SALDATURE SALDATURE

Tecnologia Meccanica
SALDATURE
La SALDATURA è una tecnica di giunzione che realizza l’unione permanente di due pezzi metallici con o senza
apporto di materiale (METALLO D’APPORTO) e sotto l’azione del calore. Il METALLO D’APPORTO viene
distribuito allo stato fuso tra i lembi opportunamente preparati (cianfrinatura) dei pezzi da collegare. I LEMBI, o
bordi, sono le superfici che in tutta la loro lunghezza sono interessate nella saldatura dei pezzi; la loro riparazione
è eseguita dando la forma geometrica più opportuna, in funzione soprattutto dello spessore da saldare, per
facilitare l’esecuzione della saldatura.
Il materiale dei pezzi da collegare si chiama
MATERIALE BASE.
Il BAGNO DI FUSIONE è la parte di metallo
che durante la fusione si trova allo stato liquido.
SALDATURE
Il CORDONE DI SALDATURA è costituito da
tutto il metallo, sia di base sia d’apporto, solidificati
per raffreddamento dopo essere stati fusi nella saldatura.
Il cordone di saldatura è l’elemento essenziale del giunto
saldato e la sua deposizione determina la tecnica di saldatura vera e propria. In base alla posizione del cordone di
saldatura si distinguono le seguenti POSIZIONI DI SALDATURA:
Saldature
1
Tecnologia Meccanica
Il risultato dell’operazione di saldatura si chiama GIUNTO SALDATO. In base alla posizione relativa
dei pezzi da saldare si distinguono i seguenti TIPI DI GIUNTO:
SALDABILITÀ
L’attitudine dei metalli a saldarsi si chiama SALDABILITÀ: un materiale ha buone proprietà di saldabilità quando
un suo pezzo, prima rotto e successivamente saldato, conserva lungo il giunto saldato CARATTERISTICHE
Le
saldature autogene
sonoaquelle
in cui fonde
il materiale
base mentre
il materiale
d'apporto
può o
MECCANICHE
non inferiori
quelle precedenti
la rottura.
La saldabilità
è condizionata
dai seguenti
elementi:
-TEMPERATURA DI FUSIONE del metallo base;
meno
TEMPERATURA
FUSIONE d'apporto
e MASSA VOLUMICA
del metallo base e del metallo d’apporto;
è -sempre
presente DI
il materiale
e il metallo degli
base ossidi
non fonde.
- CONDUCIBILITÀ TERMICA del metallo base;
- CONDUCIBILITÀ ELETTRICA (nel caso di saldatura elettrica);
- TRASFORMAZIONI STRUTTURALI.
Un materiale metallico (METALLO BASE) è saldabile se:
- la temperatura di fusione del suo ossido è minore di quella del metallo base;
- la massa volumica dell’ossido è minore di quella del metallo fuso in modo che galleggi.
Se non sussistono queste condizioni bisogna ricorrere a polveri disossidanti con le seguenti proprietà:
- massa volumica minore di quella del metallo fuso;
- temperatura di fusione minore di circa 100 °C di quella del metallo base;
- capacità di sciogliere l’ossido del bagno.
Saldature
2
Tecnologia Meccanica
”
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
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
è sempre presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
a)
b)
c)
d)
Lembi
Lembi
Lembi
Lembi
retti o ad I
aV
aY
aX
e) Lembi
f) Lembi
g) Lembi
a doppia Y
aU
a doppia U
a - e : piccoli spessori
f – g : elevati spessori
Saldature
3
Tecnologia Meccanica
La classificazione dei
Processi di saldatura può
essere fatta nel
modo seguente:
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle è sempre presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
SALDATURE AUTOGENE quando il metallo base prende parte, fondendo, alla formazione del giunto; il metallo
d’apporto può non esserci a secondo del procedimento e dello spessore. Quando è presente è metallurgicamente
simile al metallo base, poiché si tende ad ottenere nella giunzione una continuità strutturale e una resistenza
meccanica pari a quella dei pezzi da saldare. A seconda dello stato fisico in cui si trovano i pezzi al momento della
loro unione si hanno:
-SALDATURE PER FUSIONE quando i pezzi vengono uniti allo stato liquido. In base a come viene prodotto il
calore necessario per portare a fusione il metallo si distinguono saldature a gas o ad arco.
-SALDATURE A PRESSIONE quando i pezzi vengono collegati non allo stato fuso, ma quando si trovano in uno
stato pastoso. Tale stato viene raggiunto, generalmente, per effetto Joule, dal passaggio di una corrente elettrica.
Saldature
4
Tecnologia Meccanica
SALDATURE ETEROGENE quando il metallo base non prende parte alla formazione del giunto. Il cordone di
saldatura è formato dal solo metallo d’apporto, sempre presente, diverso dal metallo base e con temperatura di
fusione inferiore. A seconda di come avviene la formazione del cordone di saldatura si hanno:
-SALDOBRASATURE quando i lembi dei pezzi vengono preparati con cianfrinature. Il metallo d’apporto
fondendo riempie il cianfrino costituendo il cordone di saldatura.
-BRASATURE quando i pezzi da saldare sono semplicemente appoggiati l’uno sull’altro: lo spazio capillare
che rimane tra i due viene riempito dal metallo d’apporto fuso. In questo caso il giunto è costituito da uno
strato sottilissimo di metallo d’apporto che ha formato una lega col metallo base.
