Welding Technology

Referenze

Nozioni di base sulla saldatura

La saldatura è un processo di unione dei materiali in cui due o più parti vengono unite sulle loro superfici a contatto attraverso l'applicazione di calore e/o pressione. Dopo essere state riunite, le superfici da unire, chiamate superfici di faying, si uniscono e creano un forte legame. I metalli sono i materiali più frequentemente utilizzati in questa procedura; tuttavia è possibile utilizzare anche la plastica. A volte, per favorire la coalescenza, viene introdotta una sostanza riempitiva. Saldatura è il termine usato per descrivere l'assemblaggio finale di elementi collegati. La saldatura può essere eseguita utilizzando solo il calore, una combinazione di calore e pressione o la sola pressione senza calore esterno. Tecniche di saldatura specifiche possono essere utilizzate per fondere insieme metalli diversi; vengono però principalmente impiegati per unire porzioni formate dallo stesso metallo.

Tipi di processi di saldatura

I processi di saldatura possono essere suddivisi in due gruppi principali: saldatura allo stato solido e saldatura per fusione.

Saldatura per fusione

I processi di saldatura per fusione utilizzano il calore per fondere i metalli di base, spesso con l'aggiunta di metallo d'apporto per migliorare il bagno di fusione e rafforzare la saldatura. Quando non viene utilizzato alcun metallo d'apporto, la saldatura è detta autogena. Le tecniche di saldatura più diffuse rientrano nella categoria fusione e sono spesso raggruppate nelle seguenti categorie:

Saldatura ad arco (AW)

La saldatura ad arco è un gruppo di tecniche di saldatura in cui i metalli vengono riscaldati utilizzando un arco elettrico, come dimostrato di seguito. La maggior parte delle procedure di saldatura ad arco utilizzano un metallo d'apporto e alcune applicano anche pressione mentre il processo è in corso.

Referenze

Un arco elettrico viene prodotto quando una corrente elettrica scorre attraverso un'interruzione del circuito, provocando la ionizzazione termica di una colonna di gas e sostenendo l'arco. Nella saldatura ad arco (AW), l'elettrodo entra brevemente in contatto con il pezzo da saldare prima di separarsi rapidamente per generare l'arco. Qualsiasi metallo può essere fuso dal calore estremo prodotto da questo arco, che può raggiungere temperature fino a 10,000 °C (5500 °F). La fusione del metallo di base e, se applicabile, del metallo d'apporto si combinano per generare una riserva di metallo fuso vicino alla punta dell'elettrodo. Di solito, questo metallo d'apporto viene aggiunto per migliorare il volume e la resistenza della connessione saldata. Il bagno di saldatura fuso dietro l'elettrodo si indurisce mentre si muove lungo il giunto.

Il saldatore può controllare manualmente la posizione dell'elettrodo rispetto al pezzo in lavorazione, oppure può usare tecniche meccaniche come la saldatura a macchina, robotica o automatica. Il tempo dell'arco, noto anche come tempo di accensione dell'arco, è il rapporto tra il tempo di saldatura effettivo e le ore totali impiegate. Nella saldatura ad arco manuale, la qualità della saldatura dipende in larga misura dall'abilità e dalla dedizione del saldatore.

Il tempo dell'arco viene calcolato come (ore lavorate) / (l'arco temporale è attivo).

Sia i saldatori individuali che le postazioni di lavoro automatizzate possono trarre vantaggio da questa idea. La durata dell'arco per la saldatura manuale è solitamente pari a circa il 20% poiché l'operazione richiede una significativa coordinazione occhio-mano in condizioni impegnative e gli intervalli di riposo sono importanti per prevenire l'affaticamento. Tuttavia, a seconda della particolare operazione, la durata dell'arco nella saldatura robotizzata, automatica e meccanica potrebbe aumentare fino a circa il 50%.

