Saldatura

SALDATURA AD ARCO ELETTRICO

La saldatura elettrica ad arco con elettrodo fusibile è il sistema più

importante e diffuso di saldatura utilizzato nella cantieristica navale.

La saldatura ad arco sfrutta l'alta temperatura sviluppata da un arco

elettrico che scocca tra due elettrodi.

Un elettrodo è costituito dal metallo di apporto, che fonde insieme ai

lembi del metallo base (2° elettrodo)

L'impianto è composto da un motore M e da una dinamo D che

insieme costituiscono il generatore di corrente G. I due poli della

dinamo sono collegati all'elettrodo E (tenuto dalla pinza) e al pezzo da

saldare (materiale base).

L'arco elettrico è la manifestazione di una emissione di elettroni provenienti da un anodo incandescente (polo negativo)

che bombardano il catodo (polo positivo) con conseguente ionizzazione delle molecole gassose dell'ambiente esterno.

Si genera un grande aumento di temperatura → una volta innescato, si autoalimenta e prosegue da solo, purché tra gli

elettrodi permanga una opportuna differenza di potenziale.

L'innesco dell'arco consiste nel porre a contatto l'estremità dei due elettrodi in modo che per effetto Joule si provochi la

loro rapida incandescenza; successivamente gli elettrodi sono allontanati ed una bassa tensione è sufficiente a conservare

l'arco.

L'arco scocca tra l'elettrodo collegato al polo negativo ed il materiale base, collegato al polo positivo. Si forma una zona

molto luminosa a forma di pozzetto che costituisce il cratere nel quale vi è il metallo del pezzo in fusione e una parte del

metallo dell'elettrodo che fonde e cade nel cratere (l'elettrodo fornisce quindi direttamente il materiale d'apporto

necessario per la saldatura)

Le temperature necessarie perché il processo si inneschi e si mantenga sono altissime. Nell'arco si raggiungono

temperature di circa 3'000 . 3'200 °C mentre le temperature dell'anodo e del catodo sono più basse e dipendono dai

materiali di cui sono costituiti gli elettrodi (in media tra i 2’500 e i 3’000°C)

Le condizioni affinché un arco scocchi:

a) occorre sorpassare un valore minimo della tensione ai capi degli elettrodi: valore dipende dalla natura degli elettrodi,

dall'atmosfera che circonda l'arco e dalla lunghezza dell'arco (distanza tra la punta dell'elettrodo e il cratere);

b) esiste un minimo di intensità di corrente al di sotto del quale l'arco si spegne;

c) occorre che il catodo raggiunga una temperatura minima al di sotto della quale l'arco non si innesca. La temperatura

dell'anodo invece non ha praticamente importanza;

d) l'accensione ed il mantenimento dell'arco sono facilitati da quanto più ionizzabile è l'atmosfera che lo circonda.

I primi elettrodi usati nella saldatura autogena erano costituiti da una bacchetta di materiale d'apporto nudo.

Tale soluzione dava i seguenti inconvenienti:

• instabilità dell'arco;

• saldatura ossidata;

• difetti di cricche ed irregolarità

• perdite di elementi di lega;

• scadenti proprietà meccaniche del giunto.

Esempio: nave cisterna T2 in cui le tensioni di saldatura e i difetti introdotti dalle prime saldature effettuate con elettrodi

nudi, ne ha provocato la rottura in due parti nette.

ELETTRODI RIVESTITI

• Per superare tali problemi vennero studiati elettrodi rivestiti di materiali silicei che, fondendo insieme all'elettrodo,

facilitavano la saldatura.

• Un elettrodo rivestito è costituito da un'anima metallica cilindrica e da un rivestimento di silicio pressato con diversi

additivi a seconda degli scopi che si vogliono raggiungere. Solo una estremità dell'elettrodo non è ricoperta dal

rivestimento, per favorire il contatto elettrico con la pinza

• Durante la saldatura l'estremità dell'elettrodo fonde cadendo nel cratere insieme al metallo base fuso e formando il

bagno di fusione.

• Anche il rivestimento fonde ed in parte volatilizza: la parte fusa si deposita nel bagno di fusione solidificando e

formando la scoria che ricopre interamente il cordone di saldatura e ne rallenta il processo di raffreddamento

favorendo la distribuzione delle tensioni nel materiale dovute all'altissimo gradiente termico.

• Una parte del rivestimento invece volatilizza formando una nube intorno all'arco che lo protegge dall'atmosfera

circostante

• FUNZIONI DEL RIVESTIMENTO:

o proteggere l'arco ed il bagno di fusione dall'atmosfera circostante;

o sviluppare un ambiente ionizzato per il mantenimento dell'arco;

o disossidare il bagno di fusione;

o fornire eventuali elementi di alligazione al bagno di fusione;

o rallentare il raffreddamento del cordone di saldatura.

• Se l'arco non è protetto dall'atmosfera si possono verificare attacchi da parte dell'azoto e dell'ossigeno verso gli

elementi durante il passaggio attraverso l'arco e mentre si trovano ancora allo stato fuso. L'azoto è l'elemento di più

difficile eliminazione.

• La protezione dell'arco avviene per mezzo degli elementi del rivestimento che decomponendosi con altri, generano

una nube di gas che circonda l'arco. I gas che si formano sono costituiti da CO, CO , H atomico e acqua

2

• Per generare e mantenere l'arco è necessario facilitare il flusso della corrente → vengono inseriti nel rivestimento degli

elementi con elevata emissione termoionica ed un potenziale di ionizzazione relativamente basso (silicati di alluminio

alcalini, silicati di sodio e carbonati di calcio o ossidi di titanio/manganese).