La scelta di un procedimento di saldatura rispetto ad un altro dipende da molti fattori e deve effettuarsi tenendo
del tipo
di lega da
saldare,
dello
delle
parti, dellabase
posizione
di saldatura,
dal d'apporto
tipo di produzione
Leconto
saldature
autogene
sono
quelle
in spessore
cui fonde
il materiale
mentre
il materiale
può o
(in serie o no), delle attrezzature disponibili in officina.
meno
sempre presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
5
Tecnologia Meccanica
FIAMMA OSSIACETILENICA
La fiamma ossiacetilenica viene realizzata mediante la combustione di acetilene C2 H2 e ossigeno O2 . Nel
dardo avviene la reazione primaria: C2 H2 O2 2CO H2 q ‘ i prodotti della combustione si combinano
poi con l'ossigeno dell'atmosfera nella zona di saldatura o zona riducente secondo le seguenti reazioni
esotermiche secondarie:
I prodotti finali della combustione costituiscono “il pennacchio” che è alquanto ossidante ed a temperatura più
bassa.
Per ottenere una buona saldatura i lembi da saldare devono essere nella zona riducente dove si raggiungono i
3100°C e grazie all'atmosfera riducente si limita l'ossidazione del metallo.
Affinché la fiamma abbia queste caratteristiche occorre che le quantità dei gas siano le stesse generando
intalmodo la fiamma neutra che viene utilizzata per saldare acciai, ghisa, rame, alluminio. Un eccesso di
acetilene provoca “la fiamma carburante” usata in processi di indurimento superficiale, mentre un eccesso di
ossigeno genera la “fiamma ossidante” usata per saldare bronzo ed ottone.
Saldature
6
Tecnologia Meccanica
Attrezzatura e modalità operative: attrezzatura poco costosa e facilmente trasportabile, si compone di due
bombole con i gas in pressione, di un cannello e di eventuale bacchetta con materiale d'apporto. Il bagno di
fusione è ben visibile. Sia il cannello sia il materiale d'apporto sono movimentati a mano e il movimento può
essere “a spingere”, cioè la bacchetta è davanti alla fiamma, o “a tirare”, cioè la bacchetta è dietro alla fiamma
che mi permette di saldare spessori maggiori peoichè la bacchetta fonde dove il materiale è più caldo.
Applicazioni: limitata alla giunzione di lamiere (spessore max 8mm) senza ripresa a rovescio ma oggi sono
preferiti processi diversi. Sono ben saldabili alla fiamma acciai a basso tenore di carbonio (s<10mm), acciai inox
con fiamma leggermente carburante, ghise previo riscaldamento dei lembi, rame (s>15mm) mantenendo elevata
distanza tra i lembi per l'elevato coefficiente di dilatazione termica, alluminio con controllo di ossidi
altofondenti; mentre non si saldano le leghe refrattarie e reattive, l'ottone e il bronzo per la volatilità di elementi
di lega che generano soffiature.
Difetti operativi nei giunti: ingrossamento del grano nella ZTA per la lunga permanenza ad elevate T
inevitabile in un processo lento come questo; incollaggio per permanenza troppo breve; foratura del cordone per
sorgente troppo potente.
Saldature
7
Tecnologia Meccanica
ARCO ELETTRICO
L'arco elettrico è la manifestazione fisica del passaggio di una corrente in un mezzo gassoso ionizzato. L'arco viene
inizialmente innescato toccando con la punta dell'elettrodo il metallo base e subito ritirandolo ad una distanza di
qualche mm. Al momento del contatto scorre una corrente di corto circuito che surriscalda elettrodo e metallo base
provocando anche la ionizzazione del gas interposto (raggiunto il potenziale di estrazione, gli elettroni migrano
velocemente dal catodo all'anodo per effetto termoionico ionizzando gli atomi del gas in elettroni che vanno verso
l'anodo e ioni positivi che vanno verso il catodo facendone quindi aumentare l'emissività) e innescando l'arco.
L'arco elettrico è generato dal passaggio di elettroni dal polo negativo a quello positivo e l'energia ad esso associata
si trasforma in calore e in onde elettromagnetiche di varia frequenza. Circa i 2/3 del calore sviluppato si riversa sul
polo positivo per il bombardamento elettronico e si raggiungono temperature massime di 6000-7000°C. Una volta
innescato, il fenomeno è in grado di autosostenersi, purché tra gli elettrodi vi sia una ddp.
• ARCO DIRETTO: scocca tra un elettrodo ed
il metallo base;
• ARCO INDIRETTO: scossa tra due elettrodi
ed il metallo è interposto;
Saldature
1
Tecnologia Meccanica
• CORRENTE CONTINUA: arco stabile, cordone uniforme, processo più usato soprattutto per spessori sottili. Si
ha il problema di soffio magnetico (l'arco elettrico costituisce, a tutti gli effetti un conduttore; su di esso pertanto
agiscono forze magnetiche generate dalle correnti circolanti. La brusca deviazione che la corrente subisce al punto
di innesco dell'arco determina una forze magnetica che devia l'arco rispetto alla direzione dell'asse dell'elettrodo.
