Saldatura per attrito

La saldatura per attrito è un metodo di saldatura a pressione che utilizza il calore generato dall'attrito reciproco durante il movimento relativo delle superfici terminali di contatto delle saldature per ottenere una connessione affidabile dei materiali. Il processo di saldatura prevede l'applicazione di pressione, che induce attrito tra i materiali da saldare, portando ad un aumento della temperatura nell'interfaccia e nelle aree vicine, raggiungendo infine uno stato termoplastico. Sotto l'influenza della forza di ribaltamento, il film di ossido dell'interfaccia si rompe e il materiale subisce deformazione plastica e scorrimento, formando giunti attraverso la diffusione di elementi di interfaccia e reazioni metallurgiche di ricristallizzazione. È importante sottolineare che questo processo di saldatura non richiede metallo d'apporto, flusso o gas protettivo e l'intera procedura può essere completata in pochi secondi.

L'attrito relativo indotto dall'alta pressione tra le superfici dei due componenti saldati ad alte velocità provoca due effetti:

• Elimina la pellicola di ossido o eventuali altri strati contaminanti dalla superficie del giunto, rivelando il metallo pulito.
• Genera calore e forma rapidamente uno strato termoplastico sulla superficie del giunto. Sotto la successiva coppia di attrito e pressione assiale, questi ossidi rotti e parte dello strato plastico vengono estrusi dalla superficie del giunto per formare bave, e il restante metallo plasticamente deformato costituisce il metallo di saldatura. La ricalcatura finale consente di forgiare ulteriormente il metallo saldato, ottenendo un giunto saldato di buona qualità.

Dal processo di saldatura si può vedere che il giunto di saldatura ad attrito si forma al di sotto del punto di fusione del metallo da saldare, quindi la saldatura ad attrito è un metodo di saldatura a stato solido.

La saldatura per attrito può essere classificata in vari tipi in base alle distinte modalità di movimento dei componenti saldati.

• La saldatura ruota attorno all'asse e può essere suddivisa in saldatura ad attrito a trasmissione diretta e saldatura ad attrito inerziale
• La saldatura non si muove e può essere suddivisa in saldatura ad attrito radiale e saldatura ad attrito
• Altri movimenti possono essere suddivisi in superficie di attrito, saldatura per attrito lineare e saldatura per attrito orbitale

Saldatura per attrito a trasmissione diretta

Questo è un tipo comune di saldatura ad attrito. Durante il processo di saldatura, il pezzo viene continuamente azionato dal motore del mandrino e ruota a velocità costante. Fino al raggiungimento del tempo di attrito o della deformazione da attrito specificati, il pezzo smette immediatamente di ruotare e viene capovolto per la saldatura.

Saldatura per attrito inerziale

L'estremità rotante del pezzo è bloccata nel volano. All'inizio del processo di saldatura, il volano e l'estremità rotante del pezzo vengono prima accelerati ad una certa velocità, quindi il volano viene scollegato dal motore principale. Allo stesso tempo, l'estremità mobile del pezzo si muove in avanti e il riscaldamento per attrito inizia dopo che il pezzo entra in contatto. Durante il processo di riscaldamento della saldatura ad attrito, il volano viene frenato dalla coppia di attrito e la sua velocità di rotazione diminuisce gradualmente. Quando la velocità di rotazione raggiunge lo zero, il processo di saldatura termina.

Saldatura per attrito radiale

Un anello smussato è fissato alle superfici terminali di due tubi con smussi opposti. Nel processo di saldatura ad attrito, l'anello subisce una rotazione e sulle due estremità del tubo viene esercitato un attrito radiale. Al termine della fase di attrito, la rotazione dell'anello viene arrestata e viene applicata una pressione di ribaltamento.

Saldatura per attrito

Il principio di funzionamento della saldatura per attrito è il seguente: uno strumento FSW rotante di una certa forma realizzato in materiale duro resistente alle alte temperature viene ruotato in profondità nel bordo dove sono collegati i due materiali da saldare e la testa di agitazione viene regolata e ruotato.Una grande quantità di calore da attrito viene generata sul bordo di collegamento delle due saldature, determinando una zona di rammollimento metallo-plastica in corrispondenza della connessione. Questa zona di rammollimento plastica viene agitata e spremuta sotto l'azione della testa di agitazione.Mentre il perno ruota, scorre all'indietro lungo la saldatura per formare un flusso di metallo plastico e viene estruso durante il processo di raffreddamento dopo che la testa di agitazione si allontana per formare un giunto saldato in fase solida.

Superficie di attrito

La superficie di attrito è un metodo di saldatura allo stato solido in cui un rivestimento o uno strato di materiale viene depositato su un substrato utilizzando il calore e la pressione generati attraverso l'attrito. Questo processo viene utilizzato per migliorare le proprietà superficiali di un materiale o creare uno strato protettivo con le caratteristiche desiderate. Tipicamente, include l'utilizzo di un'asta o un filo consumabile rotante che entra in contatto con il materiale del substrato, portando alla generazione di un notevole calore da attrito.

