Controllo della distorsione nella saldatura di alluminio di grosso spessore

I settori aerospaziale, navale, dei trasporti ferroviari, dei veicoli speciali e delle grandi attrezzature richiedono sempre più spesso strutture leggere caratterizzate da elevata resistenza, lunga durata e resistenza alla corrosione. Le leghe di alluminio sono importanti materiali strutturali poiché combinano elevata resistenza, peso ridotto, buona duttilità e buona resistenza alla corrosione.

La ricerca statunitense sull’alluminio ad alta resistenza ebbe inizio negli anni ’40. Nel 1956 fu prodotta in via sperimentale una lamiera in lega 5083 Al-Mg-Mn indurita per deformazione. Poiché le sue prestazioni complessive risultavano limitate in alcune applicazioni che richiedevano un'elevata resistenza, all’inizio degli anni ’60 fu introdotta la lega 7039 Al-Zn-Mg trattabile termicamente. Tuttavia, la sua elevata suscettibilità alla criccatura da tensocorrosione ne rendeva inadatta l’esposizione prolungata all’acqua di mare o alla nebbia salina. Nel corso degli anni ’80, gli Stati Uniti, l’ex Unione Sovietica e altri paesi svilupparono una nuova generazione di leghe ad alta resistenza. La lega Al-Cu 2519-T87, sviluppata negli Stati Uniti, offre elevata resistenza, proprietà meccaniche equilibrate, resistenza alla corrosione sotto sforzo e saldabilità.

Le leghe ad alta resistenza di nuova generazione, in particolare le leghe Al-Cu serie 2xxx, garantiscono una maggiore resistenza strutturale e una migliore resistenza alla corrosione sotto sforzo per strutture di grandi dimensioni in ambienti difficili. La saldatura continua tuttavia a causare un ammorbidimento del giunto e un basso coefficiente di resistenza dello stesso. Le grandi strutture di precisione richiedono inoltre che la deformazione da saldatura sia mantenuta al di sotto di un terzo di quella prodotta dalla saldatura convenzionale.

Sfide relative ai prodotti e ai processi

Le principali difficoltà sono il forte rammollimento dei giunti e un basso coefficiente di resistenza; la presenza di una pellicola superficiale refrattaria di Al₂O₃ con un punto di fusione di 2.060 °C; l’elevato apporto di energia richiesto da materiali spessi e ad alta resistenza; la suscettibilità alle cricche da calore e ai pori; e la deformazione causata dall’elevata conducibilità termica e da un elevato coefficiente di dilatazione lineare. La deformazione diventa particolarmente difficile da controllare al di sopra dei 20 mm di spessore, pertanto le misure adottate devono essere tecnicamente valide e praticabili per la produzione in officina.

Misure di controllo della distorsione

1. Selezionare il processo di saldatura

Una lastra di alluminio di elevato spessore conduce rapidamente il calore e favorisce un processo con un’elevata densità di potenza. I test condotti sulla saldatura MIG a filo singolo e a doppio filo, sulla saldatura a fascio di elettroni, sulla saldatura per attrito e agitazione e sulla saldatura ibrida laser-MIG hanno individuato nella saldatura a doppio filo il processo di produzione più idoneo.

Il processo MIG a filo singolo ha utilizzato impulsi composti a bassa frequenza. La vibrazione del bagno di fusione ha intensificato l’agitazione, favorito la nucleazione eterogenea durante la solidificazione, affinato la struttura della saldatura e migliorato la resistenza e la duttilità grazie all’agitazione elettromagnetica. Il giunto ha soddisfatto o superato il valore target di resistenza alla trazione. Le prove hanno individuato una combinazione ottimale di velocità di avanzamento, corrente e impulso di modulazione a bassa frequenza.

La saldatura a doppio filo ad alta velocità ha prodotto un giunto ad alta resistenza. Il confronto tra la saldatura MIG a doppio filo a due passate ad alta corrente e quella a quattro passate a bassa corrente ha portato alla definizione di parametri multipassaggio ad alta corrente che combinano i vantaggi di entrambe le tecniche. La resistenza alla trazione del giunto era pari a 296 MPa, corrispondente a 62% del metallo di base, mentre la tenacità all’urto era pari a 13 J/cm², corrispondente a 42% del metallo di base.

