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Saldabilità dell alluminio e delle sue leghe, Metodologie metallurgiche e metallografiche Appunti scolastici Premium

Esercitazione di Metodologie metallurgiche e metallografiche per l'esame della professoressa Pilone. Gli argomenti trattati sono i seguenti: caratteristiche principali dell’Alluminio e delle sue leghe, saldatura ad arco sotto protezione di gas inerte, etc.

Esame di Metodologie metallurgiche e metallografiche docente Prof. D. Pilone

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ESTRATTO DOCUMENTO

• necessità di protezione gassosa per prevenire fenomeni di ossidazione;

• preparazione dei lembi;

• necessità di pulire meccanicamente e/o chimicamente le parti prima di unirle;

• sensibilità ai cicli termici severi;

• sensibilità alle cricche a caldo;

• conduttività termica ed elettrica;

• fenomeni di ritiro.

Nel caso dell’alluminio il problema principale è la continuità metallica a causa

dell’impedimento che procura in tal senso il suo ossido stabile e refrattario noto come

allumina, si parla quindi in questo caso di saldabilità operativa e si vedrà in seguito come

risolvere questo problema. Ora che è stato introdotto il significato generico di saldabilità si

analizza la definizione data dal comitato internazionale : “si dice che un materiale è

saldabile a un dato grado attraverso un dato processo e per una certa applicazione se si

presta, attraverso degli accorgimenti, alla realizzazione di una costruzione tra i cui

elementi è possibile avere continuità metallica tramite giunti saldati le cui proprietà

soddisfino le condizioni richieste”.

Non si parla quindi solo di saldabilità positiva o negativa ma di “grado di saldabilità” a cui

corrispondono le precauzioni che devono esser prese per rispettare le disposizioni del

programma di saldatura.

Nella saldabilità del materiale è quindi molto importante anche il processo di saldatura

applicato, nel caso delle leghe di Al di nostro interesse esse sono ben saldabili con le

tecniche MIG o TIG ma non vengono saldate con fiamma ossiacetilenica (servirebbe un

flusso solido il cui scopo è quello di scorificare l’allumina). I procedimenti MIG e TIG

prevedono l’uso di gas inerti al fine di proteggere il bagno di saldatura ed il materiale

circostante.

2. Caratteristiche principali dell’Alluminio e delle sue leghe

L’alluminio è un metallo che viene estratto dall’allumina mediante procedimento

elettrolitico dalla fine dell’800 e le cui caratteristiche principali sono la bassa densità

3 3

volumica (2,7 kg/dm contro 7,8 kg/dm dell’acciaio) e una temperatura di fusione che si

0

aggira attorno ai 658-660 C . La

resistenza meccanica, variabile a seconda delle impurezze e dalle lavorazioni plastiche

2 2

subite, è di limiti modesti (80 N/mm per l'alluminio ricotto e 150 N/mm per quello

incrudito). L’alluminio resiste bene alla corrosione sia in atmosfera

che in acqua marina inoltre è un metallo molto reattivo con l’ossigeno infatti se esposto

all’aria forma un ossido chiamato Allumina (Al O ) che protegge il metallo da ulteriore

2 3

corrosione. Altre caratteristiche fondamentali

sono la conducibilità elettrica eccellente ( di molto superiore a quella del ferro) che, unita

alla sua grande conducibilità termica che rende difficile il riscaldamento localizzato

necessario alla saldatura, rende complicato effettuare alcuni tipi di saldatura come la

saldatura a resistenza, per ovviare al problema dell’elevata conducibilità termica occorre

saldare con dei tempi molto brevi e con delle potenze elevate.

Questo metallo presenta ottime proprietà di tenacità e duttilità dovute al gran numero di

piani di scorrimento del suo reticolo cristallino (cubico facce centrate) quindi in generale

non sono possibili cricche a freddo o pericoli di rottura fragile.

La solubilità (che aumenta all’aumentare della temperatura) di altri elementi è limitata e

gli unici elementi abbastanza solubili sono : zinco (fino al 50%), magnesio(massimo

12%), rame, silicio, manganese (tra 1 e 10%). Questi elementi una volta aggiunti

possono formare composti intermetallici che portano a una distorsione del reticolo con

conseguente aumento della resistenza, infatti lo scopo di queste leghe è quello di

aumentare resistenza, limite elastico e resistenza alla corrosione. Siccome le percentuali

degli elementi di lega non supera mai il 7% il peso non cambia molto e queste leghe

vengono definite “leghe leggere”.

