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Università di Roma “Tor Vergata”Tecnologie e sistemi di lavorazione

SALDATURA

Materiale d’apporto

Materiale base

Materiale base = Materiale d’apporto

Materiale base ≠ Materiale d’apporto

SALDATURA

SALDOBRASATURA

BRASATURA

La saldatura è un tipo di giunzione che consente di unire permanentemente parti solide, realizzando la continuità del materiale.

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Classificazione delle saldature

Eterogenee

Saldobrasatura

Brasatura Dolce

Forte

Autogene Gas Ossiacetilenica

Arco Elettrodi rivestiti

TIGMIG, MAG

Resistenza Rulli

PuntiStato solido PressioneAttritoUltrasuoni

Altre LaserFascio elettrico

AlluminotermicaPlasma

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SALDABILITA’

Attitudine con cui un materiale si presta alla realizzazione di unioni saldate di volutecaratteristiche con un dato procedimento.

E’ influenzata da:

FATTORI METALLURGICI:

Un giunto saldato comportauna zona fusa le cui

caratteristiche metallurgicheinfluenzano la resistenza

del giunto saldato

FATTORI COSTRUTTIVI:

Il giunto saldato deve averecaratteristiche tali da noncompromettere la sicurezza

della struttura nel suo complesso.

(es: resist. all’intaglio)

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STRUTTURA METALLURGICA

Sono identificabili tre zone:

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Il ciclo termico influenza la dimensione della ZF ma, soprattutto, della ZTA.La severità termica del ciclo è influenzata dai seguenti parametri:

APPORTO TERMICO SPECIFICO:

vel

Pq = [J/cm]

SPESSORE DEI PEZZI E FORMA DEL GIUNTO

EVENTUALE PRE-RISCALDO DEI LEMBI ( 50 – 300 °C )

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La severità può essere misurata tramite il parametro:

cioè il tempo necessario perché un determinato punto del giunto Passi da 800 a 500 °C.

58t∆

Le conseguenze del ciclo termico sono di ordine:

MECCANICO

(ritiri e tensioni residue)

METALLURGICO

(ZTA)

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Deformazioni e tensioni residueDurante la saldatura le zone che subiscono un ciclo termico non sonolibere di dilatarsi e contrarsi in quanto circondate da materiale a differente temperatura.Si hanno quindi deformazioni plastiche localizzate a seguito delle quali,a temperatura ambiente, si hanno tensioni interne residue.Le tensioni interne residue sono pericolose nel caso in cui:

• STRUTTURE SOLLECITATE CHE LAVORANO A BASSA TEMPERATURA:rottura fragile.

• STRUTTURE SOGGETTE A CORROSIONE: le tensioni interne acceleranoil processo

• STRUTTURE SOGGETTE A CARICHI DI PUNTA: le tensioni interne aumentano l’instabilità.

Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione.

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Difetti nelle saldature

• Cricche a caldo

• Cricche a freddo

• Strappi lamellari

• Rottura fragile

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Cricche a caldo

Si manifestano nella zona fusa nel corso della solidificazione.Durante la solidificazione si ha la segregazionedi impurezze a bordo grano.Tra i grani si formano quindi dei “Ponticelli” di materiale e delle zone di impurità.Nel raffreddamento i ponticelli possonorompersi per effetto delle tensioni interne generando una cricca.Le cricche aumentano se:

• Elevato tenore di carbonio• Elevato tenore di impurezze nel materiale base• Tensioni di ritiro elevate

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Cricche a freddo

Si manifestano principalmente nella ZTA a temperatura prossima a quellaambiente.Se la velocità di raffreddamento è sufficientemente alta, nella zona saldatasi ha la formazione di strutture dure e fragili che, sotto l’effetto delletensioni residue possono rompersi.Il fenomeno è particolarmente evidente in presenza di idrogeno(INFRAGILIMENTO DA IDROGENO).A causa di piccole differenza di composizione tra ZF e ZTA, la trasformazione austenitica avviene dopo nella ZTA.L’idrogeno (più solubile nella austenite) migra quindi dalla ZF alla ZTA.Le cricche aumentano se:

• Sono presenti strutture dure e fragili• E’ presente idrogeno nel bagno di saldatura• Presenza di tensioni di ritiro elevate

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Strappi lamellariSi verificano quando il metallo base è sollecitato in direzione normale alpiano di laminazione.Durante la laminazione le inclusioni vengono deformate e assumono un aspetto “lamelliforme”, parallele alla superficie.Per evitare gli strappi lamellari si possono adottare accorgimenti progettuali:

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Rottura fragile

Si può verificare anche lontano dalla zona saldata e con un basso valoredella sollecitazione esterna.La rottura è detta fragile perché avviene senza deformazione plastica.

