Saldatura, brasatura e giunzione per diffusione di componenti metallici stampati in 3D: metodi ingegneristici dalle giunzioni omogenee ai raccordi di transizione tra materiali diversi

Introduzione: quando dimensioni, materiali o costi della stampa raggiungono un limite, i processi di giunzione sono l’ultima via ingegneristica

Nelle revisioni dei progetti di produzione additiva compare quasi ogni settimana una stessa categoria di esigenze: il profilo del pezzo supera le dimensioni utili della camera di costruzione della macchina, una zona locale richiede proprietà del materiale che non possono essere ottenute economicamente con una determinata attrezzatura di stampa, oppure il costo delle ore macchina per stampare l’intero componente è ormai troppo alto per essere accettato dal cliente. Il punto in comune di queste tre situazioni è che non possono più essere risolte ottimizzando i parametri di stampa, ma richiedono di tornare alla combinazione dei processi produttivi. Saldatura, brasatura e giunzione per diffusione sono proprio il gruppo di tecnologie spesso utilizzato, ma facilmente sottovalutato, quando la produzione additiva passa dalla realizzazione di un singolo corpo alla fabbricazione assemblata.

Un caso ingegneristico reale riguarda un collettore di distribuzione fluidica con dimensioni esterne di 780 mm × 420 mm, superiori all’area di costruzione dell’ordine di 400 mm delle comuni macchine a fusione laser su letto di polvere; inoltre solo due interfacce flangiate richiedono alta resistenza, mentre il resto del corpo deve garantire principalmente tenuta alla pressione e resistenza alla corrosione. Stampare l’intero pezzo significherebbe impiegare una macchina di grande formato e sostenere quasi mille ore macchina; stampando il componente in sezioni e assemblandolo tramite saldatura, il costo scende a meno di un terzo. La chiave di questo tipo di decisione non è stabilire se sia possibile saldare, ma se il giunto possa superare le successive prove di pressione, i controlli non distruttivi e la validazione in servizio.

Uno: perché i componenti stampati in 3D non possono applicare semplicemente i processi di saldatura tradizionali

Trattare un pezzo stampato come un comune forgiato o getto da saldare è l’errore più frequente in officina. Il materiale base ottenuto per additive manufacturing presenta tre caratteristiche che lo distinguono dai materiali convenzionali: una certa percentuale di porosità interna e difetti di mancata fusione, una microstruttura con evidente anisotropia e tracce degli strati, e tensioni termiche residue relativamente elevate dopo la formatura. Queste caratteristiche vengono amplificate dal ciclo termico di saldatura.

Il problema della porosità è il più immediato. Prima della pressatura isostatica a caldo, la densità relativa dei pezzi ottenuti con fusione laser su letto di polvere è in genere compresa tra il 99,5% e il 99,9%; i micropori residui, alle alte temperature del bagno di fusione durante la saldatura ad arco o laser, possono espandersi e aggregarsi formando catene di pori lungo la linea di fusione. Nella pratica, per il materiale base entro 10 mm dall’area di saldatura si richiede di norma una densificazione preventiva tramite pressatura isostatica a caldo, oppure, nella fase di qualificazione del processo, una verifica con TC industriale per confermare che la porosità in quell’area sia inferiore allo 0,2%. Se questo passaggio viene omesso, il tasso di accettazione al primo controllo radiografico del giunto può scendere da oltre il 90% a meno del 60%.

L’anisotropia influisce invece sul comportamento deformativo del giunto. Il coefficiente di dilatazione termica e il limite di snervamento differiscono tra la direzione di stampa, cioè l’asse Z, e le direzioni perpendicolari; sotto il riscaldamento non uniforme della saldatura ciò produce ritiri asimmetrici, causando deformazioni angolari della superficie flangiata oltre le tolleranze. La pratica raccomandata consiste nel disporre simmetricamente i cordoni, adottare saldature a tratti con tecnica a passo indietro e prevedere nel dispositivo di fissaggio una controdeformazione.

Due: classificazione dei processi, con i rispettivi limiti di applicazione di saldatura per fusione, brasatura e giunzione allo stato solido

Inserendo queste tre famiglie di processi in un’unica tabella decisionale, i criteri principali sono il requisito di resistenza del giunto, la compatibilità metallurgica dei materiali base e l’apporto termico ammissibile.

