6 Nuove tecniche di saldatura avanzate nella produzione moderna

1. Saldatura laser

La saldatura laser utilizza la radiazione laser per riscaldare la superficie del materiale, mentre il calore viene condotto internamente attraverso il trasferimento di calore. Controllando parametri quali l'ampiezza dell'impulso laser, l'energia, la potenza di picco e la frequenza di ripetizione, si forma una specifica pozza fusa sul pezzo.

Saldare a punti la saldatura

Saldatura laser continua

La saldatura laser può essere realizzata mediante l'uso di un raggio laser continuo o pulsato.

Il principio della saldatura laser può essere suddiviso in due categorie: saldatura a conduzione termica e saldatura laser profonda. saldatura a penetrazione.

• Saldatura a conduzione termica: Si verifica quando la densità di potenza è inferiore al 10¹⁰W cm².
• Saldatura laser a penetrazione profonda: Si verifica quando la densità di potenza supera il 10¹⁰W cm², formando "buchi" nel metallo a causa dell'elevato calore, caratterizzati da un'alta velocità e da un elevato rapporto profondità/larghezza.

La tecnologia di saldatura laser è ampiamente utilizzata nelle industrie manifatturiere ad alta precisione come automobili, navi, aerei e ferrovie ad alta velocità. Ha migliorato notevolmente la qualità della vita delle persone e ha spinto l'industria degli elettrodomestici nell'era della produzione di precisione.

In particolare, la creazione da parte di Volkswagen della tecnologia di saldatura senza saldature da 42 metri ha migliorato in modo significativo l'integrità e la stabilità della carrozzeria.

Il Gruppo Haier, azienda leader nel settore degli elettrodomestici, ha lanciato con orgoglio la prima lavatrice prodotta con la tecnologia di saldatura laser senza saldatura.

La tecnologia laser avanzata ha il potenziale per apportare cambiamenti significativi alla vita delle persone.

2. Saldatura ibrida laser

La saldatura laser ibrida combina la saldatura a raggio laser e la tecnologia di saldatura MIG (Metal Inert Gas) per produrre effetti di saldatura ottimali, caratterizzati da velocità di saldatura elevate ed eccellente capacità di creare ponti di saldatura. Questo metodo sfrutta la precisione e l'alta densità di energia della saldatura laser con la versatilità e le capacità dei materiali d'apporto della saldatura MIG.

Vantaggi della saldatura ibrida laser

La saldatura ibrida laser è attualmente considerata uno dei metodi di saldatura più avanzati grazie ai suoi numerosi vantaggi:

1. Alta velocità: La combinazione di saldatura laser e MIG consente velocità di saldatura più elevate rispetto ai metodi di saldatura tradizionali.
2. Deformazione termica minima: L'apporto di calore concentrato del laser riduce l'apporto di calore complessivo, minimizzando la deformazione termica.
3. Piccola zona colpita dal calore (HAZ): Il controllo preciso del laser consente di ottenere una ZTA più piccola, preservando la struttura metallica e le proprietà meccaniche della saldatura.
4. Eccellente qualità di saldatura: L'approccio ibrido migliora la qualità della saldatura combinando la penetrazione profonda della saldatura laser con le capacità del materiale d'apporto della saldatura MIG.

Applicazioni della saldatura ibrida laser

La saldatura ibrida laser è versatile e adatta a varie applicazioni oltre alle strutture in lamiera delle automobili:

1. Industria automobilistica: Ideale per la saldatura di lamiere sottili utilizzate nelle carrozzerie delle automobili, offre elevata precisione e resistenza.
2. Pompe per calcestruzzo e bracci per gru mobili: In queste applicazioni si utilizzano spesso acciai ad alta resistenza e la saldatura ibrida al laser riduce la necessità di processi aggiuntivi come il preriscaldamento, riducendo così i costi.
3. Veicoli ferroviari: Assicura saldature forti e durature, necessarie per l'integrità strutturale dei veicoli ferroviari.
4. Strutture convenzionali in acciaio: Applicabile nella costruzione di ponti, serbatoi di carburante e altre strutture in acciaio, fornisce saldature robuste e affidabili.

