Sommario



Tipi di verifiche sui giunti

Le saldature per loro natura non si prestano ad una interpretazione scientifica esatta, sarebbe inesatto usare formule complesse che non portano a nessun beneficio reale. Si usano delle tensioni convenzionali che sono il sunto di esperienza precedenti oltre che di test di laboratorio. La normativa italiana classifica i giunti in due grandi categorie: a completa penetrazione ed quelli a cordoni d'angolo.

Giunti a completa penetrazione
Consideriamo il giunto di testa a completa penetrazione, cioè un giunto dove la penetrazione del metallo base è completa su tutto il giunto. Questo è soggetto ad uno sforzo normale N, ad un momento flettente M ed a sforzi di taglio V. In questo tipo saldatura si considera l'elemento saldato come privo di saldatura, e si pretende che sia verificato in tale modo. Le normare relative presenti nell'Euro Codice 3, affermano che la resistenza di progetto di questo tipo di saldatura dovrà essere uguale alla resistenza di progetto della parte più debole di quella giuntata, inoltre dice che la saldatura dovrà essere eseguita con elettrodi idonei, in maniera che la resistenza del giunto non dovrà mai essere minore di quella del metallo base. Se si arriva a rottura, questa non dovrà mai avvenire per debolezza strutturale dovuta a questo tipo di giunto.

Giunti a cordone d'angolo
Questo tipo di saldature sono quelle usate per collegare parti con l'angolo di cianfrino. Queste possono essere realizzate continue o a tratti, ben spiegate nell'Euro Codice 3. Se una saldatura è più corta di 30 mm o la sua altezza di gola è inferiore ai 3 mm, si deve trascurare al fine della trasmissione delle forze. Il loro studio è generalmente più complicato rispetto a quello sui giunti a completa penetrazione, sono stati realizzati dei metodi per il loro calcolo applicato, come la semplificazione per la quale si considerano le tensioni uniformemente distribuite su tutto il cordone, l'altezza di gola viene considerata come l'altezza del triangolo più grande che vi può essere inserito. L'eurocodice semplifica tutte le formule ipotizzate: basterà calcolare la risultante di tutte le tensioni in funzione delle caratteristiche di sollecitazione agenti sul cordone d'angolo e confrontarla con la resistenza di progetto.


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Controllo della saldatura


Le implicazioni di sicurezza collegate all'uso della saldatura, soprattutto nel campo dell'ingegneria civile, hanno imposto criteri sulla garanzia dell'affidabilità delle saldature. Difatti la saldatura rappresenta la più grande incognita nell'assemblaggio di strutture in acciaio. Per questo motivo si considerano dei coefficienti di sicurezza per ovviare alle carenza di proprietà dovuta alla saldatura; ad esempio si ovvia spesso ai difetti strutturali creati da un giunto, implementando, ove possibile, la lunghezza del cordone. Questo controllo avviene su due fasi distinte:
  • Controllo del personale e del procedimento (controllo preventivo)
  • Controllo del giunto saldato (controllo di produzione)

Controllo e qualifica dei procedimenti di saldatura
Il procedimenti di saldatura certificati, dovranno essere effettuati solo da personale qualificato e utilizzando procedimenti preposti. Le norme di qualifica dei procedimenti variano a seconda del campo di applicazione ed a seconda del materiale che viene sottoposto a saldatura. Le normative che qualificano la saldatura sono:
  • UNI EN ISO EN 15614-1 per la qualifica dei procedimenti; 
  • UNI EN 287/1 e UNI EN 1418 per la qualifica dei saldatori; 
  • ASME Sect. IX. per gli Stati Uniti d'America;

In genere per qualificare un procedimento devono essere eseguiti dei talloni, che vengono controllati con metodi non distruttivi e da cui sono ricavati provini per prove distruttive, come ad esempio:
  •  Trazione 
  • Pieghe al dritto
  • Pieghe al rovescio
  • Resilienza
  • Durezza

Controllo dei giunti saldati dopo produzione
Il giunto saldato, dopo l'esecuzione, viene sottoposto a controlli non distruttivi, come radiografia, ultrasuoni, liquidi penetranti, ecc... più o meno estesi, a seconda dell'affidabilità richiesta al giunto. Inoltre per un numero prefissato di metri di saldatura o di giunti (in dipendenza dal campo di applicazione) vengono prodotti altri talloni che saranno sottoposti a prove distruttive. Generalmente quelle più significative.
Su un generica sezione di un giunto saldato, si possono notare diverse zone:
  • Il metallo base, la parte di metallo dei lembi che non risente della saldatura, ne dei cicli termici derivanti da questa. Sulle saldature che non hanno bisogno di troppo calore, la zona del metallo base, sarà ampissima.
  • La zona di influenza termicamente alterata in cui il materiale base ha subito un'elevazione della temperatura da determinare delle modifiche livello microstrutturale. Si possono verificare delle variazioni delle dimensioni del grano o si possono formare nuove strutture; 
  • La zona fusa dove si può distinguere una zona di penetrazione, cioè dove l'alta temperatura ha permesso la fusione di parte del materiale base; nel caso la saldatura prevede del materiale d'apporto questo si presenta in questa zona.

