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Recenti sviluppi nei processi di saldatura ad energia concentrata e friction stir welding

Marcello Consonni and Dave Harvey

Paper presented at Giornate Nazionali della Saldatura 4 (National Welding Days), Genova, Italy, on 26 October 2007. Organised by the Italian Institute of Welding (IIS).

Abstract

Modern manufacturing business must innovate to survive, particularly in an environment of increasing competition from low cost manufacturing countries. A global perspective is needed to explore new technological opportunities, andto have the networks and partners at an international level to exploit these opportunities to maximum benefit.

TWI addresses the broad spectrum of the manufacturing base with specific focus on joining and surface engineering technologies - both key enabling technologies with potential for high added value. The company, as a research andtechnology organisation, has a long history of innovation and invention, serving manufacturing industry across the globe. From the earliest cross-flow lasers for materials processing to the latest friction stir welding process, TWI hasdemonstrated innovation that has found major industrial application, leading in some cases to new businesses being established to exploit the technologies developed.

One of the best-known innovations that TWI has patented in the last few years is friction stir welding (FSW). This welding technique has revolutionised the welding of aluminium in particular and has been very influential in a numberof markets, from aerospace to automotive. This paper will cover some of the latest FSW process developments and introduce other recent innovations in laser, electron beam and related materials joining. Specific case study examples willinclude:

  • Innovations in friction stir welding e.g. joining of high strength alloys and durable tool design
  • Reduced Pressure Electron Beam (RPEB)
  • Electron beam surface modification using Surfi-Sculpt and related joining strategies for materials such as composites
  • Development of Direct Metal Laser Deposition (DMLD)

Sommario

L'attivita del Welding Institute (TWI) di Cambridge (UK) si rivolge alla vasta base dell'industria manufatturiera con particolare attenzione alle tecnologie per la giunzione e allo studio dei trattamenti superficiali, campi diricerca strategici e con un potenziale elevato valore aggiunto. Dai primi laser 'cross-flow' per la lavorazione dei materiali fino ai piu recenti processi di saldatura, TWI ha prodotto innnovazioni che hanno trovato importantiapplicazioni industriali, creando in alcuni casi interi nuovi settori di mercato.

Una delle più note tecnologie brevettate da TWI negli ultimi anni è la saldatura mediante 'friction stir' (FSW). Questa tecnologia ha rivoluzionato in particolare la saldatura dell'alluminio ed ha avuto larga influenza susettori industriali quali aerospaziale ed automobilistico. In questa memoria sono descritti i più interessanti ultimi sviluppi del processo FSW, delle tecnologie di saldatura laser e a fascio elettronico, i risultati sperimentaliottenuti e diverse applicazioni a livello industriale.

1. Sommario

Le moderne aziende manufatturiere devono innovare per sopravvivere, in particolare in un clima di crescente competizione da parte dei paesi con manodopera a basso costo. È necessaria una prospettiva globale per esplorare nuovepossibilità e per creare collaborazioni a livello internazionale che sfruttino al massimo queste opportunità. L'attivita di The Welding Institute (TWI) si rivolge alla vasta base dell'industria manufatturiera con particolareattenzione alle tecnologie per la giunzione e allo studio dei trattamenti superficiali, campi di ricerca strategici e con un potenziale elevato valore aggiunto. L'azienda, in quanto organismo di ricerca e tecnologia, ha una provatatradizione di innovazione e sperimentazione al servizio dell'industria mondiale. Dai primi laser 'cross-flow' per la lavorazione dei materiali fino ai più recenti processi di saldatura, TWI ha prodotto innnovazioni che hannotrovato importanti applicazioni industriali, creando in alcuni casi interi nuovi settori di mercato.

Una delle più note tecnologie brevettate da TWI negli ultimi anni è la saldatura mediante 'friction stir' (FSW). Questa tecnologia ha rivoluzionato in particolare la saldatura dell'alluminio ed ha avuto larga influenza susettori industriali quali aerospaziale ed automobilistico. In questa memoria sono descritti i più interessanti ultimi sviluppi del processo FSW e delle tecnologie di saldatura laser e a fascio elettronico, i risultati sperimentaliottenuti e diverse applicazioni a livello industriale.

