Tecnologia delle saldature 372

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1 Saldatura Tecnologia delle saldature 372

2 La saldatura è un processo di giunzione che permette di unire permanentemente parti solide, realizzandola continuità del materiale Posizioni di saldatura Tecnologia delle saldature 373

3 Classificazione Eterogene - il giunto è formato dal metallo d apporto, il metallo base non fonde Brasatura -dolce forte metallo base metallo d apporto Saldobrasatura Autogene e -materiale a e base prende parte attiva alla realizzazione del giunto metallo base = metallo d apporto Gas Arco Resistenza Stato solido Altre - ossiacetilenica - elettrodi rivestiti - arco sommerso - TIG / MIG / MAG -rulli - punti - pressione -attrito - ultrasuoni - Laser, Fascio elettronico, Plasma, Alluminotermica Tecnologia delle saldature 374

4 Saldabilità Attitudine del materiale a realizzare unioni saldate di volute caratteristiche, con un dato procedimento influenzata da Fattori metallurgici Fattori costruttivi Il giunto non deve avere caratteristiche tali da compromettere la sicurezza della struttura nel complesso (es. fattori di intaglio) Tecnologia delle saldature 375

5 Strutture di saldatura Nell ambito del giunto di saldatura sono identificabili 2 zone: I. Zona fusa caratterizzata dal rapporto di diluizione: Rd = V metallo base fuso / V totale zona fusa x 100 Osservazioni: valori di Rd per i principali processi di saldatura: brasatura Rd = 0 saldatura senza materiale di apporto Rd = 100 saldaturatig/mig/mag / MAG Rd = saldatura arco Rd = struttura dei grani:la solidificazione procede dal contorno della zona fusa verso l interno con strutture di tipo dendritico. In saldature con passate successive, si ha la parziale rifusione della zona precedente, con trattamento termico benefico. Tecnologia delle saldature 376

6 II. Zona termicamente alterata Le caratteristiche di questa zona sono influenzate da - max T raggiunta - tipo di trattamento termico - composizione chimica In generale si identificano 3 zone: - strato surriscaldato con grani grossi (T» A3) - strato normalizzato a grano fine (T > A3) - strato intercritico (A1 < T < A3) presenza di zone eventualmente temprate in funzione della distanza della saldatura Tecnologia delle saldature 377

7 Il ciclo termico influenza la dimensione della ZF ma soprattutto della ZTA. La severità del ciclo termico è funzione di - apporto termico specifico P / v [J / cm] - spessore dei pezzi e forma del giunto - preriscaldo dei lembi Conseguenze: - meccaniche (ritiri e tensioni residue) - metallurgiche (ZTA e trasformazioni di fase) La severità del ciclo termico può essere stimata dal parametro Δt 8/5 (tempo necessario perché un determinato punto del giunto passi da 800 a 500 C). Tecnologia delle saldature 378

8 Difetti nelle saldature - cricche a caldo nella zona fusa durante la solidificazione. Segregazione di impurezze al bordo di grano, veli liquidi bassofondenti, interrotti da ponticelli solidi. Durante il raffreddamento tali ponti possono rompersi e formare la cricca. All aumentare del C%, delle impurezze, tensioni di ritiro. - cricche a freddo nella ZTA, a bassa temperatura: strutture dure e fragili a causa di elevata velocità di raffreddamento che possono rompersi a causa delle tensioni residue. Anche a causa di idrogeno. Tecnologia delle saldature 379

9 - strappi lamellari in corrispondenza a sollecitazioni normali al piano di laminazione. i Durante la laminazione le inclusioni vengono deformate, a forma di lamelle, parallele alla superficie, con scarsa resistenza perpendicolarmente. - rotture fragili in zone anche lontane. A bassa temperatura, in presenza di intagli, con tensioni residue. Trattamenti termici di distensione. Acciai con bassa T di transizione. accorgimenti progettuali per migliorare la robustezza del giunto Tecnologia delle saldature 380

10 - difetti dovuti all ambiente O 2 Ossidazione favorita ad alta T in particolare C da cui si forma C0 che forma porosità N 2 La solubilità dell azoto diminuisce notevolmente con la T. A T ambiente si possono formare nitruri molto duri, infragilizzanti con conseguente diminuzione di duttilità e tenacità. Tecnologia delle saldature 381

11 Preparazione dei lembi Necessaria per avere penetrazione della saldatura che e funzione dell apporto termico specifico, cioè del rapporto energia / volume In funzione - degli spessori - del tipo di saldatura a I a V a Y a X a - e piccoli spessori a doppia Y a U f - g elevati spessori a doppia U Tecnologia delle saldature 382

