TECNICHE INNOVATIVE DI SALDATURA IN CAMPO AEROSPAZIALE

TECNICHE INNOVATIVE DI SALDATURA IN CAMPO AEROSPAZIALE 1

Indice Introduzione Capitolo 1 Generalità sulle saldature pag.5 pag.7 Capitolo 2 Le tecniche tradizionali 2a - La saldatura ossiacetilenica 2b La saldatura MIG/MAG 2c La saldatura TIG 2d La saldatura ad arco sommerso 2e La saldatura per resistenza 2f La brasatura 2g La saldatura per frizione pag.12 pag.13 pag.14 pag.16 pag.17 pag.19 pag.20 Capitolo 3 Le tecniche innovative 3a - La saldatura laser beam 3b La saldatura electron beam 3c La saldatura per diffusione 3e La saldatura ad arco al plasma 3f La saldatura friction stir pag.22 pag.33 pag.35 pag.40 pag.43 Capitolo 4 Saldabilità dei materiali di utilizzo aerospaziale 4a L alluminio e le sue leghe 4b Il titanio e le sue leghe 4c Gli acciai 4d I compositi a matrice metallica pag.48 pag.51 pag.56 pag.59 2

Introduzione L uso della saldatura si è affermato da tempo in vari ambiti dell industria, come quello automobilistico, navale, meccanico. La saldatura presenta infatti degli interessanti vantaggi rispetto agli altri metodi di giunzione: 1. A fine lavorazione, i due pezzi uniti si presentano come un blocco unico; 2. Possibilità di automazione del processo, con risparmio dei costi di manodopera; 3. Risparmio in peso. In campo aerospaziale si sta iniziando in questi anni a pensare ad un utilizzo più esteso delle saldature nelle componenti strutturali, come ad esempio nel caso dell Airbus A318, in sostituzione dei rivetti. Uno degli aspetti che maggiormente ha impedito l utilizzo delle saldature in questo campo, infatti, è la difficoltà di trovare delle tecnologie adatte alle particolari leghe che vengono comunemente utilizzate. La maggior parte dei processi di saldatura implica lo svolgimento di un ciclo termico nelle zone di giunzione, che può portare alla formazione di difetti di vario tipo. Questi difetti possono causare una diminuzione delle caratteristiche meccaniche dei 3

materiali e una diminuzione della vita a fatica della giunzione. Inoltre, può risultare difficile eseguire materialmente la saldatura a causa di particolari forme geometriche del pezzo finito, si possono avere dei materiali che necessitano di essere trattati solo in particolari atmosfere o ancora non si possono utilizzare particolari tipi di materiali d apporto poiché potrebbero reagire con i materiali di base. Possiamo quindi concludere che la saldatura è un processo particolarmente complesso, che richiede da parte dell ingegnere un progetto estremamente accurato, soprattutto nel campo aerospaziale, dove i problemi derivanti dalle richieste di elevate proprietà meccaniche si affiancano a quelli derivanti dall uso di leghe contenenti materiali molto delicati. Negli ultimi anni la tecnologia ha fatto passi da gigante. Al fianco di tecniche ormai affermate come le saldature ad arco, si sono imposte nuove tipologie, come la Laser Beam Welding (LBW), la Electron Beam Welding (EBW), la Diffusion Welding (DFW), e la Friction Stir Welding (FSW). La LBW e la DFW sono metodi di saldatura preferiti nell aviazione civile, mentre la EBW viene preferita nell aviazione militare, dove spesso vengono utilizzate leghe di titanio. Un altra tipologia di giunzione utilizzata in campo aerospaziale è l Adhesive Bonding (giunzione adesiva). Soprattutto per quanto riguarda quest ultima, si stanno conducendo molti studi per evitare le 4

interazioni tra i materiali adesivi utilizzati e i materiali da unire. Una categoria di materiali importantissima in campo aerospaziale è quella dei compositi a matrice metallica (MMC), soprattutto con matrice in alluminio o leghe di alluminio. Le risposte di questi materiali alle diverse tipologie di saldatura sono state oggetto di recenti studi. Uno degli aspetti principali da considerare nel saldare questi materiali è il ciclo termico che essi devono compiere: se le temperature raggiungono determinati valori, infatti, può accadere che atomi di fibra e atomi di matrice formino dei precipitati che riducono il volume di fibra nel composito, con conseguente caduta delle proprietà meccaniche. L ultimo problema da citare, ma sicuramente non il meno importante, è quello dei costi. Come è stato già detto, l automazione del processo comporta un notevole risparmio economico, poiché si elimina buona parte della manodopera, che costituisce circa un terzo dei costi di produzione di un velivolo. D altra parte, tecnologie innovative spesso comportano anche elevate spese, dovute soprattutto ai macchinari e all attrezzatura necessari. 5

Capitolo 1 Generalità sulle saldature La saldatura è la tecnica di giunzione con la quale si realizza la continuità del materiale metallico tra i due pezzi da unire. Il risultato dell operazione è il cosiddetto giunto saldato, chiamato, più semplicemente, saldatura. La continuità tra il materiale metallico costituente i due pezzi da unire può essere ottenuta essenzialmente in due modi: portando a fusione i due lembi del giunto (fusion weldings) oppure per mutua diffusione fra i due materiali allo stato solido (solid state weldings). Le modalità di comportamento dei materiali nelle loro operazioni di saldatura vengono definite dalla loro saldabilità, che ne esprime l attitudine ad essere saldati. Questa caratteristica è molto complessa, in quanto implica diversi aspetti del materiale. Possiamo distinguere la saldabilità operativa, che riguarda la possibilità puramente pratica di realizzare la saldatura tra due pezzi; la saldabilità locale, che si riferisce all entità delle modificazioni a livello microstrutturale provocate nel materiale dalla saldatura e la saldabilità globale, che valuta se le proprietà meccaniche del giunto sono adeguate o meno al tipo di struttura di cui la saldatura deve entrare a far parte. 6