Esempi specifici riguardano:

  • Innovazioni nella saldatura FSW, come la progettazione di nuovi utensili e lo sviluppo di materiali per utensili a lunga durata.
  • Saldatura a fascio elettronico di componenti di grandi dimensioni in atmosfera.
  • Trattamenti superficiali a fascio elettronico utilizzando il procedimento Surfi-SculptTM e relative tecniche di giunzione per materiali metallici, polimerici e compositi.
  • Sviluppo della tecnologia Direct Metal Laser Deposition (DMLD).

2. Utensili per friction stir welding: progettazione e materiali

2.1 Introduzione

La Friction Stir Welding è stata inventata nel 1991 da TWI, brevettata e successivamente sviluppata per l'impiego nell'industria. [1] Questa tecnologia ha avuto un significativo impatto sulla saldatura delle leghe di alluminio, in particolare per spessori fino a 15mm, e di strutture che prevedano lunghe saldature rettilinee. Sono in corso diversi sviluppi perestendere l'utilizzo del procedimento a spessori più elevati e forme piu complesse e per applicare la FSW a materiali diversi dall'alluminio. Questo si riflette nel crescente interesse per la saldatura di acciai, leghe dimagnesio, titanio, zinco, rame e materiali compositi a matrice metallica. Con l'eccezione del magnesio, tutti questi materiali raggiungono temperature superiori a quelle dell'alluminio durante saldatura, creando una crescente domandadi utensili e materiali di nuova concezione. Il principio base della FSW è schematizzato in Figura 1.

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Figura 1. Illustrazione schematica della Friction Stir Welding (tool=utensile, probe=perno)

2.2 Progettazione di utensili per FSW

La FSW garantisce saldature di alta qualità, a condizione che il procedimento e i suoi diversi parametri siano applicati e controllati correttamente. Un fattore chiave per assicurare saldature di qualità è l'utilizzodi un utensile appropriato: ci sono esempi di utensili che hanno prodotto soddisfacenti saldature testa-a-testa, ma non sono adatti alla saldatura a sovrapposizione, la quale richiede l'utilizzo di utensili modificati per otteneresaldature di larghezza maggiorata e rompere gli inevitabili strati di ossido interfacciale. [2]

A partire dal convenzionale utensile con perno filettato cilindrico, diversi utensili sono stati sviluppati da TWI negli ultimi 16 anni per soddisfare una varietà di materiali, spessori e tipi di giunto, come indicato in Figura 2. Esistono diversi esempi di giunti di buona qualità ottenuti con utensili studiati appositamente per determinate applicazioni. [3,4,5,6,7,8]

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Figura 2. Tipi di perno sviluppati presso TWI e loro utilizzo in funzione del tipo di giunto e dello spessore

Utensili per la saldatura testa-a-testa

Il convenzionale perno filettato cilindrico è adeguato per la saldatura testa a testa di lamiere in alluminio con spessori fino a circa 12mm. Per spessori più elevati, risultano più appropriati utensili con perni dinuova concezione tipo Whorl TM o MX-Triflute TM . I tipici profili di questi utensili sono mostrati nelle Figure 3 e 4. Come indicato in Figura 2, questi hanno al capacità di saldare spessori fino a rispettivamente 50 e 60mm ed hanno il vantaggio di raggiungere velocità di saldatura fino a due volte maggiori rispetto a quelle degli utensiliconvenzionali.

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Figura 3. Varianti dell'utensile tipo Whorl TM

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Figura 4. Tipico utensile MX-Triflute TM (non in scala)

Mettendo a confronto due saldature su lega Al 6082-T6, con velocità di traslazione 4mm/s (240mm/min), eseguite con utensile tipo Whorl TM ( Figura 5) o di tipo MX Triflute TM , si osserva che quest'ultimo produce un nocciolo più stretto e squadrato ( Figura 6). Entrambi i tipi di utensile consentono di ottenere saldature di componenti in lega di alluminio prive di difetti, solitamente valutate mediante prova di piega. Inoltre, i due perni sono dotati di elementi piani oretrattili e, nel caso di alcuni modelli tipo Whorl TM , hanno una sezione trasversale ovale che ne riduce il volume, garantendo un adatto rapporto volumetrico fra materiale investito dal perno in movimento ('swept volume') e volume del perno stesso ('staticvolume').

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Figura 5. Caratteristiche macroscopiche del nocciolo di saldatura eseguita con utensile Whorl TM . Nota: immagine rovesciata

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Figura 6. Caratteristice macroscopiche del nocciolo di saldatura eseguita con utensile MX Triflute TM

Utensili per giunti a sovrapposizione

La saldatura a sovrapposizione mediante FSW è più complicata di quella testa a testa perché:

  • Sono necessarie saldature più larghe per distribuire i carichi in modo appropriato nella struttura.
  • La forma dell'impronta al termine della saldatura deve essere modificata per assicurare massima resistenza (in particolare a fatica).
  • La rottura dello strato di ossido interfacciale è più difficile a causa dell'orientamento dell'interfaccia stessa rispetto all'utensile.

