Come unire metalli e plastica con la saldatura a freddo

La saldatura a freddo è una delle migliori tecniche per saldare insieme metalli non ferrosi.

Quando si pensa a una procedura di saldatura, la prima cosa che viene in mente è probabilmente l'uso del calore.

Tecniche come la saldatura ad arco, la saldatura ad attrito, la saldatura a ultrasuoni e la saldatura laser comportano tutte l'utilizzo di calore, in un modo o nell'altro. Infatti, il calore è considerato sinonimo di saldatura ed è, negli esempi precedenti, fondamentale per unire due metalli insieme.

In realtà, è possibile fondere insieme i metalli attraverso un processo chiamato saldatura a freddo.

La saldatura a freddo è comunemente utilizzata nell'aviazione e nell'ingegneria elettrica e considerata uno dei modi migliori per legare insieme metalli e altri materiali.

La saldatura a freddo, nota anche come saldatura a pressione fredda e saldatura a contatto, utilizza la pressione in condizioni di vuoto, invece del calore, per unire due materiali, attraverso un processo chiamato diffusione allo stato solido. Il legame risultante è solitamente forte quanto quello dei materiali originali.

Può anche essere usata per legare insieme altri materiali, come la plastica.

Durante il processo, nessun metallo viene liquefatto e i materiali di solito non vengono riscaldati in misura notevole. È però necessario prima rimuovere eventuali strati di ossido dai metalli in questione.

Ciò è dovuto principalmente al fatto che i metalli contengono solitamente uno strato di ossido superficiale, che funge da sottile barriera sulla superficie dei materiali, impedendo la diffusione di atomi tra i pezzi di metallo.

La maggior parte dei metalli, in condizioni normali, presenta qualche tipo di strato di ossido sulle superfici esposte, anche se non è visibile ad occhio nudo. Possono anche raccogliere strati di altri contaminanti come grasso, polvere, ecc.

Si risolve questo problema preparando i metalli prima che vengano saldati. Il processo di preparazione prevede la pulizia o la spazzolatura dei metalli in misura tale da rimuovere lo strato superiore di ossido, o barriera.

Per far questo in genere si usa un mix di metodi chimici e meccanici come sgrassaggio, spazzolatura a filo e altre tecniche per garantire che tutte le superfici metalliche siano il più possibile prive di strati di ossido.

Una volta ottenuta la pulizia superficiale desiderabile, entrambi i materiali vengono pressati insieme meccanicamente, utilizzando la giusta quantità di forza.

Questa quantità di forza dipende dai materiali stessi, poiché alcuni possono saldare solo ad alte pressioni.

Una delle condizioni richieste per la saldatura a freddo è che almeno uno dei materiali sia duttile e non abbia subito un forte indurimento.

Questo requisito restringe l'elenco dei materiali che possono essere impiegati per la saldatura a freddo.

I metalli teneri, come l'alluminio o il rame, sono le scelte migliori per la saldatura a freddo.

Poiché la saldatura a pressione a freddo funziona meglio con un'ampia superficie di contatto, è meglio utilizzare giunti di testa e sovrapposti.

In un giunto di testa, spesso non è necessario rimuovere lo strato barriera del metallo poiché la deformazione plastica che si verifica durante il processo di giunzione lo rompe automaticamente. Questo tipo di giunzione è più comunemente applicato a metalli come fili di alluminio o rame, con diametri compresi tra 0.5 mm e 10 mm.

I giunti sovrapposti, invece, richiedono un trattamento speciale perché il materiale possa aderire. I giunti sovrapposti sono più comunemente usati quando si saldano fogli insieme o quando si saldano fogli su barre.

Le saldature di testa vengono utilizzate principalmente quando si saldano insieme filo e tubi. Questo perché è facile tagliare le estremità, ottenere metallo pulito sulla superficie di contatto e premere insieme i fili. Quando si esegue una saldatura di testa, la distanza tra i punti di fissaggio e la superficie di contatto non dovrebbe essere eccessiva perché i metalli teneri possono piegarsi lateralmente invece di unirsi.

La saldatura a freddo è anche comunemente usata con filo, inclusi alluminio, rame, zinco, ottone 70/30, nichel, argento, leghe d'argento e oro.

Per quanto sia utile la saldatura a freddo, essa presenta dei limiti, come qualsiasi forma di saldatura.

Alcuni limiti, come si è scritto in precedenza, sono rappresentati dagli strati di ossido che si formano sopra il metallo soggetto alle condizioni atmosferiche, l'irregolarità della superficie, la contaminazione superficiale e altro. Condizioni perfette possono essere difficili da raggiungere e anche costose, soprattutto per progetti di saldatura su larga scala.

Le saldature a freddo ottimali si verificano solo quando le due superfici che vengono pressate insieme sono pulite e prive di qualsiasi forma di contaminante. Ciò richiede ulteriori fasi di preparazione e del tempo.

Inoltre, più la superficie è piana e regolare, più facile e uniforme sarà la saldatura. Non sempre è possibile ottenere una superficie piana e liscia perfetta, specialmente su scala micro e nanometrica.

