Tecnologie industriali pt.14 - Tecniche di giunzione e saldature

8-TECNICHE DI GIUNZIONE

8.1-INTRODUZIONE

I processi di giunzione hanno come obie vo quello di collegare tra di loro più componen .

Possiamo avere collegamen permanen e collegamen non permanen .

I collegamen possono essere realizza mediante tre tecnologie di base:

INCOLLAGGIO

Soluzione Permanente

SALDATURA

Soluzione Permanente

FISSAGGIO MECCANICO

Soluzione che può essere permanente o non permanente

(è possibile lo smontaggio): per collegare due componen

se ne u lizza un terzo (vi , bulloni,…)

8.2-INCOLLAGGIO

La colla è una resina polimerica termoindurente capace di unire corpi mediante un

conta o superficiale ed un legame intrinseco, senza cambiare la stru ura dei corpi stessi.

La fase di re colazione del polimero, a vata a conta o con l’ossigeno, crea coesione tra i

diversi stra della colla.

Il polimero fa da isolante e da conne ore e quindi:

 Non si hanno problemi lega alla temperatura di fusione

I processi di giunzione prevedono di combinare materiali differen . Con la saldatura,

ad esempio, si uniscono due componen portandoli a fusione: un conto è saldare due

materiali della stessa pologia, un conto è saldare materiali differen dato che hanno

temperature di fusioni differen . Questo problema, con l’incollaggio, non si pone.

 Non si hanno problemi lega alla corrosione

Quando si me ono insieme due o più materiali ques materiale possono interagire

tra di loro corrodendosi a vicenda (sopra u o quando sono in ambien par colari

ricchi di umidità). Me endo materiali vicini tra loro possono a rarsi e questa sorta di

a razione non fa altro che prendere un materiale e mandarlo sull’altro inficiando la

qualità della connessione.

Con l’incollaggio non si hanno problemi lega alla corrosione perché il polimero va a

interporsi tra i due materiali ed evita la corrosione.

L’adesivo ha due cara eris che:

 Capacità di adesione

L’adesività è la capacità della colla di unirsi alla superficie da incollare (forza di

interfaccia tra adesivo e substrato)

 Capacità di coesione

Si tra a della forza che c’è all’interno dell’adesivo stesso e cioè la forza che ene uni

i diversi layer della colla. Si tra a della resistenza interna dell’adesivo.

L’adesivo viene scelto a seconda del materiale che bisogna andare a collegare: questo

perché l’adesività dipende proprio dalle cara eris che delle superfici che bisogna andare a

collegare.

In commercio possiamo trovare diverse pologie di adesivi, classifica a seconda della

rigidezza e della resistenza meccanica: si ene conto della resistenza al taglio e

dell’allungamento percentuale a ro ura:

I vantaggi dell’adesivo sono:

 Facilità di u lizzo

 Non si hanno problemi lega a temperatura (in termini di fusione per legare) e

corrosione

Gli svantaggi sono:

 Preparazione delle superfici da incollare

E’ necessario, infa , levigare e sagomare le superfici per migliorarne l’adesione.

La tensione a ro ura di un polimero è bassa generalmente; consideriamo che la forza

di connessione è data dal prodo o della tensione di ro ura del materiale per l’area:

=

Molto spesso le giunzioni dei mobili sono a dente di sega piu osto che lineari e in

questo modo si massimizza l’area di conta o e quindi l’incollaggio è più performante.

Questo per fare capire come prima dell’incollaggio debbano essere eseguite

lavorazioni ulteriori e ciò aumenta il tempo di lavorazione

 Maggior tempo di lavorazione dovuto al curing della colla

La colla è un termoindurente che va a reagire e re colarsi in fase di messa in opera

 Temperatura e condizioni di esercizio limitate

L’adesivo, per quanto possa essere performante, sopra una certa temperatura non

può garan re adesione, la colla perde la sua consistenza.

L’adesivo si presta benissimo quando ci sono carichi di compressione, si presta in modo

intermedio quando ci sono carichi di trazione e si presta malissimo quando ci sono pologie

di sollecitazione come apertura o peeling (pelatura) oppure quando ci sono forze di taglio.

L'immagine analizza la resistenza meccanica di un adesivo, evidenziando come esso reagisca

a diverse forze (compressione, taglio, trazione, apertura, pelatura) in ordine decrescente di

efficacia. Approfondiamo i pun chiave:

1. Reazione alle Forze

Compressione: L'adesivo funziona meglio in presenza di forze di compressione, dove

 il materiale è spinto insieme, favorendo l'adesione ideale.

