Gas di protezione e formiergas.

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1 Numero speciale Gas di protezione e formiergas. Per la saldatura MSG e TIG / WIG di acciai inox.

2 2 Gas di protezione e formiergas Gas di protezione e miscele azotoidriche per la saldatura di acciai inox Acciai inox Le proprietà fisiche, meccaniche e chimico-corrosive degli acciai inox secondo la SN EN Parte 1 3 sono essenzialmente il risultato della struttura del reticolo cristallino nel componente finito; per tale ragione questi acciai vengono suddivisi in gruppi sulla base della loro struttura reticolare. Pertanto si distinguono i seguenti gruppi: acciai austenitici acciai duplex ferritico-austenitici acciai martensitici acciai ferritici A livello economico è grande l importanza degli acciai austenitici e sempre più anche quella degli acciai duplex. Dall ulteriore suddivisione degli acciai di tipo austenitico risultano i seguenti gruppi: austeniti con e senza molibdeno austeniti con un tenore di carbonio particolarmente basso acciai austenitici stabilizzati acciai austenitici integrali con un reticolo cristallino austenitico puro Le seguenti considerazioni fanno riferimento in primo luogo agli acciai austenitici inox, a causa della loro grande diffusione e importanza economica. La resistenza alla corrosione è una proprietà complessa e dipende non solo dal materiale e dallo stato di lavorazione dello stesso, ma in misura maggiore dal fluido corrosivo e dalle altre condizioni ambientali. Per questa ragione le tipologie di acciaio inox sono concepite per esigenze diverse che in questa sede possono essere solamente abbozzate. L aggiunta di molibdeno, infatti, può aumentare la resistenza contro la vaiolatura e la corrosione interstiziale; un basso tenore di carbonio impedisce la corrosione intercristallina; le tipologie stabilizzate con il titanio o altri elementi di microlega prevengono la corrosione intergranulare, mentre una struttura completamente austenitica migliora la resistenza alla corrosione in generale. Considerazioni fondamentali sulla saldatura degli acciai inox Rispetto agli acciai non legati e a basso tenore di lega, gli acciai inox presentano una conducibilità termica sensibilmente minore e una dilatazione termica sensibilmente maggiore con una pronunciata tendenza alle distorsioni. Il bagno di fusione è decisamente più viscoso, soprattutto negli acciai legati con molibdeno. Negli acciai inox ad alto tenore di lega, la scelta della tecnica di saldatura, dei metalli di apporto e dei gas di protezione della saldatura deve considerare che il cordone di saldatura e le immediate vicinanze devono, nella misura del possibile, presentare le stesse caratteristiche tecnologiche del metallo base. Per questa ragione è molto utile conoscere alcune delle proprietà chimico-fisiche degli acciai inox, in particolare il comportamento del materiale sotto le sollecitazioni termiche. Il cordone di saldatura è normalmente caratterizzato da una struttura di fusione, mentre il metallo base presenta un reticolo cristallino più volte deformato e solubilizzato. Con le normali velocità di raffreddamento dalla temperatura di laminazione a caldo o di ricottura alla temperatura ambiente, nella struttura cristallina si formano delle precipitazioni composte essenzialmente da carburi e da fasi intermetalliche, con un effetto negativo sulla resistenza alla corrosione: i carburi misti di cromo-ferro si formano in prevalenza in corrispondenza dei bordi dei grani cristallini dando così luogo ad un impoverimento di cromo nelle immediate vicinanze.

