La FSW (Friction Stir Welding) è un’innovativa tecnologia di saldatura, ma ancora poco diffusa. I suoi vantaggi sono numerosi e conosciuti, tuttavia, gli utenti potenziali non dispongono di sufficienti informazioni sui difetti legati alla FSW che possono presentarsi durante l’impostazione dei parametri e/o durante l’operazione di saldatura.

L’obiettivo di Stirweld è democratizzare e rendere accessibile la saldatura ad attrito per i centri di lavorazione e le celle robotizzate. Da diversi anni, proponiamo soluzioni FSW accessibili alle aziende grazie allo sviluppo delle nostre apparecchiature FSW ibride. Innovazione, ricerca e test ci permettono oggi di offrire ai nostri clienti un supporto alla scelta di soluzioni FSW ad alte prestazioni. In Stirweld, sviluppiamo i migliori parametri di saldatura FSW per le esigenze dei nostri clienti. Questi parametri di saldatura vengono definiti su misura con l’obiettivo di evitare i difetti noti della saldatura per attrito (FSW).

La tecnologia FSW presenta i seguenti difetti:

  • porosità interna e in superficie;
  • larghezza irregolare;
  • riduzione della sezione trasversale;
  • hooking e kissing-bond;
  • mancanza di penetrazione;

In questo articolo esamineremo i difetti e ne spiegheremo le cause al fine di aiutarti a individuare i parametri da analizzare per correggere i difetti legati alla FSW.

La saldatura per attrito e le sue configurazioni

La saldatura FSW è un processo di saldatura senza fusione o aggiunta di materiale. La saldatura avviene allo stato solido grazie alla distorsione meccanica dell’attrito dell’utensile FSW sul materiale. Questo tipo di saldatura presenta numerosi vantaggi sia dal punto di vista economico sia ambientale.

La fusione senza aggiunta di materiale, infatti, permette non solo di soddisfare i requisiti di applicazione, ma anche di conservare eccellenti proprietà tecniche riducendo al minimo le deformazioni.

La tecnologia FSW presenta due configurazioni principali di saldatura: la saldatura testa a testa e la saldatura a sovrapposizione.

  • Saldatura FSW testa a testa (BUTTWELD): questa configurazione consiste nel saldare due parti una accanto all’altra. Esistono 3 modi diversi di posizionare queste parti: saldature di testa, saldature ad angolo esterno e saldature a T.
    FSW welding types

    Questo tipo di saldatura è utilizzato per applicazioni quali la saldatura FSW di piastre fredde o di pezzi di rheocasting.

    • SALDATURA FSW:  a sovrapposizione (LAPWELD): questa configurazione consiste nel mescolare parti sovrapposte una sull’altra. Anche per questa configurazione esistono 3 modi diversi differenti di posizionare le parti: giunto a sovrapposizione, giunto a sovrapposizione multipla e giunto a sovrapposizione a T.
    welding configurations in FSW

    Questo tipo di saldatura a sovrapposizione può essere usato, ad esempio, per sostituire la rivettatura, per saldare i supporti in rame o per sostituire il rame con l’alluminio.

    • Va ricordato che è anche possibile trovare saldature che combinano le tecnologie FSW testa a testa e a sovrapposizione nella stessa applicazione, come nel caso dei pannelli rigidi.

    Questi due tipi di saldatura comportano processi diversi e, quindi, potenziali difetti diversi.

    Quali sono i difetti comuni riscontrati nella saldatura per attrito testa a testa e a sovrapposizione?

    Non è raro individuare dei difetti di saldatura sulla superficie (ad es. scanalature) o tunnel in seguito a una saldatura per attrito, sia che si tratti di saldature testa a testa o sia a sovrapposizione. Tuttavia, non riscontreremo gli stessi difetti in entrambe le configurazioni della saldatura FSW. Questo è quanto analizzeremo in questo articolo per aiutarti a capire meglio le soluzioni che implementiamo sulle applicazioni dei nostri clienti per ottimizzare le performance dei tuoi processi.

    Difetti di porosità interna e porosità in superficie: saldatura FSW troppo fredda o troppo calda

    A volte, durante il controllo qualità delle saldature FSW, si riscontrano delle porosità interne o in superficie. Questo difetto è il risultato di una saldatura troppo calda o troppo fredda.

