La saldatura è un processo di fabbricazione fondamentale utilizzato in innumerevoli settori. Questa guida fornisce una panoramica dettagliata dei suoi principi, una descrizione dettagliata dei suoi vari metodi e uno sguardo alle tecnologie avanzate che ne plasmano il futuro.
Introduzione alla saldatura
La saldatura è una processo di fabbricazione che unisce materiali, in genere metalli, utilizzando calore elevato per fondere le parti e lasciarle raffreddare, provocando la fusione. La pressione può anche essere utilizzata in combinazione con il calore, o da sola, per produrre una saldatura. Questo processo crea un legame permanente attraverso le forze intermolecolari nel giunto.
I metodi di saldatura sono ampiamente classificati in 3 tipi principali in base al livello di riscaldamento e alle caratteristiche del processo.
1. Saldatura a fusione: Questa tecnica prevede il riscaldamento localizzato dei pezzi in lavorazione in corrispondenza del giunto fino allo stato fuso per formare un bagno di saldatura. Spesso viene aggiunto un metallo d'apporto. Raffreddandosi e solidificandosi, il bagno forma un cordone di saldatura, creando un pezzo unico e inseparabile. I metodi più comuni includono la saldatura a gas, la saldatura ad arco, la saldatura elettroscoria, la saldatura ad arco al plasma, la saldatura a fascio di elettroni e la saldatura laser.
2. Saldatura allo stato solido (saldatura a pressione): Questa categoria di saldatura richiede l'applicazione di pressione, con o senza calore esterno. La giunzione avviene allo stato solido, senza fusione dei metalli base. I metodi più comuni includono la saldatura a resistenza, la saldatura a frizione, la saldatura a pressione a freddo, la saldatura a diffusione e la saldatura a esplosione.
3. Brasatura e saldatura: Questo metodo utilizza un metallo d'apporto (una lega per brasatura o saldatura) con un punto di fusione inferiore a quello dei metalli base. Il metallo d'apporto viene fuso e aspirato nel giunto per capillarità, dove si diffonde con il metallo base formando un legame forte. I pezzi in lavorazione non vengono fusi e in genere non subiscono alcuna deformazione plastica.
Vantaggi della saldatura
Risparmio di materiali e strutture più leggere: La saldatura consente un utilizzo efficiente dei materiali, dando vita a progetti più leggeri e aerodinamici rispetto alla fusione o alla rivettatura.
Costruzione versatile e complessa: Consente la creazione di componenti grandi e complessi unendo parti più piccole e semplici, semplificando i processi di fusione, forgiatura e lavorazione per risultati economici e tecnici ottimali.
Giunti ad alte prestazioni: I giunti saldati offrono eccellenti proprietà di resistenza meccanica e tenuta.
Strutture bimetalliche: La saldatura consente di unire metalli diversi, consentendo di realizzare strutture che sfruttano le proprietà uniche di ciascun materiale.
Panoramica dei processi di saldatura
I. Saldatura ad arco
La saldatura ad arco utilizza un alimentatore per creare un arco elettrico tra un elettrodo e il materiale base, fondendo i metalli nel punto di giunzione. Un arco è un fenomeno di scarica di gas intenso e prolungato. Tra gli elettrodi positivo e negativo viene mantenuto un potenziale di tensione e il gas tra di essi si ionizza. L'arco viene in genere innescato toccando brevemente l'elettrodo con il pezzo in lavorazione e poi allontanandolo, creando un cortocircuito che innesca l'arco. Una volta instaurato, l'alimentatore mantiene la differenza di potenziale per sostenere l'arco.
Arco: Gli archi di saldatura sono caratterizzati da bassa tensione (tipicamente 20-30 V), elevata corrente (da decine a migliaia di ampere), alta temperatura (fino a 5000 K), elevata densità di energia e mobilità. L'arco è costituito da tre regioni: la regione catodica, la regione anodica e la colonna d'arco. Le sorgenti di alimentazione per la saldatura ad arco sono classificate come alimentatori a corrente alternata (CA), continua (CC), pulsata e inverter.
Di seguito sono riportati i tipi più comuni di saldatura ad arco.