3 Gas di protezione e formiergas 3 Saldatura con gas di protezione di acciai ad alto tenore di lega: una tecnologia ampiamente collaudata Se la concentrazione locale di cromo è inferiore al 12 %, lungo queste zone si può assistere ad una corrosione intergranulare chiamata anche corrosione intercristallina con il distacco di singole cristalliti. La solubilizzazione e la tempra impediscono efficacemente la produzione di precipitazioni. Questa tecnica tuttavia non è normalmente applicabile dopo la saldatura. Pertanto si suggerisce un altra strada metallurgica, comunemente adottata nella pratica: l adozione del tasso di carbonio più basso possibile. Se il tasso di carbonio è molto basso, la formazione di carburi può essere efficacemente limitata. Questi acciai vengono chiamati anche ELC (Extra Low Carbon), purché il tenore di carbonio sia pari allo 0,03 % o inferiore. Un altro meccanismo efficace è il legame del carbonio con elementi di microlega e conseguente formazione di carburi di titanio e di niobio e soppressione della formazione dei dannosi cromocarburi. Gli effetti delle diverse concentrazioni di CO₂ risultano dalla figura 1: in una serie di test un filo di apporto inox con un tasso di carbonio dello 0,016 % è stato saldato sotto diversi gas di protezione, misurando poi il tenore di carbonio all interno del deposito. La saldatura con CO₂ pura è totalmente impraticabile, ma anche il gas di protezione con il 18 % CO₂ provoca un arricchimento di carbonio che, nel complesso, genera un tenore di carbonio superiore al limite ELC. Figura 1: Aumento del carbonio nell'acciaio in funzione del gas di protezione 0,07 Saldatura MSG di acciai inox 0,06 Per quanto riguarda la scelta del gas di protezione per la saldatura MSG ne risulta l esigenza di impedire l arricchimento di carbonio nel cordone di saldatura. Una possibile fonte dell arricchimento di carbonio è costituita dall anidride carbonica presente nei gas di protezione attivi. Tenore di C in (%) 0,05 0,04 0,03 Limite ELC 0,02 0,016 0,01 Ar + 2,5 % CO₂ Ar + 5 % CO₂ + 5 % O₂ Ar + 18 % CO₂ CO 2 Gas di protezione per la saldatura

4 4 Gas di protezione e formiergas Saldatura d'angolo TIG/WIG realizzata con argon Penetrazione più profonda con miscele di argon-idrogeno La sensibilità alla corrosione intercristallina si manifesta in un determinato intervallo di temperature e tempi e va perciò considerata soprattutto se si prevede un ulteriore trattamento termico. Questi vengono riprodotti nei cosiddetti schemi di corrosione intergranulare. La figura 2 mostra uno schema di questo tipo per un deposito prodotto con il metallo di apporto con la tecnica MSG e con i gas di protezione sopra indicati (il test con CO₂ pura è stato omesso): M 21: argon, 18 % CO₂ (CORGON 18) M 23: argon, 5 % CO₂, 5 % 0₂ (COXOGEN 5/5) M 12: argon, 2,5 % CO₂ (CRONIGON ) I vari tenori di carbonio nel deposito influiscono radicalmente sulla resistenza alla corrosione intergranulare. Il gas di protezione per saldatura M 21 è utilizzabile universalmente per gli acciai da costruzione, ma non è raccomandabile per la saldatura degli acciai inox. In ogni caso, il gas di protezione M 12 con 2,5 % CO₂ e il resto argon fornisce comunque una sufficiente garanzia. A questo punto occorre chiedersi se una rinuncia all anidride carbonica nel gas di protezione e cioè la saldatura MIG sotto argon puro permette di risolvere questo problema? Figura 2: Schema di corrosione intergranulare Temperatura di ricottura in C Senza percentuali di gas attivo nel gas di protezione può trattarsi di anidride carbonica o ossigeno l arco è molto instabile e genera un processo di saldatura estremamente irregolare. La scarsa conducibilità termica e la bassa energia di ionizzazione dell argon fanno sì che l apporto di calore nel pezzo da saldare sia limitato. Ne risulta un bagno di fusione piuttosto viscoso che aderisce male al metallo base. Il risultato è un cordone di saldatura di forma irregolare, e spesso anche molto stretto e in elevazione con una penetrazione insoddisfacente, intagli ai bordi e una forte presenza di spruzzi. L ossigeno a basso tenore fino al 3 % può migliorare leggermente la situazione soprattutto l arco diventa più stabile e la tendenza agli spruzzi diminuisce tuttavia si osserva una maggiore sensibilità ai pori del deposito e un ossidazione della superficie del cordone. Un tenore di ossigeno superiore migliora l apporto di calore nel deposito, ma gli strati di ossido risultano più aderenti e sono molto difficili da rimuovere. Negli acciai duplex è stata inoltre osservata una diminuzione dei valori di tenacia (allungamento di rottura, resilienza) in corrispondenza del cordone di saldatura. Con i gas di protezione contenenti anidride carbonica come componente attivo al posto dell ossigeno, la rimozione dei colori di rinvenimento risulta invece facilitata. Complessivamente per la saldatura MSG degli acciai cromo-nichel si sono affermati i gas di protezione con il 2,5 % CO₂. La dissociazione