Fattibilità del metodo proposto

Nella prima fase dello studio in oggetto si è valutata la possibilità di

realizzare la giunzione di elementi tubolari riempiti in schiuma metallica. il

metodo sviluppato prevede una fase di schiumatura mediante LASER di una

pastiglia di materiale schiumogeno posto al suo interno mentre il tubo posto in rotazione in un opportuno mandrino portapezzo. L’idea di base del processo è

utilizzare il fenomeno dello spot apparente1 per generare una corona di materiale, localizzata solo nell’intorno del precursore, ad una temperatura tale da garantire

la schiumatura. In Fig. 3.17 sono visibili alcuni esempi di prove svolte con la sola

pastiglia e con un componente di alluminio pieno affiancato al precursore, mentre

in Fig. 3.18 la pastiglia di precursore è affiancata ad un cilindretto di schiuma

metallica ricavato da un pannello tramite elettroerosione a filo. È possibile

osservare come durante la fase di schiumatura ci sia una parziale rifusione del

materiale a fianco del precursore schiumogeno e la realizzazioen di una giunzione

metallurgica della schiuma con il materiale di base.

Obiettivo dello studio è la valutazione della fattibilità di un processo di

giunzione in grado di realizzare la saldatura dei tubi e la giunzione con continuità

delle schiume residenti. In Fig. 3.19 sono presenti i materiali utilizzati nella

sperimentazione.

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Per un approfondimento sulla tecnica dello spot apparente si rimanda al libro: “Le lavorazioni

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Il tubo è in acciaio INOX AISI 304 con diametro esterno di 28 mm e

spessore di 1.5 mm; la schiuma metallica è di lega AlSi9 realizzata direttamente all’interno del tubo con riscaldamento in forno a 800°C da precursore solido

ottenuto con la compattazione a freddo delle polveri, secondo il metodo dell’espansione controllata, descritto nel Capitolo II. Il precursore solido,

Fig. 3.17 – Esempio di schiumatura LASER per trasparenza, a destra, ingrandimenti al microscopio ottico sia della schiuma (alto), che della giunzione ottenuta tra schiumae materiale solido (basso).

Fig. 3.18 – Esempio di schiumatura LASER per trasparenza in presenza di riempitivo in schiuma metallica.

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utilizzato nella sperimentazione, è di diametro 25 mm e di spessore pari a 3 mm, anch’esso realizzato tramite compattazione a freddo delle polveri.

Le apparecchiature utilizzate nella fase sperimentale sono un LASER CO2

da 3 kW CW FAF della El. En., Fig. 3.20, in dotazione al laboratorio del DIEM presso l’Università di Bologna. La macchina è dotata di 5 assi controllati CNC,

Fig. 3.21, di cui in questo caso se ne sono utilizzati 3. Sulla tavola mobile del

sistema LASER è sistemato un motore elettrico brushless dotato di un mandrino

autocentrante portapezzo in modo da poter far ruotare il campione su un asse

perpendicolare al fascio LASER, Fig. 3.22. Il motore è dotato di controllo

attraverso PC in grado di modulare la velocità di rotazione, il numero di giri e di

poter impostare opportune curve di moto.

Fig. 3.19 – Tubi riempiti con schiume di alluminio e pastiglie di precursore solido utilizzate nella sperimentazione.

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Fig. 3.20 – Sorgente LASER CO2 da 3 kW.

Fig. 3.21 – Testa del fascio LASER e tavola porta pezzo dotata di assi controllati.

Fig. 3.22 – Azionamento per la rotazione del pezzo durante le fasi di saldatura e di schiumatura: motore brushless e mandrino autocentrante..

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La prima fase del processo prevede la saldatura LASER di testa dei due

tubi di acciaio senza intaccare il precursore solido e senza deteriorare la schiuma metallica racchiusa all’interno. Inizialmente, viene asportata della schiuma in

entrambi i tubi tramite fresatura: in questo modo si realizza una tasca nella quale

viene alloggiato il precursore solido, Fig. 3.23. Il sistema a questo punto viene posto nell’attrezzatura dove avviene la saldatura LASER. Sia nella fase di

saldatura che di schiuma tura il fascio LASER rimane fermo mentre il tubo ruota

attorno al suo asse. I parametri di processo della saldatura, riassunti in Tab. 3.5

sono stati mutuati da precedenti esperienze sulla saldatura con keyhole a tutto

spessore di lamiere in acciaio inox di spessore 1.5 mm.

Laser Potenza [kW] Diametro dello Spot [mm] Velocità di Avanzamento [RpM] Gas di Ricoprimento Tempo di Processo [sec] Numero di giri CO2 2.0 0.2 8.0 Ar 5.6 1

La seconda fase prevede la schiumatura LASER in trasparenza del

precursore solido in maniera da generare una giunzione tra le schiume residenti

nei tubi. In questa fase è importante garantire che la saldatura, precedentemente

Fig. 3.23– Disegno schemtico della fase di inserimento della pastiglia di precursore solido dentro ai tubi irrigiditi con schiuma metallica.

Tab. 3.5 – Tabella riassuntiva dei parametri di processo del LASER per la saldatura delle facce esterne dei tubi.

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realizzata, venga danneggiata il meno possibile, In Fig. 3.24 una rappresentazione

schematica del risultato del processo. I parametri di processo utilizzati in questa

fase sono in accordo con quelli individuati da Kathuria per la realizzazione diretta

di schiume metalliche tramite LASER e sono riassunti in Tab. 3.6 .

Il risultato

ottenuto è visibile in Fig. 3.24 dove si può osservare il cordone di saldatura

ottenuto sulle pelli di acciaio esterne, mentre in Fig. 3.25 è visibile una sezione

del componente. Si può notare come il riempitivo risulti continuo grazie alla fase di schiumatura del precurosre solido con l’ausilio del LASER.

ser Potenza [kW] Diametro dello Spot [mm] Velocità di Avanzamento [RPM] Gas di Ricoprimento Tempo di Processo [sec] Numero di giri CO2 1.8 4.0 800.0 Ar 80.0 1060

Fig. 3.23– Disegno schemtico del risultato ottenuto alla fine del processo.

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Sia dalla Fig. 3.25 che dalla fotografia, ottenuta attraverso microscopio

ottico di Fig. 3.26, è possibile osservare come la saldatura risenta in maniera

negativa del successivo processo di schiumatura. Il rilascio di gas durante la fase

Fig. 3.24– Vista del cordone di saldatura ottenuto dopo processo di schiumatura LASER per trasparenza.

Fig. 3.25– Sezione del componente alla fine del processo. Si può notare l’avvenuta schiumatura del precursore solido e la giunzione con le schiume dei tubi.

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di saldatura da parte dell’agente schiumogeno genera una porosità all’interno del

cordone di saldatura. Inoltre, durante la fase di schiumatura il mantenimento

prolungato ad elevate temperature e l’espansione della schiuma tendono a

rovinare la geometria del cordone di saldatura, conferendogli una forma rigonfia

e spostandolo dalla sua posizione originaria. Per ovviare a questi fenomeni di

deterioramento della saldatura e per garantire che la schiuma della giunzione

possieda caratteristiche morfologiche e resistenziali simili a quelle delle schiume

residenti occorre mettere a punto in maniera ottimale i parametri di processo della

fase di schiumatura.