Per Bollitura (o a fuoco)

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1 Saldature Speciali Con il termine speciali si classificano sia saldature tradizionali sia processi di saldatura innovativi, ma utilizzati industrialmente in applicazioni particolari. Tra questi ricordiamo la saldatura: 1. Per bollitura 2. Per attrito o frizione 3. Allumino-termica 4. Al laser 5. Con bombardamento, o fascio, elettronico 6. Per diffusione 7. Con ultrasuoni 8. Per compressione a freddo (ad esplosione)

2 Per Bollitura (o a fuoco) La saldatura a pressione per bollitura si esegue riscaldando i pezzi fino allo stato pastoso e poi comprimendoli uno contro l altro, senza interporre metallo d apporto; la compressione può essere sostituita da un martellamento di appropriata intensità. Affinché siano saldabili con tale procedimento, i metalli debbono presentare un ampio intervallo di plasticità, come l acciaio dolce. Il metodo non è applicabile per le ghise comuni e per le leghe che non hanno uno stato pastoso e cioè che passano bruscamente dallo stato solido allo stato liquido. In genere non sono saldabili i materiali metallici molto fusibili. La bollitura è particolarmente indicata per unire pezzi di acciaio extradolce e dolce riscaldati al bianco saldante, indi sovrapposti e martellati. Con l aumento del tenore di carbonio, la saldabilità dell acciaio decresce rapidamente e per C> 1 % l acciaio non è più saldabile. Modalità d esecuzione

3 Per Bollitura (o a fuoco) Modalità d esecuzione

4 Per Bollitura (o a fuoco) Modalità di giunzione Le parti da saldare debbono essere preparate in modo che la zona di contatto sia la più ampia possibile; a tale scopo gli estremi dei pezzi vengono sagomati: ad unghia, a forcella, a bocca di lupo.

5 Per Bollitura (o a fuoco) Sezione del giunto La zona di giunzione non è evidente

6 Per Bollitura (o a fuoco) Attrezzature Le parti

7 Per Bollitura (o a fuoco) Riscaldamento Il riscaldamento dei pezzi può essere effettuato con la fucina, impiegando carbone di legna, che non contiene zolfo, oppure col cannello ossiacetilenico a fiamma neutra. La temperatura a cui bisogna scaldare i pezzi di acciaio diminuisce con l aumento della concentrazione di carbonio: Per acciai extradolci: T = 1400 C, bianco abbagliante; Per gli acciai dolci: T = 1250 C, giallo splendente; Per gli acciai duri: T = 1150 C, giallo oro.

8 Per Bollitura (o a fuoco) Martellamento L operazione di martellamento deve essere condotta dapprima con colpi rapidi e leggeri e poi con colpi sempre più intensi per far fronte alla diminuita plasticità del metallo. Esempio. Per l alluminio si procede come segue: si appoggiano i pezzi da collegare su un incudine riscaldata a circa 350 C indi, con la fiamma ossiacetilenica, si scaldano le zone di unione fino a 540 C; a questo punto si sovrappongono i pezzi e si martellano rapidamente.

9 Per Bollitura (o a fuoco) Disossidanti L aria ambiente e l alta temperatura producono ossidi che, se restano inclusi nella saldatura, la rendono porosa e poco resistente. Bisogna quindi proteggere le zone da unire con appropriate sostanze: Per l acciaio extradolce s impiega sabbia che, essendo di natura silicea, alle alte temperature si combina con le impurità formando una scoria superficiale di silicati; Per l acciaio si una borace, acido borico e cloruro di ammonio; non si adopera la silice perché questa non è fusibile alla temperatura a cui si salda l acciaio; Per il rame s impiegano miscele di fosfato di sodio e di borace.

10 Per attrito La saldatura per frizione o attrito è una tecnica nella quale si sfrutta la trasformazione dell energia meccanica in calore attraverso l attrito, in modo da portare a termine il processo completamente allo stato solido. Brevemente, la saldatura per frizione consiste nel mettere a contatto i due componenti, dei quali uno è fermo mentre l altro è posto in rapida rotazione attorno al proprio asse. Quando la quantità di calore sviluppata è sufficiente, la rotazione si interrompe e si applica il carico per facilitare la diffusione allo stato solido, espellendo anche le eventuali impurità. Le saldature ottenute in questo modo hanno caratteristiche meccaniche molto prossime a quelle dei materiali base. Generalmente, per poter sfruttare questa tecnica, il giunto deve avere simmetria rotazionale, quindi non tutte le geometrie risultano saldabili.

11 Per attrito Prima fase: si porta il pezzo rotante alla velocità prestabilita in base ai risultati dell esperienza Seconda fase: si comprime il pezzo fisso contro il pezzo rotante Terza fase: si mantiene la rotazione e la pressione assiale per un tempo sufficiente a portare le superfici di contatto allo stato plastico per effetto del calore generato dall attrito di strisciamento. Quarta fase: si arresta la rotazione e si mantiene applicata la pressione assiale per una durata tale da consentire ai bordi dei pezzi di saldarsi.

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13 Per attrito Impiego La saldatura per attrito viene impiegata per saldare: Assali, Tubi per caldaie, Barre cilindriche, Recipienti cilindrici per contenere fluidi ad alte pressioni, Tubi e barre con lamiere e pezzi piatti. I materiali più adatti ad essere saldati con questa tecnica sono i termoplastici (materiali polimerici), inoltre si possono unire anche metalli di qualità diversa come ottone con alluminio oppure rame con ottone.

14 Per attrito Impiego Una volta acquistate le attrezzature necessarie, la saldatura per frizione è una tecnica piuttosto economica. La preparazione dei materiali base infatti è pressoché nulla: bisogna solo tenere in conto un leggero accorciamento dei componenti dovuto al processo di saldatura. Inoltre non sono richiesti materiali d apporto. La riproducibilità è molto elevata ed il processo si presta molto bene all automazione, grazie alla sua controllabilità, quindi può essere utilizzata per produzioni di massa. Esempi di dati di saldatura. Per saldare una sezione di 16 cm 2 occorre una pressione assiale di 9000 dan; Per una sezione di 625 cm 2 occorre invece una pressione assiale di dan.

15 Per attrito Applicazioni particolari dell attrito

16 Per attrito «speciali» Alla fine del 1991 la TWI (L Istituto di saldatura di Cambridge) ha brevettato un nuovo metodo di saldatura denominato Friction Stir Welding. Conforme alle tecniche più tradizionali di saldatura per frizione, le quali vengono utilizzate sin dai primi anni 50, la saldatura è eseguita alla fase solida, senza fusione e senza l aggiunta di materiali d apporto. E stato dimostrato che si possono ottenere saldature resistenti e duttili. Principalmente, la FSW permette di saldare componenti tipo piastre, ma può essere adattata per saldare tubi, sezioni cave e per eseguire saldature di posizione. Le temperature massime che si raggiungono durante il processo non superano l 80% della temperatura di fusione dei materiali base.

17 Friction Stir Welding Linear Vibration Welding: il riscaldamento dei componenti avviene attraverso il loro reciproco moto relativo (di tipo vibratorio - frequenze da 100 a 200 Hz, spostamenti dell ordine del millimetro) e l azione di un carico che li mantiene in stretto contatto. Viene impiegata ad esempio per la saldatura di serbatoi, di pompe, di condotti per l aria. Orbital Friction Welding: questa tecnica, relativamente innovativa, è stata messa a punto per la saldatura di componenti realizzati in materiali termoplastici, dove ogni parte della superficie orbita intorno ad un punto diverso sulla faccia del componente immobile. Questo moto ha una velocità rotazionale costante ed è identico per tutti i punti della superficie del giunto. Spin Welding: il principio è lo stesso della linear friction welding, ma l area di giunzione è circolare e il moto è rotazionale.