In Figura 7 viene illustrato l'effetto della larghezza della saldatura sulla concentrazione delle tensioni, assumendo che la superficie dell'interfaccia sia simile ( Figure 7a e 7b). Se si applica un carico alle estremità di un giunto non vincolato di questo tipo, si generano carichi eccentrici nella zona di saldatura. Questi possono a loro volta provocare un'indesiderata rotazionedel giunto, come schematizzato in Figura 7(c), la quale può essere minimizzata realizzando saldature di larghezza maggiore, vedi Figura 7(d). L'esecuzione di saldature a doppia sopvrapposizione ridurrebbe ulteriormente questo effetto. [9]

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Figura 7. Confronto fra le distribuzioni delle tensioni:

a) saldatura stretta=elevata concentrazione;

b) saldatura larga= bassa concentrazione;
c) saldatura stretta, non vincolata, dopo applicazione del carico;
d) saldatura larga, non vincolata, dopo applicazione del carico

Per modificare la forma dell'impronta lasciata al termine della saldatura si stanno sviluppando particolari utensili, in particolare i tipi A-Skew TM e Flared-Triflute. La variante tipo Skew-Stir TM della FSW, ottenuta con utensili A-Skew TM , si differenzia dai metodi convenzionali per la leggera inclinazione (skew) data all'asse dell'utensile rispetto all'asse di rotazione, illustrata in Figura 8. La caratteristica principale degli utensili con perno tipo Triflute è la possibilità di esser progettati con qualsiasi combinazione perno/spigoli intagliati, a seconda del materiale e della configurazionedel giunto, [10] come mostrato in Figura 9(a-c). Il particolare (d) in Figura 9 mostra inoltre che i singoli spigoli di un perno possono essere sagomati in modo indipendente. Questo consente di deviare il materiale plasticizzato e l'ossido frammentato verso l'alto o verso il basso per ogniintervallo di rotazione dell'utensile di 120 gradi. In aggiunta, la profondità di penetrazione può essere regolata per particolari configurazioni del giunto.

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Figura 8. Principio di base dell'utensile tipo Skew-Stir TM , sono indicati i diversi punti focali

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Figura 9. Varianti dell'utensile tipo Flared-Triflute TM :

a) perno 'neutral';

b) perno 'left hand';
c) perno 'right hand';
d) dettaglio dello spigolo 'neutral', 'left' o 'right-handed'

In Figura 10 è riportata la sezione trasversale di una saldatura eseguita con utensile tipo Flared Triflute TM su lamiere in lega di Al 5083-O di spessore 6mm , velocità di traslazione pari a 4mm/s (240mm/min). In questo esempio la larghezza del nocciolo della saldatura è pari a circa il 190% dello spessoredella lamiera (il corrispondente dato ottenuto con utensili convenzionali è circa 110%), si osserva inoltre un leggero assottigliamento della lamiera superiore. Si sono raggiunti risultati promettenti anche con l'utilizzo diutensili tipo A-Skew TM [8] , vedi saldatura in Figura 11 ottenuta nelle stesse condizioni. Prove di piega eseguite su questi giunti hanno dimostrato che la frammentazione dell'ossido all'interfaccia fra le lamiere è molto più efficace rispetto a quella ottenutacon utensili convenzionali. Questi ultimi tendono a fallire la prova di piega nella fase iniziale, mentre utensili Flared-Triflute TM e A-Skew TM producono giunti in grado di sopportare piegature ad 'S' (tipicamente più di 90° per entrambe le lamiere). Fra i due, gli utensili tipo A Skew TM danno resultati leggermente migliori e più regolari. [2]

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Figura 10. Saldatura a sovrapposizione eseguita con Flared-Triflute TM

