Materiali d’alluminio. Lavorazione tramite la tecnica …...differenziazione fra leghe di fusione...

Materiali d’alluminio.Lavorazione tramite la tecnica di saldatura.

3 Informazione sul prodotto e sull’applicazione

2 Materiali d’alluminio

L’alluminio. Una combinazione interessante di proprietà rende questo metallo un materiale ricercato.

Proprietà fisiche e chimiche dell’alluminio

Negli ultimi 60 anni le leghe d’alluminio hanno acquisito un posto fisso

in molti settori della tecnica e, dopo gli acciai, occupano il 2º posto fra

i metalli più usati. Un’applicazione diffusa riguarda il settore dei trasporti,

seguito dal settore delle costruzioni e dell’ingegneria meccanica.

Anche nell’industria degli imballaggi l’alluminio rappresenta ormai da

anni un materiale molto utilizzato.

Le ragioni del successo economico e tecnologico dell’alluminio sono

frutto di un’interessante combinazione di proprietà caratteristiche,

fra cui vanno segnalate in particolare:

3 l’elevata conducibilità elettrica e 3 la bassa densità

3 l’alta duttilità anche alle basse 3 termica

3 la resistenza chimica 3 temperature

3 l’innocuità dal punto di vista igienico

Anche altre proprietà, quali l’assenza di scintille, la neutralità

magnetica e l’incombustibilità sono in molti casi determinanti per

l’uso di questo metallo.

Tabella 1: Confronto alluminio – acciaio

Occorre distinguere fra alluminio purissimo, alluminio puro e leghe

d’alluminio, prevalentemente con manganese, magnesio, silicio, rame

e zinco, con il principale obiettivo d’aumentare la resistenza meccanica.

Accanto alle leghe di due metalli si utilizzano spesso leghe ternarie o

con più metalli. L’aumento della resistenza meccanica viene ottenuto

non solo tramite rafforzamento per soluzione solida, ma anche tramite

incrudimento a freddo attraverso la formatura o l’indurimento. Tra le

leghe d’alluminio si distingue fra quelle naturalmente dure e quelle

temprabili. Un altro criterio di distinzione è il tipo di lavorazione con una

differenziazione fra leghe di fusione e leghe da lavorazione plastica.

La Tabella 1 riporta alcune importanti proprietà fisiche dell’alluminio

puro a confronto con il ferro puro. Sono particolarmente significativi

la densità sensibilmente inferiore, il basso punto di fusione, ma anche

l’elevato calore di fusione e soprattutto l’elevato punto di fusione

dell’ossido d’alluminio. L’alluminio non presenta colori d’incandescenza

nel punto di fusione. Insieme al coefficiente di dilatazione più elevato

e alla buona conducibilitò termica, queste caratteristiche rendono la

saldatura delle leghe d’alluminio molto più difficile di quella dell’acciaio.

A temperatura ambiente l’alluminio si presenta con un reticolo cristallino

cubico a facce centrate e non presenta cambiamenti di stato, per cui

non possono formarsi strutture da tempra quali martensiti. L’alluminio

non è soggetto a infragilimento a freddo.

Proprietà Unità di misura Alluminio Ferro

Massa atomica g/mol 26,98 55,84

Densità g/cm3 2,70 7,87

Modulo di elasticità N/mm2 71 × 103 210 × 103

Coefficiente di dilatazione 1/SDgrK 24 × 10–6 12 × 10–6

Calore di fusione kJ/kg 396 270

Limite d’elasticità N/mm2 circa 10 circa 100

Resistenza alla trazione N/mm2 circa 50 circa 200

Ossidi Al2O3 FeO, Fe2O3, Fe3O4

Punto di fusione degli ossidi °C 2046 1400, 1455, 1600

Punto di fusione del metallo puro °C 658 1536

3Materiali d’alluminio

Unificazione delle leghe d’alluminio

Il nome e l’attribuzione dei codici del materiale delle leghe d’alluminio

sono definiti nella EN 573-1 secondo il sistema di nomenclatura

dell’Aluminium Association di Washington; i dettagli relativi alle analisi

chimiche sono riportate nella EN 573-3.

I gruppi di leghe sono classificate nel seguente modo:

Serie 1000 Alluminio min. 99,00 %

Serie 2000 Principale elemento della lega

rame


manganese


silicio


magnesio

Serie 6000 Principali elementi della lega

Mg + Si


zinco

Serie 8000 altri elementi della lega

Serie 9000 non utilizzata

La nomenclatura prevede l’uso del codice del materiale (esempio:

ENAW-5082) oppure dei simboli chimici, p. es.: EN AW-AlMg4.5Mn0.7.

In quest’ultimo caso i tenori medi dei principali elementi della lega

vengono indicati in percentuale. Possono essere presenti anche altri

elementi della lega non indicati nella nomenclatura.

Gruppi di leghe

Leghe solidificate a freddo

Le leghe d’alluminio non temprabili vengono portate ad un livello

di resistenza meccanica superiore tramite processi di formatura quali

la lastratura o la trafilatura a freddo. Questo gruppo comprende ad

esempio le tipologie d’alluminio puro Al 99.5 e Al 99.0 e le tipologie

AlMn1, AlMg1, AlMg2.5, AlMg3, AlMg2.7Mn, AlMg4Mn e AlMg4.5Mn.

