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Cos’è la saldatura per attrito dell’alluminio?

D – Ho sentito parlare di un processo di saldatura chiamato Friction Stir Welding. Apparentemente, è abbastanza nuovo ed è un processo particolarmente buono per la saldatura dell’alluminio. Potete darmi qualche informazione su questo processo e sui tipi di applicazioni per cui è usato?

A – Inventato nel 1991, il processo di saldatura per attrito (FSW) è stato sviluppato e brevettato da The Welding Institute (TWI) a Cambridge, Regno Unito. Le prime macchine per la saldatura per attrito costruite appositamente e disponibili in commercio sono state prodotte da ESAB Welding and Cutting Products nel loro impianto di produzione di attrezzature a Laxa, in Svezia. Lo sviluppo di questo processo è stato un cambiamento significativo rispetto ai convenzionali processi di saldatura per attrito a moto rotatorio e lineare alternato. Ha fornito una grande flessibilità all’interno del gruppo di processi di saldatura per attrito.

Il processo convenzionale di saldatura per attrito rotativo richiede che almeno una delle parti da unire sia ruotata e ha la limitazione pratica di unire componenti di forma regolare, preferibilmente di sezione circolare e limitata nella loro lunghezza. Tubi corti o barre rotonde dello stesso diametro sono un buon esempio.

Il processo lineare alternativo richiede anche il movimento delle parti da unire. Questo processo utilizza un movimento rettilineo avanti e indietro tra le due parti per generare l’attrito. La regolarità delle parti da unire non è così necessaria con questo processo; tuttavia, il movimento della parte durante la saldatura è essenziale.

L’ovvia limitazione di entrambi questi processi è la limitazione del design del giunto e della geometria del componente. Almeno una delle parti da unire deve avere un asse di simmetria ed essere in grado di essere ruotata o spostata intorno a quell’asse.

La saldatura per attrito (FSW) è in grado di fabbricare giunti di testa o di giro, in una vasta gamma di spessori e lunghezze di materiali. Durante la FSW, il calore è generato dallo sfregamento di un utensile non consumabile sul substrato destinato alla giunzione e dalla deformazione prodotta dal passaggio di un utensile attraverso il materiale da unire. L’utensile rotante crea un riscaldamento volumetrico, per cui con l’avanzamento dell’utensile si crea un giunto continuo. La FSW, come altri tipi di saldatura per attrito, è in gran parte allo stato solido. Di conseguenza, le saldature per attrito non sono suscettibili di difetti legati alla solidificazione che possono ostacolare altri processi di saldatura per fusione. Il processo FSW è schematizzato in fig. 1. Le parti da unire sono di solito disposte in una configurazione di testa. L’utensile rotante viene poi portato a contatto con i pezzi. L’utensile ha due componenti di base: la sonda, che sporge dalla superficie inferiore dell’utensile, e la spalla, di diametro relativamente grande. La lunghezza della sonda è tipicamente progettata per corrispondere strettamente allo spessore dei pezzi da lavorare. La saldatura è iniziata immergendo prima la sonda rotante nei pezzi da lavorare fino a quando la spalla è in stretto contatto con la superficie superiore del componente. Il calore di attrito viene generato quando la spalla rotante sfrega sulla superficie superiore sotto una forza applicata. Una volta che il calore sufficiente è generato e condotto nel pezzo, l’utensile rotante è spinto in avanti. Il materiale viene ammorbidito dall’azione di riscaldamento della spalla, e trasportato dalla sonda attraverso la linea di giunzione, facilitando la giunzione.

Una limitazione del processo FSW è la stabilità meccanica dell’utensile alla temperatura di funzionamento. Durante FSW, l’utensile è responsabile non solo del riscaldamento del materiale del substrato alle temperature di forgiatura, ma anche dell’azione meccanica di forgiatura. Pertanto, il materiale dell’utensile deve essere in grado di sostenere elevati carichi e temperature di forgiatura a contatto con il materiale del substrato in fase di deformazione senza usura o deformazione eccessiva. Di conseguenza, la maggior parte delle applicazioni FSW ha coinvolto materiali a bassa temperatura di forgiatura. Di questi, la classe di materiali più importante è stata l’alluminio. Una gamma di praticamente tutte le classi di leghe di alluminio sono state saldate con successo per attrito. Queste includono le leghe 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx e 7xxx, così come le più recenti leghe Al-Li. Ogni sistema di leghe è metallurgicamente distinto. Inoltre, leghe diverse all’interno di una data classe possono avere caratteristiche di forgiatura diverse. Di conseguenza, la lavorazione per ogni lega può variare. Tuttavia, giunti ad alta integrità possono essere ottenuti in tutte le classi.

Alcune applicazioni:

A causa dei potenziali vantaggi rispetto alla saldatura ad arco in alcune applicazioni associate a questo processo, FSW ha ricevuto interesse da molti settori dell’industria che lavorano con l’alluminio. I vantaggi includono la capacità di produrre lunghe lunghezze di saldature in alluminio senza alcuna fusione del materiale di base. Questo fornisce importanti vantaggi metallurgici rispetto alla saldatura ad arco convenzionale. La fusione del materiale di base non avviene con la FSW e questo elimina la possibilità di cricche di solidificazione che è spesso un problema quando si saldano ad arco alcune leghe di alluminio. Altri vantaggi possono includere: bassa distorsione associata al minore riscaldamento durante il processo di saldatura; eliminazione dei problemi di porosità che sono impegnativi quando si salda ad arco l’alluminio; preparazione minima dei bordi, in quanto i giunti di testa sono tipicamente eseguiti con una preparazione a testa quadrata; e, l’assenza di materiali di consumo di saldatura come gas di protezione o materiale di apporto.

Il processo di saldatura per attrito viene utilizzato e/o valutato per l’uso nell’industria aerospaziale, dei veicoli militari, degli aerei, automobilistica, delle costruzioni navali, del materiale rotabile ferroviario e molto probabilmente in altri settori.