La saldatura è un processo molto importante per garantire un prodotto finito di alta qualità.

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1 Saldatura 1 La saldatura è un processo molto importante per garantire un prodotto finito di alta qualità. TIPOLOGIE DI SALDATURA: - saldatura manuale MIG - saldatura manuale TIG - saldatura OSSICETILENICA - saldatura ELETTRICA per resistenza a sovrapposizione GENERALITA' E' un procedimento di giunzione che consiste nell'assemblare pezzi metallici, con o senza metallo d'apporto, mediante la fusione graduale del metallo di base. Da oltre un secolo si è imposto come metodo razionale, altamente produttivo e profondamente affidabile. Nel corso degli anni, sono state create tecniche sempre più raffinate e utilizzate tecnologie sofisticate che hanno portato attualmente la saldatura a livello di prestazioni e di sicurezza molto elevati. ALCUNI TIPI DI SALDATURA SALDATURA MIG/MAG: questo procedimento di saldatura ad arco elettrico si caratterizza per l'impiego di un filo fusibile come polo positivo (anodo) e di un polo negativo (catodo) costituito dal pezzo da sottoporre a saldatura. MIG: (metal inert gas) è un procedimento adatto per leghe leggere come quelle di Nichel e di rame, può essere utilizzato anche per acciai debolmente legati. MAG: (metal active gas) è un procedimento riservato ad acciai non legati o debolmente legati. Gli elementi ossidanti della miscela gassosa vengono dosati per stabilizzare l'arco ma anche per intervenire sulla forma della zona fusa e sulle caratteristiche meccaniche della saldatura finale. CARATTERISTICHE MIG/MAG: - facilità di impiego in tutte le posizioni - largo utilizzo del sistema - elevata produttività MODI DI UTILIZZO: - è utilizzato in maniera manuale o robotizzata MATERIALI: - leghe leggere o di rame - acciai inossidabili - acciai non legati o debolmente legati UTILIZZO: - produzione navale, ferroviaria, automobilistica - mobili metallici - carpenteria metallica SALDATURA TIG: "tungsten inert gas" è un procedimento di saldatura in cui l'arco elettrico scocca tra un elettrodo infusibile in tungsteno che svolge il ruolo di catodo (polo negativo) e il pezzo che è protetto da un flusso gassoso non ossidante che svolge il ruolo di anodo (polo positivo). CARATTERISTICHE TIG: - elevata qualità metallurgica - saldature pulite e di bell'aspetto MODI DI UTILIZZO: - manuale e automatica MATERIALI: - acciai non legati o debolmente legati - leghe leggere o di rame - leghe speciali (nichel, titanio) UTILIZZO: - industria chimica, alimentare, aeronautica, aerospaziale - lavorazioni di precisione

2 2 SALDATURA AL PLASMA: un gas viene portato allo stato di plasma da un arco elettrico stabilito fra un elettrodo refrattario (catodo) e il pezzo da saldare (anodo). Questo gas viene confinato sia meccanicamente sia cineticamente mediante l'utilizzo di un ugello di raffreddamento. CARATTERISTICHE: - alta qualità metallurgica - buone caratteristiche meccaniche MODI DI UTILIZZO: - automatica MATERIALI: - acciai non legati o debolmente legati - acciai inossidabili, - leghe di nichel e di titanio UTILIZZO: - industria automobilistica, meccanica SALDATURA AL LASER: rispetto agli altri metodi di saldatura disponibili commercialmente, il laser è il più recente e diventa vantaggioso solamente quando i volumi di produzione sono elevati, e la progettazione dei componenti da saldare è appropriata all'utilizzo di questa nuova tecnologia. Questo nuovo tipo di saldatura è un processo ad elevata densità di energia (un fascio proveniente da una sorgente laser CO2 con potenza di 6 KW, focalizzato con una focale da 200 mm, da luogo ad una densità di potenza di potenza di 10 MW/cm2) e quindi, a differenza delle altre tecniche convenzionali di saldatura ad arco, le sue condizioni applicative non dipendono solamente dalle condizioni di conduzione del calore del materiale, ma anche dalle caratteristiche del fascio laser impiegato. CARATTERISTICHE: - maggior velocità e miglior qualità rispetto alle tecniche convenzionali - minimo apporto termico sulle parti da congiungere - elevata velocità di processo ed elevata flessibilità MODI DI UTILIZZO: - automatica MATERIALI: - acciai non legati o debolmente legati - leghe leggere UTILIZZO: - nei più svariati settori dell'industria (automobilistica, aeronautica, aerospaziale ecc.) SALDATURA A ULTRASUONI: la saldatura a ultrasuoni è un metodo molto avanzato che consente la giunzione di metalli conduttori, come l'alluminio, il rame o l'ottone per particolari di piccole dimensioni. Questo tipo di saldatura si dimostra molto efficace e sicura, pulita e molto affidabile. Il principio di questa tecnica si basa sull'utilizzo di ultrasuoni che permettono di unire le parti mediante una focalizzazione di energia di vibrazione ad alta frequenza sul loro punto di giunzione. CARATTERISTICHE: - ottenimento di giunzioni molto affidabili e di ottima qualità - non vi è insorgenza di deformazioni termiche visto i modesti aumenti di temperatura MODO DI UTILIZZO: - automatica MATERIALI: - leghe di alluminio, di rame, di argento, di nichel, d'oro, di magnesio, di titanio, di zinco, di cobalto e acciai dolci UTILIZZO: - gli ultrasuoni possono essere applicati solo a particolari medio piccoli, tipiche le applicazioni elettromeccaniche con limiti dimensionali di circa 30mm2 -le applicazioni riguardano svariati settori come l'industria automobilistica, aerospaziale, medicale, e fra i componenti si possono citare batterie, terminali di fili elettrici, sensori termici, trasformatori, relè ecc.

