Nuovi sviluppi della saldatura ibrida laser-arco nell’industria dei trasporti

La nuova tecnica di Saldatura ibrida HLAW sta iniziando a prendere piede. Vediamone i vantaggi e in quali applicazioni può dare il meglio.

L’applicazione della saldatura ibrida laser-arco, nel seguito sarà abbreviata con l’acronimo inglese HLAW (Hybrid Laser Arc-Welding), è stata presentata per la prima volta all’inizio degli anni ‘70; ha avuto molti, ma distanziati, richiami negli anni successivi, ma solo recentemente sta prendendo decisamente piede in ambito industriale. Questa tecnica combinata utilizza i vantaggi del laser, che comportano elevate penetrazioni e alte velocità di lavoro, e delle tecniche ad arco, che consentono di superare discreti scostamenti tra le parti da congiungere, rallentano il raffreddamento del cordone e, grazie all’impiego del materiale d’apporto, aggiustare le sue caratteristiche metallurgiche. Considerando tutti questi elementi, il lettore si può chiedere perché questa tecnica ci abbia messo così tanto tempo per trovare un posto stabile nelle applicazioni industriali. Le motivazioni di questo sono molteplici, derivanti tutte dal fatto che ogni nuovo processo tecnologico richiede che concorrano parecchi elementi per renderlo accettato su vasta scala. Il primo di questi è sicuramente dovuto al fatto che devono essere realizzate corrette procedure costruttive e una di queste è data dallo scostamento massimo tra i lembi che risulta accettabile dalla tecnica e questo è una conseguenza delle lavorazioni a monte di taglio e piegatura dei componenti da congiungere e dalle richieste di capacità produttive a valle. Un altro elemento è dato dalla necessità di focalizzare lo sguardo non solo verso il costo totale di costruzione, ma anche a quello del ciclo complessivo di vita del prodotto stesso.

La tecnica

Disposizione tipica per la saldatura ibrida laser-arco. Il fascio laser focalizzato fornisce l’energia concentrata per ottenere l’elevata penetrazione, mentre l’arco elettrico contribuisce a compensare eventuali scostamenti tra i lembi da congiungere. Gli elementi nella schematizzazione sono: (1) cordone di saldatura realizzato; (2) gas inerte di protezione dell’arco; (3) fascio laser focalizzato (nell’articolo si considerano applicazioni con sorgenti aventi emissione a 1 μm che non richiedono di ulteriori gas di protezione); (4) torcia MIG; (5) filo di apporto; (6) arco elettrico; (7) bagno fuso; (8) keyhole creato dal fascio laser.

Il processo HLAW utilizza, come detto, la combinazione dell’azione della luce laser con quella di un arco elettrico proveniente, in generale, da una torcia MIG operante prevalentemente nel modo spray-transfer (con trasferimento per effetto dell’arco del materiale d’apporto tramite una successione di piccole gocce di fuso). Si veda per questo la figura 1. Il fascio laser viene focalizzato in una macchia focale di pochi decimi di millimetro, generando così una elevata densità di energia che, tra l’altro, aiuta a stabilizzare l’arco elettrico. Il fascio laser, attraverso il ben noto processo di keyhole, penetra in profondità nel giunto, producendo una ridotta zona alterata termicamente e consente il raggiungimento di elevate velocità cosa che aiuta a ridurre notevolmente l’energia termica apportata al giunto. Il processo ad arco MIG riduce la velocità di raffreddamento del cordone creato dal laser, riducendo così l’aumento di durezza che ne sarebbe conseguito ed evitando l’insorgere di criccature. Il tipo di materiale di filo d’apporto utilizzato nel processo MIG consente al progettista del componente di variare le caratteristiche meccaniche e metallurgiche del giunto, dando anche la possibilità di rimuovere da questo o, almeno, diluire alcuni elementi contaminanti. Il vantaggio predominante della tecnica HLAW è però dato dalla velocità, che può raggiungere valori tra 3 e 30 volte superiori a quanto ottenibile con i tradizionali processi di fusione come il solo MIG o l’arco sommerso. Questo è dovuto non tanto alla maggiore velocità della testa di lavoro, ma dal fatto che il processo HLAW consente di completare il riempimento del cianfrino di un giunto con un numero inferiore di passaggi. Tenendo conto inoltre che una maggiore velocità di saldatura è associata a una minore quantità di energia termica ceduta al pezzo (riduzione tra l’80 e il 95%), il progettista meccanico è in grado di ridurre il volume del cianfrino. Come esempio, prendiamo un giunto di testa avente spessore di 15 mm: se si dovesse utilizzare il processo ad arco sommerso (come indicato nella fig.2a) si dovrebbe avere un cianfrino con apertura complessiva di 60°, una parte rettilinea sul fondo profonda 3 mm con una separazione tra i lembi di 2 mm; utilizzando il metodo HLAW la parte rettilinea ha una lunghezza di 10 mm, con i lembi accostati, e il cianfrino sovrastante ha una apertura complessiva di 28° (si veda la fig. 2b). Questo cambio drastico nella configurazione del giunto consente al progettista di avere a disposizione una maggiore varietà di configurazioni meccaniche locali del componente e utilizzare una sola passata per realizzare l’intero giunto.