Come per tutti i metalli il cui aumento della resistenza meccanica è

frutto della solidificazione a freddo, un aumento della temperatura di

queste leghe può condurre ad un calo irreversibile della resistenza alla

trazione, a meno che non sia seguito da un’ulteriore deformazione a

freddo. La perdita della resistenza è dovuta all ricupero cristallino o alla

ricristallizzazione. Nella zona del giunto saldato e nella zona termicamente

alterata le saldature avranno quindi un livello di resistenza meccanica

analogo a quello della condizione di ricottura. In alcune leghe il livello di

ricristallizzazione viene aumentato con il manganese in modo tale da

evitare almeno l’effetto di ricottura dovuto alla saldatura.

Alluminio: Un materiale versatile

4

Metalli a base d’alluminio con aumento della resistenza meccanica

tramite le leghe

Con queste leghe d’alluminio si punta ad aumentare la resistenza

meccanica tramite l’aggiunta mirata d’elementi di lega (Grafico 1).

Gli elementi di lega di questo tipo sono: rame, silicio, magnesio, zinco

e manganese. E’ipotizzabile anche l’aggiunta di piccole quantità di

berillio, boro, sodio e stronzio.

Nella maggior parte dei casi non si tratta di leghe binarie, ma di leghe

ternarie o ancor più complesse. Un altro fattore determinante, a parte il

tenore vero e proprio della lega, è la presenza degli additivi sotto forma

di soluzione cristallina, di cristalli non solubilizzati o di composti inter-

metallici all’interno del reticolo.

Leghe indurenti

La resistenza meccanica d’alcune leghe d’alluminio idonee può essere

sensibilmente migliorata con uno speciale trattamento termico chiamato

indurimento. Questo processo richiede alcuni importanti presupposti

metallurgici: La soluzione solida d’alluminio deve avere una solubilità

dell’elemento della lega che diminuisce con la temperatura. Ciò vale ad

esempio per il rame che, a temperatura ambiente, è solubile solo per lo

0,3 % circa, mentre a 500 °C può andare in soluzione per più del 4 %.

Durante il raffreddamento, infine, non devono nascere delle fasi

d’equilibrio, ma la soluzione solida omogenea deve essere raffreddabile

in condizioni di sovrasaturazione. Il terzo presupposto è che, a tempe-

ratura ambiente o a temperature leggermente superiori, la soluzione

solida sovrasatura si disaggrega e le fasi così formate comportano un

aumento della resistenza meccanica.

In pratica vengono eseguite tre fasi operative composte da: solubilizza-

zione a circa 500 – 570 °C, tempra – ad esempio con acqua – e stoccaggio

a temperatura ambiente o a temperature comprese tra 120 e 160 °C.

Fra le leghe indurenti sono particolarmente diffuse soprattutte quelle

d’alluminio-magnesio-silicio e d’alluminio-zinco-magnesio. La velocità

di raffreddamento delle leghe AlMgSi dopo la saldatura non è sufficien-

temente elevata a formare una soluzione solida sovrasatura, per cui la

fase di stoccaggio non provoca alcuna compensazione della perdita di

resistenza meccanica nella zona termicamente alterata.

Anche le leghe di AlZnMg perdono parte della loro resistenza meccanica

con la saldatura. La soluzione solida generata in queste leghe presenta

una temperatura di solubilizzazione minore e richiede una velocità di

raffreddamento minore per sopprimere le fasi di separazione.

La saldatura di questi metalli produce lo stesso effetto pratico di

un’ulteriore solubilizzazione e la buona conducibilità termica genera

una sufficiente tempra. Lo stoccaggio a freddo richiede alcuni giorni

o settimane; una volta trascorso questo tempo, lo stato indurito viene

raggiunto anche nella zona della saldatura.

Contenuto di magnesio (%)

(N/mm2) RP02 Rm

300

250

200

150

100

50

0

1 2 3 4 5 6

Grafico 1: effetto del magnesio sulle proprietà meccaniche

Materiali d’alluminio

5

Saldatura MIG con cannello push-pull

Caratteristiche del metallo

A causa delle particolari caratteristiche fisiche dell’alluminio, la salda-

tura delle leghe d’alluminio è considerata molto più difficile della

saldatura delle leghe d’acciaio. Le principali peculiarità sono descritte

qui di seguito.

Strato d’ossido con punto di fusione elevato

Nella composizione Al2O3, l’alluminio genera uno strato d’ossido natu-

rale con uno spessore di circa 0,01 μm che assicura la resistenza alla

corrosione e che presenta un punto di fusione di circa 2050 °C, molto

più elevato cioè di quello del metallo. Il suo peso specifico è più elevato

di quello del metallo puro; per questa ragione gli ossidi affon-dano

nel bagno di fusione. Lo strato d’ossido funge da isolatore elettrico e

deve essere eliminato prima di procedere con la saldatura. Per questa

ragione, nella saldatura autogena o brasatura si utilizzano appositi

fondenti che trasformano l’ossido in una scoria dal basso peso specifico

e dall’elevata viscosità, che protegge la zona della saldatura e ferma

ogni ulteriore ossidazione.