3 3 UTILIZZO DEI GAS NELLE SALDATURE Importanti sono i gas protettivi utilizzati nella saldatura (es. Argon, elio ecc.), che influiscono in molti modi sul processo ottimizzandone lo svolgimento e i risultati. Fondamentale è quindi la scelta quindi del tipo di gas o miscela di gas in funzione del processo di saldatura e dei risultati che si vogliono perseguire. I principali fattori caratterizzanti i gas per la saldatura sono i seguenti: CARATTERISTICHE FISICHE importanti per il trasferimento del materiale fuso, la bagnatura, la profondità e la forma di penetrazione, la velocità di saldatura e il comportamento dell'innesco CONDUCIBILITA' TERMICA influisce sulla formazione del cordone, sulla temperatura e la velocità della saldatura CARATTERISTICHE CHIMICHE influiscono sul comportamento metallurgico e sulla superficie del cordone di saldatura. PROBLEMATICHE DELLA SALDATURA Se scaldati, i metalli si espandono, al contrario se vengono raffreddati si contraggono. Se si vincola un metallo in espansione o in contrazione, esso cambia forma, subisce quindi una deformazione causata dalle tensioni residue all'interno dello stesso. Le deformazioni costituiscono una problematica costante dei processi di saldatura, tanto che il loro controllo è un aspetto fondamentale per ottenere dei buoni risultati. Quando si cerca di controllare le deformazioni occorre considerare diversi fattori: - il grado di vincolo del pezzo considerato - il tempo necessario per effettuare la saldatura - la geometria del giunto - la velocità di saldatura. METODI PER CONTROLLARE LA DEFORMAZIONE Martellatura: consiste nel controllo della deformazione del metallo tramite colpi di martello a caldo (dopo la saldatura). Sequenza della saldatura: un'adeguata sequenza di saldatura può essere impiegata come metodo, al fine di sfruttare gli sforzi di ritiro per controbilanciare altri sforzi presenti in un giunto con più saldature. In questo caso, gli sforzi di ritiro di una saldatura interagiranno con quelli della saldatura eseguita precedentemente. (ved. Figura) TECNICHE DI SALDATURA Utilizzo delle tecniche di saldatura: l'uso di particolari tecniche di saldatura consentono un miglior controllo delle deformazioni per le prestazioni meccaniche e per aumentare la resistenza del giunto all'azione della corrosione. L'utilizzo di una tecnica poco invasiva e ben calibrata consentirà di ottenere ottimi risultati. PULIZIA POST-SALDATURA Molto spesso non viene data una giusta considerazione alle fasi successive al processo di saldatura, e in alcuni casi vengono praticate con molta leggerezza. Un'operazione molto importante è la pulizia del "cordone" di saldatura: l'ossido di saldatura non rimosso potrebbe favorire l'insorgenza di interstizi dove potrebbero immettersi degli agenti aggressivi che sfrutterebbero condizioni a loro favorevoli come il ristagno e l'assenza di ossigenazione. Un altro fenomeno che si potrebbe riscontrare è la contaminazione ferrosa, e quindi per procedere alla pulizia è consigliabile utilizzare utensili che in nessun modo possano trasferire sull'inox particelle di ferro. In questo caso, è auspicabile l'utilizzo di strumenti in inox o costituiti da materiale inerte. Se la fase di pulitura avvenisse con liquidi o con paste passivanti/decapanti, è necessario accertarsi che queste vengano totalmente rimosse con risciacqui abbondanti per evitare che eventuali residui siano causa di corrosione. Nel caso di strutture complesse, è bene accertarsi che l'acqua di risciacquo non vada a ricadere e ristagnare sulle altri parti, per evitare che nell tempo si possano verificare problemi di corrosione.