nell arco e la conseguente ricombinazione conducono ad un percepibile apporto di calore con un favorevole comportamento di ossidazione e dei pori. Uno dei prodotti ampiamente sperimentato e collaudato è il gas di protezione CRONIGON. Se le potenze in gioco sono superiori e gli acciai al cromo-nichel sono legati anche con molibdeno, è possibile utilizzare una percentuale aggiuntiva di elio del %. L elio come componente del gas di protezione comporta un apporto di calore molto elevato, il che permette di realizzare velocità di saldatura molto maggiori. Si è rivelata particolarmente idonea una miscela di gas di protezione a tre componenti: 77,5 % argon, 2,5 % anidride carbonica e 20 % elio. Questo gas di protezione per saldatura viene fornito dalla PanGas AG con il nome di CRONIGON He20. Durata della ricottura in ore

5 Gas di protezione e formiergas 5 Saldatura MSG di acciai inox: preferibilmente con gas di protezione contenenti elio Applicazioni speciali Dove è necessaria una potenza maggiore, una buona saldabilità degli strati, una bassa tendenza agli spruzzi e un ossidazione ridotta, è disponibile una variante con una percentuale di elio ancora maggiore e una bassa percentuale di idrogeno; essa è composta da 63 % Ar, 3 % CO₂, 33 % He, 1 % H₂; e il nome attribuito dalla PanGas è CRONIGON He33. Se le esigenze in termini di resistenza alla corrosione sono particolarmente complesse, i normali acciai inox raggiungono i loro limiti ed è necessario usare leghe a base nichel. Queste vengono utilizzate in impianti particolarmente esposti alla corrosione quali impianti di desolforazione dei fumi, nelle centrali termiche o negli inceneritori di rifiuti. Nella saldatura di questo tipo di materiali i compiti da risolvere sono due: da un lato si tratta di mantenere stabile l arco e dall altro di impedire la formazione di ossido di nichel che non è risaldabile. Questo problema viene risolto da una miscela di gas di protezione composta da argon, elio e basse percentuali di gas attivo, p. es. 0,05 % CO₂. Un aggiunta del 2 % di idrogeno migliora ulteriormente la capacità di saldare in posizioni di costrizione (p. es. cordone discendente). Nella saldatura di riparazione di grandi superfici nelle camere di combustione degli inceneritori di rifiuti, il gas di protezione delle saldature con il nome di CRONIGON He30S si è rivelato particolarmente adatto. Saldatura TIG/WIG di acciai austenitici In molti casi la saldatura TIG/WIG di acciai ad alto tenore di lega avviene sotto argon puro. Altre piccole aggiunte di gas attivi, come quelle utilizzate per la saldatura a corrente alternata dell alluminio (p. es. 300 ppm O₂) non producono effetti sul tranquillo arco TIG/WIG a corrente continua e non sono perciò necessarie. I gas con componenti ossidanti in concentrazioni superiori non sono utilizzabili a causa dell elettrodo di tungsteno non fondente; per migliorare l apporto di calore sono perciò preferibili miscele di argon e idrogeno con un tenore di H₂ fino al 5%. Sugli acciai austenitici non presentano normalmente problemi nemmeno in relazione al rischio di pori, mentre sugli acciai duplex con un elevata percentuale di ferrite non sono consigliabili per prevenire il rischio di criccature indotte dall idrogeno. In casi di dubbio l utente potrà chiarire la questione facendo delle prove di saldatura. Con gli austeniti, una conduzione meccanica del cannello permette di aumentare la percentuale di idrogeno fino al 10 %. Saldatura TIG/WIG di acciai completamente austenitici Per gli acciai completamente austenitici usati in particolare nella tecnologia alimentare e nell industria chimica, spesso è richiesta una percentuale di ferrite inferiore all 1 % o addirittura allo 0,5 % per garantire la massima protezione contro la corrosione, e cioè per prevenire la corrosione selettiva. Nella saldatura MSG c è la possibilità di aumentare il tenore della lega con generatori di austeniti quali il nichel. Nella saldatura orbitale di tubazioni sottili, invece, spesso si è costretti a lavorare senza metallo di apporto: in questi casi si sono rivelati particolarmente idonei i gas di protezione a base di argon con azoto. L azoto è noto come un eccellente generatore di austeniti, tuttavia nell acciaio si scioglie solo limitatamente in forma molecolare. Dopo il passaggio attraverso l arco TIG/WIG, l azoto è invece disponibile in forma atomica o dissociata, per cui il suo assorbimento da parte del bagno di fusione dell acciaio è molto migliore. Per proteggere l elettrodo di tungsteno, la percentuale di azoto non dovrebbe essere molto superiore al 3 %. Anche le percentuali aggiuntive di elio o idrogeno consentono di aumentare la velocità di saldatura. Con gli acciai contenenti leghe di TI, tuttavia, la stabilizzazione dell austenite tramite azoto non è possibile a causa della formazione di nitruro di titanio. I gas di protezione ampiamente collaudati e diffusi sono presenti nell assortimento di PanGas con il nome di CRONIWIG.