Le saldature possono avvenire sia utilizzando i soli materiali da unire, sia apportando un terzo materiale che ha la funzione di legante. Quest ultimo materiale si dice materiale d apporto; quando parte dei due lembi fonde con esso, la saldatura si dice autogena. L esecuzione di una saldatura autogena per fusione comporta l impiego di una sorgente termica potente e concentrata che porta a fusione l eventuale materiale d apporto e una parte del materiale dei lembi da unire (materiale base). Il calore che viene fornito dalla sorgente termica si disperde nel materiale base, con una velocità che dipende dalle sue caratteristiche fisiche e dalla caratterizzazione geometrica del giunto da realizzare. In ogni punto della massa metallica adiacente alla saldatura si realizza quindi un ciclo termico di riscaldamento e di successivo raffreddamento, caratterizzato da una temperatura massima decrescente all aumentare della distanza dall asse del giunto. Un parametro di estrema importanza è l apporto termico specifico Q (kj/mm) I V Q = 0. 6 v Esso determina la quantità di calore che si apporta per unità di lunghezza del giunto, supponendo 7

nulle le perdite nel trasferimento di calore. E legata all intensità della corrente, al voltaggio e alla velocità di avanzamento. Nel processo di automazione è quindi possibile impostare la corrente (viene automaticamente determinato il voltaggio) e la velocità di avanzamento. I valori di Q vanno da un minimo di 0.5 ad un massimo di 6 o 7 kj/mm. La giunzione comporta una discontinuità del pezzo saldato che è strettamente legata alla quantità di calore apportata. Possiamo allora operare un ulteriore distinzione nell ambito delle tecniche di saldatura: i processi ad elevata densità di energia (tipo LBW) e ad elevato apporto energetico (saldature ad arco). Nel primo caso avremo una grande quantità di calore apportata in una zona molto limitata, quindi una zona termicamente deformata piccola; nel secondo invece, si apporta una grande quantità di calore ma più diffusa, che provoca il surriscaldamento di una zona più estesa dei due lembi: di conseguenza la zona termicamente deformata sarà più grande. Altri parametri che influenzano i cicli termici all interno dei pezzi da saldare sono lo spessore di questi ultimi e l eventuale preriscaldo dei lembi (effettuato in alcuni casi proprio per prevenire le elevate velocità di raffreddamento). La severità del ciclo termico diminuisce all aumentare dell apporto termico specifico e della temperatura di preriscaldo, 8

mentre aumenta con la densità di potenza della sorgente termica e con lo spessore dei pezzi. Difetti di saldatura Come si è detto, i giunti saldati hanno la particolare caratteristica di unire permanentemente due parti solide realizzando la continuità del materiale. Qualora detta continuità risulti imperfetta, ci si trova di fronte ad un difetto di saldatura, che andrà esaminato con cura al fine di stabilire la compatibilità con le condizioni di servizio della struttura. I difetti di saldatura sono quindi delle discontinuità; queste possono essere in linea di principio di due tipi: - Disomogeneità metallurgiche tra la zona fusa e/o la zona termicamente alterata ed il materiale base inalterato, nocive alle caratteristiche meccaniche e ad altre caratteristiche del giunto; - Disomogeneità metalliche, nocive essenzialmente alle caratteristiche meccaniche, ma in certi casi possono menomare anche altre caratteristiche del giunto. I difetti del primo tipo possono essere individuati e valutati con prove meccaniche, di resistenza alla 9

corrosione, esami al microscopio metallografico, ecc.; i difetti del secondo tipo vengono normalmente individuati e valutati con controlli non distruttivi (come l esame radiografico o quello ultrasonoro). Formazione di cricca in zona termicamente alterata Formazione di cricca al centro del cordone di saldatura Le cricche sono i difetti più gravi e temibili di un giunto saldato. Possiamo definire una cricca come una discontinuità che si crea per strappo in un materiale metallico originariamente continuo. Viene 10

indicato come un difetto bidimensionale poiché si sviluppa in profondità e larghezza. Se le cricche hanno dimensioni molto ridotte vengono spesso definite microcricche, sebbene tale termine a rigore sia più appropriato per cricche rilevabili esclusivamente attraverso esami effettuati al microscopio metallografico. La pericolosità della cricca sta ovviamente nel fatto che essa è una rottura in atto che può portare al cedimento del giunto. Esse possono essere situate nella zona fusa o in quella termicamente alterata. Le cricche in zona fusa possono essere distinte in cricche a caldo e cricche a freddo (o da idrogeno). Le cricche a caldo sono così denominate poiché si manifestano nel corso della solidificazione del giunto e possono manifestarsi nella saldatura di quasi tutti i materiali metallici, ferrosi e non ferrosi. Le più diffuse sono le cricche di cratere: esse sono situate nel cratere terminale di una passata di saldatura e sono dovute alla concentrazione progressiva delle impurezze nella parte del bagno che solidifica per ultima. Le cricche a freddo, invece, si formano durante il raffreddamento del cordone, quando la temperatura si avvicina o raggiunge quella ambiente. Le cause principali sono: un elevato tenore di idrogeno in zona fusa, un elevata velocità di raffreddamento o l elevata entità delle tensioni di ritiro. Le cricche nella zona termicamente alterata 11