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Lega Spessore Materiale dell'utensile Stato
Tutte le comuni leghe di Al <12mm AISI H-13, AISI M42, altri Commercializzato
Tutte le comuni leghe di Al eccetto serie 7xxx <25mm AISI H-13, AISI M42, altri Commercializzato e sviluppo avanzato
Leghe di Al della serie 7xxx >12mm Acciai per utensili, Lega di Cobalto MP159 Sviluppo avanzato
Cu e sue leghe Tutti Lega di Cobalto MP159, Leghe di Ni, WC-Co Sviluppo avanzato
Leghe di Mg <10mm AISI H-13 e altri Sviluppo
Leghe di Ti <6mm W-25Re
Acciao al C-Mn <10mm W-25Re
Acciai inossidabili <6mm W-25Re, PCBN
Leghe di Ni <5mm PCBN
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Figura 12. Utensili per FSW:

a) materiale refrattario (W-Re);

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b) materiale ceramico;

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c) PCBN

Materiali ceramici

Un numero ridotto di studi è stato eseguito sui materiali ceramici ( Figura 12b), a causa della loro scarsissima tenacità. Si deve sottolineare che la maggioranza delle machine rotanti (incluse quelle per FSW) produce sforzi irregolari sugli utensili, portando rapidamente a rotture di tipofragile.

Polycrystalline Cubic Boron Nitride (PCBN)

Il PCBN è un materiale estremamente duro che puo' essere prodotto sinteticamente, i risultati di studi preliminari sono piuttosto promettenti. Il costo dell'utensile è molto alto e la complessità del design potrebbeinizialmente essere limitata. I primi studi su questo tipo di materiale per utensili sono stati pubblicati da Sorensen, [12] il quale ha dimostrato che utensili in PCBN possono produrre saldature di elevate qualità in acciai inossidabili austenitici (sono state seguite saldature di lamiere in AISI 316L fino a 5mm di spessore), sebbene una grandecura sia necessaria nel controllo del procedimento, in particolare per mantenere la temperature dell'utensile entro una specifico intervallo. Il PCBN ha un'eccellente resistenza all'alta temperatura, è chimicamente inerte eresistente all'abrasione. D'altra parte, la durata dell'utensile nel lungo termine deve ancora essere dimostrata e date le difficoltà di lavorazione, i profili degli utensili che possono essere utilizzati sono limitati ( Figura 12c), riducendo il potenziale di questi materiali.

3 Reversal Stir - Re-Stir TM

In questo capitolo sono descritti gli studi preliminari eseguiti da TWI sulla saldatura Re-Stir TM . La principale caratteristica di questo procedimento è la rotazione dell'utensile, che avviene in direzioni opposte alternate. In Figura 13 sono illustrate le due varianti del processo: ossia la saldatura tipo 'angular reciprocating', nella quale l'inversione è eseguita ad ogni rotazione, e la saldatura tipo 'rotary reversal', per la qualel'inversione è applicata dopo una o più rotazioni.

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Figura 13. Principio del procedimento Re Stir TM con tecnica ad inversione

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Figura 14. Aspetto superficiale di una saldature Re-Stir TM su lamiera in lega di Al 5083-O, spessore 6mm

L'uso del procedimento Re-stir TM produce una saldatura ciclica e un'azione essenzialmente simmetrica sul materiale. La maggior parte dei problemi associati all'asimmetria intrinseca della FSW convenzionale sono evitati. In Figura 14 è illustrata la superficie di saldatura ottenuta con una velocità di traslazione di 1,6 mm/sec (96mm/min), applicando 5 rotazioni per intervallo. In Figura 15 è riportato il dettaglio superficiale diuna saldatura eseguita alla velocità di 4mm/s (240mm/min), applicando 10 rotazioni per intervallo. La maglia fine indica il numero di rotazioni e l'estensione di ogni intervallo, mentre la maglia meno frequente e piùgrossolana indica le posizioni in cui è stato invertito il senso di rotazione. La distanza e l'intervallo di tempo fra i diversi periodi dipende dalla velocità di rotazione e di traslazione.

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Figura 15. Immagine ravvicinata della superficie di una saldatura Re-Stir TM

Diverse sezioni di una saldatura Re-Stir TM a sovrapposizione eseguita con velocità di saldatura 3,3mm/s (198mm/min), 10 rotazioni per intervallo, sono riportate in Figura 16. La saldatura è stata eseguita su lega di alluminio 5083-O, usando unutensile tipo Flared-Triflute TM . In Figura 16(a) si nota il profilo a coda di rondine del nocciolo saldato, essenzialmente simmetrico. Il volume di materiale ricalcato è approssimativamente costante per entrambi i lati della saldatura, si osserva inoltre unindesiderabile assottigliamento della lamiera dovuto al fatto che i parametri non fossero stati ottimizzati. La sezione longitudinale in Figura 16(b) è stata ricavata nell'estremità del nocciolo saldato e mostra gli effetti della variazione della rotazione. La vista piana in Figura 16(c) mostra il nocciolo saldato con profilo che si ripete regolarmente, circondato dalla ZTA. È stato provato che durante la fase di inversione, parte del materiale plasticizzato vicino al perno è'rimescolato' nella direzione opposta.

