La saldatura per attrito (FSW) è una tecnica di saldatura allo stato solido che forma il cordone di saldatura mescolando manualmente il metallo per creare calore di attrito e alimentando un utensile rotante lungo la linea di giunzione tra due pezzi. Questa azione di agitazione o miscelazione dà origine al nome del processo. Il FRW convenzionale genera calore di attrito dalle parti stesse, mentre il FSW lo genera da un utensile separato resistente all'usura.
Come funziona la saldatura ad attrito
In FSW, l'utensile rotante viene fatto avanzare; ha una sonda più piccola che si estende sotto la sua spalla cilindrica. La spalla crea molto calore da attrito quando sfrega contro le superfici superiori dei due pezzi durante la saldatura. Allo stesso tempo, la sonda, che ha lo scopo di facilitare la miscelazione meccanica, genera più calore mescolando il metallo lungo il giunto. Invece di fondere il metallo, questo processo di attrito e miscelazione lo ammorbidisce fino a renderlo molto malleabile.
La superficie anteriore della sonda rotante spinge il metallo ammorbidito nello spazio dietro di essa e attorno a sé mentre l'utensile avanza lungo il giunto. Attraverso questo processo il metallo viene forgiato in una saldatura senza soluzione di continuità. Per garantire che il metallo plastificato scorra correttamente attorno alla sonda, la spalla è fondamentale per vincolare il materiale.
I grani ricristallizzati fini ed equiassici si formano attraverso un'intensa deformazione plastica ad alte temperature durante il processo FSW. Le saldature prodotte con questa microstruttura finemente sintonizzata hanno qualità meccaniche eccezionali. La robustezza della saldatura è esaltata dall'intricato movimento del materiale attorno al perno reso possibile dalla speciale geometria dell'utensile e dalla combinazione di traslazione e rotazione.
Geometria e progettazione degli utensili
La geometria dell'utensile è essenziale per lo sviluppo del processo Friction Stir Welding (FSW). Il design di un utensile FSW, che consiste in un perno e una spalla, è essenziale per la velocità di traslazione della saldatura e il flusso del materiale. Gli scopi principali dell'utensile sono facilitare il flusso del materiale e fornire un riscaldamento localizzato, come illustrato nella Fig. sottostante.
Il calore viene prodotto durante il primo tuffo a causa dell'attrito tra il perno e il pezzo da lavorare e della deformazione del materiale. L'attrito tra la spalla e il pezzo produce la maggior parte del componente riscaldante. Altri elementi di progettazione sono meno importanti per l'efficienza del riscaldamento rispetto alle dimensioni relative del perno e della spalla. Inoltre, la spalla aiuta con il riscaldamento localizzato confinando il materiale riscaldato.
La capacità dell'utensile di muovere e mescolare il materiale è il suo secondo ruolo essenziale. La progettazione dell'utensile influisce sia sui carichi di processo sia sulla microstruttura della saldatura e sull'uniformità delle proprietà. Per questo tipo di lavori vengono solitamente utilizzati perni cilindrici filettati e una spalla concava.
La geometria dell'utensile si è sviluppata per incorporare funzionalità sofisticate che migliorano il flusso dei materiali, la miscelazione e riducono i carichi di processo man mano che la nostra comprensione del flusso dei materiali è cresciuta. Ad esempio, TWI ha sviluppato gli strumenti Whorl e MX Triflute, illustrati nella figura seguente, con perni modellati come tronchi. Rispetto ai perni cilindrici con lo stesso diametro della radice, questi design spostano molto meno materiale; rispettivamente circa il 60% e il 70% in meno. I vantaggi di questi strumenti includono una minore potenza di saldatura, un flusso di materiale plastificato più semplice e una maggiore generazione di calore grazie alla migliore interfaccia materiale-perno. Hanno saldato con successo piastre di alluminio fino a 50 mm di spessore in un passaggio e hanno eseguito saldature ancora più spesse nei passaggi successivi.
I tradizionali perni cilindrici filettati per la saldatura a sovrapposizione spesso comportano un eccessivo assottigliamento della lamiera superiore, che riduce le caratteristiche di piegatura. Quando la fatica è la preoccupazione principale in un’applicazione, la larghezza dell’interfaccia di saldatura e l’angolo dell’intaglio sono cruciali. Per migliorare la qualità della saldatura a sovrapposizione, sono state create geometrie dei perni più recenti come A-skew e Flared-Trifute. Questi progetti migliorano le attività di forgiatura e miscelazione sull'interfaccia di saldatura, espandono la zona di saldatura e aumentano il rapporto tra volume spostato e volume statico. Offrono aree di saldatura sostanzialmente ampliate, una riduzione dell'assottigliamento della piastra superiore di oltre un fattore quattro e un miglioramento della velocità di saldatura di oltre il 100% rispetto ai perni tradizionali, il tutto con una riduzione del 20% della forza assiale.