(HAZ: heat affected zone) possono essere interne (sotto il cordone) o affioranti a lato del cordone. In base alla loro origine si possono suddividere a loro volta in: cricche a freddo, strappi lamellari e cricche a caldo. Per quanto riguarda la cricche a caldo e a freddo valgono le considerazioni fatte per le cricche nella zona fusa. Gli strappi lamellari invece sono cricche che si possono verificare nel materiale base quando quest ultimo è sollecitato perpendicolarmente al piano di laminazione. Esse sono sostanzialmente dovute a tensioni di ritiro più o meno intense, a geometrie sfavorevoli del giunto o allo spessore di laminazione medio-alto del materiale. Un altro difetto importante è la mancanza di penetrazione e di fusione. Mancanza di penetrazione a ridosso 12

Inclusioni nel cordone di saldatura dei lembi Questa discontinuità è provocata dalla mancata fusione di entrambi o di uno dei lembi. Possono trovarsi nella zona della prima passata (al vertice o al cuore della saldatura), oppure in corrispondenza di passate successive. Sono gravi difetti, generalmente inaccettabili. La loro causa principale è da ricercarsi nella cattiva preparazione dei lembi o, nel caso di saldatura non automatizzata, nella scarsa abilità del saldatore. Quando tra lembo e zona fusa è interposto uno strato di ossido, invece, si parla di incollature. Un giunto che presenta questo difetto ha povere caratteristiche meccaniche. Si parla invece di inclusioni se nel cordone di saldatura sono inglobate sostanze diverse dal materiale base. Esse possono essere solide o gassose. Le inclusioni gassose sono cavità provocate da gas 13

che sono rimasti intrappolati nel bagno; esse possono essere create da sporcizia, grasso, ruggine, vernici presenti sui lembi, umidità presenti nel processo, impiego di procedimenti con elevata velocità di saldatura, scorretto maneggio della torcia o della pinza, ecc. Se le inclusioni gassose sono tondeggianti vengono dette porosità o soffiature, a seconda che il loro diametro sia inferiore o superiore ad 1 mm; se invece presentano forma allungata vengono dette tarli (più pericolosi). Se sporadiche e di piccole dimensioni, le inclusioni gassose non sono molto dannose; lo possono però diventare se le dimensioni sono grandi o se si raggruppano in strutture nidificate. Sono inoltre un facile innesco per attacchi di tipo corrosivo. Formazione di porosità in superficie Porosità uniformemente distribuite 14

Generalmente, per valutare la pericolosità di un difetto, non basta considerarne la natura: bisogna valutare anche le condizioni in cui il giunto opera (il tipo di sollecitazione a cui è sottoposto, il tipo, l importanza e le condizioni di servizio della struttura di cui fa parte, le caratteristiche del materiale base, ecc.). In genere i difetti, siano essi superficiali o interni, riducono la sezione resistente del giunto, con conseguente aumento del livello di tensione medio. Ciò comporta, nel caso di sollecitazioni statiche, una certa diminuzione della capacità di carico del giunto stesso. Un secondo aspetto dannoso appare se i giunti sono sollecitati a fatica: in questo caso l effetto di intaglio (aumento di tensione locale) cui dà luogo il difetto limita notevolmente la resistenza del giunto. Considerando infine il caso di costruzioni saldate che lavorano a bassa temperatura, si denota un aumento del grado di pluriassialità delle tensioni, con conseguente limitazione dell entità delle tensioni di taglio e possibilità di innesco e propagazione di rotture fragili. Questo fenomeno avviene soprattutto in strutture che lavorano a basse temperature e nelle quali sono presenti intagli. Abbiamo visto come alcuni gravi difetti di saldatura, come cricche, mancanza di penetrazione, grosse scorie, costituiscono temibili intagli. I codici e le norme correntemente utilizzate stabiliscono i criteri di accettabilità dei difetti in base all esperienza e alla 15

non pericolosità dei difetti stessi ed hanno pertanto carattere arbitrario e convenzionale. Proprio per ottenere una maggiore scientificità nella valutazione della vita a fatica delle strutture da un certo numero di anni si è sviluppata la scienza della meccanica della frattura. Normalmente le rotture per fatica hanno origine dalla superficie dei pezzi (quando questi sono sufficientemente omogenei) in corrispondenza di punti singolari, come brusche variazioni di sezione, intagli o difetti superficiali, talvolta a causa di tensioni massime di solo qualche decina di MPa. Nel caso di giunti saldati risulta critica la zona di passaggio del cordone (per i giunti di testa) o dal cordone d angolo al materiale base (per i giunti a croce e simili). Hanno effetto particolarmente negativo anche le incisioni marginali accentuate ed eventuali corrugamenti superficiali dei cordoni, porosità affioranti, riprese, ecc. Estremamente pericolose sono le mancanze di penetrazione in giunti di testa non ripresi. Sono note anche le rotture di fatica originatesi all interno dei pezzi: particolare attenzione deve essere posta, durante la lavorazione, per evitare l insorgere di difetti come cricche, mancanza di penetrazione (nel caso di giunti saldati dai entrambi i lati), scorie, tarli. Un certo pericolo può derivare, come già detto, anche dall insorgere di porosità o soffiature, specialmente se si presentano addensate in nidi. 16

