Pannelli irrigiditi assemblati mediante Friction Stir Welding
L’uso di pannelli irrigiditi è stato ampiamente sviluppato nell’industria. Questi pannelli di alluminio sono costituiti da una lastra, la cosiddetta pelle, e da irrigidimenti. Questi irrigidimenti hanno il vantaggio di aumentare notevolmente la rigidità a flessione o a instabilità delle lamiere di alluminio. A causa delle caratteristiche meccaniche di questi pannelli, per molto tempo la rivettatura o la saldatura MIG sono stati gli unici processi disponibili per l’assemblaggio di queste parti. Oggi la saldatura FSW di pannelli irrigiditi sta diventando sempre più popolare nelle industrie high-tech. La tecnologia della saldatura FSW consente di produrre pannelli irrigiditi più leggeri e più resistenti.
Definizione e caratteristiche tecniche dei pannelli irrigiditi
Definizione e caratteristiche tecniche dei pannelli irrigiditi
Un pannello irrigidito è un pezzo di alluminio composto da 2 parti:
Questi irrigidimenti consistono in elementi longitudinali solidali con la pelle per tutta la loro lunghezza. Esistono due tipi di irrigidimenti:
Caratteristiche speciali dei pannelli irrigiditi
I pannelli irrigiditi hanno caratteristiche tecniche particolari che li rendono difficili da saldare con le tecniche di saldatura convenzionali.
Pannelli irrigiditi in alluminio ad alta resistenza
I pannelli irrigiditi sono realizzati in leghe di alluminio. Nell’industria aerospaziale, i componenti sono realizzati principalmente in alluminio 2000 o 7000. La serie 2000 si distingue per l’elevata resistenza al calore. La famiglia di alluminio 7000 è apprezzata per la sua elevata resistenza meccanica. Queste leghe hanno caratteristiche tecniche eccellenti, ma sono suscettibili alla corrosione. Questi gradi sono anche noti per essere difficili da saldare, tranne che per FSW.
Nella costruzione navale, i pannelli irrigiditi sono realizzati in alluminio 5000, noto per la sua buona deformabilità e resistenza alla corrosione.
Pannelli irrigiditi longitudinalmente
I pannelli irrigiditi sono parti metalliche molto lunghe, fino a 12 metri. Le dimensioni del pezzo sono un fattore importante nella scelta della tecnica di giunzione. Inoltre, durante il processo di saldatura, è necessario un serraggio locale per tenere questi pannelli di grandi dimensioni. Per tenere i pezzi durante il processo di giunzione si utilizzano sistemi di serraggio speciali.
Pannelli irrigiditi longitudinalmente: ponti per traghetti veloci – Marine Aluminium Norway
Geometria dei pannelli irrigiditi
I pannelli in alluminio irrigidito hanno una geometria particolare (a T, rettangolare, triangolare, omega). Questa caratteristica geometrica li rende difficili da saldare con i processi tradizionali.
Inoltre, gli irrigidimenti sono realizzati con un processo di produzione chiamato “estrusione”. Questo processo di produzione meccanica consiste nel comprimere sotto pressione un materiale in una determinata forma. I pezzi risultanti possono variare in geometria, spessore e planarità. È quindi essenziale eseguire l’operazione di saldatura con la testa FSW controllando la forza e non la posizione.
Esempi di applicazioni di pannelli irrigiditi nei settori industriali
I pannelli irrigiditi sono comunemente utilizzati in diversi settori industriali e civili: aerospaziale, ingegneria civile, automobilistico, aeronautico e navale. I pannelli irrigiditi offrono infatti diversi vantaggi per le industrie avanzate. Il loro vantaggio principale è quello di aumentare in modo significativo la rigidità a flessione o a instabilità del pannello, garantendo al contempo un volume minimo di materiale aggiuntivo. Stirweld collabora con clienti del settore aerospaziale e navale per la produzione di queste strutture irrigidite.
Pannelli irrigiditi per il settore aerospaziale
L’aerospaziale è un settore in cui i pannelli irrigiditi trovano molte applicazioni. Questi pannelli irrigiditi vengono utilizzati per sostituire lunghe strutture piane. Con la saldatura FSW di questi pannelli irrigiditi, è possibile migliorare le prestazioni specifiche del pezzo. La saldatura FSW evita la necessità di forare durante la rivettatura e l’intrinseca riduzione della resistenza (soprattutto a fatica, a causa della concentrazione di tensioni creata dal foro del rivetto).
I pannelli auto-rinforzati sono presenti nei pavimenti di aerei e velivoli. L’Eclipse 500, classificato come aereo a reazione leggero, era dotato di pannelli irrigiditi in alluminio.