6 6 Gas di protezione e formiergas Radice della saldatura non protetta Radice della saldatura protetta con Formiergas Saldatura TIG/WIG di acciai duplex A causa della loro analisi chimica e della struttura cristallina, gli acciai duplex sono normalmente insensibili alla tensocorrosione e sono caratterizzati da una maggiore resistenza alle vaiolature. Un altro vantaggio è il loro maggiore limite di snervamento e la maggiore resistenza alla trazione con una tenacia praticamente invariata. Grazie a queste eccellenti proprietà, gli acciai duplex hanno acquisito un importanza sempre maggiore e viene loro pronosticato un grande futuro. La caratteristica di questi acciai è un maggiore contenuto di azoto, oltre agli elementi presenti negli acciai inox, quali cromo, nichel e molibdeno. Durante la saldatura di questi materiali l apporto di calore disturba l equilibrio cristallino ferrite-austenite (50 : 50 dopo la ricottura) per cui si utilizza un tenore di lega superiore dei generatori di austenite. Anche in questo caso un gas di protezione a base di argon con una percentuale di azoto del 3 % può garantire il mantenimento della resistenza alla corrosione e delle proprietà meccaniche. Anche qui l aggiunta di elio può aumentare le prestazioni; a causa del pericolo di criccature nella fase ferritica occorre rinunciare all aggiunta di idrogeno al gas di protezione. Ferriti e martensiti, saldatura TIG/WIG e MSG La saldabilità generale degli acciai ferritici e martensitici è garantita solamente con percentuali di carbonio inferiori allo 0,08 %. Questi possono essere saldati senza alcun problema sotto argon puro (TIG/WIG) e miscele di argon con piccole quantità di CO₂ (2,5 %) (MSG). Sono buone anche le esperienze con miscele di gas di protezione a tre componenti, composti da argon, anidride carbonica ed elio (77,5 % Ar, 2,5 % CO₂, 20 % He). Protezione della radice con miscele gassose nella saldatura di tubazioni Gli acciai ad alto tenore di lega devono presentare la resistenza alla corrosione prevista per l applicazione specifica, necessaria e specificata non solo nel materiale di base, ma ovviamente anche in corrispondenza dei punti di saldatura. Ciò vale anche per i tubi, per le tubazioni e in particolare per l interno delle tubazioni stesse. L eliminazione o l esclusione di colori di rinvenimento assume un ruolo importante; spesso la finitura ad esempio tramite decapaggio non è possibile per ragioni di impatto ambientale oppure a causa della scarsa accessibilità. Per questa ragione, in alternativa al post-trattamento, si tenta di impedire l ossidazione della saldatura in corrispondenza della radice all interno dei tubi fin dall inizio. La schermatura della parte inferiore della saldatura con speciali gas di protezione per impedire l effetto dannoso ed ossidante dell ossigeno presente in aria, viene indicata con il termine di forming o protezione della radice con miscele gassose azotoidriche e i gas utilizzati a questo scopo sono chiamati Formiergas. Strato di passivazione La resistenza alla corrosione degli acciai inox è basata sulla formazione di uno strato di passivazione che impedisce un attacco dell aria umida o degli acidi sull elemento ferro prioritariamente presente nell acciaio, con conseguente asporto di materiale dal componente. La formazione dello strato di passivazione è strettamente legata al tenore di cromo dell acciaio: a partire dal % di cromo, l acciaio è resistente all umidità dell aria, mentre con un tenore di cromo superiore e la lega con nichel, molibdeno e rame, la sua resistenza contro alcuni acidi aumenta ulteriormente. Lo strato di passivazione è generato in presenza di sostanze ossidanti con uno spessore molto sottile saldamente aderente alla superficie, grazie alle forze di assorbimento. Questo strato impedisce l ulteriore reazione del ferro con i vettori dell ossigeno e ne determina lo stato passivo. In base alla moderna interpretazione, lo strato di passivazione non va inteso come uno strato statico, ma è in equilibrio dinamico con l offerta di ossigeno dell ambiente circostante. Il fenomeno della corrosione interstiziale può quindi anche essere considerato come una perturbazione di questo equilibrio dinamico. Le analisi dettagliate dello strato di passivazione con la spettroscopia elettronica Auger (AES) indicano che lo strato marginale esterno di spessore inferiore a 5 nm è arricchito di cromo, presente sotto forma di ossido di cromo difficilmente solubile. Questo strato è determinante per la buona resistenza alla corrosione degli acciai al cromo-nichel con alto tenore di lega.

