Saldature d’Alluminio AA6061: Addio Crepe, Benvenuta Forza con l’FSP!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida che fa sudare freddo molti nel campo della manifattura: saldare le leghe di alluminio ad alta resistenza, in particolare la nostra “amica” AA6061. Perché è una sfida? Beh, questa lega è fantastica per le sue proprietà – leggera, resistente – ma quando proviamo a saldarla con i metodi tradizionali a fusione, tende a fare i capricci. Il problema principale si chiama criccabilità a caldo, e in particolare la cricca da solidificazione. Immaginate il metallo fuso che si raffredda e solidifica: se non lo fa nel modo giusto, si formano delle crepe proprio nella zona di saldatura. Un bel guaio, vero?

Il Dramma della Cricca da Solidificazione nell’AA6061

L’alluminio AA6061 è noto per essere particolarmente suscettibile a questo fenomeno, addirittura più di altre leghe toste come la 2024 o la 7075. Perché? Uno dei fattori chiave è la dimensione dei grani cristallini che si formano nella zona fusa (FZ). Grani grossolani rendono il materiale meno capace di “assorbire” le tensioni che si generano durante il raffreddamento e la solidificazione, portando alla formazione di crepe. Pensate a un muro costruito con mattoni enormi e pochi punti di contatto: è meno stabile di uno fatto con tanti mattoni piccoli e ben incastrati. La stessa logica si applica, in un certo senso, alla microstruttura del metallo.

Negli anni si è cercato di risolvere il problema in vari modi, ad esempio aggiungendo titanio o nanoparticelle nel bagno di fusione per “inseminare” la formazione di grani più fini. Ma se vi dicessi che c’è un modo per preparare il materiale *prima* della saldatura, rendendolo quasi immune alle crepe?

L’Eroe Inaspettato: Il Pre-trattamento FSP

Ed ecco che entra in gioco il protagonista della nostra storia: il Friction Stir Processing (FSP). Attenzione, non è una tecnica di saldatura in sé, ma un processo termo-meccanico che usiamo *prima* della saldatura vera e propria. Immaginate un utensile rotante che “mescola” energicamente il metallo allo stato solido, senza fonderlo. Questo “massaggio” vigoroso ha un effetto incredibile: raffina drasticamente la microstruttura del materiale base, creando grani ultra-fini.

L’idea geniale, che abbiamo esplorato a fondo in questo studio, è stata: e se usassimo l’FSP per “condizionare” l’AA6061 prima di saldarlo a fusione (nello specifico, con saldatura TIG)? L’ipotesi era che partendo da un materiale base con grani finissimi, anche la zona fusa durante la successiva saldatura TIG avrebbe ereditato questa finezza, grazie a un fenomeno chiamato crescita epitassiale (i nuovi grani si formano copiando la struttura di quelli esistenti ai bordi).

La Combo Vincente: FSP + TIG (FTIG)

Ebbene, i risultati sono stati a dir poco entusiasmanti! Abbiamo preso delle lastre di AA6061-T6, ne abbiamo trattata una porzione con FSP multi-passata (per coprire l’intera area di futura saldatura), e poi abbiamo eseguito una saldatura TIG autogena (senza materiale d’apporto) sia sul materiale non trattato che su quello pre-trattato con FSP (abbiamo chiamato questa combinazione FTIG).

Scenario 1: Saldatura TIG su AA6061 non trattato.
Un disastro annunciato. Come previsto, è comparsa una vistosa cricca longitudinale lungo tutta la linea centrale della saldatura. Analisi al microscopio hanno confermato la presenza di grani molto grossolani nella zona fusa e numerose micro-cricche. La superficie di frattura mostrava chiaramente le caratteristiche della cricca da solidificazione (aspetto dendritico). Insomma, materiale inutilizzabile per applicazioni strutturali.

