Saldatura per attrito con rimescolamento: saldare a basso costo lamiere d’acciaio e altri materiali ad alto punto di fusione

Data di pubblicazione:

2025-06-11

Honda ha sviluppato una tecnologia per saldare acciaio e leghe di alluminio mediante saldatura per attrito con rimescolamento, adatta ai prodotti di serie; l’Università del Tohoku in Giappone e Hitachi hanno sviluppato un utensile di rimescolamento in lega di cobalto capace di saldare metalli ad alto punto di fusione quali acciaio e titanio. L’uso della saldatura per attrito con rimescolamento (FSW: saldatura per attrito con rimescolamento), prima limitato nella produzione di serie a metalli a basso punto di fusione quali leghe di alluminio, rame e magnesio, comincia a estendersi a metalli con punto di fusione più elevato, come l’acciaio*1.

*1 Alla pressione atmosferica standard, il punto di fusione dell'alluminio è 660℃, quello del rame 1083℃ e quello del magnesio 651℃. Il ferro raggiunge invece 1539℃ e il titanio 1727℃.

Il calore d'attrito ammorbidisce il metallo fino a uno stato viscoso

La saldatura per attrito con mescolamento utilizza un utensile cilindrico con una sporgenza all'estremità, detta perno di mescolamento. L'utensile viene premuto ruotando dall'alto sulla zona da saldare di due lamiere accostate, ossia i materiali di base, oppure sovrapposte, saldandole insieme.

Il calore d'attrito generato tra il perno rotante e la lamiera ammorbidisce il metallo attorno al perno fino a uno stato viscoso, permettendogli di penetrare nella lamiera. Il metallo ammorbidito attorno al perno si mescola, producendo un flusso plastico che unisce le due lamiere in un unico corpo; oppure si formano legami metallici sulla loro superficie di giunzione, unendole in un unico corpo.

In passato mancavano utensili di mescolamento resistenti alle alte temperature

La saldatura per attrito con mescolamento presenta quattro vantaggi: (1) saldando senza fondere il materiale di base, ossia in fase solida, produce poche deformazioni e pochi difetti, migliorando la qualità dei prodotti e riducendo i costi; (2) consuma meno energia della saldatura per fusione; (3) non richiede gas protettivi; (4) genera poco rumore e nessuna polvere. Inoltre, è molto efficace anche per saldare materiali diversi, suscitando grande interesse nel settore: scegliendo materiali adeguati per ogni parte, si prevedono risultati come la riduzione del peso*2. Tuttavia, come indicato all'inizio dell'articolo, in passato i materiali lavorabili con questo metodo nella produzione di serie erano limitati ai metalli a basso punto di fusione.

*2 Rispetto alla saldatura in fase liquida che fonde il materiale di base, ossia la saldatura per fusione, quella per attrito con mescolamento opera a temperature inferiori e consente di controllare facilmente l'apporto termico impostando le condizioni di saldatura. È quindi facile ridurre la formazione di composti intermetallici, principali responsabili della diminuzione della resistenza della saldatura. Riducendo lo spessore dello strato intermetallico si può aumentare la resistenza della giunzione. Anche nella saldatura per attrito con mescolamento, un mescolamento eccessivo produce molti composti intermetallici.

In passato l'uso della saldatura per attrito con mescolamento era limitato ai metalli a basso punto di fusione perché mancavano utensili economici resistenti alle alte temperature e adatti alla produzione di serie. Per saldare leghe di alluminio si usano generalmente utensili in materiali ferrosi, come l'acciaio per utensili. Quando si saldano metalli ad alto punto di fusione quali acciaio e leghe di titanio, nella zona ad alta temperatura che li ammorbidisce si ammorbidisce anche l'utensile, che subisce una forte usura e diventa inutilizzabile. Sebbene siano stati sviluppati utensili in materiali non ferrosi, come ceramiche e leghe di tungsteno-renio, il loro prezzo è molto elevato e non sono adatti alla produzione di serie.

Esporre una nuova superficie dell'acciaio senza mescolarlo

La tecnologia sviluppata da Honda per saldare acciaio e lega di alluminio mediante saldatura per attrito con mescolamento serve a unire materiali di base sovrapposti in acciaio e lega di alluminio. La caratteristica principale è mescolare soltanto la lega di alluminio senza mescolare l'acciaio (immagine inferiore della figura 1), evitando così una temperatura eccessiva dell'utensile.

Acciaio e lega di alluminio possono essere saldati senza mescolare l'acciaio perché tra loro si formano legami metallici. La tecnologia, cioè, non mescola l'acciaio ma rimuove il rivestimento e lo strato di ossido dalla sua superficie. In questo modo espone una superficie nuova dell'acciaio, che forma legami metallici con la lega di alluminio resa più attiva dal mescolamento. Questi legami uniscono acciaio e lega di alluminio in un unico corpo*3.

*3 Quando acqua o altro penetrano tra acciaio e lega di alluminio, si verifica corrosione bimetallica (elettrocorrosione). Questa tecnologia la previene inserendo un film di silicio tra l'acciaio e la lega di alluminio.

Honda ha adottato questa tecnologia nel sottotelaio anteriore della nuova “Accord” destinata al mercato nordamericano, ottenendo vari risultati (figura 2). In particolare, il peso è diminuito del 25％ rispetto al precedente sottotelaio in acciaio e il consumo elettrico durante la saldatura è calato di circa il 50％. Inoltre, la tecnologia ha consentito di modificare la struttura dei punti di fissaggio tra sottotelaio e sospensioni, aumentandone la rigidità del 20％ e contribuendo così a migliorare le prestazioni dinamiche del veicolo.

Ampliare i campi applicativi mediante nuovi materiali

D'altra parte, l'Università del Tohoku, Hitachi e Hitachi Metals Precision Instruments hanno sviluppato un utensile relativamente economico e resistente alle alte temperature, ampliando l'ambito applicativo della saldatura per attrito con mescolamento (figura 3). Il materiale dell'utensile è stato sviluppato congiuntamente dall'Università del Tohoku e Hitachi; la tecnologia di produzione in serie del materiale e dell'utensile, realizzato per fusione, è stata sviluppata con successo da Hitachi e Hitachi Metals Precision. L'utensile può saldare per attrito con mescolamento metalli ad alto punto di fusione quali acciaio, leghe di titanio e leghe di zirconio; l'inizio delle vendite è previsto per l'autunno 2013. Sebbene Hitachi Metals Precision Instruments dichiari che “il prezzo sarà discusso in seguito”, si stima che verrà collocato in una fascia adatta all'impiego nella produzione di serie.

Il materiale sviluppato dall'Università del Tohoku e da altri per gli utensili di saldatura per attrito con mescolamento è una lega di cobalto contenente composti intermetallici che mantengono un'elevata resistenza anche ad alte temperature. Nello specifico, Co3 (Al, W) è distribuito in una lega a base di cobalto. Il punto chiave è ottenere una distribuzione fine e uniforme di Co3 (Al, W), con quantità distribuita e forma dei bordi di grano vicine a quelle desiderate. A tal fine sono stati adottati composizioni e metodi di trattamento termico più razionali.

I materiali attualmente previsti per questo utensile sono acciai al carbonio, acciai ad alta resistenza, leghe di titanio (Ti-6Al-4V e altre), titanio puro e leghe di rame. Sebbene per alcuni materiali l'utilizzo sia difficile a causa di resistenza, spessore o altri fattori, in linea generale sono saldabili i materiali per i quali la temperatura massima dell'utensile, ossia la temperatura di giunzione, durante la saldatura per attrito con mescolamento è di circa 1000℃.

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