla base di una campagna di prove quasi-statiche su giunti “Double Cantilever Beam” (DCB) i cui substrati sono preventivamente trattati con il laser. La tenacità a frattura cresce con la densità di energia fino a raggiungere un massimo, dopo il quale un ulteriore aumento della densità di energia ha l’effetto di abbassare la tenacità del giunto. È possibile diversificare i risultati a seconda del valore di distanza tra i solchi quando tale grandezza è maggiore del diametro nominale dell’impronta del laser, mentre, relativamente all’effetto della direzione di scansione del laser, i risultati di tenacità a frattura sono simili sia per i giunti trattati unidirezionalmente sia per i giunti con texture incrociata. Ciò è essenzialmente dovuto alla presenza di aria rimasta intrappolata dentro i solchi quando la densità di energia è sufficientemente alta, il che consente di trovare una correlazione diretta, validata statisticamente, tra la tenacità a frattura e il coefficiente di “skewness”, che sembra essere un buon indicatore del fenomeno di intrappolamento dell’aria. Si testa anche la propagazione di cricca a fatica, che consente di classificare le configurazioni di processo del laser in base all’andamento della velocità di crescita. L’esito di tale classificazione appare coerente con i risultati dei test quasi-statici. Infine, si applica un ciclo di invecchiamento accelerato in controllo di temperatura e umidità relativa ad alcuni provini DCB che vengono poi sottoposti a test quasi-statici. Anche se si osserva un generale abbassamento di tenacità nei giunti invecchiati rispetto a quelli non condizionati, tale peggioramento è più marcato nei provini sabbiati, suggerendo l’esistenza di un beneficio insito nell’utilizzare alcune configurazioni di processo per ablazione laser al posto dei metodi tradizionali di trattamento meccanico, in presenza di condizioni ambientali critiche.