Vantaggi della brasatura a induzione dell'alluminio
Prima di approfondire i vantaggi della brasatura a induzione dei componenti in alluminio, è opportuno fare un breve excursus storico sul confronto tra alluminio e rame nel settore HVAC/R.
Da decenni l’alluminio è il materiale più utilizzato per gli scambiatori di calore nel settore automobilistico. Gli scambiatori di calore in alluminio, quali radiatori, nuclei di riscaldamento, evaporatori e condensatori, impiegati per la climatizzazione e per il raffreddamento del motore e della trasmissione, sono ormai di uso comune e hanno sostituito già da decenni quelli in rame o ottone.
L'alluminio ha fatto passi simili nel settore HVAC/R. Perché l’alluminio è diventato sempre più spesso un’alternativa al rame? L’alluminio è meno costoso del rame, è più leggero del rame ed è riciclabile. Una serpentina dello scambiatore di calore interamente in alluminio, con tubi e alette in alluminio, è più leggera rispetto a una con tubi in rame e alette in alluminio. Sebbene l’alluminio abbia una conduttività termica pari a circa il 60% di quella del rame, una libbra di alluminio consente di ottenere quasi il triplo dei componenti rispetto a una libbra di rame, garantendo all’alluminio un miglior rapporto superficie/peso.
| Materiale | Conduttività termica [BTU/(ora·piede⋅°F)] |
| Alluminio | 136 |
| Rame | 231 |
| Fonte: Engineer’s Edge |
Resistenza alla corrosione dell'alluminio rispetto al rame
Le serpentine in rame con alette in alluminio sono soggette a due tipi di corrosione: galvanica e formicaria. La corrosione galvanica è definita come “un processo elettrochimico in cui un metallo si corrode in modo preferenziale quando è in contatto elettrico con un altro, in presenza di un elettrolita” (Wikipedia). In genere, la corrosione galvanica non si verifica in ambienti chiusi o in atmosfere secche. Tuttavia, quando l’alluminio entra in contatto con un metallo più nobile, come il rame, in particolare in regioni con elevati livelli di cloruro, come le zone vicine all’oceano, si verifica la corrosione. Vedi la Figura 1.
| Materiale | Densità – p` (lb/ft³) |
| Alluminio | 169 |
| Rame | 558 |
| Fonte: The Engineering Toolbox: The Engineering Toolbox |
Le serpentine in alluminio per impianti HVAC/R presentano un ulteriore vantaggio rispetto a quelle in rame: l’immunità dei tubi in alluminio alla corrosione formicaria. La corrosione formicaria deriva da una reazione chimica tra ossigeno, acqua e acidi organici presenti nella serpentina. L’Air Conditioning Contractors of America (ACCA) ha pubblicato un articolo informativo intitolato“Cosa causa la corrosione formicaria e come si previene?”, che illustra in modo più dettagliato cos’è la corrosione formicaria e quali sono le cause più comuni. Si verifica esclusivamente all’interno delle serpentine a base di rame e rappresenta un problema di lunga data per i tubi in rame utilizzati nelle applicazioni HVAC/R. L’alluminio, invece, è immune alla corrosione formicaria.
Perché preferire la brasatura a induzione alla brasatura con cannello per i componenti in alluminio?
Innanzitutto, qualche informazione di base sulle leghe di alluminio più diffuse oggi e sui comuni legami per brasatura e saldatura utilizzati per l’unione dei componenti. La brasatura dei componenti in alluminio è molto più complessa rispetto a quella dei componenti in rame. Il rame fonde a 1980°F (1083°C) e cambia colore man mano che viene riscaldato. Le leghe di alluminio spesso utilizzate negli impianti di climatizzazione iniziano a fondere a circa 1190°F (643°C) e non forniscono alcun indizio visivo, come i cambiamenti di colore, durante il riscaldamento.
È necessario un controllo molto preciso della temperatura, poiché la differenza tra la temperatura di fusione e quella di brasatura dell’alluminio dipende dal metallo di base, dal metallo d’apporto e dalla massa dei componenti da brasare. Ad esempio, la differenza di temperatura tra la temperatura di solidus di due comuni leghe di alluminio, la serie 3003 e la serie 6061, e la temperatura di fusione della lega per brasatura BAlSi-4, di uso frequente, è di 20 °F: si tratta di un intervallo di temperatura di processo molto ristretto, che richiede quindi un controllo preciso. La scelta delle leghe di base è estremamente importante nei sistemi in alluminio sottoposti a brasatura. La pratica migliore consiste nell’effettuare la brasatura a una temperatura inferiore alla temperatura di solidus delle leghe che compongono i componenti da unire mediante brasatura.
| Classificazione AWS A5.8 | Composizione chimica nominale | Solidus °F (°C) | Liquido °F (°C) | Temperatura di brasatura |
| BAISi-3 | 86% Al, 10% Si, 4% Cu | 970 (521) | 1085 (855) | 1085~1120 °F |
| BAISI-4 | 88% aL 12% Si | 1070 (577) | 1080 (582) | 1080~1120 °F |
| 78 Zn 22% Al | 826 (441) | 905(471) | 905~950 °F | |
| 98% Zn, 2% Al | 715(379) | 725(385) | 725~765 °F |
Va notato che può verificarsi corrosione galvanica tra le aree ricche di zinco e l’alluminio. Come indicato nella tabella galvanica della Figura 1, lo zinco è meno nobile e tende ad essere anodico rispetto all’alluminio. Minore è la differenza di potenziale, minore è la velocità di corrosione. La differenza di potenziale tra zinco e alluminio è minima rispetto a quella tra alluminio e rame.