    • Quando il processo di saldatura è troppo freddo, il rapporto tra la velocità di avanzamento e la velocità di rotazione è troppo alto. Se il rapporto è alto, la saldatura mostra delle porosità interne, segnale che i materiali non si sono sufficientemente mescolati durante la saldatura. Questa porosità è continua lungo la saldatura ed è conosciuta in inglese con il termine worm hole.
    Metallographic section cold FSW weld

    Sezione metallografica di una saldatura FSW troppo fredda

    • Quando il processo di saldatura è troppo caldo, avviene il contrario, ovvero il rapporto tra la velocità di avanzamento e la velocità di rotazione è troppo basso. Questo eccesso di calore può provocare una fusione superficiale del materiale, l’espulsione del materiale e la creazione di porosità in superficie.
    Metallographic section hot FSW weld

    Sezione metallografica di una saldatura FSW troppo calda

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    Difetti di larghezza irregolare nella saldatura per attrito

    Il difetto di larghezza irregolare è dovuto a una mancanza di forza, quindi di pressione, tra l’utensile FSW e le parti da saldare. Dato che il contatto tra gli elementi non è abbastanza saldo, l’attrito non è uniforme e compromette la corretta saldatura degli elementi. 

    Per correggere questo difetto durante un’operazione di saldatura FSW su MCN, modifichiamo il parametro di forza applicando maggiore pressione sull’utensile FSW.

    Difetti di riduzione della sezione trasversale nella saldatura per attrito

    A differenza dei difetti di larghezza irregolare che si riscontrano in mancanza di forza durante la saldatura ad attrito, i difetti di riduzione della sezione possono apparire in caso di eccesso di forza. Se la forza esercitata durante l’operazione di saldatura FSW è troppo elevata, l’utensile raggiungerà una profondità eccessiva nel materiale, provocando la riduzione della sezione trasversale. Anche in questo caso, la soluzione consiste nella modifica del parametro di forza dell’utensile.

    Difetti di flash nella saldatura per attrito

    Sebbene sia considerato un difetto visivo, il flash nella FSW è indice di una buona saldatura. L’obiettivo della saldatura ad attrito è di ottenere una giunzione perfettamente dritta e, per farlo, l’utensile FSW deve essere costantemente a contatto con le parti da saldare. I flash non sono altro che uno scarto di materia saldata ai bordi della saldatura. Se un flash di 2 mm risulta accettabile, oltre questo valore, è necessario ridurre la forza verticale di saldatura.

    defect corrections in FSW

    Parti saldate con tecnologia FSW con flash

    Con il nostro mandrino ibrido di saldatura per attrito per robot, abbiamo sviluppato un sistema di cambio utensile automatico che permette di passare da un utensile di saldatura a uno di lavorazione. Il passaggio all’utensile di lavorazione permetterà di correggere facilmente questo difetto visivo.

    Per quanto riguarda la testa per saldatura FSW per MCN, abbiamo progettato un cambio utensile automatico che consente di passare dalla lavorazione alla saldatura e viceversa in pochi istanti. Questa apparecchiatura permette di correggere l’eventuale flash presente sulle parti saldate.

    Difetti della saldatura per attrito FSW testa a testa: mancanza di penetrazione

    Sebbene sia facilmente evitabile, il difetto di mancanza di penetrazione alla radice (LOP, Lack of Penetration) costituisce un problema nella saldatura FSW testa a testa, risultando in una mancanza di mescolamento delle parti. L’utensile non passa completamente attraverso le due parti, ma si limita a incollarle, senza saldarle. Trattandosi di un difetto interno, è difficile da individuare a occhio nudo. In fase di prototipazione, eseguiamo dei controlli qualità approfonditi per analizzare e determinare i parametri di saldatura FSW più adatti alle applicazioni dei nostri clienti.

    FSW penetrtion defects

    Sezione metallografica di una saldatura FSW con mancanza di penetrazione

    Per evitare questa mancanza di penetrazione, interveniamo sul parametro di saldatura della forza di spinta e sull’uso dell’utensile più adatto all’applicazione: (ad es. più lungo per una penetrazione ottimale). Ad oggi, abbiamo sviluppato 7 diversi utensili Stirweld, tutti adattabili alle nostre teste ibride FSW. I nostri utensili sono dotati di diversi spessori della spalla (per scaldare), diverse taglie della punta (per mescolare) e sono adattabili a diverse applicazioni.