18 Friction Stir Welding Angular Friction Welding: anche in questo caso il principio di funzionamento è lo stesso della linear friction welding, ma il moto è angolare. I componenti sono accostati e vengono fatti vibrare con un moto angolare di pochi gradi. Quando il ciclo di saldatura è completato, essi vengono riportati alla posizione originaria assicurando un perfetto allineamento. Questo tipo di processo è usato per componenti circolari per le quali risulti molto difficile l allineamento tra la parte superiore e inferiore. Rotary Friction Welding: questo è stato il primo processo per frizione ad essere impiegato in scala industriale. Non è richiesto alcun materiale d apporto e la saldatura avviene alla fase solida, per questo non si osservano deformazioni a livello macroscopico.

19 Friction Stir Welding Esistono due varianti: continous drive rotary friction welding processi con energia immagazzinata (come l inertia welding). Nel primo tipo, due cilindri vengono allineati assialmente: uno di essi viene messo in rotazione mentre l altro, fermo, viene messo a contatto con esso con un carico assiale preselezionato. La rotazione continua finché non si raggiunge la temperatura prefissata alla quale il giunto raggiunge lo stato plastico. A questo punto la rotazione viene fermata, ma il carico rimane applicato sui cilindri per favorire la fase finale della saldatura. Nell inertia welding invece, il componente rotante è collegato ad un volano che viene accelerato ad una velocità di rotazione prestabilita. A questo punto si toglie la spinta al volano, il quale viene avvicinato al componente fermo: l azione frenante che si genera sprigiona il calore necessario per scaldarlo alla temperatura prefissata.

20 Friction Stir Welding Lo strumento che si utilizza è a sezione circolare, ad eccezione dell estremità, dove è alloggiata una sonda filettata o con una scanalatura più complicata. Il punto in cui si unisce la parte cilindrica e la sonda viene denominato shoulder. Mentre la sonda penetra nei componenti, lo shoulder ne friziona la superficie. Le parti devono essere strette su una barra di sostegno, in modo da evitare che le superfici confinanti dei componenti si allontanino. Si genera così calore per attrito tra il pezzo e l utensile, il quale è realizzato appositamente per resistere all usura.

21 Friction Stir Welding Il calore è tale da permettere al pezzo di ammorbidirsi senza raggiungere la temperatura di fusione, in modo da consentire il passaggio dell utensile attraverso la linea di saldatura. Il materiale plasticizzato viene trasferito dal bordo d attacco dello strumento alla sonda e viene forgiato dal contatto diretto tra lo shoulder ed il profilo del perno. Tutto ciò contribuisce a creare il legame allo stato solido tra i due componenti. Si può considerare la saldatura per frizione come una tecnica di saldatura con un keyhole allo stato solido, poiché l utensile genera un foro, per permettere alla sonda di avanzare, il quale viene colmato con l avanzamento del processo lungo la linea di giunzione.

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24 Struttura della grana del giunto Acciaio inox Alluminio Acciaio al carbonio

25 Materiali saldabili ad attrito FSW Lega Spessore Materiale dell'utensile Stato Tutte le comuni leghe di Al <12mm AISI H-13, AISI M42, altri Commercializzato Tutte le comuni leghe di Al eccetto serie 7xxx Leghe di Al della serie 7xxx Cu e sue leghe <25mm >12mm Tutti AISI H-13, AISI M42, altri Acciai per utensili, Lega di Cobalto MP159 Lega di Cobalto MP159, Leghe di Ni, WC-Co Leghe di Mg <10mm AISI H-13 e altri Leghe di Ti <6mm W-25Re Acciao al C-Mn <10mm W-25Re Acciai inossidabili <6mm W-25Re, PCBN Leghe di Ni <5mm PCBN Commercializzato e sviluppo avanzato Sviluppo avanzato Sviluppo avanzato Sviluppo

26 Per spessori più elevati, risultano più appropriati utensili con perni di nuova concezione tipo Whorl TM o MX-Triflute TM. Questi hanno al capacità di saldare spessori fino a rispettivamente 50 e 60mm ed hanno il vantaggio di raggiungere velocità di saldatura fino a due volte maggiori rispetto a quelle degli utensili convenzionali. Il convenzionale perno filettato cilindrico è adeguato per la saldatura testa a testa di lamiere in alluminio con spessori fino a circa 12mm.

27 Friction Stir Welding Vantaggi e svantaggi del processo Uno dei principali vantaggi della FSW proviene dal fatto che il processo avviene allo stato solido, molto al di sotto della temperatura di fusione dei materiali che devono essere saldati: in questo modo si possono saldare anche materiali che non potrebbero esserlo con le tecniche per fusione. Altri vantaggi, dal punto di vista della qualità della saldatura, sono: piccole distorsioni, persino in saldature lunghe, eccellenti caratteristiche meccaniche, come testimoniano i test a fatica eseguiti, sia a trazione che a flessione, nessuna emissione di vapori, nessuna porosità generata nel pezzo finito, niente schizzi, possibilità di saldare in ogni posizione, elevata efficienza in termini di energia. Un altro vantaggio di notevole importanza è la possibilità di automatizzazione.

28 Friction Stir Welding Vantaggi del processo Per quanto riguarda strettamente il processo, invece, i principali vantaggi che esso comporta sono: utensile non consumabile: un utensile può essere usato per una lunghezza di saldatura fino a 1000 m (per leghe di alluminio serie 6000); nessun materiale d apporto; nessun gas di protezione per saldare l alluminio; certificazione del saldatore non richiesta; discreta tolleranza ad eventuali imperfezioni nella preparazione dei lembi-possono essere accettati anche sottili strati di ossido; - nella produzione di massa, non sono richiesti levigatura o pulitura delle superfici.

29 Friction Stir Welding Svantaggi del processo Per quanto riguarda gli svantaggi della FSW: le velocità di saldatura sono discretamente più basse rispetto a quelle ottenibili con altre metodologie di saldatura per fusione (fino a 750 mm/min per saldare una lega di alluminio serie 6000 di 5 mm di spessore); i materiali base devono essere rigidamente stretti; sono richieste delle barre di sostegno (backing bars); formazione di un keyhole alla fine di ogni saldatura.

30 Friction Stir Welding

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33 Friction Stir Welding Applicazioni Questa tecnologia ha rivoluzionato in particolare la saldatura dell'alluminio ed ha avuto larga influenza su settori industriali quali aerospaziale ed automobilistico. The friction stir welding process is currently being used by several automotive companies and suppliers, including the manufacturing of wheel rims.

34 Friction Stir Welding Applicazioni

35 Simulazione del processo Friction Stir Spot Welding (FSSW) Recentemente, Friction Stir Welding spot ( FSSW ), una variante della saldatura stir ad attrito lineare ( FSW ) ha ricevuto una notevole attenzione da parte delle industrie automobilistiche per sostituire la saldatura elettrica per punti per telaio in alluminio. Finora, il processo FSSW è stato sviluppato con successo e applicato in diversi casi, ma il processo fisico attraverso cui avviene non è ancora pienamente compreso.

36 Allumino-termica Principio di funzionamento Questo metodo di saldatura, ideato da Moissan e poi perfezionato da Goldschmidt, è basato sulla grande affinità dell ossigeno per l alluminio. Il procedimento consiste nel porre l alluminio in polvere a contatto con un ossido di ferro pure in polvere in proporzioni tali da provocare l ossidazione completa dell alluminio: la grande quantità di calore sviluppata dalla combustione provoca la fusione del ferro che viene immediatamente colato tra i due spezzoni da collegare.

37 Allumino-termica Principio di funzionamento Per l esecuzione della saldatura s impiega un miscuglio denominato termite, costituito da tre parti di sesquiossido di ferro Fe 2 O 3 e da una parte di alluminio in polvere. La reazione di combustione, che avviene con sviluppo di una grandissima quantità di calore, si propaga rapidamente a tutta la massa con una violenza simile a quella di una vampata: Fe 2 O 3 + 2Al 2Fe + Al 2 O MJ Il sesquiossido di alluminio, che ha piccolo peso specifico (3,3 kg/dm 3 ) galleggia sul bagno mentre il ferro, quasi puro, si raccoglie sul fondo nel crogiolo; aprendo il foro di colata, il ferro liquido affluisce nell apposita forma di terra essiccata e va a circondare gli estremi degli spezzoni da saldare.