1. Saldatura ad arco metallico schermato (SMAW)
Nota anche come saldatura manuale ad arco metallico (MMAW), la SMAW è il processo di saldatura ad arco più antico e uno dei più utilizzati. Utilizza un elettrodo consumabile rivestito di flusso per realizzare la saldatura. Il calore dell'arco fonde il flusso, che produce un gas di protezione per proteggere l'arco e uno strato di scoria per coprire il bagno di saldatura fuso. Questa scoria facilita anche le reazioni metallurgiche e può aggiungere elementi di lega per migliorare le proprietà del metallo di saldatura. È ideale per saldature corte in riparazione e assemblaggio, soprattutto in aree difficili da raggiungere. È adatta alla maggior parte degli acciai al carbonio industriali, acciai inossidabili, ghisa, rame, alluminio e leghe di nichel.
2. Saldatura ad arco sommerso (SAW)
Nella saldatura SAW, l'arco è nascosto sotto uno strato di flusso granulare fusibile. Il processo prevede il deposito di uno strato di flusso lungo il cordone di saldatura, l'inserimento di un elettrodo a filo consumabile nel giunto e l'accensione dell'arco sotto il flusso. Il filo viene alimentato automaticamente mentre l'arco si muove lungo il giunto. I vantaggi includono:
Alta qualità della saldatura: Il flusso fornisce un'eccellente schermatura dall'atmosfera, con conseguente bassissimo contenuto di azoto e ossigeno nella saldatura. Il processo automatizzato e il lungo tempo di permanenza del bagno di saldatura consentono reazioni metallurgiche approfondite.
Condizioni di lavoro migliorate: Lo strato di flusso copre l'arco elettrico, migliorando la sicurezza e il comfort dell'operatore.
Alta produttività: Una sporgenza dell'elettrodo più corta consente una corrente e una densità di corrente maggiori, con conseguente penetrazione più profonda e velocità di deposizione più elevate. Il rivestimento isolante aumenta l'efficienza termica, consentendo velocità di saldatura più elevate.
Grazie all'elevata velocità di deposizione e alla profonda penetrazione, la saldatura SAW è ideale per saldature lunghe e rettilinee su lamiere di medio-spessore. È ampiamente utilizzata nella cantieristica navale, nella produzione di recipienti a pressione, nella costruzione di ponti e nella costruzione di macchinari pesanti. Viene utilizzata principalmente per metalli ferrosi come acciai al carbonio e bassolegati.
3. Saldatura ad arco di tungsteno a gas (GTAW / TIG)
Comunemente nota come saldatura TIG (Tungsten Inert Gas), si tratta di un processo con elettrodi non consumabili. Un arco viene generato tra un elettrodo di tungsteno e il pezzo da saldare. L'elettrodo di tungsteno non fonde; serve solo a creare l'arco. Un gas di protezione inerte, tipicamente argon o elio, fuoriesce dalla torcia per proteggere la zona di saldatura. Se necessario, è possibile aggiungere separatamente del metallo d'apporto.
vantaggi: Controllo eccellente dell'apporto termico, per saldature pulite e di qualità eccezionalmente elevata.
È ideale per la saldatura di materiali sottili e per passate di radice. Può essere utilizzato su quasi tutti i metalli, in particolare su metalli reattivi come alluminio, magnesio, titanio e zirconio che formano ossidi refrattari. Il suo principale svantaggio è una velocità di saldatura inferiore rispetto ad altri metodi di saldatura ad arco.
4. Saldatura ad arco di metallo a gas (GMAW)
Nota anche come saldatura MIG (Metal Inert Gas) o MAG (Metal Active Gas), la saldatura GMAW è un processo di saldatura per fusione in cui un arco elettrico si forma tra un filo elettrodo consumabile alimentato in continuo e il pezzo da saldare. Il filo funge sia da elettrodo che da metallo d'apporto. Un gas di protezione protegge l'arco e il bagno di fusione.
Saldatura CO₂ (un tipo di MAG)
L'elevata temperatura dell'arco decompone la CO₂ in CO e O, restringendo l'arco. Questo crea un arco focalizzato, ma può portare a un trasferimento di gocce più grande e a un aumento degli spruzzi. Tuttavia, la CO₂ fornisce un'eccellente schermatura grazie alla sua elevata densità. Il processo è efficiente dal punto di vista energetico e a basso costo. La CO₂ è un gas ossidante, che può portare alla perdita di elementi di lega. Per contrastare questo fenomeno, nel filo di saldatura vengono aggiunti dei deossidanti. È ampiamente utilizzato nell'industria automobilistica, navale e manifatturiera. È adatto principalmente per acciaio al carbonio, acciai bassolegati e acciai bassolegati ad alta resistenza. Non è il metodo preferito per metalli non ferrosi o <strong> bacinella </strong> in acciaio inossidabile,.
