7 Saldature [modalità compatibilità] -...

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SaldaturaSaldaturaSaldatura Saldatura

Tecnologia delle saldature 372


La saldatura è un processo di giunzione chep gpermette di unire permanentemente parti solide,realizzandola continuità del materiale

Posizioni di saldatura



Classificazione

Eterogene - il giunto è formato dal metallod’apporto, il metallo base non fonde Brasatura - dolce

fortemetallo base ≠ metallo d’apporto Saldobrasatura

Gas ossiacetilenica

Autogene - materiale base prende

Gas - ossiacetilenica

Arco - elettrodi rivestiti- arco sommerso

TIG / MIG / MAGutoge e ate a e base p e departe attiva alla realizzazione del giunto

t ll b t ll d’ t

- TIG / MIG / MAG

Resistenza - rulli- punti

metallo base = metallo d’apporto Stato solido - pressione- attrito- ultrasuoni

Altre - Laser, Fascio elettronico, Plasma,Alluminotermica



Saldabilità

Attitudine del materiale a realizzare unioni saldate di volute caratteristiche, con un dato procedimento

influenzata da

Fattori metallurgici Fattori costruttiviFattori metallurgici Fattori costruttivi

Il giunto non deve avere caratteristiche tali dacompromettere la sicurezzadella struttura nel complesso(es. fattori di intaglio)



Strutture di saldatura

Nell’ambito del giunto di saldatura sono identificabili 2 zone:

I. Zona fusa caratterizzata dal rapporto di diluizione:

Rd = Vmetallo base fuso / Vtotale zona fusa x 100

Osservazioni:

• valori di Rd per i principali processi di saldatura:brasatura Rd = 0saldatura senza materiale di apporto Rd = 100saldatura TIG / MIG / MAG Rd = 20-40saldatura TIG / MIG / MAG Rd = 20 40saldatura arco Rd = 10-70

• struttura dei grani:la solidificazione procede dal contorno della zona fusa verso l’interno con strutture di tipo dendriticodi tipo dendritico.In saldature con passate successive, si ha la parziale rifusione della zona precedente, con trattamento termico benefico.



II. Zona termicamente alterata

Le caratteristiche di questa zona sono influenzate da - max T raggiunta- tipo di trattamento termico- composizione chimica

In generale si identificano 3 zone: - strato surriscaldato con grani grossi (T » A3)- strato normalizzato a grano fine (T > A3)- strato intercritico (A1 < T < A3)strato intercritico (A1 < T < A3)

presenza di zone eventualmente temprate

in funzione delladistanza della saldatura



Il ciclo termico influenza la dimensione della ZF ma soprattutto della ZTA.

La severità del ciclo termico è funzione di - apporto termico specifico P / v [J / cm]pp p

- spessore dei pezzi e forma del giunto

preriscaldo dei lembi- preriscaldo dei lembi

Conseguenze: - meccaniche (ritiri e tensioni residue)

- metallurgiche (ZTA e trasformazioni di fase)

La severità del ciclo termico può essere stimata dal parametro Δt8/5 (tempo necessario perché un determinato punto del giunto passi da 800 a 500 °C).un determinato punto del giunto passi da 800 a 500 C).



Difetti nelle saldature

- cricche a caldo nella zona fusa durante la solidificazione. Segregazione di impurezze al bordo di grano, veli liquidi bassofondenti, interrotti da ponticelli

lidi il ff dd li i isolidi. Durante il raffreddamento tali ponti possono rompersi e formare la cricca. All’aumentare del C% , delle impurezze, tensioni di ritiro.

- cricche a freddo nella ZTA, a bassa temperatura: strutture duree fragili a causa di elevata velocità di raffreddamentoche possono rompersi a causa delle tensioni residue.Anche a causa di idrogeno.



- strappi lamellari in corrispondenza a sollecitazioni li l i di l i inormali al piano di laminazione.

Durante la laminazione le inclusioni vengono deformate, a forma di lamelle, parallele alla superficie, conlamelle, parallele alla superficie, con scarsa resistenza perpendicolarmente.

- rotture fragili in zone anche lontane.A bassa temperatura, in presenza di intagli, con tensioni residue.ag , co e s o es dueTrattamenti termici di distensione.Acciai con bassa T di transizione.

accorgimenti progettuali permigliorare la robustezza del giunto



- difetti dovuti all’ambiente

O2 Ossidazione favorita ad alta T in particolare C da cui si forma C0 che forma porosità

N2 La solubilità dell’azoto diminuisce notevolmente con la T.A T ambiente si possono formare nitruri molto duri infragilizzanti con conseguente diminuzioneduri, infragilizzanti con conseguente diminuzionedi duttilità e tenacità.