Questo fenomeno si verifica anche quando si è vicini ad una massa elettrica come la terra e può essere limitato
mantenendo l'arco il più corto possibile;
• CORRENTE ALTERNATA: assenza di soffio magnetico, alta deposizione, usato con elevate correnti;
• POLARITA' DIRETTA: il metallo base funge da anodo dunque ho alta penetrazione;
• POLARITA' INVERSA: il materiale d'apporto è l'anodo dunque ho elevata deposizione;
• ELETTRODO FUSIBILE: è costituito da un'anima cilindrica metallica di materiale metallurgicamente simile a
quello base ricoperta da un materiale pulverulento detto rivestimento. Esso svolge sul bagno un'azione protettiva,
disossidante, depurante e consente l'asportazione di elementi di lega. Ne esistono di diversi tipi:
◦ elettrodi ossidanti: rivestimento di ossido di ferro, dà ottimi cordoni ma di scadenti proprietà meccaniche;
◦ elettrodi acidi: rivestimento di biossido di silicio, dà un giunto di caratteristiche meccaniche buone;
◦ elettrodi basici: rivestimento costituito da carbonati, silicati, fuoruri di calcio, dà un cordone senza cricche con
bbbelevata resistenza e allungamento a frattura;
◦ elettrodi al rutilio: rivestimento al biossido di titanio, il titanio ionizza fortemente conferendo elevata stabilità
gggall'arco ma cordone non liscio;
◦ cellulosico: rivestimento a base di materie organiche, dà un giunto di buone qualità.
L'elettrodo fusibile deve essere sostituito quando si consuma o è alimentato con continuità con aspo. La scoria deve
essere eliminata dopo ogni passata. Si possono saldare materiali ferrosi e leghe di nichel con spessori fino a circa
20 mm senza ripresa dal retro, ma non è adatto per metalli a basso punto di fusione (Al, Cu).
Saldature
9
Il trasferimento del metallo d’apporto avviene sotto forma di gocce
che passano attraverso l’arco. Le forze che provocano questo
passaggio sono: peso proprio, forze elettromagnetiche, azione dei gas
che si sviluppano dal rivestimento.
Tecnologia Meccanica
I processi con elettrodo fusibile sono:
➢ ARCO SOMMERSO
Attrezzatura: da una tramoggia scende polvere protettiva che sommerge l'arco e fondendo forma la scoria
disossidante. Di qui il vincolo di operare in piano. L'elettrodo è fusibile e alimentato con continuità e il processo è
automatico tranne che per l'eliminazione della scoria.
Applicazioni: il processo è utilizzato per saldare acciaio fino a 60 mm e soprattutto per la saldatura longitudinale
dei tubi.
➢ MIG – MAG (Metal-Inert/Active-Gas)
Attrezzatura e modalità operative: elettrodo fusibile alimentato in continuo con controllo dell'alimentazione del
filo attraverso il controllo della corrente di saldatura. La saldatura avviene in un atmosfera di gas protettivo che
può essere inerte insolubile nel bagno (Argon o Elio che aumenta la produttivita perché l'arco ha temperature
maggiori ma è più costoso) nel caso di MIG o attivo (ossigeno o miscele di anidride carbonica che è un gas a basso
costo ma c'è rischio di porosità nel cordone) nel caso del MAG. La torcia può avere moto “a tirare” o “a spingere”
e il meccanismo di trasferimento del metallo è drop-transfer, cioè avviene sottoforma di gocce: esse si ingrossano
e si trasferiscono lateralmente al filo in presenza di gas attivo o di polarità inversa (cathode jet: fenomeno per cui
la goccia rimane attaccato all'elettrodo) in modalità globular o short arc (possibilità di saldare in ogni posizione),
oppure esse possono essere fini in caso dello spray-arc o del pulsed arc. L'assenza della scoria consente la
continuità del processo e l'elevata produttività, il bagno inoltre è ben visibile e l'assenza di vapore acqueo
nell'atmosfera elimina il pericolo di cricche a freddo e infragilimento da idrogeno. L'apparecchiatura è complessa,
meno trasportabile, costosa ed occorre evitare che correnti d'aria investano la zona di saldatura inoltre la torcia è
ingombrante e dunque non impiegabile in zone di difficile accesso.
Applicazioni: si saldano Al, Cu ed in parte acciai inox (MIG) e acciai dolci o bassolegati (MAG).
Saldature
11
ARCO SOMMERSO
MIG: argon, elio
MAG: CO2
Tecnologia Meccanica
• ELETTRODO INFUSIBILE: costituito da materiale refrattario TIG (Tungsten-Inert-Gas):
Attrezzatura e modalità operative: l'elettrodo è infusibile di tungsteno e il materiale d'apporto è fornito in
bacchette movimentate a mano. L'atmosfera protettiva è costituita da gas inerte (Argon o Elio). L'attrezzatura è
costosa. Possibilità di saldare in qualunque posizione. La torcia è collegata al generatore, alla bombola del gas e,
nel caso di correnti oltre 200A, ad un sistema di raffreddamento ad acqua. Essa può essere alimentata in continua
con polarità diretta (il tungsteno è un ottimo emettitore, l'anodo costituito dal metallo si riscalda molto ma a volte il
bombardamento elettronico non riesce a rompere lo strato di ossido di Al e Mg), con polarità inversa (per la
saldatura delle leghe leggere in campo aeronautico perché vi è distruzione degli ossidi di Al e Mg grazie al
bombardamento di ioni positivi, ma l'elettrodo si surriscalda dunque ne è usato uno di maggiori dimensioni per
dissipare meglio il calore, vi è rischio di inclusioni di tungsteno nel bagno) o in alternata (il bilancio termico
dell'arco comporta il 50% del calore sull'elettrodo e il 50% sul metallo base, dunque sono mediati vantaggi e difetti
delle due polarità in corrente continua; tuttavia vi sono problemi di stabilità dell'arco e per questo si sovrappone alla
corrente di saldatura, una corrente ad alta frequenza per mantenere ionizzata la zona dell'arco). L'assenza di scoria
rende la produttività elevata, non ci sono
problemi di infragilimento da idrogeno.