38 A T 1 Allumino-termica e.com/watch?v=5d yl6omqdta AT2 6qofN74

39 Allumino-termica Utilizzazione del metallo fuso In base ai risultati forniti dall esperienza si può ritenere che 1 kg di termite produca 0,5 kg di ferro quasi puro, alla temperatura di 3000 C. Il ferro allo stato liquido ottenuto con questo procedimento può essere utilizzato in due modi: Come metallo d apporto per collegare due pezzi Come mezzo riscaldante L utilizzazione come metallo d apporto si ha nel caso della riparazione di rotaie ferroviarie o tranviarie. L impiego della termite è limitato alla sola riparazione delle rotaie già in opera perché quelle nuove vengono saldate per scintillio o per resistenza o all arco voltaico. L utilizzazione del ferro fuso come mezzo riscaldante è indicata quando si vogliono portare rapidamente al bianco saldante due spezzoni che poi vengono collegati premendoli l uno contro l altro.

40 Allumino-termica Struttura del giunto Il cordone di saldatura ottenuto con la termite, essendo costituito da metallo fuso, possiede struttura granulare mentre i due spezzoni di rotaia, essendo ottenuti per laminazione, sono a struttura fibrosa. Dopo la saldatura, occorre perciò martellare accuratamente la zona di metallo colato per migliorare le proprietà meccaniche del giunto.

41 Allumino-termica Impieghi Il procedimento alla termite può essere impiegato: Per la riparazione di rotaie, tubazioni, grosse parti di macchine, basamenti, incastellature, ruote dentate di grandi dimensioni; Per il riempimento di cavità e soffiature presenti nei grossi getti di ghisa o di acciaio; Per mantenere calda la ghisa o l acciaio nei secchioni di colata e nelle materozze, gettando nel metallo fuso un po di termite; Per la fabbricazione di bombe incendiarie. Il procedimento alla termite può essere impiegato per ottenere allo stato liquido quasi puro metalli non ferrosi, come il cromo, il molibdeno ed il vanadio, facendo reagire i loro ossidi con l alluminio in polvere.

42 Allumino-termica Attrezzature Metodo Goldschmidt. Una serie di attrezzature specificatamente studiate e di continuo migliorate per l'esecuzione della saldatura alluminotermica come la tranciatrice idraulica, il morsetto tendirotaie idraulico, la smerigliatrice con albero flessibile e la sega-rotaie a nastro con motore a scoppio o elettrico.

43 Al Laser Dopo essere stato usato per intagliare, il laser ha trovato una vasta gamma di applicazioni nelle tecnologie di saldatura dei materiali metallici. Dalla fine degli anni 80 si è passati dagli studi in laboratorio ai primi utilizzi nelle industrie. Lo sviluppo su scala industriale è stato possibile solo dopo il perfezionamento di sorgenti più potenti, sistemi laser competitivi e la messa a punto di controlli efficienti sul processo. Per quanto riguarda le saldature, infatti, il laser presenta dei vantaggi che devono essere valutati accuratamente per poter sfruttare appieno le sue potenzialità.

44 Al Laser Principio di funzionamento Il principio di funzionamento del laser è basato su tre fasi: assorbimento, emissione spontanea, amplificazione. Nell assorbimento, l elettrone del medium (la specie chimica da cui si origina il fascio laser) assorbe una certa quantità di energia che gli viene fornita dall esterno. Ciò ne comporta il passaggio dalla sua orbita di origine ad una ad un livello energetico maggiore (eccitamento). Per ottenere nuovamente la condizione di equilibrio l atomo deve ricondurre l elettrone nella sua orbita originaria: questo processo avviene attraverso il rilascio di una certa quantità di energia (emissione spontanea).

45 Al Laser Principio di funzionamento Il fotone va ad eccitare a sua volta l atomo immediatamente vicino, che si comporterà esattamente allo stesso modo. Posizionando degli specchi riflettenti, possiamo facilitare l emissione stimolata di tutti gli elettroni, in modo da ottenere una specie di reazione a catena (amplificazione). L energia emessa in questo modo ha la caratteristica di avere tutta la stessa lunghezza d onda. Tutti i laser quindi hanno bisogno di un medium, un apparato di eccitamento (pumping) e un apparato di amplificazione (optical resonator). Quando il livello energetico superiore è più densamente occupato di quello inferiore, avviene un inversione nel moto degli elettroni e avviene un emissione spontanea in tutte le direzioni. L amplificazione è ottenuta lungo l asse della cavità dove ha sede il medium, attraverso riflessioni multiple di luce sui due specchi. Il fascio laser esce attraverso uno dei due specchi, che sarà solo parzialmente riflettente.

46 Principio di funzionamento Al Laser Le caratteristiche di un fascio laser sono quindi: - Monocromaticità: Il laser emette su un unica lunghezza d onda che dipende dalla natura del medium emittente. La lunghezza d onda è importante perché l assorbimento da parte del materiale varia a seconda del suo valore (riflettività). Alcuni materiali quindi possono essere lavorati meglio con un laser piuttosto che con un altro. -Bassa divergenza: Una classica sorgente di luce emette in tutte le direzioni. Un importante proprietà del laser è la sua direzionalità: il fascio può essere emesso con un angolo di divergenza molto basso. Ad esempio, a due mrad, il diametro di un fascio laser è aumentato di 2mm per una propagazione del fascio di 1m.

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48 Al Laser Processo di saldatura Il processo di saldatura laser sfrutta l alta densità di energia creata dal fascio laser (FASCIO DI LUCE COERENTE FOCALIZZATO) per portare rapidamente a fusione due lembi di materiale e saldarli creando un cordone (giunto di saldatura) ridotto e pulito, di qualità più elevata rispetto a quello ottenibile con una saldatura tradizionale. La saldatura richiede elevate densità di energia, che possono essere ottenute lavorando sul punto focale del sistema ottico. A potenze specifiche sufficientemente elevate ( w/cm2) il materiale di base vaporizza, formando una zona in cui sono contenuti i vapori che si generano, detta keyhole. Il materiale fuso, successivamente si raffredda, originando il cordone di saldatura.

49 Tipologie di processi di saldatura Al Laser SALDATURA LASER CONTINUA: La creazione di una saldatura e basata sul fenomeno di fusione localizzata del materiale nel punto di impatto del fascio laser. La zona di fusione, chiamata keyhole, si riempie di vapori metallici ed e circondata di metallo fuso. La zona di fusione viene estesa lungo tutto il profilo dal saldare e il materiale si risolidifica dopo il passaggio del fascio laser. SALDATURA A PUNTI: In questo caso, la fusione del materiale viene generata da una serie di spot laser parzialmente sovrapposti che portano molto rapidamente a fusione il materiale. A seconda del livello di energia selezionato nell impulso laser, il materiale puo fondere o direttamente vaporizzare; successivamente il materiale condensa e solidifica dopo il passaggio del treno di impulsi.

50 Al Laser Processo di saldatura La saldatura laser viene realizzata normalmente con due tipi di generatori laser: sorgenti laser a CO2,sorgenti laser YAG o sorgenti a diodi. Le sorgenti a stato gassoso, come il CO2, vengono impiegate per saldature di materiali di medio alto spessore mentre le sorgenti YAG, grazie alla possibilita di realizzare degli impulsi laser, permettono di controllare meglio l energia depositata sul pezzo e quindi di realizzare microsaldature o saldature continue, molto accurate, su materiali di spessore ridotto. Dal punto di vista economico, i costi di esercizio di un impianto di saldatura laser a CO2 sono minori rispetto a quello di una sorgente YAG, tuttavia spesso si preferisce impiegare un impianto a YAG dato che consente di guidare il fascio laser in fibra ottica (applicazioni nella robotica) e di avere un migliore assorbimento di energia nel caso di leghe di alluminio.

