Relazione sui principi fondamentali della saldobrasatura dei componenti in acciaio inossidabile in atmosfera controllata di azoto e idrogeno in forni continui A cura di: Grillo Sergio Foto 1 Forni continui di saldobrasatura acciai inox Pag 1/6
L utilizzo di forni in atmosfera controllata di tipo continuo per la saldobrasatura e la ricottura di componenti in acciaio inossidabile sta diventando sempre più frequente con il crescere dell utilizzo da parte dei produttori dei settori più variegati come aerospaziali, idraulici e automobilistici di componenti in acciaio inossidabile sia relativamente a progetti esistenti che a progetti futuri. Nonostante molto della metallurgia e delle termodinamiche del ferro, del cromo, del nickel e dei loro componenti siano ben conosciuti, un riesame dell applicazione dei fondamentali delle usuali tecniche di utilizzo e delle apparecchiature tecnologiche può aiutare a migliorare la qualità del prodotto, allargare le loro applicazioni e ottimizzare i costi per un netto miglioramento della competitività. Introduzione Il processo di saldobrasatura inizia posizionando una sorgente di metallo riempitivo (lega di rame sottoforma di pasta, anelli o lamine; leghe di nikel cromo boro; etc) in stretta prossimità della giuntura a base di metallo che deve essere brasata. Il componente così assemblato viene poi posizionato su di un piano o direttamente sopra un nastro che trasporta il prodotto assemblato attraverso il forno continuo di saldobrasatura in atmosfera controllata. La giuntura saldobrasata è composto dal metallo riempitivo fuso e colato con un effetto capillare nei pori della superficie del pezzo per formare una lega di metalli in corso di solidificazione. Lega Lega in fusione Giunto brasato Forni per Saldobrasatura L obiettivo del forno per saldobrasatura è di garantire una relazione stabile tra tempo, temperatura e atmosfera controllata che sia precisa, ripetibile ed economica andando incontro alle esigenze del processo di saldobrasatura. Relazione Tempo Temperatura La relazione tempo temperatura è il primo passo per raggiungere una buona qualità del prodotto. L energia termica fornita dal forno è utilizzata per diverse funzioni. Il pezzo da trattare deve essere prima riscaldato ad una temperatura alla quale l ossido superficiale del metallo base possa essere ridotto per effetto della reazione degli ossidi presenti e i componenti riducenti della atmosfera controllata. Per gli acciai inossidabili della serie AISI 300 la temperatura di saldatura è di solito tra i 1040 e i 1100 C in atmosfera ad alta concentrazione di idrogeno ( H 2 = 75 80%) se si effettua la saldobrasatura con rame o nikel cromo fosforo e di idrogeno puro (H 2 = 100%) se si usano leghe di apporto al nikel cromo boro o silicio. Energia aggiuntiva è necessaria per fondere il metallo riempitivo e formare una lega con il metallo base. Nel caso del rame e di acciai inossidabili della serie AISI 300, il campo di variabilità della temperatura per la brasatura è tra 1090 1100 C e nel caso di leghe di nikelcromo è di 1080 1130 C. Questa temperatura dipende dalla forma e composizione del metallo brasante, dalla tipologia del componente e dal suo assemblaggio, così come da altre condizioni operative quali la velocità del nastro trasportatore, la lunghezza della zona di riscaldo, ecc La velocità di raffreddamento dei pezzi trattati è anch essa importante per potenziali distorsioni o deformazioni. La velocità di raffreddamento ottimale è fortemente dipendente dalla forma geometrica dei pezzi trattati e dal modo in cui i pezzi sono caricati sul nastro trasportatore. La verifica della curva di temperatura sul pezzo si può effettuare con una o più termocoppie filari poste sul pezzo e agganciate al nastro trasportatore e collegate ad un computer che ne rileva, lungo il percorso nel forno, i vari gradienti di temperatura. Questi profili servono a determinare il profilo termico in funzione della temperatura e diventano, per ogni tipologia di pezzo, il protocollo termico produttivo. Il profilo della temperatura è un importante strumento sia per stabilire un processo di brasatura o ricottura ottimale sia per eliminare futuri problemi che possano sorgere durante il trattamento. Un buon profilo di riferimento dovrebbe essere tenuto a portata di mano nel caso di problemi durante il processo. Comparando, infatti, il profilo di riferimento con il profilo rilevato al momento dell insorgere del problema, la relazione Esempio di curva di processo Pag 2/6