Classificazione dei difetti alla vista
  • A carattere allungato: 
    • Cricche
    • Incollatura 
    • Mancanza di penetrazione al vertice;
    • Mancanza di penetrazione al cuore; 
    • Inclusioni di scoria o ossido allungate: 
    • Tarli;
  • A carattere tondeggiante o poligonale o di forma qualsiasi: 
    • Inclusioni di scoria o ossido o cavità di forma qualsiasi; 
    • Soffiatura; 
    • Inclusioni di wolframio o di altri metalli pesanti;
  • Difetti a grappolo o diffusi:
    • Pori e porosita;
    • Nidi di tarli;
    • Spruzzi di tungsteno;
  • Difetti di profilo: 
    • incisioni marginali;
    • incisioni al vertice Slivellamenti; 
    • Eccessi di penetrazione; 
    • Insellamenti o concavità; 
    • Solchi trasversali alla ripresa; 
    • Cattivi raccordi tra le passate e maglie irregolari;

Classificazione dei difetti: cause e rimedi
  • Difetti dimensionali si verificano quando il cordone di saldatura presenta una concavità eccessiva che può innescare una rottura di tipo fragile;
  • Inadeguata penetrazione: se nella saldatura con metallo d'apporto non si ha un riempimento completo;
  • Incollaggi si verificano quando l'eccessiva presenza di ossidi non garantisce più le caratteristiche meccaniche; 
  • Incisioni marginali si verificano quando il calore del metallo fuso si espande creando dei vuoti che non sono riempiti dal metallo di saldatura; 
  • Bruciatura è una zona di cordone di radice dove l'eccesso di penetrazione ha causato la caduta del bagno di saldatura. 
  • Fusione incompleta: se non si riesce ad avere un buon legamento tra i lembi, o con il materiale d'apporto:
    • Cause
      • Insufficiente apporto termico; 
      • Errato posizionamento della torcia; 
      • Lembi da saldare sporchi; 
      • Eccessiva presenza di ossido sui lembi;
    • Rimedi: 
      • Preriscaldamento prima della saldatura; 
      • Pulizia della superifice; 
      • Scelta di un profilo del giunto idoneo; 
      • Elettrodo giusto;
  • Inclusioni gassose: se si ha la presenza di vuoti o di gas all'interno del bagno di saldatura; si possono trovare sotto forma di pori, di tarli o di soffiature; 
    • Cause:
      • Gas prodotti da azioni chimiche inaspettate nel bagno di fusione;
      • Gas prodotti per la presenza di sporco;
      • Gas di risulta dal filler;
      • Prodotti dal gas di schermatura;
    • Rimedi
      • Scelta di filler ed elettrodi sicuri;
      • Preriscaldamento; 
      • Pulitura dopo ogni passata; 
      • Ridurre la velocità di passata;
  • Inclusioni solide:si verifica quando rimane del materiale esterno alla fusione imprigionato nel bagno di saldatura; possono fermarsi frammenti di tungsteno o di scorie, a seconda del tipo di saldatura:
    • Cause:si verificano quando ci sono passaggi multipli, tuttavia è possibile anche nella passata singola se la velocità non è elevata; nelle tecnologie che prevedono un uso manuale, si possono verificare delle inclusioni dovute al semplice fatto che l'elettrodo viene inserito eccessivamente nel bagno, proibendo alla scoria di emergere e galleggiare, rimanendo immersa nel bagno.
    • Rimedi:si può rimediare preventivamente a questo tipo di difetti con una severa pulita dopo ogni passaggio o usando dei gas schermanti.
  • Cricche: sono lesioni che nascono a causa di brusche variazioni termiche; difatti la saldatura avviene, per la maggior parte dei casi, per una produzione di calore che portato a sciogliere i metalli che raffreddandosi si restringono contraendosi e producendo quindi tensioni interne. Si generano delle autotensioni che superando la resistenza del materiale si innescano le cricche. Le possiamo classificare a seconda della forma che prendono: 
    •  Longitudinali
    • Trasversali
    • Di piede 
    • Sottocordone
    • Di cratere