Il procedimento Re-stir TM richiede ulteriore optimizzazione per ottenere saldature di qualità ripetibile ma le prove preliminari eseguite indicano diversi miglioramenti soprattutto in termini di simmetria della saldatura.

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Figura 16(a). Sezione trasversale di una saldatura Re-Stir TM

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Figura 16(b). Sezione longitudinale di una saldatura Re-Stir TM

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Figura 16(c). Sezione longitudinale di una saldatura Re-Stir TM , su piano parallelo alla superficie della lamiera

4 Saldatura a fascio elettronico di componenti di grandi dimensioni senza applicazione del vuoto

4.1 Introduzione

Un fascio elettronico (Electron Beam - EB), usato in saldatura, ha la peculiarità di raggiungere elevate penetrazioni in ambiente posto sotto vuoto, che consentono di produrre giunti e superfici di elevata pulizia. Lacapacità di saldare materiali di elevato spessore (25-150mm) in una singola passata è stato uno dei motivi trainanti per lo sviluppo di sistemi per saldatura EB ad alta potenza, con la possibilità di ottenere elevataproduttività e precisione nella fabbricazione. Il fatto che si debba necessariamente operare in condizioni di vuoto spinto ha finora impedito l'utilizzo di questo processo nella fabbricazione di strutture di grandi dimensioni,data la difficoltà di giustificare i costi di costruzione ed esercizio di grandi camere a vuoto. Questi difetti della saldatura EB in vuoto spinto (5 x 10 -3 mbar) hanno stimolato negli anni '90 la ricerca presso TWI e in particolare lo sviluppo di due varianti del processo:

  • Saldatura a fascio elettronico sotto pressione ridotta (Reduced Pressure Electron Beam - RPEB)

  • Saldatura a fascio elettronico in atmosfera (Non Vacuum Electron beam - NVEB)

4.2 Saldatura a fascio elettronico sotto pressione ridotta (RPEB)

Il procedimento RPEB consente di eliminare la necessità di operare in una camera a vuoto, grazie all'utilizzo di sistemi locali per il pompaggio e la sigillatura su grandi strutture. L'utilizzo di questo sistema, soprattutto secomparato con le tradizionali operazioni sotto vuoto spinto, riduce sensibilmente i problemi nel raggiungere un'adeguata sigillatura dei componenti, inoltre si elimina l'effetto delle emissioni del bagno e del gas rilasciato dalcomponente ('outgassing') sulle prestazioni della testa di saldatura. Negli anni '90, TWI ha sviluppato un sistema che consente il funzionamento di una sorgente di elettroni di elevata potenza, in ambiente mantenuto a pressione di0,1-10mbar, definita 'Pressione ridotta'. Questo concetto è stato sperimentato nei laboratori di TWI, dimostrando la possibilità di saldare con successo condotte offshore di elevato spessore e diametro. Si sono ottenutesaldature in regime di pressione ridotta caratterizzate da elevata qualità, ripetibilità dei risultati e importanti progressi nelle tolleranze del procedimento, rispetto ai convenzionali procedimenti di saldatura EB. Unesempio di saldatura circonferenziale su tubo in acciaio al carbonio, ottenuta sotto pressione di 1mbar, è mostrato in Figura 17. Per questo giunto si sono utilizzati tubi in acciaio X65 secondo API 5L, con spessori rispettivamente pari a 25mm (diametro 10,75") e 41mm (diametro 28"). Le saldature sono state eseguite con distanza testa-pezzorispettivamente pari a 270mm and 50mm.