Saldatura a resistenza (RW)

La saldatura a resistenza, nota anche come saldatura a resistenza elettrica (ERW), raggiunge la coalescenza applicando il calore generato dalla resistenza elettrica al flusso di corrente tra le superfici di contatto di due componenti tenuti insieme sotto pressione. I componenti principali coinvolti nella saldatura a resistenza sono illustrati nella figura seguente, che mostra un'operazione di saldatura a punti a resistenza, che è il metodo più comunemente utilizzato in questa categoria.

Questi componenti sono costituiti dai pezzi da saldare (tipicamente parti in lamiera), due elettrodi opposti, un meccanismo per applicare pressione e comprimere insieme le parti e un alimentatore CA che fornisce una corrente controllata. Il processo crea un'area fusa tra le due parti, nota come nocciolo di saldatura nella saldatura a punti. A differenza della saldatura ad arco, la saldatura a resistenza non richiede gas di protezione, fondente o metallo d'apporto; e gli elettrodi che forniscono energia elettrica non sono consumabili. La saldatura a resistenza è considerata un tipo di saldatura per fusione perché il calore applicato solitamente scioglie le superfici a contatto. Tuttavia, ci sono delle eccezioni. Alcune operazioni di saldatura basate sul riscaldamento a resistenza utilizzano temperature inferiori ai punti di fusione dei metalli di base, impedendo il verificarsi della fusione.

Saldatura a gas ossicombustibile (OFW)

La saldatura a gas ossitaglio (OFW) comprende una varietà di operazioni di saldatura che utilizzano diversi combustibili combinati con l'ossigeno per eseguire attività di saldatura. La differenza fondamentale tra questi processi è il tipo di gas utilizzato. L'OFW è comunemente utilizzato anche nei cannelli da taglio per tagliare e separare piastre metalliche e altri materiali. Il processo più significativo all'interno di questo gruppo è la saldatura ossiacetilenica.

La saldatura ossiacetilenica (OAW) è una tecnica di saldatura a fusione che impiega una fiamma ad alta temperatura prodotta dalla combustione di acetilene e ossigeno, diretta da una torcia di saldatura. Può essere aggiunto un metallo di riempimento e talvolta viene applicata pressione tra le superfici a contatto durante il processo. Quando viene utilizzato il metallo di riempimento, di solito si presenta sotto forma di barra, con diametri che vanno da 1.6 a 9.5 mm (da 1/16 a 3/8 pollici). La composizione del metallo di riempimento deve corrispondere strettamente a quella dei metalli di base. Spesso, la barra di riempimento è rivestita con flusso per pulire le superfici e prevenire l'ossidazione, con conseguente giunzione di saldatura più resistente. L'acetilene (C2H2) è il combustibile più preferito nel gruppo OFW perché può raggiungere le temperature più elevate, arrivando fino a 3480 °C (6300 °F).

Saldatura a fascio di elettroni (EB).

La saldatura a fascio di elettroni (EBW) è un metodo di saldatura per fusione in cui il calore viene generato dirigendo un flusso intenso e altamente concentrato di elettroni sulla superficie di lavoro. L'attrezzatura utilizzata nell'EBW è simile a quella utilizzata nella lavorazione a fascio di elettroni. Il cannone a fascio di elettroni funziona a tensioni elevate, tipicamente comprese tra 10 e 150 kV, per accelerare gli elettroni, mentre le correnti del fascio rimangono basse, misurate in milliampere. Anche se la potenza complessiva in EBW potrebbe non essere straordinariamente elevata, la densità di potenza è eccezionalmente significativa. Questa elevata densità di potenza si ottiene focalizzando il fascio di elettroni su un'area molto piccola della superficie di lavoro.

Referenze

La densità di potenza (PD) in EBW può essere calcolata utilizzando la formula:

dove PD rappresenta la densità di potenza in W/mm² (convertibile in Btu/sec-in² dividendo per 1055), f₁ è il fattore di trasferimento del calore (con valori tipici per EBW compresi tra 0.8 e 0.95), E è la tensione di accelerazione in volt, I è la corrente del fascio in ampere e A è la superficie di lavoro in mm². Le aree di saldatura tipiche per EBW vanno da 0.013 a 2.0 mm².

