Saldatura a frizione: Un processo di giunzione dei metalli allo stato solido

 Questo articolo spiega come funziona, perché è preferibile alla saldatura per fusione, le sue principali aree di utilizzo come l'industria automobilistica e aerospaziale, un breve aggiornamento sugli sviluppi moderni della saldatura FSW e i vari processi spin-off come la Friction Stir Spot Welding. L'obiettivo è coprire tutte le informazioni essenziali su questo importante processo di giunzione dei metalli.

Saldatura a frizione: Un processo di giunzione dei metalli allo stato solido

Indice dei contenuti

Introduzione

Principi della saldatura per attrito

Vantaggi della saldatura per attrito

Progettazione degli utensili e parametri di processo

Applicazioni della saldatura per attrito

Le sfide della giunzione dei metalli e i più recenti progressi

Derivati innovativi della saldatura per attrito

Sviluppi futuri nella saldatura per attrito

Conclusione

Domande frequenti

La saldatura per attrito (FSW) è un nuovo processo di giunzione allo stato solido inventato nel 1991 presso il The Welding Institute, nel Regno Unito. Fin dalla sua nascita, ha trasformato notevolmente una serie di settori industriali della lavorazione dei metalli che si affidano a tecniche di giunzione dei metalli diverse dai processi di giunzione per fusione. Nella FSW, si utilizza un utensile rotante non consumabile per generare calore di attrito al di sotto del punto di fusione dei materiali da unire. Questo riscalda e ammorbidisce i metalli, consentendo loro di essere forgiati insieme, producendo giunzioni di alta qualità senza difetti.

Grazie all'assenza di problemi come le cricche da solidificazione e la porosità, la FSW produce saldature più forti e consistenti rispetto alle alternative di fusione. Il suo impiego non è limitato alle leghe di alluminio del settore aerospaziale, ma è anche utilizzato nel settore automobilistico, marittimo, ferroviario, ecc. Queste sono le discussioni di base di questo articolo, che includono i principi della saldatura per attrito, i vantaggi della saldatura per attrito, l'applicazione della saldatura per attrito e i nuovi sviluppi della saldatura per attrito. Il suo campo di applicazione comprende tutti gli aspetti di questo importante processo di unione dei metalli.

Principio di funzionamento

La FSW è un processo innovativo per unire i materiali con un apporto di calore ridotto e senza fondere il materiale di base. Durante questo processo, un elettrodo riscaldato elettricamente e non conduttivo, dotato di un perno di forma cilindrica e di una spalla cilindrica, viene posizionato su due superfici adiacenti dei membri in contatto e spostato da un'estremità all'altra del giunto di lavoro.

Generazione di calore attraverso l'attrito

Quando il perno dell'utensile FSW ruota e trasla attraverso il materiale, si genera calore di attrito tra le superfici della spalla e del perno che contattano i pezzi. Questo calore provoca l'ammorbidimento dei materiali dei pezzi da unire, senza raggiungere il loro punto di fusione. Il perno quindi mescola meccanicamente i materiali ammorbiditi, rompendo la struttura di legame originale e forgiandoli insieme.

Formare una saldatura uniforme

Dietro il perno, il materiale si raffredda e ricristallizza rapidamente, dando luogo a un legame allo stato solido tra i due pezzi originali. In questo modo si ottiene una pezza di saldatura uniforme, priva di difetti legati alla fusione o alla solidificazione, tipicamente riscontrabili in saldatura per fusione.

Vantaggi rispetto alla saldatura convenzionale

Eccellenti proprietà meccaniche

L'assenza di difetti associati alla fusione e alla solidificazione conferisce alle saldature FSW eccellenti proprietà meccaniche, equivalenti o superiori a quelle del materiale di base nella stessa condizione di saldatura.

Sicurezza migliorata

Rispetto ai processi di saldatura per fusione, come la saldatura ad arco di gas metallico, non ci sono fumi, schizzi o radiazioni ultraviolette associati al FSW. Questo lo rende un processo di saldatura più sicuro.

Non è richiesto alcun riempimento

Poiché la FSW è un processo allo stato solido, non richiede alcun materiale di riempimento come il filo o il flusso, semplificando il processo.

Automazione facile

La natura sequenziale automatizzata della FSW si presta molto bene alle implementazioni robotizzate e automatizzate nella produzione di grandi volumi in diversi settori industriali.

Funziona in tutte le posizioni

A differenza di alcuni processi di saldatura per fusione, il FSW può essere eseguito su materiali in posizione piana, orizzontale, verticale o sopraelevata con la stessa efficacia.

Buon aspetto della saldatura

In genere, le saldature per attrito hanno un aspetto piatto e uniforme, con una distorsione minima rispetto alle saldature per fusione.

