IT201900010503A1 - Metodo per realizzare una giunzione meccanica tra due materiali di cui almeno uno conduttore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"METODO PER REALIZZARE UNA GIUNZIONE MECCANICA TRA DUE MATERIALI DI CUI ALMENO UNO CONDUTTORE"

La presente invenzione è relativa a un metodo per la realizzazione di una giunzione meccanica tra due materiali con differente temperatura di fusione di cui almeno uno conduttore.

Le strutture ibride multi-materiale sono utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, tra cui trasporti, elettronica, ambito civile, biomedicale. Infatti, la possibilità di poter combinare materiali diversi consente di aumentare le prestazioni della struttura risultante. In questo contesto si inserisce la necessità di poter realizzare una efficace giunzione di materiali caratterizzati da caratteristiche meccaniche, fisiche e termiche molto diverse tra loro.

Questo tipo di giunzione è generalmente realizzata mediante due tipologie di processi: giunzioni adesive e/o giunzioni meccaniche. Nonostante comunemente adottate, entrambe queste soluzioni presentano degli svantaggi. Ad esempio, le giunzioni adesive mostrano un'elevata resistenza alla sollecitazione di taglio, mentre una scarsa sollecitazione di peeling. Per ovviare a questa problematica, il bordo da giuntare viene opportunamente sagomato al fine di aumentare le prestazioni dei giunti adesivi. Le giunzioni adesive inoltre richiedono lunghi e costosi pretrattamenti delle superfici. Tali processi, possono essere sia di natura meccanica (rimozione dello strato superficiale mediante spazzole metalliche, sabbiatura etc.) sia di natura chimica (impiego di solventi) e possono implicare anche un significativo impatto ambientale. Inoltre, nel lungo periodo le caratteristiche meccaniche delle giunzioni adesive sono caratterizzate da una elevata variabilità ed incertezza. D'altro canto, le giunzioni meccaniche (rivettatura, bullonatura ecc.), nonostante siano molto utilizzate nell' industria aeronautica e navale, tuttavia presentano diversi limiti e problemi, tra cui la presenza di giunti puntuali intorno ai quali si concentrano le sollecitazioni, l'adozione di elementi esterni per la giunzione che determinano l'aumento del peso della struttura e dei costi. Inoltre, nella maggior parte dei processi di giunzione meccanica è richiesta una foratura preliminare delle lamiere. Tale processo aggiuntivo, oltre a rappresentare un problema in termini di produttività (costi e tempi), può danneggiare i componenti.

Negli ultimi anni, sono state proposte diverse soluzioni alternative per superare i limiti accennati, che prevedono la funzionalizzazione di una o entrambe le superfici da giuntare e la successiva giunzione di natura termo-meccanica. Processi come il Laser Assisted Joining e il Friction Assisted Joining sono stati utilizzati per giuntare diverse tipologie di materiali (metallo-termoplastico, metallo-composito). Tuttavia, tali soluzioni non sono ancora in grado di fornire risultati soddisfacenti in termini di caratteristiche meccaniche e tempi di realizzazione.

Come è noto ad un tecnico del ramo, i processi convenzionali di saldatura (es. saldatura a punti) non consentono di realizzare giunti tra materiali con differenti temperature di fusione, in quanto solo uno dei materiali viene portato a fusione.

Era, quindi, sentita l'esigenza di disporre di una soluzione in grado di realizzare una giuntura di materiali anche caratterizzati da differenti proprietà chimico-fisiche attraverso un processo rapido, economico e che garantisca elevate prestazioni senza per questo incorrere nei problemi dell'arte nota.

Gli inventori della presente invenzione, hanno già realizzato un metodo di giunzione meccanica di materiali conduttori con differente temperatura di fusione, oggetto della domanda di brevetto italiano n. 102018000010611, depositata il 27 novembre 2018, in grado di superare la maggior parte degli svantaggi dell'arte nota, che prevede la realizzazione di una pluralità di scanalature su una superfìcie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore; una fase in cui una superficie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore è disposta a contatto con una superficie di un materiale conduttore a temperatura di fusione minore, e una fase di giunzione, in cui i due materiali sono sottoposti a una pressione di accoppiamento e contestualmente attraversati da una corrente in corrispondenza della pluralità di scanalature fino a che le scanalature stesse non siano riempite dal detto materiale a temperatura di fusione minore. Durante le attività di ricerca è stato sorprendentemente trovato che, cambiando la disposizione degli elettrodi, ovvero mettendoli in parallelo, tale metodo risulta efficace anche per la giunzione di due materiali di cui almeno uno conduttore. Anche tale secondo metodo, prevede la realizzazione di una pluralità di scanalature sulla superficie del materiale conduttore.