51 Un ruolo molto importante nella creazione del fascio laser è svolto dal medium. In base alla scelta del medium, infatti, si ottiene una diversa lunghezza d onda, che non sempre è adatta per ogni materiale, come detto già in precedenza. Distinguiamo quindi due tipi di laser: il laser CO2 e il laser Nd-YAG. Per il laser CO2 il medium è costituito da una miscela di gas: CO2+He+N2 e la lunghezza d onda che si ottiene è di 10.6 mm: questo tipo di laser viene usato prevalentemente per saldare gli acciai. Esistono tre categorie di laser CO2. Esse si distinguono per la modalità di circolazione del gas, che può essere assiale o trasversale rispetto all asse ottico del fascio, e dal tipo di cavità utilizzata. Tipologie di laser

52 Il processo di saldatura

53 Testa saldante

54 Al Laser Vantaggi del processo La saldatura laser rappresenta un evoluzione rispetto alla saldatura tradizionale. Anche se non è ancora applicabile a tutti i materiali, spessori e forme attualmente lavorabili con una saldatura tradizionale, la saldatura laser presenta i seguenti vantaggi: Velocità di saldatura elevata Ottima flessibilità di lavoro Facile accesso al giunto e elevate caratteristiche del giunto Minimo apporto termico Ottima forma della saldatura: buona profondità del cordone rispetto alla larghezza del giunto. Microstruttura Fine Quasi privo di tensioni residue. Elevata durezza

55 Al Laser Svantaggi del processo I costi da sostenere sono alti: per questo motivo la saldatura laser non ha raggiunto ancora livelli di produzione su larga scala. I costi elevati sono dovuti essenzialmente alla preparazione delle superfici, al livello di precisione con cui deve essere eseguito il processo ed alle misure di sicurezza che bisogna adottare riguardo l istallazione, le attrezzature necessarie e il personale, che deve essere altamente qualificato. Generalmente viene preferito il laser Nd-YAG, dato che non forma il plasma assorbente e ha un coefficiente di assorbimento più alto di quello del laser CO2 nella maggior parte dei materiali. Inoltre, questo tipo di laser fa compiere dei cicli termici più brevi rispetto alle altre tecnologie, limitando la diffusione del calore e l allargamento della zona termicamente alterata, ma generando stress metallurgici più elevati.

56 Al Laser Materiali Lavorabili Acciaio al carbonio Acciaio inossidabile Leghe di alluminio Titanio e le sue leghe Nichel e le sue leghe Ghisa

57 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW

58 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW L applicazione della saldatura ibrida laser-arco, nel seguito sarà abbreviata con l acronimo inglese HLAW (Hybrid Laser Arc-Welding), è stata presentata per la prima volta all inizio degli anni 70. Questa tecnica combinata utilizza i vantaggi del laser, che comportano elevate penetrazioni e alte velocità di lavoro, e delle tecniche ad arco, che consentono di superare discreti scostamenti tra le parti da congiungere, rallentano il raffreddamento del cordone e, grazie all impiego del materiale d apporto, aggiustare le sue caratteristiche metallurgiche.

59 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Il processo HLAW utilizza, come detto, la combinazione dell azione della luce laser con quella di un arco elettrico proveniente, in generale, da una torcia MIG operante prevalentemente nel modo spray-transfer (con trasferimento per effetto dell arco del materiale d apporto tramite una successione di piccole gocce di fuso). Il fascio laser viene focalizzato in una macchia focale di pochi decimi di millimetro, generando così una elevata densità di energia che, tra l altro, aiuta a stabilizzare l arco elettrico. Il fascio laser, attraverso il ben noto processo di keyhole, penetra in profondità nel giunto, producendo una ridotta zona alterata termicamente e consente il raggiungimento di elevate velocità cosa che aiuta a ridurre notevolmente l energia termica apportata al giunto. Il processo ad arco MIG riduce la velocità di raffreddamento del cordone creato dal laser, riducendo così l aumento di durezza che ne sarebbe conseguito ed evitando l insorgere di criccature. Il tipo di materiale di filo d apporto utilizzato nel processo MIG consente al progettista del componente di variare le caratteristiche meccaniche e metallurgiche del giunto, dando anche la possibilità di rimuovere da questo o, almeno, diluire alcuni elementi contaminanti. La potenza laser, tensione dell arco e il tipo di metallo d apporto possono determinare le proprietà finali dei legami, in particolare l aspetto del cordone e la microdurezza dei giunti.

60 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW VANTAGGI Il vantaggio predominante della tecnica HLAW è però dato dalla velocità, che può raggiungere valori tra 3 e 30 volte superiori a quanto ottenibile con i tradizionali processi di fusione come il solo MIG o l arco sommerso. Questo è dovuto non tanto alla maggiore velocità della testa di lavoro, ma dal fatto che il processo HLAW consente di completare il riempimento del cianfrino di un giunto con un numero inferiore di passaggi. Tenendo conto inoltre che una maggiore velocità di saldatura è associata a una minore quantità di energia termica ceduta al pezzo (riduzione tra l 80 e il 95%), il progettista meccanico è in grado di ridurre il volume del cianfrino.

61 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW VANTAGGI Come esempio, prendiamo un giunto di testa avente spessore di 15 mm: se si dovesse utilizzare il processo ad arco sommerso si dovrebbe avere un cianfrino con apertura complessiva di 60, una parte rettilinea sul fondo profonda 3 mm con una separazione tra i lembi di 2 mm; utilizzando il metodo HLAW la parte rettilinea ha una lunghezza di 10 mm, con i lembi accostati, e il cianfrino sovrastante ha una apertura complessiva di 28. Questo cambio drastico nella configurazione del giunto consente al progettista di avere a disposizione una maggiore varietà di configurazioni meccaniche locali del componente e utilizzare una sola passata per realizzare l intero giunto. Per effetto della ridotta energia termica immessa nel giunto, del minore volume di fuso generato e della ridotta estensione della zona termicamente alterata attorno al cordone, la tecnica HLAW produce sul componente trattato minori tensioni residue e minori distorsioni meccaniche.

62 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW SVANTAGGI Il processo HLAW ha sofferto degli stessi problemi avuti dalla saldatura laser convenzionali: i progettisti dell industria non avevano gli elementi da cui poter trarre i vantaggi dall introduzione di queste nuova tecnologia, tenendo in conto che, in ogni caso, per poterla applicare dovevano procedere a sostanziali variazioni nel progetto dei componenti su cui poteva essere applicata vi è stata poi una grande discussione sulla questione del massimo scostamento che poteva essere tollerato da questa tecnica, in funzione dello spessore del componente da saldare. Ora si può dire che scostamenti di ± 0.5 mm, in assenza di controlli di processo più sofisticati, possono essere tollerati. Questi valori sono però molto più stringenti rispetto a quanto necessario per le tecniche ad arco, ma ben maggiori rispetto a quanto richiesto dalla saldatura laser convenzionale. Certamente si hanno applicazioni del processo HLAW in cui possono essere adeguatamente compensati anche scostamenti di ± 2.0 mm senza l aggiunta di controlli adattativi, ma questo richiede rallentamenti della velocità di lavoro che possono mettere in dubbio la validità dell investimento fatto. In generale l applicazione di un tale processo è giustificato cambiando il processo produttivo (a monte e a valle).

63 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Considerazioni Quale è lo scopo di modificare il progetto di un componente per poter accettare la possibilità di essere realizzato mediante questo processo innovativo,se poi il totale del numero dei componenti così prodotti non cambia? Due possono essere i motivi: Riduzioni dei costi di saldatura. Miglioramento in termini di conduzione snella dell azienda che significa ridurre i costi di produzione e quelli della vita del prodotto.