I fluoruri e l'idrogeno contrastano l'azione degli elementi stabilizzanti

• Alla temperatura dell'arco molti metalli vengono trasformati nei loro ossidi se a contatto con ossigeno o con composti

contenenti ossigeno (CO2, vapore acqueo) → inserite ferro leghe aggiunte x impedire ossidazione del deposito

• Le ferro leghe aggiungono al deposito degli elementi di lega come Mn, Si, Ni, Mo, Cr. V, Cu che possono essere

introdotti nel rivestimento x ottenere particolari caratteristiche

• Rivestimento possiede sali di calcio, come il CaCO3 x depurare da zolfo e fosforo (prodotti solfuri e fosfuri che si

attaccano alla scoria)

• La presenza di idrogeno nel rivestimento degli elettrodi influisce negativamente sulla buona riuscita della saldatura.

L'idrogeno può provenire dal rivestimento o dalla umidità dello stesso → elettrodi a basso idrogeno, che utilizzano

carbonati di protezione che non sviluppano idrogeno

• Lo strato di scoria che copre il deposito dopo la saldatura non è solo un residuo inevitabile, ma serve:

- protezione contro contaminazioni atmosferiche

- ritardare solidificazione del metallo x permettere fuoriuscita del gas

- regolare profilo e aspetto generale della saldatura

• elementi che compongono la scoria derivano dalla decomposizione o dalla reazione di materiali del rivestimento più

silicati e ossidi aggiunti

• Scorie acide (danno dei silicati complessi di ferro e manganese, con ossidi pure di ferro e manganese), scorie basiche

(appartengono al sistema CaO – SiO2 più complessi), scorie ossidanti (appartengono al sistema FeO – SiO2)

TIPI DI ELETTRODI

1) ELETTRODI OSSIDANTI:

• Contengono una percentuale molto elevata di ossidi di ferro e di manganese, che provocano una forte

decarburazione

• La scoria è abbondante e molto pesante per cui l'elettrodo risulta scorrevole

• Cordone di bella rifinitura ma a rischio di ossidazione e le proprietà meccaniche del materiale depositato sono basse

2) ELETTRODI ACIDI

• costituiti da ossidi di ferro, da silicati e da ferroleghe, usati solo x acciai di qualità

• stabilità e penetrazione dell'arco sono buone, facile impiego, cordoni di bell’aspetto, scoria abbondante e leggera

• buone caratteristiche meccaniche, buona resistenza alla fessurazione a caldo

3) ELETTRODI NEUTRI:

• producono una scoria con caratteristiche metallurgiche neutre. La caratteristica principale è l’elevata penetrazione

4) ELETTRODI BASICI:

• contengono il 70% di sali di calcio. Producono scoria basica e CO2 protettivo contro zolfo e fosforo (acciai impuri)

• produce un materiale depositato di elevata qualità e durante la saldatura non libera idrogeno (no acqua nel

rivestimento)

• caratteristiche meccaniche e di sicurezza molto elevate, per acciai di difficile saldabilità e per grossi spessori

• buona penetrazione ed è possibile introdurre tutti elementi di lega

5) ELETTRODI ALLA CELLULOSA:

• contengono elevata quantità di cellulosa (30%) oltre a ossidi di titanio, silicati e ferro leghe disossidanti

• Durante la fusione il rivestimento sviluppa CO2 che protegge efficacemente il bagno dall'ossigeno e dall'azoto

• Forte penetrazione con cordone continuo all’interno, velocità elevata di fusione (quindi tempi ridotti)

• liberano una forte quantità di idrogeno, quindi adatti solo ad acciai a basso tenore di carbonio

6) ELETTRODI AL RUTILE:

• contengono biossido di titanio che non ha alcuna azione protettiva sul bagno, ma che permette una elevata

scorrevolezza

• caratteristiche meccaniche non molto elevate, scarsa penetrazione, quindi adatti solo a spessori piccoli e acciai

con basso tenore di C

7) ELETTRODI AL RUTILE-CELLULOSA: hanno i vantaggi di elettrodi alla cellulosa e al rutile

8) ELETTRODI A POLVERE DI FERRO: scopo di ottenere una maggiore velocità di fusione. I rivestimenti di questi tipi di

elettrodi possono essere acidi, basici o al rutile

PROCESSO DI SALDATURA

Il processo di saldatura manuale consiste nel procedere con l’arco elettrico innescato lungo la linea di separazione di due

piastre di materiale base dapprima separate e, dopo la saldatura, unite tra loro.

Il segno dell’avvenuta saldatura è quindi un cordone di saldatura sporgente dalla superficie della lamiera e dovuto

all’apporto di materiale fornito dall’elettrodo che si è fuso.

Il cordone è conformato ad onde dovute al movimento alternato del saldatore che, procedendo, sposta continuamente

l’elettrodo avanti e indietro per ottenere un buon riempimento dello spazio tra le due lamiere. Tale spazio viene lasciato

per consentire al materiale di dilatarsi quanto necessario per effetto dell’eccezionale apporto di calore che riceve il

materiale

Poiché le saldatrici sono dotate della possibilità di regolare le due variabili indipendenti di saldatura, voltaggio V e

amperaggio A, è molto importante regolare la potenza in modo che la penetrazione non superi lo spessore della lamiera e

provochi lo “sfondamento” della lamiera, con conseguente necessità di tagliare