3. Saldatura per attrito

La saldatura per attrito (FSW) è una tecnica di saldatura innovativa ed estremamente efficace che utilizza il calore di attrito e il calore di deformazione plastica come fonti primarie di calore. Questo processo si distingue in particolare per la capacità di unire i materiali senza fonderli, preservandone le proprietà originali e riducendo al minimo i difetti.

Panoramica del processo

Nella FSW, un perno cilindrico o di forma speciale, come un cilindro filettato, viene inserito nel giunto del pezzo. La testa di saldatura, che ospita il perno, ruota ad alta velocità e sfrega contro il materiale nel punto di giunzione. Questo attrito genera calore, facendo sì che il materiale si ammorbidisca e diventi plastico senza raggiungere il punto di fusione.

Fasi fondamentali della saldatura per attrito

1. Serraggio: Il pezzo da saldare deve essere fissato saldamente a un supporto posteriore per evitare che si muova durante il processo di saldatura.
2. Inserimento e rotazione: La testa di saldatura ruota ad alta velocità mentre il perno viene inserito nel giunto. La cucitura del pezzo del bordo si sposta rispetto alla testa di saldatura.
3. Attrito e agitazione: La sezione sporgente della testa di saldatura si estende nel materiale, creando attrito e mescolando il materiale ammorbidito. La spalla della testa di saldatura sfrega contro la superficie del pezzo, generando ulteriore calore. Questa azione aiuta a prevenire la fuoriuscita di materiale plastico e rimuove la pellicola di ossido superficiale.
4. Formazione del buco della serratura: Al termine del processo di saldatura, in genere viene lasciato un foro nel punto di uscita della testa di saldatura. Se necessario, questo foro può essere rimosso o sigillato con un altro metodo di saldatura.

Vantaggi della saldatura per attrito

• Saldatura di alta qualità: La FSW produce saldature robuste e di alta qualità con difetti minimi.
• Versatilità: Può saldare una varietà di materiali dissimili, tra cui metalli, ceramica e plastica.
• Facilità di meccanizzazione e automazione: Il processo si presta bene alla meccanizzazione e all'automazione, garantendo una qualità costante.
• Efficienza dei costi: La FSW è un metodo economicamente vantaggioso grazie alla sua elevata efficienza e ai bassi tassi di difettosità.

Applicazioni

La saldatura per attrito è ampiamente utilizzata in settori quali l'aerospaziale, l'automobilistico, il navale e il ferroviario, dove sono essenziali giunti di alta qualità e resistenza. La sua capacità di unire materiali dissimili la rende preziosa anche nelle applicazioni produttive che richiedono la combinazione di proprietà di materiali diversi.

4. Saldatura a fascio di elettroni (EBW)

La saldatura a fascio di elettroni (EBW) è una tecnica di saldatura sofisticata che utilizza l'energia termica generata da un fascio di elettroni accelerato e focalizzato. Questo fascio bombarda il materiale da saldare, in un ambiente sotto vuoto o non sotto vuoto, per ottenere la saldatura desiderata.

Applicazioni

L'EBW è ampiamente utilizzato in diversi settori industriali di alta precisione, tra cui:

• Aerospaziale
• Energia atomica
• Difesa nazionale e militare
• Produzione di automobili
• Strumenti elettrici

Questa tecnica è preferita per i suoi numerosi vantaggi, come l'assenza di elettrodi, l'ossidazione ridotta, l'eccellente ripetibilità del processo e la minima deformazione termica.

Principio di funzionamento

1. Emissione di elettroni: Gli elettroni vengono emessi dal catodo del cannone elettronico.
2. Accelerazione: Sotto l'influenza di una tensione di accelerazione, questi elettroni vengono accelerati a velocità che vanno da 0,3 a 0,7 volte la velocità della luce, acquisendo una notevole energia cinetica.
3. Messa a fuoco: Il fascio di elettroni ad alta densità viene focalizzato mediante lenti elettrostatiche ed elettromagnetiche all'interno del cannone elettronico.
4. Impatto e generazione di calore: Quando il fascio di elettroni colpisce la superficie del pezzo, la sua energia cinetica viene convertita in energia termica, provocando la rapida fusione ed evaporazione del metallo.
5. Formazione del buco della serratura: Il vapore metallico ad alta pressione crea un piccolo foro, detto foro chiave, sulla superficie del pezzo.
6. Formazione della saldatura: Quando il fascio di elettroni e il pezzo in lavorazione si muovono l'uno rispetto all'altro, il metallo liquido scorre intorno al foro della chiave e si solidifica, formando la saldatura sul retro del bagno di saldatura.

