FRICTION STIR WELDING

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1 Corso di Tecnologie Speciali I FRICTION STIR WELDING Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione

2 PROCESSI DI SALDATURA SALDATURE AUTOGENE ETEROGENE

3 PROCESSI DI SALDATURA SALDATURE ETEROGENE SALDOBRASATURE BRASATURE DOLCI FORTI

4 PROCESSI DI SALDATURA AUTOGENA PER FUSIONE PER PRESSIONE A GAS AD ARCO ELETTRICO LASER A RESISTENZA ELETTRICA ALLO STATO SOLIDO OSSIACETILENICA OSSIDRICA OSSIBENZINICA ELETTR. FUS. RIV. ARCO SOMMERSO TIG, PLASMA MIG E MAG A SCINTILLIO A PUNTI A RULLI PER DIFFUSIONE AD ATTRITO

5 DIFFUSION BONDING Nella saldatura per diffusione, il materiale da saldare non è portato a fusione, ma la giunzione avviene per diffusione di atomi all interfaccia tra i due pezzi. La saldatura consiste nell unione di materiali allo stato solido, ponendo le superfici a contatto con opportuna pressione, a temperatura elevata e sotto vuoto. In questo modo gli atomi del reticolo cristallino diffondono attraverso la superficie di separazione dei pezzi, in modo da realizzare giunti a temperature relativamente basse e comunque lontane da quelle di fusione. Il vantaggio consiste nella possibilità di unire materiali diversi o per i quali la saldatura per fusione non sarebbe possibile (materiali con punti di fusione o dilatazioni termiche molto diverse). Le principali nucleare. applicazioni riguardano l industria aerospaziale e

6 PARAMETRI DI PROCESSO Il processo dipende da diversi parametri: in particolare il processo dipende dalla pressione applicata, dal tempo, dalla temperatura e dal metodo con cui è fornito il calore. Nella sua forma più semplice il processo prevede l applicazione di una pressione sensibilmente più bassa di quella che genera deformazioni plastiche macroscopiche del metallo base (3-10MPa nel caso di pressione uniassiale, mpa nel caso di pressione isostatica) e una temperatura compresa tra Tm. Il tempo di applicazione della pressione varia da 1 a 60 minuti a seconda delle caratteristiche del materiale, dalle proprietà desiderate del giunto e dagli altri parametri di saldatura. Il processo è comunque abbastanza lento poiché si basa sulla diffusione. Il processo viene di solito eseguito sotto vuoto ( 10-4 bar) o comunque in atmosfera inerte. È chiaro che affinché possa realizzarsi la saldatura per diffusione è necessaria la compatibilità chimica tra i materiali da giuntare.

7 MODELLO DI FORMAZIONE DEL GIUNTO 1) 3) 4) 2) 5) Il processo richiede una buona finitura superficiale (0.4 Ra per applicazione della pressione uniassiale, 0.8 Ra per pressione isostatica) e una buona pulizia delle superfici da giuntare.

8 DIFFUSION BONDING e SPF Questo sistema di giunzione viene utilizzato nel sistema diffusion bonding/superplastic forming per la formatura e giunzione contemporanea di pezzi di forma complessa in un processo che rientra tra i near-net shape.

9 DIFFUSION BONDING e SPF Il DB/SPF è una tecnologia che consente la realizzazione di strutture complesse, largamente utilizzate nel settore aerospaziale.

10 SALDATURA PER ATTRITO È un processo di saldatura allo stato solido. La giunzione delle parti avviene dopo che si è ottenuto un sufficiente sviluppo di calore attraverso lo strisciamento delle superfici da unire pressate con forza l una contro l altra. Si saldano bene materiali a basso carico di snervamento e a film di ossido sottile; per gli altri materiali è necessaria una fase di ricalcatura prima della saldatura.

11 SALDATURA PER ATTRITO Il processo consiste nell imprimere ad uno dei due pezzi da saldare una determinata velocità di rotazione e poi premere l elemento in rotazione contro l altro; l energia cinetica, dissipata per attrito, fornisce il calore necessario per la saldatura.

12 SALDATURA PER ATTRITO La velocità di rotazione relativa fra i pezzi può arrivare a 5000 giri/min, mentre la pressione può raggiungere 280 MPa. I tempi di saldatura variano dai 5 ai 15 secondi per diametri da 9 a 25 mm.

13 FRICTION STIR WELDING La Friction Stir Welding è una tecnologia innovativa di saldatura inventata, brevettata e successivamente sviluppata per l'impiego nell'industria dal Welding Institute (TWI) di Cambridge (UK) nel Il processo utilizza un utensile cilindrico ed un perno di sagoma opportuna i quali, ruotando ad elevata velocità attorno al proprio asse e traslando lungo la linea di giunzione, generano per attrito il calore necessario per aumentare la duttilità del materiale di base fino al rammollimento, ma senza raggiungere il punto di fusione. A raffreddamento avvenuto si nota la fase solida che unisce i due pezzi.

