Saldatura FSW di pannelli irrigiditi
Negli ultimi anni, l’uso di pannelli irrigiditi si è largamente sviluppato nel settore industriale. Questi pannelli in alluminio sono costituiti da una lamiera (chiamata skin) e da irrigidimenti che consentono di aumentare notevolmente la rigidezza flessionale delle lamiere in alluminio. A causa delle caratteristiche meccaniche dei pannelli, la rivettatura e la saldatura MIG sono stati per molto tempo gli unici processi disponibili per la giunzione di queste parti. Oggi, la saldatura FSW sta acquisendo sempre più spazio nei settori industriali avanzati. Questo perché la tecnologia di saldatura per attrito permette di produrre pannelli irrigiditi più leggeri e resistenti.
Definizione e specifiche tecniche dei pannelli irrigiditi
Definizione di pannello irrigidito
Un pannello irrigidito è un elemento in alluminio composto da due parti:
- una lamiera piana o curva, chiamata anche “skin“;
- uno o più irrigidimenti che presentano un volume più o meno ridotto, posizionati sulla skin.
Questi irrigidimenti sono elementi longitudinali integrati alla lamiera sulla sua lunghezza. Esistono 2 tipi di irrigidimenti:
- gli “irrigidimenti aggiunti”, ovvero assemblati mediante rivettatura o saldatura MIG;
- gli “irrigidimenti integrati” lavorati, invece, in una lastra spessa.
Specifiche tecniche dei pannelli irrigiditi
I pannelli irrigiditi presentano caratteristiche tecniche particolari che li rendono difficili da saldare utilizzando tecniche di saldatura convenzionali.
Pannello irrigidito saldato mediante FSW
Pannelli irrigiditi in alluminio ad alta resistenza
I pannelli irrigiditi vengono prodotti a partire da leghe di alluminio. Nel settore aerospaziale, i componenti sono costituiti principalmente da leghe di alluminio 2000 o 7000. Il gruppo 2000 si distingue per la sua grande robustezza e un’elevata resistenza al calore. Il gruppo di leghe 7000 è invece impiegato in applicazioni in cui è richiesta un’ottima resistenza meccanica. Queste leghe hanno caratteristiche tecniche eccellenti, tuttavia, sono soggette a corrosione e sono note per essere difficili da saldare, tranne nel caso della FSW.
Al contrario, nel campo navale, i pannelli irrigiditi sono realizzati con leghe del gruppo 5000, impiegato per la sua buona attitudine alla deformazione e per la resistenza alla corrosione.
Pannelli irrigiditi di grandi lunghezze
I pannelli irrigiditi sono lamiere in metallo molto lunghe, possono infatti raggiungere i 12 metri di lunghezza. La dimensione della lamiera è un fattore da considerare nella scelta della tecnica di giunzione. Questo perché, per mantenere in posizione pannelli di grandi dimensioni è necessaria una flangiatura locale durante tutto il processo di saldatura. Per fermare le parti si utilizzano attrezzature specifiche per la flangiatura.
Pannelli irrigiditi di grandi lunghezze: ponti per navi – Marine Aluminium Norway
Geometria dei pannelli irrigiditi
I pannelli irrigiditi in alluminio hanno una geometria particolare (irrigidimento a “T”, rettangolare, omega) che li rende complessi da saldare con le tradizionali tecniche di saldatura.
Inoltre, gli irrigidimenti vengono realizzati utilizzando una tecnica chiamata “estrusione”. Questo processo di lavorazione meccanica prevede la compressione del materiale in una sagoma definita per ottenere la forma desiderata. I componenti che ne risultano possono presentare differenze in termini di geometria, spessore e planarità. È quindi fondamentale realizzare l’operazione di saldatura con una testa FSW controllandone la forza e non la posizione.
Esempi d’uso dei pannelli irrigiditi nell’industria
I pannelli irrigiditi sono comunemente utilizzati in diversi settori industriali e civili: aerospaziale, automobilistico, aeronauticonavale e nel campo dell’ingegneria civile. Questo perché, l’irrigidimento offre molteplici vantaggi per le industrie avanzate. Primo fra tutti, l’aumento significativo della rigidezza flessionale della lamiera, garantendo al contempo un volume di materiale aggiuntivo minimo. Stirweld collabora in particolare con clienti dell’industria aerospaziale e navale per la produzione di queste strutture irrigidite.
Pannelli irrigiditi per il settore aerospaziale
L’industria aerospaziale è un settore in cui i pannelli irrigiditi trovano largo impiego. Questi pannelli vengono utilizzati per sostituire lunghe strutture piane. Grazie alla saldatura FSW dei pannelli irrigiditi è possibile migliorare le prestazioni specifiche della lamiera. La saldatura per attrito non richiede infatti nessuna perforazione durante la rivettatura. Il foro prodotto per il rivetto influisce negativamente sulla resistenza meccanica del componente (soprattutto se sottoposto a fatica a causa delle concentrazioni di tensione generate dal foro).
