Tecnologie e studi di fabbricazione - primo parziale

Saldatura

I processi di saldatura consentono la produzione di componenti con geometrie più complesse a partire da componenti più semplici. Essa riduce infatti complessità e costo di produzione, e permette di combinare caratteristiche di diversi materiali per ottenere un componente finale più adatto all’applicazione.

La saldatura è un processo di giunzione che ha come obiettivo unire in modo permanente le parti in modo da formare un unico pezzo continuo, a differenza di altri metodi di fissaggio, come viti, chiodi, rivetti, che sono smontabili.

Vari vantaggi possono essere che il giunto saldato può essere più resistente dei materiali di base. A seconda del processo scelto possiamo avere anche costi bassi. Il componente ottenuto è più leggero del corrispondente assieme meccanico.

Alcuni svantaggi, invece, sono la pericolosità del processo, il fatto che i giunti saldati possono presentare dei difetti particolari, i componenti non sono poi smontabili.

Giunto di saldatura: giunzione di due bordi o di superfici ottenuta per saldatura.

Metallo base: costituente dei due pezzi da unire.

Metallo d’apporto: metallo aggiunto rispetto a quello base.

Un altro problema della saldatura è che utilizza il calore, che può causare dei grandi cambiamenti nella microstruttura e nelle proprietà dei materiali.

L’apporto termico rappresenta la quantità di energia fornita al pezzo per trasformare una specifica lunghezza di saldatura, secondo la seguente equazione:

Classificazione dei processi di saldatura

I processi di saldatura possono essere:

• Processi di saldatura per fusione: sono processi che utilizzano il calore per fondere i materiali. Spesso usano un metallo d’apporto per unire i materiali. Una saldatura per fusione senza metallo d’apporto è detta saldatura autogena. Fra questi fanno parte: la saldatura ad arco, a resistenza, a gas ossitaglio.
• Processi di saldatura allo stato solido: non viene usato il metallo d’apporto. Esempi: saldatura per diffusione, per attrito, esplosiva.
• Saldature autogene: saldature nelle quali il metallo base prende parte al processo, fondendo e creando il giunto. In questo caso il metallo d’apporto può essere o meno presente, ed è solitamente simile metallurgicamente al metallo base.
• Saldature eterogenee: saldature nelle quali il metallo base non prende parte alla formazione del giunto, quindi il metallo d’apporto è sempre presente, ed è diverso dal metallo base, ha temperatura di fusione inferiore.

Il tasso di deposito è la misura della quantità di metallo di saldatura depositata in un determinato periodo di tempo.

SMAW o MMA - Manual Metal Arc Welding, saldatura ad elettrodo rivestito

Il processo SMAW utilizza un elettrodo consumabile costituito da una bacchetta di metallo rivestita con sostanze chimiche disossidanti. Il rivestimento è costituito da cellulosa in polvere mista a ossidi, carbonati, e in alcuni casi anche da polvere metallica. Il metallo d’apporto dell’asta deve essere compatibile con il metallo da saldare.

Quando l’elettrodo è vicino al pezzo da saldare scocca l’arco elettrico che fonde l’elettrodo e il metallo di base del pezzo. La scoria deve essere pulita.

Il metallo d’apporto dell’elettrodo deve essere compatibile con il metallo da saldare.

La saldatura ad arco ad elettrodo rivestito viene solitamente eseguita a mano. Applicazioni comuni sono le tubature, strutture di macchinari, costruzioni navali, lavori di riparazione.

Vantaggi

• L’attrezzatura necessaria è semplice, poco costosa e portatile.
• L’elettrodo SMAW fornisce sia la schermatura che il metallo d’apporto.
• È meno sensibile al gas e al tiraggio rispetto ai processi con schermatura a gas.
• Le dimensioni degli elettrodi consentono di raggiungere zone poco raggiungibili.
• È adatto alla maggior parte dei metalli e delle leghe.

Svantaggi

• Non adatto per metalli con basse temperature di fusione, piombo, stagno, zinco.
• Non adatto per metalli reattivi come il titanio, lo zirconio, il tantalio e il niobio.
• Ha un tasso di deposito inferiore rispetto al processo con alimentazione continua, GMAW, FCAW.
• Necessità di pulizia immediata delle scorie dopo ogni deposito di cordone.
• Necessità di ricaricare periodicamente gli elettrodi.
• Difficile da automatizzare.