Un importante conseguenza di quanto appena detto è che si può migliorare la resistenza a fatica di un pezzo (se è omogeneo) curandone l aspetto superficiale. Nel caso delle saldature si possono ottenere notevoli vantaggi dalla molatura per regolarizzare il cordone o addirittura spianarlo a raso con i lembi. Non bisogna tuttavia dimenticare che il vantaggio ottenuto è illusorio se non si ha la certezza che siano assenti gravi difetti interni. Ciò deve essere accertato mediante opportuni esami, come quello radiografico o quello ultrasonoro. Un ultimo accenno per illustrare le tipologie di controlli che possono essere effettuati sui giunti saldati si mostra quindi necessario. Distinguiamo: - Controlli indiretti o preventivi: controlli effettuati prima della costruzione, in cui si possono individuare, tra l altro, eventuali difetti del tipo discontinuità metallurgiche (esami sulla documentazione tecnica, prove di qualificazione dei saldatori, di saldabilità del materiale base, di omologazione del materiale d apporto, di qualificazione dei procedimenti di saldatura); - Ispezione in corso d opera: sorveglianza diretta del procedere della saldatura (controlli distruttivi e semi-distruttivi); 17

- Controlli diretti: controlli effettuati dopo l esecuzione delle saldature, che consentono di rilevare eventuali difetti del tipo discontinuità metalliche (NDT - esame visivo, con liquidi penetranti, magnetoscopico, radiografico, ultrasonoro, per correnti indotte, per rivelazione di fughe, per emissione acustica). Capitolo 2 Le tecnologie tradizionali 2a. La saldatura ossiacetilenica La saldatura ossiacetilenica, comunemente detta saldatura a gas, è un processo fondato sulla combustione di ossigeno e acetilene. Se questi gas vengono mescolati nelle giuste proporzioni, si produce una fiamma alla temperatura di circa 3.200 C. Variando la composizione della miscela si può cambiare l azione chimica della fiamma ossiacetilenica. La fiamma viene comunemente distinta in tre categorie: neutral, oxidising e carburising. 18

Fiamma neutral Fiamma oxidising Fiamma carburising Il processo di saldatura viene portato a compimento con l uso della fiamma neutral, che è composta da ossigeno e acetilene in uguali percentuali. Aumentando invece la quantità di ossigeno o acetilene si ottengono rispettivamente la fiamma oxidising o carburising. Poiché l acciaio fonde a 1500 C, l unica miscela capace di scaldare a sufficienza questo metallo è quella di ossigeno e acetilene. Altri gas, come il propano o l idrogeno, possono invece essere usati per saldare altri metalli non ferrosi con una temperatura di fusione più bassa o per le brasature. L attrezzatura necessaria per la saldatura ossiacetilenica è facilmente trasportabile e facile da usare. Essa comprende i serbatoi in cui sono immagazzinati l ossigeno e l acetilene, muniti di un regolatore, e i tubi flessibili al cui termine troviamo il cannello. Lungo questi tubi sono poste delle flame traps, dispositivi atti ad evitare che un eventuale ritorno di fiamma raggiunga il serbatoio. 19

Variando la composizione della miscela possiamo regolare l intensità della fiamma secondo gli utilizzi richiesti. Una fiamma troppo violenta potrebbe infatti causare una vaporizzazione del materiale base, mentre una troppo dolce potrebbe rivelarsi instabile sulla superficie del metallo. La fiamma può essere controllata anche mediante un dispositivo situato sul cannello. Nel processo di fusione può essere impiegato anche un materiale d apporto. Le tecniche principali sono tre: leftward, rightward e all-positional rightward. Il primo tipo è usato per spessori molto sottili (fino a 5 mm) e viene preferito per le giunzioni circolari. Il secondo tipo invece è usato per piastre con spessori di circa 5 mm e per saldature orizzontali o verticali. La tecnica allpositional rightward è stata messa a punto per la saldatura di piastre in acciaio e per le tubazioni, dove è necessaria una saldatura di posizione. Queste ultime due tecniche permettono di ottenere un livello di penetrazione uniforme, con un migliore controllo della zona fusa e del metallo da saldare, poiché il saldatore ha una maggiore libertà di movimento e quindi una migliore visione del processo. Esse però richiedono una notevole abilità del saldatore, per cui sono meno usate della più tipica saldatura leftward. 2b. La saldatura MIG/MAG 20

La Metal Inert Gas Welding (saldatura MIG) è stata per la prima volta brevettata negli Stati Uniti nel 1949 per la saldatura dell alluminio. L arco e la zona fusa vennero create utilizzando un filo scoperto come elettrodo protetto da elio, già disponibile all epoca. Dal 1952 circa il processo divenne molto popolare in Gran Bretagna per saldare l alluminio con l uso di argo come gas di protezione e per saldare gli acciai al carbonio usando come gas l anidride carbonica. Le tecniche in cui si usano l anidride Processo MIG carbonica o le sue miscele con l argo come gas di protezione sono note invece col nome di Metal Active Gas Weldings (saldature MAG). Nella saldatura MIG il calore necessario per la fusione è generato dalla formazione di un arco elettrico tra un elettrodo metallico e il pezzo. L elettrodo fonde e forma il cordone di saldatura. La 21