12 Saldatura con gas La fiamma ossiacetilenica viene realizzata mediante la combustione di acetilene C 2 H 2 ed ossigeno O 2 Generalmente per saldatura di lamiere max 8 mm senza ripresa al rovescio. Processo manuale. TIG e MIG/MAG vengono preferiti sempre di più. Reazioni chimiche esotermiche all uscita del cannello C 2 H 2 + O 2 --> 2CO + H 2 + q 2CO + O 2 --> 2CO 2 + q H 2 +1/2O 2 --> HO+q 2 Tecnologia delle saldature 383

13 Proprietà della fiamma Valore massimo di T è elevato, viene raggiunto poco a valle del dardo. A valle del dardo la fiamma è riducente, consuma ossigeno dall ambienteambiente circostante e quindi ha azione anti ossidazione (richiede Acetilene = Ossigeno). Fiamma neutra, adatta per acciai, acciai inox, rame alluminio Fiamma ossidante per bronzi, ottoni Fiamma carburante, ante ricca in C (dall acetilene) può fornire altro carbonio a scopi di indurimento imento superficiale (non in saldatura) Si riconoscono dal colore: neutra -> dardo bianchissimo ossidante -> azzurro carburante -> fiocco color giallo Tecnologia delle saldature 384

14 Attrezzature per la saldatura ossiacetilenica poco costoso trasportabile manuale bombole per i gas bassa pressione ugelli alta Gas combustibile b Filettatura sinistrorsa Gas non combustibile b Filettatura destrorsa Tecnologia delle saldature 385

15 Modalità operative sia il cannello che il materiale d apporto vengono movimentati a mano processo lento flessibilità elevata Tecnologia delle saldature 386

16 Saldabilità dei materiali alla fiamma Acciaio C < 0.4%: facilmente saldabile, fino 8-10 mm C < 0.6%: modesta saldabilità materiale d apporto basso C% C > 0.6%: cattiva,,p pre /p post riscaldo dei lembi al calor rosso inox: necessaria fiamma leggermente carburante quindi formazione di carburi di cromo e diminuzione resistenza corrosione Ghise necessario preriscaldo di tutto tt il pezzo Rame ottima saldabilità, attenzione alla formazione di ossidi fragili; conducibilità termica elevata, quindi preriscaldo; elevato coefficiente di dilatazione quindi lembi lontani. Alluminio formazione di ossidi (Al 2 O 3 ) alto fondenti e fragili Ottone Bronzo difficile a causa di volatilizzazione di Zn che porta a soffiature difficile a causa di basso punto di fusione di Sn Difetti tipici: Ingrossamento del grano a causa della bassa v Incollatura per insufficiente apporto termico e quindi non fusione a causa della v tropo alta Certificazione i operatori Tecnologia delle saldature 387

17 Saldatura ad arco elettrico Sistema manuale più diffuso. Il calore necessario viene fornito da un arco elettrico che scocca fra un elettrodo fusibile ed il metallo base. L arco è generato dal passaggio di elettroni da + a -con ripartizione del calore sviluppato 2/3 al polo positivo. Valori tipici dei parametri in gioco: corrente A ddp 25 V distanza 2.5 mm T C Tecnologia delle saldature 388

18 Fisica dell arco Il fenomeno è piuttosto complesso: in 1 a approssimazione movimento di ioni e elettroni. Trasferimento del metallo d apporto Il trasferimento avviene indipendentemente dalla posizione di saldatura per i seguenti Meccanismi: - il peso proprio - le forze elettromagnetiche - le forze magneto-dinamiche - azione dei gas dal rivestimento - la tensione superficiale del liquido spray arc drop arc short arc alta velocità instabilità bassa velocità alta penetrazione modulazione bassa T alta T esterna Tecnologia delle saldature 389

19 Elettrodi Anima metallica di composizione chimica simile al metallo da saldare. Aggiunta/sottrazione elementi di lega per migliorare la tenacità del giunto Adatta per: acciai al C e inox Poco adatta per: leghe leggere Rivestimento di varia composizione che: - forma scoria protettiva sul bagno di tipo fisico: antiossidante e controllo di velocità di raffreddamento - sviluppa gas ionizzanti che rendono più stabile l arco - opera una correzione chimica del bagno con elementi desolforanti e defosforanti - ossidanti - acidi - basici -cellulosici - rutilo Nota: spessori max 20 mm Tecnologia delle saldature 390