64 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Considerazioni Questa conduzione snella ha portato i produttori, tra l altro, a utilizzare i materiali ad alta resistenza per ottenere una riduzione di peso dei componenti prodotti. Questo sforzo è notevole, per esempio, nel settore automobilistico che a subito accolto i processi HLAW per la saldatura di molti suoi componenti: nella carrozzeria ma, soprattutto, nei gruppi delle sospensioni, nei sostegni dei motori e nei componenti dei tubi di scarica. Una regola pratica nell industria dell auto è che 1Kg di riduzione del peso di una struttura comporta una diminuzione di 1,5 Kg sul peso complessivo del veicolo in seguito all influenza che quel componente strutturale ha sugli altri elementi dell auto (motore, trasmissioni, freni, ). I costruttori di auto hanno recentemente scoperto che possono aumentare la resistenza allo snervamento delle loro parti in acciaio del 50% solo con un aumento del 10% del costo del materiale utilizzato. Questo, a sua volta, ha permesso di ridurre il peso dei componenti dal 30 al 50%. Il risultato è che, in questo modo, una parte maggiormente resistente costa meno di quella equivalente più pesante: un doppio vantaggio. Questa ricerca di riduzione di peso è stata fatta anche in altri settori del trasporto: camion, vagoni ferroviari, attrezzature minerarie e delle costruzioni, e persino nelle portaerei. In alcuni di questi settori questa ricerca è addirittura iniziata prima che nell industria dell auto. Il settore navale è stato uno di questi: per molti anni i ponti delle navi erano realizzati mediante complesse strutture saldate che connettevano sottili lamiere alto resistenziali a lamiere di maggiore spessore, come poi più diffusamente impiegato nelle carrozzerie degli attuali veicoli. Nel corso della vita di una nave, una riduzione di peso delle sue strutture superiori può portare a incredibili risparmi di carburante e di altri costi operativi.

65 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Considerazioni Questo è il motivo per cui la Marina degli USA e molti costruttori navali in hanno sostituito piastre e travi in acciai AH36 con quelli alto resistenziali a bassa lega come HSLA-65, -80 e Diversi cantieri stanno ora utilizzando la tecnica HLAW per la realizzazione elementi strutturali su misura saldando assieme materiali di diversa natura per dare maggiore resistenza solamente dove questa è necessaria e ridurre nel complesso il peso della struttura. Queste stesse considerazioni valgono per la costruzione delle macchine movimento terra. Le cosiddette «strutture leggere» su questi veicoli pesanti (pensiamo ai serbatoi di carburante, quelli per l olio, cabine, le strutture dei motori) rappresentano una porzione significativa della massa complessiva di queste macchine e ogni sua riduzione comporta un significativo risparmio di materiale e di potenza motrice. I bracci di sollevamento e trasporto di queste macchine sono estremamente sensibili alla questione peso poiché ogni suo aumento comporta una corrispondente diminuzione di quanto il braccio stesso può trasportare. Per prodotti come rimorchi di camion, vagoni ferroviari e containers intermodali, il carico utile gioca un ruolo determinante tra le loro caratteristiche: ogni chilo di peso del veicolo rappresenta un chilo di materiale che non potrà essere trasportato per l intera vita del prodotto. Per questi motivi attualmente nella fase di progettazione di questi veicoli viene fatte un uso sempre maggiore di acciai ad alta resistenza utilizzando progetti di questi componenti che prevedano l uso di tecnica avanzate di saldatura laser come quella HLAW.

66 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Considerazioni Si pensi che una riduzione del peso di queste macchine tra il 30 e 40% si aumenta la capacità del carico utile di oltre il 20%, a parità di volume complessivo del contenitore (vedasi la fig. 5). Per esemplificare questo, consideriamo il caso di un contenitore per spedizioni intermodali: riducendo il peso della sua struttura del 20%, si può avere una capacità di carico maggiore di 25 tonnellate! Questo per un solo elemento, ma in genere l utente medio di questi ne ha parecchie unità, che hanno vite di lavoro di molte decine di anni. A tutto questo si deve aggiungere che, nel viaggio di ritorno dalla spedizione del materiale, un container più leggero consuma meno carburante. Tutto questo si traduce in risparmi complessivi di molti milioni di euro. I progettisti di navi e di mezzi di trasporto di ogni genere fanno ora un uso maggiore di lamiere in acciaio inossidabile, in particolare quelle duplex ad alta resistenza. Precedentemente essi utilizzavano lamiere spesse di acciaio normale per poter avere margini contro gli effetti della corrosione nella parte finale della vita del prodotto. Utilizzando ora acciai inossidabili, essi non hanno più questa necessità e il risultato è quello di impiegare lamiere sottili che consentono una riduzione di peso della struttura e quindi una maggiore capacità di carico. Il problema maggiore che è stato necessario affrontare per poter applicare questa sostituzione è stato quello delle deformazioni che venivano indotte su queste lamiere sottili dalle tecniche di saldatura convenzionali: l introduzione della tecnica ibrida laser-arco, grazie al suo ridotto apporto termico e alla alta velocità di processo, lo ha risolto.

67 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Considerazioni Lo spostamento delle modalità costruttive verso tecniche di produzione snella e l abitudine sempre più diffusa a pensare al costo totale di un prodotto considerando il suo ciclo di vita totale, ha fatto in modo che si potesse spostare l attenzione dal costo al chilo del metallo utilizzato per produrlo al costo totale di costruzione e a quelli di supporto necessari nell intera vita del prodotto. Naturalmente le leghe alto resistenziali e gli acciai inossidabili sono maggiormente costosi rispetto agli acciai convenzionali; ma questo maggiore costo diventa trascurabile rispetto ai possibili risparmi e alla maggiore produttività nell intera vita del prodotto. L uso di questi materiali innovativi consente di ridurre lo spessore delle strutture e questo potrebbe aggravare i problemi di distorsioni termiche indotte dai processi di lavorazione. È qui che le tecniche HLAW giocano un ruolo fondamentale.

68 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Hybrid Laser Arc-Welding Disposizione tipica per la saldatura ibrida laser-arco. Il fascio laser focalizzato fornisce l energia concentrata per ottenere l elevata penetrazione, mentre l arco elettrico contribuisce a compensare eventuali scostamenti tra i lembi da congiungere. Gli elementi nella schematizzazione sono: (1) cordone di saldatura realizzato; (2) gas inerte di protezione dell arco; (3) fascio laser focalizzato; (4) torcia MIG; (5) filo di apporto; (6) arco elettrico; (7) bagno fuso; (8) keyhole creato dal fascio laser.

69 Saldatura ibrida HLAW Al Laser «speciali»

70 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Giunti di saldatura

71 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW Giunto di saldatura

72 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW

73 Al Laser «speciali» Saldatura ibrida HLAW

74 Taglio Laser Il taglio laser è un processo termico in cui una sorgente di calore (fascio laser) fonde un materiale e un getto di gas (gas di assistenza) lo elimina rapidamente. Grazie alla elevata precisione di taglio (kerf ridotto) del fascio laser e all alta purezza dei gas di assistenza impiegati, si ottiene un taglio netto, privo di bave, lucido, a bassissima rugosità e di alta precisione geometrica.

75 Taglio Laser L impiego del LASER a CO2 per le operazioni di taglio è oggi molto diffuso tra i produttori di pezzi stampati. Grazie ad una straordinaria combinazione di caratteristiche, il taglio a LASER fornisce risultati eccellenti con le lamiere sottili. Finezza della linea di incisione, conseguente riduzione dell apporto termico e deformazione minima rendono tale tecnica insuperabile in questo settore. A ciò si aggiunge la possibilità di ottenere superfici lavorate di assoluta precisione. Per tale motivo i pezzi realizzati con il LASER non richiedono in genere trattamenti di finitura. Il taglio a LASER è quindi il complemento ideale al taglio al cannello e al plasma. In campo industriale viene attualmente utilizzato esclusivamente il LASER a CO2, in quanto decisamente superiore a tutti gli altri tipi di LASER, grazie alla sua potenza specifica in proporzione più elevata. Con la tecnica a LASER è possibile tagliare quasi tutti i metalli ed anche materiali non metallici, come la plastica, il legno e la ceramica.