Lo stratto d’ossido può essere eliminato anche con tecniche quali la

spazzolatura, la levigatura, la fresatura o il decapaggio. Nelle tecniche

ad arco con l’elettrodo a polarità positiva, all’interno dell’arco gli ioni

positivi vengono accelerati in direzione del pezzo, carico negativamen-

te. In questo modo lo strato d’Al2O3 di recente formazione viene spez-

zato. Il gas di protezione inerte impedisce la formazione di nuovi ossidi

e garantisce una saldatura tecnicamente ineccepibile. Un’altra teoria

riconduce la distruzione dello strato d’ossido alla fuoriuscita d’elettroni.

In ogni caso è indispensabile preparare con cura i lembi in modo tale

che gli ossidi in fase d’affondamento possano essere completamente

dilavati dalla superficie frontale sul lato inferiore del giunto saldato:

per questa ragione il bordo inferiore del giunto deve essere in ogni

caso spezzato.


66

Buona conducibilità termica

La conducibilità termica varia da circa 230 Wm–1K–1 dell’alluminio puro

fino a valori di 115 – 155 Wm–1K–1 delle leghe. Questa caratteristica ren-

de indispensabile un’apporto di calore elevato e concentrato durante il

processo di saldatura. Un’altra conseguenza è l’elevata velocità di raf-

freddamento che favorisce la formazione di pori e l’inclusione di bolle

di gas, a causa dell’alta velocità di solidificazione.

Tabella 2: Caratteristiche di diverse leghe d’alluminio

Elevato calore di fusione

A causa dell’elevata entalpia di fusione rispetto al punto di fusione,

la tecnica di saldatura adottata deve predisporre un’energia termica

relativamente elevata. Il raggiungimento della temperatura di fusione

non è, peraltro, segnalato dai colori d’incandescenza.

Coefficiente di dilatazione termica elevato

Il coefficiente di dilatazione termica dell’alluminio di circa 20 × 106 K–1,

é all’incirca doppio rispetto a quello dell’acciaio, conduce a maggiori

ritiri in fase di raffreddamento e rende necessari accorgimenti partico-

lari contro le deformazioni e le criccature da ritiro.

Saldatura TIG/WIG a corrente continua con elettrodo a polarità negativa


Lega Proprietà ImpiegoAl99.0 ... 99.98 scarsa resistenza meccanica, buona deformabilità,

ottima resistenza chimica

elettrotecnica, placcaggio

AlMn0.2 ... AlMn1 resistenza meccanica media, buona resilienza,

buona resistenza chimica

costruzione d’apparecchi, industria automobilistica,

industria alimentare

AlMg1 ... AlMg5 aumento della resistenza meccanica con l’aumentare del

tenore di Mg, buona resistenza chimica

edilizia, costruzione d’apparecchi, ingegneria

meccanica, industria dei mobili

AlMgMn

Esempio: AlMg4.5Mn0.7

la resistenza a caldo migliora con il manganese costruzione d’apparecchi, meccanica, industria

automobilistica, cantieristica navale

AlMgSi, AlSiMg indurente a caldo e a freddo,

buona deformabilità, maggiore resistenza meccanica

edilizia, elettrotecnica, qualità eloxal

AlCuMg indurente, resistenza meccanica elevata,

media resistenza chimica

ingegneria meccanica e impiantistica,

industria alimentare

AlZnMg

Esempio: AlZn4.5Mg1

indurente, resistenza meccanica elevata, soprattutto

nelle leghe con il rame

componenti ad alta resistenza meccanica per la

saldatura industria automobilistica

AlSi5 ... AlSi12 la lega con il silicio aumenta le proprietà reologiche e

le caratteristiche di fusione, soprattutto con un tenore di

silicio superiore al 7 %

getti, edilizia, qualità eloxal

7

La saldatura delle leghe d’alluminio. L’alluminio è un materiale dalle caratteristiche particolari. Considerando queste caratteristiche, la saldatura dell’alluminio non presenta alcun mistero.

Saldabilità dell’alluminio

Qui di seguito si riportano le caratteristiche specifiche d’alcuni gruppi di

leghe; il quadro riassuntivo è riportato nella Tabella 2 e nella Tabella 3.

Alluminio puro e leghe d’alluminio-manganese

L’alluminio puro è caratterizzato da una buona saldabilità benché,

a confronto con le leghe d’alluminio, sia maggiore la tendenza alla for-

mazione di pori. L’elevata conducibilità termica richiede un forte apporto

di calore e, se gli spessori sono maggiori, un preriscaldo prima della

saldatura. Le temperature e i tempi di preriscaldo tipici sono riportati

nella Tabella 5 a pagina 10.

Leghe d’alluminio-magnesio e alluminio-silicio

La composizione di queste leghe risulta decisiva per la sensibilità alle

criccature; con l’1,2 % di magnesio le leghe AlMg e con circa lo 0,75 %

di silicio quelle AlSi presentano un picco di sensibilità alle criccature

a caldo (Grafico 2, pag. 8).

Tabella 3: Saldabilità di diverse leghe d’alluminio

Vale la seguente regola empirica: I metalli d’apporto ad alto tenore di

lega devono essere prevalentemente saldati evitando le criccature.