5. Saldatura ad arco al plasma (PAW)
La PAW è una forma avanzata di saldatura GTAW in cui l'arco al plasma viene compresso attraverso un ugello raffreddato ad acqua. Questa compressione aumenta la temperatura, la densità energetica e la velocità dell'arco.
Saldatura ad arco plasma a buco di serratura: Utilizza correnti più elevate (100–300 A). L'arco penetra completamente il pezzo, creando una "serratura". Mentre la torcia si muove, il metallo fuso scorre dietro la serratura per formare la saldatura, consentendo la saldatura in un'unica passata di lamiere fino a 10 mm di spessore (acciaio inossidabile).
Saldatura ad arco microplasma: Utilizza correnti molto basse (0.1–30 A) per saldare lamine e fogli sottili (0.025–2.5 mm).
Presentano vantaggi quali elevata densità energetica, elevata penetrazione, elevate velocità di saldatura e minima distorsione. L'elettrodo di tungsteno retratto previene inclusioni di tungsteno nella saldatura. Sono ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale e in altri settori ad alta tecnologia per la saldatura di rame, leghe di titanio, acciaio inossidabile e altri metalli ad alte prestazioni.
6. Saldatura ad arco con filo animato (FCAW)
La saldatura FCAW è simile alla saldatura GMAW, ma utilizza un elettrodo tubolare riempito di flusso. Il flusso fornisce protezione, disossidanti ed elementi di lega. Alcuni fili FCAW sono "autoprotetti", mentre altri richiedono un gas di protezione esterno (spesso CO₂). Combina la versatilità della saldatura SMAW con l'elevata produttività della saldatura GMAW. Il flusso offre ulteriori vantaggi metallurgici, migliorando la qualità della saldatura.
È adatto a un'ampia gamma di metalli ferrosi e applicazioni di giunzione ed è ampiamente utilizzato nell'edilizia e nella fabbricazione pesante.
II. Processi di saldatura per fusione
1. Saldatura a gas (saldatura ossi-combustibile)
La saldatura a gas sfrutta il calore generato dalla combustione di un gas combustibile (come l'acetilene) con l'ossigeno. La fiamma ossiacetilenica può raggiungere temperature fino a 3200 °C. Ne esistono diverse tipologie.
Fiamma neutra: (rapporto O₂/C₂H₂ ≈ 1.1:1) Combustione completa; utilizzato per acciai e leghe non ferrose.
Fiamma di cementazione: (rapporto O₂/C₂H₂ < 1) Acetilene in eccesso; utilizzato per acciaio ad alto tenore di carbonio e ghisa.
Fiamma ossidante: (rapporto O₂/C₂H₂ > 1.2) Ossigeno in eccesso; utilizzato per la brasatura di ottone e bronzo.
caratteristiche: Bassa velocità di riscaldamento, bassa produttività e un'ampia zona termicamente alterata, che possono causare notevoli distorsioni. Tuttavia, l'attrezzatura è semplice, portatile ed economica, il che la rende utile in luoghi privi di elettricità. Oggi, il suo utilizzo è limitato principalmente alla riparazione di lamiere sottili, leghe di rame e ghisa.
2. Saldatura elettroscoria (ESW)
L'ESW è un processo altamente produttivo per la saldatura di materiali molto spessi in posizione verticale. Sfrutta la resistenza elettrica della scoria fusa per generare calore. Il processo inizia con un arco che fonde il flusso, creando una pozza di scoria fusa. Una volta che la pozza di scoria è sufficientemente profonda, l'arco si spegne e il calore viene generato dalla corrente che attraversa la scoria conduttiva.
vantaggi: In grado di saldare sezioni molto spesse (da 30 mm a oltre 1000 mm) in un'unica passata con un'elevata velocità di deposizione.
limitazioni: Le basse velocità di riscaldamento e raffreddamento determinano una struttura granulare molto ampia nella zona di saldatura e nella zona termicamente alterata, riducendone la tenacità. Il trattamento termico post-saldatura (normalizzazione) è quasi sempre necessario. È limitato alla posizione verticale.
Viene utilizzato nei macchinari pesanti per unire grandi pezzi forgiati e fusi, ad esempio per basi di macchine e recipienti a pressione.
3. Saldatura a fascio di elettroni (EBW)
L'EBW utilizza un fascio focalizzato di elettroni ad alta velocità per generare calore e fondere i materiali. Il processo viene solitamente condotto in una camera a vuoto. Un cannone elettronico genera e accelera gli elettroni a circa metà della velocità della luce. Una bobina magnetica focalizza il fascio sul pezzo in lavorazione, dove l'energia cinetica viene convertita in energia termica, fondendo istantaneamente il materiale.
vantaggi: Densità di energia estremamente elevata, che si traduce in saldature profonde e strette con una zona termicamente alterata molto ridotta e una distorsione minima. L'ambiente sotto vuoto garantisce elevata purezza e resistenza. Può saldare materiali da lamine molto sottili a sezioni spesse (fino a 300 mm).
