Tecniche innovative di saldatura in campo aerospaziale

145 Pages·3.7 MB·Italian

by  A.A.V.V.

TECNICHE INNOVATIVE DI SALDATURA IN
CAMPO AEROSPAZIALE

1
Indice

Introduzione pag.5

Capitolo 1 – Generalità sulle saldature pag.7

Capitolo 2– Le tecniche tradizionali

2a - La saldatura ossiacetilenica pag.12

2b – La saldatura MIG/MAG pag.13

2c – La saldatura TIG pag.14

2d – La saldatura ad arco sommerso pag.16

2e – La saldatura per resistenza pag.17

2f – La brasatura pag.19

2g – La saldatura per frizione pag.20

Capitolo 3 – Le tecniche innovative

3a - La saldatura laser beam pag.22

3b – La saldatura electron beam pag.33

3c – La saldatura per diffusione pag.35

3e – La saldatura ad arco al plasma pag.40

3f – La saldatura friction stir pag.43

Capitolo 4 – Saldabilità dei materiali di utilizzo aerospaziale

4a – L’alluminio e le sue leghe pag.48

4b – Il titanio e le sue leghe pag.51

4c – Gli acciai pag.56

4d – I compositi a matrice metallica pag.59
2
Introduzione

L’uso della saldatura si è affermato da tempo in
vari ambiti dell’industria, come quello
automobilistico, navale, meccanico. La saldatura
presenta infatti degli interessanti vantaggi rispetto agli
altri metodi di giunzione:

1. A fine lavorazione, i due pezzi uniti si presentano
come un blocco unico;
2. Possibilità di automazione del processo, con
risparmio dei costi di manodopera;
3. Risparmio in peso.

In campo aerospaziale si sta iniziando in questi
anni a pensare ad un utilizzo più esteso delle saldature
nelle componenti strutturali, come ad esempio nel
caso dell’Airbus A318, in sostituzione dei rivetti. Uno
degli aspetti che maggiormente ha impedito l’utilizzo
delle saldature in questo campo, infatti, è la difficoltà
di trovare delle tecnologie adatte alle particolari leghe
che vengono comunemente utilizzate.
La maggior parte dei processi di saldatura
implica lo svolgimento di un ciclo termico nelle zone
di giunzione, che può portare alla formazione di difetti
di vario tipo. Questi difetti possono causare una
diminuzione delle caratteristiche meccaniche dei
3
materiali e una diminuzione della vita a fatica della
giunzione. Inoltre, può risultare difficile eseguire
materialmente la saldatura a causa di particolari forme
geometriche del pezzo finito, si possono avere dei
materiali che necessitano di essere trattati solo in
particolari atmosfere o ancora non si possono
utilizzare particolari tipi di materiali d’apporto poiché
potrebbero reagire con i materiali di base. Possiamo
quindi concludere che la saldatura è un processo
particolarmente complesso, che richiede da parte
dell’ingegnere un progetto estremamente accurato,
soprattutto nel campo aerospaziale, dove i problemi
derivanti dalle richieste di elevate proprietà
meccaniche si affiancano a quelli derivanti dall’uso di
leghe contenenti materiali molto delicati.
Negli ultimi anni la tecnologia ha fatto passi da
gigante. Al fianco di tecniche ormai affermate come le
saldature ad arco, si sono imposte nuove tipologie,
come la Laser Beam Welding (LBW), la Electron
Beam Welding (EBW), la Diffusion Welding (DFW),
e la Friction Stir Welding (FSW). La LBW e la DFW
sono metodi di saldatura preferiti nell’aviazione
civile, mentre la EBW viene preferita nell’aviazione
militare, dove spesso vengono utilizzate leghe di
titanio. Un’altra tipologia di giunzione utilizzata in
campo aerospaziale è l’Adhesive Bonding (giunzione
adesiva). Soprattutto per quanto riguarda quest’ultima,
si stanno conducendo molti studi per evitare le
4
interazioni tra i materiali adesivi utilizzati e i materiali
da unire.
Una categoria di materiali importantissima in
campo aerospaziale è quella dei compositi a matrice
metallica (MMC), soprattutto con matrice in alluminio
o leghe di alluminio. Le risposte di questi materiali
alle diverse tipologie di saldatura sono state oggetto di
recenti studi. Uno degli aspetti principali da
considerare nel saldare questi materiali è il ciclo
termico che essi devono compiere: se le temperature
raggiungono determinati valori, infatti, può accadere
che atomi di fibra e atomi di matrice formino dei
precipitati che riducono il volume di fibra nel
composito, con conseguente caduta delle proprietà
meccaniche.
L’ultimo problema da citare, ma sicuramente non
il meno importante, è quello dei costi. Come è stato
già detto, l’automazione del processo comporta un
notevole risparmio economico, poiché si elimina
buona parte della manodopera, che costituisce circa un
terzo dei costi di produzione di un velivolo. D’altra
parte, tecnologie innovative spesso comportano anche
elevate spese, dovute soprattutto ai macchinari e
all’attrezzatura necessari.

