Friction Stir Welding: la saldatura proiettata verso il futuro

Figura 1 - Friction Stir Welding di due lamiere sovrapposte [1].

L’alluminio si è dimostrato essere un materiale interessante in campo ingegneristico, soprattuto nella sua configurazione di leghe indurenti per precipitazione .

Le leghe di alluminio, conosciute anche come leghe alto-resistenziali, sono notevolmente difficili da saldare con tecnologie fusorie tradizionali, a causa della loro alterazione microstrutturale che avviene al raggiungimento della temperatura di fusione e durante la successiva fase di invecchiamento. È proprio per ovviare a questo problema, che risulta assai limitante in campo industriale, che negli anni sono stati studiati metodi di giunzione alternativi, tra cui spicca il Friction Stir Welding.

Il Friction Stir Welding, sviluppato nel 1991 al The Welding Institute di Cambridge, è un metodo di saldatura allo stato solido, che, nonostante sia nato proprio per le leghe di alluminio, permette oggi la giunzione permanente di un’ampia gamma di geometrie e di materiali, tra cui leghe di magnesio, Inconel, sinterizzati, polimeri termoplastici e compositi a matrice metallica. Non è, inoltre, da sottovalutare la possibilità che il Friction Stir Welding offre di saldare tra loro materiali dissimili. Da un punto di vista strutturale, invece, il Friction Stir Welding consente di ottenere giunti saldati con o senza lembi sovrapposti, ma senza la necessità di introdurre degli organi di collegamento, come ad esempio i rivetti, con una conseguente riduzione sia di peso che di costo del componente (Figura 1). Un ulteriore punto di forza del Friction Stir Welding è la possibilità di considerarlo parte delle green technology per la sua efficienza energetica e il rispetto dell’ambiente, dal momento che non necessita dell’utilizzo di gas di assistenza e non produce, di conseguenza, fumi potenzialmente nocivi.

Il principio su cui si basa il Friction Stir Welding è il rimescolamento allo stato solido del materiale, provocato dall’azione meccanica di un utensile posto in rotazione che viene fatto penetrare e avanzare in corrispondenza della linea di giunzione dei due lembi da saldare (Figura 2). L’attrito che di conseguenza si genera tra utensile e pezzo provoca il riscaldamento del materiale da saldare, fino al raggiungimento di una condizione di elevata duttilità, che consente appunto all’utensile rotante di avanzare, rimescolando il materiale. Dal momento che il materiale è rimescolato allo stato solido, questo tipo di saldatura è definita come saldatura a freddo: le temperature raggiunte, infatti, non superano mai il 75-80% della temperatura di fusione della lamiera. Un altro vantaggio di questa tecnica è la mancanza dei tipici difetti legati ai processi tradizionali di saldatura. Essendo infatti il Friction Stir Welding un processo allo stato solido, vengono meno problematiche legate ad eventuali ritiri, cricche e porosità dovute al gas che potrebbe rimanere intrappolato nel giunto durante la sua fase di solidificazione.

Figura 2 – Rappresentazione schematica del processo di Friction Stir Welding [2].
Infine, l’intensa deformazione plastica localizzata che subisce il materiale saldato consente di ottenere, al cuore della saldatura, una microstruttura in grado di garantire un minor decadimento delle proprietà meccaniche rispetto alle saldature per fusione. Inoltre, il limitato flusso termico coinvolto nel processo di Friction Stir Welding porta a una importante riduzione dello stato tensionale residuo dei giunti saldati e delle distorsioni dei prodotti finiti.

Il movimento del metallo plasticizzato dall’utensile e la distribuzione del calore generato dal processo sono caratteristiche fondamentali per il Friction Stir Welding. La deformazione del materiale ridistribuisce il calore generato per attrito, generando un campo di temperatura all’interno della saldatura, che dipende anche dallo stato di sforzo a cui è sottoposta la lamiera e che influenza l’ottimizzazione delle velocità di processo (velocità di rotazione e di avanzamento dell’utensile), la riduzione dei difetti macroscopici e microscopici nel giunto, il controllo dell’evoluzione della sua microstruttura e, di conseguenza, le risultanti proprietà della saldatura.

L’utensile è, naturalmente, un componente critico per la corretta riuscita del processo. Esso è costituito tipicamente da una spalla rotante a sezione circolare, che garantisce il contenimento del materiale plasticizzato, e da un pin cilindrico o conico, scanalato o meno, responsabile del rimescolamento del materiale in lavorazione (Figura 3).

Figura 3 – Alcune tipologie di utensili per Friction Stir Welding [3].
La mancanza di materiale fuso lungo il giunto, se da un lato migliora le caratteristiche meccaniche ottenibili nel giunto, dall’altro risulta essere problematica per la durata della vita utile dell’utensile. Infatti, quest’ultimo è soggetto all’azione di carichi e temperature elevati, in special modo per la giunzione di metalli particolarmente duri, quali acciai e leghe di titanio.

Il costo elevato dell’utensile e la sua ridotta vita utile sono tra le cause principali delle ancora limitate applicazioni in campo commerciale del Friction Stir Welding applicato a queste tipologie di materiali. Per quel che concerne invece la lavorazione di leghe leggere, quali leghe di alluminio e di magnesio, sono comunemente impiegati utensili in acciaio, il cui carico di snervamento è sufficientemente elevato da prevenire la deformazione plastica dell’utensile durante il processo. Non solo: è fondamentale che l’utensile abbia un’ottima resistenza all’abrasione e un’elevata resistenza all’ossidazione a caldo, per evitare un suo eccessivo consumo durante la lavorazione, che potrebbe portare ad un inquinamento incontrollabile della saldatura.

