La brasatura a vuoto
Unire due o più metalli non è mai facile. Anche una giunzione ben progettata, se non è eseguita correttamente, può dare un bel po’ di problemi.
Per partire bene non si può fare a meno di pochi ma cruciali elementi:
- una tecnica adeguata;
- materiali idonei;
- un forno che sia in grado di effettuare un costante monitoraggio del ciclo di brasatura.
Ipotizziamo di poter partire bene e percorriamo, come se stessimo viaggiando, tutte le tappe del processo. Servirà a rinfrescare la memoria, anche e soprattutto sulle modalità operative dei forni a vuoto. Non solo, potrà servire ad essere pienamente consapevoli dei punti di criticità che via via possono presentarsi, minacciosi per il buon esito del lavoro, e che attendono che si passi tempestivamente ed efficacemente ai rimedi.
Perché optare per un forno a vuoto
Il processo di brasatura in un forno da vuoto è semplice e veloce. Il forno a vuoto può garantire il raggiungimento della temperatura di fusione con estrema precisione e senza over-shoot e, inoltre, nel forno a vuoto diventano trascurabili i problemi di resistenza alla ossidazione ed alla corrosione della lega.
La brasatura dà i migliori risultati quando la fusione del filler (come pasta, come filo o come nastro metallico) avviene a una temperatura non superiore alla sua propria. Ad una temperatura alla quale la sua tensione superficiale risulterebbe minore, il liquido potrebbe bagnare una superficie più estesa,del necessario, senza garantire al giunto il corretto riempimento.
Il liquido deve diffondersi nel metallo, creando uno strato intermedio, andando a collocarsi proprio nella cavità della giunzione. È infatti la capillarità a far in modo che la lega allo stato liquido penetri all’interno delle intercapedini collocate nel punto preciso in cui si vuole ottenere la giunzione.
La intercapedini, create mediante lavorazione meccanica, richiesta per raggiungere le giuste tolleranze negli elementi della giunzione, determinano l’esatta dimensione di alveo per il legante.
Vanno evitate le tolleranze strette, che renderebbero difficile per il legante riempire. Ma altrettanto negative risultano tolleranze ampie, che causano al giunto debolezza, e probabilmente lacune o porosità. Alla temperatura della bagnabilità, la lega viene attratta all’interno dei giunti da unire, vincendo anche la forza di gravità.
L’importanza del brasante
Si chiama “brasante” il metallo di apporto che rende possibile la giunzione di due o più metalli durante la brasatura. A volte, però, invece del metallo puro, in qualità di brasanti vengono utilizzate delle leghe. La condizione che la lega deve soddisfare è non includere elementi soggetti a sublimarsi o evaporare, poiché non si raggiungerebbero le caratteristiche di giunzione richieste e si potrebbe contaminare il forno.
Le leghe adatte ai forni a vuoto non contengono conterranno flussanti e garantiscono una saldatura pulita. Non ci saranno a fine processo scorie da rimuovere con mezzi meccanici. La lega viene cercata con una temperatura di fusione ben lontana dalla temperatura di fusione dei metalli di base, ma nello stesso tempo con caratteristiche meccaniche idonee alla giunzione. La superficie di base per avere una buona bagnabilità deve essere pulita, senza tracce di oli di lavorazione o grassi.
In genere le leghe, diversamente dai metalli puri, non fondono ad una temperatura precisa ma ad una temperatura che si colloca all’interno di un intervallo. Per quando possibile, è bene privilegiare le leghe eutettiche, il cui comportamento analogo ai metalli puri, dove il solido e il liquido coesistono unicamente alla temperatura dell’eutettico.
In alcune leghe, tipicamente quelle destinate agli impieghi in alta temperatura, esiste, pur se sono costituite da più di due specie metalliche, una compresenza “solidus-liquidus” ad una unica temperatura,
In altre leghe, di comune impiego nei forni da vuoto, si riscontra una fase intermedia “solidus-liquidus” ampia, con un salto di temperature importante tra le due fasi. Così si dilatano i tempi per una fusione completa, che avviene alla temperatura più alta, che diviene poi la temperatura del processo di brasatura.
Caratteristiche di un forno a vuoto
Il forno a vuoto, purché “pulito” (senza contaminanti che rischiamo di depositarsi sulla carica) è il miglior impianto possibile su cui effettuare un identico ciclo termico su un numero elevato di pezzi. Almeno tre sono le ragioni:
- l’elevata uniformità nella zona calda su tutto l’arco delle temperature,
- la possibilità di operare una brasatura continua su parti di grande dimensione;
- la ripetibilità del ciclo: i della carica recano un codice a barre che li rende riconoscibili, ponendoli in collegamento con la registrazione del ciclo stesso. Questo consente di risalire al suo ciclo termico di ogni singolo pezzo.
Alla temperatura di fusione del filler, il forno a vuoto è in genere ad una temperatura superiore a quella di formazione degli ossidi. Quindi, i pezzi ossidati, prima di raggiungere la temperatura di fusione del filler, perdono in vuoto lo strato di ossido.
Passiamo in rassegna le varie parti del forno, con le loro specifiche funzioni:
- la camera di contenimento della zona calda, o “camera metallica”, è fatta di schermi metallici multipli riflettenti in molibdeno-lantaniato i più interni, in molibdeno quelli intermedi ed in acciaio inossidabile i più esterni.
- La fibra di allumina o la spugna di grafite, che pure sono ottimi materiali isolanti, non possono essere utilizzate perché tendono a trattenere umidità o peggio vapori di oli, minacciando seriamente le condizioni generali di pulizia dell’impianto.
- il vessel, interamente in acciaio inossidabile, è a tenuta di vuoto. Lavato ad ultrasuoni prima dell’assemblaggio, è poi sottoposto a test di tenuta con “leak detector” ad elio.