76 Taglio Laser E un procedimento automatico. Al variare della tipologia di sorgente laser utilizzata e della potenza laser impiegata è possibile tagliare una vasta gamma di materiali e spessori. Di seguito diamo un esempio della varietà di materiali, metallici e non, che è possibile lavorare con i sistemi laser anche se la lista non sarà esaustiva ma in continua variazione a seconda delle innovazioni tecniche apportate alle sorgenti laser nel corso del tempo.

77 MATERIALI METALLICI Acciai al carbonio (fino a 25 mm) Acciai inossidabili (fino a 15 mm) Leghe di alluminio (fino a 10 mm) Ottone Titanio e le sue leghe Acciai zincati a caldo o elettrozincati. MATERIALI NON METALLICI Plexiglass Carta, Cartone Tessuti,cuoio Ceramica Plastica Materiali compositi Legno

78 Taglio Laser I gas di assistenza normalmente utilizzati nei sistemi LASER ad alta potenza sono due: l ossigeno e l azoto. A seconda del tipo di materiale, spessore e grado di finitura voluto si può scegliere di utilizzare una o l altra tecnologia di taglio.

79 Taglio laser per combustione Nel taglio di materiali ferrosi si utilizza il taglio per combustione che impiega come gas di assistenza l ossigeno. Tale taglio viene anche chiamato esotermico perché le molecole di ossigeno reagiscono chimicamente con il materiale con cui vengono a contatto liberando un energia equivalente a quella del fascio LASER. Inoltre nel taglio per combustione si riduce la temperatura di fusione superficiale del materiale rispetto a quella del ferro puro. Entrambi questi effetti facilitano quindi il taglio di un materiale ferroso dato che si ha a disposizione un ammontare di energia alquanto superiore rispetto a quello impiegato nel taglio in azoto e si riesce ad abbassare la temperatura di fusione del materiale raggiungendo così prima le condizioni termiche ideali per il taglio. Da qui risulta più chiaro il motivo per cui il taglio con assistenza di ossigeno viene chiamato «per combustione»; infatti, il ruolo di questo gas è proprio quello di un comburente per un processo che libera un energia termica aggiuntiva rispetto quella già fornita dal fascio LASER. Questo calore aggiuntivo permette di tagliare materiali ferrosi anche di grosso spessore usando potenze del fascio LASER ridotte rispetto a quelle utilizzate nel taglio per fusione in azoto.

80 Taglio laser per fusione Il gas di assistenza impiegato nel taglio per fusione e di solito un gas inerte, come l azoto, erogato ad alta pressione nel solco di taglio creato nel materiale da un fascio LASER ad alta potenza. Il materiale fuso viene cosi rapidamente rimosso dal gas rendendo il taglio lucido, di colorazione chiara e privo di ossidi. La mancanza di ossidi sul bordo di taglio rende il pezzo particolarmente adatto a subire successive lavorazioni di verniciatura o cromatura. Per questo motivo, spesso, si preferisce tagliare in azoto anche l acciaio al carbonio (normalmente tagliato in ossigeno). Il taglio per fusione si usa anche nella lavorazione di acciai inossidabili, zincati e leghe di alluminio. Per rendere il processo di espulsione del materiale fuso più efficiente, il fascio LASER viene focalizzato all interno del materiale o addirittura al di sotto. In questo modo le pareti del solco di taglio risultano inclinate e facilitano il convogliamento del gas di assistenza.

81 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) La Electron Beam Welding (EBW) è nata negli anni 50 in Germania e Francia in ambito nucleare. In questo campo, infatti, erano nate richieste di saldature di componenti refrattarie e reattive. Questi metalli, per la loro affinità con l ossigeno e l azoto presenti nell aria, risultano infatti molto difficili da saldare. Attualmente, questa tecnologia sta prendendo piede anche nell ambito aerospaziale, automobilistico e nell industria elettronica.

82 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Il processo produce la saldatura utilizzando un fascio concentrato, composto principalmente da elettroni che viaggiano ad alta velocità (dal 30 al 70% della velocità della luce), i quali impattano sulla superficie dei materiali base. Il calore è generato dalla trasformazione dell energia cinetica in energia termica sulla superficie del giunto. In origine, il processo veniva eseguito nel vuoto assoluto, utilizzando uno strumento per emettere il fascio simile a quello usato per i raggi X: in questo caso, si indirizza un fascio di elettroni su un target di tungsteno o molibdeno, il quale emette i raggi X. Nel caso in esame invece, il target è ovviamente il materiale base e i raggi X possono essere prodotti solo se il potenziale elettrico è sufficientemente alto. Si sono dunque distinti due sistemi: uno a basso voltaggio (da 30 kv a 60 kv) e uno ad alto voltaggio ( kv). Più alto è il voltaggio, maggiore sarà l emissione di raggi X.

83 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) La caratteristica più vantaggiosa della EBW è la sua profonda penetrazione. Questo effetto si ottiene proprio grazie al fascio di elettroni altamente accelerato. Gli elettroni colpiscono la superficie e penetrano leggermente al di sotto di essa: a questo punto rilasciano la maggior parte della loro energia cinetica, che si trasforma in termica. Questo porta ad un enorme riscaldamento del punto di impatto del fascio e quindi alla parziale evaporazione del materiale di base. Il fascio può viaggiare con una facilità molto maggiore attraverso questi vapori che non attraverso il metallo allo stato solido e questo non può che agevolare l ulteriore penetrazione degli elettroni nel metallo stesso. La larghezza della zona fusa risulta così estremamente contenuta: il rapporto profondità/larghezza può superare il valore 20/1.

84 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) L apporto termico della EBW è infatti controllato da 4 variabili: il numero di elettroni al secondo che colpiscono il pezzo (beam current); la velocità degli elettroni al momento dell impatto (accelerating potential); il diametro del fascio sul pezzo o nel pezzo (beam spot size); la velocità di avanzamento (welding speed). Il livello di penetrazione aumenta all aumentare della densità di potenza del fascio: per variarlo si agisce principalmente sui primi due parametri, mentre il terzo e il quarto servono essenzialmente per il controllo del processo. Con una sola passata possono essere così saldati spessori da 0.1 a più di 200 mm. Essendo il fascio di elettroni dotato di tali peculiari caratteristiche di penetrazione, associate ad un apporto termico estremamente basso, la zona termicamente alterata che si ottiene risulta essere molto più piccola di quelle che si ottengono con gli altri processi di saldatura. In più si è osservato che risultano minimizzate anche le distorsioni. La velocità di raffreddamento è molto più elevata rispetto agli altri processi, e questo risulta vantaggioso per molti metalli (ma non per tutti: ad esempio, per gli acciai ad alto contenuto in carbonio questo può portare a fenomeni di criccabilità).

85 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Le saldature ottenute sono compatte, Giunto di saldatura: zonatura

86 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Le saldature ottenute sono compatte, prive di scorie e d inclusioni; non occorrono né fondenti né disossidanti. Il giunto presenta una superficie liscia e possiede ottima resistenza meccanica. Data la grande velocità con cui si sviluppa il calore, la fusione è istantanea cosicché la zona riscaldata è molto ristretta, circa un sesto di quella che si ha con la saldatura ad arco voltaico. Di conseguenza viene ridotta al minimo la deformazione dei pezzi e, praticamente, risulta eliminato il pericolo di rottura del giunto per effetto del ritiro. Giunto di saldatura

87 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Giunto di saldatura

88 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Confronto tra saldatura EBW e TIG

89 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Giunto di saldatura

90 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Confronto tra saldatura EBW e LBW Laser keyholing is limited to perhaps 3/4 to 1 1/2 inch thickness and for these depths a multi-kilowatt laser, such as the carbon dioxide type, must be used.

