Misurazione della temperatura FSW: fondamentale per garantire la qualità della saldatura Friction Stir Welding
La saldatura Friction Stir Welding (FSW) è una tecnica di saldatura allo stato solido, il che significa che non viene raggiunto il punto di fusione del materiale. Pertanto, la temperatura di saldatura è il parametro più importante da controllare per ottenere una buona saldatura FSW.
Sebbene esistano strumenti e procedure per la misurazione della temperatura nel processo FSW, questi non sono sempre del tutto affidabili, il che può influire negativamente sulla qualità dei pezzi saldati con il processo FSW.
Alla luce di queste osservazioni e dopo molti anni di studi e misurazioni, Stirweld ha sviluppato e commercializzato uno strumento di misurazione della temperatura di saldatura completamente nuovo, che consente un controllo di qualità al 100% nelle applicazioni di saldatura Friction Stir Welding (FSW).
Difetti riscontrati a seconda dei parametri FSW applicati
Nella saldatura Friction Stir Welding si riscontrano diversi tipi di difetti. I difetti più comuni riscontrati in questo tipo di saldatura sono legati a una definizione inadeguata dei parametri di saldatura. Infatti, una saldatura di buona qualità dipende da:
Se questi 4 parametri sono impostati correttamente, si evitano i difetti nella saldatura FSW. Segue poi la temperatura di saldatura. Nella saldatura Friction Stir Welding, la temperatura di saldatura dipende da due di questi quattro parametri: la velocità di rotazione e la velocità di avanzamento. Più veloce è la rotazione dell’utensile e più lento è l’avanzamento, più calda sarà la saldatura. Al contrario, più lenta è la rotazione dell’utensile e più veloce è la velocità di avanzamento, più fredda sarà la saldatura.
Nella saldatura Friction Stir Welding, esistono diversi tipi di difetti a seconda del calore apportato durante l’operazione di saldatura (determinato dalla velocità di rotazione e dalla velocità di avanzamento):
Per evitare questi difetti, la soluzione consiste nel trovare il giusto rapporto tra velocità di rotazione e velocità di avanzamento, in modo da rientrare nella fascia operativa ottimale per ottenere una saldatura di qualità.
Come mostra il grafico sottostante, una saldatura di buona qualità (ovvero priva di difetti) è il risultato di una combinazione di parametri corretti. Si tratta dei parametri definiti in un intervallo operativo ottimale (velocità di rotazione, velocità di saldatura, geometria dell’utensile e controllo della forza).
- Saldatura troppo calda (zona arancione): corrisponde a un intervallo di funzionamento caratterizzato da un rapporto troppo elevato tra velocità di rotazione e velocità di saldatura. Ciò comporta il rischio di porosità e/o fori di vermi.
- Saldatura troppo fredda (zona blu): corrisponde a un intervallo operativo caratterizzato da un rapporto tra velocità di rotazione troppo bassa e velocità di saldatura troppo elevata. Ciò può causare porosità alla radice della saldatura.
- Saldatura perfetta (zona verde): corrisponde alla finestra operativa ottimale del processo
Come misurare la temperatura dell’FSW con gli strumenti già disponibili?
Attualmente esistono processi e strumenti per misurare la temperatura di saldatura. Tuttavia, nessuno di questi strumenti e procedure è particolarmente affidabile. Infatti, vedremo che non misurano con precisione né la temperatura del calore generato dall’attrito tra la spalla dell’utensile né quella generata sulla parte saldata, mentre questi due elementi sono fondamentali per il controllo di qualità delle saldature FSW.
Misurazione della temperatura nella saldatura Friction Stir Welding mediante termocamere o telecamere a infrarossi
Le termocamere e le telecamere a infrarossi sono strumenti di misurazione della temperatura senza contatto utilizzati in una vasta gamma di situazioni.
Come spiegato in precedenza, il calore generato durante la saldatura Friction Stir Welding si concentra sotto la spalla dell’utensile, che risulta invisibile nel campo visivo di una termocamera. Il campo di misura viene quindi posizionato dietro la zona di attrito, a pochi millimetri dal punto di fusione.
Poiché l’alluminio è un ottimo conduttore di calore, diffonde quasi istantaneamente il calore generato dall’attrito al resto della parte saldata. Bastano pochi millimetri per disperdere una grande quantità di calore (nell’ordine dei 150–200 °C).
Inoltre, questo principio di misurazione consiste nel misurare la quantità di infrarossi emessi dall’oggetto in base alla sua riflettività. Anche l’alluminio è un materiale altamente riflettente. La radiazione causata dal calore viene riflessa perfettamente e rende la misurazione del tutto imprecisa.
