Analisi tecnologica per la saldatura delle stringhe

Sono state analizzate le possibili tecniche di saldatura per l’alluminio e per ognuna di queste si è verificata la fattibilità nel manufatto.

I metodi che sono risultati in qualche modo applicabili sono: - TIG;

- fascio di elettroni;

- brasatura dolce ad induzione elettromagnetica; - brasatura forte con fiamma diretta.

I problemi generali nella saldatura delle leghe di alluminio sono legati alla formazione di ossidi a temperatura relativamente bassa e all’elevato coefficiente di dilatazione termica, che e’ circa doppio dell’acciaio.

I metodi preferiti sono quelli che realizzano il giunto con un materiale di apporto uguale a quello di base, o almeno con una temperatura di fusione molto simile. Questa richiesta sfavorisce la brasatura dolce perché il materiale di apporto fonde a poco più di 200°C contro i 660 delle leghe d’alluminio.

Per la brasatura dolce sull’alluminio inoltre è necessaria la preventiva metallizzazione con nichel o rame delle superfici interessate al giunto per garantire l’adesione del metallo di apporto o l’utilizzo di pasta disossidante. La metallizzazione viene eseguita per via elettrochimica ed oltre ad essere molto costosa necessita di una grande esperienza per la scelta del materiale da depositare.

Tutte queste competenze sono state trovate presso i laboratori di brasatura del CERN che avrebbero messo a disposizione anche l’attrezzatura necessaria alla realizzazione delle brasature: ad esempio, forno ad induzione elettromagnetica a vuoto.

Questo metodo richiede un disegno opportuno del giunto per evitare che del materiale di apporto lo ostruisca per capillarità.

Questo requisito impone quindi l’utilizzo di distributori realizzati con lamiere stampate e poi assemblate tramite saldatura TIG. A questo punto si prospetta un altro problema: raffreddare adeguatamente i giunti brasati per evitare che durante la saldatura TIG si dissaldino le stringhe. Inoltre si deve evitare che la metallizzazione non venga fatta nella zona interessata alla chiusura del canale perché inquinerebbe il bagno di fusione compromettendo in modo irreparabile il giunto TIG.

L’adozione della brasatura dolce, anche se garantita dai tecnici del CERN, presenta molte fasi che possono compromettere il risultato finale, oltre a richiedere una lunga ottimizzazione delle procedure e procedimenti molto costosi.

La saldatura TIG anche sui tubi sarebbe stata la migliore tecnologia perché permette la realizzazione di giunti sia manualmente che in maniera automatica con o senza presenza di materiale di apporto.

Purtroppo però la saldatura della stringa al distributore è risultata impossibile anche dopo vari tentativi eseguiti dai migliori tecnici del CERN con le più recenti saldatrici micro TIG. Al massimo si è riusciti solo a saldare, su un prototipo del distributore, un

tubo da 6 mm con spessore 0.5 mm a causa della difficoltà di controllare la temperatura del giunto.

Questa tecnica è quindi utilizzabile solo per i giunti di testa delle lamiere.

Un valido abbinamento pareva essere quello TIG e fascio di elettroni. In autoclave con il fascio di elettroni si può cercare di saldare il tubo al distributore dirigendo il fascio sulla faccia opposta al tubo vedi Figura 4.14.

Figura 4.14 Schema del giunto per la saldatura a fascio di elettroni

Questa soluzione anche se fornisce un’ottima tenuta ed è priva di scorie e materiale di apporto ha il grosso inconveniente di dover realizzare i distributori non più per piegatura o estrusione ma per lavorazione meccanica o per elettroerosione. È infatti necessario un ispessimento del canale almeno nella zona del giunto, per evitare che durante la saldatura il materiale di base venga ad essere forato. Per contenere la temperatura e le deformazioni del tubo si deve inoltre inserire un tappo di metallo nel tubo che verrà poi rimosso tramite foratura alla fine.

Se si tiene presente che il canale del distributore è curvo e che i fori per il fissaggio dei tubi non sono ortogonali alla superficie si capisce quanto sia complessa sia la realizzazione dei semilavorati che quella del supporto che deve posizionare automaticamente i pezzi all’interno dell’autoclave con precisioni inferiori 0.05 mm. Questa strada è stata quindi analizzata in dettaglio ma abbandonata per la sua estrema complessità.

Infine è rimasta la brasatura forte ovvero eseguita con un materiale di apporto che ha la temperatura di fusione soltanto 30 – 40°C inferiore a quella del metallo base.

Vista la difficoltà della geometria e i piccolissimi spessori in gioco i tecnici del CERN ritenevano che non fosse possibile realizzare questo giunto per la difficoltà di regolare manualmente, con la fiamma ossiacetilenica, la temperatura.

Una azienda italiana invece, leader nella saldature dei telai per le biciclette da corsa, è riuscita a fornire un prototipo completo del distributore: brasatura forte sui tubi e saldatura TIG per chiudere il canale.

Nella Figura 4.15 sono riportate varie viste e dettagli del prototipo realizzato che è stato eseguito secondo lo schema 3 di Figura 4.12 posizionando i tubi sul coperchio introducendo così un ulteriore complicazione a causa del poco sazio a disposizione per la saldatura TIG in corrispondenza dei tubi. La lamiera utilizzata era di 0.8 mm di spessore mentre i tubi sono da 3.5 mm con spessore 0.35 mm.

A seguito della realizzazione di questo primo prototipo si è deciso, in accordo con il fabbricante, di realizzarne un altro partendo da un canale chiuso come da schema 4 di Figura 4.12, eliminando la saldatura a TIG, ritenendo l’accesso dall’interno non più necessario.

4.4.3 Analisi tecnologica della costruzione dei