I materiali saldati tramite Friction Stir Welding presentano, lungo la sezione perpendicolare alla direzione di saldatura, delle zone caratteristiche con microstruttura e proprietà diverse fra loro: il nugget, la zona termo-meccanicamente alterata, la zona termicamente alterata e il metallo base (Figura 4). Le microstrutture, e di conseguenza le proprietà meccaniche, di queste zone sono strettamente dipendenti dai parametri di processo, dalla geometria dell’utensile e dalle temperature raggiunte, come è stato dimostrato da una ricerca condotta presso i laboratori dell’Università degli Studi di Bergamo [4].

Figura 4 – Illustrazione schematica delle aree che subiscono variazioni durante il processo [1].
Il nugget è costituito da grani completamente ricristallizzati, fini ed equiassici, la cui continua e dinamica ricristallizzazione è dovuta all’azione meccanica svolta dall’utensile, che frammenta la microstruttura originaria, formando nuovi grani che subiscono una forte trasformazione dimensionale e che arrivano a misurare circa un decimo rispetto alla loro dimensione di partenza. Il nugget è circondato da una zona termo-meccanicamente alterata (TMAZ). In questa zona, che subisce sia gli effetti del ciclo termico del processo che della deformazione plastica del materiale, non è mai rintracciabile il fenomeno della ricristallizzazione dei grani. È tuttavia ben visibile una microstruttura mista, in cui i grani cristallini originali coesistono con grani più piccoli e arrotondati (Figura 5).

Ai lati della zona termo-meccanicamente alterata, si riscontra la presenza di una zona termicamente alterata (HAZ), la cui modifica microstrutturale dipende fortemente dalla temperatura massima raggiunta durante il processo di Friction Stir Welding e dalle condizioni di partenza del materiale. La struttura dei grani rimane tipicamente invariata rispetto a quella presente nel materiale base, ma con una riduzione dei precipitati indurenti che provoca, in corrispondenza di questa zona, un decadimento delle proprietà meccaniche. Per questo motivo, la zona termicamente alterata mostra le durezze e le resistenze più basse tra le zone caratterizzanti un giunto saldato con tecnologia Friction Stir Welding, identificando quindi il punto più critico della saldatura stessa. La zona termicamente alterata è, infine, affiancata dal materiale base, che risente solo di un debole ciclo termico legato alla conduzione del calore che proviene dal centro del giunto e che, perciò, non mostra alcuna alterazione della microstruttura rispetto al materiale di partenza.

Figura 5 – Metallografie del nugget (a sinistra) e della zona termo-meccanicamente alterata (a destra) [4].
Considerando il comportamento dei giunti saldati con Friction Stir Welding, è pratica comune focalizzare l’attenzione solo sulla valutazione delle caratteristiche meccaniche delle saldature attraverso l’esecuzione di prove di trazione e di durezza. Tuttavia, la saldatura Friction Stir Welding, modificando la microstruttura presente all’interno del cordone di saldatura e delle zone circostanti, ne modifica anche il comportamento a corrosione. Un altro aspetto importante da considerare è quindi la resistenza alla corrosione delle giunzioni poiché un attacco corrosivo potrebbe ridurre notevolmente la vita utile delle parti saldate, soprattutto se soggette a carichi e in presenza di un ambiente potenzialmente aggressivo.

La ripetibilità e l’affidabilità del Friction Stir Welding, unita alla sua capacità di lavorare leghe leggere, rende il processo particolarmente interessante per numerose applicazioni. Tra i primi settori ad adottare questo processo per impieghi commerciali, è possibile menzionare l’industria navale e quella marittima. Finora, però, il settore che maggiormente ha investito nello studio e nell’applicazione della tecnologia Friction Stir Welding è quello aerospaziale. Sono stati infatti sviluppati numerosi prototipi al fine di rendere questa tecnologia maggiormente fruibile, specialmente per quanto riguarda l’assemblaggio di serbatoi di carburante, le cellule interne e la giunzione di lamiere molto sottili per la realizzazione della scocca esterna dei velivoli. L’opportunità di saldare le pelli a longheroni, le centine e le traverse metalliche destinate agli aeromobili militari e civili offre vantaggi significativi rispetto alla rivettatura e alla lavorazione dal pieno, quali costi di produzione ridotti, risparmio di materiale e di peso. Il Friction Stir Welding è stato utilizzato con successo per l’esecuzione di saldature di testa longitudinali in serbatoi di carburante in lega di alluminio per i veicoli aerospaziali. Vi sono poi interessanti sviluppi per quanto riguarda le applicazioni di questa tecnologia nella produzione commerciale di treni ad alta velocità a base di estrusi di alluminio ed è anche in fase di valutazione la possibilità di ricorrere a questo tipo di giunzione da parte di diverse case automobilistiche.

Bibliografia e riferimenti immagini
[1] “The Welding Institute” [Online]. Available: http://www.twi-global.com
[2] Fraser K, St-Georges L, Kiss LI. A Mesh-Free Solid-Mechanics Approach for Simulating the Friction Stir Welding Process. Join Technol 2016
[3] Garg A, Raturi M, Bhattacharya A. Influence of additional heating in friction stir welding of dissimilar aluminum alloys with different tool pin profiles. Int J Adv Manuf Technol 2019
[4] Bocchi S, D’Urso G, Giardini C, Maccarini G. Effects of cooling conditions on microstructure and mechanical properties of friction stir welded butt joints of different aluminum alloys. Appl Sci 2019