Altri vantaggi

Per effetto della ridotta energia termica immessa nel giunto, del minore volume di fuso generato e della ridotta estensione della zona termicamente alterata attorno al cordone, la tecnica HLAW produce sul componente trattato minori tensioni residue e minori distorsioni meccaniche. Consideriamo come esempio per questo una saldatura ad angolo che unisce una piastra verticale a un’altra orizzontale (si veda la fig. 3). Si può avere una saldatura bilaterale che non coinvolge l’intera lunghezza della zona di appoggio tra i due componenti, con una altezza totale del cordone di giunzione 9 mm, operazione questa che in genere viene effettuata con la sola tecnica ad arco, ma che, alcune volte utilizza anche il laser con potenza ridotta per dare una maggiore penetrazione. Con questa procedura (fig. 3a) l’area nota come centroide del campo delle tensioni indotte è posta in gran parte fuori metallo base e molto lontano dall’asse neutro della struttura (che è al centro della piastra verticale). Questo causa nel giunto tensioni di trazione e distorsioni ed è per cercare di minimizzare questi effetti che i saldatori fanno di tutto per controllare come il cordone si raffredda. La tecnica HLAW, mediante le variazioni che essa consente nella geometria del giunto, rende possibile la variazione del centro di questo campo di tensioni. Con il metodo ibrido laser-arco è possibile infatti passare dalla penetrazione parziale a quella totale (si veda la schematizzazione della figura 3b in cui si ha ancora una saldatura bilaterale contrapposta). In questo caso, l’altezza del cordone è di solo 3 mm e ciò consente lo spostamento del centroide precedentemente definito maggiormente verso l’asse neutro della struttura, riducendo il ritiro longitudinale e la deflessione angolare, con il conseguente risultato che le tensioni indotte dal processo possono essere inferiori al valore di deformazione di compressione locale e globale. In questo modo i progettisti della struttura non devono compensare queste tensioni in altre parti della stessa. Come esemplificazione pratica di quanto detto, si veda la figura 4, relativa alla saldatura di componenti per strutture di caldaie per l’industria energetica (spessore dei materiali: 6 mm): con la tecnica HLAW si ha la saldatura per penetrazione completa del giunto con accesso da una sola parte (velocità: 2.3 m/min; potenza laser: 8 kW).

