Serroni, Gaspare
(2010)
Realizzazione di giunti Laser Beam Welding su leghe di Titanio innovative di interesse aeronautico: analisi delle proprietà meccaniche ed elettrochimiche.
[Tesi di dottorato]
(Inedito)
Abstract
Il titanio è utilizzato, e lo sarà sempre di più, in molteplici settori: dal settore navale a quello ortopedico ed odontoiatrico da quello architettonico a quello degli impianti chimici . Il settore dove, tuttavia, sta trovando il suo più largo impiego è quello aeronautico . Obiettivo principale di un progettista, infatti, è realizzare un veivolo con materiali quanto più leggeri possibile, soprattutto nella zona della fusoliera .
Il risparmio in peso dell’aeroplano comporta notevoli benefici economici, derivati (I) dalla riduzione del Take off Weight, (II) dalla possibilità di aumentare il carico pagante o (III) dalla possibilità di imbarcare maggiori quantità di combustibile. I produttori di aerovelivoli sono, per tali motivazioni, indirizzati verso una nuova generazione di aerei costituiti, per componenti non strutturali, da materiali compositi a base polimerica: fibre di carbonio in matrici di resine termoindurenti di natura epossidica (i CFRP) sono utilizzate in sostituzione dei metalli, comportando apprezzabili riduzioni di peso del veivolo . Proprio l’utilizzo dei composti polimerici ha reso il titanio di estremo interesse in campo aeronautico.
Utilizzabile per parti strutturali del veivolo, il titanio, in virtù di un potenziale di equilibrio prossimo a quello dei materiali compositi, può essere accoppiato con questi senza manifestare problematiche di natura corrosiva, dovute ad effetto galvanico, riscontrabili, invece, con l’utilizzo di metalli differenti, quali ad esempio l’alluminio o l’acciaio. Titanio e carboresina hanno, inoltre, coefficienti di dilatazione termica molto prossimi (≈ 9x10-6 Δl/l °C), garantendo una notevole riduzione delle tensioni meccaniche che possono verificarsi quando il veivolo è in quota.
Alle altitudini di crociera, infatti, il veivolo è sottoposto a temperature esterne molto basse (≈ -40°C), mentre internamente si aggirano intorno 20°C. La differenza di temperatura comporta una differente dilatazione termica del materiale, con conseguente presenza di tensioni interne che si amplificherebbero notevolmente nel momento in cui i materiali accoppiati, sottoposti a stesse differenze di temperatura, avessero anche due coefficienti di dilatazione termica distanti tra di loro.
L’utilizzo del Titanio, tuttavia, è stato limitato da un grande inconveniente rappresentato dal prezzo di mercato a causa non solo delle difficoltà di estrazione, ma anche e soprattutto, di problematiche legate alla lavorazione del metallo stesso .
La tecnica di lavorazione attualmente più utilizzata è l’asportazione di truciolo dal pieno, che offre maggiori garanzie dal punto di vista della finitura senza provocare, tuttavia, significative alterazioni delle proprietà meccaniche del materiale. Tale tecnica di lavorazione comporta, però, perdite enormi di materia prima e “distruzione” repentina degli utensili di lavoro .
Si stima, infatti, che per un lavorato di medie dimensioni e di media complessità della forma, utilizzando l’asportazione di truciolo dal pieno si raggiungano valori del “buy to fly ratio” di circa a 1:20. La saldatura di più formati di forma semplice, per arrivare a pezzi di forma anche particolarmente complessa, potrebbe rappresentare una strada percorribile per evitare la produzione di grosse quantità di sfrido, e quindi per contribuire ad una notevole riduzione del prezzo finale del lavorato.
La saldatura laser rappresenta un’alternativa all’asportazione di truciolo dal pieno, percorribile per ottenere dei lavorati, anche di forma particolarmente complessa, con valori ridotti (1:1,5) del “buy to fly ratio”, riducendo, in tal modo, i costi complessivi e quindi il prezzo del prodotto finito. La maggior parte delle leghe α e α-β di titanio possono essere saldate per fusione.