Saldatura a raggio laser

Nella saldatura laser, nota anche come saldatura a raggio laser (LBW), i materiali vengono fusi utilizzando una fonte di calore laser concentrata, consentendo loro di fondersi mentre si raffreddano. Grazie al calore concentrato prodotto dal laser, la saldatura può essere eseguita a velocità elevate, misurate in metri al minuto, per materiali sottili e può produrre saldature strette e profonde con pezzi a bordi squadrati in materiali più spessi.

Referenze

L'abbreviazione "laser" si riferisce all'amplificazione della luce mediante emissione di radiazioni stimolate. La lavorazione con raggio laser è un'altra applicazione di questa tecnologia. Per evitare l'ossidazione, la LBW viene comunemente eseguita utilizzando gas di protezione come anidride carbonica, argon, azoto ed elio; il metallo d'apporto in genere non è incluso. Simile alla saldatura a fascio di elettroni, questo metodo produce saldature di alta qualità con penetrazione profonda e una stretta zona termicamente alterata. Di conseguenza, i confronti tra LBW ed EBW sono comuni.

Rispetto a EBW, LBW ha alcuni vantaggi: non necessita di una camera a vuoto, non rilascia raggi X e i suoi raggi laser possono essere concentrati e diretti con l'uso di specchi e lenti ottiche. Ma a differenza di EBW, LBW non è in grado di raggiungere la stessa profondità e gli elevati rapporti profondità-larghezza. Mentre EBW può produrre profondità di saldatura fino a 50 mm (2 pollici), la saldatura laser può raggiungere solo profondità di saldatura massime di circa 19 mm (0.75 pollici). In LBW, i rapporti profondità-larghezza sono normalmente limitati a circa 5:1. LBW è ampiamente utilizzato per l'unione di piccoli componenti a causa dell'energia altamente concentrata nell'area del fascio stretto del laser.

Saldatura allo stato solido

La saldatura allo stato solido comprende una gamma di tecniche di giunzione in cui la coalescenza delle superfici di giunzione viene ottenuta senza fusione, utilizzando la pressione con o senza calore aggiuntivo. Le tipiche procedure di saldatura in questa categoria includono quanto segue:

Saldatura per diffusione (DFW)

La saldatura per diffusione (DFW) prevede il mantenimento di due superfici insieme sotto pressione ad alta temperatura, consentendo alle parti di coalescere attraverso la diffusione allo stato solido.

Referenze

Le temperature utilizzate sono significativamente inferiori ai punti di fusione dei metalli, arrivando fino a circa 0.5 T_m (temperatura di fusione), con minima deformazione plastica sulle superfici. Il meccanismo di legame primario è la diffusione allo stato solido, in cui gli atomi migrano attraverso l'interfaccia delle superfici a contatto. Il DFW è spesso impiegato nell'industria aerospaziale e nucleare per unire metalli ad alta resistenza e refrattari. È adatto per unire metalli simili e dissimili, con uno strato di metallo d'apporto spesso posizionato tra diversi metalli di base per migliorare la diffusione. Il processo di diffusione può essere lungo, a volte richiede più di un'ora.

Saldatura per attrito (FSW)

La saldatura per attrito (FSW) è una tecnica di saldatura allo stato solido in cui uno strumento rotante si muove lungo la linea di giunzione tra due pezzi, generando calore attraverso l'attrito e mescolando meccanicamente il metallo per creare un cordone di saldatura. Il processo prende il nome dall'azione di agitazione o miscelazione coinvolta. A differenza della saldatura ad attrito convenzionale (FRW), in cui le parti stesse generano il calore di attrito, FSW utilizza a questo scopo uno strumento separato resistente all'usura.