Applicazioni: si saldano tutti i materiali
metallici ottenendo giunti di qualità e
cordoni che non richiedono di
successive operazioni di finitura, ideale
per spessori sottili poiché la forte
emissività del W permette di mantenere
archi stabili anche con correnti basse.
Saldature
7
Tecnologia Meccanica
PLASMA:
sistema derivato del sistema TIG e ne differisce per il fatto che l'elettrodo di tungsteno si trova nella parte centrale
interno di un ugello attraverso il quale viene fatto passare argon; tale gas è ionizzato e si trasforma in una colonna
di plasma ad elevatissime temperature. Oltre a questo gas, vi è un condotto per il passaggio del gas protettivo.
Rispetto all'arco TIG, quello al plasma è più direzionale, penetrante e concentrato. Si saldano spessori fino a 25
mm tutti i metalli perché oltre non risulta più un sistema economicamente conveniente.
LASER:
Il laser costituisce una fonte di energia sotto forma di fascio di radiazioni elettromagnetiche. Le caratteristiche
fondamentali del fascio sono la monocromaticità, la coerenza e la bassissima divergenza. L'emissione avviene in
maniera stimolata: se un atomo nello stato eccitato viene raggiunto da un fotone di frequenza ν, non si verifica
assorbimento ma si verifica il fenomeno dell'emissione stimolata, ovvero l'atomo decade al livello inferiore
rilasciando due fotoni di energia hν con la stessa direzione e fase del fotone incidente. Con questo particolare
meccanismo è possibile moltiplicare il numero di quanti cioè amplificare l'intensità della radiazione
elettromagnetica producendo un fascio di luce coerente, monocromatica, collimata e di elevata brillanza. Inoltre
la lente focalizza un fascio a raggi paralleli su una superficie estremamente ridotta consentendo potenze
specifiche elevatissime. Per ottenere un effetto di amplificazione (e non smorzatore) in un mezzo attraversato da
fotoni, è necessario che si verifichi la condizione di inversione della popolazione, fornendo al mezzo una
quantità di energia tale da far migrare una grande quantità di atomi al livello energetico in condizione di
equilibrio al livello energetico superiore. Questa operazione è definita pompaggio energetico e deve durare per
tutto il tempo in cui viene generato il fascio laser. Ovviamente i materiali del mezzo attivo vengono scelti in
modo che il livello energetico superiore sia sufficientemente stabile da garantire la permanenza degli atomi a
quel livello per un tempo sufficiente.
Saldature
14
Tecnologia Meccanica
Inoltre, per creare un fascio laser di intensità idonea per le applicazioni industriali, è necessario amplificare la
radiazione sfruttando il meccanismo di risonanza ottica, posizionando cioè il mezzo attivo tra due specchi che
creano una cavità ottica risonante: il sistema di pompaggio a lampade flash avvia il processo di inversione della
popolazione e pertanto in diversi punti del mezzo avverranno emissioni spontanee seguite da emissioni stimolate
di fotoni dirette casualmente in varie direzioni dello spazio. Il flusso di fotoni diretto normalmente agli specchi
viene riflesso e rimandato nel mezzo dove subisce un'ulteriore amplificazione. In pochissimo tempo si ottiene un
flusso di rilevante entità che viaggia tra gli specchi, mentre tutte le emissioni che avvengono in direzione non
normale agli specchi vengono smorzate e annullate. A causa della natura ondulatoria della radiazione, l'effetto di
amplificazione è esaltato quando la distanza tra gli specchi è pari ad un multiplo della semilunghezza d'onda del
fascio.
Per garantire questo, essi sono sorretti dal bancale
di granito che ha un coefficiente di dilatazione
termica quasi nullo, lo svantaggio è che il bancale
rende il tutto molto pesante (per sorgenti laser
piccole si usa il granito). Degli specchi uno è
perfettamente riflettente e l'altro semiriflettente per
permettere lo spillamento del 10%ca. della
radiazione che è in cavità e che costituisce il vero
fascio laser. Dunque il rendimento della sorgente
laser è del 10%, il restante 90% viene dissipato in
calore e quindi importanti sono i sistemi di
raffreddamento.
Saldature
15
Tecnologia Meccanica
Un SISTEMA LASER è costituito, oltre che dal risonatore ottico (sorgente) e il suo sistema di raffreddamento
appena descritti, consta anche di uno specchio riflettente, di una lente di focalizzazione e di un ugello, come
mostrato sotto:
I laser possono essere a gas (CO2) o allo stato
solido (Nd:YAG).
La saldatura laser è
autogena, richiede l'assistenza di un gas
(argon, elio o azoto) che permetta di inibire gli
eventuali processi di ossidazione.
Saldature
16
Tecnologia Meccanica
I processi di saldatura laser sono processi di saldatura per conduzione per basse densità di potenza e dunque il
cordone si forma come negli altri processi ed ha le stesse caratteristiche, o saldatura ad alta penetrazione con
potenze ≥ 104W /cm2 . In questo caso il calore non viene smaltito per conduzione → si genera un canale di
vapore (keyhole) con T fino a 20000°C perché il materiale vaporizza visto l'aumento di T in superficie; questo
canale si comporta come un corpo nero assorbendo l'intera potenza del fascio e trasferendola al materiale
circostante. Quest'ultimo è spinto lateralmente dal fascio con la formazione di un cratere che determina
l'esposizione del materiale solido alla base del bagno. All'avanzare del fascio, il materiale fuso si richiude su sé
stesso, generando il cordone. Il cordone risulta molto più snello perché la zona interessata da fusione è assai
minore e assume a tipica forma a testa di chiodo. Inoltre, al crescere della potenza aumenta la velocità del
processo di saldatura da 1 m/min con fiamma ossiacetilenica a 10 m/min con laser.
