Giunzioni mediante saldatura

LA SALDATURA TECNICA DI UNIONE DI DUE PEZZI, METALLICI E NON, MEDIANTE REALIZZAZIONE DI CONTINUITA' DEL MATERIALE. Due pezzi sono uniti quando la loro posizione reciproca e' fissa (no movimenti reciprochi).

ContinuitĂ del materiale: quando i due pezzi diventano uno solo mediante fusione.

Una delle possibili tecniche di giunzione tra due pezzi (filettature, chiodature, incastritolleranze, incollaggi).

METALLO D'APPORTO

LEMBI

CORDONE DI SALDATURA

FONTE DI CALORE

LA SALDATURA POSIZIONE PEZZI

ESEMPI DI GIUNTI SALDATI

CIANFRINATURA

DIFETTI ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔

Mancanza di fusione: presenza di metallo non fuso tra le diverse passate in cui viene realizzato il giunto; Penetrazione insufficiente: il metallo d'apporto non penetra fino alla zona bassa dei lembi e non si fonde con il metallo base; Inclusione di scorie; Porosità e soffiature dovute a inclusioni di gas; Incrinature e crepe dovute a raffreddamento non uniforme sia del metallo di base che di quello d'apporto; Riduzione di spessore a seguito di eccessiva fusione.

A FIAMMA - OSSIACETILENICA Il calore necessario alla fusione del metallo di base e d'apporto è fornito dalla combustione di un gas e ossigeno (termochimica).

Il cannello è l'apparecchio che permette di miscelare i gas e indirizzare la fiamma.

La reazione di combustione è una reazione di ossidazione veloce con sviluppo di calore e fiamma.

Al variare del gas bruciato si raggiungono temperature diverse: ossiacetilenica 3200 °C; ossidrica (H) 2500 °C, ossimetica (metano) 2750 °C; ossibutanica (butano) 2850 °C. Il metallo d'apporto è un filo-barretta metallica di dimensioni idonee al tipo di saldatura da ottenere sia come dimensione del filo che come tipo id materiale.

IMPIANTO:

A FIAMMA - OSSIACETILENICA

ARCO ELETTRICO - ELETTRODO Nella saldatura ad arco si sfrutta il calore generato da un arco elettrico per fondere il materiale da saldare.

Un arco elettrico è un passaggio di corrente elettrica (flusso di elettroni) attraverso un gas (aria) normalmente non conduttore.

Il flusso si instaura fra due elettrodi a differente potenziale, cioè fra i due poli di un circuito elettrico, quando la capacità di attrazione degli elettroni da parte dell'elettrodo supera la resistenza dell'aria (scarica elettrica).

Gli elettroni si muovono dal polo negativo (catodo) perché attratti dal polo positivo (anodo). Il moto difficoltoso di questi elettroni provoca una trasformazione dell'aria stessa (ionizzazione) accompagnata da un notevole sviluppo di calore e luminosità.

Le temperature raggiunte fra gli elettrodi sono di circa 4000°C, in particolare l'anodo è più caldo del catodo (2800 °C) perché è soggetto a un vero e proprio bombardamento.

Generatore elettrico

ARCO - ELETTRODO RIVESTITO (SMAW) Nelle zone di saldatura hanno luogo reazioni chimiche (a causa delle elevate temperature) che danneggiano le caratteristiche del giunto. In particolare devono essere evitate le ossidazioni (inclusioni di ossidi).

Per ovviare a questo problema vengono usate sostanze che fondendo creano una nuvola di gas capace di non ostacolare la saldatura e allo stesso tempo proteggerla dall'ossidazione.

In questo caso la sostanza protettiva è il rivestimento dell'elettrodo, che quindi viene fuso assieme con il metallo d'apporto.

ARCO SOMMERSO (SAW)

In questo tipo di saldatura la protezione del bagno di saldatura viene fatta tenendo ricoperto l'arco con un flusso granulare (anzichĂŠ con il rivestimento degli elettrodi). La graniglia fonde sotto il calore dell'arco ma si trasforma in scoria che galleggia sul metallo liquido del giunto. A saldatura ultimata la graniglia viene rimossa facilmente.

VANTAGGI: Permette di saldare grossi spessori.

SVANTAGGI: si esegue solo per saldature in piano a causa del flusso protettivo.

TIG – Tungsten Inert Gas Metodo ad arco elettrico in cui l'elettrodo è infusibile in quanto di tungsteno (tf = 4200 °C).

La funzione protettiva del bagno di saldatura viene svolta da un gas inerte (argon) che fuoriesce dalla torcia durante la saldatura.

La saldatura può essere eseguita con o senza metallo d'apporto.

Dalla torcia fuoriesce un gas protettivo per il bagno di saldatura che è inerte: argon.

VANTAGGI: - Giunto molto resistente e esteticamente bello; - Processo molto versatile.

SVANTAGGI: - Materiale d'apporto in bacchetta quindi scarsa automatizzazione del processo; - Alto costo del gas; - E velocità relativamente bassa.

MIG – Metal Inert Gas Metodo analogo al processo TIG ma in cui l'elettrodo non è infusibile ma è un filamento alimentato in continuo e fusibile.