Lo strumento utilizzato in FSW presenta una spalla cilindrica e una sonda più piccola che si estende al di sotto di essa. Durante la saldatura, la spalla sfrega contro le superfici superiori delle due parti, creando la maggior parte del calore da attrito, mentre la sonda aggiunge ulteriore calore mescolando il metallo lungo la linea di giunzione. Il design della sonda è ottimizzato per migliorare questa azione di miscelazione. Il calore generato dall'attrito e dalla miscelazione ammorbidisce il metallo portandolo a uno stato altamente plastico senza scioglierlo. Mentre l'utensile avanza lungo il giunto, il bordo anteriore della sonda rotante spinge il metallo ammorbidito attorno a sé, forgiando il metallo in un cordone di saldatura. La spalla aiuta a contenere il metallo plastificato attorno alla sonda.

Referenze

Il FSW è ampiamente utilizzato in settori quali quello aerospaziale, automobilistico, ferroviario e navale. Le applicazioni comuni includono giunti di testa su parti in alluminio di grandi dimensioni. Questo processo può essere utilizzato anche con compositi e polimeri, nonché con altri metalli come titanio, acciaio e rame. I vantaggi del FSW includono poca distorsione o restringimento, un aspetto gradevole della saldatura, eccellenti qualità meccaniche del giunto di saldatura e la rimozione di fumi nocivi, deformazioni e problemi di schermatura comuni alla saldatura ad arco. Tuttavia, la procedura presenta alcuni svantaggi, vale a dire la necessità di un forte bloccaggio dei pezzi e la creazione di un foro di fuga quando l'utensile viene rimosso.

Saldatura ad ultrasuoni (USW)

La saldatura ad ultrasuoni (USW) prevede l'applicazione di una moderata pressione tra i due componenti utilizzando un movimento oscillatorio a frequenze ultrasoniche in una direzione parallela alle superfici a contatto. Questo metodo di movimento oscillatorio, spesso impiegato nella saldatura a sovrapposizione, rompe i rivestimenti superficiali per consentire uno stretto contatto e un robusto collegamento metallurgico tra le superfici. Sebbene un certo riscaldamento avvenga a causa dello sfregamento interfacciale e della deformazione plastica, le temperature rimangono molto al di sotto del punto di fusione, eliminando la necessità di gas di protezione, metalli d'apporto o flussi.

Un trasduttore ultrasonico è accoppiato ad un sonotrodo, che trasferisce il movimento oscillatorio al pezzo superiore. Con un'ampiezza compresa tra 0.018 e 0.13 mm (da 0.0007 a 0.005 pollici), questo trasduttore trasforma l'energia elettrica in movimento vibratorio ad alta frequenza, solitamente nell'intervallo da 15 a 75 kHz. La deformazione plastica è minore poiché le pressioni di bloccaggio dell'USW sono sostanzialmente inferiori a quelle impiegate nella saldatura a freddo. Di solito è necessario meno di un secondo per completare il processo di saldatura.

Referenze

USW viene utilizzato principalmente per giunzioni a sovrapposizione su materiali teneri come alluminio e rame. La saldatura di materiali più duri può usurare rapidamente il sonotrodo. I pezzi devono essere relativamente piccoli, con spessori di saldatura tipici inferiori a 3 mm (1/8 di pollice). Le applicazioni includono terminazioni di cavi e giunzioni nei settori elettrico ed elettronico, eliminando la necessità di saldatura, assemblaggio di pannelli in lamiera di alluminio, saldatura di tubi su fogli di pannelli solari e varie attività di assemblaggio di piccole parti.

Automazione nella saldatura

A causa dei rischi associati alla saldatura manuale e al desiderio di migliorare la produttività e la qualità del prodotto, sono emerse diverse forme di meccanizzazione e automazione. Queste categorie comprendono la saldatura meccanica, la saldatura automatica e la saldatura robotizzata.

La saldatura a macchina è il termine per la saldatura meccanizzata utilizzando apparecchiature che funzionano sotto la costante supervisione di un lavoratore. Di solito, un lavoro stazionario viene spostato rispetto a una testa di saldatura che viene spostata meccanicamente oppure il lavoro viene spostato rispetto a una testa di saldatura fissa. Per supervisionare l'operazione, un lavoratore umano deve monitorare e comunicare costantemente con il macchinario.