14 L UTENSILE Generalmente è realizzato in acciaio con elevato tenore di C. Il materiale con cui è realizzato deve essere tale da limitare l usura dell utensile, causata dalle elevate forze d attrito in gioco durante il processo. Nella testa di saldatura si possono individuare due parti, aventi funzioni distinte: il PIN e lo SHOULDER. Pin Shoulder

15 PIN L UTENSILE Generalmente di forma cilindrica o conica, a seconda dello spessore dei pezzi da saldare. E dotato di una scanalatura elicoidale per consentire il rimescolamento del materiale plasticizzato che lo circonda. Alti valori del passo d elica non consentono la saldatura: l utensile più che da testa saldante, si comporta come un utensile da trapano che riduce il materiale in truciolo.

16 L UTENSILE SHOULDER E la parte superiore della testa saldante ed ha la funzione di generare, strisciando sulla superficie dei pezzi da unire, il calore necessario per plasticizzare il materiale. Inoltre, il suo diametro, maggiorato rispetto a quello del pin, e la sua forma concava impediscono al materiale, rimescolato dal pin, di fuoriuscire dalla zona di saldatura.

17 L UTENSILE

18 SCHEMA DEL PROCESSO Il pin è abbassato sopra le due lamine da saldare. La rotazione del pin riscalda il materiale fino a rammollirlo. Il pin è spinto in basso fino a che lo shoulder entra in contatto con le lamiere da giuntare.

19 SCHEMA DEL PROCESSO Lo shoulder comincia a riscaldare un grande volume di materiale. Il metallo rammollisce al punto da permettere al pin di passare attraverso le due lamiere da saldare. L utensile comincia a traslare lungo la direzione di saldatura. Il processo continua con lo shoulder che procede a riscaldare il metallo ed il pin che rimescola il materiale plasticizzato saldando le due lamiere.

20 SCHEMA DEL PROCESSO

21 PARAMETRI DI PROCESSO

22 PARAMETRI DI PROCESSO Durante l esecuzione delle saldature, bisogna controllare i seguenti parametri: Forza verticale sull utensile (10 14 kn); agente Velocità di rotazione dell utensile ( giri/min); Velocità di penetrazione materiale (20 mm/min); nel Velocità di saldatura ( mm/min); Inclinazione dell utensile rispetto alla normale (da 1.5 a 3 ).

23 COMBINAZIONE DEI PARAMETRI DI PROCESSO Dimensioni ridotte del diametro dello shoulder bassa capacità del sistema di produrre calore elevate velocità di rotazione dell utensile (>850 giri/min) pressioni elevate basse velocità di avanzamento

24 COMBINAZIONE DEI PARAMETRI DI PROCESSO Diametro dello shoulder elevato produzione di elevate quantità di calore che potrebbero compromettere la buona riuscita della saldatura alti valori della velocità di avanzamento bassi valori della velocità di rotazione basse pressioni

25 COMBINAZIONE DEI PARAMETRI DI PROCESSO La letteratura segnala che il rapporto ottimo tra le dimensioni dei diametri del pin e dello shoulder è di 1:3 Per tale geometria dell utensile si realizzano buone saldature per qualunque velocità di rotazione e per un ampio range della velocità di avanzamento

26 IL SISTEMA MACCHINA SALDATRICE AD 1 ASSE

27 IL SISTEMA MACCHINA SALDATRICE A 3 ASSI

28 IL SISTEMA MACCHINA SALDATRICE A 5 ASSI

29 IL SISTEMA ROBOT ANTROPOMORFO

30 DIFFERENTI CONFIGURAZIONI DELL UTENSILE FPT (Fixed Pin Tool) APT (Adjustable Pin Tool)» L utensile è realizzato in un unico pezzo» Geometria dell utensile fissa» Profondità di saldatura costante» L utensile è realizzato in 2 parti» Lunghezza del pin variable» Profondità di saldatura variabile

31 ATTREZZATURE DI BLOCCAGGIO

32 IL PRODOTTO

33 IL PRODOTTO Le prove di caratterizzazione meccanica

34 IL PRODOTTO Andamento del carico di snervamento e del carico di rottura a) lungo la direzione di saldatura e b) lungo la direzione ortogonale a quella di saldatura per differenti velocità di saldatura, per la lega AA356.

35 IL PRODOTTO IL COMPORTAMENTO A FATICA EVOLUZIONE DI UNA CRICCA IN UN PROVINO PRECRICCATO IN DIREZIONE ORTOGONALE E PARALLELA ALLA SALDATURA.

36 IL PRODOTTO IL COMPORTAMENTO A FATICA Il comportamento a fatica non peggiora molto rispetto al metallo di base.

37 IL PRODOTTO La durezza è sempre contenuta nel range di quella del metallo di base. Profilo di durezza per una lega AA356

38 EFFETTI SULLA MICROSTRUTTURA DEFECTS L analisi metallografica del giunto di saldatura consente di verificare che in seguito ad un processo di friction stir welding il materiale subisce un profondo affinamento della grana cristallina al punto da poter assimilare ogni passata dell utensile nel materiale ad un ciclo di trattamento termico. La zona termicamente alterata di un giunto ottenuto per FSW è limitata rispetto ai processi di saldatura per fusione dove la temperatura del saldato va oltre il punto di fusione.