91 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Giunto di saldatura Thermo-mechanical Analysis of Electron Beam Welding Comparison between the temperature fields obtained using the FEA and experimental data

92 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature In entrambi le modalità di funzionamento, la valvola d immissione degli elettroni e il pezzo sono alloggiati in una camera dove è stato realizzato precedentemente il vuoto (meno di 5*10-5 bar). L attrezzatura necessaria per questo tipo di saldatura, quindi, comprende: 1. una pistola per il fascio (gun), 2. un generatore ad alto voltaggio, 3. una camera di lavoro, 4. un sistema di pompaggio per creare il vuoto, 5. un sistema di controllo. La pistola emette elettroni, ne accelera il fascio e lo punta con precisione sul pezzo. Recenti sviluppi nella tecnologia hanno permesso di operare anche in una condizione di vuoto medio o in pressione. Tali condizioni sono definite soft vacuum (5*10-3 bar fino a 10 mbar), e corrispondono ad un atmosfera composta per il 99.95% da argo. E necessario introdurre quindi un impianto apposito.

93 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature

94 La saldatura a fascio di elettroni (Electron BeamWelding) Attrezzature

95 La saldatura a fascio di elettroni (Electron BeamWelding) Attrezzature Pistola elettronica

96 La saldatura a fascio di elettroni (Electron BeamWelding) Attrezzature Pistola elettronica

97 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature I dettagli devono essere definiti con cura. Nelle camere con vuoto assoluto è necessario usare delle tecniche speciali per posizionare correttamente il pezzo e il fascio, perché il cordone finale risulti di larghezza estremamente ridotta. Inoltre non è necessario alcun tipo di materiale d apporto, se non in alcuni casi particolari, come gli acciai dolci, per i quali a volte viene usato come materiale d apporto del materiale deossidato, che aiuta a produrre delle saldature maggiormente legate. Attualmente, le principali linee di sviluppo riguardano miglioramenti nella longevità e nella affidabilità delle attrezzature, la caratterizzazione del fascio, la creazione di fasci ad alte intensità e bassa potenza e lo sviluppo di sistemi che permettano di usare questa tecnologia a pressioni vicine ad 1 atmosfera (1000 mbar).

98 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature The machines range in power from 7.5KW to 25KW.

99 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Welding machine / electron beam / chamber 19 m³

100 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Welding machine / electron beam / chamber 640 m³

101 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature 12kW, 80kV Electron Beam Welding (EBW) Equipment is used for welding circular seams (60 mm maximum outer diameter) and linear seams (200 mm maximum length) of refractory as well as high strength materials such as Niobium, Zircalloy and maraging steel.

102 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Electron Beam Welding Chamber Volume: 32 m³. Power: 15 kw

103 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Preparation of propellant tank for electron beam welding

104 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Propellant tank electron beam welding facility

105 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature Vulcain 2 Combustion Chamber

106 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Attrezzature The main feature of the electron beam welding technique is the very high quality seams that are indispensable in the aerospace industry. Electron beam welding is performed in a vacuum with a very high performance density in the focus of the beam. 150,000 Volts are distributed on only 0,6 mm density in the welding head. This enables a consistently high quality weld while significantly reducing the processing time. The electron beam welding process is computer controlled and electrically and mechanically regulated. Our electron beam welding facility is used for: The combustion chambers of the Aestus and Vulcain 2 rocket engines. The HM-7B combustion chamber for the Ariane 5 ESC-A upper stage. The cryogenic propellant valves for the Ariane 5 core stage. Products under technological development. Thruster casings for aerospace applications, such as for Lear Jets. HM-7B Combustion Chamber

107 La saldatura Electron Beam (fascio di elettroni) Versatilità Un ultimo accenno per quanto riguarda i materiali saldabili attraverso la EBW. Come si è detto tutti i materiali metallici possono essere fusi usando il fascio di elettroni e, di conseguenza, la maggior parte dei metalli puri e delle leghe può essere saldata con questa tecnica. L unico prerequisito è che il materiale base sia un buon conduttore di elettricità e che venga creato un collegamento a terra per evitare eventuali scariche elettriche. Poiché non è necessario l impiego di materiali d apporto o elettrodi consumabili, le caratteristiche della saldatura finita dipenderanno esclusivamente dal materiale di base. I materiali interessati sono quelli per impieghi aeronautici oltre a materiali refrattari e reattivi, grazie alla sua applicazione nel vuoto, e può effettuare saldature tra materiali con diverse caratteristiche di conducibilità termica e punti di fusione differenti, anche se non tutte le combinazioni sono ancora possibili.

108 La saldatura per diffusione (DFW diffusion welding) La saldatura per diffusione è un processo allo stato solido che permette di creare una grande varietà di accoppiamenti di metalli e materiali ceramici per la produzione di pezzi finiti sia di piccole che di grandi dimensioni. Il processo dipende da un certo numero di parametri: in particolare il tempo, la pressione applicata, la temperatura di saldatura, la modalità di apporto di calore. La saldatura per diffusione può essere distinta in diverse varianti, in base alla modalità di pressurizzazione, all uso di strati di materiali intermedi e all eventuale formazione di una fase liquida transitoria. Ogni diversa tipologia trova la sua applicazione in un certo numero di materiali e geometrie particolari.

109 La saldatura per diffusione Nella sua forma più semplice, la saldatura per diffusione richiede per prima cosa che i materiali base vengano accostati nel punto di giunzione e che successivamente vengano sottoposti all azione di un carico, unitamente ad un elevato riscaldamento, di solito in atmosfera inerte o nel vuoto. I carichi impiegati sono generalmente più bassi di quelli che porterebbero a delle macrodeformazioni, mentre le temperature massime raggiunte sono comprese tra 0.5 e 0.8 volte la temperatura di fusione del materiale base. I tempi di esposizione alle alte temperature variano da 1 a più di 60 minuti e dipendono dai materiali che devono essere uniti, dalle proprietà richieste al giunto e dai restanti parametri di saldatura. Nonostante la maggior parte di queste saldature vengano eseguite, come detto, nel vuoto o in atmosfere inerti, alcune possono essere eseguite in aria.

110 La saldatura per diffusione Un attento esame della sequenza di saldatura permette di comprendere l importanza della finitura delle superfici di partenza. Per ottenere una buona giunzione, è necessario che le due superfici in questione siano perfettamente pulite e piane, affinché la mutua diffusione a livello atomico possa avvenire nel modo corretto. Sono stati sviluppati diversi modelli per studiare nel dettaglio ogni singolo momento di questo processo di saldatura. Per prima cosa il carico applicato provoca una deformazione plastica delle superfici, in modo da appianare eventuali asperità e ridurre i vuoti; quindi si passa al vero e proprio meccanismo di diffusione atomica. La diffusione può avvenire allo stato solido o allo stato liquido.

111 La saldatura per diffusione Modello di formazione del giunto: diffusion bonding a)punto di contatto iniziale (è evidente lo strato superficiale di ossido e la rugosità della superficie); b)struttura sottoposta al carico, con riduzione degli agenti contaminanti e dei vuoti; c)fase finale dell applicazione del carico, con scomparsa quasi totale dei vuoti; d)fase di diffusione, con eliminazione dello strato di ossido; e)saldatura completata.