Ideale per la saldatura di alta qualità di metalli reattivi, refrattari e dissimili. Utilizzato nei settori aerospaziale, nucleare e automobilistico.
4. Saldatura a raggio laser (LBW)
La tecnologia LBW utilizza un fascio di luce monocromatica coerente altamente concentrato come sorgente di calore. Il fascio laser viene focalizzato da lenti o specchi per ottenere un'elevatissima densità di potenza, che può essere utilizzata per saldatura, taglio e foratura. I laser industriali più comuni sono YAG (a stato solido) e CO₂ (a gas). Può essere utilizzata in aria (non è necessario il vuoto). Il fascio può essere trasmesso tramite fibra ottica, rendendolo adatto alla saldatura robotizzata e automatizzata di microcomponenti. Offre una saldatura ad alta velocità con un apporto termico e una distorsione molto bassi. Non è influenzato dai campi magnetici e non produce raggi X.
È ampiamente utilizzato nei settori elettronico, medico e automobilistico per la saldatura di precisione di componenti come lamiere di acciaio al silicio e acciaio zincato.
III. Saldatura allo stato solido
1. Saldatura a resistenza
Questo processo utilizza il calore generato dalla resistenza elettrica per unire i materiali. Una corrente elevata viene fatta passare attraverso i pezzi, che sono tenuti insieme sotto pressione da elettrodi. La resistenza più elevata si verifica all'interfaccia tra le parti, generando calore che forma un nucleo di saldatura. Le tipologie includono la saldatura a punti, la saldatura continua, la saldatura a proiezione e la saldatura di testa a scintillio. È veloce, facilmente automatizzabile e non richiede metalli d'apporto o gas di protezione, il che lo rende economico e altamente produttivo. La metallurgia è semplice, poiché il nucleo fuso è protetto dal metallo solido circostante.
Viene utilizzato nell'industria automobilistica e degli elettrodomestici per unire lamiere sottili (tipicamente di spessore <3 mm).
2. Saldatura a frizione (FRW)
La saldatura a freddo (FRW) è un processo allo stato solido che genera calore attraverso l'attrito meccanico tra un pezzo in movimento e un pezzo fermo, mentre è sotto pressione. Una volta che l'interfaccia raggiunge uno stato plastico, la rotazione viene arrestata e viene applicata una forza di forgiatura maggiore per creare il legame. Offre un'elevata qualità e uniformità di saldatura, un'elevata produttività (5-6 volte più veloce della saldatura a lampo). Eccellente per unire metalli dissimili (ad esempio, rame-alluminio, acciaio-alluminio). Basso costo ed efficienza energetica.
Può essere utilizzato per realizzare prodotti bimetallici come giunti di transizione rame-alluminio, utensili da taglio in acciaio rapido e componenti automobilistici come valvole e semiassi.
3. Saldatura a diffusione (DFW)
Noto anche come saldatura per diffusione, è un processo allo stato solido in cui due superfici pulite e piane vengono tenute insieme ad alta pressione e temperatura (inferiori al punto di fusione) nel vuoto o in atmosfera protettiva. Gli atomi si diffondono attraverso l'interfaccia, eliminando il confine originale e formando una giunzione solida.
vantaggi: Unisce un'ampia varietà di materiali simili e dissimili (inclusi metallo-ceramica) con un impatto minimo sulle loro proprietà. Produce giunzioni con elevata precisione e minima distorsione.
limitazioni: Richiede superfici estremamente pulite e lisce. Il processo è molto lento, con elevati costi di attrezzatura e preparazione.
Viene utilizzato nei settori aerospaziale, nucleare ed elettronico per creare strutture complesse e multistrato e per unire materiali che non possono essere saldati per fusione.
IV. Brasatura
La brasatura unisce i materiali utilizzando un metallo d'apporto con un punto di fusione inferiore a quello dei materiali base. Il metallo d'apporto fonde e viene aspirato nel giunto per capillarità. A differenza della saldatura, i materiali base non fondono. Il legame si forma per diffusione tra il metallo d'apporto liquido e il materiale base solido. Il basso apporto di calore riduce al minimo stress e distorsioni. È eccellente per unire metalli diversi e creare giunti puliti e netti. Tuttavia, i giunti brasati hanno generalmente una resistenza e una resistenza al calore inferiori rispetto ai giunti saldati.