Per questa ragione il metallo d’apporto va in ogni caso scelto con un

tenore di lega superiore, e cioè con il 2 % di silicio e il 3,5 % di magnesio.

Un ulteriore miglioramento della saldabilità è ottenibile con manganese

o cromo; per questa ragione la saldabilità dello AlMg4.5Mn è migliore

di quella di tutte le tipologie di AlMg,

Se in presenza di due materiali diversi uno dei due è una lega al

magnesio, il metallo d’apporto va scelto in funzione di quest’ultima.

Leghe d’alluminio-magnesio-silicio

A seconda della composizione, questo gruppo di leghe presenta in

linea di principio il rischio di criccature; per questa ragione non si

utilizza un metallo d’apporto dello stesso tipo, ma si salda con SG-AlSi5

secondo la DIN 1732. Se dopo la saldatura il pezzo deve essere ano-

dizzato, il metallo d’apporto da utilizzare è lo SG-AlMg3. Per ottenere

caratteristiche meccaniche superiori va utilizzato il metallo d’apporto

SG-AlMg4.5Mn.


Lega Saldabilità Metallo di apportoAl99.0 ... 99.98 buona SG-Al99.5, SG-Al99.5Ti, SG-Al99.8

AlMn0.2 ... AlMn1 ottima SG-AlMn, SG-AlMg3 ... 5

AlMg1 ... AlMg5 buona SG-AlMg3, SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn

AlMg4.5Mn ottima SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn

AlMgSi, AlSiMg, AlSiMgMn buona SG-AlMg3 ... 5, SG-AlSi5

AlCuMg tendenza alle criccature a caldo

AlZnMg

Esempio: AlZn4.5Mg1

solo lega AlZn4.5Mg1 buona SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn

AlSi5 ... AlSi12 con un tenore di rame inferiore al 1 % buona Al-Si5, SG-Alsi12

8

Leghe d’alluminio-zinco-magnesio

Le leghe AlZnMg sono indurenti e, a causa della quantità di componenti

della lega, tendono alla criccatura durante la saldatura; per questa

ragione una saldatura con la stessa tipologia di metalli non è possibile.

La saldabilità della lega AlZn4.5Mg1 è buona. Normalmente si utilizza il

metallo d’apporto indurente SG-AlMg5 o SG-AlMg4.5Mn.

Leghe d’AlMgCu e AlZnMgCu

Le leghe di questo tipo sono indurenti con elevata resistenza meccanica e

sono considerate molto sensibili alle criccature: per questa ragione la sal-

datura per fusione è impossibile o solo limitatamente possibile, a seconda

del tenore di rame.

Aspetti particolari durante la saldatura

Il problema delle criccature

Durante la solidificazione e il ritiro aumenta il pericolo delle criccature,

in particolare nei casi in cui la lega presenta un intervallo di solidifica-

zione eccessivo e forma delle miscele d’eutettici ai bordi dei grani

con un basso punto di fusione. La tendenza alle criccature dipende dal

tipo di lega e va perciò sempre considerata nella scelta del metallo

d’apporto. La Tabella 4 mostra le zone delle criccature a caldo per alcuni

tipi di leghe e il tenore minimo consigliato di silicio, rame e magnesio

nel metallo d’apporto. Anche il contenuto di piombo nell’alluminio

dovrebbe essere il più basso possibile.

Le cricche nei crateri finali possono essere evitare tramite un programma

di riempimento dei crateri integrato nelle moderne saldatrici o tramite

saldatura su una lamiera aggiuntiva d’uscita.

Le criccature nella radice del giunto di saldatura sono spesso dovute agli

ossidi d’alluminio e vengono evitate con una smussatura inferiore della

lamiera.

Grafico 2: Andamento delle criccature a caldo

20

0

40

60

80

100

1 2 3 4 5

Contenuto di lega (%)

Tendenza alla criccatura a caldo SilicioMagnesio

Tabella 4: Tendenza alle criccature a caldo delle leghe d’alluminio in funzione del tenore di silicio e magnesio


Gruppo di leghe massima sensibilità

alle criccature

tenore

minimo pratico

intervallo di temperatura

critico

AlSi 0,75 % Si 2,0 % Si 660 – 577 °C

AlCu 3,0 % Cu 5,0 % Cu 660 – 577 °C

AlMg 1,2 % Mg 3,5 % Mg 660 – 449 °C

AlSiMg 0,5 – 0,8 % Si e

0,2 – 1,2 % Mg

2,0 % Si

9

Il problema della formazione di pori

La ragione primaria della formazione di pori nel saldame è la drastica

diminuzione della solubilità del gas in fase di solidificazione. Qui si

tratta in particolare dell’idrogeno, in quanto l’eventuale ossigeno viene

legato a formare Al2O3, mentre l’azoto forma il nitruro d’alluminio. La

solubilità del gas in diminuzione conduce alla secrezione di bollicine

di gas sub-microscopiche che crescono con un’ulteriore assorbimento

di gas e che risalgono in superficie all’interno del bagno di fusione.