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Figura 17. Sezione trasversale di saldature RPEB welds su tubi in acciao al C-Mn

Fino ad ora, il procedimento RPEB è stato applicato con successo anche su acciai inossidabili, leghe di nickel e leghe di rame come su leghe di alluminio e titanio con risultati simili a quelli ottenuti con i processi sottovuoto spinto. Inoltre è stato possibile applicare tolleranze maggiori su variabili quali i dettagli per la preparazione dei materiali e l'affidabilità del sistema. Questo è illustrato dall'esempio in Figura 18, la quale mostra una lamiera di acciaio inossidabile tipo AISI 304L (80mm di spessore), saldata alla pressione di 1mbar con disallineamento e luce pari rispettivamente pari a 5mm e 1mm (misure approssimative),velocità di saldatura 200mm/min e un fascio elettronico da 35kW. Diverse applicazioni industriali di questo processo potrebbero essere promosse attraverso l'ulteriore sviluppo di equipaggiamenti per la sigillatura locale di facileapplicazione, questi sono attualmente oggetto di studio presso TWI.

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Figura 18. Sezione trasversale di una saldatura EB su lamiera in acciaio inossidabile tipi AISI 304L

4.3 Saldatura a fascio elettronico in atmosfera (NVEB)

I più recenti sviluppi del processo NVEB presso TWI hanno migliorato in modo significativo la consistenza della qualità dei giunti, ovvero il principale svantaggio della saldatura a pressione atmosferica. Il processo NVEBpresenta vantaggi simili a quelli del RPEB, in particolare l'eliminazione della necessità di una camera a vuoto e la capacità di saldare spessori elevati con una singola passata. Per contro si osserva dispersione del fascio,dovuta alla collisione degli elettroni con gas a pressione atmosferica e la distanza di lavoro è stata limitata a 30mm o meno, quindi la massima penetrazione raggiungibile in acciaio è inferiore a 50mm. I tentativi di saldaresezioni di maggiore spessore hanno prodotto saldature difettose e di larghezza eccessiva. Un nuovo approccio che promette miglioramenti sostanziali nella penetrazione di saldatura del NVEB prevede l'utilizzo di un fascio pulsato. In unrecente programma di ricerca presso TWI, è stato osservato che la penetrazione in acciaio puo' essere aumentata del 50% in contemporanea con una riduzione della larghezza di saldatura, in particolare nelle vicinanze della passatasuperiore. La pulsazione sembra inoltre alterare i meccanismi di solidificazione che solitamente causano la formazione di cricche nelle saldature NVEB di elevato spessore.

In Figura 19 è mostrata una linea di fusione eseguita in posizione piana in acciaio bassolegato di spessore 22m cn elevato fattore di forma, utilizzando un fascio elettronico pulsato a pressione atmosferica. Si nota che ilmateriale fuso ha margini pressoché paralleli, con una punta ben arrotondata. Ad esclusione di porosità minori la saldatura è sana.

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Figura 19. Linea di fusione NVEB

5. Trattamento superficiale mediante fascio elettronico (Surfi-Sculpt TM )

Sebbene il procedimento di saldatura mediante fascio elettronico sia diffusamente applicato su materiali metallici, non è altrettanto conosciuto per le sue capacità di trattamento superficiale. Negli ultimi anni, lamodificazione della morfologia superficiale ('texturing') è stata sviluppata al punto da poter essere sfruttata commercialmente. Il processo è basato sulla manipolazione magnetica del fascio a velocità molto elevata suuna superficie, in modo da lasciare una trama di micro avvallamenti locali creati dalla fusione del materiale. Il fascio fonde il materiale localmente e vaporizza la superficie, a causa della pressione di vapore il materiale fusoè spinto dal bagno verso le aree circostanti formando incavi di piccole dimensioni e contemporaneamente viene manipolato in modo da formare dei particolari elementi tridimensionali, anche detti 'feature' ( Figura 20). Una finitura di questo tipo aumenta la superficie totale e migliora enormemente l'adesione di rivestimenti come PVD (Physical Vapour Deposition) o thermal spray.

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Figura 20. Principio del processo Surfi-Sculpt TM

Il processo Surfi-Sculpt TM rappresenta un'estensione di questa operazione di texturing superficiale ed è una nuova e rivoluzionaria tecnologia di lavorazione dei materiali che permette di ottenere elementi superfici con tramaestremamente controllata e puo' essere sviluppata su una vasta gamma di materiali, principalmente metalli ma anche polimerici e ceramici. [13,14] I singoli micro-elementi ottenuti mediante Surfi-Sculpt? sono sviluppati utilizzando una serie di bobine per la focalizzazione iniziale del fascio, che viene quindi deviato su punti selzionati della superficie del materiale inmodo estremamente rapido e controllato. In ogni punto si forma un bagno fuso, il fascio viene poi spostato lateralmente e il materiale fuso è spinto verso le aree circostanti. Ripetendo questo processo in diverse 'microzone', sipossono formare feature fino a 2mm di altezza e 0.2mm di larghezza, ognuna delle quali è accompagnata da uno o più micro avvallamenti ( Figure 21 e 22).