Quindi l'elettrodo fornisce anche il metallo d'apporto.

Dalla torcia fuoriesce un gas protettivo per il bagno di saldatura che è inerte: argon.

VANTAGGI: - Maggior calore nel giunto quindi maggior velocità e penetrazione; - Automazione processo.

SVANTAGGI: Alto costo gas protettivo.

MAG – Metal Active Gas Metodo analogo al processo MIG ma in cui dalla torcia fuoriesce un gas che partecipa alla fusione dei lembi: CO2.

Vi sono due tecniche: SHORT ARC in cui il metallo d'apporto viene depositato sotto forma di gocce. Adatto per piccoli spessori perché la temperatura sviluppata è bassa in quanto l'arco si spegne (cortocircuito) ad ogni distacco di goccia.

SPRAY ARC in cui il metallo d'apporto viene proiettatosparato contro il giunto sotto forma di minuscole particelle. Adatto per grossi spessori perché molto liquido.

VANTAGGI: - Penetrazione elevata del cordone di saldatura in quanto la dissociazione del gas sviluppa calore; - Minor costo del gas protettivo; - Più veloce di quello ad arco rivestito e tig.

SVANTAGGI: La funzione protettiva del bagno di saldatura deve essere svolta dal materiale d'apporto che, come nella saldatura a elettrodo rivestito, è un filo rivestito di manganese e silicio che sciogliendosi svolge la funzione protettiva e si raccoglie sotto forma di scoria.

SALDATURA AL PLASMA PLASMA: accelerando e riscaldando fortemente un gas i suoi atomi e molecole si urtano violentemente e si ionizza, si “scompone”: cioe' gli elettroni si staccano dagli atomi e di conseguenza il gas non risulta piu' formato da particelle neutre ma da ioni positivi e negativi.

QUESTI IONI POSSEGGONO GIA' TANTA ENERGIA MA POSSONO ESSERE A LORO VOLTA ACCELERATI DAL CAMPO ELETTRICO PRESENTE e DALLA GEOMETRIA DELL'UGELLO.

SALDATURA AL PLASMA

UTILIZZO L'ENERGIA DELL'ARCO PER PRODURRE PARTICELLE ELETTRICHE AD ALTISSIMA TEMPERATURA CHE SPINGO CONTRO I LEMBI DEI PEZZI PER FONDERLI. SI FORMA UN “ARCO SECONDARIO” CONCENTRATO. VANTAGGI: - PROCESSO RAPIDO (più del TIG); - GIUNTO CONCENTRATO e PROFONDO; - ANCHE SU MATERIALE NON CONDUTTORE - PICCOLI SPESSORI IN UNICA PASSATA. SVANTAGGI: - PROCESSO COSTOSO - EFFETTO KEYHOLE

LASER LASER = Light Amplification by Stimulated Emission Radiation.

Fascio di luce (onda elettromagnetica) amplificato mediante emissione stimolata di radiazione (radiazione coerente). Quindi un fascio luminoso di grande energia.

Alcuni materiale possono essere eccitati mediante un'onda elettromagnetica. L'interazione di quest'onda con gli atomi eccitati provoca l'emissione di un'altra onda coerente (solido, gassoso).

Quest'onda viene concentrata sul punto desiderato.

VANTAGGI: - PROCESSO RAPIDISSIMO; - GIUNTO CONCENTRATO e PROFONDO (poche distorsioni); - ANCHE SU MATERIALE NON CONDUTTORE; - NO METALLO D'APPORTO - AUTOMATIZZAZIONE SVANTAGGI: - PROCESSO COSTOSO - FRAGILITA' DEL GIUNTO - ESIGENZA DI PRECISIONE NEL GIUNTO - BASSA POTENZA

FASCIO ELETTRONICO

Detta anche a bombardamento elettronico in quanto stimolando elettricamente alcuni materiali (funzionamento da catodo) questi emettono elettroni che vengono accelerati (2/3 velocitĂ della luce) e diretti contro il pezzo da fondere VANTAGGI: - processo rapido (piĂš del tig); - giunto concentrato e profondo ; - anche su materiale non conduttore; - no metallo d'apporto - automatizzazione SVANTAGGI: - processo costoso - bassa potenza - processo da eseguire nel vuoto - esigenza di precisione nel giunto

SOTTO SCORIA Sfrutto il calore per effetto Joule dovuto all'attraversamento di una corrente nella scoria fusa.

Sfrutto il calore della scoria fusa per fondere i lembi e il materiale d'apporto.

VANTAGGI: - PROCESSO PER GROSSI SPESSORI DI LAMIERE; - GIUNTO ROBUSTO; SVANTAGGI: - SFRUTTAMENTO DELL'ENERGIA POCO EFFICIENTE (poco concent.); - PROCESSO LENTO E DA ESEGUIRE IN VERTICALE;

SALDATURA A RESISTENZA Processo in cui si sfrutta la pressione e un passaggio di corrente per generare la fusione del materiale dei lembi.