Saldatura ad attrito lineare

Uno dei due pezzi destinati alla saldatura rimane fermo, mentre l'altro si muove reciprocamente ad una determinata velocità, oppure entrambi i pezzi si muovono reciprocamente. Attraverso l'applicazione della pressione, l'attrito nell'interfaccia tra i due pezzi genera calore, facilitando così il processo di saldatura.

Saldatura ad attrito lineare

Uno dei due pezzi destinati alla saldatura rimane fermo, mentre l'altro si muove reciprocamente ad una determinata velocità, oppure entrambi i pezzi si muovono reciprocamente. Attraverso l'applicazione della pressione, l'attrito nell'interfaccia tra i due pezzi genera calore, facilitando così il processo di saldatura.

Saldatura orbitale per attrito

La saldatura orbitale per attrito è un metodo di saldatura di nuova concezione, utilizzato principalmente per la saldatura di pezzi a sezione trasversale non circolare

Nella saldatura ad attrito in orbita lineare, il pezzo segue un'orbita lineare specifica con un'ampiezza e una frequenza definite. Ciò garantisce che la velocità di vibrazione raggiunga il valore necessario, consentendo alla superficie di saldatura di subire vibrazioni e attriti ripetitivi e relativi.

Ogni particella del pezzo nella saldatura ad attrito in orbita circolare si muove rispetto alla superficie di saldatura lungo un'orbita circolare con un raggio e una velocità di rotazione costanti. Una volta che il giunto raggiunge la temperatura di saldatura, il movimento di attrito del pezzo cessa e inizia il processo di saldatura.

In sintesi, durante l'intero processo di saldatura per attrito, la superficie metallica destinata alla saldatura subisce una progressione di riscaldamento per attrito da basse ad alte temperature. Subisce continue trasformazioni che coinvolgono deformazione plastica, scavo meccanico, adesione e connessione molecolare. Ciò determina la formazione di uno strato di deformazione plastica ad attrito ad alta velocità, dove si concentrano i fenomeni di generazione, deformazione e diffusione del calore durante la saldatura ad attrito. Nelle fasi di parcheggio e di ricalcatura della saldatura, lo strato deformato sulla superficie di attrito ed il metallo nella zona ad alta temperatura vengono parzialmente frantumati ed espulsi. Il metallo saldato viene poi sottoposto a forgiatura, che porta alla creazione di un giunto saldato di alta qualità.

• Brevi tempi di costruzione della saldatura ed elevata efficienza produttiva
• La deformazione della saldatura causata dal ciclo termico di saldatura è piccola, la precisione dimensionale post-saldatura è elevata e non è necessaria la correzione della deformazione post-saldatura e la riduzione dello stress.
• Alto grado di meccanizzazione e automazione, qualità di saldatura stabile. Quando vengono date le condizioni di saldatura, l'operazione è semplice e non richiede tecnici di saldatura speciali.
• Adatto per la saldatura di vari materiali dissimili. Può saldare alluminio-acciaio, alluminio-rame, titanio-rame, acciaio composito intermetallico, ecc. che non possono essere saldati con la fusione convenzionale.
• Può realizzare la saldatura di barre e tubi dello stesso diametro o di diametri diversi
• Durante la saldatura non vengono prodotti fumo, luce ad arco, gas nocivi, ecc. e l'ambiente non è inquinato. Allo stesso tempo, rispetto alla saldatura flash, l'energia elettrica viene risparmiata 5-10 volte.

Tuttavia, la saldatura ad attrito presenta anche i seguenti svantaggi e limitazioni:

• È difficile saldare sezioni trasversali non circolari e richiede attrezzature complicate; è anche difficile saldare parti sottili a forma di disco e raccordi per tubi a pareti sottili perché sono difficili da serrare.
• È difficile ottenere una saldatura ad attrito per componenti di cui è stata determinata la forma e la posizione di assemblaggio.
• I giunti sono soggetti a bave e devono essere lavorati dopo la saldatura.
• La parte di bloccaggio è soggetta a graffi o segni di bloccaggio

La saldatura ad attrito, caratterizzata da alta qualità, efficienza, risparmio energetico e rispetto dell'ambiente, sta progressivamente guadagnando un'adozione diffusa sia nei settori industriali nuovi che in quelli tradizionali. Questi includono l’aviazione, l’aerospaziale, l’energia nucleare, gli armamenti, l’automotive, la produzione di energia, lo sviluppo degli oceani e la produzione di macchinari.

Aerospaziale: motori aeronautici, parti di alberi motore a combustione interna

Produzione automobilistica: ruote, tiranti, valvole di scarico, rotori