caratteristica principale di questa tipologia di saldatura è che l elettrodo è costituito da un filo continuo (alimentato da una bobina), cioè è consumabile. Data la continua alimentazione dell elettrodo, il processo viene spesso definito saldatura semi-automatica. E inoltre necessario fornire un gas di protezione. Il modo con cui il metallo si trasferisce dall elettrodo alla zona fusa determina in gran parte le caratteristiche finali della saldatura. Fondamentalmente esistono tre metodi: lo shortcircuiting, il droplet (o spray) e il pulsed metal transfer. Lo short-circuiting e il pulsed metal transfer sono usati per operazioni che si svolgono con basse correnti, mentre lo spray metal transfer è usato unicamente con elevate correnti di saldatura. Nello short-circuiting (o dip transfer) il metallo fuso che si deposita sulla punta del filo viene trasferito immergendo direttamente il filo stesso nella zona fusa. Ciò è possibile se le correnti hanno un basso voltaggio: per un filo di 1.2 mm di diametro, ad esempio, il voltaggio dell arco può variare da circa 17 V (100 A) fino a 22 V (200 A). Per minimizzare gli schizzi è molto importante impostare correttamente il voltaggio e l induttanza in base alla velocità di alimentazione del filo. L induttanza serve ad evitare i picchi di corrente che si hanno quando il filo viene immerso nella zona fusa. Per quanto riguarda il droplet (o spray) transfer, è necessario un voltaggio 22

più elevato per assicurarsi che il filo non faccia cortocircuito con la zona fusa. Valori tipici per questa modalità sono per il voltaggio dell arco approssimativamente da 27 V (250 A) a 35 V (400 A) utilizzando un filo di 1.2 mm di diametro. Il metallo fuso sulla punta del filo si trasferisce alla zona fusa: tuttavia c è un valore minimo di soglia al di sotto del quale le goccioline non riescono ad attraversare l arco. Se infatti si applicano correnti troppo basse, le forze dell arco saranno troppo deboli per prevenire la formazione di un gran numero di goccioline sulla punta del filo, le quali si distribuiranno all interno dell arco in maniera errata seguendo la forza di gravità. La pulsed mode infine è stata sviluppata al fine di stabilizzare l arco quando esso si forma con bassi livelli di corrente (al di sotto della soglia, cioè), per evitare il corto circuito e gli schizzi. Il trasferimento è ottenuto applicando degli impulsi di corrente, ognuno dei quali ha una forza sufficiente per far staccare una gocciolina di metallo fuso. La cosiddetta synergic pulsed MIG può essere controllata da un tipo speciale di regolatore, che permette di impostare sia il funzionamento del generatore (pulse parameters) in base al diametro del filo e alla sua composizione, che la frequenza di pulsazione in base alla velocità di alimentazione dell elettrodo. Per quanto riguarda il gas di protezione, esso non solo ha la funzione di proteggere l arco e la zona fusa 23

dall ambiente esterno, ma ha anche una serie di funzioni molto importanti: partecipa alla formazione del plasma, stabilizza l arco sulla superficie del materiale e assicura un perfetto trasferimento delle goccioline fuse dal filo alla zona fusa. Di conseguenza, la scelta del gas di protezione influenza, seppur indirettamente, il livello di penetrazione della saldatura nel materiale. Come è stato già detto, generalmente i gas che si usano a questo scopo per le saldature MIG sono miscele di argo, ossigeno e anidride carbonica. Alcune miscele speciali possono anche contenere elio. Per gli acciai si usano soprattutto CO 2 puro, argon + 2 5% di ossigeno e argo + 5 25% CO 2, mentre per i metalli non ferrosi si usano argo o miscele di argo ed elio. I gas a base di argo, paragonati all anidride carbonica, rispondono meglio ai parametri impostati e danno luogo ad un minor numero di schizzi nella dip transfer mode. Tuttavia, date le temperature più basse a cui si trovano codesti gas, si genera anche un maggiore rischio di mancanze di fusione. Attualmente, la saldatura MIG è largamente impiegata ed è il metodo con cui sono effettuate più del 50% delle saldature industriali. I principali vantaggi consistono nella flessibilità e nella facilità di meccanizzazione del processo; è adatta per i materiali che producono schizzi, ma è necessaria un notevole grado di abilità del saldatore. 24

2c. La saldatura TIG La Tungsten Inert Gas Welding (saldatura TIG) divenne un successo immediato negli anni 40 per la giunzione di magnesio e alluminio. Essa ha avuto un ruolo molto importante nell impiego dell alluminio per le saldature di alta qualità e per le sue applicazioni strutturali. Nella saldatura TIG l arco si forma tra un elettrodo di tungsteno e i componenti in un atmosfera inerte (argo Processo TIG o elio). L arco, piccolo ma intenso, creato dall elettrodo, è ideale per saldature di precisione. Poiché l elettrodo non è consumabile, il saldatore non deve bilanciare l apporto di calore dell arco poiché il metallo è depositato dall elettrodo. Se è richiesto un materiale d apporto, deve essere aggiunto separatamente alla zona fusa. 25