tempo temperatura può essere identificata o eliminata, dando così un contributo alla risoluzione del problema sorto durante il trattamento. Controllo dell atmosfera La chiave per realizzare con successo una buona brasatura è la preparazione della superficie. La presenza di elementi contaminanti o ossidi impedisce al metallo riempitivo di entrare in contatto con parti della superficie da trattare. Nel caso anche di poca ossidazione, i pori della superficie da trattare saranno chiusi dall ossido, impedendo in tal modo un azione capillare e in ultimo la stessa realizzazione della brasatura. Questo è il motivo per cui la superficie che deve essere sottoposta al trattamento deve essere esente da grassi oleosi e dalla presenza di olii e quindi deve essere ben lavata ed asciugata. Raggiungere a mantenere il necessario livello di pulizia in forno è compito della atmosfera controllata che, contenendo molti elementi riducenti, già dalle basse temperature agisce come lavaggio termico preparando così la superficie a permettere alla lega saldante di penetrare nei pori del metallo. L ossido presente sulla superficie deve essere ridotto prima che si raggiunga la temperatura di fusione del metallo di apporto. La riduzione è di solito realizzata tramite una reazione dell idrogeno con l ossigeno presente nell ossido formando così vapore acqueo. Curva di ossidazione dei metalli Mantenere ridotta la superficie in forno è molto più difficile per la brasatura di componenti in acciaio inossidabile che per la brasatura di componenti in acciaio dolce. Infatti, il cromo presente nell acciaio inossidabile forma un ossido molto più stabile ad un livello di presenza di ossigeno molto più basso di quanto accada per il ferro. La presenza di troppo vapore acqueo (dew point) od ossigeno nel sistema impedisce alla reazione di procedere e quindi di ridurre l ossido. Il punto di rugiada determina in C la quantità del vapore acqueo presente nel sistema a determinate condizioni. Il punto di rugiada è la temperatura alla quale una quantità di vapore acqueo nel sistema saturerà l atmosfera e si condenserà formando goccioline d acqua. Di solito il punto di rugiada richiesto per la saldobrasatura di giunti in Pag 3/6
acciaio inossidabile in atmosfera del 100% di idrogeno è di 50 C mentre per la ricottura, in funzione della brillantezza che si vuole ottenere, è compreso tra 20 e 50 C. La produzione industriale per brasatura di pezzi in atmosfera controllata, che è adatta per la brasatura di componenti in acciaio inossidabile, è comune per i forni continui a nastro trasportatore. Tecniche quali, barriere con tendine, controllo del flusso direzionale e una corretta progettazione del camino e dell apertura delle porte, assieme alla qualità delle pratiche di produzione, hanno permesso a prodotti, che una volta erano solamente brasati a mano, di essere invece brasati in forni continui a nastro trasportatore in atmosfera ricca di idrogeno 80 100%. Non è raro avere in questo tipo di forni, ed in particolar modo in quelli a gobba d asino, punti di rugiada sotto i 60 C. Determinante è la qualità dei gas sintetici utilizzati in partenza da stoccaggio o da autoproduzione locale. In ogni caso la qualità dell azoto e dell idrogeno utilizzati devono rispondere alla purezza come da tabella sotto riportata: IMPORTANTE!!!! La qualità dei gas utilizzati per l atmosfera controllata devono avere le seguenti caratteristiche: Caratteristica AZOTO N 2 IDROGENO H 2 Purezza % 99,998% 99,998% Punto di rugiada (Dew Point) 70 C 60 C Percentuale di Ossigeno (O 2 ) max 5 ppm max 5 ppm Normative di riferimento CAS n. 7727 37 9 CAS n. 1333 74 0 Utilizzo Industriale Industriale N.B._ La qualità dei gas sopraccitata permette di ottenere buoni risultati di brillantezza e buon dew point all interno del forno. Nel caso di utilizzo di impianti di generazione di idrogeno, fare molta attenzione nello scambio delle torri di essiccazione che non venga iniettato azoto in linea e che, dopo lo scambio e prima di inserire il nuovo idrogeno al forno, venga spurgato per almeno 10 15 minuti in aria in modo da mantenere pulita la linea. In questo caso osservare attentamente quanto citato nelle normative EN 746 3 e sue appendici.. Le porte di apertura del forno sono alcune delle aree più importanti da considerare riguardo ai forni in atmosfera. Una quantità sufficiente di atmosfera deve uscire dalle porte per evitare infiltrazioni d aria all interno del forno. Porta Cappa raccolta ingresso Cappa raccolta uscita Porta d uscita Pag 4/6