Un'altra limitazione sono i tipi di metalli che possono essere saldati a freddo.

Almeno uno di essi deve essere duttile. I metalli teneri non ferrosi sono gli unici veri candidati adatti alla saldatura a freddo. Rame e alluminio, ad esempio, sono i due metalli più comunemente saldati a freddo.

I metalli che contengono carbonio sono in genere esclusi da questa possibilità.

Il vantaggio più notevole della saldatura a freddo è che le saldature risultanti hanno la stessa forza di adesione, o molto vicina, a quella del materiale di base. Questa impresa è molto difficile da ricreare in altre forme di lavorazione dei metalli.

Altri vantaggi:

• La lavorazione a freddo può essere utilizzata anche per saldare alcune leghe di alluminio che non possono essere saldate per fusione a causa della loro tendenza alla criccatura a caldo e che possono essere molto difficili da unire con altre forme di saldatura.
• Nell'industria, la saldatura a freddo è nota per la sua capacità di saldare insieme alluminio e rame, che sono metalli difficili da saldare con altre tecniche di saldatura.
• La saldatura a freddo fornisce saldature pulite e resistenti senza la formazione di fragili composti intermetallici.
• Fornisce una delle saldature più solide per la creazione di legami simili al metallo madre.
• Non richiede energia termica né strumenti speciali.

Viene comunemente applicata quando si saldano fili insieme, specialmente di metalli diversi. Poiché non c'è calore coinvolto e il processo può essere eseguito rapidamente, la saldatura a freddo può garantire fili perfettamente saldati, principalmente con alluminio, rame, ottone 70/30, zinco, argento e leghe d'argento, nichel e oro.

• La saldatura a freddo viene utilizzata anche nei casi in cui è necessario unire metalli dissimili, come ad esempio rame e alluminio.
• La saldatura a freddo è utilizzata da numerosi settori, tra cui quello aerospaziale, automobilistico, elettronico e produttivo.
• La saldatura a freddo è perfetta anche per la posa di fili interrati quando c'è il pericolo che i gas infiammabili prendano fuoco a causa di un processo di saldatura termoinduttore.

Inoltre, viene spesso utilizzata per sigillare contenitori sensibili al calore, ad esempio contenitori con esplosivi.

In generale, la saldatura a freddo viene impiegata quando il calore provoca troppi danni o presenta un pericolo.

Le saldatrici a freddo sono azionate manualmente per piccoli diametri di filo. Ma diametri maggiori richiedono un funzionamento pneumatico o elettrico-pneumatico. La maggior parte di queste macchine sono portatili e possono gestire fili, aste e strisce.

• Utilizzando un intensificatore idraulico ad aria, una saldatrice a freddo portatile genererà una pressione estrema.
• Sul lato operatore è presente una "testa di saldatura"; si trova nella parte superiore della macchina e serve ad accettare uno stampo di saldatura, offrire stabilità e controllare la pressione applicata.
• La pressione viene applicata almeno quattro volte per eliminare tutte le impurità.
• Dopo che i fili si sono incollati, puoi rimuoverli dalla macchina e rimuovere i residui attorno all'area del giunto.

Esistono due metodi di giunzione alternativi alla saldatura: fissaggi meccanici e adesivi.

Crediti: Henkel

1. Fissaggi meccanici. Gli elementi di fissaggio meccanici richiedono una preparazione minima della superficie, sono veloci quasi quanto la saldatura e sono l'unico metodo di giunzione facilmente reversibile. Hanno però degli svantaggi: sono soggetti a carichi puntuali che possono causare il fallimento del fissaggio nel tempo, creano detriti o "trucioli". I bulloni sono un esempio di fissaggio meccanico.
2. Adesivi. Gli adesivi sono i più economici tra i metodi di giunzione; sono efficaci su materiali innovativi come fibra di carbonio, compositi e plastica rinforzata con vetro (GRP); possono essere forti quanto la saldatura. Di solito però richiedono una preparazione accurata della superficie e conoscenze su come usarli. Possono fornire un legame altrettanto forte della saldatura. Se si desidera ricorrere agli adesivi, la cosa principale da fare è assicurarsi che la superficie del giunto sia sufficiente affinché l'adesivo aderisca in modo efficace. In genere si consiglia uno spessore della linea di incollaggio di 1 mm-2 mm. Alcuni giunti non forniranno una superficie sufficiente per aderire efficacemente con gli adesivi. In questi casi, sarà necessario un supporto strutturale.

Se si ha bisogno di un legame affidabile e duraturo si dovrà considerare il design del giunto.

Gli adesivi possono fornire un giunto forte quanto la saldatura a freddo ma una saldatura convenzionale offrirà sempre una resistenza per millimetro quadrato maggiore rispetto agli adesivi.

Gli elementi di fissaggio meccanici forniranno un metodo di giunzione veloce, facile da rimuovere se necessario. Ma potrebbero non essere abbastanza forti e rischiano di indebolirsi nel tempo.

Ricorrere invece a un saldatore qualificato permette di ottenere una giunzione robusta e affidabile, duratura nel tempo.