39 EFFETTI SULLA MICROSTRUTTURA Microstruttura analizzata al microscopio ottico per a) il metallo base, b) la HAZ e la c) TMAZ della lega AlSi con la seguente composizione percentuale: Si Cu Mg Fe Mn Ti Sr Zr tracce 0.25

40 Campi di applicazione Costruzioni navali Industria aerospaziale Industria automobilistica Produzione di motori elettrici Piattaforme offshore Vagoni ferroviari, per tram e metropolitane Costruzione di ponti Industria della difesa

41 Campi di applicazione Ampiamente utilizzata in quei settori in cui è richiesta minima distorsione del materiale processo pulito (assenza di fumi, radiazioni, archi, metalli liquidi e alti voltaggi) assenza di contaminazioni del materiale elevata resistenza del giunto versatilità del processo (possibilità di saldare in qualunque posizione e lungo qualunque geometria) possibilità di saldare una vasta gamma di materiali (compresi quelli convenzionalmente non saldabili ed i compositi)

42 Campi di applicazione La tecnologia è utilizzata: per tutti quei materiali con alta diffusività termica (rame); per i materiali che si prestano difficilmente a processi di saldatura convenzionali (alluminio, magnesio e loro leghe). Ampiamente impiegata nella realizzazione di strutture aerospaziali: questa tecnologia consente di eliminare oltre il 60% delle rivettature riducendo i costi di assemblaggio. La FSW è significativamente più veloce di altri processi di collegamento strutturale: il ciclo di produzione di componenti aerospaziali potrebbe essere notevolmente accelerato con l utilizzo di questa tecnologia.

43 FSP come preparazione dei materiali superplastici Uno dei requisiti necessari affinchè un materiale possa esibire un comportamento superplastico è una struttura della grana cristallina fine (~ 10 µm). Convenzionalmente la grana cristallina dei materiali superplastici viene affinata sottoponendo il materiale a processi termo-meccanici che prevedono sequenze di laminazione intervallate da cicli termici. Si potrebbe pensare di affinare la grana di un materiale, al fine di renderlo superplastico, sottoponendolo ad un Friction Stir Processing: in questo modo sarebbe possibile accelerare i tempi di preparazione del materiale.

44 FSW/SPF in luogo di DB/SPF Il processo di DB/SPF è largamente utilizzato per le leghe di titanio, questa tecnologia si presta poco alle leghe di alluminio a causa delle superficie di ossido tenace che le ricopre. PROCESSO CONVENZIONALE DI DB/SPF NELLE LEGHE DI ALLUMINIO si introducono dei layer di rame come materiale di stop off; si fa avvenire il DB in ambiente inerte; si puliscono le superfici alla fine del processo. processi di saldatura convenzionali (per fusione) perdita di una struttura cristallina affinata nel nugget della saldatura e nella zona termicamente alterata (HAZ) Una tecnologia di saldatura che non compromette l affinamento della grana cristallina e che non è ostacolata dalla presenza dello strato di FSW. ossido che ricopre le superfici delle leghe di Al è la FSW

45 VANTAGGI DELLA FSW Possibilità di giuntare tutti quei materiali difficilmente saldabili con i convenzionali processi di saldatura per fusione (leghe di Al e Mg); in questi materiali il raggiungimento della T f causa problemi di perdita di elementi di lega, porosità e peggioramento delle proprietà meccaniche legato ad una variazione della microstruttura del materiale; il processo è applicabile ad una vasta gamma di materiali grazie alle condizioni in cui avviene il processo; il giunto saldato mostra ottime proprietà meccaniche: nella HAZ si ha addirittura una superamento delle proprietà meccaniche rispetto a quelle del materiale di base; la tecnologia permette di saldare pezzi di spessore notevole (utilizzando 2 utensili si possono saldare spessori fino a 100mm);

46 VANTAGGI DELLA FSW non sono necessari metalli di apporto, né gas di protezione; non occorre alcuna preparazione del giunto; non sono prodotti gas tossici e l impatto ambientale è minimo (qualità sostenibile); non si hanno rischi di radiazioni: in questo processo non è presente né un arco, né energia diretta; la semplicità della tecnologia prevede una facile automazione del processo e pertanto elevata ripetibilità.

47 LIMITI DELLA FSW I dati relativi al design dell utensile, ai parametri di processo e alle proprietà meccaniche che il materiale presenta dopo aver subito FSW sono disponibili solo per un limitato numero di materiali e spessori delle lamiere; sono necessarie attrezzature di bloccaggio speciali; presenza di un foro sulla superficie saldata; le applicazioni industriali sono ancora limitate.

48 Pubblicazione di riferimento