Caratteristiche principali

1. Penetrazione e densità di potenza: Il fascio di elettroni ha una forte penetrazione e un'elevata densità di potenza, che si traduce in un ampio rapporto profondità/larghezza della saldatura, che può arrivare fino a 50:1. Ciò consente di saldare materiali di grande spessore in un'unica passata, con uno spessore massimo di 300 mm. Ciò consente di saldare materiali di grande spessore in un'unica passata, con uno spessore massimo di saldatura fino a 300 mm.
2. Accessibilità e velocità: L'EBW offre un'eccellente accessibilità e velocità di saldatura elevate, generalmente superiori a 1 m/min.
3. Zona colpita dal calore: Il processo produce una zona termicamente influenzata di dimensioni ridotte, con conseguente deformazione minima della saldatura ed elevata precisione strutturale.
4. Versatilità: L'energia del fascio di elettroni può essere regolata per adattarsi a un'ampia gamma di spessori di metallo, da 0,05 mm a 300 mm, senza la necessità di una scanalatura. Ciò rende l'EBW un'opzione versatile rispetto ad altri metodi di saldatura.
5. Compatibilità dei materiali: L'EBW è adatto alla saldatura di diversi materiali, in particolare metalli attivi, metalli refrattari e pezzi di alta qualità.

5. Saldatura a ultrasuoni dei metalli

La saldatura dei metalli a ultrasuoni è un metodo unico e avanzato per unire metalli simili o dissimili utilizzando l'energia di vibrazione meccanica della frequenza ultrasonica. A differenza dei metodi di saldatura tradizionali, la saldatura a ultrasuoni dei metalli non richiede l'applicazione di una corrente elettrica o di una fonte di calore ad alta temperatura al pezzo da saldare.

Principio di funzionamento

Nella saldatura metallica a ultrasuoni, in presenza di pressione statica, l'energia di vibrazione del trasduttore a ultrasuoni viene convertita in lavoro di attrito, energia di deformazione e aumento limitato della temperatura. Questo processo determina un legame metallurgico tra i giunti, creando una saldatura allo stato solido senza fondere i metalli di base. Le vibrazioni meccaniche fanno sì che le superfici metalliche si sfreghino l'una contro l'altra, rompendo gli ossidi superficiali e i contaminanti e permettendo alle superfici metalliche pulite di legarsi a livello molecolare.

Vantaggi

La saldatura metallica a ultrasuoni offre diversi vantaggi:

• Velocità: Il processo di saldatura è rapido, spesso completato in una frazione di secondo.
• Efficienza energetica: Consuma meno energia rispetto ai metodi di saldatura tradizionali.
• Elevata forza di fusione: Le saldature prodotte sono forti e durature.
• Buona conduttività: Il processo mantiene la conducibilità elettrica e termica dei materiali.
• Mancanza di scintille: Non si producono scintille, il che lo rende più sicuro e pulito.
• Trattamento a freddo: Il processo è simile alla lavorazione a freddo, che riduce al minimo la distorsione termica e le tensioni residue.

Applicazioni

Questa tecnica di saldatura è versatile e può essere utilizzata per:

• Saldatura a punto singolo: Ideale per saldature piccole e precise.
• Saldatura a più punti: Adatto per applicazioni che richiedono più punti di saldatura.
• Saldatura a nastro corto: Efficace per unire nastri metallici di breve lunghezza.

I materiali comunemente saldati con la saldatura metallica a ultrasuoni includono:

• Rame
• Argento
• Alluminio
• Nichel
• Altri fili o fogli non ferrosi

La tecnologia è ampiamente utilizzata in vari settori industriali per applicazioni quali:

• Saldatura dei cavi dell'SCR (raddrizzatore controllato al silicio)
• Fusibili
• Conduttori elettrici
• Batteria al litio pezzi di palo
• Capicorda del palo

Limitazioni

Nonostante i suoi vantaggi, la saldatura metallica a ultrasuoni presenta alcune limitazioni:

• Spessore: Le parti metalliche saldate non devono generalmente superare i 5 mm di spessore.
• Dimensione del punto di saldatura: Il punto di saldatura non deve essere troppo grande.
• Pressione richiesta: Per ottenere una saldatura di successo è necessario applicare una pressione adeguata.