Per aumentare la resistenza meccanica non si può effettuare la tempra dell’alluminio

come per l’acciaio ma si può effettuare un processo di invecchiamento (precipitazione a

0

T o di circa 150 C di cristalli secondari nella struttura principale della lega che porta a

amb

un indurimento e aumento di resistenza con perdita di tenacità). Le leghe di alluminio

vengono quindi suddivise in leghe da incrudimento (aumento delle proprietà grazie a una

deformazione plastica a freddo) e in leghe da bonifica (stesse proprietà ottenute

attraverso il fenomeno dell’invecchiamento). Esistono diverse normative che

regolano la distinzione delle varie leghe di alluminio, in questo caso si è ritenuto utile ai

fini della tesina utilizzare la designazione numerica per le leghe da lavorazione plastica

specificata nella norma UNI 7426 che precisa per ogni materiale una designazione con 4

cifre:

1xxx. Alluminio puro più del 99% (conduttore o placcature altre leghe Al);

2xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale Rame (campo aeronautico e strutturali);

3xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale Manganese (serbatoi e scambiatori

calore);

4xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale Silicio (materiale d’apporto per altre

leghe Al);

5xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale Magnesio (elettrodomestici e campo

navale);

6xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale Magnesio e silicio (estrusi, serrature,

ponteggi);

7xxx. Leghe di Alluminio con alligante principale zinco;

8xxx. Leghe di Alluminio con altri alliganti (con litio in campo trasporti).

Si parlerà di queste leghe più avanti specificandone anche le caratteristiche principali di

saldabilità. Saldabilità dell’alluminio

3.

Il problema metallurgico di maggior interesse per la saldatura dell’alluminio è la

possibilità di cricche a caldo presente soprattutto nelle leghe con un ampio intervallo di

solidificazione,questo problema va risolto attraverso la scelta del giusto materiale

d’apporto. Altri aspetti oltre al fenomeno della "criccabilità

a caldo" che si presentano nella saldatura e che sono dipendenti da particolari

caratteristiche fisiche dell'alluminio sono:

1. L'alluminio conduce calore più dell'acciaio per cui si riscontrano

difficoltà ad ottenere la fusione localizzata. Il calore assorbito durante

la saldatura porta a notevoli deformazioni dato che molto materiale è

interessato al riscaldamento.

2. L'alluminio si ossida con grande facilità e forma un composto

chiamato allumina; la formazione di allumina è presente già a

temperatura ambiente ed aumenta in proporzione alla la temperatura.

Inoltre mentre l'alluminio e le leghe leggere fondono a circa 600-660

°C, l'ossido fonde a oltre 2000 °C ed è più pesante dell'alluminio.

L’ossido costituisce dunque una difficoltà per la fusione del materiale

ed un pericolo di inclusioni nel giunto.

3. Altro problema che si può presentare durante la saldatura

dell'alluminio è il caratteristico tipo di inclusioni gassose sparse in

tutto il cordone di saldatura (porosità diffusa). Questo tipo di difetto è

attribuito alla diversa solubilità dell'idrogeno nel metallo liquido e

solidificato che saldando in particolare modo, con il procedimento MIG

che realizza forti velocità di saldatura e quindi anche di solidificazione

del bagno, non consentono ai gas che si sviluppano di sfuggire dalla

superficie. Sulla porosità influisce anche l'abilità del saldatore: è

fondamentale che i materiali base e d'apporto siano ben puliti,

sgrassati ed asciutti.

Altre fonti che possono portare a porosità diffusa sono: idrogeno nel materiale base o nel

materiale d’apporto; umidità dell’atmosfera; eventuali impurezze sulla superficie del

metallo relative alla tecnica di conservazione usata per la lega.

Per contrastare tutti questi aspetti la saldatura dell’alluminio e delle leghe di alluminio deve

fare uso di sorgenti termiche molto potenti e concentrate che realizzino la fusione

velocemente in modo da ridurre le dispersioni di calore.