5
Capitolo 1

Generalità sulle saldature

La saldatura è la tecnica di giunzione con la
quale si realizza la continuità del materiale metallico
tra i due pezzi da unire. Il risultato dell’operazione è il
cosiddetto giunto saldato, chiamato, più
semplicemente, saldatura. La continuità tra il
materiale metallico costituente i due pezzi da unire
può essere ottenuta essenzialmente in due modi:
portando a fusione i due lembi del giunto (fusion
weldings) oppure per mutua diffusione fra i due
materiali allo stato solido (solid state weldings). Le
modalità di comportamento dei materiali nelle loro
operazioni di saldatura vengono definite dalla loro
saldabilità, che ne esprime l’attitudine ad essere
saldati. Questa caratteristica è molto complessa, in
quanto implica diversi aspetti del materiale. Possiamo
distinguere la saldabilità operativa, che riguarda la
possibilità puramente pratica di realizzare la saldatura
tra due pezzi; la saldabilità locale, che si riferisce
all’entità delle modificazioni a livello microstrutturale
provocate nel materiale dalla saldatura e la saldabilità
globale, che valuta se le proprietà meccaniche del
giunto sono adeguate o meno al tipo di struttura di cui
la saldatura deve entrare a far parte.
6
Le saldature possono avvenire sia utilizzando i
soli materiali da unire, sia apportando un terzo
materiale che ha la funzione di legante. Quest’ultimo
materiale si dice materiale d’apporto; quando parte
dei due lembi fonde con esso, la saldatura si dice
autogena.
L’esecuzione di una saldatura autogena per
fusione comporta l’impiego di una sorgente termica
potente e concentrata che porta a fusione l’eventuale
materiale d’apporto e una parte del materiale dei
lembi da unire (materiale base). Il calore che viene
fornito dalla sorgente termica si disperde nel materiale
base, con una velocità che dipende dalle sue
caratteristiche fisiche e dalla caratterizzazione
geometrica del giunto da realizzare. In ogni punto
della massa metallica adiacente alla saldatura si
realizza quindi un ciclo termico di riscaldamento e di
successivo raffreddamento, caratterizzato da una
temperatura massima decrescente all’aumentare della
distanza dall’asse del giunto.
Un parametro di estrema importanza è l’apporto
termico specifico Q (kJ/mm)

0.6⋅I⋅V

Q=
v

Esso determina la quantità di calore che si
apporta per unità di lunghezza del giunto, supponendo
7
nulle le perdite nel trasferimento di calore. E’ legata
all’intensità della corrente, al voltaggio e alla velocità
di avanzamento. Nel processo di automazione è quindi
possibile impostare la corrente (viene
automaticamente determinato il voltaggio) e la
velocità di avanzamento. I valori di Q vanno da un
minimo di 0.5 ad un massimo di 6 o 7 kJ/mm.
La giunzione comporta una discontinuità del
pezzo saldato che è strettamente legata alla quantità di
calore apportata. Possiamo allora operare un’ulteriore
distinzione nell’ambito delle tecniche di saldatura: i
processi ad elevata densità di energia (tipo LBW) e
ad elevato apporto energetico (saldature ad arco). Nel
primo caso avremo una grande quantità di calore
apportata in una zona molto limitata, quindi una zona
termicamente deformata piccola; nel secondo invece,
si apporta una grande quantità di calore ma più
diffusa, che provoca il surriscaldamento di una zona
più estesa dei due lembi: di conseguenza la zona
termicamente deformata sarà più grande.
Altri parametri che influenzano i cicli termici
all’interno dei pezzi da saldare sono lo spessore di
questi ultimi e l’eventuale preriscaldo dei lembi
(effettuato in alcuni casi proprio per prevenire le
elevate velocità di raffreddamento). La severità del
ciclo termico diminuisce all’aumentare dell’apporto
termico specifico e della temperatura di preriscaldo,
8
mentre aumenta con la densità di potenza della
sorgente termica e con lo spessore dei pezzi.

Difetti di saldatura

Come si è detto, i giunti saldati hanno la
particolare caratteristica di unire permanentemente
due parti solide realizzando la continuità del
materiale. Qualora detta continuità risulti imperfetta,
ci si trova di fronte ad un difetto di saldatura, che
andrà esaminato con cura al fine di stabilire la
compatibilità con le condizioni di servizio della
struttura. I difetti di saldatura sono quindi delle
discontinuità; queste possono essere in linea di
principio di due tipi:
- Disomogeneità metallurgiche tra la zona
fusa e/o la zona termicamente alterata ed il
materiale base inalterato, nocive alle
caratteristiche meccaniche e ad altre
caratteristiche del giunto;
- Disomogeneità metalliche, nocive
essenzialmente alle caratteristiche
meccaniche, ma in certi casi possono
menomare anche altre caratteristiche del
giunto.

I difetti del primo tipo possono essere individuati
e valutati con prove meccaniche, di resistenza alla
9