7 Gas di protezione e formiergas 7 La scelta del corretto gas di protezione è determinante per la saldatura TIG/WIG di acciai inox ad alto tenore di lega Colori di rinvenimento I colori di rinvenimento sono conseguenti ai trattamenti termici o alla saldatura senza adeguata protezione antiossidante soprattutto nella parte interna dei tubi. Anche in presenza di una sofisticata conduzione del gas, i colori di rinvenimento possono essere generati dall ossigeno residuo aderente alla superficie, nel caso in cui il gas di protezione non contenga componenti di riduzione. I colori di rinvenimento distruggono lo strato di passivazione e lo sostituiscono con un nuovo strato la cui struttura è fondamentalmente diversa e non garantisce alcuna protezione. Questo processo è complesso e viene qui solo brevemente illustrato nella misura in cui ciò è necessario per comprendere il fenomeno. L apporto di calore tramite la saldatura comporta dei cambiamenti dalle conseguenze rilevanti ai fini metallurgici: cambiamenti della struttura cristallina nella zona di fusione ispessimento dello strato di passivazione nella zona termicamente alterata formazione di nuovi strati nella zona di fusione e termicamente alterata tramite diffusione di componenti della lega separazione di componenti della lega in corrispondenza dei bordi dei grani ed aumento dell esposizione alla corrosione intercristallina I colori di rinvenimento sono il risultato di un ossidazione della superficie dovuta all ossigeno nell aria, all ossigeno residuo, all anidride carbonica e all acqua e a parità di colore presentano normalmente lo stesso spessore. Essi sono in primo luogo determinati dalla temperatura massima di esercizio e dall andamento temporale della temperatura. Per questa ragione, dopo la saldatura TIG/WIG la struttura degli strati di ossido è sempre diversa rispetto alla saldatura laser dove a causa del rapido abbassamento della temperatura c è poco tempo per i processi di diffusione. Il colore percepito di volta in volta è dovuto ad interferenze prodotte dalla riflessione e rifrazione della luce dei rispettivi strati di spessore differente. I diversi colori di rinvenimento sono caratterizzati da una struttura caratteristica dello strato che genera diverse resistenze alla corrosione di ogni strato. Nell intervallo fino a circa 400 C, l ossigeno reagisce in prevalenza con il cromo e produce strati cangianti di colore giallastro. Con ogni evidenza non si ha un ossidazione di rilievo del ferro, per cui i colori di rinvenimento giallo chiaro possono essere considerati strati di passivazione rafforzati. Con temperature da circa 400 a 700 C si formano colori di rinvenimento da rossi a blu e grigio-marroni con una struttura completamente diversa. Questi sono composti da una fase contenente ossidi di ferro e impoverita di cromo sulla superficie ed una fase sottostante ricca di ossido di cromo. A causa di questa strutturazione dello strato si parla anche di una struttura duplex dei colori di rinvenimento in questo intervallo di temperature. Sopra i 700 C si riscontrano colori di rinvenimento da color cobalto e celeste la cui struttura in virtù della maggiore mobilità del cromo ha nuovamente una composizione omogenea di ossidi di ferro e cromo. Con i cicli termici molto brevi come nella saldatura laser, anche questi strati presentano due fasi. Colori di rinvenimento e corrosione Da quanto illustrato in precedenza risulta evidente che a seconda delle condizioni della genesi i colori di rinvenimento comportano diverse resistenze alla corrosione. Per individuare ciò e renderlo misurabile, si procede alla misurazione del cosiddetto potenziale di corrosione perforante: questo corrisponde alla tensione elettrica con cui la superficie abbandona lo stato passivo ed inizia a corrodere e dissolversi. Soprattutto nelle zone di passaggio dal colore giallo al rosso è stato documentato un forte calo della resistenza alla corrosione, spiegabile con lo strato superficiale ricco di ossido di ferro. La struttura dei colori di rinvenimento dipende in un certo senso anche dall analisi chimica dell acciaio, nel senso che gli strati di acciaio con un tenore superiore di cromo sono più resistenti. Tabella 1: Colori di rinvenimento sugli acciai ad alto tenore di lega Colore Temperatura Spessore dello strato Giallo cromo < 400 C <= 5 nm Giallo paglia > 400 C <= 25 nm Giallo oro ~ 500 C nm Marrone rossastro ~ 650 C nm Blu cobalto nm Celeste ~ 1000 C nm Incolore nm Marrone grigiastro ~ 1200 C > 275 nm

8 8 Gas di protezione e formiergas Forming economico con sistemi PanGas di protezione della radice Conseguenze I colori di rinvenimento non sono strati di passivazione e possono pertanto ridurre sensibilmente la resistenza alla corrosione degli acciai inox in modo da richiederne la rimozione. In presenza del solo colore di rinvenimento giallo chiaro, una certa resistenza alla corrosione è comunque garantita. In tutti gli altri casi i colori di rinvenimento devono essere rimossi dopo la saldatura oppure la loro formazione deve essere esclusa tramite l uso di gas per la protezione della radice. Gas per la protezione della radice (Formiergas) Il "forming" è una tecnica economica, ecologica e pulita per evitare i colori di rinvenimento e per garantire la resistenza alla corrosione. Essa è composta dalla fase di lavaggio preliminare per la rimozione dell aria e la copertura della radice con gas di protezione durante la saldatura. Va tenuto presente che tutte le zone esposte alla variazione termica del metallo base e del materiale di apporto sul lato inferiore e superiore del cordone devono essere coperte con un gas di protezione fino ad una determinata temperatura di soglia. Solamente