Può avvenire in strutture che:

• Lavorano a bassa temperatura• Presentano intagli• Presentano tensioni residue

Gli accorgimenti da adottare sono:

• Evitare gli intagli sfavorevolmente orientati rispetto alla saldatura• Effettuare un trattamento termico di distensione• Scegliere acciai di base con temperatura di transizione bassa rispetto a quella di esercizio.

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Effetto dell’ariaO2 : L’ossidazione è favorita ad alta temperatura.

La scala di affinità per l’ossigeno è Si – Mn – C – Fe.Durante la solidificazione del cordone si forma CO che crea porosità nel materiale.porosità e ossidi di Fe peggiorano le caratteristiche meccaniche

N2 : La solubilità dell’azoto diminuisce notevolmentecon la temperatura.A temperatura ambiente l’azoto tende a formarenitruri molto duri ma fragili: si ha quindi una diminuzione di duttiltà e tenacitàdel materiale

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Preparazione dei LembiE’ di particolare importanza per ottenere una completa penetrazionedella saldatura.Nelle saldature il cordone è legato all’apporto termico specifico delprocesso: la preparazione dei lembi è funzione del processo disaldatura utilizzato.Tipi di preparazione: CIANFRINATURA

a) Lembi retti o ad Ib) Lembi a Vc) Lembi a Yd) Lembi a Xe) Lembi a doppia Yf) Lembi a Ug) Lembi a doppia U

a - e : piccoli spessorif – g : elevati spessori

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Fiamma Ossiacetilenica

La fiamma ossiacetilenica viene realizzata mediante la combustione diacetilene ( C2H2 ) e ossigeno ( O2 ).Ha generalmente un’applicazione limitata alla giunzione di lamiere (max 8 mm) senza ripresa al rovescio.La diffusione di questo processo sta diminuendo in quanto vengono preferitiprocessi MAG e TIG.COMBUSTIONE:All’uscita del cannello si hanno le seguenti reazioni:

C2H2 + O2 = 2CO + H2 + q’2CO + O2 = 2CO2 + q’’H2 + 1/2 O2 = H2O + q’’’

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Sistema di Saldatura

- Poco costoso- Facilmente trasportabile

Gas combustibileFilettaturasinistrorsa

Gas non combustibileFilettaturadestrorsa

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Sistema di Saldatura- Il valore massimo di temperatura è piuttosto elevato ( 3100 °C ) e viene raggiunto poco a vale del dardo.

- A valle del dardo la fiamma è riducente, cioè consuma ossigenodall’ambiente, ha quindi un’azione disossidante.

- Perché la fiamma abbia queste caratteristiche occorre che la quantitàdi ossigeno sia pari a quella dell’acetilene.

- Una fiamma neutra viene utilizzata per saldare acciaio, acciaio inox, ghisa, rame, alluminio, etc...

- Una fiamma ossidante viene usata per saldare bronzi, ottoni.- Una fiamma riducente ( ricca in carbonio ) è in grado di “Fornire”carbonio al metallo e viene usata in processi di indurimento superficiale( non in saldatura ).

FIAMMA OSSIDANTEcuore bianco

pennacchio blu chiaro

FIAMMA CARBURANTEcuore ingrossatopennacchio blu

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Sistema di SaldaturaSia il cannello che il materiale d’apporto vengono movimentati a mano.

Verso destra

Verso sinistra

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Saldabilità dei materiali alla fiammaAcciaio: - C < 0,4% : è facilmente saldabile fino a circa 10 mm di spessore

- 0,4 < C < 0,6 % : presenta cattiva saldabilità si utilizza metallo di apporto con basso tenore di C.

- C > 0,6 % : si riesce a saldarlo solo dopo aver riscaldato i lembi alcolor rosso con un cannello potente.

Ghise: E’ possibile saldare la ghisa. La preparazione dei lembi è a V per spessori < 9 mm ed a X per spessori > 9 mm.E’ però necessario riscaldare tutto il pezzo ( 600 °C ) per:- evitare le cricche a freddo- evitare la formazione di ghisa bianca (si forma solo ghisa grigia).Le superfici lavorate devono essere protette con una miscela di grafitee olio o grasso durante il riscaldamento.

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Rame: ottima saldabilità, ma non devonorimanere tracce di ossidi che sono eccessivamente fragili. La preparazione dei lembi è:Elevata distanza tra i lembi per l’elevatocoefficiente di dilatazione termica.Riscaldare il materiale prima della saldatura a causa dell’elevataconducibilità termica.