I pannelli irrigiditi sono utilizzati anche nella produzione di serbatoi in alluminio. Queste strutture più piccole e leggere sostituiscono i serbatoi di grandi dimensioni, liberando spazio e riducendo il peso dell’attrezzatura.
Produzione di pannelli aeronautici a basso costo mediante FSW di profili a T e piegatura
Nell’ambito della transizione energetica, l’uso di pannelli in alluminio sta diventando uno standard nella cantieristica europea. L’alluminio ha il vantaggio di essere un metallo leggero, non corrosivo e riciclabile. La saldatura di pannelli irrigiditi mediante FSW si sta quindi sviluppando nel settore marittimo.
I pannelli irrigiditi sono utilizzati in particolare nella progettazione di ponti per una maggiore durata.
400 000 m di saldatura senza difetti di saldatura per la costruzione di navi europee
Processi di giunzione convenzionali per pannelli irrigiditi: giunti meccanici
La pelle e l’irrigidimento, che costituiscono il pannello irrigidito, sono per lo più uniti con processi di giunzione meccanica. Le tecniche di giunzione più comuni sono la rivettatura e l’avvitamento.
L ‘incollaggio dei metalli è un processo di giunzione recente e in crescita. L’incollaggio è utilizzato in particolare nell’industria aeronautica. Tuttavia, questa tecnica offre una resistenza inferiore rispetto ad altri processi meccanici esistenti. Inoltre, l’incollaggio dell’alluminio richiede un’estrema pulizia delle superfici da incollare, che richiede un’incisione chimica inquinante e costosa.
Infine, è molto difficile saldare i pannelli irrigiditi con i processi di saldatura ad arco convenzionali come TIG o MIG: presenza di porosità o incollamento nella saldatura, criccatura a caldo di alcune leghe di alluminio non saldabili (6000, 2000 e 7000). In effetti, le leghe di alluminio utilizzate (6000, 2000 e 7000) e la geometria dei pezzi richiedono una tecnica di saldatura più avanzata come la FSW. Perché? Perché con la FSW non si raggiunge il punto di fusione e quindi non c’è il rischio di porosità, incollaggio o cricche a caldo.
Rivettatura di pannelli irrigiditi
La rivettatura è un processo per unire due o più parti in modo permanente. Le parti da unire vengono forate per posizionare il rivetto. Sviluppatasi in concomitanza con l’uso intensivo dell’acciaio, la rivettatura è il metodo più conosciuto e rinomato di unione permanente. I principali vantaggi della rivettatura sono la durata del dispositivo di fissaggio e la sua precisione. A differenza dell’avvitamento, la rivettatura ha il vantaggio di non dover introdurre alcuna filettatura.
Tuttavia, le vibrazioni e i cicli di fatica delle strutture su cui sono installati i pannelli irrigiditi possono portare alla formazione di cricche nei fori dei rivetti. È quindi necessario un controllo regolare dei rivetti per garantire l’affidabilità a lungo termine della struttura. La foratura dei componenti da unire rende inoltre il pezzo suscettibile alla corrosione.
Avvitare i pannelli irrigiditi
L’avvitamento consiste nell’unire due o più parti per compressione mediante una vite di fissaggio.
Come nel caso della rivettatura, la foratura per l’assemblaggio di pannelli rigidi comporta una debolezza della struttura finale. Infatti, questa tecnica di fissaggio prevede una foratura che rende il pezzo assemblato vulnerabile alla corrosione e alla fatica ciclica.
Vantaggi della FSW per l’assemblaggio di pannelli irrigiditi
Processo FSW: definizione
FSW si riferisce al processo di saldatura FSW inventato da The Welding Institute nel 1991. Questa tecnica consiste nell’assemblare, allo stato solido, due o più parti portandole allo stato pastoso mediante un perno rotante.
Questa tecnologia innovativa ha reso possibile la saldatura di leghe di alluminio che erano considerate non saldabili. La saldatura FSW facilita anche la saldatura di parti dissimili per materiale, geometria o spessore.
Saldatura FSW per la giunzione di pannelli irrigiditi
Le due configurazioni principali per la saldatura FSW sono la saldatura di testa e la saldatura di testa.
Nel contesto della giunzione tra pelle e rinforzi di un pannello rigido, la saldatura a giro è quella più frequentemente utilizzata. Per realizzare una saldatura a giro, le parti da unire vengono posizionate l’una sull’altra.
La saldatura di testa può essere utilizzata più occasionalmente, a seconda della geometria del pannello irrigidito. Ad esempio, questa configurazione di saldatura viene utilizzata per unire più pannelli irrigiditi, uno accanto all’altro.