sotto la soglia di circa 250 C per gli acciai inox al nichel-cromo non vi è più il rischio di un assorbimento critico di ossigeno. Poiché l ossigeno può essere assorbito non solo dall atmosfera circostante ma anche dai rivestimenti superficiali assorbiti, l uso dell idrogeno come componente di riduzione del Formiergas risulta vantaggioso ed avviene con diverse concentrazioni. Anche i seguenti gas e le seguenti miscele possono essere utilizzati per la protezione della radice: argon, gas inerte azoto, gas poco reattivo miscele azotoidriche, riducenti miscele di argon e idrogeno, riducenti miscele di argon e azoto, aggiunta di azoto per e leghe degli acciai duplex. In pratica si trovano soprattutto le miscele di gas standard indicate nella tabella. È importante che i Formiergas abbiano il tenore minimo possibile di umidità residua ed un contenuto di ossigeno residuo inferiore a 25 ppm per gli acciai austenitici e a 10 ppm per gli acciai duplex. In presenza di miscele di idrogeno a partire dal 10 % H₂, il gas fuoriuscente deve essere bruciato alla torcia per evitare il rischio di esplosioni. I diversi gas per la protezione della radice sono adatti per determinati materiali, come risulta anche dalla tabella a fianco. Tabella 2: Gas per la protezione della radice e loro uso Gas di protezione Argon Miscele di Ar/H₂ Miscele di N₂/H₂ N₂ Miscele di Ar/N₂ Materiale tutti i materiali acciai austenitici, Ni e metalli base Ni Acciai ad eccezione degli acciai da costruzione a grana fine, acciai austenitici (non stabilizzati al Ti) Acciai austenitici al cromo-nichel, acciai duplex e superduplex I gas per la protezione della radice non solo impediscono la formazione dei colori di rinvenimento, ma hanno anche un effetto positivo sulla conformazione della radice: la temperatura di fusione molto superiore degli ossidi e le cattive caratteristiche reologiche dei bordi preossidati dei lembi possono in alcuni casi fare sì che senza protezione della radice, la radice non si chiuda. Utilizzando il gas per la protezione della radice invece, la saldatura passante viene eseguita senza difetti a parità di parametri di saldatura. Aspetti pratici della protezione con miscele gassose azotoidriche Nel «forming» la principale attenzione va rivolta alla protezione ottimale con gas della radice. Ciò significa che in questo punto l ossigeno deve essere evacuato per tutta la durata della saldatura fino alla fase di raffreddamento e al raggiungimento della temperatura critica. La soluzione ottimale prevede un flusso laminare del gas senza vortici di aria.

9 Gas di protezione e formiergas 9 Gas di protezione HYDRAGON usati nella saldatura orbitale Tabella 3: Densità delle diverse miscele gassose azotoidriche Densità ass. (kg/m³) densità relativa densità relativa 1,25 0,97 Formiergas 95/5 1,19 0,92 Formiergas 90/10 1,14 0,88 Formiergas 85/15 1,08 0,83 Formiergas 80/20 1,02 0,79 Argon 1,78 1,38 Argon-idrogeno 98/2 1,75 1,28 Argon-idrogeno 95/5 1,70 1,27 Argon-idrogeno 93/7 1,67 1,26 Argon-idrogeno 90/10 1,62 1,25 Argon-idrogeno 80/20 1,45 1,12 Per produrre un flusso laminare senza turbolenze, nella prassi si fa normalmente affluire il gas di protezione nel tubo attraverso un collettore di metallo sinterizzato. Per ridurre i costi del processo di forming è utile ricorrere all uso di sistemi con camere di «forming». La saldatura orbitale deve possibilmente essere eseguita senza luce per evitare un apporto non controllato di aria. Se per i tubi molto spessi o nelle posizioni di costrizione è prevista una luce, questa dovrebbe essere coperta con un nastro adesivo di fibra di vetro-alluminio adatto, lasciando libera solamente la vera e propria zona della saldatura. Altri esempi relativi alla configurazione del dispositivo di «forming» sono riportati nelle Istruzioni DVS Qui sono fornite anche indicazioni relative ai tempi di prelavaggio da rispettare in funzione del diametro interno del tubo con le diverse portate di gas. Se si tratta di saldare e proteggere tubi delle stesse dimensioni può essere interessante dal punto di vista economico l adozione di un dispositivo di «forming» con controllo automatico della portata di gas di prelavaggio e del tempo di prelavaggio, in quanto esso consente di ridurre il consumo di forming gas al livello strettamente necessario. Va considerato anche che il materiale dei tubi di alimentazione deve presentare la minore permeabilità possibile all umidità e all ossigeno in quanto anche nel caso di un flusso prolungato di gas di protezione l acqua e l ossigeno possono contaminare il gas tramite diffusione e tramite l effetto Venturi. I risultati migliori sono stati ottenuti con tubi a base di teflon o tubi di gomma con anima di tessuto. Per il «forming» vengono utilizzate varianti diverse in quanto un gran numero di componenti, tubi e condotti di gas saldati richiede soluzioni specifiche per ogni applicazione. A seconda della conduzione del gas nella saldatura dei tubi si possono distinguere tre tipi di «forming»: Forming con flusso assiale del gas nelle saldature orbitali di tubi con diametri da piccoli a medi e per saldature longitudinali sui tubi Forming con flusso radiale del gas nelle saldature orbitali di tubi con diametri da medi a grandi Lavaggio di dislocazione per la saldatura di tubi grandi Per l ultima applicazione la scelta del gas per la protezione della radice dipende dalla sua densità rispetto all aria. Per il lavaggio ascendente vanno utilizzati gas di densità maggiore, per il lavaggio discendente gas con densità minore rispetto all aria. L alimentazione del gas di lavaggio avviene dal basso se si tratta di gas più densi, mentre le miscele di azoto più leggere dell aria vengono alimentate dall alto.

