Saldare l’Impossibile? Magnesio e Acciaio Uniti da Laser, Ultrasuoni e un Tocco di Nichel!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una sfida affascinante nel mondo dei materiali: come unire due metalli così diversi come la lega di magnesio e l’acciaio inossidabile. Sembra quasi una missione impossibile, vero? Eppure, nel nostro laboratorio, abbiamo sperimentato una tecnica che combina laser, ultrasuoni e un piccolo “trucco” per creare giunzioni forti e affidabili. Siete pronti a scoprire come abbiamo fatto?

Perché questa sfida è così importante?

Viviamo in un’epoca in cui la leggerezza è tutto. Pensate alle auto, agli aerei, persino ai dispositivi elettronici: ridurre il peso significa minor consumo energetico, migliori prestazioni, maggiore efficienza. Le leghe di magnesio sono fantastiche per questo: super leggere, ma anche resistenti. L’acciaio, d’altro canto, è il re della robustezza, indispensabile per tante parti strutturali. Il problema? Metterli insieme è un vero grattacapo. Hanno proprietà fisiche e chimiche talmente diverse (punto di fusione, dilatazione termica, ecc.) che le tecniche di saldatura tradizionali spesso falliscono, creando giunti deboli, pieni di difetti come cricche o pori. Immaginate di provare a incollare acqua e olio… ecco, la difficoltà è simile!

La nostra idea: un trio tecnologico

Di fronte a questa sfida, non ci siamo persi d’animo. Abbiamo pensato: e se combinassimo più tecnologie avanzate? Così è nata l’idea della saldatura-brasatura laser assistita da ultrasuoni. Ma non ci siamo fermati qui. Sapevamo che uno dei problemi principali era la scarsa “bagnabilità” del magnesio fuso sull’acciaio. In pratica, il magnesio fuso tende a fare “palline” sull’acciaio invece di spalmarsi bene. La soluzione? Rivestire l’acciaio (nel nostro caso, un comune acciaio inox 304) con un sottilissimo strato di nichel (Ni-plating) prima della saldatura. Il nichel agisce come un ponte, un intermediario che “parla” sia con l’acciaio che con il magnesio (la nostra lega era la AZ31B).

Quindi, il nostro processo prevedeva:

• Un potente raggio laser per fondere localmente il magnesio.
• Vibrazioni ultrasoniche applicate durante la saldatura per “mescolare” meglio i materiali, rompere eventuali ossidi superficiali e migliorare il contatto.
• Il fondamentale strato di nichel sull’acciaio per facilitare il legame.

Alla ricerca della “ricetta” perfetta

Come in ogni esperimento che si rispetti, abbiamo dovuto trovare i parametri giusti. Abbiamo giocato con la potenza del laser e la sua “sfocatura” (defocusing), cioè quanto grande fosse il punto laser sulla superficie. Troppo poca energia, e la saldatura non teneva. Troppa energia, e rischiavamo di far evaporare il magnesio (che ha un punto di ebollizione relativamente basso) o addirittura di fondere l’acciaio sottostante.

Dopo varie prove, abbiamo trovato il nostro “sweet spot”: una potenza laser di 2000 W e una sfocatura di +50 mm. Con questi parametri, abbiamo ottenuto giunti continui, uniformi, senza difetti evidenti e, cosa fondamentale, con un ottimo angolo di bagnatura. Cosa significa? Che il magnesio fuso si spalmava bene sulla superficie dell’acciaio nichelato, formando un angolo di contatto di soli 45°. Senza il nichel e gli ultrasuoni, nelle stesse condizioni, l’angolo era peggiore (50° o più), e spesso comparivano inclusioni di ossido o zone discontinue. Il nichel e gli ultrasuoni facevano davvero la differenza!

Dentro la giunzione: cosa ci dice il microscopio?

Ovviamente, non ci siamo fermati all’aspetto esteriore. Volevamo capire cosa succedesse a livello microscopico, nell’interfaccia tra magnesio e acciaio. Abbiamo sezionato i nostri campioni e li abbiamo analizzati con microscopi ottici ed elettronici (SEM), spettroscopia a dispersione di energia (EDS) e diffrazione a raggi X (XRD).

