Saldatura Friction Stir Welding: una soluzione che riduce drasticamente i costi nel settore aeronautico
L’impiego delle leghe di alluminio riveste un reale interesse per le industrie di trasformazione nel settore aeronautico, poiché, grazie alle sue proprietà uniche, l’utilizzo di questo materiale consente di raggiungere gli obiettivi di aumento del carico utile e dell’efficienza nei consumi dei velivoli. La giunzione delle leghe di alluminio mediante tecniche quali la saldatura per fusione è spesso soggetta a difetti. Al contrario, la saldatura Friction Stir Welding (o FSW) garantisce numerosi vantaggi rispetto ai processi di giunzione convenzionali.
La FSW è un processo di saldatura allo stato solido molto interessante per i componenti in lega di alluminio nel settore aerospaziale. Non si tratta affatto di un’applicazione prevista a lungo termine, ma è già una realtà: esistono numerose applicazioni concrete che offrono grandi vantaggi per l’industria aeronautica.
Vediamo quali sono queste applicazioni concrete!
Applicazioni FSW nel settore aeronautico
Come già accennato, la tecnologia FSW trova già applicazione nel settore aeronautico. In particolare, un terzo dell’attività di Stirweld è già dedicato a questo tipo di applicazione.
Ecco alcuni esempi concreti di applicazioni reali:
Saldatura Friction Stir Welding nella produzione di serbatoi
Quando si parla di applicazioni spaziali, è fondamentale menzionare la produzione di serbatoi per l’idrogeno. Tutti i serbatoi dei lanciatori spaziali utilizzano la tecnologia FSW. L’idrogeno è sempre più oggetto di studio per le applicazioni aerospaziali (forse sulla scia dell’annuncio di Airbus relativo allo sviluppo di serbatoi per l’idrogeno) e, se i serbatoi sono realizzati in alluminio, la tecnologia FSW risulta molto interessante per la loro produzione. Perché? Perché è più economica rispetto ai serbatoi in materiale composito e più sicura rispetto a quelli in acciaio.
Carri cisterna per il trasporto di acido nitrico concentrato (United Wagon Co)
Il vantaggio dell’utilizzo della saldatura Friction Stir Welding (FSW) nella produzione di serbatoi per idrogeno risiede nel fatto che la resistenza meccanica di una saldatura realizzata con questa tecnica è superiore a quella ottenuta con la saldatura TIG o ad arco. Utilizzando la FSW si ottiene direttamente un serbatoio a tenuta stagna. Ciò non avviene con la saldatura MIG o TIG, poiché con la saldatura ad attrito si formano porosità che causano perdite. Questo non accade con la saldatura Friction Stir Welding (FSW).
L’unico problema che si potrebbe riscontrare quando si utilizza la FSW come tecnologia di giunzione è che, al termine della saldatura, rimane un foro nel momento in cui l’utensile esce dal materiale. Tuttavia, questo difetto si evita semplicemente utilizzando un perno retrattile: si tratta di un perno speciale posizionato su un asse aggiuntivo, in modo che, al termine della saldatura, il perno venga ritirato per poter riempire il foro presente all’estremità della saldatura.
Nella foto qui sotto è possibile osservare una saldatura FSW circonferenziale su un serbatoio in alluminio 2024-T3 del diametro di 100 mm e dello spessore di 2,4 mm. All’estremità della saldatura è visibile un foro di uscita che è stato riempito secondo il principio del perno retrattile.
La tecnologia FSW per la produzione di serbatoi viene utilizzata per tutti i lanciatori spaziali. Come sapete, i lanciatori sono dotati di serbatoi di ossigeno e idrogeno, e tutti i lanciatori a livello mondiale utilizzano la tecnologia FSW per una serie di motivi evidenti:
Sostituzione dei rivetti mediante saldatura FSW
Le strutture aerospaziali vengono assemblate mediante rivettatura. Finora non è stato possibile ricorrere alla saldatura, poiché la maggior parte delle strutture aerospaziali è realizzata con leghe di alluminio delle serie 7xxx e 2xxx. In questi casi, se si ricorre alla saldatura Friction Stir Welding (come la saldatura TIG, MIG, ad arco o laser), questi tipi di leghe di alluminio presentano numerosi difetti, quali le cricche. Poiché la struttura è progettata per resistere alla fatica, non possiamo ammettere la presenza di cricche.