Saldature
17
Tecnologia Meccanica
Problemi e osservazioni:
• poiché vi è vaporizzazione, una parte del metallo si perde ed
alla solidificazione si osservano le incisioni marginali che
possono essere punti di innesco frattura:
• nel metallo fuso si ingenera gas sia per movimenti vorticosi del metallo,sia per la presenza di gas disciolti sia per i
gas di apporto e le bolle di gas riducono la sezione resistente. Poiché bisogna procedere più lentamente per dare
tempo al gas di fuoriuscire, si preferisce non procedere alle velocità di max produttività ma leggermente minori per
evitare tali bolle.
• Il flusso termico al raffreddamento è ortogonale all'isoterma ed osservando la metallografia dei cordoni:
Vi è una zona a grano fine, una
Nel cordone laser c‘è forte
centrale a grana grossa ma il 90%
anisotropia poiché le
è rappresentato dalla zona a grani
colonne sono tutte nella
colonnari dendritici che generano
stessa direzione; dunque
anisotropia ma solo locale perché
devo fare in modo che il
le proprietà medie sono circa le
cordone sia con le colonne
stesse per la disposizione delle
nella
direzione
di
colonne.
applicazione del carico.
• Inconvenienti legati agli elevati costi di macchine e attrezzature per la manipolazione e la movimentazione dei
pezzi e nella necessità di mantenere i pezzi da saldatura puliti, ben accostati ed esenti da impurezze superficiali;
• pericolosità della radiazione dunque il processo deve avvenire in cabine schermate;
• bisogna fare in modo che la potenza e il tempo di permanenza copra tutto lo spessore;
• il plasma oscura il fascio dunque si aggiunge elio per allontanare il fascio;
• possibilità di saldare uno scatolato senza necessità di accedere dall'interno;
Saldature
18
Tecnologia Meccanica
Applicazioni: Tutti i metalli saldabili con tecniche convenzionali sono anche saldabili con un fascio laser di
lunghezza d'onda appropriata. Non sono invece saldabili col laser le plastiche. Gli acciai sono ben saldabili (tranne
acciaio zincato) se C<0,5%; gli acciai inox hanno caratteristiche di saldabilità con il laser migliori; le leghe di
alluminio sono difficilmente saldabili, le leghe di nichel sono ben saldabili con il laser mentre le leghe di titanio
presentano buona predisposizione alla saldatura laser ma solo in atmosfera inerte.
A FASCIO DI ELETTRONI
Attrezzatura e applicazioni: EBM (Electron Beam Machining): è un sistema costituito da una camera in cui si
genera vuoto spinto, con all'apice un filamento di W che produce elettroni per effetto termoionico i quali vengono
accelerati
e direzionati
lentiinmagnetiche
sparati sul base
campione.
È un
sistema di d'apporto
saldatura ad
elevata
Le
saldature
autogene mediante
sono quelle
cui fonde eil materiale
mentre
il materiale
può
o
penetrazione, dà un cordone fino e giunti di elevata qualità, ideale per materiali “difficili”, ma i pezzi devono essere
meno
piccoli onelle
comunque
di ildimensioni
la camera
da non
vuoto,
gli impianti sono costosi e servono
esserci;
presente
materialecompatibili
d'apporto con
e il metallo
base
fonde.
schermature perché vengono prodotti raggi X.
ALLUMINOTERMICA
Il riscaldamento del materiale avviene utilizzando il calore prodotto dalla reazione esotermica di una miscela
incendiaria (thermit) ottenuta miscelando l'ossido di un metallo con un agente che subisce ossidazione e si
raggiungono i 3000°C.
Saldature
19
Tecnologia Meccanica
SALDATURE PER RESISTENZA
La saldatura elettrica per pressione è una saldatura autogena senza metallo d'apporto nella quale l'effetto Joule
associato ad una corrente elettrica di elevata intensità che attraversa per una frazione di secondo i due pezzi da
assemblare, è utilizzato come sorgente di calore per portare una porzione di materiale alla temperatura di fusione. Il
passaggio di corrente è localizzato da due elettrodi, i quali esercitano anche un'azione di compressione sulle due
parti da unire. Si realizza così un punto di saldatura costituito da una lenticchia di metallo portato alla fusione nella
zona di contatto tra le due lamiere. Esso realizza, a solidificazione avvenuta, una giunzione localizzata paragonabile
ad una rivettatura: il metodo è pertanto utilizzato solo nella giunzione di parti in lamiera. La relazione che esprime la
quantità di calore Q utilizzabile nella saldatura, generata dal passaggio di una corrente di intensità I in una resistenza
elettrica R per un tempo t, considerando le perdite di calore per irraggiamento, conduzione e convezione k, è:
Le
saldature
Q=R
⋅I 2⋅t⋅k . autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
PER PUNTI
esserci;
nelle presente
materiale
e il metallo base non fonde.
Le due lamiere
vengono il
accostate;
dued'apporto
elettrodi (sferici
o conici) in rame incrudito (affinché resista sotto l'azione
della pressione e non si deformi troppo sotto carico a
contatto con la lamiera) vengono premuti da un'apposita
pinza portaelettrodi (a fulcro od a corsoio).
Successivamente si fa scorrere tra gli elettrodi la
corrente e per effetto Joule nella zona di contatto delle
due lamiere si innalza la temperatura tanto da portare a
fusione il materiale. Tale fusione rimane localizzata in
un nocciolo fuso centrale la cui solidificazione porta alla
formazione del punto di saldatura.