Le condizioni di applicazione

Il lettore, avendo compreso tutti i vantaggi di questa tecnica, rimarrà sorpreso nel constatare come essa non abbia avuto negli anni scorsi una grande diffusione. Le ragioni di questo sono molteplici. Innanzitutto occorre dire che il processo, negli anni ‘80 e ‘90, non era così robusto come invece risulta essere adesso. Si deve poi considerare che il processo HLAW ha sofferto degli stessi problemi avuti dalla saldatura laser convenzionali: i progettisti dell’industria non avevano gli elementi da cui poter trarre i vantaggi dall’introduzione di queste nuova tecnologia, tenendo in conto che, in ogni caso, per poterla applicare dovevano procedere a sostanziali variazioni nel progetto dei componenti su cui poteva essere applicata Vi è stata poi una grande discussione sulla questione del massimo scostamento che poteva essere tollerato da questa tecnica, in funzione dello spessore del componente da saldare. Ora si può dire che scostamenti di ± 0.5 mm, in assenza di controlli di processo più sofisticati, possono essere tollerati. Questi valori sono però molto più stringenti rispetto a quanto necessario per le tecniche ad arco, ma ben maggiori rispetto a quanto richiesto dalla saldatura laser convenzionale. Certamente si hanno applicazioni del processo HLAW in cui possono essere adeguatamente compensati anche scostamenti di ± 2.0 mm senza l’aggiunta di controlli adattativi, ma questo richiede rallentamenti della velocità di lavoro che possono mettere in dubbio la validità dell’investimento fatto: quale è infatti il vantaggio che può derivare da una necessaria variazione di progetto per consentire l’uso di un processo HLAW (sicuramente più costoso di una tecnica ad arco) se la produzione risultante non viene cambiata? Una visione più ampia ci rivela una ragione più importante del fatto che la tecnica HLAW sia stata accettata solo gradualmente. Quale è infatti il lo scopo di modificare il progetto di un componente per poter accettare la possibilità di essere realizzato mediante questo processo innovativo,se poi il totale del numero dei componenti così prodotti non cambia? A valle del processo di saldatura vi sono infatti altre operazioni di assemblaggio, finitura o altro che possono non consentire un aumento di produttività. Vi sono poi le condizioni del cliente finale esterno di tale componente che deve poter essere in grado di gestire questa produzione. La tecnica HLAW certamente consente di ridurre i costi di saldatura considerando sia quelli del materiale che del lavoro vero e proprio, ma se poi al termine della catena non esce un maggior numero di prodotti dal portone dello stabilimento, la redditività complessiva di questi non cambia. Naturalmente la tecnica HLAW è stata utilizzata in un buon numero di casi, cambiando i processi di lavorazione precedentemente utilizzati. I miglioramenti di produttività così ottenuti hanno consentito alle aziende che l’hanno utilizzata di ridurre i costi e di guadagnare significative quote di mercato. Ma tutto questo coinvolge unicamente il momento costruttivo. Attualmente il concetto di «conduzione snella» di un’azienda sta portando sempre più a considerare non solo i costi di produzione, ma anche quelli che si verificano nel corso del ciclo di vita del prodotto, ed è qui che la tecnica HLAW sta esprimendo i migliori risultati.