10 10 Gas di protezione e formiergas I gas speciali di protezione PanGas consentono anche la saldatura MSG di acciai ad alto tenore di lega e resistenti alle alte temperature Bibliografia Scheda tecnica DVS 0937 Wurzelschutz beim Schutzgasschweissen Edizioni DVS Düsseldorf, 1990 DIN EN 439 Gas di protezione per la saldatura ad arco e per il taglio Edizione maggio 1995 Brune, E. Tecnica di saldatura e di taglio Manuale pratico PanGas AG Dagmersellen, 2003 Brune, E., Spichale, B. Schweissschutzgase Technica 10/99, pag Rupperswil, 1999 Spichale, B. Formiergase und Wurzelschutz Numero speciale 48/91 PanGas Lucerna, 1991 Trube, S., Amannn, T. Annuario Tecnica di saldatura 2001, pag Edizioni DVS Düsseldorf, 2000 Brune, E. Scegliere il gas giusto Gas per la saldatura, il taglio e la protezione Numero speciale PanGas AG Dagmersellen, 2006 Gümpel, P. et al. Rostfreie Stähle Grundwissen, Konstruktions- und Verarbeitungshinweise Edizioni Expert Renningen-Malmsheim, 1996 Finke, M., Pries, H., Wohlfahrt, H. Schweissbedingte Anlauffarben und ihr Einfluss auf die Korrosion hochlegierter CrNi-Stähle Rapporti DVS Volume 204 Düsseldorf, 1999 Geipl, H. Formieren beim Schweissen, Schutzgase, Anwendung, Arbeitssicherheit Der Praktiker Schweissen & Schneiden Volume 47 (1995) Numero 1 Geipl, H. Formieren beim Schweissen, Spülgase und Formiereinrichtungen Der Praktiker Schweissen & Schneiden Volume 47 (1995) Numero 3 Trube, S. Auswahl von Schutzgasen zum Schweissen von Stahlwerkstoffen Numero speciale 04/99 Höllriegelskreuth, 1999

11 Gas di protezione e formiergas 11 Definizioni Acciaio ELC, qualità ELC: questo è il nome assegnato agli acciai che, grazie alle speciali tecniche di produzione, contengono pochissimo carbonio. ELC è l acronimo della definizione inglese Extra Low Carbon, e cioè pochissimo carbonio. Questa caratteristica ne aumenta la resistenza alla corrosione. Analisi chimica: la composizione chimica di una sostanza, i singoli componenti, p. es. gli elementi della lega in una tipologia di acciai. Argon (Ar): gas nobile incolore e inodore, completamente inerte, vale a dire che non reagisce con altre sostanze chimiche. Arricchimento, impoverimento degli elementi della lega: il termine impoverimento indica la perdita di elementi della lega attraverso il processo di saldatura; il termine arricchimento invece indica un aumento della concentrazione. Assorbimento: legame di gas, vapori o sostanze disciolte in corrispondenza della superficie di un corpo solido. Austenite, struttura austenitica: componente del reticolo cristallino delle leghe di ferro, reticolo cubico a facce centrate, spesso chiamato ferro gamma; a temperatura ambiente è stabile solo nelle leghe con nichel, manganese, azoto. Azoto (N₂): un gas presente in aria che soffoca la combustione; non reagisce a temperature normali. Bordi dei grani: i metalli sono composti da numerosi piccolissimi cristalli separati gli uni dagli altri da superfici di transizione; queste superfici sono chiamate anche bordi dei grani e i cristalli spesso sono chiamati grani. Ai bordi dei grani aderiscono spesso contaminazioni e sedimenti; per questo sono i punti privilegiati di attacco della corrosione. Calore di ricombinazione: calore liberato durante la ricombinazione; vedi ricombinazione. Capacità di ionizzazione: valore indicante la tendenza di un atomo o di una molecola ad assumere uno stato elettricamente carico (ione). Colori di rinvenimento: gli strati di ossido visibili ma molto sottili sulla superficie dei metalli; i diversi colori indicano spessori diversi degli strati. Comportamento inerte: le sostanze che non reagiscono chimicamente con altre sostanze sono chiamati inerti, e cioè inattive. Fra queste sostanze troviamo i gas nobili come l argon e l elio. Corrosione intercristallina: una particolare forma di corrosione di acciai ad alto tenore di lega che può insorgere in seguito a trattamenti termici non corretti e che può comportare un impoverimento locale di cromo. Corrosione interstiziale: corrosione che si verifica quando negli interstizi non può avere luogo alcuno scambio di sostanze. Cristallite: le zone visibili nella struttura cristallina microscopica e racchiusa dai bordi dei grani; spesso chiamati anche grani. Decapaggio: trattamento delle superfici metalliche con sostanze decapanti adatte, p. es. acidi, per