Progettazione degli utensili e parametri di processo

Importanza del design degli utensili

Il design dell'utensile gioca un ruolo fondamentale nel determinare la profondità di penetrazione, le caratteristiche di generazione del calore e, in ultima analisi, la qualità della saldatura. I design avanzati degli utensili aiutano a ottenere profondità più elevate e saldature di sezioni più spesse.

Variazioni della geometria dell'utensile

I design degli utensili possono variare il profilo della sonda o del perno (i profili vanno da forme cilindriche semplici a perni filettati o a gradini), il diametro della spalla e le caratteristiche per influenzare il flusso del materiale.

Effetti dei parametri di processo

I parametri di processo, come le velocità di rotazione e di traslazione dell'utensile, la profondità di immersione, ecc. hanno un impatto significativo sulla generazione di calore e sul flusso di materiale durante la saldatura. La produzione di energia e coppia minore è preferibile a bassa velocità per le sezioni più spesse, per penetrare in profondità, mentre un'alta velocità è applicabile per i materiali di calibro sottile. Tuttavia, la saldatura per attrito è una delle promettenti tecniche di giunzione allo stato solido, che presenta diversi vantaggi rispetto ad altri processi di saldatura per fusione per diversi settori industriali... I continui progressi nel design degli utensili e nei parametri di processo migliorano ulteriormente le sue capacità.

Applicazioni della saldatura per attrito

Compositi a matrice metallica

Giunzione di compositi a matrice di alluminio

Il processo Fsw è stato utilizzato con successo per saldare compositi a matrice metallica (MMC) rinforzati con particelle ceramiche dure come il carburo di silicio (SiC) e il carburo di boro (B4C). Il metodo produce giunzioni sane nei rinforzi a matrice di Al, SiC e B4C, con caratteristiche meccaniche paragonabili o superiori a quelle dei metalli di base.

Microstruttura e resistenza migliorate

MXY I giunti prodotti con la FSW hanno una distribuzione più fine e più uniforme dei rinforzi nella pezza di saldatura, rispetto alle tecniche di saldatura per fusione. Questo si traduce in una maggiore resistenza del giunto, che si avvicina a quella del composito di base. L'assenza di difetti di liquefazione e risolidificazione nella FSW previene i problemi di cricca e porosità spesso riscontrati nelle saldature per fusione degli MMC.

Industrie automobilistiche e aerospaziali

Pannelli dell'ala e della fusoliera di un aereo

I principali produttori di aeromobili utilizzano ampiamente la tecnica FSW per unire pannelli in lega di alluminio per ali, fusoliere e sezioni di coda. Embraer utilizza la tecnica per fabbricare le pelli delle ali e i longheroni dei suoi E-Jet. Boeing utilizza l'FSW sui pannelli del 747-8, producendo oltre 33 chilometri di saldature.

Parti di carrozzeria e telaio per autoveicoli

I componenti strutturali dell'auto, come i cofani, le porte, i pannelli della carrozzeria posteriore, i collegamenti delle sospensioni, vengono uniti con il metodo FSW dai principali produttori. Mazda utilizza il processo su diversi modelli, tra cui il suo grande camion Bongo. Ford impiega l'FSW sulle carrozzerie in alluminio del pick-up F-150 e del SUV Expedition.

Marina e trasporti

Costruzioni navali e navi marine

Il costruttore navale italiano Fincantieri costruisce le sovrastrutture, i ponti e le paratie di traghetti e navi da crociera interamente con piastre di alluminio saldate per attrito. Dockwise utilizza le saldature di testa per attrito per unire i manicotti dei pontoni delle navi da trasporto pesante.

Metropolitana e treni ad alta velocità

I treni della metropolitana di città come Delhi, Mumbai e Sydney presentano pannelli della carrozzeria e sottotelai in alluminio saldati per attrito. I treni proiettile Shinkansen giapponesi hanno parti strutturali e pelle esterna in leghe di alluminio saldate per attrito.

In sintesi, la saldatura per attrito consente di unire in modo efficiente e senza difetti vari metalli e leghe in diversi settori, da quello aerospaziale e automobilistico a quello navale, dei trasporti e dell'elettronica. Le sue applicazioni continuano ad espandersi in nuove aree grazie ai continui sviluppi dei processi.

Le sfide della giunzione dei metalli e i più recenti progressi

Materiali difficili da saldare

Le tecniche di saldatura per attrito vengono esplorate per unire materiali tradizionalmente considerati difficili da saldare.

Unire acciai e leghe di titanio

Numerose ricerche esaminano la fattibilità della FSW per unire acciai ad alta resistenza e leghe di titanio, che sono difficili da saldare per fusione a causa delle cricche. Gli studi preliminari mostrano che si possono ottenere resistenze desiderabili nelle saldature dissimili acciaio-alluminio e titanio-alluminio.

