Modellazione analitica per la simulazione dei campi termici nella saldatura al fascio laser / Analytical modelling for thermal field simulation in laser beam welding

Nel presente lavoro viene proposto un metodo analitico per la valutazione dei campi termici generati durante il passaggio di un fascio laser su lamiere spesse, con l’intento di sviluppare un approccio meno complesso dal punto di vista del calcolo rispetto ai numerosi modelli numerici sviluppati negli ultimi anni. La saldatura a piena penetrazione tipo “keyhole”, caratteristica del laser ad alta potenza, è stata simulata, considerando le leggi fenomenologiche della conduzione, mediante una sorgente termica lineare che interessa l’intero spessore e due sorgenti puntiformi poste rispettivamente sulla superficie e, all’interno del giunto, in corrispondenza della posizione del fuoco del fascio. Il modello è stato calibrato sulla base del profilo della zona fusa rilevata sperimentalmente. La saldatura è stata effettuate mediante singola passata di un fascio laser a CO2 lungo due lamiere di AISI 304L dai bordi squadrati, posizionate di testa. Il modello è stato quindi applicato per valutare i campi termici, la composizione della zona fusa e le modalità di solidificazione. In the present work an analytical method is proposed in order to evaluate the thermal fields generated during a laser beam travel on thick plate, with the aim of developing a less complex approach from the point of view of calculation if compared to the various numerical models developed in recent years. The "keyhole" full penetration welding mode, characteristic of the high power laser, was simulated, considering the phenomenological laws of conduction, by means of a line thermal source along the whole thickness and two point sources located respectively on the surface and at the position of the beam focus inside the joint. This model was fitted on the basis of the fusion zone profile, which was experimentally detected. Welding was carried out by means of a CO2 laser beam single pass on two squared edged AISI 304L plates, which were butt-positioned. Then the model was applied to evaluate the thermal fields, the fusion zone composition and the solidification mode.