Rispetto al metodo, oggetto della domanda di brevetto italiano n.

102018000010611, la presente invenzione, estende il campo di applicabilità del metodo a giunti costituiti da un solo materiale conduttore. Inoltre, nel caso di giunzione di due materiali conduttori, la presente invenzione ha il grande vantaggio di risolvere i problemi di accessibilità alle parti da giuntare che possono verificarsi in determinate circostanze, in quanto gli elettrodi insistono su un solo lato del giunto.

Oggetto della presente invenzione è un metodo per la realizzazione di una giunzione meccanica tra due materiali con differente temperatura di fusione di cui almeno uno conduttore; detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere in successione

- una fase di contatto, in cui una superficie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore in cui sono presenti delle scanalature è disposta a contatto con una superficie di un secondo materiale a temperatura di fusione minore, e

- una fase di giunzione, in cui i due materiali sono sottoposti a una pressione di accoppiamento e contestualmente il materiale conduttore è attraversato da una corrente elettrica fino a che le scanalature stesse non siano riempite dal detto secondo materiale a temperatura di fusione minore.

Ulteriori oggetti sono indicati nelle rivendicazioni dipendenti.

È stato sperimentalmente provato che l'invenzione risulta efficace anche qualora la differenza di punto di fusione tra i due materiali sia di pochi °C.

Preferibilmente, il metodo comprende una fase preliminare di intaglio, in cui sulla superficie del materiale conduttore è realizzata una pluralità delle dette scanalature.

Preferibilmente, le scanalature sulla superficie del materiale conduttore hanno un profilo sottosquadro.

Preferibilmente, detta fase di giunzione è realizzata mediante una saldatura a resistenza, ancora più preferibilmente mediante una saldatura a punti o a rulli Preferibilmente, detta fase di intaglio è realizzata mediante una tecnica laser. L'invenzione proposta può essere inoltre utilizzata per la realizzazione di collegamenti o riparazioni su componenti danneggiati del secondo materiale a temperatura di fusione minore. In tal caso, il materiale conduttore verrà utilizzato per collegare le estremità e ripristinare così la continuità del componente danneggiato, come ad esempio mostrato in Fig. 2.

Di seguito è riportato un esempio realizzativo a puro titolo illustrativo e non limitativo con l'ausilio delle figure annesse, in cui:

- la figura 1 illustra in forma schematica una fase del metodo secondo la presente invenzione;

- la figura 2 illustra in forma schematica una fase del metodo secondo la presente invenzione per la riparazione di componenti del secondo materiale a temperatura di fusione minore; e

- la figura 3 è un grafico relativo alle prove di trazione realizzate per l'esempio sotto riportato.

Il metodo oggetto della presente invenzione è stato sperimentato su diversi materiali tra cui: leghe di alluminio, titanio, acciaio e alcuni materiali plastici (e talvolta compositi), tra cui: policarbonato (PC), poliammide (PA), polietere-etere-chetone (PEEK), poliparafenilensolfuro (PPS). A titolo di esempio si riportano alcuni dati relativi all'accoppiamento di una lamiera di un polimero termoplastico Polietere-eterechetone (PEEK) 1 e una lamiera di titanio 2 (grado2). Le lamiere 1 e 2 dei due materiali (entrambi di spessore pari a 2 mm) sono state giuntate per sovrapposizione, così come mostrato in Fig. 1.

Le principali caratteristiche meccaniche e termiche dei materiali sono riportate in Tabella I.

TABELLA I

Dalla Tabella I si evince la notevole differenza tra i punti di fusione dei due materiali. Inoltre il primo è un materiale metallico, mentre il secondo è un polimero. Questo rende inefficace qualunque processo di saldatura basato sulla fusione.