Sono stati messi a confronto tre metodi: la saldatura convenzionale con scanalatura a Y, la saldatura con scanalatura a X e la saldatura a vibrazione con scanalatura a X. La scanalatura a X ha ridotto la deformazione a un quinto rispetto al risultato ottenuto con il metodo convenzionale, mentre la saldatura a vibrazione l’ha ridotta ulteriormente.

2. Calcolare e ottimizzare la sequenza di saldatura

Nel caso di una struttura di grandi dimensioni con numerose giunture, numerare ciascuna saldatura e definire una sequenza iniziale in base alle caratteristiche strutturali. Una struttura con 16 saldature principali, ad esempio, utilizzava inizialmente i numeri 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16. L’analisi agli elementi finiti consente di confrontare le sequenze candidate e di individuare quella che presenta una distorsione minore e una distribuzione delle sollecitazioni più favorevole.

Analizzare innanzitutto la sequenza delle passate all’interno di un singolo cordone multipass, poiché essa influisce sia sull’entità che sulla distribuzione delle sollecitazioni residue. Stabilire una sequenza di passate a bassa sollecitazione prima della saldatura in officina contribuisce a limitare le sollecitazioni residue finali.

Successivamente, si è ottimizzata la disposizione complessiva delle giunture. Modificando la sequenza di apertura da 1, 3, 4, 2 a 1, 3, 2, 4, si è ottenuta una modifica sostanziale della distribuzione delle sollecitazioni. La seconda sequenza ha ridotto l'area soggetta a sollecitazioni superiori a 300 MPa, il che può migliorare la resistenza alla criccatura da corrosione sotto sollecitazione.

3. Utilizzare la distensione vibrazionale per stabilizzare le sollecitazioni e le dimensioni

La sollecitazione dinamica è un parametro fondamentale nel processo di distensione vibrazionale. L’eccitatore applica una sollecitazione dinamica corrispondente a un carico ciclico alternato. Quando questa sollecitazione si combina con la sollecitazione residua originaria e provoca una deformazione plastica locale o globale, la sollecitazione residua può rilassarsi, diventare più uniforme e diminuire, mentre la matrice metallica diventa più resistente alla deformazione.

I criteri generali sono σ_dinamico + σ_residuo ≥ σ_s, dove σ_s è la tensione di snervamento necessaria affinché la deformazione plastica si propaghi e produca una deformazione macroscopica; σ_dinamico/σ_residuo = 0,1–0,3; e l'ampiezza della sollecitazione dinamica dovrebbe raggiungere da un terzo a due terzi della sollecitazione di servizio del componente. Entro un intervallo adeguato, una sollecitazione dinamica maggiore genera una deformazione maggiore e allevia la sollecitazione in modo più efficace. Una sollecitazione dinamica eccessiva può danneggiare il pezzo o ridurne la resistenza alla fatica.

Per le prove è stata utilizzata un'unità di distensione vibrante WZ-86A prodotta dalla Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd. Il processo ha mantenuto le tensioni residue della saldatura entro 0,3σ._s.

Le prove hanno permesso di definire e applicare i parametri specifici per ciascun prodotto relativi alla distensione vibrante.

Risultato del controllo

Un processo di saldatura compatibile con la produzione, prove comparative relative a forme di scanalature, parametri e sequenze, nonché il distensione vibrazionale hanno consentito di ridurre le tensioni residue e la deformazione senza compromettere le prestazioni meccaniche o la resistenza alla corrosione. Il processo ottimizzato ha limitato la deformazione a un terzo rispetto al risultato ottenuto con la saldatura convenzionale, soddisfacendo i requisiti di progettazione e produzione per strutture di grandi dimensioni ad alta resistenza.

Oltre al settore aerospaziale, navale, del trasporto ferroviario e dei macchinari di grandi dimensioni, questo metodo può essere applicato anche a determinati veicoli speciali, strutture protettive leggere e altri componenti in alluminio ad alta resistenza.