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

In this thesis, the effect of a pulsed-mode Yb-fiber laser ablation as a pre-treatment for AA6082-T6 aluminium alloy surfaces for adhesively bonding purposes is studied. Several laser configurations are tested, by varying the power and the scan speed, whose combination is summarized in an energy density representative index, as well as the hatch distance and the laser scanning direction. The laser induced changing over the ablated material is evaluated both in terms of the surface status and of the mechanical response of bonded joints. In particular, the surface morphology is assessed by measuring the surface roughness and the Pearson's first coefficient of skewness. The chemical modifications are evaluated through EDS measurements, by which an increase of the thick oxide layer with the energy density appears evident. Finally, contact angle measurements reveal that the wettability of the surface is complete when the energy density is risen beyond a specific value. The mechanical behavior is assessed by computing the critical value of the Mode I strain energy release rate with a campaign of quasi-static tests over laser pre-treated Double Cantilever Beam (DCB) joints. The fracture toughness increases with the energy density until a maximum, after which the tendency reverses. A diversification according to the hatch distance value is possible when it is higher than the nominal spot diameter, while, with respect to the laser scanning direction, the fracture toughness results similar both in the unidirectional and in the crossed textured joints. This is essentially due to the presence of air remained entrapped within the grooves when the energy density is quite high, which allows to find a direct correlation, statistically validated, between the fracture toughness and the coefficient of skewness, which appears to be a good indicator for the air entrapment phenomenon. Also the fatigue crack growth is tested on the same geometry, allowing a ranking of the laser configurations according to the crack growth rate which appears consistent with the results of the quasi-static tests. Finally, an accelerated aging cycle in control of temperature and relative humidity is applied to some specimens which then undergo quasi-static DCB tests. Even though a general lowering of the toughness is recorded on the aged joints with respect to the unconditioned ones, it is more marked in the grit blasted specimens, suggesting a benefit in using some specific laser ablation configurations instead of the traditional mechanical pre-treatment methods in presence of some critical environmental conditions.

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.