Il ruolo del laser nella saldatura di materiali dissimili

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1 ricerca Le principali pubblicazioni scientifi che internazionali sulla saldatura di componenti in materiali dissimili mettono in luce l orientamento della ricerca scientifi ca internazionale: ecco il panorama Cinzia Zambelli, Giampaolo Campana, Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari 56 Il ruolo del laser nella saldatura di materiali dissimili Le tecniche di saldatura rappresentano un gruppo di lavorazioni che si differenziano per tipologia della sorgente termica e quindi per la natura dell interazione tra sorgente e materiale. Di conseguenza, ciascuna sorgente termica trova impiego prevalentemente per determinati materiali e spessori o configurazione dei giunti a seconda delle sue caratteristiche. La pratica della saldatura, poi, richiede l ottimizzazione e il controllo dei numerosi parametri caratteristici del processo. La riproducibilità della lavorazione e quindi la qualità del cordone di saldatura dipendono dal rispetto e dal mantenimento di quelle ottimizzazioni che sono state messe a punto in fase di studio di fattibilità. È evidente come già la saldatura di componenti realizzati nello stesso materiale possa richiedere un elevato dispendio di risorse tecniche in funzione della geometria del cordone da realizzare e degli spessori da unire, sia per individuare la sorgente più adatta alla lavorazione sia per effettuare le ottimizzazioni dei parametri di processo necessarie a ottenere un elevata qualità della saldatura. Tale affermazione è tanto più vera se consideriamo le sempre maggiori richieste di giunzione di materiali difficilmente saldabili provenienti dal mondo industriale e delle applicazioni. Le attuali richieste di componenti meccanici impongono d altra parte lo studio, la progettazione, lo sviluppo e la messa in opera di un numero sempre maggiore e vario Tab. 1. Abbinamento tra materiali e processi e bibliografia presentata in maggiore dettaglio

2 FIG 01 Numero di pubblicazioni internazionali per tecnica di saldatura nella giunzione di materiali dissimili. Dettaglio per gli anni Andamento della ricerca sulle tecniche di saldatura ( ) Anni di giunzioni tra materiali dissimili poiché, in modo differente rispetto al recente passato, maggiore attenzione è rivolta ai risparmi in termine di peso o di costo sui materiali e agli aspetti ambientali ovvero legati alla riciclabilità. Questi obiettivi possono essere raggiunti mediante una modulazione delle proprietà meccaniche o funzionali quali per esempio la resistenza ad ambienti corrosivi che tipicamente possono essere ottenute scegliendo e accoppiando opportunamente i materiali. La sfida tecnologica diventa ancora più avvincente qualora si debbano effettuare giunzioni tra componenti in materiali differenti. Il presente lavoro esamina le principali pubblicazioni scientifiche internazionali riguardanti la saldatura di componenti in materiali dissimili con l obiettivo di mettere in luce e comprendere quale sia l orientamento della ricerca scientifica internazionale in questo ambito. LE PUBBLICAZIONI NELL AMBITO E IL RUOLO DELLE TECNICHE DI SALDATURA E DEL LASER N articoli Esaminiamo quindi la fig.2 che riporta sotto forma di grafico a barre il numero degli articoli internazionali per ciascun anno di pubblicazione che hanno trattato, a partire dagli anni Sessanta sino a oggi, la saldatura di materiali dissimili. Si osserva un continuo e crescente interesse della comunità internazionale per l argomento in questione. Un incremento considerevole degli studi a partire dal 1997 e una vera e propria accelerazione nel 2007, ancora da confermare nel 2008, anno per cui i dati al momento del presente studio a disposizione risultano incompleti. Nella medesima fig.2 è possibile osservare, oltre al numero di pubblicazioni suddiviso per anno, anche una suddivisione per ciascuna tecnologia di giunzione investigata. Nella fig.1 sono riportati solamente gli anni dal 1997 al 2008 che evidenziano le considerazioni che seguono. Si nota che la famiglia delle Saldature ad Arco costituisce un campo rilevante di studio e applicazione; essa rappresenta per ciascun anno in considerazione, una percentuale piuttosto cospicua delle pubblicazioni interna- Anni Orientamento della ricerca sulle tecniche di saldatura in materiali dissimili N articoli S. ad ARCO EBW LBW FW FSW FIG 02 Numero di pubblicazioni internazionali sulla saldatura in materiali dissimili suddivise per anno e tecnologia di giunzione S. ad ARCO EBW LBW FW FSW

