Difetti riscontrati a seconda dei parametri di saldatura FSW impostati

La saldatura per attrito presenta diversi tipi di difetti. I più comuni sono causati da un’impostazione non corretta dei parametri di saldatura. Perché una saldatura sia di qualità, è necessario considerare:

• la scelta dell’utensile FSW a seconda dell’applicazione;
• la velocità di rotazione dell’utensile (in RPM);
• la velocità di avanzamento (in millimetri al minuto);
• la forza (in kN).

Parametri di saldatura FSW

Per evitare difetti sul componente saldato, è necessario che questi 4 parametri siano correttamente impostati. Oltre a questo, occorre considerare la temperatura di saldatura. Nell’ambito delle saldature per attrito, la temperatura dipende in particolare da 2 di questi quattro criteri: la velocità di rotazione e la velocità di avanzamento. Più l’utensile ruota velocemente e avanza lentamente, più la temperatura della saldatura sarà calda. Al contrario, più l’utensile ruota lentamente e avanza velocemente, più la temperatura della saldatura sarà fredda.

Abbiamo riscontrato diversi tipi di difetti a seconda del calore generato durante l’operazione di saldatura per attrito (dalla velocità di rotazione e dalla velocità di avanzamento): 

 

  • su una saldatura troppo calda si notano difetti di worm hole sulla superficie o sulla saldatura. Questo è dovuto a un attrito troppo intenso. In questo caso, si supera il punto di fusione del materiale a causa della velocità di rotazione troppo elevata. La materia raggiunge così lo stato liquido e porta alla formazione di worm hole (sotto forma di scanalature);
  • su una saldatura troppo fredda, invece, si formano porosità contigue alla radice della saldatura. Questo difetto è dovuto allo scarso mescolamento della materia, come conseguenza di una velocità di rotazione troppo lenta rispetto a una velocità di avanzamento troppo rapida.

Per evitare questi difetti, occorre definire il rapporto ottimale tra velocità di rotazione e velocità di avanzamento in modo da inserirsi nella giusta finestra operativa per un processo di saldatura per attrito di qualità.

Come si evince dal grafico di seguito, una buona saldatura (ovvero, priva di difetti) è il risultato di un rapporto equilibrato tra i parametri definiti. Parliamo in questo caso di parametri impostati in una buona finestra operativa (che tiene conto di: velocità di rotazione, velocità di saldatura, geometria dell’utensile e controllo della forza).

Misurazione della temperatura della saldatura per attrito

Mappatura della temperatura (°C)

  • Saldatura troppo calda (area arancione). Corrisponde a una finestra operativa in cui il rapporto è: velocità di rotazione troppo elevata e velocità di avanzamento troppo lenta. Ciò può causare porosità e/o worm hole.
  • Saldatura troppo fredda (area blu). Corrisponde a una finestra operativa in cui il rapporto è: velocità di rotazione troppo lenta e velocità di avanzamento troppo elevata. Questo può portare al verificarsi di porosità alla radice della saldatura.
  • Saldatura priva di difetti (area verde). Corrisponde a una finestra operativa ottimale.

Come misurare la temperatura di una saldatura per attrito con gli strumenti esistenti?

Attualmente, esistono diversi processi e strumenti per la misurazione della temperatura di saldatura. Tuttavia, queste soluzioni si sono rivelate poco affidabili. Nei paragrafi che seguono, vedremo che questi strumenti non misurano con precisione la temperatura del calore generato dall’attrito tra spalla e componente saldato, un aspetto in realtà fondamentale per il controllo della qualità della saldatura FSW.

MISURAZIONE DELLA TEMPERATURA DI SALDATURA FSW MEDIANTE TERMOCAMERA O INFRAROSSI

Le termocamere e gli infrarossi sono dispositivi per la misurazione della temperatura in cui non è richiesto il contatto con i componenti. Sono soluzioni che trovano impiego in diverse applicazioni.

Come abbiamo visto poco sopra, il calore generato durante un’operazione di saldatura per attrito si trova sotto la spalla dell’utensile, un punto non raggiungibile con una termocamera. Il raggio di misurazione si trova quindi dietro la zona di attrito, a pochi millimetri dal punto di fusione.

Dato che l’alluminio è un ottimo conduttore di calore, riesce a diffondere il calore generato dall’attrito verso il componente saldato quasi istantaneamente. Pochi millimetri sono quindi sufficienti per perdere un’enorme quantità di calore (tra i 150 e i 200 °C).

Inoltre, questo metodo di misurazione consiste nel misurare la quantità di infrarossi emessi dall’oggetto in relazione alla sua riflettività. Dato che l’alluminio è un materiale perfettamente riflettente, l’irradiazione generata dal calore viene del tutto riflessa rendendo la misurazione estremamente imprecisa.

