Perché la piastra in alluminio è specificata per i serbatoi del carburante
L'alluminio è diventato il materiale standard per l'involucro dei serbatoi di carburante stradali, ferroviari e marini perché soddisfa contemporaneamente una serie di requisiti. Il suo rapporto resistenza-rispetto-peso fa sì che un serbatoio diesel da 1.500 litri pesi circa il 40% in meno rispetto a un equivalente in acciaio, il che si traduce direttamente in carico utile o autonomia. Una riduzione di cinque-volte del peso del guscio riduce anche il carico sulle staffe del telaio e sulle cinghie del serbatoio, riducendo l'affaticamento nei punti di montaggio.
Altre due proprietà contano tanto quanto il peso. Il metallo non è-permeabile ai vapori del carburante, quindi un serbatoio in alluminio saldato non rilascia idrocarburi per diffusione come avviene invece con un serbatoio in polimero. Inoltre, l'alluminio forma una pellicola di ossido stabile che resiste al diesel, alle miscele di benzina, al sale stradale e alla maggior parte delle atmosfere industriali, a condizione che la lega e il materiale di consumo per la saldatura siano abbinati correttamente. Inoltre, l'alluminio è completamente riciclabile e un serbatoio obsoleto è un rottame pulito e di alto valore.
Leghe e stati per gusci, deflettori e raccordi
La fabbricazione del serbatoio utilizza un piccolo gruppo di leghe 5xxx non-trattabili a caldo-per il guscio e leghe 6xxx-trattabili a caldo per l'hardware interno.
| Lega e tempra | Utilizzo tipico del serbatoio | Resistenza alla trazione | Forza di rendimento | Caratteristica chiave |
|---|---|---|---|---|
| 5052 H32 | Gusci fino a circa 8 mm, serbatoi a bassa-pressione | 228MPa | 193MPa | Migliore formabilità con buona resistenza alla corrosione |
| 5083 H116 | Grandi conchiglie, servizio marino e a pressione | 305MPa | 215MPa | Massima resistenza nel gruppo saldabile 5xxx |
| 5086 H116 | Conchiglie marine, serbatoi strutturali | 290MPa | 200MPa | Buon equilibrio tra resistenza e saldabilità |
| 3003 H14 | Deflettori, coperture non-a pressione | 150MPa | 145MPa | Economico, facilmente formabile |
| 6061 T6 | Staffe, flange, raccordi lavorati | 310MPa | 276MPa | Elevata resistenza, lavorabile a macchina, anodizza bene |
La selezione della lega dipende dalla pressione di progetto, dallo spessore del guscio che l'attrezzatura di formatura può gestire e dall'ambiente di corrosione. Per un piccolo serbatoio diesel in un camion su-strada, in genere è sufficiente 5052 H32 nell'intervallo 3-6 mm. Per un guscio saldato di grandi dimensioni, un'installazione offshore o un serbatoio con servizio di pressione o vuoto, viene invece scelto 5083 H116 o 5086 H116 e viene utilizzata una piastra più spessa laddove il calcolo del codice lo richiede.
Vale la pena di specificare subito una regola di progettazione: le leghe di conchiglia 5xxx vengono scelte per le loro proprietà come-saldate, poiché non vengono trattate termicamente dopo la fabbricazione. Un componente 6061 T6 saldato perde resistenza nella zona-influenzata dal calore, quindi il materiale 6xxx viene normalmente mantenuto su staffe, flange e elementi lavorati che sono imbullonati o saldati all'esterno del limite di pressione.
Obiettivi di proprietà meccaniche e spessore
La piastra del serbatoio deve resistere a due carichi diversi. Il primo è la pressione statica della testa del carburante, che stabilisce lo spessore minimo del guscio. Il secondo è la fatica dovuta a vibrazioni, sbattimenti e cicli di pressione, che determina lo spessore delle pareti terminali, il passo del deflettore e la posizione degli anelli di rinforzo. I tipici serbatoi diesel per autoveicoli utilizzano piastre a guscio da 3-5 mm con deflettori a una distanza di 400-600 mm, mentre i serbatoi marini e ferroviari più grandi passano a piastre da 6-10 mm con ulteriore irrigidimento.
Ai fini della progettazione, la piastra viene acquistata con un limite di snervamento minimo anziché con un valore tipico. 5052 H32 è specificato con uno snervamento minimo di 193 MPa, 5086 H116 con 200 MPa e 5083 H116 con 215 MPa. La verifica dello spessore ad ultrasuoni nella fase di ispezione in entrata, insieme ad un certificato di analisi per ogni colata, mantiene validi i disegni di fabbricazione. Una bassa porosità e un interno pulito-privo di inclusioni sono ugualmente importanti, perché i pori nella saldatura o nel bordo della piastra possono diventare percorsi di perdita sotto vibrazione.