20 Caratteristiche dell arco e generatori La caratteristica V-I dell arco non segue la legge di Ohm: all aumentare della corrente cambia la forma del conduttore (si allarga) e quindi diminuisce la resistività; ulteriore aumento modifica ulteriormente la forma dell arco (tende a diventare sferico più che cilindrico) e quindi aumenta reistività. V 1 2 La caratteristica esterna delle macchine segue andamento decrescente alta ddp a vuoto favorisce innesco dell arco c.c.c. c c per evitare danni alla macchina pendenza e forma della curva V 1 lunghezza dell arco 2 I V I L intersezione determina le condizioni di lavoro I Tecnologia delle saldature 391

21 Saldatura arco sommerso Elettrodo: filo non rivestito Flusso granulare di protezione automazione penetrazione protezione del bagno saldatura a in piano costi di impianto elevati saldatura tubi grosso diametro Tecnologia delle saldature 392

22 Saldatura MIG MAG Arco in atmosfera: -protetta Argon più pesante dell aria insolubile nel fuso Elio costoso maggiore temperatura legheleggereeinox leggere e -attiva CO 2 basso costo reazione esotermica stretto controllo elementi di lega porosità acciai al C processo continuo assenza di scoria visibilità del bagno elevata velocità (controllo velocità del filo) assenza H 2 O (ossidazione ed infragilimento da idrogeno) Tecnologia delle saldature 393

23 Saldatura TIG Atmosfera protetta: come MIG/MAG miscele Elettrodo infusibile di tungsteno Alimentazione: - polarità diretta ottima emissione di elettroni e successivo bombardamento del catodo; alta energia e temperatura - polarità inversa leghe leggere si bombarda il pezzo con gli ioni, più pesanti, per rompere lo strato di ossido formatosi; elettrodo più caldo, può fondere; inclusioni di W - corrente alternata vantaggi di entrambe le polarità Ottimo per piccoli spessori Adatto per saldare qualsiasi tipo di materiale Attrezzatura costosa Tecnologia delle saldature 394

24 Saldatura ad elettroscoria Saldatura per fusione senza arco (solo effetto Joule) Scoria conduttrice Elettrodo rivestito Grossi spessori > 50 fino a 1000 Macchine molto potenti 500 kw Tecnologia delle saldature 395

25 Saldature per resistenza Saldatura per fusione senza arco (effetto Joule) realizzata premendo gli elettrodi sulla zona da saldare. Non c è materiale d apporto Spessori piccoli -> lamiere grossi -> di testa Tecnologia delle saldature 396

26 Calore generato: Q = k R I 2 t I = A t =0.1-1 s R 1 R 2 R 3 R 4 Richiesta ottimale: R 3 R 2 R 4 >> R 1, R 2, R 3 R 1 in realtà R 4 R 2,> R 1, R 3 R 1 bassa -> elettrodi di rame R 2 bassa -> pulizia superfici dimensioni elettrodi piccoli applicazione F alta -> perforatura bassa -> incollatura corrente: I foratura saldatura incollatura t Tecnologia delle saldature 397

27 Azione contemporanea di forza e corrente acciai al C acciai legati Tecnologia delle saldature 398

28 Altri tipi di saldatura Saldatura a rulli: semicontinua Saldatura di testa F F Saldatura per scintillio Tecnologia delle saldature 399

29 Saldatura a freddo Bollitura a caldo Saldatura per attrito F = N ω = s -1 Vantaggi: - alta produttività - sezioni differenti - materiali dissimili - pulizia Svantaggi: - componenti assialsimmetrici - costi investimento -sbavatura Tecnologia delle saldature 400

30 Saldatura allumino-termica La sorgente di calore è costituita da una reazione chimica esotermica: 8 Al + Fe 3 O 4 -> 9 Fe + 4 Al 2 O 3 + q Miscela di alluminio e magnetite in un crogiolo (tipica applicazione: saldatura di testa di rotaie) Vantaggi: veloce (fra passaggio di treni) no energia esterna pulizia i del bagno (scoria) Tecnologia delle saldature 401

31 Brasatura Saldobrasatura T < 400 C T < 800 C penetrazione per capillarità fra i lembi da unire lembi esenti da contaminazione fisica e chimica e paralleli materiale d apporto leghe Sn Pb (dolci) leghe Cu Ag (forti) riempimento del giunto per deposizione materiale d apporto leghe di Cu o Ni flussi protettivi flussi protettivi Tecnologia delle saldature 402