- nel gruppo di pompaggio, la pompa primaria è una pompa dry, la roots (pompa booster a lobi) in cui la tenuta è affidata alle tolleranze tra lobi e dello statore. La pompa di alto-ultravuoto può essere una pompa turbomolecolare o criogenica. Sono assenti le pompe lubrificate, ma si può trovare una pompa a diffusione di vapori d’olio, se è montata una trappola criogenica alimentata con azoto liquido o da un gruppo Polycold a doppio stadio. Si tratta di sistemi atti a trattenere i vapori condensabili ed impedire la retrodiffusione di vapori d’olio.
In alcuni specifici settori: aeronautico, spaziale, della fisica delle particelle e della ricerca metallurgica in genere, il forno da vuoto è un apparato complesso e sofisticato, realizzato con camera termica metallica, pompaggio a secco, criteri costruttivi del vessel caratteristici di un forno da alto-ultravuoto. Il forno è conforme alle richieste NADCAP, mentre un software di programmazione ciclo consente cicli automatici, realizzati con grande precisione.
Qualche buona ragione per brasare sottovuoto
Al di là di applicazioni per settori molto esigenti, si può dire che semplicità e rapidità caratterizzano la brasatura a vuoto. E i risultati sono più che interessanti, perché è possibile ottenere – al netto di qualsiasi lavorazione secondaria – giunti in modo perfetto.
Questo è il discorso di base, ma per comodità e completezza di visione voglio articolarlo in tutti i punti che presumo possano interessare a chi sta decidendo se o non utilizzare la brasatura sottovuoto. Ecco le note che ancora mi sento di sottolineare:
- grazie ai sistemi di pompaggio di grande portata (pompe a diffusione + pompaggio criogenico) che creano un’atmosfera residua a bassa presenza di ossigeno, il processo garantisce un elevato vuoto finale;
- si può evitare la sublimazione del Mg in eccesso nella camera da vuoto facendo un uso calibrato della lega a contenuto di magnesio (4004, 4104, 4044, 4045);
- l’elevata potenza del forno fa sì che, in fase di riscaldamento, la carica passi velocemente da 520 °C (temperatura di inizio sublimazione del Mg) a 605/610 °C. Questo impedisce il ricrearsi di uno strato ossidato (Al2O3) sulla superficie del pezzo appena ridotta ad Al;
- l’ottimale distribuzione delle zone riscaldanti e il controllo puntuale della potenza erogata garantiscono l’uniformità di temperatura della carica (± 3 °C a 605 °C);
- adeguati sistemi di fissaggio del singolo scambiatore impediscono deformazioni o collasso nel pezzo;
- con il raffreddamento controllato delle pareti e degli altri elementi del forno con acqua riscaldata (80 °C) si elimina la condensazione del vapore acqueo nelle operazioni di carico/scarico;
- i componenti sono puliti e non c’è alcuna emissione di sostanze contaminanti in atmosfera.
Qualche accortezza in più nella brasatura a vuoto: la parola a SteelBetter
I forni a vuoto consentono di ottenere un prodotto di elevata qualità e a basso costo unitario, eliminando scarti di produzione eccessivi e sprechi di materie prime. Il dato di realtà parla molto chiaro: a prescindere dal settore di riferimento (automobilistico, aerospaziale, energetico, ecc.) è proprio il vuoto ad essere preferito, perché – tanto per dire – fornisce le condizioni ideali per il processo di brasatura dei componenti in alluminio (lega) degli scambiatori di calore.
Ma, come sempre, io amo fare l’avvocato del diavolo. Non ci rinuncio certo stavolta… anzi, butto lì due ipotesi Metti che:
▲ a) l’ambiente di lavoro non sia rigorosamente pulito.
▲ b) un eccesso di ossido di magnesio, residuato da lavorazioni precedenti, impedisca al forno di brasare correttamente.
Si capisce lontano un miglio che entrambe le situazioni possono essere l’avvio di gran brutte storie. Divertiamoci con il “come va a finire”.
Nel caso ▲ a) l’olio di taglio residuo (magari usato per piastre, elementi separatori…) va a compromettere le condizioni ideali per il processo di brasatura: l’olio evaporato dai pezzi, per dirne un’altra, contamina il forno e le pompe a diffusione. In un attimo si è formato un ostacolo ad un cordone della giunzione continuo e, quindi, una difettosità.
Per quanto riguarda il caso ▲ b), la faccenda è più complicata, perché non si discute sul fatto che per brasare i componenti in alluminio il forno ha bisogno di Mg… ma una formazione eccessiva di ossido di magnesio (residui lasciati dal processo di brasatura) impedisce al forno di brasare correttamente. E possono verificarsi due situazioni pericolose:
◊ b1) depositi di ossido di magnesio condensati su superfici fredde possono innescare un corto circuito tra resistore e schermatura riflettente della camera termica. Il deposito mantiene una sufficiente conduzione elettrica da rendere possibile il corto circuito. Le contromisure consistono in particolari schermature o il pompaggio criogenico, che elimina le tracce di vapore acqueo residuo dal lavaggio dei materiali.
◊ b2) durante la rimozione, in presenza di aria (quando l’operatore cerca di eliminarli) i depositi di Magnesio possono facilmente infiammarsi e bruciare, formando gocce a 2000 °C, impossibili da estinguere con acqua e probabile fonte di gravi lesioni per l’operatore.
Qundi, come spesso da SteelBetter raccomandiamo, la cautela deve andare allo stesso passo dell’infomazione. Possiamo consigliarti al meglio, sia che tu sia interessato alla brasatura in vuoto sia che tu voglia farti un’idea più concreta di vantaggi e svantaggi, oltre che naturalmente dei costi ipotizzabili.