Indipendentemente dalla configurazione di saldatura adottata, gli utensili standard Stirweld forniscono una saldatura ad alta resistenza per pannelli rigidi. I nostri utensili FSW sono disponibili nel nostro catalogo utensili.
Dima di serraggio locale per pannelli irrigiditi FSWed senza difetti
Vantaggi della saldatura Friction Stir Welding di pannelli irrigiditi
La FSW offre numerosi vantaggi per la produzione di pannelli irrigiditi. Questa tecnologia innovativa ha molte applicazioni nell’industria. I principali vantaggi della saldatura FSW di pannelli irrigiditi sono la durata, la resistenza meccanica, l’economicità e il rispetto dell’ambiente.
La saldatura FSW è un metodo di giunzione permanente e irreversibile. Ha l’ulteriore vantaggio di non richiedere la foratura o il montaggio di elementi esterni. Questa tecnica di assemblaggio consente di mantenere l’aspetto non corrosivo del pannello di alluminio. Una volta saldato e installato, il pannello irrigidito non deve essere ispezionato in seguito per verificare che i dispositivi di fissaggio siano saldi.
Inoltre, la saldatura FSW della pelle e degli irrigidimenti può essere eseguita molto più rapidamente rispetto ai metodi di giunzione meccanica. Il risparmio di tempo è ancora più evidente sui pannelli di grandi dimensioni.
Il risparmio di tempo è dovuto al fatto che la FSW non richiede alcuna preparazione e sgrassatura dei pezzi prima della saldatura. Inoltre, non è necessario rilavorare i pezzi dopo la saldatura. Tutti questi vantaggi rendono la FSW un processo ecologico.
L’uso della saldatura FSW consente anche di risparmiare in termini di acquisto e produzione. Infatti, la testa di saldatura Stirweld FSW può essere installata su una macchina CNC esistente, il che rappresenta un costo di investimento molto più basso rispetto a una macchina speciale.
In termini di resistenza meccanica, la saldatura FSW consente di ottenere pannelli irrigiditi, sigillati e ad alta resistenza. Questa tecnica di saldatura innovativa preserva le proprietà meccaniche dei metalli saldati. Infatti, durante un’operazione di FSW, il punto di fusione dei materiali non viene raggiunto.
La FSW consente anche di produrre pannelli irrigiditi più larghi e più sottili. La larghezza di un profilo di estrusione è solitamente limitata a 300 mm, la larghezza massima di una matrice di estrusione. La saldatura FSW consente di superare questo limite unendo più parti in alluminio. Inoltre, l’ottimizzazione del profilo abbinata alla FSW limita le forme non necessarie, garantendo così pannelli più leggeri e resistenti.
Qualificazione della saldatura FSW di pannelli irrigiditi
Per garantire la resistenza della saldatura FSW, i controlli di qualità vengono eseguiti su coupon rappresentativi per ogni progetto. Ciò comporta la realizzazione di una saldatura lunga 600 mm su un prototipo semplificato. Questo campione è rappresentativo in termini di qualità e spessore dell’alluminio rispetto al pannello rigido finale.
Questi test sono necessari per definire i 4 parametri di saldatura FSW: utensile FSW, velocità di avanzamento, velocità di rotazione e forza di forgiatura.
I controlli di qualità vengono poi eseguiti per esaminare la qualità della saldatura FSW in conformità alla norma FSW ISO 25239, che richiede due sezioni trasversali macrografiche e due prove di piegatura. L’esame macrografico del giunto saldato assicura che il pannello sia privo di porosità. La prova di piegatura consiste nel torcere la saldatura per verificarne la resistenza. Queste prove vengono eseguite due volte lungo il cordone di saldatura per garantirne la qualità su tutta la lunghezza.
Parallelamente a queste prove di saldatura, Stirweld può realizzare uno studio di prototipazione per l’assemblaggio dei pannelli irrigiditi. Questa fase di studio ci permette di supportare il cliente nell’integrazione della FSW nel suo processo industriale. Il team Stirweld rimane poi a supporto durante la fase di industrializzazione presso il sito del cliente.
L’assemblaggio di pannelli irrigiditi richiede un processo che deve combinare la resistenza e la capacità di unire lastre di grandi dimensioni, garantendo al contempo la resistenza e la leggerezza delle strutture.
L’FSW è una tecnologia di assemblaggio matura che è già stata democratizzata nell’industria automobilistica (vassoio della batteria), ferroviaria (pannelli laterali delle auto), aeronautica e navale (pavimento). Questa tecnica di saldatura FSW è ora una soluzione importante per la produzione di pannelli irrigiditi. Stirweld ha collaborato con clienti come Ariane per la saldatura FSW di pannelli irrigiditi per i lanciatori a razzo Ariane 6.
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