Tuttavia, utilizzando la saldatura FSW si evita questo difetto, poiché si tratta di un processo a stato solido. Ciò significa che è possibile saldare tali leghe di alluminio in modo sicuro e con garanzia di qualità. È quindi possibile sostituire la rivettatura.
La sostituzione dei rivetti con la saldatura per agitazione frizionale presenta diversi vantaggi:
Settore aerospaziale: sostituzione della rivettatura
Saldatura a punti: sostituzione della saldatura a resistenza
Come si può vedere nelle immagini qui sopra, la sostituzione dei rivetti può essere effettuata sia mediante saldatura continua sia mediante saldatura a punti (ovvero sostituendo il rivetto con un punto di saldatura nel punto in cui si trovava in precedenza).
La sostituzione della rivettatura con la tecnica FSW è già stata studiata e ha dato prova di efficacia in diverse applicazioni:
Riduzione delle materie prime grazie all’impiego della saldatura Friction Stir Welding
Nel settore aerospaziale è molto importante tenere conto del cosiddetto “buy-to-fly ratio”. Si tratta del rapporto tra il peso della materia prima utilizzata per la produzione del componente e il peso del componente finito. L’obiettivo è mantenere questo rapporto il più basso possibile poiché, sebbene il materiale di scarto possa essere riciclato, ha un valore limitato e non può essere utilizzato per applicazioni aerospaziali. Un altro problema legato alla lavorazione da billette è il lungo tempo di consegna richiesto, poiché la loro produzione può potenzialmente richiedere più di un anno. Utilizzando la saldatura Friction Stir Welding, è possibile ridurre notevolmente il rapporto “buy to fly” e quindi ridurre in modo significativo l’investimento richiesto.
Possiamo citare in particolare l’esempio di uno dei nostri clienti, che è riuscito a ridurre notevolmente la quantità di alluminio utilizzata grazie all’adozione della tecnologia FSW nella produzione dei propri telai:
Parti successive all’FSW
Dettaglio della saldatura
Pezzo finito
Questo telaio è lungo circa 1 metro. In precedenza, questo cliente utilizzava un blocco di alluminio unico. L’idea era quella di partire da 4 profili in alluminio, effettuare 4 saldature in corrispondenza di ciascun angolo e lavorare il tutto per ottenere questo pezzo finale. Naturalmente, non si tratta di un’applicazione riservata, quindi viene utilizzata come esempio per far capire che molte altre strutture aeronautiche realizzate con un blocco di alluminio potrebbero essere prodotte allo stesso modo (risparmiando una grande quantità di materiale e senza dover lavorare il 90% del pezzo). Questo tipo di applicazione è quindi molto simile alla stampa 3D, tranne per il fatto che qui si tratta di pezzi di grandi dimensioni e l’unico limite è rappresentato dalle dimensioni della vostra macchina CNC.
Come abbiamo già accennato, nel settore aeronautico vi è un gran numero di componenti che potrebbero essere realizzati con questa tecnica, la quale offre numerosi vantaggi:
Esempio di un componente progettato riducendo la quantità di materia prima
Saldatura Friction Stir Welding di componenti in rame
Nella maggior parte degli aeromobili, l’uscita delle fonti di alimentazione è collegata a uno o più conduttori a bassa impedenza denominati sbarre collettrici, realizzati in rame. Queste sono situate in punti centrali dell’aeromobile e forniscono alimentazione positiva a vari circuiti di carico.
Come si può vedere nell’immagine a destra, è possibile saldare il filo metallico e, cosa ancora più interessante, saldare il rame con l’alluminio; in questo modo è possibile realizzare una barra collettrice mantenendo il rame dove serve (per il contatto elettrico) e utilizzando l’alluminio per il resto della barra. In questo modo riduciamo il costo e il peso del componente.
Il vantaggio principale è quello di ridurre l’uso delle viti. Attualmente, le sbarre collettrici vengono integrate nella struttura dell’aeromobile tramite viti, il cui problema principale è il costo (lavorazione meccanica e avvitamento: la saldatura è sempre più economica dell’avvitamento).