Scenario 2: Saldatura TIG su AA6061 pre-trattato con FSP (FTIG).
Tutta un’altra musica! A occhio nudo, nessuna macro-cricca visibile. La saldatura appariva sana e continua. Analisi più approfondite hanno rivelato che, sebbene potessero esserci ancora alcune micro-cricche e porosità occasionali, la loro presenza era drasticamente ridotta rispetto al caso precedente. L’FSP aveva trasformato un materiale incline alle crepe in uno notevolmente resistente!

Perché Funziona Così Bene? Il Segreto è nella Microstruttura

Ma qual è la magia dietro questo miglioramento? Come anticipato, tutto ruota attorno alla microstruttura.

• Grani più Fini: L’analisi EBSD (Electron Backscatter Diffraction, una tecnica potentissima per vedere i grani) ha confermato tutto. Nel caso FTIG, i grani nella zona fusa avevano una dimensione media di circa 28 µm, il 32% più piccoli rispetto ai 41 µm della saldatura tradizionale. Questo perché la crescita epitassiale partiva da una base (la zona termicamente alterata, HAZ) già resa più fine dall’FSP (grani medi di 13 µm contro i 22 µm del caso non trattato). Grani più fini significa migliore capacità di accomodare le deformazioni durante la solidificazione, riducendo lo stress sul liquido residuo e quindi la tendenza a criccare.
• Dendriti più Fitte: Non solo i grani, ma anche la struttura interna dei grani solidificati, le dendriti, risultava più fine. Nella saldatura FTIG, la spaziatura tra i bracci primari delle dendriti (PDAS) era di circa 28 µm, contro i 49 µm del caso tradizionale – una riduzione del 55%! Dendriti più fini offrono una maggiore superficie per la coalescenza, rendendo il fronte di solidificazione più robusto contro le crepe.

In pratica, l’FSP crea le condizioni ideali nel materiale base affinché la successiva saldatura a fusione produca una microstruttura intrinsecamente più resistente alla criccabilità a caldo.

Non Solo Senza Crepe, Ma Anche Super Resistente!

Ok, abbiamo eliminato le crepe, ma la saldatura è anche resistente? Assolutamente sì! Abbiamo sottoposto i campioni FTIG a prove di trazione, sia “come saldati” (AW) sia dopo il classico trattamento termico T6 (che ripristina la resistenza dell’AA6061).

I risultati sono stati impressionanti: la saldatura FTIG-T6 ha raggiunto una resistenza a trazione di 307 MPa. Il materiale base AA6061-T6 non saldato ne ha 315 MPa. Questo significa un’efficienza del giunto del 95%!

Per darvi un’idea, le saldature a fusione tradizionali di AA6061 (che usano metalli d’apporto come 4043 o 5356 per evitare le crepe, ma sacrificano la resistenza) raggiungono efficienze medie del 70-83% dopo trattamento T6. Persino la Friction Stir Welding (FSW), una tecnica di saldatura allo stato solido molto performante, si ferma in media all’87%. La nostra tecnica FTIG le batte tutte!

L’analisi delle superfici di frattura dopo il test di trazione ha mostrato una rottura duttile (buon segno!), anche se la presenza residua di micro-porosità e micro-cricche suggerisce che c’è ancora margine per ottimizzare ulteriormente la duttilità.

Conclusioni: Una Nuova Era per le Saldature in Alluminio?

Questo studio dimostra che il pre-trattamento FSP è una strategia potentissima per superare uno dei problemi storici della saldatura a fusione dell’AA6061: la criccabilità a caldo. Non solo elimina le macro-crepe da solidificazione, ma raffina la microstruttura della zona fusa a tal punto da ottenere giunti con una resistenza meccanica eccezionale, vicina a quella del materiale base e superiore alle tecniche convenzionali.

Questo apre scenari interessantissimi per l’utilizzo dell’AA6061 in applicazioni strutturali leggere ad alte prestazioni, dove l’integrità della saldatura è critica. Poter contare su giunti saldati affidabili e resistenti, ottenuti con un processo a fusione modificato, potrebbe davvero fare la differenza nello sviluppo di componenti più leggeri e sostenibili in settori come l’automotive, l’aerospaziale e molti altri. È una strada promettente che merita sicuramente ulteriori esplorazioni!

Fonte: Springer