Con elevate velocità di saldatura e una rapida solidificazione del bagno

di fusione, il degassaggio spesso non è completamente concluso con

conseguente formazione di pori nel saldame.

Le fonti dell’idrogeno sono molteplici e vanno dall’umidità nello strato

d’ossido attraverso l’inclinazione non corretta del cannello fino

all’assorbimento d’umidità dall’aria attraverso il materiale della tuba-

zione del gas di protezione. Poiché la differenza della pressione parziale

di vapore fra aria ambiente e flusso di gas di protezione è notevole,

l’umidità raggiunge con relativa facilità il gas di protezione e l’arco tra-

mite diffusione.

In linea generale il problema dei pori è maggiore nella saldatura MIG

rispetto alla saldatura TIG/WIG in quanto, durante il processo TIG/WIG

relativamente calmo, la quantità di aria ambiente umida che giunge

nell’atmosfera di gas di protezione è minore.

Le misure fondamentali per evitare la formazione di pori sono

elencate qui sotto.

Decolorazione nell’area del cordone di saldatura

Indipendentemente dalla tecnica di saldatura utilizzata, nell’area del

cordone si presentano decolorazioni da deboli a pronunciate che

aumentano con l’aumentare del tenore di magnesio e di silicio. Se dopo

la saldatura è prevista un’anodizzazione, le leghe eterogenee presente-

ranno forti decolorazioni, soprattutto se i singoli componenti della

struttura vengono decapati durante l’anodizzazione oppure staccati

dalla soluzione elettrolitica.

Misure importanti per evitare la formazione di pori

3 Superfici pulite e asciutte del metallo base e del metallo

d’apporto

3 Pretrattamento tramite levigatura, spazzolatura, decapaggio,

sgrassamento

3 Arco tranquillo e conduzione calma del cannello

3 Flusso di gas di protezione senza turbolenze con corretto

dosaggio e purezza

3 Ugello del gas di protezione ampiamente dimensionato e pulito

3 Ridurre la lunghezza del pacchetto di tubi

3 Usare un cannello con sistema di raffreddamento chiuso

3 Lavaggio sufficientemente lungo prima della saldatura

3 Prevedere la protezione della radice

3 Possibilmente saldare in posizione PA o PF

3 Evitare le posizioni di saldatura PC e PE

Componente in AlMg4.5Mn, saldato TIG/WIG con SG-AlMg4.5Mn sotto MISON® He20 MISON® He20: Cordone di saldatura MIG su bombola d’alluminio


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Tecnologia di saldatura

Posto di lavoro

Durante la saldatura delle leghe d’alluminio occorre garantire la

massima pulizia del posto di lavoro, degli utensili, dei dispositivi di

serraggio e dei metalli d’apporto. E’consigliabile dividere questo

da altri posti di lavoro in cui si lavorano acciai da costruzione o acciai

ad alto tenore di lega, per evitare contaminazioni reciproche.

Preriscaldo

Il preriscaldo delle leghe d’alluminio si rende necessario ogni qual volta,

nonostante il rispetto dei corretti parametri di saldatura e nonostante

l’uso di gas di protezione contenenti elio, non si raggiungono penetra-

zioni sufficienti. Il preriscaldo può essere ottenuto con cannelli autogeni

con una regolazione della fiamma leggermente ridotta. La crescita

indesiderata dello strato d’ossido può essere frutto dell’utilizzo di grandi

cannelli per il preriscaldo. Per non mettere a rischio le caratteristiche

garantite del materiale è necessario seguire attentamente le racco-

mandazioni dei fornitori in relazione alle temperature di preriscaldo e ai

tempi di mantenimento; i valori indicativi sono riportati nella Tabella 5.

Tabella 5: Valori indicativi delle temperature massime di preriscaldo

Scelta del metallo d’apporto

La scelta del metallo d’apporto è essenziale per una corretta saldatura,

in particolare in relazione alle velocità elevate delle tecniche di salda-

tura con gas di protezione con una rapida solidificazione del bagno di

fusione. Nella Tabella 3 (pag. 7) sono riportati i metalli d’apporto per le

principali tipologie di leghe. Accanto alla corretta analisi va garantita

anche la corretta regolazione degli elementi di microlega che affinano

i grani, le tolleranze ristrette, un’accurato avvolgimento con un’elevata

quota di piegatura preliminare e una piegatura a strati, priva di torsioni.

AlMg5 AlSi5 Al99.5Ti

Saldatrice MIG per alluminioLa differenza della conducibilità elettrica si riflette sulla penetrazione e sulla forma del giunto saldato


Materiale T (°C)

AIMgSi 180

AISi1MgMn 200

AISiMg 220 – 250

AIZn4.5Mg1 140

AIMg4.5Mn0.7 150 – 200

AIMg4.5Mn0.7 150 – 200

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Scelta della tecnica di saldatura

Per ragioni economiche si continua a prediligere sempre più la tecnica

MIG. Questo tipo di saldatura, con l’uso della tecnica pulsata, ha allar-

gato il campo delle proprie applicazioni anche alle lamiere con spessori

ridotti.

Per spessori molto ridotti, un’accessibilità scarsa oppure esigenze

massime a livello di superficie e assenza di pori, si utilizza in prevalenza

la tecnica TIG/WIG.

