La Friction Stir Welding (FSW) è un processo di saldatura a stato solido che ha attirato molta attenzione dalla ricerca e dall’industria manifatturiera sin dalla sua introduzione nell’anno 1991. Per quasi 20 anni; tale processo è stato utilizzato in settori ad alto contenuto tecnologico come l’aerospaziale o l’industria automobilistica e in applicazioni dove è richiesta alta precisione come la microsaldatura. La FSW è un processo di giunzione termomeccanica a stato solido (una combinazione fra estrusione e forgiatura): si va così a configurare come una tecnica di produzione ecologica soprattutto in virtù della sua efficienza energetica e compatibilità ambientale. Infatti, in questo processo, è fondamentale l’impiego di un utensile che, grazie alla sua rotazione e avanzamento, permette di riscaldare e saldare il materiale grazie all’attrito generato attorno al perno.

Come funziona la friction stir welding?

La maggior parte del calore generato dall’attrito, cioè circa il 95%, viene trasferito nel pezzo da lavorare e solo il 5% viene assorbito dall’utensile. La temperatura massima creata dal processo varia tra l’80% e il 90% della temperatura di fusione del materiale da saldare. Tale tecnologia offre numerosi vantaggi rispetto al processo di saldatura a fusione convenzionale grazie a un ridotto apporto di calore e dall’assenza di processo di fusione e solidificazione.
Le variabili di processo indipendenti svolgono un effetto significativo sul processo di saldatura e sul controllo del processo stesso. Esse riguardano la forza assiale per la velocità di rotazione dell’utensile, l’angolo di spoglia, la velocità di saldatura e la geometria dell’utensile. Le suddette variabili influenzano fortemente la velocità di generazione del calore, il profilo della temperatura all’interno del materiale di lavoro, la potenza meccanica richiesta dal processo, l’evoluzione del materiale della saldatura e anche i carichi distribuiti all’interno del materiale che si sta lavorando.

Gli utensili

Vi sono tre tipi di utensili impiegati nel processo: a pin fisso, regolabili e “self-reacting”.
L’utensile a pin fisso corrisponde a un pezzo singolo comprendente sia la spalla che il pin, esso può saldare un pezzo solo con uno spessore costante grazie alla lunghezza fissa del pin. Se il pin si usura in modo significativo o si rompe, l’intero utensile deve essere sostituito. Le spalle dell’utensile sono progettate per riscaldare tramite frizione le regioni superficiali del pezzo da lavorare, produrre l’azione di forgiatura verso il basso necessaria per il consolidamento della saldatura e vincolare il metallo riscaldato sotto la superficie inferiore della spalla. La coppia prodotta durante il processo di saldatura dipende fortemente dalle condizioni di contatto determinate dalla velocità di rotazione dell’utensile rotante, dal grado di morbidezza del materiale di lavoro o dalla plasticità dell’utensile rotante per lavorare l’interfaccia del materiale, dal carico assiale esercitato e dalla progettazione dell’utensile stesso.

utensili impiegati nella friction stir welding
Differenti tipologie di utensili impiegati nel processo di Friction Stir Welnding.

Applicazioni della FSW nella vita di tutti i giorni

Ci sono molte applicazioni in questo settore, soprattutto oggi che c’è una grande attenzione per l’ambiente. In particolare:

  • Cantieristica navale: oggi la FSW è la tecnologia maggiormente impiegata nelle costruzioni navali. Negli ultimi anni, i produttori di alluminio hanno compiuto enormi progressi nello sviluppo di leghe di alluminio migliorate specificatamente per l’impiego nelle industrie navali. L’impiego della FSW porta miglioramenti nelle proprietà di corrosione e l’aumento della resistenza a fatica. Questo sviluppo, unito alle caratteristiche di formabilità, piegatura, taglio e saldatura, almeno pari a quello della lega, è molto allettante per i produttori che ambiscono naturalmente a produrre navi in alluminio sempre più grandi e più veloci.
  • Aerospaziale: Boeing applica la FSW agli ELV (Expendable Launch Vehicles) Delta II e Delta IV, in particolare il primo di questi con un modulo saldato a frizione che è stato lanciato nel 1999. Il processo è stato utilizzato anche per il serbatoio esterno dello Space Shuttle e, più recentemente, è stato impiegato anche per Ares I, per l’Orion Crew Vehicle alla NASA e per i missili Falcon 1 e Falcon 9 di SpaceX. Anche i pannelli per il pavimento degli aerei militari Airbus A400M e parti della fusoliera dell’Airbus A380 sono stati giuntati con questo tipo saldatura. Automation GmbH utilizza il sistema Delta NFS per le macchine per produrre le rampe di lancio sviluppate per il settore aerospaziale e altre applicazioni industriali.
  • Settore automobilistico: poiché l’industria automobilistica tende ad aumentare l’uso dell’alluminio, il processo di saldatura ad attrito (FSW) è largamente applicato in quanto offre molti potenziali vantaggi per la giunzione di tale materiale. Contrariamente alla maggior parte degli altri processi di giunzione, esso risulta essere più robusto, essendo più capace di gestire la variazione di produzione di grandi volumi. Questo tipo di processo offre proprietà meccaniche migliori rispetto ad altri processi di giunzione.
  • Robotica: Kuka Robotics ha adattato il suo robot per carichi pesanti per la saldatura a frizione mediante lo strumento Delta NFS. Il sistema ha fatto la sua prima apparizione pubblica nel novembre 2012.
  • Personal Computers: Apple ha impiegato la saldatura FSW sull’iMac 2012 al fine di unire efficacemente la base al retro del device.

Sviluppi futuri

La Friction Stir Welding è un processo di giunzione allo stato solido molto efficace ed efficiente e offre numerosi vantaggi rispetto al convenzionale processo di giunzione del metallo. Essa sta godendo di un successo sempre maggiore in settori come l’aerospaziale, navale e dell’Automobile. Ulteriori sviluppi possono interessare la saldatura a doppio passaggio dell’utensile FSW e anche lo studio metallurgico del giunto. È anche possibile studiare il divario temporale tra i due passaggi successivi dello strumento FSW e il suo effetto sulla qualità della saldatura.

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