Utensili per triflauto svasato
Questi sviluppi evidenziano l'importanza della geometria dell'utensile nella simulazione dei fluidi. In particolare, i perni A-skew e Flared-Trifute aumentano la qualità della saldatura riducendo l'angolo dell'intaglio sull'interfaccia di saldatura, modificando il percorso del flusso e migliorando le azioni di miscelazione.
Parametri di saldatura nella saldatura ad attrito
Due fattori sono particolarmente importanti nella saldatura a frizione e agitazione (FSW): la velocità di traslazione dell'utensile (v, mm/min) e la velocità di rotazione dell'utensile (ω, rpm). Per completare il processo di saldatura, la traslazione dell'utensile trasferisce il materiale che è stato agitato lungo la linea di giunzione dopo che la sua rotazione ha agitato e miscelato il materiale attorno al perno rotante.
L'intensa agitazione e miscelazione del materiale sono prodotte da velocità di rotazione dell'utensile più elevate a causa delle temperature più elevate prodotte dal maggiore riscaldamento per attrito. È interessante notare, quindi, che l'interazione di attrito tra la superficie dell'utensile e il pezzo da lavorare controlla il processo di riscaldamento. Pertanto non è necessariamente previsto che il riscaldamento cresca linearmente con la velocità di rotazione dell'utensile, poiché il coefficiente di attrito all'interfaccia può variare.
Un'altra variabile importante è l'angolo di inclinazione dell'utensile o del mandrino rispetto alla superficie del pezzo in lavorazione. Il perno filettato aiuta la spalla dell'utensile a spostare il materiale agitato in modo efficiente quando è angolato in modo appropriato nella direzione del materiale di trascinamento. Per spalle dell'utensile lisce e saldature sane, anche la profondità di inserimento del perno, a volte chiamata profondità obiettivo, nei pezzi in lavorazione è essenziale.
Per un efficace movimento del materiale dalla parte anteriore a quella posteriore del perno, una profondità di inserimento ideale garantisce il corretto contatto della spalla dell'utensile con la superficie originale del pezzo. La saldatura può sviluppare scanalature superficiali o canali interni se la profondità di inserimento è troppo bassa. D'altra parte, se è troppo profonda, potrebbero formarsi molte bave, che renderebbero la saldatura notevolmente concava e le piastre saldate si assottiglierebbero localmente.
I nuovi sviluppi, tra cui le spalle portautensili "scorrevoli", consentono l'FSW senza alcuna inclinazione dell'utensile, il che è molto utile per i giunti con curve.
Per alcuni processi FSW, anche il preriscaldamento o il raffreddamento possono essere essenziali. È possibile che l'attrito e l'agitazione da soli non facciano sì che i materiali con punti di fusione elevati, come acciaio e titanio, o con elevata conduttività, come il rame, si ammorbidiscano e si plasticizzino attorno allo strumento rotante nella misura richiesta. Il preriscaldamento o l'aggiunta di ulteriori fonti di riscaldamento esterne possono migliorare il flusso del materiale ed estendere la finestra del processo in tali circostanze. Al contrario, il raffreddamento può essere utile per materiali con punti di fusione più bassi, come magnesio e alluminio, per impedire la dissoluzione dei precipitati rinforzati e la crescita significativa di grani ricristallizzati all'interno e intorno alla zona di agitazione.
Disegni congiunti
I giunti di testa e di sovrapposizione sono i modelli di giunti più pratici per la saldatura ad attrito (FSW). A causa della loro versatilità e facilità d'uso, questi design sono indispensabili.
Per una giunzione di testa quadrata di base, due piastre o fogli di dimensioni identiche vengono fissati saldamente su una piastra di supporto. Ciò impedisce alle superfici dei giunti adiacenti di separarsi durante la saldatura. Quando lo strumento di filatura si immerge nella linea di giunzione vengono applicate forze significative; è quindi molto importante prestare particolare attenzione a mantenere le piastre allineate. La saldatura resistente viene prodotta quando la spalla dell'utensile attraversa la linea di giunzione dopo essere entrata in contatto con la superficie della piastra. I giunti di testa sono un'opzione comune per molte applicazioni di saldatura grazie alla loro semplicità.
