Saldatura. Lezioni di Tecnologia Meccanica. Prof. Sanna Luciano

Transcript

1 Saldatura

2 Introduzione Con il termine saldatura si intende un processo di unione di pezzi metallici, con o senza metallo d'apporto, mediante fusione graduale del metallo di base. Nel caso della saldatura con metallo d'apporto, quest'ultimo deve presentare una temperatura di fusione e caratteristiche meccaniche almeno equivalenti a quelle dei pezzi da assemblare. Con metallo base si intende il metallo costituente le parti da congiungere, con metallo d'apporto si intende il metallo che viene aggiunto a quello base per costituire il cordone di saldatura. Si ha una saldatura autogena quando il solo metallo base interviene nella realizzazione del giunto, mentre si ha una saldatura eterogenea quando il metallo base resta inattivo e solo il metallo d'apporto viene portato a fusione.

3 Nomenclatura dei giunti saldati I giunti più impiegati in pratica sono: i giunti testa a testa (Figura 8.la); i giunti di spigolo, retti (Figura 8.1b) o obliqui (Figure 8.le e 8.ld); i giunti di testa a T retti o obliqui che, a differenza dei precedenti, possono avere, secondo i casi, uno o due cordoni di saldatura (Figure 8.1 e-8.1 h); i giunti a sovrapposizione si distinguono in: giunti trasversali (Figura 8.li); giunti longitudinali (Figura 8.11); giunti obliqui (Figura 8.1m); giunti misti (Figura 8.In); i giunti a coprigiunto semplice (Figura 8. lo) o doppio (Figura 8.1p).

4 I giunti possono essere ulteriormente classificati in: giunti continui, quando il cordone (o i cordoni) di saldatura sono eseguiti in un solo tratto; giunti discontinui, quando il cordone è suddiviso in tratti (generalmente di lunghezza uguale) opportunamente intervallati da tratti non saldati. I giunti discontinui che comportano la presenza di due cordoni paralleli possono, a loro volta, suddividersi in simmetrici (i tratti di cordone sono in corrispondenza fra loro) e asimmetrici (i tratti di cordone sono sfalsati fra loro).

5 Posizione dei giunti saldati

6 Preparazione dei lembi da saldare Pulizia dei lembi La saldatura deve avvenire su parti esenti da tracce di ossidi, vernici, grassi, oli, morchie di umidità. Infatti, all'atto della saldatura, queste sostanze inquinerebbero il bagno di fusione, dando origine nel cordone a soffiature e a inclusioni tali da impedire la perfetta adesione delle parti unite. La pulizia deve essere effettuata dopo la preparazione dei lembi e immediatamente prima della saldatura, allo scopo di evitare nuove contaminazioni, impiegando spazzole con filo d'acciaio, mole a disco ecc. Puntatura Immediatamente prima della saldatura deve essere effettuata la puntatura dei lembi da unire. Questa operazione determina i vincoli reciproci delle parti.

7 Saldatura ossiacetilenica La saldatura manuale ossiacetilenica è un procedimento di saldatura autogena per fusione, che sfrutta la combustione dell'acetilene a opera dell'ossigeno (fiamma generalmente in condizioni riducente). Il comburente è costituito da ossigeno che viene stoccato in bombole da40 l a bar (colore dell'ogiva = bianco) mentre il combustibile è acetilene. Questo gas (C2H2), è incolore e poco solubile in acqua, presenta una forte limitazione nella pressione massima di sicurezza a cui può essere stoccato: 1,5 bar. Per questo viene stoccato disciolto in acetone in bombole che possono raggiungere una pressione fino a 20 bar (colore dell'ogiva = rosso). La quantità di gas da bruciare per realizzare la saldatura è proporzionale allo spessore, ma dipende anche dalla posizione in cui viene realizzata la saldatura dall'operatore. Per un litro di combustibile servono 2,5 litri di comburente; di questi uno solo viene fornito dalla bombola, il resto viene dall'aria. Combustibile e comburente vengono miscelati in un dispositivo apposito (cannello), con velocità fino a 150 m/s, e sul cui orifizio avviene la reazione di combustione (Figura 8.6); la reazione di combustibile è di seguito riportata: Un eccesso d'ossigeno causa la formazione di un ambiente ossidante, una diminuzione del calore del dardo e la sua diminuzione di luminosità. Contrariamente un eccesso di combustibile produce una fiamma carburante, la produzione di fumo con il conseguente rischio di ottenere soffiature nel cordone di saldatura.