Il generatore deve fornire corrente costante, sia alternata che continua. Un generatore di corrente costante è essenziale per evitare che si raggiungano correnti troppo elevate quando l elettrodo è cortocircuitato sulla superficie del pezzo. Ciò può accadere durante l avviamento dell arco o inavvertitamente durante la saldatura. Come per la saldatura MIG, se si usa un generatore flat (a basso voltaggio), il contatto tra l elettrodo e la superficie del pezzo va assolutamente evitato, per non incorrere nella fusione dell elettrodo stesso o il danneggiamento della sua punta. In corrente continua, poiché il calore dell arco è distribuito approssimativamente 1/3 al catodo e 2/3 all anodo, l elettrodo ha sempre polarità negativa per prevenire il surriscaldamento e la fusione. Tuttavia un elettrodo con polarità positiva, quando il catodo è sul pezzo, ha il vantaggio di ripulire la superficie da eventuali contaminazioni di ossido. Per questa ragione la corrente alternata si usa quando i materiali da saldare hanno uno strato superficiale tenace di ossido, come per l alluminio. L arco può essere avviato graffiando la superficie, formando un cortocircuito. Solamente quando il cortocircuito viene interrotto, la corrente principale di saldatura inizia a scorrere. Tuttavia c è il rischio che l elettrodo possa conficcarsi nella superficie, causando delle inclusioni di tungsteno nella saldatura. Il modo più comune di avviare l arco 26

per la saldatura TIG è l uso dell alta frequenza (HF): questa tecnica consiste nella creazione di scintille ad alto voltaggio (diverse migliaia di Volts), la cui durata è di pochi microsecondi. Queste scintille ionizzano il gap tra l elettrodo e il pezzo. Una volta che la nube di elettroni/ioni si è formata, la corrente può fluire liberamente dal generatore. Questo tipo di avviamento comporta tuttavia delle elevate emissioni elettromagnetiche dovute all alta frequenza; bisogna quindi equipaggiare in maniera appropriata il saldatore e fare attenzione alle interferenze che si possono generare con gli altri sistemi di controllo e strumentazioni. Gli elettrodi per le saldature in corrente continua sono normalmente in tungsteno puro con una componente di torio (dall 1 al 4%), per facilitare l avviamento dell arco o di zirconio, per rallentare l erosione dell elettrodo. E importante scegliere il diametro e l angolo di punta corretti per il livello di corrente richiesto. La regola generale ci suggerisce di usare diametri e angoli di punta tanto più piccoli quanto più è bassa la corrente. La punta dell elettrodo, infatti, durante l esercizio, subisce delle deformazioni, tendendo a diventare sferica (balling). Il gas di protezione deve essere selezionato in base al materiale da saldare. Possiamo tuttavia individuare alcune linee guida per la scelta. 27

L argo è il gas di protezione usato più comunemente poiché è adatto alla saldatura di una vasta gamma di materiali, tra i quali gli acciai, gli acciai inossidabili, l alluminio ed il titanio; l aggiunta dell idrogeno all argo (miscela Argo + 2 5% H 2 ) consente invece di ottenere saldature più pulite, senza ossidazioni superficiali. Infine l elio o le miscele argo/elio aumentano la temperatura dell arco, in modo da raggiungere velocità di saldatura più elevate ed un livello di penetrazione più profondo, ma trovano un grande svantaggio nell elevato costo del gas e nell aumento della difficoltà di avviamento dell arco. La saldatura TIG è utilizzata in tutti i settori dell industria, ma è adatta in modo speciale alle saldature di alta precisione. Poiché la quantità di depositi può essere abbastanza bassa (qualora si utilizzi separatamente una barra di materiale d apporto), per la saldatura di componenti più spesse risulta maggiormente indicata la saldatura MIG. La saldatura TIG è anche ampiamente applicata in sistemi automatizzati. Poiché il saldatore non ha molto controllo sull arco e sul comportamento della zona fusa, bisogna però prestare molta attenzione alla preparazione delle superfici da saldare, al posizionamento dei lembi e all impostazione dei parametri di saldatura. La saldatura TIG è stata usata in diverse applicazioni in ambito aerospaziale: si ricordano 28

soprattutto gli ugelli dei lanciatori dell Ariane e diverse componenti di motori per aerei commerciali e militari. 2d. La saldatura ad arco sommerso Il primo brevetto per la saldatura ad arco sommerso è stato preso in Russia nel 1935, ed uno dei suoi primi utilizzi fu sui carri armati T34 durante la Seconda Guerra Mondiale. Come nella saldatura MIG, anche in questo caso il processo avviene con la creazione di un arco attraverso un elettrodo continuo e il pezzo. Durante la saldatura si usa Saldatura ad arco sommerso un flux per generare gas protettivi e scorie e per aggiungere elementi leganti nella saldatura. Non è perciò richiesto l impiego di un gas di protezione. Prima del passaggio dell arco, la superficie di saldatura viene completamente ricoperta dal flux; il 29

flux in eccesso viene poi riciclato attraverso una tramoggia (hopper). Le scorie rimaste vengono invece rimosse facilmente alla fine del processo. Poiché l arco viene completamente sommerso dal flux, la quantità di calore dispersa è pressoché nulla. Questo produce un efficienza termica del 60% (mentre per la saldatura ad arco manuale è di circa il 25%). Non si generano schizzi né vapori. Il processo può essere completamente automatizzato o anche semi-automatizzato. I parametri di saldatura sono: corrente, voltaggio dell arco e velocità di avanzamento. Tutti influiscono sulla forma del cordone, sul livello di penetrazione della saldatura e sulla composizione chimica del metallo saldato. Bisogna porre particolare attenzione all impostazione dei parametri di saldatura, perché il saldatore non ha modo di vedere la zona fusa. Sono state inoltre sviluppate diverse varianti in base alla forma e al materiale dei componenti da unire. La saldatura ad arco sommerso può utilizzare un filo solo sia in corrente continua che in corrente alternata, ma ci sono delle varianti (impiego di 2 o 3 fili, aggiunta di polvere metallica, ad esempio), create per aumentare la velocità di avanzamento o la quantità di metallo depositata. I flux usati sono in genere composti da minerali allo stato granulare che possono essere fusi, che contengono ossido di manganese, silicio, titanio, 30