Preparazione dei lembi

Necessaria per avere penetrazione della saldatura che e’ funzione dell’apporto termico specifico, i è d l t i / lcioè del rapporto energia / volume

In funzione - degli spessori

a I a V- del tipo di saldatura

a Y a X

a Ua doppia Y

d i U

a - e piccoli spessori

f g elevati spessori a doppia Uf - g elevati spessori



Saldatura con gas

La fiamma ossiacetilenica viene realizzata mediante la combustione di acetilene C2H2 ed ossigeno O2

Generalmente per saldatura di lamiere max 8 mmsenza ripresa al rovescio.Processo manualeProcesso manuale.TIG e MIG/MAG vengono preferiti sempre di più.

Reazioni chimiche esotermiche all’uscita del cannello

C2H2 + O2 --> 2CO + H2 + q’

2CO + O2 --> 2CO2 + q’’

H + 1/2 O --> H O + q’’’H2 + 1/2 O2 --> H2O + q



Proprietà della fiamma

Valore massimo di T è elevato, viene raggiunto poco a valle del dardo.

A valle del dardo la fiamma è riducente consuma ossigeno dall’ambiente circostante e quindi haA valle del dardo la fiamma è riducente, consuma ossigeno dall ambiente circostante e quindi ha azione anti ossidazione (richiede Acetilene = Ossigeno).

Fiamma neutra , adatta per acciai, acciai inox, rame alluminio…, p , ,

Fiamma ossidante per bronzi, ottoni

Fiamma ca b ante icca in C (dall’acetilene) p ò fo ni e alt o ca bonio a scopi di ind imentoFiamma carburante, ricca in C (dall’acetilene) può fornire altro carbonio a scopi di indurimento superficiale (non in saldatura)

Si riconoscono dal colore: neutra -> dardo bianchissimoossidante -> azzurrocarburante -> fiocco color giallo



Attrezzature per la saldatura ossiacetilenica

poco costosotrasportabile

bombole per i gas

trasportabilemanuale

bassa

pressione

l

ugelli

Gas combustibile Gas non combustibilealta

Gas co bust b eFilettatura sinistrorsa

Gas o co bust b eFilettaturadestrorsa



Modalità operative

• sia il cannello che ilmateriale d’apporto vengono movimentati a mano

• processo lento

• flessibilità elevata



Saldabilità dei materiali alla fiamma

Acciaio C < 0.4%: facilmente saldabile, fino 8-10 mmC < 0.6%: modesta saldabilità materiale d’apporto basso C%C > 0.6%: cattiva, pre / post riscaldo dei lembi al ‘calor rosso’, p / pinox: necessaria fiamma leggermente carburante quindi formazione di carburi di cromo e diminuzione resistenza corrosione

Ghi i i ld di t tt ilGhise necessario preriscaldo di tutto il pezzo

Rame ottima saldabilità, attenzione alla formazione di ossidi fragili;conducibilità termica elevata, quindi preriscaldo;

Difetti tipici:

• Ingrossamento del granod ll bconducibilità termica elevata, quindi preriscaldo;

elevato coefficiente di dilatazione quindi lembi lontani.

Alluminio formazione di ossidi (Al 2 O3) alto fondenti e fragili

a causa della bassa v

• Incollatura per insufficienteapporto termico e quindi non

Ottone difficile a causa di volatilizzazione di Zn che porta a soffiature

Bronzo difficile a causa di basso punto di fusione di Sn

apporto termico e quindi non fusione a causa della v tropo alta

C tifi i t iBronzo difficile a causa di basso punto di fusione di Sn • Certificazione operatori



Saldatura ad arco elettrico

Sistema manuale più diffuso.

Il calore necessario viene fornito da un arco elettrico che scocca fra un elettrodo fusibile ed il metallo base.

L’arco è generato dal passaggio di elettroni da + a - con ripartizione del calore sviluppato 2/3 a o pa o d a o uppa o /3al polo positivo.

Valori tipici dei parametri in gioco:

• corrente 50-500 A• ddp 25 V• distanza 2.5 mm

T 6000 7000 °C• T 6000-7000 °C



Fisica dell’arco

Il fenomeno è piuttosto complesso: in 1a approssimazione movimento di ioni e elettroni.

T f i d l ll d’Trasferimento del metallo d’apporto

Il trasferimento avviene indipendentementeIl trasferimento avviene indipendentementedalla posizione di saldatura per i seguenti Meccanismi:- il peso proprio- le forze elettromagnetiche- le forze magneto-dinamiche- azione dei gas dal rivestimento

la tensione superficiale del liquidospray arc drop arc short arc

- la tensione superficiale del liquido alta velocità instabilità bassa velocitàalta penetrazione modulazione bassa Talta T esterna



Elettrodi

Anima metallica di composizione chimica simile al metallo da saldare.Aggiunta/sottrazione elementi di lega per migliorare la tenacità del giunto

Adatta per: acciai al C e inox

Poco adatta per: leghe leggere

Rivestimento di varia composizione che:

Poco adatta per: leghe leggere

Rivestimento di varia composizione che:

- forma scoria protettiva sul bagno di tipo fisico:antiossidante e controllo di velocità di raffreddamento