    Va ricordato che la problematica della mancanza di penetrazione non si verifica nella configurazione a sovrapposizione.

    Difetti della saldatura per attrito FSW a sovrapposizione: hooking e kissing bond

    Nella saldatura FSW a sovrapposizione di due componenti in alluminio, le parti vengono saldate l’una sull’altra. Entrambe le parti presentano sulla superficie un sottile strato di ossido di alluminio, chiamato allumina. I due difetti che si riscontrano più frequentemente in questa configurazione sono:

    • Hooking : si tratta del sollevamento dello strato di allumina nella zona di separazione tra le due parti da saldare sul lato di avanzamento della saldatura. In alcuni casi, questo difetto può provocare dei punti di innesco di cricche (chiamati “concentrazioni di tensione”) e quindi una riduzione delle proprietà meccaniche dell’applicazione. Si nota anche un assottigliamento della parte superiore su entrambi i lati.
      È possibile correggere l’hooking saldando nuovamente in direzione opposta, spostando leggermente l’utensile FSW. 
    defects Friction Stir Welding hooking

    Sezione metallografica di una saldatura FSW con hooking

    • Kissing bond : questo difetto si presenta sul lato posteriore dell’utensile durante la saldatura. È causato dalla mancanza di mescolamento dei materiali, e quindi di riscaldamento, che non rimuove lo strato di allumina. Se lo strato di allumina non viene sufficientemente lavorato durante il mescolamento, è molto probabile che il legame tra le due parti saldate sia scarso o addirittura nullo (kissing bond).

    Saldatura per attrito: i 4 parametri chiave per una saldatura FSW senza difetti

    La nostra gamma di apparecchiature FSW per MCN e robot offre un controllo qualità affidabile grazie ai feedback sull’interfaccia uomo-macchina (IUM). Questi feedback permettono di regolare i parametri di saldatura e di correggere eventuali difetti. La fase di prototipazione definisce la finestra operativa appropriata, compresi i parametri specifici, per ottenere saldature per attrito di alta qualità.

    La qualità di una saldatura ad attrito dipende da 4 parametri: la geometria dell’utensile, la velocità di rotazione, la velocità di avanzamento e la forza di forgiatura.

    1. Scegliere l’utensile FSW in base all’applicazione

    La scelta dell’utensile da inserire nella testa FSW è uno dei primi parametri che determinano la qualità della saldatura. L’utensile FSW è costituito da una spalla e da una punta, le cui dimensioni variano a seconda dell’applicazione:

    • la dimensione della spalla influisce sul calore della saldatura;
    • la lunghezza della punta è definita in base allo spessore da saldare.

    La scelta dell’utensile dipende da diversi fattori:

    1. la distanza da saldare;
    2. la profondità da saldare;
    3. la geometria dell’utensile (punta retrattile o fissa);
    4. il materiale da saldare (alluminio, rame, acciaio, ecc.).
    1. La velocità di rotazione

    Nella saldatura per attrito, la velocità di rotazione si misura in giri al minuto (RPM). Il principio è semplice: più veloce è la rotazione dell’utensile, più caldo è il materiale. Grazie a questo parametro possiamo correggere il difetto della porosità (worm hole).

    1. La velocità di avanzamento

    Questo parametro si misura in mm/min. In questo caso, più veloce è l’avanzamento dell’utensile, più freddo rimane il materiale.  Come nel caso della velocità di rotazione, anche il rapporto tra velocità di avanzamento e velocità di rotazione è un elemento chiave per ottenere delle saldature FSW ottimali.

    1. La forza di forgiatura

    Espressa in kilonewton (kN), la forza di forgiatura sull’asse Z dipende dalla posizione della macchina utilizzata (centro di lavorazione o cella robotizzata). Se manca la forza, è probabile che si verifichi un difetto di mancanza di penetrazione. Al contrario, se la forza è eccessiva, è probabile individuare difetti di riduzione della sezione trasversale.

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