alluminio, calcio, zirconio, magnesio e altri componenti secondari (come il fluoruro di calcio). Generalmente, la loro composizione viene scelta in base all elettrodo utilizzato, per massimizzare le caratteristiche meccaniche finali (il flux infatti reagisce chimicamente con la zona fusa aumentandone le suddette caratteristiche). Si definiscono attivi i flux che apportano manganese e silicio alla saldatura; la quantità che se ne riesce a depositare è legata al voltaggio dell arco e al livello della corrente di saldatura. I principali tipi di flux sono: i bonded fluxes (le cui componenti sono essiccate e mescolate ad una bassa temperatura - un tipico esempio sono i silicati di sodio) e i fused fluxes (i componenti sono fusi insieme in una fornace, per ottenere un materiale omogeneo, e successivamente polverizzati in grani della dimensione voluta permettono di ottenere un arco più stabile). A causa della presenza del flux, la saldatura ad arco sommerso è usata per saldare soprattutto strutture piane. Per saldare strutture circolari, invece, si fa ruotare il pezzo. Non ci sono limiti allo spessore del materiale base. I materiali più adatti sono gli acciai al carbonio con aggiunta di manganese, gli acciai basso legati e inossidabili e, scegliendo opportunamente l elettrodo, anche alcuni materiali non ferrosi. 2e. La saldatura per resistenza 31

Con il termine saldatura per resistenza si indica un gruppo di tecnologie che sfruttano l azione combinata di calore e pressione. Il calore è generato per resistenza, facendo passare corrente attraverso i materiali da unire, i quali vengono contemporaneamente sottoposti all azione di un saldatura per resistenza carico. Questo processo è utilizzato principalmente per saldare strutture piane e vengono utilizzati a tale scopo degli elettrodi in lega di rame, sagomati opportunamente, che hanno la funzione di trasmettere la corrente all interno dei materiali e di applicare su di essi il carico. Il calore viene generato all interfaccia tra i due pezzi, causando la creazione della zona fusa e del cordone di saldatura. La zona fusa si mantiene contenuta grazie all azione del carico. Questa tecnologia viene utilizzata soprattutto per piastre sottili, cioè fino ai 6 mm di spessore, ma, 32

scegliendo opportunamente la forma e la grandezza dell elettrodo, è possibile saldare anche altre geometrie. E molto versatile, in quanto può essere applicata ad un vasto numero di materiali, dagli acciai, alle leghe di alluminio, al titanio. E quindi una delle tecniche attualmente più usate in ambito industriale. La saldatura per resistenza consente di ottenere alte velocità di saldatura e può facilmente essere automatizzata. Ci sono alcune limitazioni per quanto riguarda la giunzione di alcuni materiali, ma possono essere risolte impostando correttamente i parametri di saldatura. La qualità della saldatura può essere tenuta anch essa sotto controllo, valutando attentamente i parametri in ingresso e studiando periodicamente dei campioni. Sono inoltre in via di sviluppo dei metodi per monitorare l evoluzione del processo e delle particolari tecniche non distruttive. Le principali linee di ricerca riguardano la saldabilità degli acciai alto-resistenti, degli acciai rivestiti e delle leghe di alluminio e la possibilità di saldare strutture tubolari. Una delle varianti più importanti della saldatura per resistenza è la cosiddetta flash welding. Viene utilizzata soprattutto per saldare 33

geometrie complesse o sezioni molto grandi. Il processo è sostanzialmente lo stesso: i due componenti sono assicurati insieme con degli stampi e la corrente viene fatta scorrere attraverso i punti di contatto, che si scaldano rapidamente (sempre sotto l azione di un carico). In questi punti il materiale fonde e crea il giunto, con la classica azione lampeggiante. Il calore emesso viene così concentrato in una zona limitata. Dopo una prima perdita di materiale, sufficiente a scaldare la zona immediatamente dietro l interfaccia alla sua temperatura di plasticità, i componenti vengono forgiati insieme, in modo da espellere il materiale fuso e gli agenti contaminanti. Si completa così la fase di saldatura allo stato solido. La fase di raffreddamento viene quindi portata a lenta conclusione sotto l azione di un carico: le morse verranno allora aperte, rilasciando il componente saldato. Per facilitare l emissione di scintille, i due pezzi possono essere preriscaldati, facendo avvenire tra loro ripetuti cortocircuiti. L azione lampeggiante deve essere continua per evitare la formazione di crateri sulla superficie del giunto finito. Questi difetti possono presentarsi sotto forma di un sottile film di inclusioni di ossido, note con il nome di flat spots, particolarmente insidiosi perché non sono rilevabili attraverso le tecniche non distruttive. Bisogna quindi 34