Quando il macchinario può completare l'attività senza la necessità dell'intervento umano, si parla di saldatura automatica. Di solito, è presente un lavoratore umano per supervisionare la procedura e identificare le deviazioni dalle procedure operative standard. L'uso di un controller del ciclo di saldatura per controllare il movimento dell'arco e la posizione del pezzo senza una costante supervisione umana distingue la saldatura automatizzata dalla saldatura a macchina. Per la saldatura automatica, il pezzo deve essere posizionato rispetto alla testa di saldatura utilizzando un apparecchio di saldatura e/o un posizionatore. Inoltre, richiede maggiore precisione e uniformità negli elementi componenti che entrano nella saldatura. A causa di questi fattori, la saldatura automatica è praticabile solo nella produzione in grandi volumi.

Un robot industriale o un manipolatore programmato viene utilizzato nella saldatura robotizzata per controllare autonomamente il movimento della testa di saldatura in relazione al lavoro. Grazie alla portata adattabile del robot e alla capacità di essere riprogrammato per diverse configurazioni di parti, questo metodo di automazione può essere giustificato per numeri di produzione relativamente piccoli, anche con dispositivi relativamente semplici. Due dispositivi di saldatura e un montatore umano che carica e scarica gli articoli mentre il robot salda costituiscono una cella di saldatura ad arco robotizzata standard. Le aziende di assemblaggio finale di automobili utilizzano robot industriali non solo per la saldatura ad arco, ma anche per la saldatura a resistenza delle carrozzerie delle auto.

Il giunto saldato

Esistono cinque tipi fondamentali di giunti utilizzati per unire due parti per unirle. Questi tipi di giunti sono applicabili non solo alla saldatura ma anche ad altri metodi di giunzione e fissaggio. I cinque tipi di giunto sono definiti come segue:

Giunzione di testa: In questo tipo di giunzione, le parti sono allineate sullo stesso piano e unite sui bordi.

Giunzione angolare: le parti formano un angolo retto e si uniscono nell'angolo.

Giunto a sovrapposizione: questo giunto prevede due parti sovrapposte l'una all'altra.

Giunto a T: una parte è posizionata perpendicolarmente all'altra, ricordando la forma della lettera "T".

Giunzione del bordo: le parti sono parallele ad almeno un bordo comune e la giunzione viene eseguita lungo questo bordo.

Tipi di saldature

Ciascuna delle suddette giunzioni può essere realizzata mediante saldatura. È importante distinguere tra il tipo di giunto e il metodo utilizzato per saldarlo, denominato tipo di saldatura. Le variazioni tra i tipi di saldatura risiedono nella loro geometria (tipo di giunto) e nel processo di saldatura utilizzato.

Saldatura d'angolo

Come si vede di seguito, una saldatura a cordone d'angolo viene utilizzata per riempire i bordi delle piastre formate da giunti a T, sovrapposti e angolari. Per creare una sezione trasversale che assomiglia più o meno a un triangolo rettangolo, viene impiegato del metallo d'apporto. Poiché deve impiegare solo i bordi quadrati fondamentali dei pezzi per la preparazione dei bordi, è il tipo di saldatura più diffuso nella saldatura ad arco e ossitaglio. È possibile che le saldature a cordone d'angolo siano singole, doppie, continue o intermittenti, ovvero saldate in modo continuo lungo l'intera lunghezza del giunto o con spazi non saldati nel mezzo.

Saldature di scanalature

Le saldature scanalate in genere richiedono la sagomatura dei bordi delle parti in una scanalatura per migliorare la penetrazione della saldatura. Queste scanalature possono essere quadrate, smussate, a V, a U o a J e possono essere applicate su uno o entrambi i lati, come illustrato di seguito. Il metallo d'apporto, generalmente applicato tramite saldatura ad arco o ossitaglio, riempie il giunto. Sebbene questa preparazione del bordo richieda una lavorazione maggiore oltre al bordo squadrato di base, viene spesso eseguita per rinforzare il giunto saldato o quando si saldano parti più spesse. Sebbene le saldature scanalate siano più comunemente associate ai giunti di testa, vengono utilizzate in tutti i tipi di giunti ad eccezione dei giunti a sovrapposizione.

