Friction Stir Welding: dal comportamento a corrosione, meccanico, microstrutturale e termico dei giunti di alluminio allo sviluppo di un modello simulativo completo

In the last decades, aluminum has been proving to be a material of considerable importance in the engineering field, especially in the aeronautic and automotive sectors, because of its advantageous ratio between mechanical properties and weight. Significant importance in these fields is assumed by the aluminum precipitation-hardening alloys, which can achieve mechanical properties comparable to those of structural steel. However, these alloys, called high-strength alloys, are difficult to be welded with traditional methods and, to overcome this problem, alternative joining methods have been studied. In 1991, a new solid-state welding process called Friction Stir Welding (FSW) was developed at The Welding Institute, which allows the joining of a wide range of parts and geometries. In addition to the possibility of using this technology to weld materials that are difficult to weld, friction stir welding is demonstrating to be a promising green technology as it is characterized by high energy efficiency, due to the involved lower temperatures with respect to the traditional fusion welding techniques, and respect for the environment, because of the limited waste material and the avoided radiation and hazardous fumes. This characteristic is not negligible as it is well-known that, within the production field, manufacturing is one of the most polluting sectors and, nowadays, one of the most important challenges that the world is called to face is a sustainable development to reduce global pollution. This challenge especially regards CO2 direct and indirect emissions, an issue strictly related to the industry field which causes about 40% of the world emissions. Indeed, CO2 emissions due to the industry have increased in recent years, except for the recent COVID effect. The main objective of this thesis is the in-depth study of Friction Stir Welding technology with the final aim of expanding its knowledge and the possibilities of its application, in order to make it more usable in the industrial field. To do that, this research was divided into two parts. In the first one, the variation of the microstructure and the characterization of the corrosion behavior of high-strength aluminum alloy joints welded with Friction Stir Welding technology were studied. Subsequently, based on the data experimentally collected in the first phase of the study and on the found importance of the thermal input, the research was implemented by analyzing in detail the influence of the temperature involved in the process on the mechanical behavior and on the microstructure, using different external cooling systems. Downstream of the entire experimental collection, finite element simulation and artificial intelligence techniques were applied, as well as optimization algorithms, to build a predictive model capable of determining the input parameters as a function of the desired output parameters.

Negli ultimi decenni l'alluminio si è rivelato essere un materiale di notevole importanza in campo ingegneristico, soprattutto nel settore aeronautico e automobilistico, per il suo vantaggioso rapporto tra proprietà meccaniche e peso. In questi settori, le leghe di alluminio indurenti per precipitazione assumono una posizione di spicco, in quanto sono in grado di raggiungere proprietà meccaniche paragonabili a quelle degli acciai da costruzione. Tuttavia queste leghe, conosciute anche come leghe alto-resistenziali, sono difficilmente saldabili con i metodi fusori tradizionali ed è proprio per ovviare a questo problema che recentemente sono stati studiati metodi alternativi di giunzione permanente. Nel 1991, presso il Welding Institute, è stata sviluppata la Friction Stir Welding (FSW), un nuovo processo di saldatura allo stato solido che consente l'unione permanente di un'ampia gamma di componenti e di svariate geometrie. Oltre alla possibilità di utilizzare questa tecnologia per saldare materiali altrimenti difficili da lavorare, la FSW si sta dimostrando una promettente green technology in quanto caratterizzata da un'elevata efficienza energetica, dovuta alle temperature in gioco molto più basse rispetto alla temperatura di fusione del materiale lavorato, e dal rispetto per l'ambiente, grazie al limitato materiale di scarto e all’eliminazione delle radiazioni e dei fumi nocivi. Questa caratteristica non è trascurabile in quanto è risaputo che, all'interno del campo produttivo, il manifatturiero è tra i settori maggiormente inquinanti e, oggigiorno, una delle sfide più importanti che il mondo è chiamato ad affrontare è proprio quello di ricercare uno sviluppo sempre più sostenibile per ridurre l’inquinamento globale. Questa sfida riguarda soprattutto le emissioni dirette e indirette di CO2, tema strettamente legato al settore industriale che provoca direttamente circa il 40% delle emissioni mondiali e che, negli ultimi anni, ha continuamente aumentato le emissioni inquinanti, fatta eccezione per il recente effetto COVID. L'obiettivo principale di questa tesi è quindi l’analisi della tecnologia Friction Stir Welding con lo scopo finale di ampliarne la conoscenza e, di conseguenza, implementarne le possibilità di una applicazione sempre più massiva, al fine di renderla maggiormente spendibile in campo industriale. Per fare ciò, questa ricerca è stata divisa in due parti. Nella prima sono state studiate la variazione della microstruttura e la caratterizzazione del comportamento alla corrosione di giunti in lega di alluminio alto-resistenziale saldati con tecnologia Friction Stir Welding. Successivamente, sulla base dei dati raccolti sperimentalmente e della rilevata importanza dell'apporto termico, la ricerca è stata implementata analizzando in dettaglio l'influenza del ciclo termico generato dal processo stesso sul comportamento meccanico e sulla microstruttura dei giunti, utilizzando diversi sistemi di raffreddamento esterni rispetto al set-up tradizionale. A valle dell'intera fase sperimentale, sono state applicate tecniche di simulazione agli elementi finiti e di intelligenza artificiale, nonché algoritmi di ottimizzazione, con il fine di sviluppare un modello predittivo in grado di determinare i parametri di input in funzione dei parametri di output desiderati.