1. Cenni storici sulle saldature al plasma

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1 6 1. Cenni storici sulle saldature al plasma 1.1. Introduzione Negli anni 40 l'industria militare americana cercava dei metodi migliori per la saldatura dei metalli, in particolare, per la produzione dei velivoli. In questo modo è nato un nuovo processo di saldatura. È stato usato un arco elettrico per fondere il metallo, ed un gas inerte come scudo di protezione intorno ad arco ed intorno al bagno di saldatura. In questo modo si preveniva che il metallo poteva prendere l'ossigeno dall'aria. Questo tipo di saldatura viene comunemente chiamato TIG (Tungsten Inert Gas). I gas principalmente usati sono Argon ed Elio. Lavorando sull'ulteriore sviluppo di questi processi di saldatura, si è scoperto nei laboratori che riducendo l'apertura dell'ugello del gas inerte nella saldatura TIG le proprietà del getto cambiavano notevolmente. La riduzione dell apertura conferiva al gas una maggiore velocità e temperatura. L arco creato nella torcia al plasma è considerevolmente più caldo di quello della Tig. Il restringimento dell arco elettrico, per mezzo di ugello, permette di ottenere un sufficiente grado di ionizzazione del gas, aumentandone cosi ulteriormente il contenuto energetico complessivo. Cosi è possibile raggiungere le temperature, del fuso del gas, che vanno fino a K. L energia fornita dall arco elettrico produce, in primo luogo, la dissociazione dei componenti poliatomici del gas, poi produce la ionizzazione ed infine aumenta la temperatura del gas. Il gas esce dall ugello con elevato contenuto energetico ed alle velocità dell ordine della velocità del suono.

2 7 Il flusso del gas nella torcia al plasma forma uno strato limite relativamente freddo di gas non-ionizzato lungo la parete dell ugello. In questo modo si ottiene anche maggiore grado di costrizione dell'arco. È possibile ulteriormente aumentare lo spessore dello strato limite conferendo al flusso una componente di velocità rotazionale (swirl). L effetto di ispessimento dello strato limite è ottenuto dalla spinta centrifuga sul gas nonionizzato. Questo flusso a una duplice funzione, serve, da un lato, ad attaccare meglio il flusso all elettrodo di tungsteno e dall altro a dare una maggiore stabilità all arco, focalizzandolo in una colonna più stretta e densa. Fig.(1.1) Il processo di saldatura al plasma

3 I modi operativi Ci sono due modi sostanziali in cui si può operare con un getto al plasma. Questa suddivisione è basata sul modo in cui fluisce la corrente nel processo di saldatura. Quindi si parla dell arco trasferito quando la corrente fluisce tra l'elettrodo ed il metallo e dell arco non-trasferito quando la corrente fluisce tra l'elettrodo e l'ugello della torcia. In tutti e due casi l elettrodo di tungsteno è collegato al generatore di corrente in modo che rappresenti il catodo. L ugello nel primo caso e pezzo in lavoro in secondo caso rappresentano l anodo. Fig.(1.2) Il confronto tra l arco trasferito e non trasferito Fig.(1.3) Il confronto sulle temperature del getto nel caso del processo TIG ed il processo al plasma

4 9 Le caratteristiche del flusso del plasma possono essere alterate cambiando il tipo del gas, la portata, la corrente dell'arco, il voltaggio e l'apertura dell ugello. Ad esempio se vengono utilizzate le basse portate del gas, il getto diventa una sorgente di calore altamente concentrata ideale per la saldatura. All'inverso, se il flusso è sufficientemente aumentato, la velocità del plasma è così elevata da espellere il metallo fuso effettuando così un taglio del materiale.

5 Descrizione del processo di saldatura al plasma In questo processo la saldatura dei metalli è ottenuta con calore che viene trasmesso dall arco stabilitosi tra l elettrodo di tungsteno ed il metallo da saldare. Per questa caratteristica il processo è molto simile al classico processo TIG. In caso di saldatura al plasma, rispetto alla tecnica TIG, L elettrodo è posto all interno del corpo della torcia permettendo cosi una separazione dal gas di protezione. L'arco passa attraverso un ugello di rame il quale gli conferisce una forma a colonna. Il plasma si forma tramite la ionizzazione del gas. Il processo si può svolgere con o senza apporto del materiale. Fig.(1.4) Il processo TIG Fig.(1.5) Il processo al plasma

6 Principio di operazione Il processo di PAW (Plasma Arc Welding) inizia con l'accensione dei gas del plasma e di protezione. Per innescare l'arco, o meglio il plasma, si applica una corrente ad alta frequenza tra l'elettrodo e l ugello di rame. Quest arco pilota viene trattenuto all interno della torcia. Quando lo strumento viene avvicinato al processo l arco si trasferisce dall ugello di rame al pezzo in lavoro ed inizia a formarsi il bagno di saldatura. mode. Ci sono due distinti modi di operare quali si possono descrivere come melt-in e keyhole Nel caso di processo melt-in viene fusa la parte del metallo sottostante all'arco, similmente come nel ben noto processo di saldatura TIG, formando un bagno di saldatura a forma di coppa. Nel caso di processo keyhole l'arco penetra completamente nel materiale formando un buco concentrico attraverso lo spessore. Il metallo fuso fluisce attorno all'arco e solidifica dietro al buco. Per un buon procedimento della saldatura nella modalità keyhole è necessario che si formi un bagno di saldatura a forma d imbuto, quale progredisca lungo l asse del cordone da saldare. Il materiale fuso refluisce continuamente nella cavità saturandola, man mano che la torcia avanza, grazie alla sua elevata fluidità e alla altrettanto elevata tensione superficiale.

7 12 Fig.(1.6) Il processo keyhole In alcuni casi è necessario effettuare una protezione del giunto sull altra faccia. Fig.(1.7) Il processo keyhole con la protezione del giunto