Università di Roma Tor Vergata SALDATURA

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1 SALDATURA La saldatura è un tipo di giunzione che consente di unire permanentemente parti solide, realizzando la continuità del materiale. Materiale d apporto Materiale base Materiale base = Materiale d apporto SALDATURA Materiale base Materiale d apporto SALDOBRASATURA BRASATURA 1

2 Classificazione delle saldature Eterogenee Brasatura Saldobrasatura Dolce Forte Autogene Gas Ossiacetilenica Arco TIG MIG, MAG Resistenza Stato solido Elettrodi rivestiti Pressione Attrito Ultrasuoni Rulli Punti Altre Laser Fascio elettrico Alluminotermica Plasma 2

3 SALDABILITA Attitudine con cui un materiale si presta alla realizzazione di unioni saldate di volute caratteristiche con un dato procedimento. E influenzata da: FATTORI METALLURGICI: Un giunto saldato comporta una zona fusa le cui caratteristiche metallurgiche influenzano la resistenza del giunto saldato FATTORI COSTRUTTIVI: Il giunto saldato deve avere caratteristiche tali da non compromettere la sicurezza della struttura nel suo complesso. (es: resist. all intaglio) 3

4 STRUTTURA METALLURGICA Sono identificabili tre zone: 4

5 Il ciclo termico influenza la dimensione della ZF ma, soprattutto, della ZTA. La severità termica del ciclo è influenzata dai seguenti parametri: APPORTO TERMICO SPECIFICO: q = P vel [J/cm] SPESSORE DEI PEZZI E FORMA DEL GIUNTO EVENTUALE PRE-RISCALDO DEI LEMBI ( C ) 5

6 La severità può essere misurata tramite il parametro: t 8 5 cioè il tempo necessario perché un determinato punto del giunto Passi da 800 a 500 C. Le conseguenze del ciclo termico sono di ordine: MECCANICO (ritiri e tensioni residue) METALLURGICO (ZTA) 6

7 Deformazioni e tensioni residue Durante la saldatura le zone che subiscono un ciclo termico non sono libere di dilatarsi e contrarsi in quanto circondate da materiale a differente temperatura. Si hanno quindi deformazioni plastiche localizzate a seguito delle quali, a temperatura ambiente, si hanno tensioni interne residue. Le tensioni interne residue sono pericolose nel caso in cui: STRUTTURE SOLLECITATE CHE LAVORANO A BASSA TEMPERATURA: rottura fragile. STRUTTURE SOGGETTE A CORROSIONE: le tensioni interne accelerano il processo STRUTTURE SOGGETTE A CARICHI DI PUNTA: le tensioni interne aumentano l instabilità. Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione. 7

8 Difetti nelle saldature Cricche a caldo Cricche a freddo Strappi lamellari Rottura fragile 8

9 Cricche a caldo Si manifestano nella zona fusa nel corso della solidificazione. Durante la solidificazione si ha la segregazione di impurezze a bordo grano. Tra i grani si formano quindi dei Ponticelli di materiale e delle zone di impurità. Nel raffreddamento i ponticelli possono rompersi per effetto delle tensioni interne generando una cricca. Le cricche aumentano se: Elevato tenore di carbonio Elevato tenore di impurezze nel materiale base Tensioni di ritiro elevate 9

10 Cricche a freddo Si manifestano principalmente nella ZTA a temperatura prossima a quella ambiente. Se la velocità di raffreddamento è sufficientemente alta, nella zona saldata si ha la formazione di strutture dure e fragili che, sotto l effetto delle tensioni residue possono rompersi. Il fenomeno è particolarmente evidente in presenza di idrogeno (INFRAGILIMENTO DA IDROGENO). A causa di piccole differenza di composizione tra ZF e ZTA, la trasformazione austenitica avviene dopo nella ZTA. L idrogeno (più solubile nella austenite) migra quindi dalla ZF alla ZTA. Le cricche aumentano se: Sono presenti strutture dure e fragili E presente idrogeno nel bagno di saldatura Presenza di tensioni di ritiro elevate 10

11 Strappi lamellari Si verificano quando il metallo base è sollecitato in direzione normale al piano di laminazione. Durante la laminazione le inclusioni vengono deformate e assumono un aspetto lamelliforme, parallele alla superficie. Per evitare gli strappi lamellari si possono adottare accorgimenti progettuali: 11

