Come funziona la deposizione di filo mediante fascio di elettroni per le leghe di alluminio?

La deposizione a fascio di elettroni viene utilizzata come processo di stampa 3D per le leghe di alluminio. Le leghe di alluminio combinano leggerezza ed elevata resistenza con una buona duttilità, conduttività elettrica e termica e resistenza alla corrosione. Queste proprietà fisiche, chimiche e meccaniche ne favoriscono l’impiego nei settori aerospaziale, automobilistico, ferroviario, delle armi, dei serbatoi di stoccaggio, degli elettrodomestici, dell’edilizia e dei materiali da costruzione. A partire dagli anni ’60, le leghe di alluminio sono state ampiamente utilizzate nella produzione in serie di veicoli ferroviari e automobilistici.

Le leghe di alluminio possono essere classificate in diversi modi. In base al metodo di lavorazione di base, si distinguono in leghe da fusione e leghe da forgiatura. In base all’impiego, comprendono l’alluminio puro, l’alluminio resistente alla corrosione, il duralluminio, il super-duralluminio e l’alluminio per usi speciali. In base alla risposta al trattamento termico, si distinguono in leghe trattabili termicamente e leghe non trattabili termicamente. In base agli elementi di lega principali, si dividono in otto serie. Un documento a parte tratta delle otto serie di leghe di alluminio.

Proprietà dei materiali e saldabilità

Poiché la deposizione a fascio di elettroni aggiunge materiale sotto forma di filo, il comportamento del processo è simile alla saldatura, in particolare alla saldatura con filo d’apporto. È quindi necessario valutare la saldabilità prima della deposizione. Le leghe di alluminio sono generalmente saldabili, ma alcune caratteristiche possono compromettere la saldatura e la deposizione a filo.

Forte ossidazione

L'alluminio reagisce facilmente con l'ossigeno presente nell'aria e durante la saldatura, formando un Al₂O₃ pellicola. L'allumina ha un punto di fusione elevato, è chimicamente e fisicamente stabile, è difficile da rimuovere e assorbe fortemente l'umidità. La pellicola superficiale rende il metallo di base più difficile da fondere e può causare inclusioni di scoria, mancata fusione e penetrazione incompleta. L'umidità assorbita può penetrare nella saldatura e causare porosità.

Prima della saldatura, la superficie deve essere pulita accuratamente mediante levigatura meccanica o metodi chimici per rimuovere l'Al₂O₃. Anche la zona di saldatura richiede una protezione efficace. Nella saldatura TIG si utilizza comunemente la corrente alternata, in modo che la pulizia catodica rimuova il film di ossido.

Comportamento termofisico

Le leghe di alluminio presentano una conduttività termica e una capacità termica specifica superiori rispetto all'acciaio. Il calore viene condotto rapidamente nel substrato e allontanato dalla zona di saldatura, pertanto potrebbe essere necessario il preriscaldamento. Il loro elevato coefficiente di dilatazione lineare favorisce inoltre la formazione di cricche a caldo e la deformazione. La composizione del filo può essere regolata per ridurre la formazione di cricche a caldo, mentre il preriscaldamento può aiutare a controllare la deformazione.

Porosità

L'alluminio liquido è in grado di dissolvere una quantità di idrogeno di gran lunga superiore rispetto all'alluminio solido; la solubilità dell'idrogeno varia di un fattore pari a 17,5 tra lo stato liquido e quello solido. Il basso punto di fusione e l'elevata conduttività termica dell'alluminio determinano una rapida solidificazione del bagno di fusione, lasciando all'idrogeno un tempo insufficiente per fuoriuscire e favorendo la formazione di pori da idrogeno. L'Al₂O₃ La pellicola si riforma quasi immediatamente dopo la pulizia e l’umidità adsorbita diventa una delle principali fonti di idrogeno. È quindi necessario controllare rigorosamente le fonti di idrogeno.

Formazione del cordone di saldatura

La formazione delle gocce risulta difficile per due motivi. L’alluminio non presenta alcun cambiamento di colore evidente prima della fusione, rendendo difficile valutare le condizioni di formatura, e la sua scarsa resistenza alle alte temperature offre scarso sostegno al metallo fuso, aumentando il rischio di perforazione.

Variazioni delle proprietà delle giunzioni

1. L'evaporazione e la combustione di Mn, Mg e Zn alle temperature di saldatura riducono la quantità di questi elementi disponibili per la formazione di fasi di rinforzo e compromettono le proprietà meccaniche della saldatura.
2. La ricristallizzazione nella zona termicamente alterata riduce la resistenza delle leghe sottoposte a incrudimento o a invecchiamento in soluzione.
3. L'alluminio presenta un reticolo cubico a facce centrate e non ha allotropi; pertanto, il ciclo termico non produce alcuna trasformazione di fase che possa affinare i grani; i grani di saldatura rimangono quindi relativamente grossolani.

La saldatura a fascio di elettroni avviene sotto vuoto, eliminando così il contatto tra l’alluminio e l’aria durante la saldatura. Una pulizia accurata prima della saldatura per rimuovere l’Al₂O₃ rimane fondamentale, e la pulizia del filo di alluminio prima della deposizione è particolarmente importante. Anche la scelta della composizione del filo può prevenire la formazione di cricche a caldo e i relativi difetti. Il filo per saldatura in lega 2219 è ampiamente utilizzato per la deposizione a fascio di elettroni.