4 RAPPRESENTAZIONI GRAFICHE DELLE SALDATURE : 4

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7 APPROFONDIMENTI 7 Saldatura MIG (Metal Inert Gas) Figura 1: Torcia per saldatura MIG Figura 2: Impianto di saldatura MIG

8 8 Procedimento di saldatura per fusione limitato ad applicazione su strutture di limitata qualità. Sfrutta l elevata temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra un elettrodo fusibile (filo, alimentato in corrente continua e polarità inversa) e il pezzo da saldare. Il filo elettrodo rappresenta il materiale d apporto. In genere l avanzamento del filo avviene tramite un meccanismo di spinta, questo metodo è improponibile per l alluminio e sue leghe perché i rischi di un cedimento del filo sono elevati. È prevista una apparecchiatura, situata nella torcia, che tira il filo (che potrà essere contemporaneamente spinto). Le velocità di avanzamento del filo variano tra m/min e sono controllate dalla variazione di corrente dell arco, l alimentazione è autonoma. Il MIG è più semplice, più pratico, più veloce del TIG; viene usato quando la produttività e la semplicità operativa sono importanti. È caratterizzato da elevata densità di corrente ( A/mm²) che consente elevata velocità di deposito. L apparecchiatura complessa, costosa, difficilmente trasportabile, ingombrante, non adatta a saldare giunti in posizioni particolari, rappresentano gli svantaggi maggiori. L impianto di saldatura prevede un circuito elettrico, un circuito per il gas di protezione, un circuito di raffreddamento ad acqua (le pistole più moderne sono autoraffreddanti, il gas di protezione provvede esso stesso ad evitare il surriscaldamento), la torcia contenente il filo ed il dispositivo di avanzamento del filo stesso. Durante la saldatura il filo elettrodo, il bagno, l arco, le zone circostanti il materiale, sono protetti dalla contaminazione atmosferica tramite il gas inerte fluente dalla pistola. È importante definire le modalità di trasferimento del materiale d apporto le quali dipendono dai parametri elettrici di saldatura, dal filo d apporto e dal tipo di gas: Trasporto a spruzzo (spray-arc): Ogni goccia si sviluppa liberamente e si distacca dal filo giungendo al bagno di fusione per effetto di forze elettrodinamiche (tensione V; densità di corrente A/mm²) coprendo la distanza corrispondente alla lunghezza dell'arco. È caratterizzato da un arco tranquillo, profonda penetrazione, assenza di spruzzi, buona estetica. Per ottenere un cordone avente caratteristiche soddisfacenti è necessaria una frequenza di deposito superiore a 100 gocce al secondo; utilizzato per pezzi con spessore maggiore a 4-5 mm posizionati in piano visto che il bagno di fusione è grande. Trasferimento ad arco pulsato (pulsed-arc): Presenta una corrente di base (corrente continua in polarità inversa) che ha lo scopo di mantenere acceso l arco e di mantenere fuso il bagno e il filo senza comportare trasferimento di metallo tra elettrodo e bagno; ad intervalli regolari si sovrappone alla corrente di base una corrente a maggior intensità che ripristini le condizioni di spray-arc, con il trasferimento della goccia al bagno di fusione. È opportuno osservare che l intensità di corrente dell impulso è superiore a quella del convenzionale trasferimento a spruzzo, sono inoltre previste potenze inferiori. È una tecnica molto versatile, idonea sia per spessori sottili con giunti in varie posizioni, sia per spessori elevati (se superiori a 15 mm si consiglia un pre-riscaldo). Il gas di protezione previsto è l argon in quantità tra l/min, diametro filo 0,8-1,2 mm su piccoli spessori, l/min,diametro filo 1,6-2,4 mm su spessori maggiori. Per tale procedura esistono saldatrici definite sinergiche dove l operatore agisce su una manopola di controllo collegata al generatore contenente delle memorie (microprocessore) introdotte dal costruttore o dall utente, nelle quali ci sono i parametri ottimali delle pulsazioni di corrente per avere