Il raggio laser trasferisce al materiale l’energia necessaria in maniera istantanea ed il calore prodotto non ha il tempo necessario per trasferirsi, per conduzione, alle zone adiacenti. Ne consegue una ridotta zona interessata da alterazioni termiche ed una elevata precisione .
Il processo di saldatura,tuttavia, induce problematiche dovute all’elevata reattività a caldo del titanio con l’ossigeno, l’azoto e l’idrogeno presenti in aria. Tali elementi, ad alte temperature, potrebbero inserirsi nel reticolo cubico della fase beta, che diventerebbe così cubica a corpo centrato, ostacolandone il successivo ritorno alla struttura esagonale alfa durante il raffreddamento con possibile insorgere di criccature
Al di sopra della temperatura di transizione di fase (883°C per il titanio puro, anche oltre i 900°C per le forme legate) la microstruttura del materiale diventa cubica per ritornare poi esagonale durante il raffreddamento .
Per ovviare a questo problema la saldatura laser viene eseguita in atmosfera controllata, ovvero in presenza di un flusso di gas inerti quali l’argon e l’elio che confluiscono in una “scarpetta” sotto la testa di focalizzazione, dotata sul perimetro inferiore di un bordo di tessuto ignifugo per minimizzare la perdita del gas di protezione.
L’alto potenziale di ionizzazione rende l’elio, più leggero dell’aria, molto adatto nelle lavorazioni laser utilizzandolo in direzione coassiale e laminare al fascio laser, in modo da creare all’ interno della “scarpetta” una nube di protezione. L’argon, che ha invece una bassa soglia di ionizzazione, sarà utilizzato nella zona inferiore del provino come protezione gassosa al rovescio.
In questo lavoro di dottorato si è valutata la possibilità di saldare il titanio a mezzo laser, verificando che, a seguito del processo, non si verifichino significative variazioni elettrochimiche e meccaniche del metallo nella zona saldata, che implicherebbero l’ inutilizzabilità in campo aeronautico.
Una prima fase della sperimentazione ha interessato la messa a punto del sistema di saldatura. Prove di penetrazione sono state effettuate per verificare la tipologia e la difettologia macroscopica delle giunzioni create. Successivamente, ottimizzato un piano sperimentale tenendo conto anche dei limiti tecnologici del processo, sono stati prodotti cordoni di saldatura con differenze morfologiche, ma anche fisiche, meccaniche ed elettrochimiche.
Obiettivo prefissato era quello di ottimizzare i parametri di saldatura la fine di ottenere un cordone di saldatura con caratteristiche elettrochimiche, fisiche e meccaniche quanto più vicine possibile a quelle del materiale di base.
Il lavoro di ricerca è pertanto incentrato sullo studio delle proprietà elettrochimiche e meccaniche dei campioni ottenuti, per, poi, sottoporli ad un raffronto con il materiale di base, verificando, quindi, la possibilità di lavorare il titanio tramite saldatura laser, senza per questo perdere le sue caratteristiche elettrochimiche e meccaniche. I principali risultati ottenuti permettono di affermare che i parametri di processo non influenzano significativamente le proprietà meccaniche statiche dei giunti e le analisi microscopiche mostrano come i i giunti ottenuti con alte potenze e basse velocità di avanzamento del fascio laser (giunti “caldi”) presentino un cordone di saldatura uniforme e siano esenti da difetti macroscopici. I test di fatica ciclica, tuttavia, mostrano una marcata influenza della morfologia del cordone di saldatura: la presenza di qualche difetto (come l’UnderCut) sia nella parte superiore che in quella inferiore del cordone, riducono drammaticamente la resistenza dinamica dei giunti.
Le prove elettrochimiche hanno consentito di osservare come i giunti che abbiano riscontrato le migliori proprietà meccaniche, evidenzino anche le migliori proprietà elettrochimiche ed inoltre, in questi casi, il cordone assume un comportamento di tipo catodico rispetto al materiale base.
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