Un altro fenomeno che si verifica quando l'alluminio viene brasato con una lega di zinco è la corrosione puntiforme. La corrosione puntiforme o cellulare può verificarsi su qualsiasi metallo. L'alluminio è normalmente protetto da un film sottile e duro che si forma sulla superficie quando viene esposto all'ossigeno (ossido di alluminio), ma quando un fondente rimuove questo strato protettivo di ossido, può verificarsi la dissoluzione dell'alluminio. Più a lungo il metallo d'apporto rimane fuso, più grave è la dissoluzione.
Durante la brasatura, l’alluminio forma uno strato di ossido resistente, pertanto l’uso del fondente è essenziale. L’applicazione del fondente sui componenti in alluminio può avvenire separatamente prima della brasatura oppure è possibile incorporare nel processo di brasatura una lega per brasatura dell’alluminio contenente già il fondente. A seconda del tipo di fondente utilizzato (corrosivo o non corrosivo), potrebbe essere necessaria una fase aggiuntiva qualora sia necessario rimuovere i residui di fondente dopo la brasatura. Si consiglia di consultare un produttore di leghe per brasatura e fondenti per ottenere raccomandazioni sulla lega e sul fondente da utilizzare in base ai materiali da unire e alle temperature di brasatura previste.
I vantaggi della brasatura a induzione dell'alluminio rispetto alla brasatura con cannello o a fiamma
La bassa temperatura di fusione dei metalli a base di alluminio, unita alla ristretta finestra termica delle leghe di brasatura utilizzate, rappresenta una sfida nella brasatura a fiamma. L’assenza di cambiamenti di colore durante il riscaldamento dell’alluminio non fornisce agli operatori incaricati della brasatura alcuna indicazione visiva del fatto che l’alluminio abbia raggiunto la temperatura di brasatura corretta. Gli operatori incaricati della brasatura introducono una serie di variabili durante la brasatura a fiamma. Tra queste figurano le impostazioni del cannello e il tipo di fiamma; la distanza tra il cannello e i pezzi da brasare; la posizione della fiamma rispetto ai pezzi da unire; e altro ancora.
Tra i motivi per cui è opportuno prendere in considerazione l'usodel riscaldamento a induzionenella brasatura dell'alluminio figurano:
- Riscaldamento rapido e veloce
- Regolazione del calore controllata e precisa
- Calore selettivo (localizzato)
- Adattabilità e integrazione delle linee di produzione
- Maggiore durata degli accessori e maggiore semplicità
- Giunti brasati ripetibili e affidabili
- Maggiore sicurezza
Il successo della brasatura a induzione dei componenti in alluminio dipende in larga misura dalla progettazionedelle bobine di induzione, che devono concentrare l’energia termica elettromagnetica nelle aree da brasare e riscaldarle in modo uniforme, affinché la lega di brasatura si sciolga e scorra correttamente. Bobine di induzione progettate in modo inadeguato possono causare il surriscaldamento di alcune aree e un apporto insufficiente di energia termica in altre, con conseguente giunzione di brasatura incompleta.
Per un tipico giunto brasato di tubi in alluminio, l’operatore installa un anello di brasatura in alluminio, che spesso contiene un fondente, sul tubo di alluminio e lo inserisce in un altro tubo espanso o in un raccordo a blocco. I componenti vengono quindi collocati all’interno di una bobina a induzione e riscaldati. In un processo normale, i metalli d’apporto per la brasatura si fondono e fluiscono nell’interfaccia del giunto grazie all’azione capillare.
Radyne può aiutare i clienti a ottimizzare i propri processi di brasatura. Poiché l'alluminio è un materiale piuttosto complesso da brasare, Radyne, graziealpropriolaboratorio IPEC, è in grado di modellare il processo di brasatura e condurre esperimenti in materia per migliorarne l'efficienza e ottimizzarne il processo.
Conclusione
Non tutte le applicazioni di brasatura sono particolarmente adatte al riscaldamento a induzione. In caso di volumi ridotti, di grande varietà di prodotti o di forme irregolari, in cui l’allestimento dei dispositivi di fissaggio o la progettazione delle bobine risulterebbero estremamente complessi, la brasatura in forno o quella a cannello, eseguita da operatori esperti, potrebbero rappresentare una scelta più economica. Tuttavia, la brasatura a induzione consente di ottenere giunti di brasatura rapidi, controllabili, precisi, efficienti dal punto di vista energetico e ripetibili per le aziende che adottano la produzione snella.
In qualità di leader nel settore del riscaldamento a induzione, Radyne può aiutarvi ad affrontare le sfide e a sfruttare i vantaggi della brasatura a induzione. Per ulteriori informazioni sulle soluzioni per il riscaldamento a induzione e sui processi correlati, vi invitiamo a contattateci.