Giunti in metallo dissimile

La FSW viene studiata anche per unire combinazioni dissimili come l'alluminio al rame, il magnesio e le plastiche rinforzate con fibra di carbonio. Le saldature di successo tra lega di zirconio e acciaio dimostrano la versatilità del processo allo stato solido.

Studi di ottimizzazione del processo

Miglioramento del design degli strumenti

I design degli utensili con filettatura, ventilazione e caratteristiche avanzate delle spalle sono studiati per migliorare la penetrazione del giunto, il flusso di calore e la miscelazione del materiale. I perni sagomati aiutano a ridurre i difetti nelle saldature di sezioni spesse.

Ottimizzazione dei parametri

La ricerca ottimizza i parametri interdipendenti come la forza di immersione, la velocità di rotazione, la velocità di traslazione e la geometria dell'utensile. I modelli termici abbinati agli esperimenti forniscono indicazioni sulla prevenzione dei difetti.

Evoluzione della microstruttura

Gli studi esaminano i fattori che regolano la granulometria e la struttura della zona di agitazione. L'adattamento della velocità di raffreddamento e delle caratteristiche dell'utensile perfeziona la microstruttura e le proprietà meccaniche di combinazioni di leghe difficili.

Derivati innovativi

Saldatura a punti per attrito

Questo sviluppo consente la giunzione a punti di gruppi di lamiere. Trova applicazione nelle chiusure automobilistiche e nei pannelli della carrozzeria, con vantaggi rispetto alla saldatura a punti a resistenza.

Lavorazione per attrito

Questa tecnica modifica le proprietà dei materiali mediante un'azione di agitazione attentamente controllata. Le applicazioni includono il miglioramento delle proprietà dei compositi a matrice metallica e la fabbricazione di nanostrutture a gradiente.

Lavorazione di un pilastro idroelettrico a frizione

Un ibrido di FSW ed estrusione amplia le opzioni per la produzione di componenti tubolari e cavi da materiali come alluminio, titanio e acciaio inossidabile.

I continui progressi stanno espandendo le applicazioni della saldatura per attrito verso nuove frontiere di materiali, design e produzione di grandi volumi in tutti i settori industriali.

Conclusione

In conclusione, la saldatura per attrito ha rivoluzionato la giunzione dei metalli sin dalla sua invenzione nel 1991. Originariamente sviluppata come alternativa alla saldatura per fusione delle leghe di alluminio, oggi è una tecnologia matura che viene utilizzata in diversi settori industriali per applicazioni che prima erano considerate difficili con le tecniche convenzionali. I vantaggi unici della saldatura per attrito, come le eccellenti proprietà meccaniche, i difetti ridotti, la sicurezza, la capacità di automazione e la capacità di unire un'ampia gamma di leghe metalliche, l'hanno resa un metodo di fabbricazione preferito. La continua ricerca finalizzata alla comprensione del comportamento del flusso di materiale, all'ottimizzazione dei parametri di processo e alla progettazione di strumenti avanzati sta ulteriormente migliorando la portata e la produttività della saldatura per attrito. Derivati innovativi come la saldatura a punti per attrito e la lavorazione per attrito stanno espandendo il suo potenziale applicativo a nuovi settori produttivi. Con gli sforzi di sviluppo in corso, è probabile che la saldatura per attrito e le sue varianti continueranno a sconvolgere gli approcci produttivi tradizionali e consentiranno in futuro la fabbricazione di combinazioni di leghe e componenti avanzati in tutti i settori industriali.

Domande frequenti

Quali sono i principali vantaggi della saldatura FSW rispetto alla saldatura per fusione?

Produce saldature più forti e di qualità superiore, senza difetti come porosità o crepe. È anche più sicuro, più automatizzato, funziona in tutte le posizioni e provoca meno distorsioni.

L'FSW è limitato alla giunzione di lamiere o lastre piatte?

No, i progressi consentono la FSW di forme 3D complesse, di componenti tubolari/cavi e di combinazioni dissimili/multimateriali. Gli strumenti di saldatura a punti consentono l'assemblaggio di pannelli.

Quali fattori influenzano la qualità della saldatura?

I fattori principali sono il design dell'utensile (profilo del perno/spalla), le velocità di rotazione/corsa, la profondità di tuffo e la forza del perno adattata al materiale e allo spessore. Il calore, il flusso di materiale e la resistenza del giunto sono ottimizzati.

Altre tecniche di giunzione possono sostituire la FSW?

Per molte applicazioni, nessuna alternativa offre lo stesso grado di consistenza e integrità meccanica. Tuttavia, alcuni fissaggi specializzati possono funzionare quando l'accesso agli utensili FSW è limitato.