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Figura 21. Esempio delle morfologie ottenibili con processo Surfi-Sculpt TM su lega di Ti

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Figura 22. Elementi tridimensionali (feature) con elevato fattore di forma

5.1 Percorsi di ricerca

A partire dalla prime macchine a fascio elettronico ('HS2'), TWI ha portato a termine programmi sperimentali con altri cinque sistemi. Inoltre, due macchine dedicate allo sviluppo di Surfi-Sculpt TM sono attualmente in costruzione e altre tre macchine EB saranno modificate per permettere lo sviluppo di questa tecnologia ( Figura 23).

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Figura 23. Lo sviluppo del processo Surfi-Sculpt TM si sta alargando per soddisfare la ricerca e le future necessità dell'industria

I principali progetti di ricerca riguardano le seguenti tecnologie:

  1. Macro Surfi-Sculpt. Sono stati ottenuti texturing superficiali con feature di almeno 10mm in altezza, utilizzando fasci ad alta energia (~5kW e oltre).

  2. Micro Surfi-Sculpt. Sono stati ottenuti texturing superficiali con feature di dimensioni ridotte fino a ~30µm di larghezza, utilizzando macchine sperimentali con fascio elettronico di 'alta intensità'.

  3. Laser Surfi-Sculpt. È stato dimostrato come il processo Surfi-Sculpt sia applicabile anche utilizzando un raggio laser. I progressi ottenuti finora sono limitati essenzialmente dalla disponibilità di sistemi per la manipolazione del raggio laser. Il potenziale effettivo di questa variazione del procedimento e le differenze fra fascio elettronico e laser nell'interazione con il materiale sono al momento sconosciuti. A questo scopo, sono in corso attività di ricerca.

  4. Low voltage Surfi-Sculpt. Per il momento, questo procedimento è stato applicato con potenziali acceleranti fra 60 e 130kV. Comunque, sono in corso progetti per lo sviluppo di apparecchiature a fascio elettronico progettate per operare a 20-60kV.

  5. Sequential indexed multiplex (SIM) Surfi-Sculpt. L'utilizzo di questa tecnologia aumenta la complessità e sequenzialità del procedimento. Questo permette la formazione di feature più complesse, mantenendo gli intervalli desiderati fra le operazioni in punti sovrapposti o adiacenti.

5.2 Sviluppo delle applicazioni di Surfi-Sculpt TM

Le possibilità di applicazione e le implicazioni delle diverse tecnologie Surfi-Sculpt TM coprono una vasta gamma di procedimenti e lavorazioni. Alcuni dei possibili utilizzi a livello industriale sono:

  • Giunzione fra materiali polimerici e metalli, Comeld TM .
  • Miglioramento degli accoppiamenti con adesivo.
  • Preparazione di superfici da rivestire, in modo da migliorare le prestazioni del rivestimento ( Figura 24).
  • Incollaggio e stampaggio diretto di materiali polimerici su elementi metallici.
  • Produzione di superfici con migliorata aerodinamicità/fluidodinamicità.
  • Produzione di superfici collegate meccanicamente (aggraffate).
  • Produzione di filtri ed altre appplicazioni che richiedano guide di forme diverse e fori, ad esempio per miscelare gas o liquidi.
  • Produzioni di superfici per collegamento diretto di metalli attraverso deformazione o incastro.
  • Produzione di superfici con proprietà termiche avanzate ( Figura 25).
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Figura 24. Sezione di un rivestimento in allumina su titanio, ottenuto con Surfi-Sculpt TM

 

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Figura 25. Gli elementi aerodinamici permetterebbero trasferimento di calore con minore resistenza, feature curve potrebbero essere utilizzate per aumentare la vorticità

6. Direct metal laser deposition

6.1 Introduzione

Nel processo Diret Metal Laser Deposition (DMLD) viene utilizzato un raggio laser su substrato metallico per formare un bagno fuso, il quale viene alimentato attraverso un apposito ugello con polvere metallica (Figura 26), la qualeforma un deposito di materiale fuso che si lega al substrato. Sia il raggio laser che l'ugello attraverso quale viene inettata la polvere sono manipolati mediante un robot o un sistema mobile (gantry system). Il processo è ancheconosciuto come placcatura laser (laser cladding), deposizione laser (laser deposition), laser engineering net shape (LENS), e laser additive manufacture (LAM). L'espressione 'deposizione laser' è generalmente utilizzata quando sirealizzano dei prodotti finiti o si riparano parti relativamente intatte che non possono operare a causa di usura o danneggiamenti localizzati. I termini 'rivestimento' e 'placcatura' si riferiscono generalmente alla deposizione disottili strati di materiale (tipicamente spessori da 1 a 3mm) su un substrato, per migliorare proprietà superficiali quali durezza e resistenza a corrosione o usura.