Taglio: Buona resistenza anche al taglio, dove le superfici scivolano lateralmente.

 Trazione: La resistenza diminuisce sensibilmente quando le forze agiscono per

 separare le superfici lungo l'asse normale al piano di adesione.

Apertura e Pelatura: Queste rappresentano i casi peggiori, generando forze

 concentrate su piccole aree, riducendo dras camente l'adesione.

2. Importanza della Superficie di Conta o

Una regola fondamentale è massimizzare la superficie di conta o, poiché la forza adesiva

dipende dalla relazione: = ×

Incrementando l'area di adesione, aumenta la forza adesiva, migliorando la capacità di

resistere alle sollecitazioni.

8.3-SALDATURE AUTOGENE ED ETEROGENE DI METALLI

8.3.1-GENERALITA’ SULLA SALDATURA

La saldatura è un processo di giunzione che è sempre accompagnato da un aumento di

temperatura per portare a fusione due pezzi e unirli. I due pezzi da saldare (che solitamente

sono lamiere) prendono il nome di metallo base (metallo delle lamiere che si saldano).

Una volta eseguita una saldatura si ha la formazione di una linea spessa, che prende il nome

di Cordone di Saldatura e che serve a collegare i due elemen : il materiale u lizzato

durante la fusione per creare il cordone di saldatura prende il nome di Materiale d’Apporto.

Il materiale d’apporto è presente in alcune saldature e assente in altre (dipende dalla

pologia di saldatura): quando c’è si fonde questo materiale e si me e nel cordone, se non

si u lizza invece il cordone si forma con il materiale fuso delle lamiere stesse.

I cordoni di saldatura possono essere diversifica a seconda della pologia di componen

da unire:

 Cordone di Piano

Si prendono due lamiere planari e si me ono insieme creando questo cordone.

 Cordone Frontale

In questo caso le lamiere sono ver cali e l’unione avviene in modo ver cale

 Ecc…

A seconda della forma del cordone bisogna pianificare dei parametri di lavorazione. Un

conto è fare un cordone in piano, un conto è fare un cordone sulla testa o di lato.

Questo perché con la saldatura si fa fusione del materiale e quando un materiale è fuso è

fluido: un conto è ges re un materiale fluido sul piano e un conto è ges re del materiale

fluido in ver cale o sopratesta.

Cambiano le condizioni opera ve e quindi cambia la pologia di fluidità del cordone che si

sta realizzando e la pologia di forma del cordone.

Il cordone di saldatura si può o enere in una sola passata o in diverse passate realizzando

diverse porzioni di materiale del cordone.

Il Bagno di Fusione è la porzione di metallo che viene fusa durante l’operazione di saldatura

(metallo di apporto più una piccola parte del metallo da saldare).

La Cianfrinatura è la preparazione dei lembi da saldare, in quanto i lembi da saldare non

sempre si prestano bene all’assemblaggio. Cianfrinatura vuol dire cianfrinare il bordo da

unire per o mizzare la zona di collegamento.

La cianfrinatura dipende dallo spessore del pezzo da saldare:

 Se lo spessore è molto so le per saldare non c’è bisogno di cianfrinatura

(2 − 3 )

 All’aumentare dello spessore (dai ai è necessaria la cianfrinatura e

6 20 )

cioè si va a creare un’area des nata alla realizzazione del cordone facendo

asportazione di truciolo con una fresatrice. Si va quindi a rimuovere una parte di

lamiera per garan re un invaso che va ad accogliere la zona fusa che si sta andando a

creare.

Si va poi a fare una prima fase di saldatura dalla parte opposta a quella che si vuole

saldare (in modo da creare una sorta di tappo per evitare la colata del materiale fuso

durante la saldatura), poi si gira e si vanno a fare passate per o enere il cordone di

saldatura u lizzando bagni di saldatura.

 Se lo spessore è molto elevato si va a prevedere una cianfrinatura sia sulla parte

superiore dei lembi e sia sulla parte inferiore.

La cianfrinatura, oltre a dipendere dallo spessore, dipende anche dalla pologia di cordone

che si sta eseguendo e dalla pologia di metallo che si sta lavorando: un metallo fuso,

infa , è un fluido viscoso e tanto più il materiale ha una minore capacità di andare a

penetrare all’interno delle fessure da riempire e tanto più l’operazione di cianfrinatura deve

essere impa ante.