I risultati sono stati illuminanti! Sul lato magnesio, abbiamo visto la tipica microstruttura della lega AZ31B (grani di α-Mg con precipitati di β-Mg17Al12). Ma la vera sorpresa era nella zona di reazione creata grazie al nichel. Qui, l’analisi ha rivelato la formazione di due nuove fasi intermetalliche: AlNi (alluminio-nichel) e Mg2Ni (magnesio-nichel). Queste nuove fasi, formatesi dalla reazione tra il magnesio fuso (che contiene anche alluminio) e lo strato di nichel, sono la chiave per un legame metallurgico forte. Senza il nichel, queste fasi non c’erano. La zona di reazione con il nichel era anche piuttosto spessa, circa 215 µm (micrometri) con i parametri ottimali, segno di una buona interazione. Gli ultrasuoni, inoltre, contribuivano a raffinare la grana del metallo solidificato, rendendolo potenzialmente più tenace.

Ma la giunzione è resistente? Le prove meccaniche

Bello da vedere al microscopio, ma la domanda fondamentale è: quanto regge questa saldatura? Abbiamo sottoposto i nostri campioni a prove di microdurezza e di resistenza al taglio a trazione.

I risultati sulla durezza sono stati interessanti. La zona di reazione con le nuove fasi AlNi e Mg2Ni era significativamente più dura della lega di magnesio base (circa 127 HV contro 63 HV). Questo è logico, perché questi composti intermetallici sono intrinsecamente più duri. Anche il lato acciaio, vicino alla saldatura, mostrava un leggero aumento di durezza (fino a 266 HV), probabilmente a causa di un fenomeno chiamato “sensibilizzazione” dell’acciaio inossidabile dovuto al ciclo termico della saldatura.

E la resistenza? Qui abbiamo avuto la conferma che cercavamo. Le giunzioni realizzate con il nostro metodo combinato (laser + ultrasuoni + Ni-plating) hanno mostrato una resistenza al taglio lineare significativamente superiore a quelle senza nichel, a parità di parametri. Il picco lo abbiamo raggiunto proprio con i parametri ottimali (2000 W): ben 222 N/mm! Si tratta di un miglioramento dell’8.8% rispetto alla stessa saldatura senza nichel. Ancora più importante: in questo caso specifico, la frattura durante il test non avveniva nell’interfaccia fragile (come spesso accade nelle giunzioni tra materiali dissimili), ma nella zona termicamente alterata (HAZ) della lega di magnesio, vicino alla zona fusa. Questo ci dice che il legame metallurgico all’interfaccia era diventato più forte della lega stessa in quella zona! Analizzando le superfici di frattura, abbiamo visto come i parametri ottimali portassero a una rottura più “duttile” (con presenza di fossette e creste di strappo), mentre parametri non ottimali causavano fratture più fragili e piatte.

Il meccanismo svelato

Quindi, come funziona esattamente questa magia? Riassumendo:

• Gli ultrasuoni agiscono come un “martello pneumatico” microscopico: rompono i tenaci film di ossido sulle superfici metalliche, permettendo un contatto diretto, migliorano la bagnabilità del magnesio fuso e promuovono la diffusione atomica tra i materiali. Inoltre, aiutano a ottenere una microstruttura più fine e omogenea durante la solidificazione.
• Il laser fornisce l’energia necessaria e controllata per fondere il magnesio e attivare le reazioni con il nichel.
• Il nichel è l’eroe silenzioso: forma una soluzione solida con il ferro dell’acciaio senza problemi e, soprattutto, reagisce con il magnesio e l’alluminio della lega per creare le fasi intermetalliche (Mg2Ni, AlNi) che assicurano un forte legame metallurgico all’interfaccia.

Conclusioni: una nuova strada per unire l’inunibile

Questo studio ci ha dimostrato che combinando in modo intelligente laser, ultrasuoni e un rivestimento intermedio di nichel, è possibile superare le grandi difficoltà nel saldare materiali così diversi come la lega di magnesio AZ31B e l’acciaio inossidabile 304. Abbiamo identificato i parametri ottimali (2000 W di potenza laser, +50 mm di defocus) che, grazie alla formazione delle fasi AlNi e Mg2Ni e all’effetto benefico degli ultrasuoni, portano a giunzioni con:

• Ottima morfologia e bagnabilità (angolo di 45°).
• Microstruttura raffinata e forte legame metallurgico all’interfaccia.
• Proprietà meccaniche migliorate, con una resistenza al taglio che raggiunge i 222 N/mm e una frattura che si sposta dall’interfaccia debole alla zona termicamente alterata del magnesio.

Insomma, abbiamo aperto una nuova, promettente strada per realizzare strutture leggere e resistenti, combinando il meglio di entrambi i mondi metallici. E questo, lasciatemelo dire, è davvero affascinante!

Fonte: Springer