L’effetto dell’uso di acciai alto-resistenziali

Questa “conduzione snella” ha portato i produttori, tra l’altro, a utilizzare i materiali ad alta resistenza per ottenere una riduzione di peso dei componenti prodotti. Questo sforzo è notevole, per esempio, nel settore automobilistico che a subito accolto i processi HLAW per la saldatura di molti suoi componenti: nella carrozzeria ma, soprattutto, nei gruppi delle sospensioni, nei sostegni dei motori e nei componenti dei tubi di scarica. Una regola pratica nell’industria dell’auto è che 1Kg di riduzione del peso di una struttura comporta una diminuzione di 1,5 Kg sul peso complessivo del veicolo in seguito all’influenza che quel componente strutturale ha sugli altri elementi dell’auto (motore, trasmissioni, freni,…). I costruttori di auto hanno recentemente scoperto che possono aumentare la resistenza allo snervamento delle loro parti in acciaio del 50% solo con un aumento del 10% del costo del materiale utilizzato. Questo, a sua volta, ha permesso di ridurre il peso dei componenti dal 30 al 50%. Il risultato è che, in questo modo, una parte maggiormente resistente costa meno di quella equivalente più pesante: un doppio vantaggio. Questa ricerca di riduzione di peso è stata fatta anche in altri settori del trasporto: camion, vagoni ferroviari, attrezzature minerarie e delle costruzioni, e persino nelle portaerei. In alcuni di questi settori questa ricerca è addirittura iniziata prima che nell’industria dell’auto. Il settore navale è stato uno di questi: per molti anni i ponti delle navi erano realizzati mediante complesse strutture saldate che connettevano sottili lamiere alto resistenziali a lamiere di maggiore spessore, come poi più diffusamente impiegato nelle carrozzerie degli attuali veicoli. Nel corso della vita di una nave, una riduzione di peso delle sue strutture superiori può portare a incredibili risparmi di carburante e di altri costi operativi. Questo è il motivo per cui la Marina degli USA e molti costruttori navali in hanno sostituito piastre e travi in acciai AH36 con quelli alto resistenziali a bassa lega come HSLA-65, -80 e -100. Diversi cantieri stanno ora utilizzando la tecnica HLAW per la realizzazione elementi strutturali su misura saldando assieme materiali di diversa natura per dare maggiore resistenza solamente dove questa è necessaria e ridurre nel complesso il peso della struttura. Queste stesse considerazioni valgono per la costruzione delle macchine movimento terra. Le cosiddette «strutture leggere» su questi veicoli pesanti (pensiamo ai serbatoi di carburante, quelli per l’olio, cabine, le strutture dei motori) rappresentano una porzione significativa della massa complessiva di queste macchine e ogni sua riduzione comporta un significativo risparmio di materiale e di potenza motrice. I bracci di sollevamento e trasporto di queste macchine sono estremamente sensibili alla questione peso poiché ogni suo aumento comporta una corrispondente diminuzione di quanto il braccio stesso può trasportare. Per prodotti come rimorchi di camion, vagoni ferroviari e containers intermodali, il carico utile gioca un ruolo determinante tra le loro caratteristiche: ogni chilo di peso del veicolo rappresenta un chilo di materiale che non potrà essere trasportato per l’intera vita del prodotto. Per questi motivi attualmente nella fase di progettazione di questi veicoli viene fatte un uso sempre maggiore di acciai ad alta resistenza utilizzando progetti di questi componenti che prevedano l’uso di tecnica avanzate di saldatura laser come quella HLAW. Si pensi che una riduzione del peso di queste macchine tra il 30 e 40% si aumenta la capacità del carico utile di oltre il 20%, a parità di volume complessivo del contenitore (vedasi la fig. 5). Per esemplificare questo, consideriamo il caso di un contenitore per spedizioni intermodali: riducendo il peso della sua struttura del 20%, si può avere una capacità di carico maggiore di 25 tonnellate! Questo per un solo elemento, ma in genere l’utente medio di questi ne ha parecchie unità, che hanno vite di lavoro di molte decine di anni. A tutto questo si deve aggiungere che, nel viaggio di ritorno dalla spedizione del materiale, un container più leggero consuma meno carburante. Tutto questo si traduce in risparmi complessivi di molti milioni di euro. I progettisti di navi e di mezzi di trasporto di ogni genere fanno ora un uso maggiore di lamiere in acciaio inossidabile, in particolare quelle duplex ad alta resistenza. Precedentemente essi utilizzavano lamiere spesse di acciaio normale per poter avere margini contro gli effetti della corrosione nella parte finale della vita del prodotto. Utilizzando ora acciai inossidabili, essi non hanno più questa necessità e il risultato è quello di impiegare lamiere sottili che consentono una riduzione di peso della struttura e quindi una maggiore capacità di carico. Il problema maggiore che è stato necessario affrontare per poter applicare questa sostituzione è stato quello delle deformazioni che venivano indotte su queste lamiere sottili dalle tecniche di saldatura convenzionali: l’introduzione della tecnica ibrida laser-arco, grazie al suo ridotto apporto termico e alla alta velocità di processo, lo ha risolto.

Tiriamo le somme

Lo spostamento delle modalità costruttive verso tecniche di produzione snella e l’abitudine sempre più diffusa a pensare al costo totale di un prodotto considerando il suo ciclo di vita totale, ha fatto in modo che si potesse spostare l’attenzione dal costo al chilo del metallo utilizzato per produrlo al costo totale di costruzione e a quelli di supporto necessari nell’intera vita del prodotto. Naturalmente le leghe alto resistenziali e gli acciai inossidabili sono maggiormente costosi rispetto agli acciai convenzionali; ma questo maggiore costo diventa trascurabile rispetto ai possibili risparmi e alla maggiore produttività nell’intera vita del prodotto. L’uso di questi materiali innovativi consente di ridurre lo spessore delle strutture e questo potrebbe aggravare i problemi di distorsioni termiche indotte dai processi di lavorazione. È qui che le tecniche HLAW giocano un ruolo fondamentale.

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here