Uno dei problemi di cui bisogna tener conto nella scelta della pologia di saldatura è

l’Ossidazione: quando un materiale è altamente ossidabile delle tecniche non possono

essere u lizzate perché non riescono a proteggere il materiale dall’ossidazione.

Ricordiamo che l’ossidazione avviene nei metalli so opos ad elevate temperature che

reagiscono con l’ossigeno formando ossidi che sono deleteri (influenzano nega vamente le

proprietà del componente stesso).

8.3.2-CLASSIFICAZIONE DELLE SALDATURE

Esistono due macrocategorie di saldatura: saldature autogene e saldature eterogene.

SALDATURE AUTOGENE

Si tra a di quelle saldature per le quali si va a creare il cordone u lizzando esclusivamente

il metallo base per la costruzione del cordone o al massimo, se si u lizza il metallo

d’apporto, questo ha le stesse proprietà e cara eris che del metallo base.

Andremo ad analizzare le saldature autogene per fusione, che u lizzano una sorgente

termica. A seconda della sorgente termica u lizzata si vanno a delineare diversi pi di

saldature autogene per fusione:

 Saldature a Gas

Si u lizza la combus one di un gas per fornire calore e fondere materiale

 Saldature ad Arco ele rico

L’arco ele rico è uno strumento (o meglio un flusso di ele roni) che sfru a il

passaggio di corrente per creare calore e quindi fondere il materiale per saldare

 Saldature per Resistenza

Tipologia di saldatura che sfru a il passaggio di corrente che riscalda un condu ore

per Effe o Joule (un condu ore a raversato da corrente si riscalda)

Questo po di saldatura è nota anche come “saldatura per pun ”: mentre i primi due

pi di saldatura vanno ad o enere dei cordoni di saldatura, la saldatura per resistenza

è nota perché crea dei pun di saldatura.

 Saldature Laser o al Plasma

Sono saldature più costose che u lizzano fon di calore molto intense

Un’altra pologia di saldature autogene sono le saldature autogene allo stato solido. Si

tra a di saldature che si o engono senza andare a fondere il metallo.

Si tra a di saldature che vanno a sfru are una proprietà dei metalli che è quella per cui è

possibile unire i metalli andando ad accostare i metalli e so oporre ad alta temperatura e

pressione le superfici accostate, ma a temperatura minore della temperatura di fusione.

Nonostante la temperatura non arrivi a fusione, interviene la pressione che perme e di

andare ad accostare con molto vigore le superfici creando la giunzione.

E’ come se le creste e le valli delle superfici (creste e valli che cara erizzano la rugosità)

vanno a compa arsi e unirsi garantendo una migrazione atomica.

SALDATURE ETEROGENE

Si tra a di quelle saldature che avvengono sempre con materiale d’apporto e il materiale

d’apporto ha cara eris che meccaniche e termiche inferiori rispe o al materiale che si

sta saldando. Tali cara eris che non possono essere superiori: la zona che deve essere

riempita dal cordone deve essere riempita con un metallo che ha un punto di fusione al

massimo uguale a quello che si sta creando perché se il materiale d’apporto avesse un punto

di fusione superiore al metallo base, appena lo si inserisce il metallo base nebulizzerebbe.

SALDATURE AUTOGENE PER FUSIONE

8.3.3-SALDATURE A GAS (Saldatura Autogena)

Si tra a di una pologia di saldatura che u lizza un gas come combus bile. Analizzeremo la

saldatura ossiace lenica che u lizza come gas l’ace lene.

Questa pologia di saldatura u lizza un gas combus bile noto come Ace lene per

generare il calore necessario a fondere il metallo durante le passate. Il comburente è

l’ossigeno e il processo prende il nome di Saldatura Ossiace lenica.

Perché si u lizza come gas l’ace lene?

L’ace lene reagisce con l’ossigeno per effe uare la combus one e reagisce in diverse fasi

che sono la Reazione Primaria e la Reazione Secondaria.

La Reazione Primaria è la seguente:

+ → 2 + +

Il vantaggio dell’ace lene è che i due prodo e non sono già in fase neutra ma

2

sono prodo che a loro volta possono reagire e possono essere altra fonte di

combus one reagendo con l’ossigeno.