Misurazione della temperatura FSW tramite termocoppia
La termocoppia è uno strumento di misura termica. Un’estremità della termocoppia è saldata a fili metallici e viene messa a contatto con l’elemento di cui si desidera misurare la temperatura. L’altra estremità è mantenuta a una temperatura di riferimento (20 °C).
Per misurare la temperatura di una saldatura, la termocoppia viene quindi posizionata all’interno del pezzo: ciò richiede la foratura del pezzo e l’inserimento della termocoppia. Va notato che non tutti i pezzi possono essere forati. Inoltre, l’operazione di foratura comporta un aumento dei costi di produzione.
In secondo luogo, come nel caso delle termocamere o della misurazione della temperatura a infrarossi, la termocoppia viene posizionata a pochi centimetri di distanza dalla saldatura, il che rende la misurazione imperfetta. Va inoltre notato che il calore rilasciato non si distribuisce in modo uniforme a seconda del tipo di alluminio utilizzato e del suo diametro.
Il portautensili intelligente di Stirweld: il nuovo strumento di misurazione della temperatura per le apparecchiature FSW
Il primissimo strumento di misurazione della temperatura per le apparecchiature FSW commercializzate da Stirweld
Da diversi anni Stirweld sta studiando le possibilità offerte da nuovi strumenti permisurare direttamente la temperatura nella saldatura Friction Stir Welding.
Sulla base dimigliaia di misurazioni, Stirweld ha sviluppato un algoritmo, integrato in un portautensili, per misurare la temperatura del pezzo saldato tramite l’utensile FSW. Queste misurazioni si basano su migliaia di calcoli effettuati su diversi tipi di alluminio o su utensili FSW di diverse dimensioni.
Poiché il calcolo della temperatura del pezzo avviene direttamente sul punto di attrito, è possibile effettuare la misurazione nel punto esatto, senza problemi di riflettività. Inoltre, questa misurazione offre un’eccellente ripetibilità, poiché l’utensile misura la temperatura con una precisione di +/-2,7 °C. Nell’attuale mercato della saldatura FSW, ciò corrisponde a una precisione di misurazione senza precedenti e garantisce quindi un’affidabilità impareggiabile nella misurazione della temperatura di saldatura.
Applicazioni dello strumento di misurazione della temperatura sulle apparecchiature FSW
Controllo qualità al 100%
Il portautensili intelligente fornisce informazioni immediate sulle temperature di saldatura, consentendo di operare nell’intervallo di funzionamento corretto e di ottenere una saldatura FSW di qualità.
Inoltre, ora conosciamo la temperatura ideale per ogni applicazione (e quindi le corrette velocità di rotazione e di avanzamento da applicare) per garantire la massima efficienza e avere il controllo al 100% sulla qualità delle saldature in tempo reale.
Nel grafico sottostante si può osservare che la temperatura ottimale di saldatura FSW per l’alluminio 6060 T6 è di 450 °C a una velocità di saldatura di 3 m/min. È quindi opportuno adottare questi parametri per eliminare qualsiasi rischio di difetti per questo tipo di alluminio.
Ottimizzazione della velocità di saldatura in funzione della temperatura di processo ottimale
Ottimizzazione dei parametri di saldatura
L’altro vantaggio di conoscere in tempo reale l’intervallo operativo corretto è quello di poter determinare il rapporto ottimale tra velocità di avanzamento e velocità di rotazione.
Nel settore industriale, l’obiettivo è ottenere la massima produttività possibile riducendo al minimo le perdite in termini di costi, tempi e componenti. Il portautensili con misurazione della temperatura consente di individuare rapidamente la finestra operativa ottimale per eseguire la saldatura nel minor tempo possibile, senza difetti.
Se durante l’operazione di saldatura la temperatura di fusione viene superata a causa di un’elevata velocità di rotazione e di una bassa velocità di avanzamento, si formeranno porosità nella parte superiore della saldatura. D’altra parte, se la temperatura diminuisce eccessivamente a causa di una bassa velocità di rotazione e di un’elevata velocità di avanzamento, si formeranno porosità nella parte inferiore della saldatura.
La competenza di Stirweld
Il portautensili intelligente che abbiamo sviluppato presso Stirweld è stato progettato da specialisti della saldatura Friction Stir Welding. L’utensile è progettato per componenti FSW particolarmente esigenti , come quelli utilizzati in applicazioni spaziali, aerospaziali e automobilistiche.
È possibile aggiungere questa opzione di misurazione della temperatura a tutte le nostre teste e mandrini FSW ibridi, progettati per essere montati su centri di lavorazione o robot.
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Se desiderate saperne di più sul portautensili intelligente che consente la misurazione della temperatura durante il processo FSW, non esitate a contattarci.