Procedimenti di saldatura

4.

Tra tutti i procedimenti possibili solo la saldatura ad arco sotto protezione di gas inerte ha

consentito di realizzare in modo soddisfacente la saldatura delle leghe di alluminio.

Questo perché oltre a contrastare l’elevata conduzione termica dell’alluminio contrasta

anche la formazione dell’ossido, infatti nel caso di saldatura ad arco sotto protezione di

gas inerte il flusso di ioni ed elettroni dall’elettrodo al bagno di fusione e al materiale

base realizza la rottura e la rimozione dell’ossido nel momento in cui il polo positivo è

collegato all’elettrodo e quindi la polarità della corrente è invertita.

Di solito il gas inerte utilizzato è l’argon ma per avere una migliore penetrazione è

possibile usare miscele argon-elio o direttamente elio.

Un altro procedimento di saldatura che può essere utilizzato è la saldatura a resistenza

che può essere applicata su lamiere sottili ma necessita di un elevato tenore di pulizia

delle superfici da saldare.

Saldatura ad arco sotto protezione di gas inerte

5.

Questo tipo di saldatura si suddivide in due categorie:

• saldatura ad arco con elettrodo infusibile sotto la protezione di gas inerte in

versione manuale o automatica ( TIG );

• saldatura ad arco con elettrodo fusibile sotto la protezione di gas inerte in

versione semi automatica o automatica ( MIG );

TIG

5.1.

Questo procedimento sfrutta l’alta temperatura prodotta da un arco elettrico che scocca

tra l’elettrodo infusibile ed il pezzo da saldare.

Gli elettrodi utilizzati sono in tungsteno puro (93,5%-97,5%) inoltre questa tecnica offre

vantaggi notevoli relativi alla rapidità di esecuzione, alla facilità di controllo dell’arco, alla

regolazione di intensità di corrente entro ampi limiti e soprattutto alla sorgente termica

potente e concentrata (che consente di saldare spessori piccoli con buone velocità di

saldatura).

L’impianto è composto da più parti: un circuito elettrico alimentato da un generatore e

corredato con un dispositivo per l’accensione e la stabilizzazione dell’arco, un circuito di

raffreddamento ad acqua per non far surriscaldare la torcia, un circuito per il gas di

protezione.

La saldatura viene eseguita fondendo i lembi accostati del pezzo, in un tempo molto

breve (3-5 secondi), se lo spessore è piccolo non è previsto l’uso di materiale d’apporto

che è invece essenziale per spessori elevati. Il materiale d’apporto, che si trova sotto

forma di bacchette, non è fuso dall’arco ma dal bagno di fusione dove viene immerso ad

intervalli regolari, fondendo ogni volta qualche millimetro ed è aggiunto in modo manuale

o automatico. Serve quindi un saldatore altamente qualificato, se manuale, o una

perfetta programmazione se automatico e questo è ovviamente uno svantaggio.

E’ molto importante il gas di protezione, infatti deve proteggere l’elettrodo, l’arco, il bagno

e le zone del pezzo adiacenti al bagno da possibili contaminazioni atmosferiche, come

umidità e ossigeno evitando ossidazioni o altri danni che peggiorerebbero la qualità del

giunto. Si utilizza come già detto prima argon in quantità variabili (5-25

l/min). Non è possibile utilizzare il TIG in corrente

continua e polarizzazione diretta perché gli elettroni che arrivano all’anodo (pezzo da

saldare) non sono in grado di rompere l’ossido. Il TIG in corrente

continua e polarizzazione inversa è utilizzabile ma solo per piccoli spessori perché

all’anodo (polo positivo, l’elettrodo) si sviluppano temperature molto elevate e per evitare

che l’elettrodo si surriscaldi fino a fondere, procurando danni inaccettabili nel giunto, si

devono usare elettrodi di diametro elevato (6 mm) e correnti non superiori ai 100 A.

Questa alimentazione permette la rottura dell’ossido: la frantumazione dell’ossido é

dovuta al bombardamento degli ioni positivi, del gas di protezione, che hanno massa


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mik1990s

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica (LATINA, ROMA)
SSD:
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher mik1990s di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Metodologie metallurgiche e metallografiche e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Pilone Daniela.

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