Le Reazioni Secondarie sono le seguen :

2 + → 2 +

1

+ → +

2

Oltre al vantaggio del calore che viene rilasciato (complessivamente circa un

300 ),

altro aspe o posi vo consiste nel fa o che le reazioni effe uano la combus one con

l’ossigeno e così facendo si rimuove ossigeno dalla zona di saldatura, creando una sorta di

protezione dall’ossidazione (in questo caso è una protezione blanda).

Per effe uare questa saldatura si u lizzano due bombole: una di ossigeno e una di

ace lene. Ques due gas vengono inseri all’interno di un Cannello Ace lenico, dove si

innesca la combus one. Il cannello presenta due rubine , per creare la combinazione

desiderata tra ace lene (rosso) e ossigeno (blu) nella fiamma, che fuoriesce dal beccuccio

del cannello.

Ci sono tre pi di fiamme:

 Fiamma Carburante: fiamma ricca di ace lene

 Fiamma Ossidante: fiamma ricca di ossigeno (di colore tendente al blu)

 Fiamma Neutra: bilancio ideale tra ossigeno e ace lene nella fiamma

La fiamma del cannello ace lenico si divide in tre zone:

 Zona di Dardo

Avviene la reazione primaria

 Zona di Saldatura

Si innesca la reazione secondaria e si raggiunge la temperatura massima (sui 3000°C):

è in questa zona della fiamma che bisogna effe uare la saldatura.

Bastano pochissimi secondi per fondere l’acciaio che ha un punto di fusione a 1500°C

 Fiocco

Zona in cui la temperatura è minima

La lavorazione si presta per i metalli a basso tenore di carbonio e basso rischio di

ossidazione: questo perché l’ace lene garan sce una blanda protezione all’ossidazione.

Quando la pellicola di ossido è rilevante sul metallo il cannello ossiace lenico non lavora

bene e quindi, in ques casi, si va ad aggiungere in zona di saldatura una Polvere

Disossidante; queste polveri reagiscono con l’ossido ad alta temperatura e lo vanno a

sciogliere. L’ossido sciolto viene assorbito dal bagno di fusione so oforma di scorie, che

diventeranno scorie superficiali che verranno poi rimosse con l’asportazione di truciolo.

Per valori di spessore della lamiera piccoli (< 3-4 mm), possiamo effe uare la saldatura

autogena senza metallo d’apporto e spesso in una sola passata. La cianfrinatura è la

preparazione dei lembi del metallo base per spessori maggiori di 3-4 mm, e consente di

aumentare la penetrazione.

Prima di saldare, spesso è opportuno pulire le superfici dei lembi e rimuovere le impurità

Questa saldatura si può estendere a livello di applicazione perché il cannello ossiace lenico

può essere u lizzato anche come taglio: si va a fondere e invece di aspe are che il bagno

fuso si vada a solidificare, lo si va a bu are via, andando ad aumentare quella che è la

pressione del ge o di gas e quindi si può tagliare un pezzo metallico.

In tal caso conviene massimizzare la temperatura di lavorazione, dando più ossigeno alla

fiamma e rendendo il materiale meno viscoso e più fluido in modo che sia più portabile via.

Ovviamente non si o ene un taglio preciso ma abbastanza grossolano che poi deve essere

rifinito.

La saldatura a gas è un’operazione manuale di poco pregio sia da un punto di vista

meccanico che da un punto di vista este co ed è una lavorazione economica (viene

u lizzata a livello di piccolo laboratorio o piccola officina meccanica)

8.3.4-SALDATURE AD ARCO (Saldatura Autogena)

In questa saldatura autogena per fusione si u lizza, per generare calore, un arco ele rico: si

crea un flusso di ele roni e ioni che bombarda la parte da saldare, creando condizioni che

portano alla fusione del materiale.

Si ha un generatore di tensione che crea una differenza di potenziale e poi scorre un flusso

di corrente nel circuito ele rico che arriva alla zona da saldare.

Si vede dallo schema che non si ha un circuito chiuso. La corrente comincia a fluire e

quando arriva ad un’estremità (anodo o catodo) ovviamente la corrente si va a bloccare

perché c’è lo spazio libero in cui si va a me ere la zona di saldatura.

L’anodo è la parte posi va in cui si concentrano gli ele roni e il catodo è la parte nega va

sulla quale si concentrano gli ioni che si vanno generare a seguito della ionizzazione dell’aria

nella zona di saldatura.