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Figura 26. Polvere iniettata attraverso un ugello per DMLD

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Figura 27. Sistema per deposizione laser in funzione presso TWI

6.2 Macchinari e applicazioni

Le macchine utilizzate per la deposizione mediante laser sono cambiate significativamente negli ultimi 20 anni. Data la somiglianza delle funzioni eseguite, lo sviluppo di sistemi per la realizzazione rapida di prototipi haaccelerato quello dei sistemi per la deposizione laser. Questa inizialmente prevedeva un singolo ugello diretto verso il bagno fuso creato mediante la focalizzazione di un raggio laser CO 2 . Il concetto originale è oggi applicato attraverso centri di calcolo che controllano ugelli brevettati, utilizzando sistemi informatici integrati, software CAD tridimensionale e sistemi a controllonumerico, vedi Figura 27. Grazie a questi sistemi è possibile ottenere componenti tridimensionali di geometria limitata per deposizione di strati successivi (build up), ognuno dei quali si miscela e fonde al precedente, come mostrato inFigura 28. In questo modo, si possono formare strutture con orientamento preferenziale dei grani. Lavorazioni successive, come finitura e trattamenti termici possono essere richieste a seconda delle applicazioni. Il processoDMLD è flessibile, i parametri possono essere controllati facilmente per ottimizzare la resa della deposizione, la finitura superficiale e la qualità metallurgica, in funzione dei requisiti del prodotto.

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Figura 28. Elemento dimostrativo in superlega di Ni, realizzato presso TWI mediante deposizione laser

Il principale mercato per applicazioni industriali del procedimento DMLD è la riparazione di parti usurate o con danni localizzati, tipicamente componenti e pale di turbine, utilizzando leghe di Fe, Ni o Ti. Altre applicazioniindustriali affermate includono: deposizione di rivestimenti resistenti ad usura su componenti per trivellazione nel settore Oil&Gas; rivestimento di strumenti medicali e riparazione delle superfici di utensili per stampi.

In Gran Bretagna, aziende quali Centrax, Wood Group, Rolls Royce e General Electric utilizzano macchine per la riparazione di componenti di turbine. Sebbene il procedimento DMLD non sia largamente conosciuto nell'industria, il suoutilizzo è sorprendentemente comune. La maggior parte dei principali produttori di motori a turbina gas o vapore, fra i quali le già citate General Electric e Rolls Royce, Pratt & Whitney, Siemens, MTU, Alstom eHoneywell, utilizzano sistemi DMLD direttamente o all'interno di consorzi industriali. Inoltre, diversi fornitori di manutenzione, riparazione e operazioni non-OEM (Original Equipment Manufacturer), utilizzano sistemi DMLD, fra questiWood Group, Centrax, Sulzer, SR Technics, KLM e Technogenia (prodotti di saldatura resistenti ad abrasione basati su carburi di Tungsteno).

L'interesse attuale riguarda principalmente la riparazione ma, già nel breve-termine, il principale potenziale del procedimento è previsto nella realizzazione di componenti 'ibridi', ottenuti in parte con processiconvenzionali e in parte mediante DMLD, che consenta la riduzione dei costi di lavorazione. La deposizione laser è una tecnologia essenziale per la costruzione ibrida vista la sua natura additiva, opposta a quella 'sottrattiva'delle convenzionali lavorazioni di macchina o per erosione. Guardando al futuro, la deposizione mediante laser puo' essere utilizzata per ottenere determinate microstrutture o proprietà metallurgiche nei materiali, e costruirestrutture uniche, data la configurazione a strati del build-up.

7. Ringraziamenti

Gli autori intendono ringraziare i colleghi che hanno contribuito alla realizzazione di questo articolo: Wayne Thomas, Phil Threadgill e Jonathan Martin (FSW), Chris Punshon (Non-Vacuum Electron Beam Welding), Bruce Dance(Surfi-Sculpt) e Phil Carrol (DMLD).

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