La saldatura per fusione, come TIG, MIG, laser ed elettronica, si basa sulla fusione congiunta del materiale base e del metallo d’apporto per formare una struttura comune; la resistenza del giunto può avvicinarsi a quella del materiale base ed è adatta a strutture portanti e componenti per recipienti in pressione. Il prezzo da pagare è una zona termicamente alterata ampia, deformazioni significative e requisiti elevati di saldabilità del materiale base. Per componenti stampati in acciaio inox 316L, una saldatura TIG con filo ER316L, apporto termico controllato tra 0,8 e 1,2 kJ/mm per passata e temperatura interpass non superiore a 150 °C, consente di ottenere in genere una resistenza a trazione del giunto superiore al 90% di quella del materiale base.

La brasatura utilizza un metallo d’apporto con punto di fusione inferiore a quello del materiale base, che riempie il gioco per capillarità senza fondere il materiale base stesso; l’effetto termico è minimo ed è adatta a pezzi di precisione, pareti sottili e combinazioni di materiali diversi. Le leghe brasanti a base argento, come la serie BAg, lavorano a temperature comprese tra 600 e 800 °C; la brasatura in vuoto o in atmosfera protettiva evita l’ossidazione. Il limite è che la resistenza del giunto dipende dalla resistenza del metallo d’apporto e dal controllo del gioco: la resistenza massima si ottiene con una luce di brasatura tra 0,05 e 0,15 mm, mentre giochi eccessivi provocano un rapido calo della resistenza. Per questo nei progetti dei giunti brasati è indispensabile indicare chiaramente le tolleranze di accoppiamento.

La giunzione per diffusione e le tecniche allo stato solido, come saldatura per diffusione e friction stir welding, si collocano a metà strada. La giunzione per diffusione applica pressione in vuoto o in atmosfera inerte e mantiene il pezzo a una temperatura pari a 0,5-0,7 volte il punto di fusione; il giunto si forma per diffusione atomica senza metallo d’apporto, generando quasi nessuna zona termicamente alterata. È una soluzione preferenziale per assemblare componenti stampati in leghe di titanio e superleghe. Parametri tipici sono 900-950 °C, pressione di 5-10 MPa e mantenimento per 60-120 minuti.

Tre: punti chiave per l’esecuzione di giunzioni tra metalli uguali

Prendendo come esempio i comuni componenti stampati in lega di titanio Ti6Al4V, prima della saldatura occorre completare tre preparazioni. La prima è la pulizia superficiale: particelle semifuse e strati di ossido aderenti alla superficie del pezzo devono essere rimossi nell’area di saldatura mediante molatura meccanica o fresatura chimica, fino a esporre la lucentezza metallica; l’area molata deve estendersi oltre il bordo del cianfrino per più di 15 mm. La seconda è la progettazione del cianfrino: quando lo spessore della lamiera supera 6 mm, si raccomanda un cianfrino a V o a X, con spigolo vivo smussato di 1-2 mm, per garantire la piena penetrazione alla radice. La terza è la protezione atmosferica: sopra i 400 °C le leghe di titanio assorbono intensamente ossigeno, azoto e idrogeno; il cordone e la zona termicamente alterata devono quindi essere protetti su entrambi i lati con argon di purezza non inferiore al 99,999%, usando anche una trailing shield per proteggere la zona calda finché non scende sotto i 400 °C. Un cordone di colore bianco argenteo o giallo chiaro è accettabile; se compaiono tonalità blu o grigie, l’ossidazione è considerata eccessiva e la saldatura deve essere rimossa e rifatta.

Per i componenti stampati in leghe di alluminio, la difficoltà principale è invece la porosità da idrogeno. I pezzi in AlSi10Mg hanno già un elevato contenuto di silicio e, durante la saldatura, il bagno fuso tende ad assorbire idrogeno; prima della saldatura occorre preriscaldare il materiale base a 120-150 °C per eliminare l’umidità, scegliere filo ER4043 per ridurre la sensibilità alla criccatura a caldo e controllare rigorosamente che il punto di rugiada del gas di protezione sia inferiore a -40 °C.

Quattro: giunti di transizione tra materiali diversi, dall’acciaio-alluminio al rame-acciaio inox

Collegare pezzi stampati con componenti realizzati con materiali tradizionali è una delle esigenze in più rapida crescita da quando l’additive manufacturing è entrato nelle applicazioni ingegneristiche. Il nodo principale è l’incompatibilità metallurgica: la saldatura per fusione diretta tra acciaio e alluminio genera uno strato fragile di composti intermetallici; quando lo spessore supera 10 μm, il giunto perde quasi completamente duttilità.