(a) calcio quadrato, (b) calcio bordo, (c) calcio T
Un'altra configurazione tipica è la giunzione a sovrapposizione, ovvero una piastra di supporto fissata su due piastre o fogli sovrapposti. Lo strumento rotante collega le due piastre perforando verticalmente attraverso la piastra superiore e nella piastra inferiore e quindi spostandosi nella direzione corretta. Le applicazioni in cui i materiali sovrapposti devono essere collegati in modo sicuro traggono grandi vantaggi da questa tecnica.
FSW consente una gamma di design di giunti alternativi, compresi giunti di raccordo, oltre ai giunti di testa e di sovrapposizione fondamentali. Queste combinazioni, che combinano aspetti di giunti di testa e di sovrapposizione, sono realizzate per soddisfare particolari requisiti ingegneristici. Ad esempio, i giunti d'angolo (vedere la figura sotto) vengono utilizzati quando è necessario soddisfare determinati criteri strutturali durante il processo di saldatura.
giunto di raccordo
Vantaggi dell'FSW
Per le applicazioni in cui la sicurezza e l'integrità strutturale sono fondamentali, la Friction Stir Welding (FSW) offre numerosi vantaggi, inclusa la creazione di cordoni di saldatura incredibilmente durevoli in grado di sostenere pressioni meccaniche elevate. Questo processo garantisce un'eccellente stabilità dimensionale con una distorsione minima e produce connessioni a tenuta di mezzi e pressione con poca distorsione. FSW produce una microstruttura ordinata e priva di fratture e mantiene le caratteristiche della lega perché produce pochissimo calore.
Per quanto riguarda l'ambiente, FSW è eccezionalmente ecologico perché non richiede materiali di consumo come fili e gas e non richiede pulizia superficiale, scarti di rettifica o gas di protezione. Utilizza significativamente meno materiale e pesa meno perché il suo consumo energetico è solo il 2.5 percento della saldatura laser. Nei settori automobilistico, marittimo e degli aeromobili leggeri, questa efficienza porta a un minor consumo di carburante.
FSW produce inoltre un cordone di saldatura più resistente e più liscio rispetto ad altre tecniche di saldatura e riduce il numero di pezzi fissi che devono essere sostituiti durante il processo di progettazione e produzione. Ciò si ottiene ruotando leggermente il pezzo senza utilizzare forze esterne.
Sfide e limiti
Il metodo FSW (Friction Stir Welding) presenta vari inconvenienti. Uno dei principali svantaggi è che quando l'utensile viene ritirato lascia un foro di uscita che può risultare problematico per alcune applicazioni.
Anche i pezzi da saldare devono essere fissati saldamente, il che complica l'operazione.
Le applicazioni che dipendono da apparecchiature tradizionali non possono utilizzare FSW a causa dell'elevato investimento iniziale e della necessità di apparecchiature specializzate. Inoltre, la FSW richiede tempi di inattività significativi tra le saldature ed è più lenta rispetto ad altre tecniche di saldatura.
Applicazioni della saldatura ad attrito (FSW)
Molti settori diversi utilizzano la saldatura a frizione e agitazione (FSW), principalmente per unire leghe di alluminio di tutti i gradi che sono state fuse, laminate o estruse. A seconda della qualità della lega e della capacità della macchina, questa tecnica può saldare giunti di testa in lega di alluminio con spessori che vanno da 0.3 mm a 75 mm in un'unica passata. La FSW è utile per unire leghe come magnesio, titanio, rame, nichel e acciaio oltre all'alluminio. Può anche essere utilizzata per unire materie plastiche e compositi a matrice metallica (MMC). Può persino unire materiali che non sono compatibili, come acciaio e alluminio.
Nell'industria aerospaziale, FSW è perfetto per la produzione di rivestimenti in lega sottile, serbatoi di carburante e cellule grazie all'elevata qualità della saldatura e alla correttezza geometrica. Viene impiegato nell'industria automobilistica per la costruzione leggera, che migliora l'efficienza del carburante. L'FSW viene utilizzato nell'industria navale e ferroviaria per costruire carri armati, carrozze e vagoni ferroviari per carichi pesanti. L'FSW viene utilizzato anche nell'elettronica, come i vassoi delle batterie dei veicoli elettrici, dimostrando la sua adattabilità a una vasta gamma di usi.
Referenze
Groover, MP, 2010. Fondamenti della produzione moderna: materiali, processi e sistemi. 4a ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