Si sfrutta l'effetto Joule per cui il calore che si sviluppa nella zona di saldatura è approssimabile con il seguente valore

H=I2*R*t

Quindi in genere si raggiungono temperature di circa 1600 °C. CICLO 1- I pezzi da saldare vengono avvicinati, 2- Gli elettrodi premono fra loro i lembi 3- Rapido passaggio di UNA corrente molto intensa.

4- Mantenimento della pressione per ottenere omogeneità del giunto fino a solidificazione.

VANTAGGI: - processo rapido e economico; - assenza di metallo d'apporto; SVANTAGGI: - materiale conduttore; - necessità di prevedere lo spazio per gli elettrodi; - giunti con resistenza limitata.

SALDATURA A RESISTENZA

(a)

(b)

PER ATTRITO

VANTAGGI: - processo rapido; - giunti di elevata resistenza; - no metallo d'apporto; - automatizzazione: SVANTAGGI: - pezzi di adeguata geometria - preferibilmente su materiali conduttori.

PER ATTRITO (Friction Stir Welding) Grazie all'azione della pressione di schiacciamento e della roto-traslazione del perno sui due lembi questi si scaldano (grazie all'attrito) e si plasticizzano, non fondono (stir = mescolamento).

Ricristallizzando nel raffreddamento i due pezzi si uniscono (coesione atomica).

La presenza sul perno di una sporgenza appuntita è necessaria per plasticizzare meglio il materiale.

VANTAGGI: - processo semplice e poco costoso; - anche su materiale non conduttore e diversi; - no metallo d'apporto - automatizzazione - ottimo con l'alluminio e compositi - unica passata e poche distorsioni SVANTAGGI: - giunto grossolano - su superfici lisce

ULTRASUONI Grazie all'azione combinata della pressione di schiacciamento dei due pezzi e delle vibrazioni ultrasoniche il materiale dei due lembi viene scaldato (grazie all'attrito) e si plasticizza, non fonde.

Ricristallizzando nel raffreddamento i due pezzi si uniscono (coesione atomica).

VANTAGGI: - processo rapido; - anche su materiale non conduttore; - no metallo d'apporto - automatizzazione SVANTAGGI: - bassa potenza - processo da eseguire nel vuoto - esigenza di precisione nel giunto

SALDABILITA' ACCIAIO / ACCIAIO INOX

La sua saldabilità diminuisce all'aumentare della percentuale di C. Molto utilizzate sono le saldature ossiacetilenica e a arco, in particolare a elettrodo rivestito, arco sommerso.

Per gli acciai inox sono particolarmente indicate le saldature ad arco in atmosfera gassosa, quali TIG, MIG e MAG. Molto utilizzata per la flessibilità e semplicità è la saldatura elettrice.

GHISA

Non presenta buona saldabilità e presenta varie problematiche legate alla fragilità e al notevole ritiro.

Migliora la saldabilità se si utilizza ghisa grigia (grafite) o se si esegue un preriscaldo al fine di ottenere proprio ghisa grigia.

Va eseguito un post-riscaldo lento per ridurre le tensione e le cricche durante il raffreddamento.

Molto usate le a elettrodo rivestito e al TIG.

ALLUMINIO

Essendo ricoperto da un ossido che fonde a ~2000 °C (mentre la temperatura di fusione dell'alluminio è di circa 600-700 °C) è necessaria una notevole quantità di calore, quasi quanto quella utilizzata per l'acciaio. Questo anche a causa della sua elevata conducibilità termica che provoca un grosso dispendio di energia e un'estesa zona termicamente alterata.

Questi fattori assieme pregiudicano l'utilizzo della saldatura a fiamma, a elettrodo rivestito (reattività) e quella elettrica (soprattutto a causa dell'ossido).

Quindi le tecniche più utilizzate sono quelle ad arco in atmosfera gassosa, quali TIG, MIG e MAG (vedi telai biciclette).

Il laser è poco utilizzato a causa dell'alta riflettività e instabilità, il plasma perché troppo energetico.

Molto impiegate invece le saldature per attrito e in particolare FSW perché è un materiale tenero, è caratterizzato da una ridotta zona termicamente alterata e riduce le deformazioni.

SALDABILITA' TITANIO

La sua elevata reattività con i gas dell'aria ne condiziona la saldabilità (alta temp. fusione ~ 1700°C).

Sono necessarie quindi le saldature in atmosfera protettiva come TIG e MIG in quanto il gas inerte protegge bagno di saldatura e giunto per evitare la fragilità.

Meglio ancora la saldatura a elettroni perché in camera a vuoto. Adatte anche quelle per attrito.

No fiamma e elettrodo rivestito.

RAME / OTTONE

Buona saldabilità a causa della bassa temp. Di fusione e della conduttività elettrica/termica.

Molto utilizzate le saldature al laser e quella elettrica, poco quelle ad arco.

In alcuni casi quelle per attrito.

NICHEL

Molto adatte tutte le saldature ad arco, soprattutto quella ad arco sommerso.

MATERIE PLASTICHE

Il loro basso punto di fusione non richiede processi molto potenti, anzi è bene preferire quelli che sono “meno” potenti ma con ridotta zona termicamente alterata. Quindi sono molto utilizzate la saldatura laser, plasma e ultrasuoni.