12 Rottura fragile Si può verificare anche lontano dalla zona saldata e con un basso valore della sollecitazione esterna. La rottura è detta fragile perché avviene senza deformazione plastica. Può avvenire in strutture che: Lavorano a bassa temperatura Presentano intagli Presentano tensioni residue Gli accorgimenti da adottare sono: Evitare gli intagli sfavorevolmente orientati rispetto alla saldatura Effettuare un trattamento termico di distensione Scegliere acciai di base con temperatura di transizione bassa rispetto a quella di esercizio. 12

13 Effetto dell aria O2 : L ossidazione è favorita ad alta temperatura. La scala di affinità per l ossigeno è Si Mn C Fe. Durante la solidificazione del cordone si forma CO che crea porosità nel materiale. porosità e ossidi di Fe peggiorano le caratteristiche meccaniche N2 : La solubilità dell azoto diminuisce notevolmente con la temperatura. A temperatura ambiente l azoto tende a formare nitruri molto duri ma fragili: si ha quindi una diminuzione di duttiltà e tenacità del materiale 13

14 Preparazione dei Lembi E di particolare importanza per ottenere una completa penetrazione della saldatura. Nelle saldature il cordone è legato all apporto termico specifico del processo: la preparazione dei lembi è funzione del processo di saldatura utilizzato. Tipi di preparazione: CIANFRINATURA a) Lembi retti o ad I b) Lembi a V c) Lembi a Y d) Lembi a X e) Lembi a doppia Y f) Lembi a U g) Lembi a doppia U a - e : piccoli spessori f g : elevati spessori 14

15 Fiamma Ossiacetilenica La fiamma ossiacetilenica viene realizzata mediante la combustione di acetilene ( C2H2 ) e ossigeno ( O2 ). Ha generalmente un applicazione limitata alla giunzione di lamiere (max 8 mm) senza ripresa al rovescio. La diffusione di questo processo sta diminuendo in quanto vengono preferiti processi MAG e TIG. COMBUSTIONE: All uscita del cannello si hanno le seguenti reazioni: C2H2 + O2 = 2CO + H2 + q 2CO + O2 = 2CO2 + q H2 + 1/2 O2 = H2O + q 15

16 Sistema di Saldatura - Poco costoso - Facilmente trasportabile Gas combustibile Filettatura sinistrorsa Gas non combustibile Filettatura destrorsa 16

17 Sistema di Saldatura - Il valore massimo di temperatura è piuttosto elevato ( 3100 C ) e viene raggiunto poco a vale del dardo. - A valle del dardo la fiamma è riducente, cioè consuma ossigeno dall ambiente, ha quindi un azione disossidante. - Perché la fiamma abbia queste caratteristiche occorre che la quantità di ossigeno sia pari a quella dell acetilene. - Una fiamma neutra viene utilizzata per saldare acciaio, acciaio inox, ghisa, rame, alluminio, etc... - Una fiamma ossidante viene usata per saldare bronzi, ottoni. - Una fiamma riducente ( ricca in carbonio ) è in grado di Fornire carbonio al metallo e viene usata in processi di indurimento superficiale ( non in saldatura ). FIAMMA OSSIDANTE cuore bianco pennacchio blu chiaro FIAMMA CARBURANTE cuore ingrossato pennacchio blu 17

18 Sistema di Saldatura Sia il cannello che il materiale d apporto vengono movimentati a mano. Verso destra Verso sinistra 18

19 Saldabilità dei materiali alla fiamma Acciaio: - C < 0,4% : è facilmente saldabile fino a circa 10 mm di spessore - 0,4 < C < 0,6 % : presenta cattiva saldabilità si utilizza metallo di apporto con basso tenore di C. - C > 0,6 % : si riesce a saldarlo solo dopo aver riscaldato i lembi al color rosso con un cannello potente. Ghise: E possibile saldare la ghisa. La preparazione dei lembi è a V per spessori < 9 mm ed a X per spessori > 9 mm. E però necessario riscaldare tutto il pezzo ( 600 C ) per: - evitare le cricche a freddo - evitare la formazione di ghisa bianca (si forma solo ghisa grigia). Le superfici lavorate devono essere protette con una miscela di grafite e olio o grasso durante il riscaldamento. 19

20 Rame: ottima saldabilità, ma non devono rimanere tracce di ossidi che sono eccessivamente fragili. La preparazione dei lembi è: Elevata distanza tra i lembi per l elevato coefficiente di dilatazione termica. Riscaldare il materiale prima della saldatura a causa dell elevata conducibilità termica. Alluminio: per saldare alluminio occorre fare attenzione agli ossidi che hanno temperatura di fusione estremamente elevata, che possono disperdersi nel giunto ed infragilirlo. La preparazione dei lembi è: 20