I pannelli auto-rinforzati si trovano nei pavimenti di aerei e velivoli. Come nel caso dell’Eclipse 500, un aereo a reazione leggera dotato di pannelli irrigiditi in alluminio.
Questi pannelli vengono impiegati anche nella produzione di serbatoi in alluminio, ovvero delle strutture più contenute e leggere che vanno a sostituire le grandi cisterne, consentendo così di liberare spazio e di ridurre il peso complessivo dell’equipaggiamento.
Pannelli irrigiditi per l’industria aerospaziale: saldatura FSW e curvatura del profilo a T.
Pannelli irrigiditi per il settore navale
Nell’ambito della transizione energetica, l’uso di pannelli in alluminio sta diventando uno standard nella costruzione navale europea. L’alluminio ha il vantaggio di essere un metallo leggero, non corrosivo e riciclabile. Per questo, la saldatura di pannelli irrigiditi mediante FSW sta prendendo sempre più piede nel settore navale.
I pannelli irrigiditi sono utilizzati in particolare nella progettazione dei ponti per garantire una maggiore durata.
400.000 m di saldatura FSW priva di difetti su una nave europea.
Tecniche di giunzione convenzionali dei pannelli irrigiditi: le giunzioni meccaniche
La giunzione della lamiera e dell’irrigidimento che compongono il pannello si realizza generalmente tramite giunzioni meccaniche. Le tecniche di giunzione più comuni sono la rivettatura e l’avvitatura.
È anche possibile l’assemblaggio di metalli mediante incollaggio, una tecnica recente e in crescita, in particolare nel settore dell’aeronautica. Tuttavia, questo procedimento offre una resistenza minore rispetto alle altre tipologie di giunzione meccanica esistenti ad oggi. Inoltre, l’incollaggio dell’alluminio richiede una pulizia estrema delle superfici da incollare che comporta decapaggi chimici inquinanti e costosi.
Infine, è molto difficile saldare pannelli irrigiditi con i classici processi di saldatura ad arco, come il TIG e il MIG, a causa di: presenza di porosità o di incollaggio nella saldatura e criccatura a caldo di alcune leghe di alluminio non saldabili (6000, 2000 e 7000). In realtà, queste leghe (6000, 2000 e 7000) e la geometria dei componenti richiedono una tecnica di saldatura più avanzata, come la FSW. Perché scegliere questa tecnologia? Perché con la saldatura per attrito non si raggiunge il punto di fusione della materia eliminando così il rischio di porosità, di incollaggio o di criccatura a caldo.
Giunzione mediante rivettatura di pannelli irrigiditi
La rivettatura è una tecnica di giunzione di due o più parti tra loro in maniera permanente. I componenti da assemblare vengono forati per inserire i rivetti. Sviluppatasi in concomitanza con l’uso intensivo dell’acciaio, la rivettatura è il metodo di giunzione permanente più conosciuto e rinomato. I principali vantaggi della rivettatura sono: la durata del fissaggio, la sua precisione e, al contrario dell’avvitatura, questa tecnica non richiede nessuna filettatura.
Tuttavia, le vibrazioni e le sollecitazioni cicliche delle strutture sulle quali vengono installati i pannelli irrigiditi possono portare alla formazione di un innesco di criccatura nel foro del rivetto. Diventa quindi necessario controllare regolarmente i rivetti per garantire l’affidabilità della struttura nel lungo periodo. Inoltre, la perforazione dei componenti da assemblare rende il componente sensibile alla corrosione.
Giunzione mediante avvitatura dei pannelli irrigiditi
L’avvitatura consiste nell’assemblare due o più parti per compressione mediante una vite di fissaggio.
Come per la rivettatura, anche questa tecnica di fissaggio dei pannelli irrigiditi prevede la perforazione della lamiera che rende la parte assemblata sensibile alla corrosione e alla fatica ciclica e può portare a una maggiore debolezza della struttura finale.
Vantaggi della saldatura FSW per pannelli irrigiditi
Definizione del processo di saldatura per attrito
Sviluppata nel 1991 al The Welding Institute, la FSW (in inglese, friction stir welding) è una tecnica di saldatura che sfrutta l’attrito. In questo tipo di saldatura, il processo di giunzione di due o più parti avviene allo stato pastoso mediante una punta rotante.
Questa rivoluzionaria tecnologia ha reso possibile la saldatura di leghe di alluminio considerate, in precedenza, non saldabili. La Friction Stir Welding semplifica inoltre la saldatura di parti che si differenziano per materiale, geometria e spessore.
La saldatura per attrito per l’assemblaggio di pannelli irrigiditi
Le due configurazioni principali della saldatura per attrito sono: la saldatura a sovrapposizione e la saldatura testa a testa.
La tecnica più frequente per l’assemblaggio della lamiera e degli irrigidimenti di un pannello irrigidito è la saldatura a sovrapposizione. Per realizzare una saldatura a sovrapposizione, le parti vengono posizionate una sull’altra.
La saldatura testa a testa, invece, viene impiegata più raramente, in funzione della geometria del pannello irrigidito. Viene, ad esempio, utilizzata per unire più pannelli irrigiditi uno accanto all’altro.