Un altro grande vantaggio è l’ottenimento di un legame metallurgico continuo e privo di difetti tra le diverse parti, sia tra rame e alluminio, sia tra rame e rame, sia tra alluminio e alluminio.
Inoltre, non vi è alcun rischio di allentamento. Bisogna tenere presente che all’interno di un aeromobile si verificano vibrazioni che potrebbero causare l’allentamento dei collegamenti, il che, qualora accadesse, potrebbe persino provocare un incendio. Grazie alla saldatura Friction Stir Welding, questo problema viene completamente risolto.
Inoltre, non possiamo tralasciare altri importanti vantaggi offerti dalla tecnologia FSW nella realizzazione di componenti in ramenel settore aeronautico:
Per quanto riguarda i principali vantaggi della saldatura FSW del rame e dell’alluminio, ricordiamo che sono:
In che modo Stirweld può aiutarti a implementare la tecnologia FSW?
Come abbiamo visto, l’integrazione della tecnologia FSW nel processo produttivo del settore aeronautico offre notevoli vantaggi, tra cui una significativa riduzione dell’investimento richiesto.
Questi vantaggi sono evidenti non solo nelle varie applicazioni citate in questo articolo, ma soprattutto nella saldatura delle piastre di raffreddamento liquide. Per saperne di più, ti consigliamo di leggere l’articolo “Piastre di raffreddamento e FSW: la risposta alle sfide della gestione termica”.
Che siate esperti o principianti in questo tipo di saldatura, Stirweld può aiutarvi a integrare la FSW in quattro modi:
Una testa FSW per la saldatura e la lavorazione meccanica sulla stessa macchina
La testa FSW Stirweld si monta su qualsiasi macchina CNC, fornendo tutte le funzioni necessarie per eseguire la saldatura Friction Stir Welding. In questo modo, è possibile eseguire operazioni FSW sulla propria macchina CNC, a un costo fino a 10 volte inferiore rispetto a quello di una macchina dedicata. Ciò risulta particolarmente interessante per le applicazioni aerospaziali, poiché il volume di tali applicazioni è inferiore rispetto ad altre (come ad esempio il settore automobilistico).
Inoltre, la testa può essere montata e smontata in soli 15 minuti, il che consente di lavorare il pezzo direttamente dopo la saldatura, senza bisogno di spostarlo. Questo, in termini di produttività, e soprattutto per i pezzi di grandi dimensioni, è molto interessante.
Utensili FSW per le vostre applicazioni aeronautiche
Gli utensili FSW, come quelli da fresatura, sono materiali di consumo. La loro durata è elevata: si parla infatti di circa 2 chilometri di saldatura con un singolo utensile. Naturalmente, esistono diversi utensili adatti a ciascun tipo di applicazione. Nel caso delle applicazioni aeronautiche, i più interessanti sono:
Per saperne di più sugli utensili Stirweld, non esitate a scaricare il nostro catalogo degli utensili FSW.
Prototipazione FSW per garantire il successo dell’implementazione del processo FSW
Siamo consapevoli che la saldatura Friction Stir Welding sia un processo nuovo e poco conosciuto per molti. Per questo motivo, noi di Stirweld offriamo un servizio di prototipazione FSW per aiutarvi a muovere i primi passi in questo campo, accompagnandovi durante l’intero processo:
Formazione sulla saldatura FSW: approfondisci le tue conoscenze sulla tecnologia della saldatura Friction Stir Welding
Stirweld offre inoltre servizi di formazione per aiutare i propri clienti ad acquisire una solida conoscenza della saldatura Friction Stir Welding (FSW) una volta che decidono di implementarla sulle proprie attrezzature. La formazione è disponibile in base al livello di conoscenza dei partecipanti: da chi non ha alcuna familiarità con la saldatura FSW a chi si considera esperto nel settore.
Organizziamo diversi webinar in cui potrete scoprire come la tecnologia FSW viene utilizzata in diverse applicazioni e settori. Date un’occhiata a tutti i nostri webinar sulla nostra pagina dedicata ai webinar FSW.
Ti interessa integrare FSW nella tua applicazione aeronautica?
Possiamo aiutarti!