Saldature a spina e saldature a fessura

Le saldature a spina e le saldature a fessura vengono utilizzate per unire le piastre piane. Questo processo prevede la creazione di uno o più fori o fessure nella piastra superiore, che vengono poi riempiti con metallo d'apporto per fondere insieme i due pezzi.

Le saldature a punti e le saldature continue sono comunemente utilizzate per i giunti sovrapposti. Una saldatura a punti coinvolge una piccola area fusa tra le superfici di due fogli o piastre, con più saldature a punti spesso necessarie per unire le parti in modo efficace. Questa tecnica è più comunemente associata alla saldatura a resistenza. Una saldatura continua è simile a una saldatura a punti ma consiste in una sezione fusa continua o quasi continua tra i due fogli o piastre.

Saldature delle flange

Le saldature delle flange e le saldature di superficie sono illustrate di seguito. Una saldatura della flangia viene creata sui bordi di due o più parti, in genere lamiera o lamiera sottile. D'altro canto, una saldatura di superficie non è intesa per unire le parti ma per depositare il metallo d'apporto sulla superficie di una parte di base utilizzando uno o più cordoni di saldatura. Questi cordoni di saldatura possono essere applicati in una serie di passaggi paralleli sovrapposti, coprendo ampie aree della parte di base per aumentarne lo spessore o fornire un rivestimento superficiale protettivo.

Fisica della saldatura

L'energia termica ad alta densità viene fornita alle superfici che devono fondersi, con conseguente fusione localizzata dei metalli di base, per realizzare la fusione. Il calore deve anche essere sufficientemente elevato da fondere qualsiasi metallo d'apporto utilizzato. La densità di potenza (W/mm² o Btu/sec-in²) è l'unità di misura utilizzata per descrivere la densità di calore. È inversamente proporzionale alla densità di potenza nel determinare il tempo di fusione. Le basse densità di potenza fanno sì che la fusione avvenga più lentamente perché il calore scompare non appena viene aggiunto, evitando la fusione. La maggior parte dei metalli può essere fusa durante la saldatura con una densità di potenza minima di circa 10 W/mm² (6 Btu/sec-in²). Il tempo di fusione si riduce all’aumentare della densità del calore. Tuttavia, il metallo vaporizza a causa delle temperature elevate se la densità di potenza supera circa 10⁵ W/mm³ (60,000 Btu/sec-in³). Affinché la saldatura sia efficace, la densità di potenza deve essere mantenuta entro un determinato intervallo. La velocità di saldatura e le dimensioni della regione saldabile sono influenzate dalle variazioni nei metodi di saldatura.

Sebbene la saldatura a gas combustibile ossigeno produca molto calore, ha una bassa densità poiché copre una vasta regione. L'ossiacetilene, il combustibile OFW più caldo, brucia a circa 3500°C (6300°F). Al contrario, la saldatura ad arco raggiunge temperature locali comprese tra 10,000 °F e 12,000 °F (o tra 5500 °C e 6600 °C) fornendo allo stesso tempo un'enorme energia su un'area più piccola. Densità di potenza elevate sono spesso più desiderabili poiché, da un punto di vista metallurgico, è preferibile fondere il metallo con la minor energia possibile.

La densità di potenza viene calcolata come la potenza che entra nella superficie divisa per la superficie:

PD = P/A

dove PD è la densità di potenza (W/mm² o Btu/sec-in²), P è la potenza che entra nella superficie (W o Btu/sec) e A è l'area superficiale su cui viene applicata l'energia (mm² o in²). Questo calcolo è complicato da fattori quali il movimento della fonte di potenza (ad esempio, l'arco di saldatura), che preriscalda l'area davanti e postriscalda l'area dietro. Inoltre, la densità di potenza non è uniforme sulla superficie interessata, variando con l'area.

Referenze

Groover, MP, 2010. Fondamenti della produzione moderna: materiali, processi e sistemi. 4a ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.