3 FIG 04 Cordoni di saldatura laser su giunzioni 42CrMo K418 [13]. ricerca 58 zionali. Per quanto riguarda la Saldatura Laser (LBW, Laser Beam Welding secondo la terminologia anglosassone), la notevole varietà di lunghezze d onda, di potenze e densità di potenza disponibili, la relativa semplicità d uso e di controllo delle sorgenti di più recente costruzione hanno portato a una notevole espansione delle applicazioni proprio verso la saldatura e in particolare verso la giunzione di materiali difficilmente saldabili con tecnologie tradizionali. L affermazione indiscussa del taglio laser negli anni Novanta ha portato gli operatori del settore a una certa confidenza con tali sorgenti e il loro impiego è progressivamente cresciuto anche per la saldatura, nonostante le resistenze legate alla necessità di qualificazione di tali processi. La crescente maturità di questa tecnologia ha notevolmente contribuito alla ricerca scientifica in questo settore e alla possibilità di studiare ed effettuare la giunzione di materiali ritenuti non saldabili in riferimento alle tecniche tradizionali. Un ruolo di primo piano è Tab. 2. Pubblicazioni sulla saldatura di materiali dissimili suddivise per Paese svolto dalla Saldatura per Rimescolamento e Frizione in fase solida, nota con la terminologia anglosassone come FSW (Friction Stir Welding), che ha reso possibile la lavorazione di materiali al limite della saldabilità. Infine, sono numerosi gli studi che impiegano la Saldatura per Frizione o Friction Welding (FW), forse anche per la relativa semplicità delle attrezzature di lavorazione. Al contrario la minore diffusione, anche presso i Centri di Ricerca, di impianti a fascio elettronico e la complicazione del processo legata alla necessità del vuoto, è probabilmente la causa del minore numero di studi riscontrati relativamente alla Saldatura per Fascio Elettronico (EBW, Electron Beam Welding). ACCOPPIAMENTI TRA MATERIALI DISSIMILI E TECNICHE DI SALDATURA Il numero maggiore di studi presenti in letteratura riguarda la giunzione di materiali metallici dissimili. In particolare la ricerca si è concentrata sui materiali appartenenti alla medesima classe come nel caso degli acciai inossidabili, dove si stanno studiando le giunzioni tra materiali ferritici e austenitici nel settore della generazione di potenza, oppure appartenenti a classi differenti come per esempio acciaio e alluminio o sue leghe nell industria dei trasporti, acciaio e rame o sue leghe nell industria navale, acciaio e titanio o sue leghe nell industria aerospaziale. Non mancano studi su materiali ceramici, polimerici e compositi. Di recentissima introduzione la saldatura tra materiali metallici e polimerici presentata da S. Katayama e Y. Kawahito dell Università di Osaka ( Laser direct joining of metal and plastic, Scripta Materialia 59 (2008) pp ), che sono tuttora oggetto di studio. In fig. 3 è riportato per esempio il giunto prodotto nei Laboratori di Osaka tra acciaio inossidabile austenitico AISI 304 e poliammide, PA, impiegando un Laser a Diodo. La ricerca ha coinvolto alcuni degli articoli, rappresentativi

