Introduzione alla brasatura sottovuoto dell'alluminio

Saldatura

La saldatura porta la connessione dei metalli un po' più in là. Invece di riscaldare solo il metallo d'apporto, una saldatura riscalda anche entrambi i pezzi metallici da unire, in modo che i due metalli si fondano insieme. Potreste aver visto una saldatrice in azione in una carrozzeria. Un incidente automobilistico può deformare un pezzo di metallo che deve essere rimosso e sostituito, per cui un tecnico della carrozzeria può usare una torcia ad acetilene per tagliare la parte danneggiata e sostituirla con una nuova parte, tagliata in modo che corrisponda all'originale e saldata al suo posto.

La saldatura di due metalli crea un legame forte, poiché i metalli di entrambe le parti nella giunzione si sono fusi insieme. La struttura cristallina dei due pezzi distinti si è mescolata e può agire come se fossero sempre stati parte della stessa struttura. Le condizioni ottimali di saldatura dipendono dal fatto che le due parti da saldare abbiano una struttura cristallina originale simile, il che di solito significa che sono fatte della stessa lega metallica o di una lega abbastanza simile.

ATTENZIONE: Non guardate mai direttamente una scintilla di saldatura. La temperatura nel punto di saldatura può superare i 6.000 gradi Fahrenheit e la scintilla può essere più luminosa del sole!

Il materiale di brasatura può avere qualità simili a quelle del materiale di partenza, ma è legato in modo da avere un punto di fusione leggermente inferiore. Per garantire che il materiale d'apporto si sciolga senza modificare la struttura del materiale di partenza, il processo di brasatura richiede un maggior grado di uniformità termica e di controllo del processo. Esercitando questi controlli, il materiale d'apporto può agire in modo prevedibile, utilizzando l'azione capillare per riempire le giunture o i vuoti in modo sufficientemente uniforme da creare legami forti e a tenuta d'aria.

La brasatura tende a lasciare giunzioni pulite e attraenti che in genere non richiedono ulteriori lavorazioni significative. Una volta che i pezzi sono stati brasati, non è necessario un ulteriore trattamento termico per ripristinare le qualità metalliche originali del pezzo, perché solo il materiale di brasatura è stato riscaldato fino al punto di trasformazione in liquido: l'integrità del metallo nei pezzi originali non è stata intaccata.

I pezzi brasati presentano un menisco curvo in corrispondenza della giunzione, che spesso ricorda un cordone di calafataggio fresco intorno a una vasca da bagno. Questo menisco aggiunge stabilità al pezzo, riducendo le concentrazioni di stress e migliorando le proprietà di fatica del giunto.

Perché la brasatura dell'alluminio?

Sebbene sia possibile utilizzare molti metalli diversi per brasare le parti, con rame, argento, ottone e lega di nichel, l'alluminio offre un materiale leggero ma resistente che può legarsi a un'ampia varietà di altre leghe metalliche.

È possibile trovare parti brasate in alluminio ovunque sia necessario trasferire il calore da un liquido all'aria circostante in un sistema chiuso a liquido. Ad esempio, radiatori di automobili, intercooler, unità di condizionamento dell'aria o evaporatori. Le geometrie complesse di tubi che si snodano avanti e indietro lungo un percorso rigoroso con un'ampia superficie sono la situazione ideale per utilizzare la brasatura sottovuoto dell'alluminio per garantire una tenuta completa lungo le curve e le valli del pezzo.

La brasatura sottovuoto dell'alluminio è interessante anche per i pezzi che richiedono pulizia: componenti aerospaziali, dispositivi medici o altri pezzi di alta precisione. Poiché la pulizia dei pezzi è una fase necessaria prima del processo di brasatura, un processo privo di atmosfera darà probabilmente come risultato un prodotto finito pulito e privo di ossidi.

Perché acquistare un forno dedicato alla brasatura dell'alluminio sottovuoto?