GTAW, Gas Tungsten Arc Welding, o TIG, Tungsten Inert Gas

La saldatura TIG o GTAW è un processo ad arco con elettrodo di tungsteno infusibile, che avviene sotto protezione di gas inerte, e può essere eseguita con o senza metallo d’apporto. Il procedimento si basa sull’utilizzo di una torcia nella quale è inserito l’elettrodo di tungsteno. Il metallo d’apporto, se presente, viene aggiunto nella zona dell’arco elettrico sotto forma di bacchette, se il processo viene eseguito manualmente, o come filo se il processo è automatizzato. Tutta la zona di saldatura si trova in un ambiente inerte, costituito da Argon e elio, o una loro miscela.

Il tungsteno è un buon materiale per l’elettrodo grazie alla sua alta temperatura di fusione.

La protezione a gas elimina la necessità di avere scorie per proteggere il materiale, e quindi la necessità di pulizia delle scorie. Questo è essenziale per poter automatizzare il processo.

Vantaggi

• Produce saldature di altissima qualità.
• Può essere automatizzato ed è facilmente programmabile.
• È possibile usare metalli d’apporto continui.
• Consente di controllare in modo indipendente la fonte di calore e il metallo d’apporto.
• Applicazioni illimitate.
• È possibile eseguire saldature autogene, senza metallo d’apporto.
• È possibile usare fonti di alimentazione relativamente economiche.

Svantaggi

• Tassi di deposito generalmente inferiori rispetto ai processi con elettrodi consumabili.
• Sono richieste maggiori abilità al saldatore.
• Più costoso dei processi ad arco consumabile. È un processo molto costoso sia per le macchine che per i gas utilizzati.

PAW, Plasma Arc Welding

La saldatura al plasma PAW è un’estensione del processo TIG, con un diverso meccanismo della pistola di saldatura. Come il TIG utilizza un elettrodo in tungsteno infusibile. La differenza con il metodo TIG è che l’elettrodo di tungsteno si trova in un ugello nel quale viene fatto passare argon, o argon e idrogeno. L’arco elettrico produce una notevole ionizzazione del gas, plasma, che riesce a catturare una notevole quantità di calore. Le temperature nella saldatura al plasma si possono raggiungere anche i 17.000°.

Vantaggi

• La qualità dell’articolo saldato è molto buona.
• Basso livello di spruzzi rispetto ad altre tecniche di saldatura.
• Maggiore concentrazione del calore, quindi una zona termicamente alterata più piccola rispetto al TIG e minore distorsione.
• Adatto per saldature di precisione.
• Può essere usato per operazioni di taglio.
• Facile da automatizzare.

Svantaggi

• Attrezzatura più complessa e costosa rispetto al TIG.
• Produce più radiazioni e più rumori.

GMAW, Gas Metal Arc Welding, o MIG/MAG

La saldatura ad arco metallico a gas è un processo simile al TIG, dove la differenza principale è rappresentata dal fatto che l’elettrodo è un filo fusibile, che costituisce così anche il metallo d’apporto. Spesso si utilizza il termine MIG/MAG cioè saldatura a gas inerte/attivo di metallo, la differenza fra i due è il tipo di gas utilizzato, e quindi il campo di applicazione.

Come il processo GTAW, utilizza la protezione a gas, in modo che la zona di fusione sia completamente isolata dall’atmosfera. I gas usati per l’atmosfera inerte sono argon ed elio, mentre come gas attivi si usano biossido di carbonio, CO2, azoto e idrogeno. La protezione a gas elimina la necessità della scoria per proteggere il metallo saldato. Questo è essenziale per automatizzare il processo.

Vantaggi

• Processo efficiente che può essere usato per saldare tutti i metalli e tutte le leghe commerciali.
• Il processo può essere automatico.
• Tassi di deposito significativamente maggiori rispetto a SMAW e GTAW.
• Maggiore velocità di esecuzione rispetto alla saldatura ad arco rivestito.

Svantaggi

• Attrezzatura complessa e costosa.
• Difficile da usare in spazi piccoli e difficilmente raggiungibili.
• Applicazioni esterne limitate.
• Non adatto per saldature di precisione.

FCAW, Flux-Cored Arc Welding

La saldatura ad arco animato è un processo di saldatura ad arco in cui l’elettrodo è un tubo consumabile continuo. Può essere eseguita con o senza protezione a gas. Durante la saldatura viene prodotta un’ampia copertura protettiva di scorie.