Altre tecniche meno usate sono la saldatura a gas, la saldatura a resi-

stenza, la saldatura manuale ad arco, la saldatura ad attrito, la saldatura

ad attrito rotante, la saldatura a ultrasuoni, la saldatura con fascio

d’elettroni e la saldatura laser. La maggiore importanza economica e

diffusione, tuttavia, spetta alle tecniche di saldatura con gas di prote-

zione MIG e TIG/WIG.

Saldatura MIG

La saldatura MIG è una tecnica d’accoppiamento economica soprattutto

se si tratta di lamiere spesse. Le leghe d’alluminio vengono normalmen-

te saldate con corrente continua e polarità positiva dell’elettrodo per

distruggere la pelle d’ossido e ottenere un passaggio fine delle gocce.

A partire da circa 4 mm si lavora con l’arco spray.

Per ampliare il campo d’utilizzo ed estenderlo anche ai materiali sottili è

stata sviluppata la tecnica MIG pulsata. In questo caso, diversificando

i parametri degli impulsi, si ottiene una dimensione e un distacco

definiti delle gocce e si riesce a ridurre l’apporto di calore nel suo com-

plesso. I parametri tipici quali la frequenza della pulsazione, l’intensità

di corrente base e degli impulsi, l’andamento temporale, la forma della

corrente pulsata sono selezionabili in intervalli estesi e, se scelti corret-

tamente, assicurano un passaggio del materiale senza corto circuito con

un’arco stabile e un basso carico dell’elettrodo e quindi un giunto

di qualità eccellente. Nelle fasi della corrente base il bagno di fusione

può calmarsi e degassare.

Anche le lamiere sottili possono essere saldate con la tecnica

pulsata con un’elettrodo a filo relativamente spesso: ciò aiuta soprat-

tutto la riduzione dei pori. La tecnica pulsata conduce inoltre ad una

minore evaporazione del magnesio e dello zinco e permette d’ottenere

qualità metallurgiche migliori del giunto saldato.

Le moderne saldatrici dispongono inoltre di speciali programmi di

controllo che consentono, ad esempio, un’accensione dell’arco senza

spruzzi e il riempimento dei crateri finali. Lo stato dell’arte delle

moderne saldatrici comprende anche un’alimentazione intermittente

del filo per la formazione dei giunti saldati uniformi a squama. Per

garantire un’alimentazione regolare del filo senza interruzioni è utile

disporre di un’avanzamento filo nel cannello. Spesso si utilizza

anche un comando a distanza integrato nella manopola che consente

d’attivare diversi programmi di saldatura.

Altri sviluppi tecnici vanno in direzione della saldatura MIG pulsata a

corrente alternata per ottimizzare le distorsioni dei componenti e la

copribilità della luce, specialmente nella saldatura di lamiere sottili.

Saldatrice MIG per alluminioSaldatura MIG di componenti dei semiassi per automobili


12

La Saldatura TIG/WIG

La saldatura TIG/WIG delle leghe d’alluminio è una tecnica standard

molto diffusa. Normalmente la saldatura viene effettuata a corrente

continua; in tal modo la semionda positiva distrugge lo strato d’ossido

d’alluminio. Durante la seminonda negativa della corrente l’elettrodo di

tungsteno è sottoposto ad una sollecitazione termica minore. Durante

il passaggio di zero della corrente sinusoidale, l’arco si spegne e deve

essere riacceso tramite impulsi d’alta tensione. I moderni generatori di

corrente TIG/WIG consentono un andamento rettangolare della corrente

e impediscono lo spegnimento dell’arco a causa del passaggio di zero

praticamente verticale. In questo modo viene garantita una saldatura

priva di disturbi e uniforme.

Gas di protezione per la saldatura MIG e TIG/WIG

La saldatura MIG differisce da quella MAG solamente per la tipologia di

gas di protezione utilizzata: si utilizzano le sole miscele di gas di prote-

zione inerti in quanto i metalli da saldare non tollerano percentuali di

gas attivo. Ma per la stabilizzazione dell’arco MIG sono tollerabili bas-

sissime microdosature d’ossigeno o monossido d’azoto che in molti caso

non esercitano alcuna azione dannosa sul materiale.

La protezione di base è costituita dall’argon che, in quanto gas nobile,

è assolutamente privo di reazioni e quindi non dà luogo a reazioni

chimiche con il metallo base e il metallo d’apporto. Esso protegge il

bagno di fusione reattivo dalle interazioni chimiche con l’ossigeno e

l’azoto. L’argon ionizza facilmente e facilita così l’accensione dell’arco

elettrico. L’argon ha un peso specifico superiore all’aria e fornisce

quindi una buona copertura del bagno di fusione durante la saldatura

in posizione normale. (figura pag. 13: in alto a sinistra).

Un’altro gas utilizzato per la saldatura MIG e TIG/WIG è l’elio che prati-

camente non viene mai impiegato da solo, ma sempre insieme all’argon.

Analogamente all’argon è completamente privo di reazioni e non forma

composti chimici.

L’elio è caratterizzato essenzialmente dalla sua ottima conducibilità

termica e migliora così la trasmissione del calore dell’arco al bagno

di fusione. In questo modo viene sia compensata l’evacuazione

del calore dei buoni conduttori quali i metalli alluminio e rame, sia

ottenuto un giunto saldato di qualità migliore.