La soluzione ingegneristica più diffusa è l’uso di un giunto di transizione. Si deposita prima sul lato acciaio, mediante riporto o placcatura esplosiva, uno strato metallico compatibile con l’alluminio, come alluminio puro o lega alluminio-silicio; quindi si realizza sullo strato di transizione la brasatura o saldatura del lato alluminio, confinando i composti fragili all’interfaccia composita anziché nel cordone. Per combinazioni rame-acciaio inox, si impiegano di solito metalli d’apporto a base nichel oppure una nichelatura preventiva sul lato rame, per inibire le cricche da penetrazione del rame ai bordi di grano dell’acciaio.

Un approccio ancora più sicuro è evitare la saldatura per fusione: tra materiali diversi si progetta un giunto ibrido con collegamento meccanico e sigillatura brasata, in cui la struttura meccanica porta il carico e lo strato brasato assicura soltanto la tenuta. Questa soluzione separa il rischio metallurgico dalla funzione portante ed è ampiamente usata negli attacchi tubolari dei recipienti in pressione; lo svantaggio è una struttura leggermente più pesante e un aumento delle operazioni di assemblaggio.

Cinque: verifica della qualità del giunto e criteri di accettazione

I giunti saldati e brasati non possono essere accettati solo in base all’aspetto. Una validazione completa deve coprire quattro livelli: aspetto e dimensioni, come sovrametallo del cordone, deformazione angolare e percentuale di riempimento della brasatura; controlli non distruttivi, con radiografia o ultrasuoni per i giunti saldati per fusione, ultrasuoni e prova di tenuta per i giunti brasati, e, per le aree saldate di pezzi stampati, controllo aggiuntivo con TC industriale per verificare eventuali aggregazioni di pori; validazione meccanica, con prove di trazione, piega e resilienza su provini di qualificazione della stessa serie di processo; e validazione in servizio, con prova idrostatica a 1,5 volte la pressione di esercizio e mantenimento per almeno 30 minuti.

La qualificazione del processo deve essere completata prima della produzione in serie e deve generare una procedura di saldatura documentata, fissando corrente, tensione, apporto termico, temperatura interpass, portata del gas di protezione e curva del trattamento termico post-saldatura. Senza questo passaggio, ogni saldatura diventa un esperimento incerto e i costi di rilavorazione possono consumare rapidamente il vantaggio di tempo ottenuto con la produzione additiva.

Sei: raccomandazioni di progettazione dei giunti per la produzione additiva

È meglio considerare la giunzione già in fase di progettazione, invece di tentare correzioni a valle del processo. Tre raccomandazioni concrete sono: posizionare i cordoni in zone a bassa sollecitazione, evitando cambi bruschi di sezione e aree sensibili alla fatica; formare direttamente sul pezzo stampato gradini di posizionamento per la saldatura e scanalature per il metallo brasante, riducendo il tempo di allineamento in assemblaggio e garantendo un gioco uniforme; indicare chiaramente se dopo la saldatura sia necessaria una ricottura di distensione. Per le leghe di titanio si usa in genere un mantenimento a 600-700 °C per 1-2 ore, mentre per le leghe di alluminio si adotta spesso una ricottura a bassa temperatura di 250-300 °C; parametri errati possono causare direttamente fuori tolleranza dimensionali o cali prestazionali.

Conclusione

Saldatura, brasatura e giunzione per diffusione non sono alternative alla produzione additiva, ma strumenti ingegneristici che la liberano dai limiti dimensionali della singola macchina. La scelta del processo dipende dai requisiti di resistenza del giunto, dalla compatibilità metallurgica dei materiali base e dall’apporto termico consentito; la capacità di ottenere risultati stabili e conformi dipende invece dallo stato di densificazione del materiale base, dalla qualità della pulizia superficiale, dalla protezione atmosferica e dalla completezza della qualificazione del processo. Solo rendendo solide queste condizioni preliminari la fabbricazione assemblata può ottenere la libertà geometrica dell’additive manufacturing mantenendo al tempo stesso il livello minimo indispensabile di affidabilità strutturale.