porre particolare cura nelle ispezioni in corso d opera per evitarne la formazione. Per evitare discontinuità nel materiale finito, occorre quindi prestare attenzione nella preparazione e nel controllo del processo di saldatura. A questo proposito possono essere usati dei macchinari servocomandati. Per la saldatura degli acciai è necessario un trattamento post saldatura per aumentarne la durezza. 2f. La brasatura La brasatura è un processo di saldatura che utilizza un materiale d apporto allo stato fuso, introdotto nel giunto con un azione capillare o con il suo preposizionamento. Normalmente il materiale d apporto fonde a temperature più basse dei materiali base. Questo processo può vantare un discreto numero di varianti. Si possono distinguere tre tipi di brasatura: - brasatura forte: temperature superiori ai 450 C, ma comunque inferiori alla temperatura di fusione dei materiali base; preparazione adatta a favorire la penetrazione del materiale d apporto per capillarità; - brasatura dolce: temperature inferiori ai 450 C e comunque inferiori alla temperatura di fusione dei materiali base; 35

preparazione adatta a favorire la penetrazione del materiale d apporto per capillarità; - saldobrasatura: temperature superiori a quelle della brasatura forte, ma comunque inferiori a quelle del materiale base; preparazione del giunto simile a quella per la saldatura autogena. Nella brasatura forte avviene la fusione del solo materiale d apporto e non dei materiali base. Il materiale d apporto fuso si diffonderà a livello intergranulare nei due componenti da saldare, favorito dalla capillarità con cui esso viene inserito e dalla geometria del giunto. Il costo elevato ne consiglia l uso esclusivamente per quei componenti che non possono subire modificazioni a livello microstrutturale o superficiale, come per gli acciai inossidabili. La resistenza del giunto finito sarà proporzionale alla superficie brasata, al tipo di sollecitazione a cui esso sarà soggetto (meglio al taglio), alla temperatura di brasatura, alla quantità e qualità della lega d apporto ed alla tecnica ed abilità di brasatura. La distanza tra le superfici da brasare deve essere tale da permettere una buona diffusione capillare del materiale d apporto; inoltre bisogna fare attenzione che le tensioni indotte dalle variazioni di 36

temperatura non superino il valore di snervamento del materiale base. Anche la brasatura dolce permette di fondere la lega brasante ma non i materiali base. L efficacia del giunto dipende essenzialmente da: progetto del giunto, scorrevolezza della lega, distanza delle superfici da brasare, studio delle sollecitazioni. Questa tecnica è impiegata per giunzioni tubolari, soprattutto ed è più diffusa in campo idraulico. La saldobrasatura utilizza come materiali d apporto soprattutto ottoni, fondenti a temperature relativamente elevate. La giunzione si realizza attraverso la diffusione intergranulare della lega d apporto nella struttura dei materiali base; non può invece far leva sulla diffusione capillare del materiale d apporto, perché la completa fusione di quest ultimo avviene a temperature troppo elevate rispetto alla temperatura di fusione dei materiali base. Attraverso questo metodo si possono saldare acciai, rame, zinco e alluminio. 2g. La saldatura per frizione La saldatura per frizione 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 37

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. I parametri principali associati a questo processo sono la velocità di rotazione, la pressione di frizione, la pressione di forgiatura, lo spostamento e il tempo di vibrazione. Questi parametri sono indipendenti e variano di applicazione in applicazione. Generalmente, per poter sfruttare questa tecnica, il giunto deve avere simmetria rotazionale, quindi non tutte le geometrie risultano saldabili. I materiali più adatti ad essere saldati con questa tecnica sono i termoplastici. 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.. 38

Le varianti 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. 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 39

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. Esistono due varianti: la continous drive rotary friction welding e i 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. 40

Capitolo 3 Principio di funzionamento della rotary friction welding Le tecniche innovative 3a. Laser beam welding (LBW) 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 41

devono essere valutati accuratamente per poter sfruttare appieno le sue potenzialità. Principi dell emissione laser Il principio di funzionamento del laser è basato su tre fasi: assorbimento, emissione spontanea e amplificazione. Nell assorbi mento, 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). Il fotone va ad eccitare a sua volta l atomo immediatamente vicino, che si comporterà esattamente allo stesso modo. Posizionando degli specchi riflettenti, possiamo 42

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. 43

Il principio di funzionamento del 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. 44

Divergenza del fascio laser -Transverse mode: Questa modalità caratterizza la distribuzione di potenza in una sezione trasversale del fascio. Un fascio laser con perfette qualità ottiche avrà una distribuzione descritta come TEM 00 (Transverse Electric Magnetic). Questa distribuzione, molto simile ad una distribuzione gaussiana, è la modalità ideale per tagliare. Per le saldature, tuttavia, si utilizzano sia la modalità TEM 00 che le successive. -Polarizzazione: Le radiazioni laser sono composte da un onda elettromagnetica che può essere scomposta in due componenti, una nella direzione del campo elettrico E e l altra nella direzione del campo magnetico B. In genere il laser usato per tagliare viene diretto tutto lungo la direzione del campo elettrico E (polarizzazione). La polarizzazione non ha alcun effetto sulla qualità della saldatura. L unico miglioramento in questo senso si ottiene aumentando la velocità di saldatura. 45

Il processo di saldatura L esecuzione della saldatura è basato sul fenomeno della fusione localizzata del materiale sul punto di impatto del fascio. La saldatura richiede elevate densità di energia, che possono essere ottenute lavorando sul punto focale del sistema ottico. A potenze specifiche sufficientemente elevate (10 5 10 6 w/cm 2 ) 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. Tipologie di laser 46