La quantità di flusso che deve fuoriuscire dall apertura delle porte è direttamente correlata all area totale della sezione trasversale dell apertura della porta. Per minimizzare la quantità di atmosfera necessaria per impedire infiltrazioni dell aria, le porte di entrata ed uscita del forno dovrebbero essere posizionate in modo da consentire alla parte più alta del pezzo da trattare di passare sotto la porta lasciando approssimativamente 12 13 mm circa di spazio luce. Quando s installa il forno per brasatura, è molto importante considerare il tipo di progettazione dei camini che saranno utilizzati per dar sfogo ai fumi per farli uscire dalle cappe del forni verso l esterno. La differenza di pressione tra l esterno e l interno ha una diretta influenza sul flusso all interno del camino, dove folate d aria verso il basso sono problemi di ventilazione molto comuni. Se i camini sono direttamente collegati alle cappe del forno, queste folate d aria possono essere abbastanza forti da superare la resistenza del flusso dell atmosfera del forno in uscita, costringendo tale flusso a riparare di nuovo all interno del forno stesso. E sempre una buona pratica tenere separati le cappe del forno dai camini e separare i camini tra entrata ed uscita. Questo consentirebbe lo scambio d aria tra l interno della costruzione del forno e l esterno, senza influenzare il flusso dell atmosfera. Una certa attenzione deve anche essere prestata all ambiente circostante al forno. Grandi porte aperte, aspiratori di scarico e ventilatori personali sono solo alcuni esempi di influenze esterne che possono causare problemi al buon funzionamento del forno. Le forti correnti d aria che sono spesso generate in queste situazioni, sono frequentemente la fonte d aria che entra all interno del forno. Di conseguenza, quando è possibile, ventilatori e altri generatori di corrente d aria dovrebbero essere tenuti lontani dalle porte del forno. Nei casi in cui ciò non è possibile, un aumento della quantità del flusso di atmosfera attraverso il forno può qualche volta aiutare. Mantenere l integrità dell atmosfera lungo il ciclo di vita di un forno richiede alcune semplici operazioni di manutenzione di routine. Gli operatori dovrebbero visivamente controllare lo stato delle barriere con tendine a scadenza giornaliera. Le tendine all interno delle barriere, infatti, agiscono come barriere meccaniche al flusso. Il bisogno del flusso dell atmosfera è molto ridotto nella sezione posteriore del forno, se le tendine sono mantenute ad un livello che siano in contatto con il nastro trasportatore. Questo avrà un diretto impatto sui costi operativi di mantenimento del forno. Le tendine aiutano anche la direzionalità del flusso atmosferico. Dato che il percorso di minor resistenza è ora verso la parte anteriore del forno, il flusso dell atmosfera tenderà a spostarsi in avanti. Il caldo dell atmosfera aiuta a scaldare i pezzi in arrivo e spinge fuori eventuali componenti volatili emessi durante il processo di brasatura. Nel corso del tempo le tendine si consumano con il continuo passare dei pezzi attraverso di loro. Questo lascia a lungo andare uno spazio vuoto tra le tendine e il nastro trasportatore quando i pezzi non sono in passaggio, ottenendo come risultato maggiori infiltrazioni d aria nel retro del forno. Le tendine dovrebbero di conseguenza essere riparate per chiudere questo spazio vuoto e ristabilire il contatto con il fondo dell apertura lungo tutta l ampiezza della barriera. Pag 5/6
Conclusioni Il forno continuo in atmosfera controllata è il mezzo economicamente più vantaggioso per la saldobrasatura in grandi quantità di pezzi in acciaio inossidabile. Le relazioni tempo temperatura atmosfera fornite da questi forni sono ora in grado di fornire un ambiente di brasatura che una volta era possibile solo con altri costosi sistemi. L attuale tecnologia usa idrogeno per ridurre gli ossidi sulla superficie del metallo base da trattare per permettere un buon flusso capillare del metallo riempiente fuso. Attraverso progetti innovativi ed una manutenzione ordinaria semplice, questi forni sono in grado di produrre a più bassi costi operativi e di capitale. Pag 6/6