Cosa rende difficili da saldare le leghe di alluminio?

La saldabilità è la misura complessiva della resistenza di un materiale alla formazione di cricche, della sicurezza della struttura saldata e dell'economicità delle applicazioni previste per il prodotto. Un materiale è considerato saldabile quando le sue proprietà chimiche, metallurgiche e fisiche sono adatte al processo di saldatura e il giunto soddisfa i parametri di resistenza richiesti.

Poiché l'alluminio e le sue leghe presentano proprietà fisico-chimiche particolari, la loro saldatura comporta le seguenti difficoltà.

1. Ossidazione rapida

L'alluminio si ossida facilmente all'aria e durante la saldatura. L'ossido di alluminio (Al₂O₃) che ne deriva è stabile e difficile da rimuovere. Il suo punto di fusione è di circa 2.500 °C, ben al di sopra del punto di fusione delle leghe di alluminio, pari a circa 660 °C. Durante la saldatura, il film di ossido ostacola la fusione del metallo di base. Poiché la sua densità è circa 1,4 volte superiore a quella dell’alluminio, non galleggia facilmente fuori dal bagno di fusione e può causare una fusione incompleta e inclusioni di scorie. Inoltre, assorbe umidità, il che può provocare porosità nella saldatura.

Prima della saldatura, è quindi necessario rimuovere il film di ossido mediante un accurato lavaggio chimico o meccanico della superficie e impedire che si formi una nuova ossidazione durante la saldatura.

2. Suscettibilità alla porosità

I gas potenzialmente in grado di formare pori includono l’idrogeno, il monossido di carbonio e l’azoto. L’azoto è insolubile nell’alluminio liquido, mentre le leghe di alluminio non contengono carbonio che potrebbe generare pori di monossido di carbonio. L’idrogeno è quindi il gas che forma i pori di maggiore preoccupazione. La sua solubilità è di 7 mL/kg nell’alluminio liquido, ma scende a soli 0,4 mL/kg alla temperatura di solidificazione di 660 °C. Gran parte dell’idrogeno originariamente disciolto nel metallo liquido precipita e forma bolle man mano che la saldatura si solidifica. L’alluminio puro e le leghe di alluminio resistenti alla corrosione sono particolarmente sensibili a questo fenomeno.

L’ingresso di idrogeno nei metalli di base e di apporto deve essere limitato e occorre utilizzare un gas di protezione ad elevata purezza. Prima della saldatura, è necessario rimuovere accuratamente ossidi, umidità e olio dai pezzi da lavorare, dal filo e dagli elettrodi. Le interruzioni devono essere ridotte al minimo. Si raccomandano parametri di saldatura intensi: la saldatura TIG utilizza una corrente elevata con una velocità di avanzamento relativamente alta, mentre la saldatura MIG utilizza una corrente elevata con una velocità di avanzamento inferiore per mantenere il bagno di fusione liquido più a lungo e consentire all’idrogeno di fuoriuscire dalla soluzione solida supersatura.

3. Rischio di bruciatura passante

L'alluminio non presenta cambiamenti di colore evidenti quando passa dallo stato solido a quello liquido, rendendo difficile valutare la temperatura della vasca. Anche la sua resistenza meccanica diminuisce con l'aumentare della temperatura e raggiunge solo i 10 MPa a 370 °C. Il materiale potrebbe quindi non riuscire a sostenere il metallo fuso, causando una forma irregolare del cordone, il cedimento o la perforazione.

Si utilizza comunemente una barra di supporto. È inoltre necessario controllare attentamente il riscaldamento; si dovrebbe ricorrere alla saldatura in posizione orizzontale ogni volta che sia possibile, e l’arco dovrebbe essere acceso e spento sulle linguette di inizio e fine saldatura.

4. Tendenza alla fessurazione a caldo

Il coefficiente di dilatazione lineare dell’alluminio è quasi il doppio di quello dell’acciaio e anche il suo ritiro da solidificazione è circa il doppio, il che genera notevoli sollecitazioni da saldatura. Anche la composizione della lega ha un effetto significativo: le impurità superiori ai limiti specificati determinano la formazione, nel bagno di fusione, di una maggiore quantità di costituenti eutettici a basso punto di fusione. Questi effetti, combinati tra loro, favoriscono la formazione di cricche a caldo.

Le cricche si verificano comunemente nei punti di inizio e di fine dell’arco, in caso di interruzioni improvvise dell’arco, nei punti di saldatura a punti e nelle saldature di riparazione. La prevenzione richiede quindi una riduzione delle sollecitazioni da saldatura, l’adeguamento della composizione del metallo saldato, il miglioramento delle condizioni di solidificazione del bagno di fusione, un processo adeguato e il controllo dei parametri.

5. Resistenza dei giunti inferiore alla resistenza del metallo di base

Il calore della saldatura ammorbidisce la zona termicamente alterata, riducendone la resistenza e compromettendone le proprietà meccaniche. Di conseguenza, il giunto potrebbe non avere la stessa resistenza del metallo di base. Per ottenere un giunto di testa con la stessa resistenza, è necessario aumentare lo spessore del metallo nella zona di saldatura.

6. Riduzione della resistenza alla corrosione dopo la saldatura

I giunti nelle leghe di alluminio trattabili termicamente, come il duralluminio, possono subire una notevole perdita di resistenza alla corrosione. Una maggiore disomogeneità microstrutturale comporta una riduzione ancora più marcata. Anche la purezza e la densità del metallo di saldatura sono importanti: la presenza di impurità in quantità elevata, i grani grossolani e la precipitazione di fasi fragili come l’FeAl₃ riducono notevolmente la resistenza alla corrosione e possono causare sia attacchi superficiali localizzati che corrosione intergranulare. Le sollecitazioni da saldatura rappresentano un altro fattore importante.

La resistenza alla corrosione può essere migliorata:

1. Ridurre le disomogeneità composizionali e microstrutturali mediante l'aggiunta di leghe alla saldatura tramite materiali di apporto adeguati, l'affinamento dei grani, la prevenzione dei difetti, l'adeguamento del processo per limitare la zona termicamente alterata e il surriscaldamento, nonché l'applicazione di un trattamento termico post-saldatura.
2. Alleviamento delle tensioni da saldatura; le tensioni di trazione superficiali localizzate possono, ad esempio, essere ridotte mediante martellatura localizzata.
3. Applicazione di trattamenti protettivi quali l'anodizzazione o i rivestimenti.