Tecnologie di saldatura allo stato solido

Descrizione

Lo studio riguarda principalmente la tecnica di saldatura allo stato solido, denominata Friction Stir Welding (FSW), per la giunzione di lamiere metalliche simili e dissimili ottenuta sia mediante un centro di lavoro a controllo numerico sia con un sistema robotizzato. Tale processo è basato sul riscaldamento per attrito e sul rimescolamento realizzati mediante un utensile rotante intorno al proprio asse, inserito tra i lembi delle lamiere da saldare. L'effetto combinato della rotazione e dell’avanzamento dell’utensile lungo la linea di saldatura permette di ottenere la giunzione. Il flusso del materiale è caratterizzato da una intensa deformazione plastica ad elevata temperatura e dalla conseguente generazione di una microstruttura molto complessa che incide in maniera determinante sulle proprietà del giunto e dipende dalla geometria dell’utensile e dai parametri di processo utilizzati.
L’approccio seguito nello studio del FSW è basato sull'analisi della relazione tra i parametri di processo (quali la geometria e l'inclinazione dell’utensile, il relativo affondamento, la velocità di rotazione e di avanzamento dell’utensile), e le proprietà del giunto saldato, quali ad esempio la resistenza meccanica e la duttilità, allo scopo di individuare le condizioni di saldatura ottimali. A tal proposito, sono state utilizzate sia tecniche sperimentali che metodi di simulazione numerica con l’obiettivo di sviluppare modelli di previsione delle proprietà meccaniche del giunto saldato.
Le attività di ricerca svolte nel campo del FSW hanno riguardato i seguenti aspetti:

  • Configurazione dell'utensile:
    • Con pin
    • Senza pin (pinless)
  • Tipologia di macchina:
    • Centro di lavoro
    • Robot industriale
  • Tipologia di materiale saldato:
    • Leghe di magnesio
    • Leghe di alluminio
  • Tipologia di giunti realizzati:
    • Simili (stesso materiale)
    • Dissimili (materiali diversi sia per composizione chimica sia per tipo di lega)
    • Con lamiere di uguale spessore
    • Con lamiere di spessore diverso
    • Giunto double side friction stir welded
    • Giunto ottenuto con lamiere di spessore variabile lungo la linea di saldatura
  • Tipologia di strategie di controllo basate su:
    • velocità di rotazione costante durante la fase di saldatura
    • controllo in-process della forza verticale applicata dallo strumento
    • variazione  in-process della velocità di rotazione dell'utensile al fine di mantenere costante la forza verticale dell'utensile durante la fase di saldatura
    • variazione  in-process della velocità di rotazione dell'utensile per mantenere costante l'apporto termico nel giunto

 


Tool used in friction stir welding and friction stir welding process

 


Pin and pinless tool configurations

 


Cold stamped parts obtained by placing the FSWed sheets with the welding line (a) parallel, and (b) perpendicular to the short side of the die

 


Different sample arrangements for hemispherical punch tests. B arrangement: ‘‘surface 1’’ in contact with the punch. T arrangement: ‘‘surface 1’’ countered with the punch

 


Thermograph of similar joint in AA6082 in three position of the welding tool (15, 90 and 165 mm respectively from welding start) (1500 rpm; 60 mm/min).

 


Regions of the stamped component and sheet thickness distribution: (a), (b) and (c) critical region, (d) and (e) central region
 

Laboratori
Pubblicazioni
  1. D. Ciccarelli, M. El Mehtedi, A. Forcellese, L. Greco, M. Simoncini, In-process Control of Rotational Speed in Friction Stir Welding of Sheet Blanks with Variable Mechanical Properties. Procedia CIRP, Volume 67, 2018, Pages 440-445
  2. F. Gabrielli, A. Forcellese, M. El Mehtedi, M. Simoncini, Mechanical Properties and Formability of Cold Rolled Friction Stir Welded Sheets in AA5754 for Automotive Applications. Procedia Engineering 183, 2017, 245-250
  3. M. El Mehtedi, A. Forcellese, L. Panaccio, M. Simoncini, Design of Stamping Processes of Pinless FSWed Thin Sheets in AA1050 Alloy for Motomotive Applications Using FEM. Procedia Engineering, 183, 2017, 213-218
  4. M. Bevilacqua, F. E. Ciarapica, A. D’Orazio, A. Forcellese, M. Simoncini, Sustainability Analysis of Friction Stir Welding of AA5754 Sheets. Procedia CIRP, 62, 2017, 529-534
  5. M. Cabibbo, A. Forcellese, M. Simoncini, M. Pieralisi, D. Ciccarelli, Effect of welding motion and pre-/post-annealing of friction stir welded AA5754 joints. Materials & Design, 93, 2016, 146-159
  6. M. Cabibbo, A. Forcellese, M. El Mehtedi, M. Simoncini, Double side friction stir welding of AA6082 sheets: Microstructure and nanoindentation characterization. Materials Science and Engineering: A, 590, 2014, 209-217
  7. M. Simoncini, D. Ciccarelli, A. Forcellese, M. Pieralisi, Micro- and Macro- Mechanical Properties of Pinless Friction Stir Welded Joints in AA5754 Aluminium Thin Sheets. Procedia CIRP, 18, 2014, 9-14
  8. M. Simoncini, A. Forcellese, Effect of the welding parameters and tool configuration on micro- and macro-mechanical properties of similar and dissimilar FSWed joints in AA5754 and AZ31 thin sheet. Materials & Design, 41, 2012, 50-60
  9. A. Forcellese, M. Simoncini, Plastic flow behaviour and formability of friction stir welded joints in AZ31 thin sheets obtained using the “pinless” tool configuration. Materials & Design, 36, 2012, Pges 123-129
  10. A. Forcellese, F. Gabrielli, M. Simoncini, Mechanical properties and microstructure of joints in AZ31 thin sheets obtained by friction stir welding using “pin” and “pinless” tool configurations. Materials & Design, 34, 2012, 219-229
Responsabile scientifico