MISURAZIONE DELLA TEMPERATURA DI SALDATURA FSW MEDIANTE TERMOCOPPIA

Un’altra soluzione per la misurazione termica è la termocoppia. Una delle estremità della termocoppia viene saldata con dei fili metallici e portata a contatto con il componente di cui si vuole misurare la temperatura. L’estremità opposta viene mantenuta a una temperatura di riferimento (20 °C).

Per misurare la temperatura di una saldatura per attrito, occorre posizionare la termocoppia all’interno del componente. Questo criterio richiede la foratura della parte da saldare in cui va inserita la termocoppia. Va notato che non tutte le applicazioni possono essere forate. Inoltre, l’operazione di foratura implica un costo che va ad aggiungersi a quello investito per la saldatura.

Oltre a questo e come nel caso della misurazione della temperatura mediante termocamera, anche la termocoppia viene posizionata a pochi centimetri dalla saldatura rendendo la misurazione imprecisa. Va inoltre ricordato che il calore generato durante una saldatura per attrito non si diffonde in maniera uniforme a seconda del tipo di alluminio utilizzato e del suo diametro.

 

Il portautensili intelligente Stirweld: il nuovo strumento di misurazione della temperatura per apparecchiature FSW.

Il primo strumento di misurazione della temperatura per apparecchiature FSW progettato da Stirweld

Per diversi anni, Stirweld ha studiato la possibilità di ottimizzare nuovi strumenti che permettano la misurazione della temperatura delle saldature per attrito.

Dopo migliaia di misurazioni, Stirweld ha elaborato un algoritmo, integrato in un portautensili, in grado di misurare la temperatura del componente saldato attraverso l’utensile di saldatura FSW. Queste misurazioni si basano su migliaia di calcoli effettuati su varie tipologie di alluminio e su utensili di diverse dimensioni.

Poiché il calcolo della temperatura del componente viene fatto direttamente sul punto di attrito, la misurazione viene rilevata nella posizione corretta, senza incorrere in problemi di riflettività. Inoltre, la misurazione offre un’eccellente ripetibilità dato che l’utensile misura la temperatura con una precisione di +/-2,7°C. Nell’attuale mercato delle saldature FSW, questo si traduce in una precisione senza eguali e fornisce quindi un’affidabilità totale nella misurazione della temperatura di saldatura.

Portautensili intelligente: misurazione della temperatura FSW

Portautensili intelligente Stirweld: misurazione della temperatura FSW

Applicazioni dell’utensile di misurazione della temperatura sulle apparecchiature FSW

100% CONTROLLO QUALITÀ OTTIMALE

Il portautensili intelligente Stirweld consente di rilevare istantaneamente le temperature di saldatura, così da posizionarsi nella finestra operativa corretta e ottenere una saldatura FSW di qualità.

Inoltre, in questo modo, monitoriamo la temperatura ideale di ciascuna applicazione (e, di conseguenza, la velocità di rotazione e di avanzamento da applicare) per ottenere una saldatura dalle migliori prestazioni possibili, con un controllo della qualità ottimale e in tempo reale.

Nel grafico di seguito, vediamo che la temperatura ideale per una saldatura FSW dell’alluminio 6060 T6 è di 450 °C, con una velocità di saldatura di 3 m/min. Occorre quindi adottare questi parametri per eliminare qualsiasi rischio di difetti per questo tipo di alluminio.

Strumento per misurare la temperatura su apparecchiature FSW

Figura 1 Ottimizzazione della velocità di saldatura in funzione della temperatura ottimale del processo

OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI DI SALDATURA

Un ulteriore vantaggio del conoscere in tempo reale la giusta finestra operativa è quello di poter determinare il miglior rapporto tra velocità di avanzamento e velocità di rotazione. 

Nel settore industriale, l’obiettivo è ottenere la migliore produttività possibile con la minor perdita in termini di costi, tempo e materiale. Il portautensili per la misurazione della temperatura consente di individuare facilmente la finestra operativa più adatta per eseguire la saldatura nel minor tempo possibile ottenendo un risultato privo di difetti. 

Se superiamo la temperatura di fusione durante il processo di saldatura a causa di una velocità di rotazione elevata rispetto a una velocità di avanzamento lenta, otterremo un componente saldato che presenta porosità nella parte superiore della saldatura. Al contrario, se la temperatura diminuisce troppo a causa di una velocità di rotazione debole rispetto alla velocità di avanzamento, noteremo delle porosità nella parte inferiore della saldatura FSW.

IL KNOW-HOW DI STIRWELD

Il portautensili che abbiamo sviluppato in Stirweld è pensato per gli specialisti della saldatura per attrito. L’utensile è stato realizzato per componenti FSW esigenti quali le applicazioni spaziali, aeronautiche e automobilistiche.

È possibile integrare il portautensili per la misurazione della temperatura su tutte le nostre teste e mandrini ibridi FSW, progettati a loro volta per essere installati su macchine utensili o robot.

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