4 della produzione scientifica riguardante la saldatura di materiali dissimili. Non è possibile in queste pagine descrivere e commentare tutte le pubblicazioni selezionate, ma riporteremo sinteticamente alcune considerazioni in particolare per le applicazioni del laser, che sono descritte negli articoli [13-15] in bibliografia. In [13] viene esaminato il caso della saldatura di testa di lamiere di differenti spessori fino a 5 mm tra un acciaio da bonifica debolmente legato al Cromo e Molibdeno il comune 42CrMo e una superlega del Nichel da fonderia, denominata K418, per impiego nelle giranti dei turbocompressori. Tale lega è costituita da nichel (circa 74%) e un numero elevato di leganti tra cui, in ordine di contenuto in percentuale in peso, cromo (circa 12%), molibdeno (circa 4%), alluminio (circa 6 %), niobio, titanio e carbonio e altri elementi in piccole percentuali. Possiede un elevata suscettibilità alla frattura nella zona termicamente alterata (ZTA). L acciaio è scarsamente saldabile per l elevato contenuto di Carbonio e di leganti. La saldatura per fusione presenta notevoli difficoltà legate anche alle proprietà termofisiche e meccaniche dei due materiali che differiscono fortemente. La potenza laser a disposizione degli autori è stato impiegato un laser Nd:YAG continuo con potenza installata massima di 3 kw e densità di potenza massima 10^8 W/cm 2 non ha consentito di ottenere una saldatura con penetrazione completa per gli spessori massimi delle lamiere. Per spessori inferiori sono stati ottenuti cordoni con una forte gocciolatura a rovescio, mostrati in fig. 4. In [14] gli autori realizzano giunti per sovrapposizione di lamiere spesse 1 mm tra la lega di magnesio AZ31B (alluminio ca. 3%, zinco ca. 1% e il resto magnesio a meno delle impurezze) e la lega di Alluminio AA 5052-O (magnesio ca. 2.5%, manganese ca. 0.25% e resto alluminio a meno delle impurezze). Le prestazioni dei giunti realizzati sono fortemente dipendenti dalla formazione di composti intermetallici e dalla quantità di composti presenti nel giunto. La penetrazione del metallo fuso nella lamiera inferiore e la quantità di composto intermetallico nel giunto, a parità di potenza laser impiegata, dipendono dalla velocità di saldatura. In fig. 5 sono mostrate alcune giunzioni realizzate nel lavoro in discussione. Quando la lega di magnesio è collocata superiormente il carico a rottura aumenta all aumentare della velocità di saldatura. Quando la lastra superiore è costituita dalla lega di Alluminio il carico di rottura inizialmente cresce sino a raggiungere un valore massimo e poi cala all aumentare della velocità di saldatura. 59 FIG 05 Alcuni cordoni di saldatura realizzati tra AZ31B e A5052-O in [14]: a) Saldatura per sovrapposizione con lamiera in lega di Magnesio disposta superiormente. b) Saldatura per sovrapposizione con lamiera in lega di Alluminio disposta superiormente.

5 FIG 06 Esempi di brasatura laser (Laser Braze Welding) [15]: a) disposizione dei componenti da brasare e del filo di apporto; b) Alcune brasature realizzate tra acciaio ferritico e lega leggera. ricerca 60 a) b) Aluminium Steel Vertical axis α Laser axis Filler wire Brazening direction Laser spot (Diameter 1-2 mm) In [15] viene esaminata la brasatura laser (o Laser Braze Welding) di una lega leggera con acciaio. I materiali in considerazione sono la lega AA 6016-T4 di alluminio con magnesio e silicio e l acciaio al carbonio denominato GXES rivestito per galvanizzazione a immersione a caldo di zinco, che è caratterizzato da un contenuto in carbonio pari a 0.002% in peso e dalla presenza di piccole percentuali di elementi costituenti (manganese, silicio, fosforo, zolfo) e quindi una microstruttura ferritica. Sono stati eseguiti giunti per sovrapposizione come in fig. 6a, adottando come materiale d apporto, un filo a base zinco con una elevata percentuale di alluminio. Una miscela di elio e argon è stata impiegata a protezione del giunto in lavorazione. Gli autori hanno adottato una sorgente Nd:YAG e considerato differenti sistemi di trasporto e di focalizzazione del fascio laser e variato l angolo di inclinazione del fascio laser. In fig. 6b sono mostrati alcuni giunti realizzati mediante brasatura laser. Si osserva che il processo ha determinato la brasatura del lembo in acciaio e una