Sviluppo di procedimenti di saldatura ed analisi delle proprietà chimico fisiche di pannelli sandwich in schiuma di alluminio (aluminum foam sandwich) con differenti tipologie di legame pelle core

Abstract

Il presente lavoro è svolto nell’ambito delle attività previste nell’ Accordo di Programma MSE-ENEA sulla Ricerca di Sistema Elettrico (Progetto 3.5 “Risparmio di energia elettrica nei mezzi di trasporto: nuovi materiali e componenti innovativi per i mezzi di trasporto”. In particolare le attività del dottorato di ricerca hanno riguardato lo studio delle caratteristiche chimico fisiche e lo sviluppo di procedimenti di saldatura per la giunzione di pannelli AFS (Aluminium Foam Sandwich) in grado di realizzare forme e componenti a geometria complessa minimizzando la dimensione e l'entità delle variazioni delle caratteristiche del materiale base. Gli AFS possono ritenersi i componenti di maggior interesse dal punto di vista strutturale, realizzabili con le schiume metalliche. Questi pannelli, sono costituiti da un "core" in schiuma metallica e da due sottili pelli esterne in alluminio (Al bulk): l'assieme permette di realizzare componenti dall’elevata rigidezza flessionale, associata ad un’elevata energia di assorbimento agli urti. Per la realizzazione dei pannelli sandwich in schiuma di alluminio si possono seguire due strade: 1. pannelli sandwich realizzati incollando separatamente il “core” in schiuma ai fogli esterni in lamiera 2. pannelli sandwich integrati, realizzati in un unico processo sfruttando il legame metallurgico tra le parti. Il metodo dell’ incollaggio permette una notevole flessibilità nella progettazione dei pannelli, con forme relativamente complesse, ma la limitazione è data dalla riduzione della resistenza al fuoco (con scollatura e produzione di fumi anche tossici). I pannelli sandwich con “core” in schiuma ottenibili direttamente mediante legame metallurgico, caratterizzati da un’elevata resistenza al fuoco, si realizzano partendo dal processo di metallurgia delle polveri. Uno dei grossi limiti attualmente ancora esistente per l’applicazione estensiva di questo tipo di materiali, è lo sviluppo di tecnologie di giunzione. Infatti, i pannelli commercialmente esistenti sono piani e con dimensioni limitate. È quindi indispensabile sviluppare tecnologie di giunzione degli AFS, per geometrie anche complesse, senza distruggere completamente, nella zona localmente interessata dal processo di giunzione, le peculiari caratteristiche fisico-chimiche di questi innovativi materiali. Le tecnologie che possono essere utilizzate per realizzare le giunzioni degli AFS, sia fra di loro che con gli elementi strutturali principali, limitando le alterazioni del materiale base, sono quelle ad elevata densità di energia (HDE), quali Laser e Fascio Elettronico. Nella prima fase del lavoro di dottorato è stata condotta un’analisi dello stato dell'arte sui metodi di produzione dei pannelli AFS con legame metallurgico. Dopo accurate indagini economicocommerciali è stato individuato il tipo di pannello sandwich su cui svolgere il lavoro di ricerca, e sono stati acquisiti dalla POHLTEC METALFOAM, (commercializzati in Italia tramite la ECKA Granules). Successivamente sono stati sviluppati test specifici per la caratterizzazione del materiale base in funzione della normativa e della letteratura. In questa fase è stata eseguita una serie di esami sul materiale tal quale:  Esami non distruttivi: agli ultrasuoni e radiografici;  Analisi chimiche delle pelli e del core;  Analisi microstrutturali: SEM – EDS; micro durezze, nano durezze;  Calcolo delle tensioni residue nel core a seguito del processo di schiumatura;  Caratterizzazione meccanica: prova di flessione a 4 punti. I risultati di questi esami hanno permesso di individuare e valutare gli indici prestazionali di riferimento per la qualifica dei campioni di saldatura. Dopo aver scelto la geometria dei giunti da realizzare, sono stati definiti i parametri ottimali di saldatura con tecnica LASER e fascio elettronico (EBW), attraverso una serie di piani sperimentali (con tecnica DOE). Questa fase si è conclusa con la realizzazione di campioni per la qualifica dei giunti di saldatura. Il confronto dei risultati della caratterizzazione dei campioni saldati, con i valori degli indici prestazionali di riferimento, ha permesso la qualifica dei due processi di saldatura. In particolare la saldatura al fascio elettronico presenta le migliori prestazioni in termini di resistenza meccanica.