21 Ottone: ( Cu + Zn ) difficilmente saldabile a causa della volatizzazione dello Zn che crea soffiatura. Bronzo: ( Cu + Sn ) problemi simili all ottone per il basso punto di fusione dello Sn. Acciaio inox: è possibile saldare inox martensitici e austenitici. Si utilizza una fiamma leggermente carburante. 21

22 Difetti dei giunti - Ingrossamento del grano: è presente nella ZTA a seguito della lunga permanenza ad elevata temperatura. E inevitabile in un processo lento come questo, ma può essere ridotto se l operatore è esperto. - Incollatura: si ha quando il metallo base raggiunge la fusione. Anche l incollatura dipende dall abilità dell operatore. Questi difetti non vengono rilevati con CND. Certificazione degli operatori: viene rilasciata una patente di saldatore. 22

23 Generazione dell arco Corrente continua - arco stabile - cordone uniforme Corrente alternata - sistema costoso - assenza soffio magnetico - alta deposizione Polarità diretta - alta deposizione Polarità inversa - alta penetrazione 23

24 Spray arc: V>25 volt Alta velocità Alta penetrazione Alta temperatura Università di Roma Tor Vergata Trasferimento del metallo Pulsed arc: corrente modulata Short arc: V<20 volt Bassa temperatura Bassa penetrazione 24

25 Arco elettrico I processi di saldatura mediante arco elettrico sfruttano un arco voltaico come sorgente di calore. L arco può essere: - diretto: tra un elettrodo ed il metallo base - indiretto (raro): tra due elettrodi ed i lembi, ricevono indirettamente calore L elettrodo può essere: - fusibile: è costituito dal metallo di apporto - non fusibile: è costituito da materiale non fusibile (alla T dell arco) L arco può essere: - in corrente continua - in corrente alternata Se l arco è in c.c., la polarità può essere: - diretta: metallo base collegato all anodo - inversa: metallo base collegato al catodo L arco elettrico è la manifestazione del passaggio di corrente elettrica in un gas ionizzato (plasma). 25

26 Il fenomeno è piuttosto complesso. In prima approssimazione: Fisica dell arco Il più utilizzato è il processo in corrente continua. Per elevate potenze è preferibile l arco in corrente alternata. La temperatura raggiunta dal plasma è più elevata della fiamma ossiacetilenica e varia da 5000 C a C. 26

27 Arco con elettrodi rivestiti L arco scocca tra un elettrodo fusibile rivestito ed il pezzo. Si possono saldare: - materiali ferrosi - nichel e leghe Non si possono saldare: - leghe di alluminio - rame e le sue leghe - metalli a basso punto di fusione 27

28 Circuito di saldatura La movimentazione dell elettrodo è manuale. Il processo ha una ridotta produttività (rispetto a quelli con filo continuo) perché: - l elettrodo deve essere sostituito - dopo ogni passata deve essere rimossa la scoria depositata 28

29 Funzione del rivestimento: - protezione ( gassosa, liquida, solida ) dall aria. - Disossidazione del bagno (O2) - Depurazione del bagno (S, P) - Apporto di elementi di lega Elettrodo rivestito L applicazione tipica è la giunzione di testa di tubi per trasporto di fluidi. Si possono saldare spessori fino a circa 20 mm senza ripresa dal retro. Il difetto più frequente è l inclusione di scorie nel cordone di saldatura. 29

30 Arco sommerso (submerged arc welding) L arco scocca tra un elettrodo fusibile, alimentato con continuità, ed il metallo base. L energia sviluppata dall arco porta a fusione l elettrodo, il metallo base ed il flusso. Il flusso fuso avvolge l arco (arco sommerso) e protegge il materiale fuso dalla contaminazione dell aria. Apparecchiatura 30

31 Questo processo viene utilizzato per saldare acciaio di elevato spessore (60 mm, elevata potenza delle saldatrici). La scoria va eliminata dopo ogni passata. Il vincolo applicativo è dato dalla necessità di operare in piano. Applicazione tipica: saldatura di tubi ( longitudinalmente ). 31

32 MIG - MAG La saldatura avviene in atmosfera protetta. L elettrodo è fusibile ed è alimentato in continuo (filo). Gas di protezione: L arco, il metallo fuso ed il bagno sono mantenuti in una atmosfera di gas protettivo che protregge dalla contaminazione dell aria. Si possono avere: - MIG: il gas è inerte ( Argon, Elio ) - MAG: il gas è CO2 o miscele di CO2 32