8 SALDATURA OSSIACETILENICA

9 I cannelli In base al sistema di miscelazione i cannelli ossiacetilenici si raggruppano in due classi: cannelli ad alta pressione, a punte intercambiabili; cannelli a bassa pressione, a teste o a punte intercambiabili e con regolatore dell'ossigeno a spillo. Cannelli ad alta pressione Cannelli a bassa pressione

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11 Saldatura ad arco elettrico Principio di funzionamento Una tipica sorgente di calore intenso è l'arco elettrico che si ottiene producendo un'elevata differenza di potenziale tra un catodo e un anodo, che è usualmente la zona da saldare. In queste condizioni si forma un flusso di plasma, che conduce elettroni da catodo all'anodo e provoca la fusione del metallo d'apporto e della zona di saldatura (Figura 8.9). Toccando brevemente il pezzo da saldare con l'elettrodo, si stabilisce un corto circuito che provoca un forte riscaldamento per effetto Joule, cosicché in un tempo brevissimo la temperatura sale localmente a valori molto elevati. Saldatrici manuali ad arco Sono macchine comprendenti l'unità generatrice o trasformatrice di energia elettrica aventi la funzione primaria di innescare, stabilizzare e regolare l'arco voltaico.

12 SALDATURA ELETTRICA AD ARCO

13 Saldatura ad arco con elettrodi fusibili Durante la saldatura il bagno di fusione e il metallo base devono essere protetti dall'azione dell'ossigeno e azoto dell'atmosfera. Per ottenere questo si può ricorrere a elettrodi rivestiti che durante la fusione producono, grazie al rivestimento, una scoria protettiva e un gas riducente (Figura 8.10). L'elettrodo, che fonde progressivamente, funge da metallo d'apporto e da polo elettrico per la formazione dell'arco voltaico, come già detto, questo viene inizialmente instaurato con una «toccata» sul pezzo. Un elettrodo con diametro sottile è utilizzato per saldare lamiere di basso spessore, quindi si dovrà necessariamente utilizzare un basso valore della corrente. All'opposto diametri maggiori dell'elettrodo sono utilizzati per spessori notevoli della lamiera: in questo caso si opera con correnti più elevate, con vincoli anche sulla posizione di saldatura, che dovrà essere orizzontale. Questa soluzione tecnologica presenta i vantaggi della semplicità delle operazioni e della leggerezza e quindi dell'attrezzatura. Consente di saldare spessori compresi tra i 3 e i 19 mm, con correnti comprese tra 50 e 300 A.

14 Classificazione degli elettrodi in base al materiale depositato: elettrodi per acciai al carbonio; elettrodi per acciai inossidabili; elettrodi per rame e sue leghe; elettrodi per leghe leggere. Classificazione dei principali tipi di elettrodi in base all'azione metallurgica del rivestimento: elettrodi con rivestimento ossidante; elettrodi con rivestimento acido; elettrodi con rivestimento basico; elettrodi con rivestimento cellulosico; elettrodi con rivestimento al rutilo; elettrodi con rivestimento al rutilo-cellulosa; elettrodi con rivestimento con polvere di ferro; elettrodi a forte penetrazione.

15 Saldatura ad arco sommerso È un procedimento di saldatura ad arco con elettrodo a filo nel quale il calore necessario è fornito da un arco elettrico immerso in un flusso granulare, una parte del quale fonde formando sul cordone di saldatura uno strato di scoria. Si impiega come elettrodo fusibile un filo pieno o animato, superficialmente ramato per favorire il passaggio della corrente, il quale fluisce automaticamente svolgendosi da una bobina montata su di un aspo, in modo da costituire un elettrodo fusibile continuo (Figura 8.11). Da un apposito serbatoio, per caduta naturale, esce con continuità, immediatamente innanzi al filo, nel senso della saldatura, del materiale granulare, che è elettroconduttore a caldo e quindi non ostacola il mantenimento dell'arco. Il passaggio della corrente di saldatura (continua o alternata) genera il calore necessario per fondere l'estremità del filo-elettrodo, i bordi dei pezzi da saldare e una parte della polvere granulare. Il bagno di saldatura che si origina non risulta visibile all'operatore: infatti viene ricoperta dalla scoria, formata da polvere fusa e da un eccesso di polvere non fusa.

16 Saldatura a elettrodo fusibile continuo in atmosfera protettiva La saldatura a filo continuo in atmosfera protettiva è contrassegnata dal simbolo GMAW ( Gas Metal Are Welding), questa denominazione nella simbologia internazionale ha sostituito le precedenti MIG {Metal Inert Gas) e MAG (MetalActive Gas). Questa tecnologia è caratterizzata dalla fusione di un metallo d'apporto, sotto forma di filo continuo, entro un'atmosfera protettiva dovuta a un flusso un gas. Materiale d'apporto e gas sono condotti da una torcia, che fornisce direttamente al filo l'energia elettrica, mentre l'arco che scocca tra l'estremità del filo e il pezzo da saldare garantisce il raggiungimento della temperatura di fusione.

