A Study on Defect Monitoring in Stainless Steel Laser Welding Processes Using a Multi-Sensor System

Nel mondo dei moderni veicoli elettrici, la batteria è il cuore, ma il sistema di raffreddamento è il sistema circolatorio che impedisce che si surriscaldi. Questi sistemi si affidano a sottili pannelli metallici che devono essere uniti perfettamente per prevenire perdite e garantire la sicurezza. Per anni, gli ingegneri hanno utilizzato l'alluminio per questi componenti perché è leggero, ma l'alluminio può avere difficoltà quando le temperature diventano estreme, come durante un evento di fuga termica in cui una batteria si surriscalda pericolosamente. Per risolvere questo problema, i produttori si stanno rivolgendo a un tipo specifico di acciaio inossidabile, noto come SUS304L, che può resistere a un calore maggiore e offre una maggiore resistenza strutturale. Tuttavia, la saldatura di questo acciaio richiede un processo preciso ad alta energia chiamato saldatura laser. Poiché il laser si muove molto velocemente e trasporta molta energia, può facilmente creare difetti nascosti come minuscole sacche d'aria o vuoti lungo la cucitura se le condizioni non sono perfette. Questi difetti sono pericolosi perché possono portare a perdite o cedimenti strutturali, eppure sono spesso invisibili a occhio nudo una volta completata la saldatura.

Per intercettare questi difetti prima che causino problemi, un team di ricercatori dell'Istituto Coreano di Tecnologia Industriale e partner industriali si è posto l'obiettivo di costruire un modo più intelligente per monitorare il processo di saldatura in tempo reale. Si sono concentrati su un nuovo tipo di laser, un laser a Modo ad Anello Regolabile (Adjustable Ring Mode), che può dare forma al proprio fascio di energia per creare un bagno di metallo fuso più stabile. Invece di fare affidamento su un singolo strumento per osservare la saldatura, hanno creato un sistema multi-sensore che agisce come una squadra di osservatori, ognuno dei quali osserva un indizio fisico diverso. Un sensore monitorava i lampi di luce negli spettri ultravioletto e infrarosso, che rivelano come si comportano il plasma surriscaldato e il metallo fuso. Un altro sensore, una telecamera termica ad alta velocità, mappava la distribuzione del calore attorno alla saldatura. Combinando queste diverse prospettive, il team mirava a distinguere tra una saldatura perfetta e una che stava sviluppando un difetto, il tutto mentre il laser era ancora in movimento.

I ricercatori hanno testato il loro sistema saldando lamiere di acciaio inossidabile in varie condizioni, creando deliberatamente tre tipi comuni di difetti: porosità, ovvero minuscoli fori intrappolati all'interno del metallo; undercut, dove il bordo della saldatura si scioglie troppo; e mancata penetrazione, dove la saldatura non riesce ad andare abbastanza in profondità per unire lo strato inferiore. Hanno confrontato i dati dei sensori con immagini a raggi X e sezioni trasversali fisiche del metallo per vedere esattamente ciò che i sensori stavano vedendo. In condizioni di saldatura normali e perfette, i sensori mostravano un ritmo calmo e costante. Il segnale della luce infrarossa rimaneva entro un intervallo prevedibile e il segnale ultravioletto rimaneva piatto e stabile. Questo stato stazionario fungeva da linea di base, il segnale di "via libera" che diceva ai ricercatori che il bagno fuso si stava comportando come previsto.

Quando i ricercatori introducevano i difetti, i sensori iniziavano a "gridare" in modi diversi, a seconda del problema. Quando si verificava la porosità, il sensore ultravioletto era il primo a reagire. Il segnale, che di solito era costante, iniziava a scendere e a subire picchi erratici. Ciò accadeva perché la formazione di sacche d'aria destabilizza il plasma, il gas ionizzato che si forma sopra il metallo fuso, causando il sfarfallio della luce ultravioletta. Al contrario, quando appariva un difetto di undercut, il sensore infrarosso prendeva il comando. Il segnale termico mostrava picchi irregolari e acuti che indicavano che il metallo fuso stava fluendo in modo non uniforme ai bordi della saldatura. I ricercatori hanno scoperto che, mentre la luce ultravioletta era eccellente per individuare le sacche d'aria, il segnale termico infrarosso era il miglior indicatore per i difetti dei bordi.

Il team ha anche scoperto che il modo in cui guardavano il calore contava tanto quanto ciò che stavano cercando. Hanno testato due modi per utilizzare la telecamera termica. Un metodo, chiamato analisi dell'area totale, osservava l'intera lunghezza del cordone di saldatura per vedere la storia termica complessiva. Sebbene utile per una visione d'insieme, questo metodo veniva facilmente confuso dagli schizzi di metallo caldo, noti come spruzzi (spatter), che creavano falsi picchi nei dati. Il secondo metodo, l'analisi dell'area locale, manteneva la telecamera focalizzata strettamente sul punto del laser e sul bagno fuso immediato. Questo approccio forniva una lettura molto più stabile e affidabile del calore proprio dove stava avvenendo la saldatura. Quando i ricercatori hanno testato una condizione in cui la potenza del laser era troppo bassa per penetrare completamente il metallo, l'analisi dell'area locale mostrava chiaramente un cambiamento nella risposta termica, mentre la vista dell'area totale era meno distinta. Ciò ha confermato che mantenere un occhio attento e costante sulla zona di interazione era il modo più efficace per catturare difetti profondi come l'insufficiente penetrazione.

Combinando queste intuizioni, i ricercatori hanno stabilito un nuovo insieme di regole per monitorare la qualità della saldatura. Hanno scoperto che nessun singolo sensore poteva raccontare l'intera storia; invece, una saldatura perfetta richiedeva un segnale infrarosso stabile, un segnale ultravioletto costante e un pattern termico locale coerente. Se il segnale ultravioletto diventava incontrollabile, significava probabilmente che si stavano formando sacche d'aria. Se il segnale infrarosso subiva picchi irregolari, i bordi si stavano fondendo troppo. Se il segnale infrarosso fluttuava ampiamente mentre il pattern termico locale cambiava, la saldatura probabilmente non era abbastanza profonda. Questo approccio multi-sensore ha dimostrato che, ascoltando le diverse "voci" del processo di saldatura — luce e calore, visti da diverse angolazioni — gli ingegneri possono rilevare i difetti nel momento stesso in cui si verificano. Lo studio suggerisce che questo metodo potrebbe essere un passo vitale verso batterie per veicoli elettrici più sicure e affidabili, garantendo che i componenti in acciaio inossidabile che le tengono insieme siano privi di difetti nascosti.