Essendo il peso specifico dell’elio molto basso, per una copertura

sufficiente del bagno di fusione è necessaria una portata volumetrica

maggiore. L’energia di ionizzazione dell’elio è relativamente elevata e

richiede una tensione di saldatura superiore a quella dell’argon.

L’accensione dell’arco diventa più difficile con l’aumentare della percen-

tuale d’elio nel gas di protezione (figura pag. 13: in alto a destra).

L’anidride carbonica e l’idrogeno non sono idonei come componenti

del gas di protezione per le tecniche inerti a causa della loro reattività

chimica e non vengono quindi utilizzati.

VARIGON® He50 15 l/min

Velocità di saldatura 20 cm/min

Argon 10 l/min

Velocità di saldatura 10 cm/min

Una percentuale maggiore d’elio dà luogo a velocità di saldatura maggiori. In questo caso, saldatura della lega AIZn 4,5 Mg 1 con 3 mm di spessore


13

L’aggiunta d’ossigeno o di monossido d’azoto, con dosaggi molto bassi a

livello di ppm, può migliorare sensibilmente la stabilità dell’arco soprat-

tutto nella saldatura TIG/WIG a corrente alternata ed è piuttosto diffusa;

in realtà questi gas aggiunti al gas di protezione non possono essere

considerati completamente inerti. Nonostante ciò si continua a parlare di

tecnica MIG e non di saldatura MAG.

Questi gas di protezione sono adatti anche per la saldatura di leghe di

rame e di nichel. La saldatura MIG può essere effettuata con arco corto,

arco spray e arco pulsato.

In particolare per gli additivi più morbidi dell’alluminio, l’arco pulsato

offre vantaggi decisivi grazie all’impiego d’elettrodi a filo di diametro

maggiore con un’elevata stabilità d’avanzamento. L’arco relativamente

più caldo delle miscele di gas protettivo VARIGON® He e VARIGON® HeS

si è rivelato particolarmente idoneo per le leghe a base d’alluminio e di

rame con una buona conducibilità termica. Il magnesio e le sue leghe

vanno saldate preferibilmente con gas di protezione privi d’elio.

Nella saldatura con gas di protezione, l’aggiunta di gas inerti migliora la

stabilità dell’arco e quindi la regolarità e uniformità del giunto saldato.

In alcuni casi sono stati documentati dei miglioramenti della penetrazione

nella micrografia, dovuti alle caratteristiche migliori dell’arco.

Il dosaggio viene effettuato con 275 vpm di monossido d’azoto nel

MISON® Ar e MISON® He20 oppure con 300 vpm d’ossigeno nel

VARIGON® serie S. Il risultato è una sensibile riduzione della formazione

di spruzzi e un cordone di saldatura decisamente più bello grazie alle

squame più fini del giunto saldato MIG.

Tabella 6: Valori di correzione per i gas di protezione contenenti elio KLB: Arco corto SLB Arco spray ILB Arco pulsato

Arco TIG/WIG sotto elioArco TIG/WIG sotto argon

I gas di protezione e le miscele per la saldatura MIG e TIG/WIG di

leghe d’alluminio sono i seguenti:

Argon 4.6 100 % argon purezza tecnica

Argon 4.8 100 % argon elevata purezza

MISON® Ar Argon con 275 ppm NO

VARIGON® He10 Argon con 10 % elio

MISON® He20 Argon con 20 % elio e 275 ppm NO

VARIGON® He30S Argon con 30 % elio e 300 ppm O2





Gas di protezione Consumo Fattore K

Argon/MISON® Ar 12 – 15 KLB 1,00

Argon/MISON® Ar 12 – 15 SLB, ILB 1,00

VARIGON® He10 15 l/min 1,06

MISON® He20 18 l/min 1,12

VARIGON® He30S 20 l/min 1,17



14

Bibliografia

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Schutzgase für Aluminium bis Zirkon

Rapporto non pubblicato della Linde AG

Höllriegelskreuth, 1998

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Technica 10/99, pag. 50 – 54

Rupperswil, 1999

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von Aluminium-Werkstoffen

Rapporto della Alusuisse AG

Zurigo, 1981

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Institut für Schweisstechnik und

ab tragende Fertigungsverfahren

Technische Universität Clausthal

Clausthal, 2003

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und seinen Legierungen

Mat.-wiss. U. Werkstofftech. 29

pag. 412 – 423

Weinheim, 1998

Brune, E.

Scegliere il gas giusto

Pubblicazione della PanGas

Dagmersellen, 2003

Argon, 280 A, 25 V Ar + 30 % He, 282 A, 27 V

Ar + 70 % He, 285 A, 34 VAr + 50 % He, 285 A, 30 V


Note per l’uso dell’elio

A parità di lunghezza dell’arco con l’aumentare della percentuale d’elio

è necessario aumentare la tensione dell’arco. L’elio nel gas di protezione

darà inoltre luogo ad un cordone più largo e quindi più piatto. La pene-

trazione non è più a forma di dito come nel caso dell’argon, ma diventa

più rotonda e profonda.