parziale rifusione della lega leggera. La rottura del giunto avviene nella zona termicamente alterata sia in corrispondenza del lembo in acciaio sia nella lega leggera. Si è osservato che la conformazione generale del giunto (concavità, convessità, bagnabilità ecc.) influenza fortemente la sua resistenza. In condizioni ottimali è stata ottenuta una resistenza del giunto alla frattura superiore a 200 N/mm. LA GEOGRAFIA DELLA RICERCA L indagine ha messo in evidenza che il Giappone è il primo paese per numero di pubblicazioni internazionali nell ambito della saldatura di materiali dissimili (124 articoli su 387 totali ovvero pari al 32%). La Cina si posiziona al secondo posto, ma a una ragguardevole distanza dal Giappone (57 articoli su 387 totali ovvero pari al 15%). Stati Uniti d America e Germania sono a ridosso della Cina (rispettivamente 42 e 39 articoli su 387 totali ovvero pari al 11% e 10%, rispettivamente). La Germania si conferma il paese che da solo può

6 competere con le maggiori potenze economiche e industriali mondiali. È necessario, altresì, osservare che il contributo dei paesi dell ex blocco sovietico è piuttosto difficile da valutare in realtà sia per i notevoli cambiamenti geografici avvenuti negli anni in considerazione e sia per il fatto che molta parte della produzione scientifica è sempre stata realizzata in russo e quindi non campare in queste considerazioni. Dal numero di pubblicazioni per paese per milione di abitanti risulta un forte ridimensionamento di Cina e Stati Uniti d America, mentre rimane assolutamente rilevante l attività di ricerca di Giappone e Germania. A questi due ultimi Paesi si aggiungono ora Singapore, Portogallo e Repubblica Ceca. Singapore addirittura supera largamente il Giappone in virtù di una popolazione molto inferiore rispetto a quella giapponese. Il Portogallo e la Repubblica Ceca superano largamente la Germania e sono a ridosso del Giappone. L attività scientifica del Giappone rimane comunque assolutamente rilevante e alcune motivazioni possono essere addotte a giustificazione di questa situazione. La cultura giapponese è fortemente motivata allo ricerca e allo sviluppo in ambito tecnologico in quanto i processi di produzione e il loro continuo miglioramento sono il fulcro della qualità dei prodotti di alta tecnologia, cuore del sistema economico giapponese. Esistono laboratori di prefettura altamente BIBLIOGRAFIA [1] Cinzia Zambelli. Tecniche di saldatura per giunti realizzati in materiali dissimili. Tesi di Laurea di primo grado, AA , Università di Bologna. [2] A. Fortunato, A. Ascari, Tecnologie di giunzione mediante saldatura. Esculapio editore. [3] Zheng Sun, Joining dissimilar material combinations: materials and processes. Int. J. of Materials and Product Technology, Vol. 10, p [4] Omer Pasic, Ismar Hajro, Damir Hodzic, Welding of dissimilar metals - Status, Requirements and Trends of Development. Int. 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Esiste una efficace azione governativa che a partire dagli anni 50 sostiene le aziende di alta tecnologia e la ricerca scientifica e di base svolta da Università e laboratori statali. Infine, un grande numero di dirigenti industriali in Giappone possiede una formazione tecnica. CONCLUSIONI Da quanto emerge in questo articolo nel mondo vi è un sempre maggiore interesse verso le tecniche di saldatura di materiali dissimili. Le sorgenti termiche tradizionali ad arco mantengono una posizione di preminenza anche in questo ambito e che un contributo via via sempre più rilevante viene apportato dalle sorgenti termiche più innovative quali quelle laser e a fascio elettronico. Posizioni di assoluta rilevanza sono altresì occupate dalla saldatura per frizione e dalla saldatura per rimescolamento e frizione in fase solida. welded dissimilar magnesium alloys and magnesium alloys to 6061-T6 aluminum alloy. Materials Characterization, Vol. 52, p [12] Y.J. Kwon, I. Shigemats, N. 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