9 le migliori modalità di trasferimento del materiale d apporto, del gas di protezione, in rapporto al diametro del filo e alla posizione di saldatura. Il procedimento descritto è il più adatto ad essere telecontrollato e dunque robotizzato. 9 Saldatura TIG(Tungsten Inert Gas) Figura 1 Torcia per saldatura a TIG Figura 2: Saldatura TIG Sfrutta l elevata temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca tra un elettrodo infusibile ed il pezzo da saldare. Gli elettrodi previsti per suddette leghe sono in tungsteno puro (93,5%-99,75%) e in tungsteno addizionato con 0,3-0,5 di zirconio; il secondo garantisce una minor contaminazione del bagno ed è ottimale per condizioni critiche ovvero densità di corrente medio-bassa in corrente alternata. Tale tecnica offre vantaggi notevoli quali rapidità di esecuzione, adattabilità a qualsiasi posizione di lavoro, facilità di controllo dell arco con conseguente regolarità del deposito, regolazione di intensità di corrente entro ampi limiti, sorgente termica potente e concentrata. Questa ultima caratteristica fa si che si possano saldare spessori molto piccoli (fino a 0,5 mm) con discrete velocità di saldatura. L impianto è composto da più circuiti; un circuito elettrico alimentato da un generatore e corredato con un dispositivo per l accensione e la stabilizzazione dell arco, un circuito di raffreddamento ad acqua per non far surriscaldare la torcia, un circuito per il gas di protezione. Basti pensare che nel caso del Titanio occorre raggiungere localmente temperature di 1800 C! Vi è un cofano di regolazione con il quale si controllano la corrente di saldatura, il dispositivo di accensione e stabilizzazione, l invio del gas di protezione, con spegnimento ritardato rispetto all arco, per proteggere il bagno che si sta raffreddando. La saldatura viene eseguita fondendo i lembi accostati del pezzo, in un tempo molto breve (3-5 secondi); se lo spessore è piccolo non è previsto l uso di materiale d apporto che è invece essenziale per spessori elevati.

10 Il materiale d apporto, reperibile sotto forma di bacchette, non è fuso dall arco ma dal bagno di fusione dove viene immerso ad intervalli regolari, fondendo ogni volta qualche millimetro; è aggiunto lateralmente in modo manuale o automatico. Questo rappresenta uno svantaggio perché si deve richiedere un saldatore altamente qualificato, se manuale, o una perfetta programmazione se 10 automatico. Fondamentale importanza deve essere data al gas di protezione; deve proteggere l elettrodo, l arco, il bagno, le zone del pezzo adiacenti al bagno da possibili contaminazioni atmosferiche, come umidità ed ossigeno evitando ossidazioni od altri danni che comprometterebbero la qualità del giunto. Si utilizza argon in quantità variabili (5-25 l/min). Non è possibile utilizzare il TIG in corrente continua e polarizzazione diretta perché gli elettroni che arrivano all anodo (pezzo da saldare) non sono in grado di rompere l ossido. Il TIG in corrente continua e polarizzazione inversa è utilizzabile solo per piccoli spessori; all anodo (polo positivo, l elettrodo) si sviluppano temperature molto elevate e per evitare che l elettrodo si surriscaldi fino a fondere, procurando danni inaccettabili nel giunto, si dovranno utilizzare elettrodi di diametro elevato (6 mm) e correnti non superiori ai 100 A. Questa alimentazione permette la rottura dell ossido per sabbiatura ionica: la frantumazione dell ossido é dovuta al bombardamento degli ioni positivi, del gas di protezione, che hanno massa maggiore rispetto agli elettroni e quindi energia cinetica superiore (argon, 10 volte più pesante dell elio è più efficace). Ci sono limiti di applicazione dovuti all impossibilità di usare correnti elevate, le quali porterebbero ad un consumo dell elettrodo, e per la formazione di un bagno poco profondo e largo. Il TIG in corrente alternata è il più usato; vi è un semiperiodo dell onda in cui l elettrodo è positivo (polarizzazione inversa) e si ha rottura dell ossido, c è poi un semiperiodo in cui l elettrodo è negativo (polarizzazione diretta) in cui l elettrodo riposa limitando così il suo surriscaldamento. L'effetto che si ottiene è il classico cordone ad onde esteticamente apprezzabile. Realizzazioni a TIG possono subire poi un trattamento di lucidatura manuale e rifinitura per alleviarne la caratteristica visiva principale, descrivibile come una sorta di cordoncino a vista. Riportiamo sulla sinistra il risultato su una bici in titanio.