Apporto di calore ridotto per giunti stabili

L’unione termica di materiali diversi, quali l’acciaio e l’alluminio, è fondamentale nelle costruzioni leggere per il settore automobilistico. Le diverse caratteristiche fisiche e chimiche dei materiali rendono però questo processo particolarmente
complicato, poiché ottenere stabilità e qualità elevata è difficile e la successiva lavorazione dei componenti semifiniti è notevolmente limitata. Il processo di saldatura Cold Metal Transfer (CMT) sviluppato da Fronius offre la soluzione a questi problemi, poiché la ridotta formazione di spruzzi e l’arco voltaico invariabile e particolarmente stabile consentono di ottenere risultati ottimali. Con esso il fornitore automobilistico mondiale Magna Steyr ha sviluppato una tecnologia che consente di aumentare notevolmente la redditività della produzione dei componenti delle carrozzerie e di ridurre il peso dei veicoli.

di Fabrizio Cavaliere

L’industria automobilistica si avvale sempre di più della combinazione di materiali diversi per la costruzione delle carrozzerie, e per ottime ragioni. L’impiego di materiali, quali alluminio o plastiche rinforzate con fibre, consente di ridurre notevolmente il peso dei veicoli con effetti positivi anche sulle prestazioni e sul consumo di carburante. Senza i progressi fatti nelle costruzioni leggere sarebbe inoltre estremamente difficile rispettare le sempre più severe normative sui gas di scarico. I moderni veicoli si distinguono quindi per l’uso di mix di materiali studiati fin nel minimo dettaglio e per la progettazione di ogni singolo componente affinché garantisca il funzionamento ottimale a fronte di un peso minimo. Unire tra loro materiali con caratteristiche estremamente diverse risulta però estremamente complicato.

Resistenza e modellabilità limitate
La saldatura di acciaio e alluminio figura tra le combinazioni più frequentemente utilizzate nelle costruzioni leggere per il settore automobilistico. Per risparmiare sui costi, i produttori saldano i componenti in alluminio sui bordi con lamiere di acciaio zincate così che possano essere uniti con il tradizionale e conveniente processo di saldatura a punti nella linea di produzione delle scocche. Occorre però tenere presente che i due materiali presentano caratteristiche fisiche e chimiche estremamente diverse per quanto concerne, a esempio, la dilatazione termica, la conduzione termica e la resistenza alla corrosione, con ripercussioni negative sulla qualità e sulla resistenza della saldatura e limitando fortemente anche la modellabilità nei successivi processi di produzione.
Ciò è dovuto alla cosiddetta fase intermetallica che si forma nel punto in cui i due materiali entrano in contatto e si fondono insieme durante la saldatura di acciaio e alluminio. Lo strato che ne risulta è fragile e soggetto a crepe e pori, pregiudicando la stabilità del giunto. Anche il fornitore automobilistico globale Magna Steyr si è occupata di questo problema. L’azienda, con sede principale a Graz (Austria), sviluppa e produce singoli componenti e veicoli completi e si avvale anch’essa delle costruzioni leggere per le sue carrozzerie. Per abbassare i costi della produzione degli assiemi saldati in acciaio e alluminio, Magna Steyr ha analizzato approfonditamente il processo di unione ed è giunta alla conclusione che è la temperatura a influire in maniera determinante sulla qualità dei giunti.

Aumento della stabilità grazie a un processo di saldatura “più freddo”
L’apporto di calore durante la saldatura incide in misura determinante sullo spessore della fase intermetallica che, stando agli esiti delle prove condotte dagli ingegneri, idealmente non dovrebbe superare i 10 µm per assicurare un giunto stabile. Per fare ciò gli esperti hanno dovuto regolare alla perfezione l’andamento della temperatura (al di sopra della temperatura di fusione dell’alluminio, ma al di sotto della temperatura di evaporazione dello strato di zinco applicato sulle lamiere di acciaio). La regolazione dell’andamento della temperatura non è però attuabile con la maggior parte dei processi di saldatura ad arco voltaico. Magna Steyr ha infine trovato la soluzione a questo problema nel processo Cold Metal Transfer (CMT), il processo di saldatura “freddo” sviluppato da Fronius.
Rispetto agli altri processi MIG/MAG, il processo di saldatura CMT riduce notevolmente l’apporto di calore. Il segreto sta nella regolazione digitale del processo, che riconosce automaticamente i corto circuiti e assiste lo stacco della goccia ritraendo il filo. Durante la saldatura il filo si muove in avanti e viene ritratto non appena si verifica il corto circuito. Così facendo, la fase di accensione dell’arco voltaico si mantiene breve, riducendo l’apporto di calore. Il processo di saldatura consente inoltre l’adattamento continuo dell’apporto di energia elettrica nel componente da saldare. I vantaggi consistono in un passaggio di materiale senza spruzzi e risultati di saldatura ottimali. Il processo di saldatura CMT è quindi l’ideale per saldare giunti in acciaio con CO2 e altri gas inerti. È particolarmente indicato anche per unire l’acciaio con l’alluminio, poiché il materiale di base in acciaio (anziché fuso) viene semplicemente umettato durante l’esecuzione delle saldobrasature, offrendo così i presupposti perfetti per l’impiego nell’industria automobilistica.

L’andamento del primo quadrimestre: Risultati eccezionali, processo eccellente
Grazie al processo di saldatura CMT e all’ottimizzazione del filo di saldatura Magna Steyr ha sviluppato una tecnologia per unire in maniera efficiente e sicura l’acciaio e l’alluminio. La configurazione esatta dei parametri di saldatura consente di mantenere la fase intermetallica al di sotto dei 10 µm, facendo sì che le caratteristiche meccaniche del giunto soddisfino tutti i requisiti richiesti. Rispetto al processo di saldatura finora utilizzato, il processo CMT offre inoltre il vantaggio di dover eseguire la saldatura solo più su un lato (anziché su tutti e due), abbassando così i costi e semplificando il lavoro. Consente inoltre di eliminare processi di unione aggiuntivi e più costosi (come ad esempio la chiodatura), aumentando così la redditività. Nel 2017 Magna Steyr è stata premiata con l’AutomotiveINNOVATIONS Award assegnato dal Center of Automotive Management (CAM) e PricewaterhouseCoopers (PwC) Deutschland. La tecnologia ha convinto la giuria nelle categorie Scocca, Carrozzeria ed Esterni ed è valsa a Magna il riconoscimento come Most Innovative Automotive Supplier.