Metalli d'apporto (leghe per brasatura) e flussi:
Brasatura (brasatura dura): Utilizza metalli d'apporto con punti di fusione superiori a 450 °C. I materiali d'apporto più comuni includono ottone e leghe a base d'argento. Utilizzato per applicazioni ad alta resistenza su acciaio, leghe di rame e utensili.
Saldatura (brasatura dolce): Utilizza metalli d'apporto con punti di fusione inferiori a 450 °C. Le leghe stagno-piombo sono comuni. Utilizzato in elettronica e idraulica, dove non è richiesta un'elevata resistenza.
Flusso: Composto chimico utilizzato per pulire le superfici dagli ossidi e prevenire la riossidazione durante il riscaldamento, favorendo la bagnatura e il flusso capillare.
Metodi di riscaldamento: Brasatura a fiamma, brasatura a induzione, brasatura in forno, brasatura a immersione, ecc.
Viene utilizzato per la produzione di utensili in metallo duro, telai di biciclette, scambiatori di calore e componenti elettronici.
Altri processi di saldatura
Saldatura ad alta frequenza (HFW)
Utilizza corrente ad alta frequenza (per contatto o per induzione) per riscaldare i bordi di un materiale fino a raggiungere uno stato plastico, dopodiché vengono forgiati insieme. È un processo altamente produttivo utilizzato quasi esclusivamente per la produzione di tubi e tubazioni saldati longitudinalmente o a spirale.
Saldatura a esplosione (EXW)
Un processo allo stato solido che sfrutta l'energia di un'esplosione chimica per accelerare un pezzo in lavorazione su un altro a velocità estremamente elevata, creando un legame metallurgico al momento dell'impatto. È altamente efficace per rivestire grandi piastre con metalli diversi (ad esempio, acciaio con titanio).
Saldatura ad ultrasuoni (USW)
Un processo allo stato solido che utilizza vibrazioni ultrasoniche ad alta frequenza sotto pressione per unire i materiali. Le vibrazioni creano un intenso attrito all'interfaccia, generando calore e formando un legame. È ideale per unire lamine sottili, fili e materie plastiche, in particolare per metalli dissimili.
Tecnologie di saldatura avanzate
1. Robot di saldatura
L'evoluzione dalla meccanizzazione all'automazione e all'intelligenza artificiale è una tendenza chiave nella saldatura. I robot di saldatura sono un segno distintivo di questo cambiamento, consentendo la produzione automatizzata anche in piccoli lotti.
Robot Teach-Pendant: A questi robot viene "insegnato" un percorso e dei parametri di saldatura, che poi ripetono con precisione. Sono ampiamente utilizzati nella produzione di massa sulle linee di assemblaggio, ma non hanno la flessibilità necessaria per adattarsi ai cambiamenti ambientali.
Robot intelligenti: Questi robot avanzati possono utilizzare sensori (come i sistemi di visione) per identificare automaticamente un cordone di saldatura, tracciarlo in tempo reale e regolare la posizione della torcia e i parametri di saldatura per garantirne la qualità. Sono più flessibili e possono essere impiegati per diverse attività, sebbene siano ancora principalmente in fase di ricerca e sviluppo.
2. Applicazione del software per computer
Il software sta trasformando il settore della saldatura in diversi ambiti chiave:
Simulazione al computer: La simulazione della complessa fisica della saldatura (processi termici, metallurgia, sollecitazioni e distorsioni) consente agli ingegneri di ottimizzare digitalmente progetti e procedure di saldatura. Ciò riduce drasticamente la necessità di costosi e lunghi esperimenti fisici, risparmiando manodopera, materiali e tempo, soprattutto quando si lavora con nuovi materiali o strutture.
Database e sistemi esperti: I sistemi software vengono utilizzati per gestire le specifiche delle procedure di saldatura (WPS), le qualifiche dei saldatori, le proprietà dei materiali e gli standard di settore. I sistemi esperti possono aiutare a selezionare il processo di saldatura ottimale, diagnosticare i difetti e stimare i costi.
Controllo di qualità assistito da computer (CAQ): Utilizzati per il monitoraggio in tempo reale dei parametri di saldatura e l'analisi statistica dei dati di produzione per garantire una qualità costante. Inoltre, i sistemi CAD/CAM sono sempre più utilizzati per la progettazione di strutture saldate e la programmazione di macchine da taglio CNC e saldatrici robotizzate.
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