17 SALDATURA MIG E MAG

18 Saldatura ad arco elettrico con elettrodo infusibile in atmosfera protettiva La tecnologia di Saldatura ad arco elettrico con elettrodo infusibile in atmosfera protettiva {Gas Tungsten Are Welding, GTAW) è nota anche come TIG {Tungsten Inert Gas), e utilizza un elettrodo di tungsteno infusibile in un'atmosfera protettiva di gas inerte. L'arco elettrico scocca tra un elettrodo conduttore non rivestito, di tungsteno puro o attivato, e i pezzi da saldare preventivamente preparati e puliti (Figura 8.12). Il gas inerte fluisce con continuità lungo l'elettrodo e, ricoprendo il bagno di fusione, lo preserva dall'azione deleteria dell'atmosfera. Quando sia necessario il materiale d'apporto, questo viene normalmente fornito da una bacchetta di composizione opportuna secondo le necessità: bacchette per saldature di acciai normali, basso, medio o alto legati, bacchette per protezione antiusura su acciai, bacchette speciali per saldare l'alluminio e il rame e loro leghe che consentono di eliminare gli ossidi presenti e quindi di saldare in corrente continua ecc. Gli elettrodi non fusibili della torcia possono essere di tungsteno, per saldature su alluminio e sue leghe, o di tungsteno con il 2-4% di torio per saldare gli altri materiali. Il torio aumenta il livello di emissione degli elettroni facilitando l'innesco e la stabilizzazione dell'arco. La torcia è raffreddata ad acqua e opera con valori di corrente che possono essere estremamente elevati, fino a 500 A.

19 Schema del metodo TIG (con elettrodo infusibile)

20 SALDATURA TIG

21 La saldatura mediante laser II laser: principio di funzionamento e definizioni Tra le tecnologie non tradizionali, i sistemi laser sono definitivamente entrati nella lavorazione della lamiera, in particolare nel taglio e nella saldatura di lamiere di piccolo spessore. Viene di seguito descritto il principio di funzionamento del laser. Se lo stato iniziale di un atomo o molecola è portato da una fonte di energia esterna a un più elevato livello di energia (E2), nel momento in cui decade al livello iniziale (El) viene rilasciato un fotone. Se questo fotone contatta un altro atomo o molecola, anch'essa a un livello eccitato (E2), causa il suo decadimento al livello El. Anche questo decadimento produrrà il rilascio di un fotone, il quale potrà a sua volta incontrare un nuovo atomo o molecola eccitato causandone il decadimento e, pertanto, il rilascio di un nuovo fotone (Figura 8.13). Questo processo, che una volta innescato avrà uno sviluppo caotico e rapidissimo producendo un fascio di fotoni innescati con stessa lunghezza d'onda, fase, direzione ed energia, è noto con il nome di emissione stimolata.

22 SALDATURA LASER: la parola LASER significa amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni. Un generatore di luce laser produce un fascio di luce concentrato e coerente cioè tutte le onde luminose si muovono nella stessa direzione. All interno di questa macchina viene eccitato a livello molecolare mediante elettricità un gas che solitamente è CO2 dando così luogo alla fuoriuscita di radiazione luminosa, la cui intensità viene ulteriormente amplificata in un altra camera con uno specchio concavo e un altro riflettente.

23 SALDATURA DI TESTA A RESISTENZA PURA la saldatura di testa a resistenza pura è impiegata per unire pezzi cilindrici e tubi, i quali sono serrati su appositi morsetti che sono collegati al circuito elettrico della saldatrice. I pezzi vengono accostati l uno all altro chiudendo così il circuito elettrico e consecutivamente, per effetto Joule, la parte in cui un pezzo tocca l altro, fonde.

24 SALDATURA DI TESTA A SCINTILLIO: è molto simile alla saldatura di testa a resistenza pura però in questo caso i pezzi da unire non vengono preparati perché le loro superfici devono essere abbastanza rugose. I pezzi vengono serrati su morsetti e avvicinati; successivamente viene fatta passare della corrente che provoca delle fusioni localizzate. A intervalli di tempo determinati, i pezzi vengono accostati in modo da mantenere solo un leggero contatto; il materiale viene così portato allo stato pastoso per poi comprimerlo completando la saldatura. Questo metodo è più economico di quello precedente perché le superfici non devono essere lisciate; ciò nonostante la saldatura risulterà senza impurezze.

25 SALDATURA PER TESTA DI ATTRITO In questo procedimento il calore necessario alla saldatura è dato dall attrito che si genera fra un pezzo fermo ed un altro che viene fatto rotare velocemente, mantenendo il contatto fra i due. Quando i due pezzi raggiungono lo stato pastoso vengono fermati e spinti l uno contro l altro ottenendo una saldatura.

26 SALDATURA AL PLASMA: la saldatura al plasma è simile alla saldatura laser. Il plasma è considerato il quarto stato della materia ed è un gas ionizzato cioè l insieme di ioni positivi ed elettroni. Quando un gas viene scaldato a temperature molto alte, l agitazione atomica è molto elevata e le collisioni fra gli atomi ne provocano la scissione in ioni positivi ed elettroni. La presenza di elettroni liberi in moto disordinato produce un enorme quantità di calore che può essere sfruttata per la saldatura. Il plasma viene proiettato da una torcia sulla superficie da saldare per mezzo di un ugello. Il gas che viene ionizzato è formato da miscele di argon e idrogeno; da altri ugelli esce del gas inerte protettivo. Esistono anche delle torcie al microplasma con ugelli di diametro molto piccolo che vengono impiegate per saldare componenti elettronici di dimensioni ridotte.