Saldature
1
Tecnologia Meccanica
La corrente dovrebbe esser tolta prima dell'apertura
delle pinze per evitare l'ingenerarsi di fenomeni di
scarica elettrica dovuti ad extracorrenti di apertura
che possono abradere gli elettrodi. La pressione
deve essere mantenuta fino a solidificazione perché
la compressione costringe il materiale freddo a
seguire la contrazione del metallo caldo impedendo
(La corrente dovrebbe esser tolta prima dell'apertura dellelapinze
formazione di fessure ed inoltre la pressione
per evitare l'ingenerarsi di fenomeni di scarica elettrica dovuti
ad la formazione di soffiature
contrasta
extracorrenti
aperturai motivi
che possono
La
È interessante di
conoscere
per cui abradere
la fusione gli
del elettrodi.
materiale avviene
solo nella zona sopra indicata e non nella
pressione
deve
essere
mantenuta
fino
a
solidificazione
perché
la
zona di contatto elettrodo-lamiera e i motivi sono 2:
compressione
il materiale
freddo
a seguire
la
• La corrente ècostringe
la stessa in
tutto il circuito
serie
ma cambiano
le resistenze in gioco: la resistenza degli elettrodi
(Rcu) e quella
materiale
della lamiera
(Rl) è bassa
contrazione
delintrinseca
metallo del
caldo
impedendo
la formazione
di e quella nella zona di contatto tra le due lamiere
(Rc) è ed
maggiore
nellacontrasta
zona di interfaccia
lamiera-elettrodo
(Ri), e quindi l'effetto Joule genera una
fessure
inoltredila quella
pressione
la formazione
di
quantità di calore inferiore in quest'ultima zona. Infatti la resistenza è inversamente proporzionale alla superficie e
soffiature)
per analizzare la reale superficie a contatto devo considerare le asperità: applicando una forza di chiusura la reale
superficie a contatto sarà maggiore rispetto a quella nel caso di superfici solo appoggiate l'una sull'altra e poiché il
rame è più tenero del materiale delle lamiere, sotto la pressione esercitata, cede e si adatta sull'altro molto
facilmente colmando tutti i vuoti. È per questo che la superficie a contatto nella zona delle due lamiere sarà minore
e dunque maggiore la resistenza;
• gli elettrodi sono di rame e sono raffreddati mediante circolazione d'acqua. Ne risulta un'asportazione di calore
maggiore nelle zone esterne che in quella interna.
Saldature
21
Tecnologia Meccanica
L'andamento qualitativo della temperatura nelle varie zone è il seguente:
All'aumentare della corrente, la curva si
sposta verso destra. Ciò che deve essere
assicurato è che nella zona di contatto tra le
due lamiere, si giunga ad una temperatura
T>Tf: potrei pensare di far passare una
corrente tale da pormi molto al di sopra della
temperatura di fusione, ma allora avrei il
problema dell'innalzamento della temperatura
Le
saldature
autogene
quelle
in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
anche
agli elettrodi
consono
il loro
possibile
meno
collasso, oltre al problema dello sfondamento
esserci;
nelle presente
il materiale
d'apporto e il metallo base non fonde.
sotto pressione
vista la notevole
estensione
della zona fusa in queste condizioni; oppure
potrei pormi esattamente alla temperatura di
fusione ma così facendo otterrei un nocciolo
fuso troppo piccolo e basterebbe una piccola
fluttuazione della corrente o della pressione
di contatto per vanificare l'operazione.
L'ideale è porsi in una condizione per cui:
Saldature
22
Tecnologia Meccanica
I parametri fondamentali del processo sono la pressione, l'intensità di corrente e il tempo di saldatura. La pressione
deve essere un buon compromesso tra il pericolo di incollature e quello di eccessiva penetrazione degli elettrodi
nella lamiera. A parità di pressione, la relazione tra intensità di corrente e tempo è molto critica e si deve lavorare
nella ristretta zona campita in figura; è comunque preferibile adottare alti valori di intensità per bassi tempi
(saldatura rapida) per far sì che gli elettrodi non lascino profonde marcature in corrispondenza del punto e per
aumentare il rendimento perché si limitano le dispersioni (solo con gli acciai ad alto tenore di C o per
l'accostamento di lembi in situazioni critiche il processo è più lento e si parla di saldatura lenta).
quanto concerne
la corrente
si realizza:
LePer
saldature
autogene
sono quelle
in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
saldatura
con
I
costante,
saldatura
con postmeno
riscaldamento, saldatura con preriscaldamento e
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
saldatura per impulsi. Per quanto concerne la forza di
chiusura, si distingue in ciclo a forza costante e ciclo a
forza variabile (azione aggiuntiva di forgiatura). Il
raffreddamento del nocciolo fuso è di tipo radiale
dunque mediamente le dendriti si distribuiscono in
tutto lo spazio ed ottengo caratteristiche di resistenza
uniformi.
Saldature
23
Tecnologia Meccanica
Il problema di questo tipo di saldatura che è un processo veloce, automatizzato ed ottimo per la giunzione di
lamiere di tutti i metalli (problemi con acciaio inox che ha minore conducibilità elettrica), risiede nel trasformatore.
Esso deve garantire all'uscita una corrente che va dalle decine alle migliaia di Ampere e l'avvolgimento di uscita è
realizzato con poche spire di elevato diametro per consentire una resistenza bassa ed una corrente elevata così da
andare a realizzare in pratica un generatore di corrente più che un generatore di tensione. Tutti i generatori reali
sono caratterizzati dall'avere una resistenza interna infatti, se andassi a cortocircuitare un generatore, otterrei che
tutto il calore si produce all'interno di esso.