ottenere una certa finitura superficiale. Carburo legame chimico di un elemento con carbonio, p. es. carburo di ferro Fe₃C. Dissociazione: separazione, dissoluzione, decadimento di un composto chimico o di una molecola. Effetto riducente: proprietà di condurre un ossido in uno stato più povero o senza ossigeno, ad esempio la formazione di un metallo da un ossido di metallo. Energia dissociativa: energia da fornire per separare un composto chimico o scindere una molecola; spesso sotto forma di energia termica. Equilibrio dinamico: uno stato di continuo apporto ed evacuazione di particelle, in modo da creare un apparente condizione di immobilità. Ferrite: elemento del reticolo cristallino delle leghe di ferro; è composta da ferro quasi puro ed è con reticolo cubico a corpo centrato, spesso chiamato anche ferro alfa. Flusso assiale: flusso in direzione dell asse longitudinale di un tubo. Flusso laminare: flusso di un gas o di un liquido privo di vortici; il contrario è un flusso turbolento. Flusso radiale: flusso in direzione della circonferenza del tubo. Gas di protezione: nei processi di saldatura il gas di protezione protegge il bagno di fusione dall atmosfera, impedendo reazioni con l ossigeno o con l azoto contenuti nell aria. Nella saldatura TIG/WIG protegge anche l elettrodo. Gas per la protezione della radice: miscela di azoto e idrogeno usata per la protezione della radice di acciai inox austenitici. Idrogeno (H₂): un gas combustibile con effetti riducenti. Interferenze: in fisica, la sovrapposizione ottica, quando diverse onde luminose attraversano lo spazio; visibile anche sotto forma di colori cangianti di un film di olio sull acqua. Ioni: atomi o molecole dalla carica elettrica positiva o negativa. Ionizzazione: passaggio degli atomi o delle molecole ad uno stato elettricamente carico. Metallo sinterizzato: un metallo poroso (spugnoso) e quindi permeabile al gas. Molecola: unità piccolissima composta da due o più atomi di un composto chimico, anche più atomi dello stesso tipo. Molibdeno (Mo): elemento metallico; nelle leghe di acciaio migliora la resistenza contro la vaiolatura e la corrosione interstiziale. Nichel (Ni): elemento metallico; nelle leghe d acciaio stabilizza la struttura cristallina austenitica. Nitruro: composto chimico di un elemento con l azoto. Ossidazione del ferro: la formazione del legame chimico fra ferro e ossigeno; esistono diversi ossidi di ferro (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO). Ossidazione: assorbimento di ossigeno, legame con l ossigeno. Ossido di cromo: il legame chimico fra cromo e ossigeno. Diffusione: migrazione di particelle (atomi, molecole) dovuta ai movimenti termici; può avvenire anche nei corpi solidi quali i metalli. Ossido: composto chimico di un elemento con l ossigeno. Ossigeno residuo: piccole quantità residue di ossigeno, p. es. dovute all umidità. Pellicola di ossidi: strato molto sottile composto da un ossido, e cioè da un composto dell ossigeno. Potenziale di corrosione perforante: la tensione elettrica con cui inizia la dissoluzione superficiale di un metallo; e cioè la superficie perde la sua passività. ppm: parts per million: unità di misura di quantità molto piccole, una parte per un milione. Ricombinazione: la ricombinazione è l unione delle parti precedentemente divise. In chimica questo termine è usato per il nuovo legame fra atomi e molecole a formare una sostanza che in precedenza era stata scissa. Esempio: decadimento dell anidride carbonica in carbonio, monossido di carbonio e ossigeno e successiva rigenerazione dell anidride carbonica. Saldatura della radice: saldatura della passata inferiore in un cordone a più passate. Saldatura orbitale: la saldatura circolare attorno a un tubo per la giunzione di due segmenti di tubo. Solfuro: legame chimico di un elemento con lo zolfo, p. es. solfuro di ferro (FeS). Strato di passivazione: negli acciai inox o nell alluminio, la resistenza alla corrosione è basata su uno strato molto sottile sulla superficie metallica, composta dall ossido di cromo e che protegge lo strato metallico sottostante dall attacco della corrosione. Questo sottile strato di ossido viene chiamato pellicola di ossidi. Struttura duplex: composta da due strati con una configurazione differente.

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