Formability and Microstructure of Dissimilar Aluminium Tailor-Welded Blanks (TWBs) Joined using Friction Stir and Gas Tungsten Arc Welding
Questo studio dimostra che la saldatura per rimescolamento (Friction Stir Welding - FSW) produce lamiere accoppiate su misura di alluminio dissimili con una formabilità significativamente superiore e una regione di conformazione sicura più ampia rispetto alla saldatura ad elettrodo rivestito (Gas Tungsten Arc Welding - GTAW), come evidenziato dai test di Nakazima che mostrano giunti FSW con una capacità di spostamento di circa il 152% superiore.
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Nel mondo della manifattura moderna, la spinta a costruire veicoli e velivoli più leggeri ed efficienti ha spinto gli ingegneri a ripensare il modo in cui vengono realizzate le parti metalliche. Invece di stampare un singolo foglio di alluminio in una forma complessa, i progettisti spesso tagliano fogli diversi da differenti leghe di alluminio e li saldano insieme prima di modellarli. Questo approccio, noto come blank cucito (tailor-welded blank), permette, ad esempio, che una portiera di un'auto sia resistente dove necessario e leggera dove non lo è. Tuttavia, il processo di unione di questi metalli diversi crea un punto debole. Quando la parte finale viene tesa o piegata nella sua forma definitiva, la saldatura spesso si crepa o si lacera prima che il resto del metallo ceda. Per prevenire questo, i produttori si affidano a una mappa chiamata diagramma del limite di deformazione, che funge da tabella di sicurezza indicando esattamente quanto un pezzo specifico di metallo possa allungarsi in diverse direzioni prima di cedere. La sfida è sempre stata trovare un modo per saldare questi fogli dissimili tra loro senza rovinare la loro capacità di deformarsi.
I ricercatori dell'Università di Tecnologia di Arak si sono posti l'obiettivo di risolvere questo problema confrontando due modi molto diversi di unire i fogli di alluminio. Hanno preso tre tipi comuni di lega di alluminio — AA1200, AA3105 e AA5052 — ciascuno spesso due millimetri, e hanno creato coppie di fogli dissimili. Hanno unito queste coppie utilizzando due metodi distinti. Il primo è la saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno (Gas Tungsten Arc Welding), una tecnica tradizionale in cui un arco elettrico fonde il metallo per unirlo, molto simile a un saldatore ma molto più caldo. Il secondo è la saldatura per attrito (Friction Stir Welding), un processo allo stato solido in cui uno strumento rotante preme sul metallo e ruota rapidamente, generando calore attraverso l'attrito finché il materiale non diventa morbido e plastico, permettendo allo strumento di mescolare i due fogli senza mai fonderli. Il team ha poi sottoposto i fogli saldati a un test rigoroso in cui un punzone arrotondato premeva contro di essi finché non si tendevano e infine si rompevano, mappando esattamente quanto lontano potessero arrivare prima di cedere.
I risultati hanno rivelato un chiaro e significativo vantaggio per il metodo basato sull'attrito. Quando i ricercatori hanno tracciato le prestazioni dei fogli saldati sulle loro mappe di sicurezza, le giunzioni create dal processo di saldatura per attrito mostravano costantemente un'area di sicurezza molto più ampia rispetto a quelle realizzate con la tradizionale saldatura ad arco. In termini pratici, ciò significa che i fogli saldati per attrito potevano essere tesi molto di più in ogni direzione senza lacerarsi. Una specifica combinazione di leghe di alluminio unite tramite saldatura per attrito ha dimostrato una capacità di allungamento superiore al doppio rispetto alla sua controparte unita con la saldatura ad arco prima di cedere. Mentre i fogli saldati tradizionali spesso si crepavano proprio sulla linea di giunzione dove i due metalli si incontravano, i fogli saldati per attrito resistevano così bene che solitamente si rompevano nel metallo base più debole nelle vicinanze, lasciando intatta la saldatura stessa.
Questa differenza di prestazioni deriva da ciò che accade all'interno del metallo a livello microscopico. Quando la tradizionale saldatura ad arco fonde l'alluminio, il metallo liquido si raffredda e si solidifica in una struttura grossolana e irregolare, incline a difetti come piccoli fori e crepe. Queste imperfezioni agiscono come punti di partenza per le lacerazioni quando il metallo viene teso. Al contrario, il processo di saldatura per attrito non fonde mai il materiale. Invece, l'intenso calore e la pressione causano il riarrangiamento dei grani metallici, rendendoli molto più fini e uniformi. Questa struttura raffinata distribuisce lo stress uniformemente attraverso la giunzione, ritardando il momento in cui può iniziare una crepa. I ricercatori hanno scoperto che le giunzioni saldate per attrito non solo sopportavano più deformazione, ma coprivano anche un intervallo più ampio di direzioni di allungamento, permettendo la formazione di forme più complesse senza cedimenti.
Lo studio è concluso che, per la produzione di parti in alluminio leggere e dissimili che devono essere modellate dopo essere state unite, il metodo della saldatura per attrito è la scelta superiore. Esso preserva la capacità naturale del metallo di deformarsi, mentre il metodo tradizionale di fusione tende a indebolire tale capacità. Evitando il ciclo di fusione e solidificazione, il processo di saldatura per attrito crea un legame che non è solo forte, ma anche abbastanza flessibile da resistere ai rigori della moderna produzione. Questo risultato suggerisce che le industrie che mirano a costruire strutture più leggere possono fare affidamento su questa tecnica allo stato solido per produrre componenti di alta qualità e formabili che sarebbero altrimenti troppo rischiosi da fabbricare con le vecchie tecnologie di saldatura.
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