112 La saldatura per diffusione Solid state diffusion bonding Questo tipo di saldatura viene condotto principalmente nel vuoto o in un atmosfera protettiva. Il carico può essere applicato uniassialmente o isostaticamente. Generalmente si usa un carico basso (3-10 MPa) per prevenire la macrodeformazione dei materiali base. E richiesta una buona finitura delle superfici poiché il contributo della deformazione plastica è piuttosto limitato. Si raccomandano di norma valori di massima asperità superficiale di 0.4 m e una perfetta pulitura delle superfici, per evitare il più possibile le contaminazioni. Qualora si applichi un carico isostatico, è possibile raggiungere pressioni molto più elevate ( MPa): di conseguenza la massima asperità delle superfici può essere anche di 0.8 m o maggiore. Un ulteriore vantaggio di questo processo rispetto a quello con carico uniassiale è la possibilità di eseguire saldature con geometrie complesse. Quando materiali di diversa specie devono essere saldati con questo metodo (ed in particolare quando si trattano materiali ceramici) è possibile introdurre uno o più strati intermedi di altri materiali, per facilitare il processo di saldatura e modificare la distribuzione di sforzi post saldatura.

113 La saldatura per diffusione Solid state diffusion bonding

114 La saldatura per diffusione Solid state diffusion bonding

115 La saldatura per diffusione Solid state diffusion bonding

116 La saldatura per diffusione Liquid phase diffusion bonding/diffusion brazing Questa tecnica può essere applicata solo per giuntare materiali dissimili, o per materiali simili con l inserimento di uno strato intermedio di una seconda specie. I processi di diffusione allo stato solido cambiano la composizione dei materiali base; la temperatura di saldatura viene scelta considerando la temperatura di fusione della fase che viene a formarsi. Se invece è previsto l impiego di un materiale d apporto, poiché esso deve fondere ad una temperatura minore del materiale base, il sottile strato di liquido che si formerà si diffonderà lungo le due superfici da unire, formando la giunzione mediante il successivo raffreddamento. Questo metodo è stato usato in particolare per saldare le leghe di alluminio, con le quali si possono formare delle fasi eutettiche con il rame, l argento o lo zinco, il quale ha la proprietà di rompere lo strato di ossido tipico delle suddette leghe. Descrizione del processo di diffusion brazing

117 La saldatura per diffusione Questa tecnica è una variante del processo di diffusione, utilizzata soprattutto per alcune componenti di motori aeronautici. La popolarità della furnace brazing risiede nell atmosfera utilizzata, che consente di evitare sostanzialmente l uso dei fluxes ed elimina il processo di post pulitura delle superfici saldate. Per il processo si usano diversi tipi di fornace, la maggior parte delle quali impiega un atmosfera gassosa, mentre alcune lavorano nel vuoto. La costruzione della fornace cambia se il processo è basato su infornate successive o su un operazione continua. Nel primo caso si impiegano le retort furnaces, usate nella brasatura ad idrogeno, mentre, se il processo necessita di una lavorazione nel vuoto, si impiegano le cosiddette vacuum furnaces (e il processo assume il nome di vacuum brazing). La furnace brazing

118 La furnace brazing La saldatura per diffusione La furnace brazing può saldare la maggior parte dei materiali, anche se gli elementi che emettono vapori ad alta pressione non dovrebbero essere saldati nelle vacuum furnaces (zinco, cadmio, piombo, ecc.). Tutti i materiali devono essere accuratamente puliti prima del loro inserimento nella fornace per rimuovere eventuali scorie, grasso e altri agenti contaminanti. I materiali d apporto più comunemente usati nelle fornaci sono l argento, il rame, il nichel e l oro: gli ultimi due, in particolare, sono i più adatti per gli acciai inossidabili e le leghe resistenti al calore e alla corrosione. La furnace brazing risulta più adatta per componenti costose a causa del grande investimento di capitale richiesto e della minore produttività dei cicli di servizio, specialmente paragonati agli altri processi di brasatura. Come anticipato, questa tecnica ha trovato grande impiego nella saldatura di componenti per motori aeronautici, nel settore elettrico ed elettronico, nei componenti per generatori (nucleari e turbine a gas) e in altre varie componenti nautiche e di vario interesse ingegneristico.

119 La saldatura a ultrasuoni Parallelo tra saldatura e auto di F1

120 La saldatura a ultrasuoni

121 La saldatura a ultrasuoni Tutta la strumentazione per la saldatura ad ultrasuoni è composta da: Una pressa che tiene uniti i due materiali; Il nido o incudine sopra le quali vengono collocate le parti che permette la vibrazione ad alta frequenza (frequenza compresa tra i 20 ed i 50 khz); Una pila ad ultrasuoni, composta da un trasduttore piezoelettrico o un convertitore, composta da: Un convertitore dal segnale elettrico alla vibrazione meccanica; Un booster che modifica l'ampiezza della vibrazione; Un sonotrodo che porta le vibrazioni sulle parti da saldare; Un generatore elettronico di ultrasuoni; Un controller di tutti gli strumenti e dell'energia prodotta.

122 La saldatura a ultrasuoni GENERATORE SISTEMA X GENERARE PRESSIONE (MOLLE O PISTONE) CONVERTITORE SONOTRODO CONTRASTO

123 La saldatura a ultrasuoni Il principio della saldatura ad ultrasuoni si basa essenzialmente sull assemblaggio dei relativi particolari previa fusione localizzata per mezzo di ultrasuoni. Il sonotrodo (utensile di saldatura) sottopone i particolari da saldare ad un martellamento ad alta frequenza e, nella zona di contatto, l energia meccanica si trasforma in energia termica grazie alle forze di attrito. La saldatura appartiene alla categoria delle saldature a freddo, perché le superfici si uniscono allo stato solido ed a freddo, nel caso dei metalli, mentre per i materiali termoplastici rientra nel caso delle saldature a caldo (resistenza elettrica) in quanto determina la fusione localizzata e la conseguente unione.

124 La saldatura a ultrasuoni Giunti Le giunzioni ottenute con questo procedimento presentano ottima resistenza meccanica e i pezzi collegati non subiscono alterazioni né deformazioni. Materiali saldati I materiali che si possono unire spaziano dai metalli come rame, alluminio, ottone, sino all acciaio al titanio al tantalio allo zirconio, oltre a metalli di natura diversa. La saldatura è particolarmente adatta per lamierini molto sottili (0,05 mm nel caso dell alluminio). Saldatrici Le saldatrici realizzate spaziano dalle semplici saldatrici standard alle linee di saldatura multi-teste completamente automatizzate, alla saldatura con robot antropomorfo.

125 La saldatura per esplosione o compressione a freddo Con il metodo di saldatura per compressione a freddo l unione viene realizzata esercitando sui pezzi da collegare pressioni tali da trasformare dallo stato solido allo stato plastico lo strato superficiale delle zone a contatto. Analogamente a quanto accade nel caso della saldatura con ultrasuoni, i cristalli esistenti nello strato superficiale scorrono e si compenetrano rimanendo saldamente ancorati per effetto delle mutue attrazioni molecolari.

126 La saldatura per esplosione o compressione a freddo Per ottenere rilevanti pressioni, si ricorre a speciali procedimenti dinamici nei quali si utilizzano potenti esplosivi applicati sulle facce esterne dei pezzi da unire. L azione dell esplosivo è tale da produrre pressioni di 1000 kg/mm 2 e da lanciare un pezzo contro l altro con una velocità di circa 800 metri al secondo. Gli strati superficiali dei pezzi, per effetto di queste enormi pressioni, diventano plastici e mobili, i cristalli scorrono e s impastano provocando l unione delle superfici a contatto.

127 La saldatura per esplosione o compressione a freddo Il metodo per compressione è adatto per saldare acciai, leghe leggere ed ultraleggere, leghe del rame, ma può essere impiegato anche per saldare tra loro metalli e leghe di natura diversa. La saldatura per compressione è particolarmente indicata per eseguire la placcatura dei materiali ferrosi mediante alluminio, magnesio, zinco, acciaio inossidabile. Ultimamente il metodo è stato applicato, con ottimi risultati, per la placcatura di superfici metalliche varie mediante lamine di leghe speciali ad alto tenore di nichel, di tungsteno, di rame, di berillio.

128 Video tutorial saldature