Experimental investigations on the weldability of lightweight aluminum components using EHLA 3D method

Abstract

A popularização da manufatura aditiva fez com que métodos já consolidados na indústria fossem aprimorados para reduzir o período de produção, aumentando os índices de fabricação e mantendo a qualidade do produto final. O processo EHLA 3D, desenvolvido pelo Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, tornou possível combinar a precisão de camadas finas com altas taxas de acumulação, tornando-o adequado para uma ampla gama de materiais devido à sua menor zona de fusão em comparação com o LMD. Este trabalho investiga a soldabilidade do AlSi10Mg, uma liga leve de alumínio, através do método EHLA 3D. Experimentos envolvendo trilhas únicas, cubóides e paredes finas foram conduzidos para identificar a combinação ideal de parâmetros, como potência do laser, velocidade do processo e taxa de massa do pó, para atingir a geometria desejada com incidência mínima de poros e trincas. As amostras foram analisadas superficialmente com um perfilômetro, microestruturalmente com um microscópio e termicamente com uma câmera térmica. Os resultados mostraram que para processos de baixa velocidade, a potência mínima necessária é relativamente baixa (por exemplo, para 10 m/min, apenas 1600 W são necessários para uma boa ligação), enquanto para altas velocidades é necessária uma potência de laser maior para garantir a ligação (por exemplo, para processos de 50 m/min, um mínimo de 2600 W). Experimentos variando gás de proteção e gás de alimentação, bem como distância de afastamento e eclosão, resultaram em diferentes efeitos na microestrutura das amostras. O desenvolvimento de paredes finas foi conseguido através da implementação de uma regressão de potência do laser variando de 18 a 20% nas primeiras 215 camadas. Esta abordagem foi pensada para evitar as altas temperaturas observadas na análise térmica, que impedem a solidificação das paredes. Os cubóides exibiram inicialmente uma estrutura altamente porosa; entretanto, após testar diversas combinações de parâmetros, a porosidade foi reduzida com sucesso para apenas 1,09%. Uma janela de processo de parâmetros foi estabelecida para agilizar experimentos subsequentes para este material, com o objetivo final de otimizar sua adequação para aplicações nos setores automotivo e aeroespacial.

The popularization of additive manufacturing meant that methods already consolidated in the industry were improved to reduce the production period, increasing manufacturing rates and maintaining the quality of the final product. The EHLA 3D process, developed by the Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, made it possible to combine the precision of thin layers with high build-up rates, making it suitable for a wide range of materials due to its smaller melting zone compared to LMD. This work investigates the weldability of AlSi10Mg, a lightweight aluminum alloy, through the EHLA 3D method. Experiments involving single tracks, cuboids, and thin walls were conducted to identify the optimal combination of parameters, such as laser power, process feed rate, and powder mass rate, to achieve the desired geometry with minimal incidence of pores and cracks. The probes are analyzed superficially using a profilometer, macro and microstructurally using a microscope, and thermally using a thermal camera. The results showed that for low scanning speed processes, the minimum power needed is relatively low (e.g. for 10 m/min, only 1600 W is needed for a good bonding), while for high feed rates, a higher laser power is required to guarantee the bonding (e.g. for processes running at 50 m/min of feed rate, a minimum of 2600 W). Experiments varying shielding gas and feeding gas, as well as standoff and hatch distance, resulted in different effects in the samples microstructure. The development of thin walls is achieved by implementing a laser power regression varying from 18 to 20% in the first 215 layers. This approach is designed to prevent the high temperatures observed in thermal analysis, which impede the solidification of the walls. The cuboids initially exhibited a highly porous structure; however, after testing various parameter combinations, the porosity is successfully reduced to just 1.09%. A parameter process window is established to streamline subsequent experiments for this material, with the ultimate goal of optimizing its suitability for applications in the automotive and aerospace sectors.