Alluminio: per saldare alluminio occorre fare attenzione agli ossidi che hanno temperatura di fusione estremamente elevata, che possonodisperdersi nel giunto ed infragilirlo.La preparazione dei lembi è:

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Ottone: ( Cu + Zn ) difficilmente saldabile a causa della volatizzazionedello Zn che crea soffiatura.

Bronzo: ( Cu + Sn ) problemi simili all’ottone per il basso punto di fusionedello Sn.

Acciaio inox: è possibile saldare inox martensitici e austenitici. Si utilizzauna fiamma leggermente carburante.

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Difetti dei giunti- Ingrossamento del grano: è presente nella ZTA a seguito della lungapermanenza ad elevata temperatura. E’ inevitabile in un processo “lento” come questo, ma può essereridotto se l’operatore è esperto.

- Incollatura: si ha quando il metallo base raggiunge la fusione.Anche l’incollatura dipende dall’abilità dell’operatore.

Questi difetti non vengono rilevati con CND.

Certificazione degli operatori: viene rilasciata una “patente” di saldatore.

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Generazione dell’arco

Corrente continua

- arco stabile- cordone uniforme

Corrente alternata

- sistema costoso- assenza soffio magnetico- alta deposizione

Polarità diretta

- alta deposizione

Polarità inversa

- alta penetrazione

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Trasferimento del metallo

Spray arc:V>25 voltAlta velocitàAlta penetrazioneAlta temperatura

Pulsed arc:corrente modulata

Short arc:V<20 voltBassa temperaturaBassa penetrazione

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Arco elettrico

I processi di saldatura mediante arco elettrico sfruttano un arco voltaicocome sorgente di calore.L’arco può essere:- diretto: tra un elettrodo ed il metallo base- indiretto (raro): tra due elettrodi ed i lembi, ricevono indirettamente caloreL’elettrodo può essere:- fusibile: è costituito dal metallo di apporto- non fusibile: è costituito da materiale non fusibile (alla T dell’arco)L’arco può essere:- in corrente continua- in corrente alternataSe l’arco è in c.c., la polarità può essere:- diretta: metallo base collegato all’anodo- inversa: metallo base collegato al catodoL’arco elettrico è la manifestazione del passaggio di corrente elettrica in un gas ionizzato (plasma).

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Fisica dell’arco

Il fenomeno è piuttosto complesso. In prima approssimazione:

Il più utilizzato è il processo incorrente continua. Per elevate potenze è preferibilel’arco in corrente alternata.La temperatura raggiunta dalplasma è più elevata della fiammaossiacetilenica e varia da5000 °C a 50000 °C.

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Arco con elettrodi rivestiti

L’arco scocca tra un elettrodo fusibile rivestito ed il pezzo.

Si possono saldare:

- materiali ferrosi- nichel e leghe

Non si possono saldare:

- leghe di alluminio- rame e le sue leghe- metalli a basso punto di fusione

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Circuito di saldatura

La movimentazione dell’elettrodo è manuale.Il processo ha una ridotta produttività(rispetto a quelli con filo continuo) perché:

- l’elettrodo deve essere sostituito- dopo ogni passata deve essere rimossa la scoria depositata

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Elettrodo rivestito

Funzione del rivestimento:

- protezione ( gassosa, liquida,solida ) dall’aria.

- Disossidazione del bagno (O2)

- Depurazione del bagno (S, P)

- Apporto di elementi di lega

L’applicazione tipica è la giunzione di testa di tubi per trasporto di fluidi.Si possono saldare spessori fino a circa 20 mm senza ripresa dal retro.Il difetto più frequente è l’inclusione di scorie nel cordone di saldatura.

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Arco sommerso (submerged arc welding)L’arco scocca tra un elettrodofusibile, alimentato con continuità,ed il metallo base.L’energia sviluppata dall’arco porta afusione l’elettrodo, il metallo baseed il flusso.Il flusso fuso avvolge l’arco (arcosommerso) e protegge il materialefuso dalla contaminazione dell’aria.

Apparecchiatura

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Questo processo viene utilizzato per saldare acciaio di elevato spessore(60 mm, elevata potenza delle saldatrici).La scoria va eliminata dopo ogni passata.Il vincolo applicativo è dato dalla necessità di operare in piano.Applicazione tipica: saldatura di tubi ( longitudinalmente ).

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MIG - MAGLa saldatura avviene in atmosfera protetta. L’elettrodo è fusibile ed èalimentato in continuo (filo).

Gas di protezione:L’arco, il metallo fuso ed il bagno sono mantenuti inuna atmosfera di gasprotettivo che protreggedalla contaminazionedell’aria.

Si possono avere:- MIG: il gas è inerte ( Argon, Elio )- MAG: il gas è CO2 o miscele di CO2

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Gas inerte:Argon: viene ricavato dall’aria e deve essere estremamente puro (99,99%).