La brasatura sottovuoto dell'alluminio può essere eseguita praticamente in qualsiasi forno a vuoto con una zona calda metallica, ma non è consigliata. Un forno dedicato alla brasatura sottovuoto dell'alluminio, come il forno VAB di Ipsen, ha caratteristiche che un forno sottovuoto standard non ha, e il processo è duro per un forno in un modo che non lo è per molti altri processi di trattamento termico.

Mentre la maggior parte dei forni sottovuoto Ipsen è ottimizzata per operare a temperature comprese tra 1.000 e 2.400 °F (540 °C - 1320 °C), il forno VAB è focalizzato su operazioni tra 600 e 1.200 °F (320 °C - 650 °C), dove si verifica lo stato liquido della maggior parte dei materiali d'apporto di alluminio.

Ulteriori controlli a termocoppia assicurano che le temperature in tutta la camera mantengano un intervallo variabile di 50 °F (10 °C) da davanti a dietro e da sopra a sotto. Questa precisione intensa alle basse temperature è necessaria per soddisfare gli standard esigenti di settori come quello aerospaziale e dell'aviazione.

Quando si brasa l'alluminio in un forno a vuoto, uno dei problemi principali che gli operatori devono affrontare è la formazione di ossido di magnesio. Il magnesio viene utilizzato come additivo al materiale di riempimento dell'alluminio, agendo in modo molto simile a un fondente. Le leghe di alluminio che includono il magnesio hanno un punto di fusione più basso dell'alluminio puro o di altre leghe comuni. Quando il materiale di brasatura si riscalda, il magnesio rilasciato vaporizza e cerca gli atomi di ossigeno rimasti nel forno a vuoto, allontanandoli dal giunto. Il magnesio attacca anche l'ossido di alluminio presente sulla superficie dell'alluminio per garantire che il materiale di brasatura rimanente aderisca alle parti in modo uniforme.

Queste reazioni chimiche avvengono quando il forno raggiunge e supera i 1.060 °F (570 °C), creando un "magburst", ovvero un picco di degassamento. Il progetto del forno ottimale per gestire questo picco di degassamento deve essere dotato di un sistema di pompaggio sufficientemente robusto da mantenere un vuoto del 10^-4 a 10^-5 torr. Mentre il forno a vuoto continua a pompare fuori i nuovi gas, il processo può lasciare residui di degassamento sulle pareti della zona calda.

La gestione dei residui di ossido di magnesio è complicata, in quanto i residui hanno una composizione chimica simile a quella di una torcia stradale. La maggior parte del tempo dedicato alla manutenzione di un forno a vuoto per la brasatura dell'alluminio sarà dedicato alla pulizia dei depositi di ossido di magnesio. La raschiatura delle pareti della camera e degli schermi della zona calda deve essere eseguita con un materiale non ferroso per evitare di creare una scintilla che incendi l'ossido a combustione rapida. Se l'accumulo di ossido di magnesio è troppo pesante e difficile da raschiare, potrebbe essere necessario utilizzare un ciclo di combustione ad aria per rompere gli ammassi di ossido di magnesio più grandi. Una volta rimossa la maggior parte dei residui, è necessario un normale ciclo di combustione sotto vuoto per condizionare il forno per la futura produzione di brasatura. Anche le pompe di diffusione dovranno essere pulite regolarmente, seguendo le specifiche del produttore.

Attualmente, Ipsen produce forni VAB che includono piastre collettrici in magnesio. Questa innovazione progettuale aiuta i clienti a ridurre i tempi di inattività per la manutenzione e impedisce l'accumulo di magnesio in aree come il passaggio di alimentazione del forno e i passaggi per le termocoppie, aree che possono essere difficili da mantenere pulite.

Alcune delle reazioni chimiche che avvengono durante il processo di brasatura dell'alluminio includono:
Mg + H2O → MgO + H2
Mg + O2 → 2 MgO
Mg + Al2O3 → MgO + Al
Mg + N2 → Mg3N2