Qualsiasi sia la configurazione di saldatura che scegli di adottare, gli utensili standard Stirweld ti garantiscono una saldatura ad alta resistenza. Scopri i nostri prodotti FSW nel nostro catalogo Utensili.
Attrezzatura per la flangiatura locale per una saldatura FSW di pannelli irrigiditi priva di difetti
Vantaggi della saldatura per attrito di pannelli irrigiditi
La saldatura FSW offre numerosi vantaggi per la produzione di pannelli irrigiditi. Per questo, questa tecnologia innovativa trova vasto impiego nel settore industriale. I vantaggi principali della saldatura FSW di pannelli irrigiditi sono: la durata, la tenuta, il fattore economico e quello ecologico.
La saldatura per attrito è una tipologia di giunzione permanente e irreversibile che non richiede né una perforazione né l’apporto di elementi esterni. Un vantaggio che permette di conservare la caratteristica non corrosiva del pannello in alluminio. Inoltre, una volta saldato e installato, il pannello irrigidito non necessita di nessun controllo ulteriore per garantire la buona tenuta dei fissaggi.
A questo si aggiunge una maggiore rapidità del processo di saldatura FSW della skin e degli irrigidimenti rispetto alle giunzioni meccaniche. Il risparmio di tempo è ancora più evidente su pannelli di grandi dimensioni.
Il risparmio di tempo è dovuto al fatto che la saldatura FSW non richiede alcuna preparazione o sgrassaggio delle parti prima dell’assemblaggio. Inoltre, non è necessario rilavorare i pezzi dopo la saldatura. I vantaggi appena descritti conferiscono alla saldatura per attrito un aspetto ecologico.
Scegliere la tecnologia di saldatura FSW consente inoltre di risparmiare sull’acquisto e sulla produzione dei componenti. Questo perché, le teste per saldatura FSW Stirweld possono essere installate su macchine utensili già esistenti riducendo notevolmente il costo di investimento rispetto all’acquisto di una macchina specifica.
In termini di resistenza meccanica, invece, la saldatura per attrito permette di ottenere pannelli irrigiditi sigillati e ad alta resistenza. Dato che con questa innovativa tecnica di saldatura non si raggiunge il punto di fusione del materiale, i metalli saldati mantengono inalterate le loro proprietà meccaniche.
La FSW consente inoltre di produrre pannelli irrigiditi più larghi e più sottili. Generalmente, la larghezza di un profilato può raggiungere un massimo di 300 mm a causa della larghezza limitata delle linee di estrusione. La saldatura per attrito permette di colmare questa mancanza unendo diversi parti in alluminio. Inoltre, l’ottimizzazione del profilo abbinata alla FSW limita le forme non necessarie, garantendo così pannelli più leggeri e resistenti.
Saldatura FSW di pannelli irrigiditi Omega
Qualificazione della saldatura FSW di pannelli irrigiditi
Per garantire la resistenza della saldatura FSW, vengono eseguiti dei controlli su un campione rappresentativo di ciascun progetto. Si tratta di eseguire una saldatura di 600 mm di lunghezza su un prototipo semplificato. Questo campione è rappresentativo in termini di qualità dell’alluminio e di spessore rispetto al pannello irrigidito finale.
Questi test ci permettono di definire i 4 parametri chiave della saldatura FSW: utensile FSW, velocità di avanzamento, velocità di rotazione e forza di forgiatura.
Vengono poi eseguiti ulteriori controlli per esaminare la qualità della saldatura per attrito seguendo quanto definito nella norma della saldatura FSW ISO 25239. Questa norma richiede due sezioni trasversali macrografiche (“cross section”) e due curvature a S. L’esame macrografico del giunto saldato assicura che il pannello sia privo di porosità. Il test di curvatura consiste invece nel torcere la saldatura per verificarne la resistenza. Questo tipo di esame avviene a due diverse altezze del cordone di saldatura per assicurare una qualità uniforme del componente saldato.
Pannelli irrigiditi saldati mediante FSW
Oltre a questi test sulla saldatura, in Stirweld realizziamo progetti di prototipazione per la giunzione di pannelli irrigiditi. Questa fase di studio ci permette di supportare il cliente nell’integrazione della tecnologia di saldatura FSW nel suo processo industriale.
Il team Stirweld garantisce il supporto anche durante la fase di industrializzazione presso il sito del cliente.
La giunzione di pannelli irrigiditi richiede un processo in grado di combinare solidità e capacità di unire lamiere di grandi dimensioni, garantendo al contempo resistenza e leggerezza delle strutture finali.
La FSW è una tecnologia di saldatura consolidata e già democratizzata nell’industria automobilistica (scocca laterale), ferroviaria (fianchi delle vetture), aeronautica e navale (pavimenti e ponti). Questa soluzione di saldatura si rivela oggi particolarmente interessante in termini di produzione di pannelli irrigiditi. Stirweld ha supportato clienti come Ariane nella saldatura per attrito dei pannelli irrigiditi che compongono il lanciatore Ariane 6.