E’ più pesante dell’aria (rimane sul bagno) ed è insolubile nel fuso.Elio: ha un potenziale di ionizzazione maggiore dell’argon, l’arco ha una

temperatura maggiore (aumenta la produttività). E’ però più costoso.E’ più leggero dell’aria ed è insolubile nel bagno fuso.

CO2: Gas protettivo di basso costo. Ad elevate temperature la CO2 si dissociain CO + ½ O2 per poi riassociarsi in prossimità del bagno (liberandoenergia).

CO2 + C 2CO

Il bagno risulta carburato. Il MAG non può essere usato quando si vuole mantenere sotto strettocontrollo gli elementi di lega. Si formano facilmente delle porosità nel cordone

FeO + C Fe + COSi aggiunge Si e Mn

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Vantaggi tecnologici del processo MIG/MAG: (rispetto al processo conelettrodi rivestiti).- continuità del processo di saldatura- assenza di scoria (produttività)- migliore visibilità del bagno di fusione rispetto all’arco sommerso- elevate velocità di saldatura- assenza di H2O nell’atmosfera (infragilimento da idrogeno)

Limitazione del processo:- apparecchiatura complessa, più costosa e meno trasportabile- la torcia è ingombrante- occorre evitare che correnti d’aria investano la zona di saldatura.

Applicazioni:Gas inerti: si saldano alluminio, rame, e in parte acciai inoxCO2: si utilizza per saldare acciai dolci o basso legati.

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TIG

La saldatura avviene in atmosfera protetta. L’elettrodo è infusibile.Il materiale d’apporto è fornita in bacchette e viene maneggiato a mano

L’elettrodo, la bacchetta di materiale di apporto, il bagno e l’arco sonoprotette dalla contaminazione dell’atmosfera da un flusso di gas inerte.La torcia è collegata al generatore, alla bombola del gas e, nel caso dielevate correnti (>200 A), ad un sistema di raffreddamento ad acqua.

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Gas di protezione:

- Argon: come per MIG/MAG

- Elio: come per MIG/MAG

- Miscele: tipiche Ar – He, Ar – H, (acciai inox austenitici) Ar – CO2

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Alimentazione della torcia:

- polarità diretta: il tungstenoè un ottimo emettitore,l’anodo viene bombardatoda elettroni con elevataenergia e si riscalda.Il bombardamentoelettronico non riesce a rompere lo strato di ossidodi alcune leghe ( alluminio, magnesio ).

- polarità inversa: viene utilizzata per saldare le leghe leggere, ma losviluppo di calore all’elettrodo porta quasi a fusione e si possono avereinclusioni di tungsteno nel bagno ( A< 100 Ampere ).

- corrente alternata:(A>100 Ampere) 50 Hz vantaggi di entrambe le polarità.

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Saldature per resistenza

Il riscaldamento del materiale avviene per effetto Joule, mentre la saldaturaavviene applicando una pressione. Non vi è metallo di apporto.Il calore generato è:

Q = K٠R٠I2٠t

In generale: I = 103 – 104 At = 0,1 – 1 s

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Schema di funzionamento:

Ideale: R3 >> R2, R1, R0

In pratica: R3 ~ R1 > R2 ~ R0

R0 : bassa utilizzando elettroni di rameR1 : viene limitata dalla forma degli elettrodi e dalla pressione applicataR2 : è legata al materiale e allo spessoreR3 : è legata alla finitura superficiale

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Parametri di processo:

- Pressione: va scelta accuratamente bassa incollaturaalta foratura

- Corrente e tempo:Si cerca di utilizzare t brevi per limitarela trasmissione del calore verso glielettrodi.

- Applicazioni: saldatura di lamiere. Utilizzando t brevi è possibile saldareacciao inox.

A Rulli:

- Applicazioni: lamiere sottili

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BrasaturaIl metallo d’apporto è molto diverso dal metallo base (es. stagno per unire rame).

- Procedimento: si dispone il metallo base in modo che tra le parti da unirerimanga una intercapedine “capillare”, si riscalda il metallo base ad unaT < Tf.m.base ma T > Tf.m.apporto. Il materiale da apporto viene messo incontatto con il metallo base, fonde e cola nell’intercapedine.

- Brasature dolci: vengono realizzate con una lega saldante a basso punto di fusione (<400°C). L’adesione è piuttosto debole e non sopporta sforzi ditrazione, flessione, torsione. In generale viene eseguita con saldatori.

- Brasature forti: vengono realizzate per unire metalli con alto punto di fusione.L’adesione deve essere particolarmente resistente.Il materiale d’apporto è in granelli, fili o lamierini a secinda dei pezzi da saldare.

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