Vantaggi

• Alta qualità di deposito.
• Facilmente meccanizzato.
• Richiede meno pulizia preliminare rispetto a GMAW.
• Tollera le condizioni ventose nelle applicazioni all’aperto.

Svantaggi

• Limitato alla saldatura di leghe ferrose e a basse percentuali di nichel.
• Produce un rivestimento di scoria che deve essere rimosso.
• Filo dell’elettrodo più costoso.
• Produce maggiore fumo.

SAW, Submerged Arc Welding

La saldatura ad arco sommerso è un procedimento automatico molto usato per l’esecuzione di saldature di lunghezza elevata, poiché è un processo molto veloce. In questo processo l’elettrodo è un filo continuo, che opera immerso in un letto di flusso, cioè di materiale solido, granulare, che in parte fonde e lascia una scoria protettiva sul cordone di saldatura. Le scorie e i granuli di flusso forniscono una buona protezione dall’atmosfera, e un buon isolamento termico nella zona della saldatura. Grazie alla scoria il calore rimane localizzato nel bagno di saldatura. La scoria deve essere pulita dopo il deposito di ogni cordone.

Vantaggi

• Tassi di deposito e velocità di saldatura molto elevata.
• I fumi e le radiazioni sono al minimo poiché l’arco è immerso nel flusso.
• Le saldature sono uniformi e di alta qualità.

Svantaggi

• Limitati alla posizione orizzontale del raccordo e alla posizione piatta.
• Visibilità limitata durante il processo.
• Utilizzabile per ghise, alluminio, magnesio, titanio.

LBW, laser-beam welding, saldatura laser

La saldatura a raggio laser è un processo di saldatura per fusione. È solitamente utilizzato per spessori sottili e produce saldature di elevata qualità. Il laser è un mezzo molto efficace. La zona di saldatura viene sempre avvolta con un gas di protezione, che protegge il metallo dall’atmosfera.

Vantaggi

• Grazie al basso apporto di calore, la distorsione e le dimensioni della zona termicamente alterata sono ridotte al minimo.
• Non si ha danneggiamento dell’elettrodo.
• Utilizzabile per saldature di precisione.
• Facilmente automatizzato.

Svantaggi

• Processo molto costoso.
• Lo spessore massimo del giunto è molto limitato.
• Alcuni materiali non sono saldabili.
• La solidificazione rapida può portare porosità e fragilità per alcune leghe.

Saldature a resistenza RSW e RSEW, per punti, a rulli

La saldatura a resistenza, rispetto a quella ad arco, utilizza cicli termici meno severi, quindi la zona termicamente alterata è notevolmente ridotta. È utilizzabile però solo per piccoli spessori. Questo tipo di saldatura si utilizza solitamente per i grandi lotti, per i tempi molto brevi di processo e l’elevato costo dei macchinari. Sono saldature autogene.

La saldatura per punti consente di unire da due a quattro lastre di metallo una sopra l’altra, utilizzando due elettrodi e sfruttando l’effetto joule.

La saldatura a rulli utilizza due elettrodi cilindrici di rame che premono le lamiere da saldare, e sono attraversati da impulsi di corrente che generano la saldatura.

Vantaggi

• Elevata velocità e adattabilità all’automazione.
• La saldatura per punti è economica in molte operazioni di job shop.
• Sono richieste minori abilità per eseguirla.

Svantaggi

• Le possibilità di geometrie e dimensioni sono limitate.
• Non è eseguibile su tutti i metalli.
• I costi delle attrezzature sono generalmente superiori rispetto agli altri tipi di saldatura, in particolare rispetto alla maggior parte delle saldature ad arco.

FW, flash welding

La saldatura Flash, FW, e la saldatura rovesciata, UW, sono processi di saldatura a resistenza, generalmente sono usati per fare giunti di testa in componenti di sezione trasversale, è simile a fare una saldatura contemporaneamente in tutta l’area del giunto. Non si usa metallo d’apporto.

Vantaggi

• Si possono fare forme diverse.
• Pezzi di sezione simile possono essere saldati con gli assi allineati.

Svantaggi

• Problemi di sicurezza dovuti al fatto che vengono espulse alcune particelle di metallo fuse che possono presentare un rischio di incendio.
• Possono richiedere attrezzature speciali.
• I pezzi richiedono sezioni trasversali simili o identiche, a seconda dell’applicazione.

OFW, oxyfuel gas welding

I processi di saldatura a gas ossitaglio comportano la fusione del metallo di base e del metallo d’apporto, non sempre usato, mediante la fiamma prodotta da una torcia di saldatura. Il gas combustibile e l’ossigeno sono combinati in specifiche proporzioni durante l’assemblaggio della torcia di saldatura.