33 Gas inerte: Argon: viene ricavato dall aria e deve essere estremamente puro (99,99%). E più pesante dell aria (rimane sul bagno) ed è insolubile nel fuso. Elio: ha un potenziale di ionizzazione maggiore dell argon, l arco ha una temperatura maggiore (aumenta la produttività). E però più costoso. E più leggero dell aria ed è insolubile nel bagno fuso. CO2: Gas protettivo di basso costo. Ad elevate temperature la CO2 si dissocia in CO + ½ O2 per poi riassociarsi in prossimità del bagno (liberando energia). CO2 + C 2CO Il bagno risulta carburato. Il MAG non può essere usato quando si vuole mantenere sotto stretto controllo gli elementi di lega. Si formano facilmente delle porosità nel cordone Si aggiunge Si e Mn FeO + C Fe + CO 33

34 Vantaggi tecnologici del processo MIG/MAG: (rispetto al processo con elettrodi rivestiti). - continuità del processo di saldatura - assenza di scoria (produttività) - migliore visibilità del bagno di fusione rispetto all arco sommerso - elevate velocità di saldatura - assenza di H2O nell atmosfera (infragilimento da idrogeno) Limitazione del processo: - apparecchiatura complessa, più costosa e meno trasportabile - la torcia è ingombrante - occorre evitare che correnti d aria investano la zona di saldatura. Applicazioni: Gas inerti: si saldano alluminio, rame, e in parte acciai inox CO2: si utilizza per saldare acciai dolci o basso legati. 34

35 TIG La saldatura avviene in atmosfera protetta. L elettrodo è infusibile. Il materiale d apporto è fornita in bacchette e viene maneggiato a mano L elettrodo, la bacchetta di materiale di apporto, il bagno e l arco sono protette dalla contaminazione dell atmosfera da un flusso di gas inerte. La torcia è collegata al generatore, alla bombola del gas e, nel caso di elevate correnti (>200 A), ad un sistema di raffreddamento ad acqua. 35

36 Gas di protezione: - Argon: come per MIG/MAG - Elio: come per MIG/MAG - Miscele: tipiche Ar He, Ar H, (acciai inox austenitici) Ar CO2 36

37 Alimentazione della torcia: - polarità diretta: il tungsteno è un ottimo emettitore, l anodo viene bombardato da elettroni con elevata energia e si riscalda. Il bombardamento elettronico non riesce a rompere lo strato di ossido di alcune leghe ( alluminio, magnesio ). - polarità inversa: viene utilizzata per saldare le leghe leggere, ma lo sviluppo di calore all elettrodo porta quasi a fusione e si possono avere inclusioni di tungsteno nel bagno ( A< 100 Ampere ). - corrente alternata:(a>100 Ampere) 50 Hz vantaggi di entrambe le polarità. 37

38 Saldature per resistenza Il riscaldamento del materiale avviene per effetto Joule, mentre la saldatura avviene applicando una pressione. Non vi è metallo di apporto. Il calore generato è: Q = K٠R٠I 2 ٠t In generale: I = A t = 0,1 1 s 38

39 Schema di funzionamento: Ideale: R 3 >> R 2, R 1, R 0 In pratica: R 3 ~ R 1 > R 2 ~ R 0 R 0 : bassa utilizzando elettroni di rame R 1 : viene limitata dalla forma degli elettrodi e dalla pressione applicata R 2 : è legata al materiale e allo spessore R 3 : è legata alla finitura superficiale 39

40 Parametri di processo: - Pressione: va scelta accuratamente bassa incollatura alta foratura - Corrente e tempo: Si cerca di utilizzare t brevi per limitare la trasmissione del calore verso gli elettrodi. - Applicazioni: saldatura di lamiere. Utilizzando t brevi è possibile saldare acciao inox. A Rulli: - Applicazioni: lamiere sottili 40

41 Brasatura Il metallo d apporto è molto diverso dal metallo base (es. stagno per unire rame). - Procedimento: si dispone il metallo base in modo che tra le parti da unire rimanga una intercapedine capillare, si riscalda il metallo base ad una T < T ma T > T f.m.base f.m.apporto. Il materiale da apporto viene messo in contatto con il metallo base, fonde e cola nell intercapedine. - Brasature dolci: vengono realizzate con una lega saldante a basso punto di fusione (<400 C). L adesione è piuttosto debole e non sopporta sforzi di trazione, flessione, torsione. In generale viene eseguita con saldatori. - Brasature forti: vengono realizzate per unire metalli con alto punto di fusione. L adesione deve essere particolarmente resistente. Il materiale d apporto è in granelli, fili o lamierini a secinda dei pezzi da saldare. 41