RULLI autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
LeAsaldature
Nel settore delle lamiere sottili, il procedimento di
meno
saldatura a punti non può essere impiegato per la
esserci;
nelledipresente
materiale
d'apporto
e il metallo
base non fonde.
costruzione
recipientiilper
il contenimento
di fluidi
data
la non continuità della saldatura e dunque si usa il
procedimento a rulli dove gli elettrodi sono costituiti da
rulli di rame motorizzati che vengono premuti sulle
lamiere. Tuttavia il processo non è molto usato per i
problemi di distorsione del materiale.
Saldature
1
Tecnologia Meccanica
PER ATTRITO
Fanno parte delle saldature allo stato solido e si
dividono in saldature per attrito, per inerzia e friction
stir welding. Le prime due non prevedono il
rimescolamento del materiale e il riscaldamento del
materiale è prodotto grazie al calore generato dall'attrito
tra due superfici in moto relativo tra loro. Questo
processo è molto veloce, non occorre pulire le superfici
perché tutto ciò che è superficiale costituirà bava ed è
Le
saldature
autogene
inecui
il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
possibile
saldare
metalli sono
diversiquelle
fra loro
confonde
differenti
sezioni. I giunti hanno resistenza maggiore a quella del
meno
metallo nelle
base, presente
ma gli elevati
costi degli
impianti
la
esserci;
il materiale
d'apporto
e il metallo
base non fonde.
rendono adatta solo per produzioni in serie. Inoltre i
pezzi devono avere un asse di rotazione e la geometria
delle superfici per l'allineamento deve essere ben
preparata. Il processo per inerzia si discosta dal
meccanismo per attrito propriamente detto solo per il
fatto che la parte in moto è collegata ad un volano che,
raggiunta una certa velocità, è sganciato dalla presa di
moto ed inizia l'accostamento.
Saldature
25
Tecnologia Meccanica
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
26
Tecnologia Meccanica
FRICTION STIR WELDING
E' una recente tecnica di saldatura di origine inglese realizzata tramite un
utensile dotato di perno+spalla: l'utensile è posto in rotazione e avanza
seguendo la linea di accostamento delle lamiere, il perno penetra nel
materiale di consistenza pastosa provocando un rimescolamento del
materiale che viene trasferito di 180° dal bordo di attacco al bordo di fuga
del perno. Ne esistono due procedimenti: il classico friction stir welding e
il friction stir spot welding usato per punti di saldatura e in cui dunque non
c'è avanzamento. I parametri di processo sono la velocità di avanzamento,
quella di rotazione e il dwell time ovvero il tempo in cui il perno penetrato
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
rimane nella stessa posizione. Nell’immagine viene riportata la struttura
meno
risultante.
esserci;
nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
AD ULTRASUONI
Si tratta dell'unione di pezzi metallici tra loro o con elementi non metallici
mediante applicazione di vibrazioni meccaniche ad alta frequenza agenti
parallelamente al piano di saldatura. Il sonotrodo vibrante trasferisce
l'energia alla prima lamiera, si generano tensioni tangenziali di segno
alterno all'interfaccia e superato il limite di snervamento si innesca la
saldatura. Si tratta di un processo veloce con
innalzamento locale della temperatura che consente fenomeni di
ricristallizzazione e dunque una zona saldata a grani fini. Tecnica
particolarmente usata in ambito elettronico e lo spessore del pezzo
adiacente al sonotrodo non deve essere elevato.
Saldature
27
Tecnologia Meccanica
AD ESPLOSIONE
Le superfici si saldano per collisione obliqua
progressiva ingenerata da un'esplosione controllata.
E' una tecnica usata per la placcatura delle lamiere
con metalli nobili nell'industria nucleare e
aerospaziale. Si tratta di una saldatura praticamente
a freddo che consente di saldare metalli dissimili e
non necessita di pulire le superfici, tuttavia è
limitata ad impieghi su geometrie semplici, le
Le
saldature
autogene
quelle in cui piane
fondeeil materiale base mentre il materiale d'apporto può o
superfici
a contatto
non sono
sono perfettamente
c'è pericolosità dovuta all'uso di esplosivo.
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
BRASATURA
Saldatura eterogena che prevede l'uso di materiale d'apporto con temperatura di fusione minore di quella del
metallo base. Non prevede cianfrinatura ma i due pezzi sono accostati in modo che rimanga un'intercapedine
capillare che verrà riempita dal materiale d'apporto che fonde a seguito del riscaldamento del metallo base e che ha
grande scorrevolezza e capacità di bagnare il metallo base. Il giunto è costituito quindi da uno strato sottilissimo di
metallo d'apporto che ha formato una lega di superficie col metallo base: è ovvio quindi che si tratta di un giunto
con scarsa elasticità e resistenza meccanica. Le brasature possono essere dolci, nel caso di uso di leghe di stagno
come metallo d'apporto con temperature di fusione inferiori a 400°C, o forti, nel caso di uso di leghe rame-argento
con temperature di fusione intorno ai 600°C.