6. Saldatura di testa con flash

La saldatura di testa è una tecnica di saldatura specializzata utilizzata per unire due pezzi di metallo riscaldandoli con una resistenza elettrica e quindi applicando una pressione per forgiarli insieme. Questo metodo è particolarmente efficace per unire metalli ad alta conducibilità elettrica ed è ampiamente utilizzato in varie applicazioni industriali, tra cui la produzione di binari ferroviari, tubi e componenti strutturali.

Principio della saldatura a filo continuo

Il principio della saldatura di testa flash prevede l'utilizzo di una saldatrice di testa per mettere a contatto le due estremità dei pezzi metallici. Ecco una descrizione dettagliata del processo:

1. Contatto iniziale e riscaldamento:
   • I due pezzi di metallo da saldare sono tenuti in posizione da due elettrodi a pinza, collegati a un alimentatore.
   • Vengono applicate una bassa tensione e un'alta corrente, provocando il riscaldamento del metallo nel punto di contatto a causa della resistenza elettrica.
   • Quando la pinza mobile viene spostata, le due facce terminali dei pezzi entrano leggermente in contatto, il che li elettrizza e li riscalda.
2. Formazione del flash:
   • Il riscaldamento fa sì che il metallo nel punto di contatto raggiunga uno stato fuso, portando alla formazione di una scintilla o di un lampo quando il metallo liquido esplode.
   • L'azione di sfiammatura continua con l'avanzamento del dispositivo mobile, riscaldando ulteriormente entrambe le estremità dei pezzi.
3. Forgiatura e saldatura:
   • Quando il metallo raggiunge la temperatura desiderata ed è sufficientemente ammorbidito, le estremità dei due pezzi vengono estruse insieme.
   • La potenza di saldatura viene interrotta e la pressione assiale viene applicata rapidamente per forgiare i pezzi insieme, solidificando il giunto.
   • La resistenza del giunto aiuta a mantenere il calore, garantendo una saldatura forte.

Descrizione dettagliata del processo

• Applicazione di serraggio e alimentazione:
  • I pezzi di metallo sono tenuti saldamente da elettrodi a pinza.
  • L'alimentazione viene attivata e una corrente elevata attraversa il punto di contatto, generando calore nella resistenza.
• Riscaldamento e formazione di flash:
  • Il leggero contatto iniziale tra i pezzi di metallo provoca un riscaldamento localizzato.
  • Quando il metallo si riscalda e raggiunge lo stato fuso, si produce un flash dovuto alla natura esplosiva del metallo liquido nel punto di contatto.
  • Questo lampeggiamento continua con l'avanzamento della pinza mobile, assicurando che entrambe le estremità siano adeguatamente riscaldate.
• Forgiatura e solidificazione finale:
  • Una volta raggiunta la temperatura ottimale, la potenza di saldatura viene interrotta.
  • La pressione assiale viene applicata per forgiare insieme i pezzi di metallo, creando un giunto di saldatura solido e resistente.

Esempio: Saldatura di testa a filo d'acciaio

Nel caso della saldatura di testa in acciaio, il processo prevede l'inserimento di due barre di acciaio in un giunto di testa. La corrente di saldatura che passa attraverso il punto di contatto genera una resistenza termica, fondendo il metallo e producendo una forte scintilla. Questa scintilla rilascia tracce di molecole ed è spesso accompagnata da un odore pungente. Il processo di saldatura viene completato applicando rapidamente la forza di forgiatura, ottenendo una saldatura robusta e duratura.

Vantaggi della saldatura testa a testa

• Giunti di alta qualità: Produce saldature forti e affidabili con eccellenti proprietà meccaniche.
• Efficienza: Il processo è relativamente rapido e può essere automatizzato per ottenere alti tassi di produzione.
• Versatilità: Adatto a un'ampia gamma di metalli e applicazioni, compresi i progetti industriali su larga scala.