Quando la corrente arriva ad un’estremità abbiamo de o che teoricamente si blocca perché

c’è una discon nuità. Ad un certo punto si va a creare una specie di zona di innesco (molto

spesso si avvicinano le zone delle due estremità e poi si allontanano) e si crea un piccolo

passaggio che comincia a far passare i primi ele roni. Gli ele roni vanno ad interagire con

l’ambiente e vanno a ionizzare l’aria che c’è in questa zona, si formano ioni posi vi indirizza

dall’anodo verso il catodo: l’urto di ele roni e ioni su anodo e catodo provoca il

riscaldamento di quest’ul mi.

Quindi nella zona tra i due ele rodi si ha questo flusso con nuo di ele roni e ioni che

riscaldano l’anodo e il catodo. La temperatura dell’anodo sarà maggiore perché gli ele roni

si muovono più velocemente e quindi l’energia generata dal passaggio di corrente di

distribuisce in modo diseguale tra i due ele rodi (1/3 il catodo e l’anodo).

2/3

Nel processo di saldatura ad arco, l'arco ele rico è generato tra due ele rodi: uno è la

bacche a o l'ele rodo porta le, mentre l'altro ele rodo è la superficie della lamiera o del

materiale che deve essere saldato. Questo significa che la lamiera da saldare agisce come

uno dei due poli del circuito ele rico. Quando l'arco ele rico si forma, gli ele roni e gli ioni

si muovono verso la lamiera, bombardandola con sufficiente energia termica per fondere il

materiale. Si parla di:

 Saldatura Dire a

Il pezzo da saldare cos tuisce l’anodo del circuito e cioè in prossimità del pezzo da

saldare si ha maggiore calore e convergono gli ele roni. Si parla di saldatura “dire a”

perché l’anodo è la parte più calda. L'elevata temperatura può favorire la formazione

di ossidi metallici, rendendo più difficile il processo di fusione

 Saldatura Inversa

Il pezzo da saldare è il catodo dell’arco ele rico e cioè in prossimità del pezzo da

saldare convergono gli ioni posi vi e si ha meno calore (temperatura più bassa).

Con la saldatura inversa si riduce il rischio di formazione di ossidi. È preferita per

materiali sensibili all'ossidazione o in condizioni dove il controllo termico è cruciale.

Queste due saldature avvengono con corrente con nua. Riepiloghiamo:

Per le saldature si può u lizzare una corrente con nua in modalità dire a: si ha il flusso in

una sola direzione: si ha flusso di ele roni dall’ele rodo verso le lamiere e flusso di protoni

dalla lamiera verso l’ele rodo. Questa pologia di saldatura consente di saldare alla

maggiore temperatura possibile (70% calore sulle lamiere e 30% di calore sull’ele rodo). Si

o engono delle saldature più profonde.

Nel momento in cui si ha necessità di una protezione aggiun va che va a frantumare l’ossido

si possono u lizzare i protoni per andare a distruggere l’ossido e quindi entra in gioco la

corrente con nua in modalità inversa. In questo caso gli ele roni vanno sempre verso

l’ele rodo e gli ioni verso la zona da saldare. In questo contesto 2/3 del calore vanno verso

l’ele rodo che si consuma più velocemente. Si va a limitare l’efficienza della saldatura

perché si va a minimizzare il calore sulla lamiera (penetrazione limitata) ma il vantaggio di

questa saldatura è proprio l’u lizzo di ioni posi vi per la distruzione di ossido. Si u lizza

quando c’è un’ossidazione molto spinta.

Per alcune pologie di materiale si u lizza una corrente alternata (che è una via di mezzo

tra corrente con nua in modalità dire a e inversa), in modo tale che il calore si distribuisca

in modo uguale tra anodo e catodo. Questo aiuta a ridurre il rischio di ossidazione e a

migliorare la qualità della saldatura, perché durante ogni ciclo di alternanza si rimuovono

parzialmente gli stra di ossido che si formano sulla superficie del metallo.

Questo processo è par colarmente u le per materiali come l'alluminio, che tendono a

formare rapidamente uno strato di ossido (es. ossido di alluminio, Al₂O₃), che è molto duro

e resistente al calore. Ecco come funziona:

1. Fase posi va (quando il pezzo da saldare è l'anodo):

Gli ele roni si muovono dall'ele rodo verso il pezzo da saldare: durante questa fase,

l'elevata energia degli ele roni contribuisce a rompere e disgregare lo strato di ossido

sulla superficie del metallo (pulizia catodica o cleaning effect)

2. Fase nega va (quando il pezzo da saldare è il catodo):

Gli ele roni si muovono dal pezzo