Le condizioni di penetrazione più favorevoli facilitano la saldatura

passante nella zona della radice (foto sopra) e permettono velocità

di saldatura maggiori. L’elio migliora le condizioni di degassaggio

del bagno di fusione e riduce la porosità. Spesso un costo maggiore

del gas di protezione viene abbondantemente compensato da tempi

minori di accensione dell’arco e costi di finitura ridotti. L’elio è molto

più leggero dell’aria. Questo fatto va considerato sia nella misurazione

della portata che nella determinazione della quantità minima di gas

di protezione. La correzione della portata sul flussimetro argon avviene

moltiplicando la quantità di gas di protezione con il fattore di prote-

zione o, in altre parole: la quantità di gas di protezione necessaria

divisa per il fattore di correzione fornisce la portata da impostare sul

misuratore di portata dell’argon. (Tabella 6 a pag. 13).

Un caso particolare è la saldatura TIG/WIG a corrente continua con

elettrodo a polarità negativa: questa tecnica funziona solo con almeno

l’85 % d’elio e il 15 % d’argon. Questa tecnica viene usata soprattutto

per i lavori di manutenzione e di riparazione di blocchi motore in allu-

minio e permette di raggiungere una buona penetrazione sui paricolari

molto spessi. Va considerato che questa tecnologia di saldatura

specifica è protetta da brevetti.

15

I giusti gas di protezione per ogni tecnica di saldatura


Tecniche Gas di protezione Materiali

MAGMetal-arc Active Gas (Saldatura ad arco con metallo sotto gas)

MSG-HLSaldatura ad arco con metallo sotto protezione di gas, ad alte prestazioni

COXOGEN® 5/5CORGON® 15/5COXOGEN® 10COXOGEN® 15CORGON® 18

Anidride carbonicaCRONIGON® He20MISON® 18MISON® 8MISON® 25

Tubi d’acciaio, acciai da costruzione, acciai per caldaie, acciai per cantieristica, acciai da costruzione a grana fine, acciai di cementazione e di bonifica

CRONIGON®

CRONIGON® He20CRONIGON® He33

CRONIGON® He30SMISON® 2MISON® 2He

Acciai al CrNi, acciai al Cr e altri acciai legati, leghe a base di Ni, acciai duplex e acciai duplex speciali

CORGON® He30 CORGON® S5MISON® 8

Tubi d’acciaio, acciai da costruzione, acciai per caldaie, acciai per cantieristica, acciai da costruzione a grana fine

MIGMetal-arc Inert Gas (Saldatura ad arco con metallo sotto gas inerte)

Brasatura MSG

Argon 4.6/Argon 4.8MISON® ArVARIGON® He10MISON® He20VARIGON® He30S

VARIGON® He50VARIGON® He60VARIGON® He70

Alluminio, rame, nichel e altre leghe

Argon 4.6/Argon 4.8MISON® ArMISON® 2

CRONIGON® Acciai da costruzione zincati, non legati

WIG/TIGTungsten-Inert Gas (Saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno)

Argon 4.6/Argon 4.8MISON® ArVARIGON® He10MISON® He20VARIGON® He30S

VARIGON® He50VARIGON® He60VARIGON® He70Elio 4.6

Tutti i metalli saldabili come acciai non legati e legati, alluminio, rame

HYDRARGON® 2HYDRARGON® 7CRONIWIG® N3HeMISON® H2

HYDRARGON® 5CRONIWIG® N3

Acciai al CrNi, nichel e lege di Ni

Argon 4.8/Argon 5.0 Materiali sensibili ai gas come Ti, Ta, Zr

WPSaldatura al plasma con elettrodo di tungsteno

Gas centrale/Gas plasmageno: argon 4.8Gas esterno:Argon 4.6, MISON® ArHYDRARGON® 2HYDRARGON® 5HYDRARGON® 7

Elio 4.6VARIGON® He60MISON® Ar

Tutti i metalli saldabili, vedi saldatura TIG/WIG

Protezione della radiceProtezione della radice con miscele gassose azotoidriche

Gas per la protezione della radice della saldatura 5Gas per la protezione della radice della saldatura 8Gas per la protezionedella radice della saldatura 10Gas per la protezione della radice della saldatura 25

HYDRARGON® 2

HYDRARGON® 5

HYDRARGON® 7

Per tutti i materiali, per impedire l’ossidazione in corrispondenza della radice.Bruciare la torcia con un tasso di H2 superiore al 10 %.

Argon 4.8 Per i materiali sensibili ai gas come titanio, tantalio, zirconio

LaserSaldatura e taglio

Argon 4.6, Argon 4.8ElioGas specialiGas funzionali p. es. perLaser al CO2 LASPUR®

Tutti i metalli saldabili

Saldatura di perni ad arco

CORGON® 18 MISON® 18 Acciai da costruzione

CRONIGON®

HYDRARGON® 2CRONIGON® He33MISON® 2

Acciai ad alto tenore di lega

VARIGON® He30S Alluminio e leghe d’alluminio

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PanGas, affiliata del Linde Group, leader mondiale nel settore, gioca un ruolo di precursore sul mercato grazie ai suoi prodotti e sistemi di distri-

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