Sulla lamiera di titanio 2 è stata realizzata una pluralità di scanalature 3 mediante un laser a fibra impulsato (YLP-RA30-1-50-20-20 della IPG) così come mostrato in Fig.1. La pluralità di scanalature si è concretizzata in una texture quadrata utilizzando i seguenti parametri di processo:

• pulse frequency: 30 kHz;

• scanning speed: 1000 mm/s;

• hatch distance (distanza tra due line di scansione consecutive): 0.3 mm; • 40 ripetizioni.

La fase di giunzione è stata realizzata mediante una saldatrice 4 a punti ed elettrodi in rame del diametro di 10 mm. É stato condotto un piano di prove sperimentali in cui è stata variata la durata della saldatura tra 0.2 e 0.9 s. Durante la fase di giunzione i componenti sono pressati tra gli elettrodi ed un piano di riscontro 5.

Successivamente, sono state condotte delle prove di trazione per valutare le caratteristiche meccaniche dei giunti. A tal fine è stata utilizzata una macchina di prove universali modello C43.504 della MTS equipaggiata con una cèlla di carico di capacità pari a 50 kN.

I risultati di tali prove di trazione sono riportati nel grafico di figura 3, dove è possibile correlare l'energia di giunzione utilizzata con il massimo carico a trazione. Come è noto, l'energia di giunzione E è stata calcolata quale prodotto durata x potenza.

Dal grafico riportato in Fig. 3, si evince chiaramente come la tenuta dei giunti raggiunga valori molto elevati (anche superiori a 9 kN) corrispondenti ad una tensione di rottura pari a 55 MPa con tempi di giunzione molto brevi (0.9 s). Questo dimostra come con il metodo secondo la presente invenzione garantisca la realizzazione di giunti con prestazioni meccaniche molto promettenti. Inoltre, va sottolineato come il metodo oggetto della presente invenzione sia facilmente implementabile e allo stesso tempo sia caratterizzato da un'elevata produttività nonché da un ridotto fabbisogno energetico. Tali vantaggi sono dovuti proprio ai bassi tempi di giunzione.

Come illustrato in figura 1, il meccanismo di giunzione è basato sul riscaldamento del secondo materiale a temperatura di fusione minore e la sua penetrazione nelle scanalature realizzate (o già presenti) nel materiale conduttore.

In fine è importante notare che il particolare sistema di riscaldamento per passaggio di corrente secondo il metodo della presente invenzione comporta i seguenti vantaggi:

1) Tempi ciclo molto bassi legati all'elevata potenza e alla localizzazione del riscaldamento nella zona di giunzione.

2) Zona termicamente alterata limitata e tensioni residue modeste. Inoltre, in caso di materiali metallici, si riesce ad ottenere un ridotto ingrossamento dei grani grazie a:

a. Bassi tempi di riscaldamento;

b. Temperature basse (non è necessario raggiungere la temperatura di fusione del materiale conduttore ma solo il rammollimento del materiale bassofondente).

In questo modo si riescono ad ottenere elevate caratteristiche meccaniche (statiche, fatica) e una elevata resistenza alla corrosione.

3) Costo del sistema di riscaldamento basso.

4) Facile integrazione in sistemi produttivi già esistenti in quanto possono essere utilizzate le saldatrici già presenti.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la realizzazione di una giunzione meccanica tra due materiali (1, 2) con differente temperatura di fusione di cui almeno uno conduttore; detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere in successione - una fase di contatto, in cui una superficie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore (2) in cui sono presenti delle scanalature (3) è disposta a contatto con una superficie di un secondo materiale a temperatura di fusione minore (1), e - una fase di giunzione, in cui i due materiali sono sottoposti a una pressione di accoppiamento e contestualmente il materiale conduttore è attraversato da una corrente fino a che le scanalature (3) stesse non siano riempite dal detto secondo materiale a temperatura di fusione minore.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase preliminare di intaglio, in cui sulla superficie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore (2) è realizzata una pluralità delle dette scanalature (3).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che le scanalature (3) sulla superficie del materiale conduttore a temperatura di fusione maggiore (2) hanno un profilo sottosquadro.
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di giunzione è realizzata mediante una saldatura a resistenza (4).
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta saldatura a resistenza è una saldatura a punti (4).
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta saldatura a resistenza è una saldatura a rulli (4).
7. 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di intaglio è realizzata mediante una tecnica laser.