Saldature
28
Tecnologia Meccanica
SALDOBRASATURA
Il processo è simile alla brasatura ma prevede cianfrinatura e pulitura delle superfici e il riscaldamento del metallo
d'apporto, come fonte di energia si usa il cannello ossiacetilenico e il metallo di apporto è in genere un ottone
speciale che fonde tra 800 e 900°C. Il giunto saldato è formato da una zona solidificata composta esclusivamente
dal metallo d'apporto e da una zona di interfaccia con il metallo base costituita da una lega o da un composto
intermetallico formato tra il metallo base e quello d'apporto. Il giunto è resistente ed elastico: infatti il metallo base
ha conservato quasi tutte le caratteristiche originali data la bassa temperatura cui è stato sottoposto, e il metallo
d'apporto ha grandi capacità elastiche. Si saldano acciai a basso tenore di carbonio, ghisa (solo per riparazione di
getti) e bronzo ed è possibile unire metalli differenti perché non devo portare a fusione i due lembi.
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
29
Tecnologia Meccanica
2/1
STRUTTURA METALLURGICA
Sono identificabili 3 zone:
• Metallo base inalterato
• Zona Fusa (ZF)
• Zona Termicamente Alterata (ZTA)
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
30
Tecnologia Meccanica
Zona Fusa (ZF)
Rapporto di diluizione: Rd =
V metallo base fuso
V tot zona fusa
X 100
Per vari processi di saldatura:
Le saldature autogene sono quelle in cui
fonde il materiale
• Brasatura
Rd=0% base mentre il materiale d'apporto può o
meno
• Saldatura senza materiale d’apporto Rd=100%
• Saldatura
TIG
Rd=20-40%
esserci; nelle presente il materiale d'apporto
e il metallo
base
non fonde.
• Arco sommerso Rd=10-65%
• Saldatura MIG MAG Rd=5-40%
Struttura dei grani: la solidificazione procede dal contorno della zona fusa
verso l’interno con strutture dendridiche.
In saldature con passate successive ogni passata rifonde o tratta le zone già
deposte con benefico effetto sulle caratteristiche di tenacità del giunto.
Saldature
31
Tecnologia Meccanica
A.A. 2012/13
Saldature autogene
Fusione di una certa quantità del metallo base e
riscaldamento delle zone circostanti fino a
temperature prossime a quelle di fusione
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
Effetti metallurgici e meccanici
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
• strutture finali del metallo
• presenza di cricche
• esistenza di eventuali deformazioni
• tensioni residue
Saldature
qualità del giunto
32
Tecnologia
A.A.
2012/13 Meccanica
Il ciclo termico influenza la dimensione della ZF ma, soprattutto, della ZTA.
La severità termica del ciclo è influenzata dai seguenti fattori:
• APPORTO TERMICO SPECIFICO :
q P
vel
[J/m]
(=1)
• SPESSORE DEI PEZZI E FORMA DEL GIUNTO
• EVENTUALE PRE-RISCALDO DEI LEMBI ( 50 – 300 °C )
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
t8
La severità può essere misurata tramite il parametro:
5
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
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)
Saldature
34
A.A. 2012/13
Tecnologia Meccanica
Deformazioni e tensioni residue
Fenomeni di ritiro
Rimedio: preangolatura oppure vincoli
Tensioni residue
Ritiroautogene
longitudinale
cordone
Le saldature
sono del
quelle
in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
-Trazione nel cordone e zone adiacenti
meno che tende a tirare i pezzi
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il-Compressione
metallo base non
nellefonde.
zone distanti dal giunto
Saldature
36
Tecnologia
A.A.
2012/13 Meccanica
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.
Deformazioni plastiche localizzate a seguito delle quali, a temperatura
ambiente, si hanno tensioni interne residue.
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
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 instabilità
Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione.
Saldature
35
A.A. 2012/13
Tecnologia
Meccanica
Principali difetti nelle saldature
• Cricche a caldo
• Cricche a freddo
• Strappi lamellari
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
37
Tecnologia Meccanica
A.A. 2012/13
Cricche a caldo
Si manifestano nella zona fusa nel corso della solidificazione.
Durante il raffreddamento si ha la segregazione di impurezze a bordo grano.
Si formano quindi dei veli liquidi a basso punto di fusione (900°C) interrotti da
“ponticelli solidi” che danno continuità al materiale.
Grano A
Le saldature
sono quelle
in cui fonde
il materiale
base mentre il materiale d'apporto può o
Durante autogene
il raffreddamento
i ponticelli
possono
rompersi
meno
per effetto delle tensioni interne generando la cricca.
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Impurezze
Le cricche aumentano se:
• Elevato tenore di carbonio
• Elevato tenore di impurezze nel materiale base
• Tensioni di ritiro elevate
Saldature
Grano B
38
Tecnologia Meccanica
A.A. 2012/13
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
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
Infragilimento da idrogeno
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
A causa di una piccola differenza di composizione tra ZF e ZTA, la trasformazione
austenitica avviene dopo nella ZTA. L’idrogeno (più solubile nella austenite) migra
dalla ZF alla ZTA infragilendola.
Le cricche aumentano se:
• Sono presenti strutture dure e fragili
• E’ presente idrogeno nel bagno di saldatura
Saldature
39
Tecnologia
Meccanica
A.A. 2012/13
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”, lamelle parallele alla superficie.
Per evitare gli strappi lamellari si possono adottare accorgimenti progettuali:
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno
esserci; nelle presente il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
Saldature
40
Tecnologia Meccanica
A.A. 2012/13
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.
Le saldature autogene sono quelle in cui fonde il materiale base mentre il materiale d'apporto può o
meno N2 : La solubilità dell’azoto diminuisce notevolmente
conpresente
la temperatura.
esserci; nelle
il materiale d'apporto e il metallo base non fonde.
A temperatura ambiente l’azoto tende a formare
nitruri molto duri ma fragili
Diminuzione di duttiltà e tenacità
del materiale
Saldature
29