Formatura, saldatura e selezione del metallo d'apporto
I gusci sono formati mediante pressatura, laminazione o, per forme complesse, mediante idroformatura, e quindi saldati con processi automatizzati con gas inerte di metallo o gas inerte di tungsteno. La saldatura robotizzata a gas inerte dei metalli con uno spessore della lamiera di 2-4 mm fornisce un cordone stabile e ripetibile, mentre la saldatura a gas inerte del tungsteno è riservata alle giunzioni di chiusura sottili e ai lavori di riparazione. La saldatura per attrito e agitazione si adatta a lunghe giunzioni diritte come il fondo del serbatoio, producendo un giunto completamente consolidato e a bassa distorsione senza metallo d'apporto.
| Lega madre | Metallo d'apporto | Motivo della selezione |
|---|---|---|
| 5052 | ER5356 | Resistenza superiore rispetto al genitore, buona resistenza alle crepe |
| 5086 | ER5356 | Riempitivo abbinato standard per fogli e lastre 5086 |
| 5083 | ER5183 | Massima resistenza come-saldato per sezioni spesse 5083 |
| 6061 | ER4043 o ER5356 | ER4043 per resistenza alle crepe, ER5356 per maggiore resistenza dei giunti |
Tre controlli di processo decidono se la saldatura è sana. Innanzitutto è necessario rimuovere la pellicola di ossido immediatamente prima della saldatura e mantenere asciutto il giunto; l'ossido di alluminio fonde a circa 2072 gradi, molto al di sopra dell'intervallo di fusione di 600-660 gradi del metallo, quindi qualsiasi pellicola residua causa la mancanza di fusione. In secondo luogo, l'apporto di calore deve essere limitato per evitare fessurazioni a caldo e distorsioni nelle sezioni spesse 5xxx. In terzo luogo, i deflettori interni e il gruppo di uscita del carburante dovrebbero essere posizionati in modo tale da poter utilizzare un'unica sequenza di saldatura continua; le cuciture interrotte sono l'origine più comune di una perdita. Il rivestimento di conversione chimica a MIL-DTL-5541 viene applicato su superfici senza contatto con il carburante dove è richiesto il collegamento elettrico o l'adesione della vernice.
Standard, test e ispezione
La piastra viene acquistata secondo ASTM B209 o ASTM B209M per fogli e piastre e secondo ASTM B928 o ASTM B928M dove è richiesta una lega marina ad alto-magnesio. I prodotti laminati destinati ai serbatoi che trasportano merci pericolose seguono la serie EN 14286, che definisce i requisiti di lega, stato fisico, proprietà meccaniche e prove per il materiale del guscio. La qualificazione della procedura di saldatura viene normalmente eseguita secondo la norma EN ISO 15614-2 per la saldatura ad arco dell'alluminio o secondo AWS D1.2 dove il progetto è specificato secondo la pratica americana. Oltre a questi standard sui materiali, si applicano i requisiti dei sistemi antincendio e di alimentazione a livello di veicolo, comprese le disposizioni sul serbatoio del carburante del regolamento UNECE n.. 34.
I test seguono una sequenza fissa. Ogni serbatoio viene ispezionato visivamente e viene controllato il colore-penetrante sulle giunture critiche secondo ASTM E1417, le giunture-a penetrazione completa vengono esaminate radiograficamente secondo ASTM E1032 e il serbatoio finito viene sottoposto a test di tenuta con aria sott'acqua o con un metodo-gas in tracce. Una pressione idrostatica o pneumatica mantenuta a 1,5 volte la pressione di progetto è il consueto test di accettazione per i serbatoi a pressione. I controlli dimensionali sui piedini di montaggio e sulla posizione del bocchettone di riempimento vengono per ultimi, perché la distorsione della saldatura è ciò che più spesso spinge un serbatoio fuori dall'involucro del telaio.
È necessario considerare anche la temperatura di servizio sostenuta. Nella pratica dei recipienti a pressione, 5083 è generalmente limitato a circa 65 gradi, dove prevale la resistenza alla temperatura elevata a lungo termine-, e 5052 a una cifra leggermente più alta. I serbatoi del carburante durante il normale servizio del veicolo rimangono ben entro questi limiti, ma la restrizione è importante per i serbatoi integrati con un percorso di scarico caldo o con un vano motore riscaldato.
Domande frequenti
D: Perché 5052 H32 è la piastra predefinita per i serbatoi diesel?
Combina la migliore formabilità delle leghe saldabili 5xxx con una resa minima di 193 MPa e una forte resistenza al diesel, al sale stradale e all'atmosfera industriale, a un costo inferiore rispetto alla 5083.
D: Quando dovrebbe essere utilizzato invece 5083 H116?
Scegli 5083 H116 per gusci saldati di grandi dimensioni, servizio di pressione o vuoto, serbatoi ferroviari e marini o laddove il calcolo del codice richiede un carico di snervamento minimo più elevato di quello che 5052 può fornire.
D: Quale metallo d'apporto deve essere utilizzato per le cuciture del guscio?
ER5356 per gusci 5052 e 5086 ed ER5183 per sezioni spesse 5083 dove è richiesta la massima resistenza come-saldata. La scelta del riempitivo deve essere registrata nella procedura di saldatura qualificata.
D: Un serbatoio in alluminio è riparabile dopo un danno?
SÌ. Un guscio di alluminio rotto o forato può essere tagliato, preparato e ri-saldato oppure dotato di una piastra di connessione saldata. Il serbatoio deve essere svuotato, spurgato e testato per il gas prima di qualsiasi lavoro a caldo.
D: Quale spessore della piastra viene utilizzato per un serbatoio diesel da 1500 litri?
La maggior parte dei progetti utilizza piastre di rivestimento da 3-5 mm, pareti terminali da 4-6 mm e deflettori interni con passo di 400-600 mm, confermati rispetto al calcolo della pressione e della fatica per la specifica disposizione di montaggio.
D: I serbatoi in alluminio necessitano di rivestimenti interni contro il carburante?
No. Le superfici di contatto del carburante-normalmente vengono lasciate scoperte perché la lega resiste alle miscele di diesel e benzina; il rivestimento di conversione viene utilizzato solo su aree esterne o non-a contatto con il carburante-per l'incollaggio e l'adesione della vernice.