Vantaggi

• Il saldatore può controllare l’input di calore e la temperatura indipendentemente dall’aggiunta di materiale d’apporto.
• Il saldatore può anche controllare dimensione e forma del cordone di saldatura.
• Attrezzatura economica e portatile.
• Può essere utilizzato per varie applicazioni diverse.

Svantaggi

• Tassi di deposito bassi.
• Non è raccomandato per acciai trattabili termicamente ad alta resistenza.
• Ampia area di riscaldamento.
• La saldatura di sezioni spesse non è economica.
• Le proprietà della saldatura non sono buone come quelle delle saldature ad arco.

Effetti della saldatura

La saldatura, poiché utilizza temperature alte, porta a delle variazioni della struttura dei materiali di base utilizzati. Nel caso degli acciai è particolarmente importante la velocità di raffreddamento nell’intervallo di temperatura fra i 900-400° per la formazione di strutture di tempra.

Prendendo in considerazione il giunto, derivante da tecniche autogene, di saldatura possiamo osservare principalmente tre zone:

• La zona fusa, dove il metallo di base è arrivato a fusione, in caso anche quello di apporto.
• La zona termicamente alterata, che è la zona che circonda quella fusa, ed è dove il metallo ha subito delle trasformazioni allo stato solido.
• Metallo base inalterato.

Tensioni residue

Le tensioni residue nella saldatura si generano quando il componente è sollecitato oltre il suo limite elastico, carico di snervamento, a causa delle differenze di velocità di raffreddamento all’interno del corpo. Poiché non tutto il corpo si trova alla stessa temperatura, quindi raffredda a velocità diverse.

Le tensioni residue possono portare a significative deformazioni plastiche, o aumentare il rischio di frattura.

Durante il raffreddamento, la superficie si raffredda più velocemente, comprimendo il materiale riscaldato al centro, come il materiale al centro cerca di raffreddarsi viene trattenuto dal materiale esterno, creando delle tensioni di trazione residue.

FRW, Friction Welding

La saldatura per attrito viene realizzata attraverso il calore risultante dall’attrito dei due pezzi.

Si tiene fermo un pezzo e l’altro viene fatto ruotare, fino a velocità molto alte, i due pezzi vengono messi a contatto, e con una certa pressione e un certo attrito si genera calore. Si ferma poi la rotazione e i due pezzi, grazie anche alla pressione, si uniscono. Spesso si crea una bavatura in corrispondenza della saldatura, che se non voluta può essere rimossa.

Vantaggi

• Produce una zona termicamente alterata relativamente piccola.
• Il processo di saldatura è veloce.
• Poiché non avviene la fusione i difetti tipici della saldatura sono mitigati.
• Non è necessaria una preparazione accurata prima della saldatura.
• La bava prodotta durante il processo aiuta a portare via le impurità.
• Non servono materiali d’apporto.
• È efficiente dal punto di vista energetico, è il processo di saldatura che consuma meno energia.
• È rispettoso nei confronti dell’ambiente poiché riduce al minimo scintille, fumo e vapori.

Svantaggi

• Questo processo è limitato a determinate forme come barre tonde e tubi della stessa sezione trasversale.
• I materiali che non possono essere forgiati non sono saldabili con questo processo.
• Alto costo di installazione.
• I giunti di testa sono limitati a giunti di testa piatti e angolari.
• Può essere usato per unire parti piccole.

FSW, friction stir welding

È una variante della saldatura ad attrito, produce una saldatura attraverso il riscaldamento e il dislocamento plastico del materiale causato da uno strumento a rotazione rapida che attraversa il giunto di saldatura. Differisce dal metodo precedente, FRW, perché il movimento non è fra i due pezzi da saldare ma è dato da un utensile rotante.

I due pezzi sono posizionati sulla piastra di supporto con i bordi a contatto, lo strumento in rotazione è immerso nella saldatura e il suo movimento favorisce lo spostamento del materiale ammorbidito.

Vantaggi

• Si effettua con un solo passaggio e senza alcuna preparazione.
• Le temperature di picco sono minori, quindi anche la distorsione e il ritiro sono minori.
• Riesce a saldare molte leghe di alluminio non saldabili.
• Non ci sono i difetti tipici della solidificazione, crepe e porosità.
• È un processo pulito dal punto di vista ambientale.
• Può esse