ù

- ossidanti- acidi- sviluppa gas ionizzanti che rendono più stabile l’arco

- opera una correzione chimica del bagno con elementi desolforanti e defosforanti

- acidi- basici- cellulosici- rutilo

Nota: spessori max 20 mm



Caratteristiche dell’arco e generatori

La caratteristica V I dell’arco nonLa caratteristica V-I dell arco non segue la legge di Ohm:• all’aumentare della corrente cambia la forma del conduttore (si allarga) e quindi diminuisce la

La caratteristica esterna delle macchinesegue andamento decrescente• alta ddp a vuoto favorisce innesco dell’arco

c c c per evitare danni alla macchinag

resistività;• ulteriore aumento modifica ulteriormente la forma dell’arco (tende a diventare sferico più che cilindrico) e quindi aumenta reistività

• c.c.c. per evitare danni alla macchina• pendenza e forma della curva

e quindi aumenta reistività.

V1 2

V1

I I

lunghezza dell’arco 2

I IV

I

L’intersezione determinale condizioni di lavoro



Saldatura arco sommerso

Elettrodo: filo non rivestitoFlusso granulare di protezione

• automazione• penetrazione• protezione del bagno

saldat a in piano• saldatura in piano• costi di impianto elevati

saldatura tubigrosso diametro



Saldatura MIG MAG

Arco in atmosfera:

- protetta Argon più pesante dell’ariainsolubile nel fuso

Elio costosomaggiore temperaturaleghe leggere e inoxleghe leggere e inox

- attiva CO2 basso costoreazione esotermicastretto controllo elementi di legaporositàacciai al C

• processo continuo• assenza di scoria• visibilità del bagno• elevata velocità (controllo velocità del filo)• assenza H2O (ossidazione ed infragilimento da idrogeno)



Saldatura TIG

• Atmosfera protetta:come MIG/MAGmiscele

• Elettrodo infusibile di tungsteno

• Alimentazione:- polarità direttaottima emissione di elettroni e successivobombardamento del catodo; alta energia e temperatura

- polarità inversaleghe leggere si bombarda il pezzo con gli ioni, più pesanti, per rompere lo strato di ossido formatosi; elettrodo più caldo, può fondere; inclusioni di W

- corrente alternatavantaggi di entrambe le polarità

• Ottimo per piccoli spessori• Ottimo per piccoli spessori• Adatto per saldare qualsiasi tipo di materiale• Attrezzatura costosa



Saldatura ad elettroscoria

• Saldatura per fusione senza arco (solo effetto Joule)

• Scoria conduttrice

• Elettrodo rivestito

• Grossi spessori > 50 fino a 1000

• Macchine molto potenti 500 kW



Saldature per resistenza

• Saldatura per fusione senza arco (effetto Joule) realizzata premendo gli elettrodi sulla zona da saldare.

• Non c’è materiale d’apporto

• Spessori piccoli -> lamiere grossi -> di testa



R1

Calore generato:R1

R2R3R

Q = k R I2 tI = 103-104 At =0.1-1 s

R4R3R2

Richiesta ottimale:

R4 >> R1 , R2 , R3

R1in realtà

R4 ≈ R2 ,> R1 , R34 2 , 1 , 3

R1 bassa -> elettrodi di rameR2 bassa -> pulizia superfici

Iforatura

R2 bassa > pulizia superficidimensioni elettrodi piccoliapplicazione F alta -> perforatura

bassa -> incollatura

corrente:

incollatura

saldatura

t

incollatura



Azione contemporanea di forza e corrente

acciai al Cacciai al C

acciai legati



Altri tipi di saldatura

• Saldatura a rulli: semicontinua

• Saldatura di testa F F

• Saldatura per scintillio



• Saldatura a freddo

• Bollitura a caldo

• Saldatura per attrito

F = 104 - 105 Nω = 1000 - 3000 s-1

Vantaggi:- alta produttività- sezioni differenti- materiali dissimili- materiali dissimili- pulizia

Svantaggi:- componenti assialsimmetrici- componenti assialsimmetrici- costi investimento- sbavatura



• Saldatura allumino-termica

La sorgente di calore è costituita da una reazione chimica esotermica:

8 Al + Fe3 O4 -> 9 Fe + 4 Al2 O3 + q’

Miscela di alluminio e magnetite in un crogiolo (tipica applicazione: saldatura di testa di rotaie)

Vantaggi:• veloce (fra passaggio di treni)• no energia esterna

li i d l b ( i )• pulizia del bagno (scoria)



SaldobrasaturaBrasatura

T < 400 °C T < 800 °C

• penetrazione per capillarità fra i lembi da unire

• lembi esenti da contaminazione fisica e chimica e

• riempimento del giunto per deposizione

• materiale d’apporto leghe di Cu o Nilembi esenti da contaminazione fisica e chimica eparalleli

• materiale d’apporto leghe Sn Pb (dolci)l h C A (f ti)

materiale d apporto leghe di Cu o Ni

• flussi protettivi

leghe Cu Ag (forti)

• flussi protettivi


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