Si possono classificare in due famiglie:
  • Cricche a caldo: si verificano nella zona fusa quando il metallo saldato si raffredda:
    • Cause: sono dovute alla presenza si impurità bassofondenti nel bagno di saldatura, che si accumulano nelle zone dove il metallo si raffredda più lentamente, rimanendo fuse quando il resto del materiale è già solidificato. Quando anch'esse si raffreddano subiranno un ritiro generando delle cavità, comunemente dette cricche di cratere. Si ottengono di solito da un materiale base ad alto tenore di carbonio.
    •  Rimedi
      • Pulendo attentamente i lembi durante la cianfrinatura si evita la contaminazione del bagno; 
      • Se si procede con un raffreddamento rapido del giunto non si da il tempo alle impurezze di accumularsi;
      • Usare materiali con un tempo di solidificazione molto rapido;
  • Cricche a freddo: si generano quando il giunto è completamente raffreddato, difatti si eseguono controlli per trovare questo difetto solo 16 ore dopo l'esecuzione. A differenza di quella a caldo, questo tipo di saldatura si estende anche sul materiale base. 
    • Cause: si genera nella zona intermedia tra il bagno e la matrice; avviene quando la presenza di idrogeno in zone di tempre e sono presenti tensioni residue. Si verifica più di frequente con matrici ferritica o martesintica, o con le saldature a stagno, mentre ne sono esenti acciai austenitici.
    • Rimedi: 
      • Usare materiali ben essicati; 
      • Preriscaldare i lembi per eliminare l'umidità e diminuire le tensioni; 
      • Ridurre la velocità di raffreddamento;

Analisi ed esami delle saldature
Per poter analizzare e riconoscere i difetti di una saldatura, si può far ricorso a delle analisi non distruttive: 
  • Esame visivo: si esegue un'analisi ad occhio nudo, usando lenti di ingrandimento, o più tecnologici endoscopi con ingrandimento. Questo esame serve per determinare i difetti macroscopici superficiali; tuttavia è il primo esame che si compie e permette di stabilire quali analisi debbono essere fatte successivamente.
  • Liquidi penetranti: la capacità dei liquidi di penetrare per capillarità all'interno dei difetti superficiali, come cricche e cavità, permette di accedere alle cavità anche sottilissimi eventualmente presenti. E' un metodo efficiente ed economico, che evidenza i problemi di cricche, porosità e ripiegature. Questo tipo di analisi si può dividere in diverse fasi:
    1. Applicazione del liquidi penetrante; 
    2. La parte eccedente del penetrante viene rimossa con un lavaggio di acqua fredda; questa non è in grado di rimuovere il liquido penetrante dai pori, visto che questo ha una più elevata tensione superficiale e bagnabilità; 
    3. Viene steso sopra il bagno uno strato di polvere bianca, chiamata rilevatore, che assorbe l'eventuale liquido contenuto dai pori colorandosi di rosso o con macchie fluorescenti;
  • Magnetoscopia: viene usato il ferromagnetismo, cioè la capacità di concentrare il campo magnetico per evidenziare nei pressi dei difetti anomalie nelle linee dello stesso campo; per evidenziare la presenza del difetto è sufficiente gettare della polvere di ferro. Per generare il campo si usa un elettromagnete, oppure della corrente, abilmente applicata tramite due elettrodi. Risulta un buon metodo per scoprire i difetti superficiali, mentre per quelli interni non risulta essere adatta.
  • Radiografia: i raggi X passano attraverso l'oggetto da esaminare, assorbiti in funzione dello spessore e della densità della materia attraversata. I raggi X che passano vengono impressi su una lastra fotografica posta dietro il giunto da esaminare. Sviluppando la fotografia si notano i difetti: la lastra sarà più annerita in funzione delle radiazioni assorbite. Viene usato questo metodo soprattutto per saldature a completa penetrazione.
  • Ultrasuoni: il metodo utilizzato è quello per riflessioneanche detto ad eco impulsi, basato sul principio della tecnologia radar: una sonda basata sul giunto invia un fascio di onde ultrasoniche che vengono riflesse quando incontrano un'ostacolo, cioè un difetto, ritornando alla stazione di partenza. Il tempo impiegato ci dice la profondità del difetto. Questa tecnologia è quella attualmente in rapida diffusione, difatti ci permette di capire immediatamente i difetti e la loro profondità, è di facile applicazione e può essere eseguita in qualsiasi posizione.


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Saldatura a ultrasuoni

Nella saldatura ad ultrasuoni, ad alta frequenza (da 15 kHz a 40 kHz) la bassa vibrazione d'ampiezza viene utilizzata per creare calore per mezzo di attrito tra i materiali da saldare. Nel 1960 la Ultrasonics Sonobond, ha sviluppato la prima macchina per saldatura ad ultrasuoni ottenendo il brevetto negli Stati Uniti. L'interfaccia delle due parti è appositamente progettata per concentrare l'energia per la resistenza di saldatura massima. La saldatura a ultrasuoni può essere utilizzata su quasi tutte le materie plastiche. È la tecnologia di termosaldatura più veloce disponibile.

Procedimento
Questo procedimento di saldatura si può adottare a diversi tipi di saldature e anche a diversi materiali, anche su materie termoplastiche. I lembi da saldare sono inseriti tra un luogo di forma fissa, detta incudine, e un sonotrodo, cioè un emettitore di onde sonore, un clacson, collegato ad un trasduttore. L'energia creata dalle onde acustiche scioglie il punto su cui è applicata, permettendo la fusione. Questa tecnologia è molto applicata nella fabbricazione delle materie plastiche, mentre nella metallurgia la si usa solo per piccole saldature su metalli dolci e malleabili, come alluminio, rame e nichel. Si dovrebbe esercitare una potenza molto alta nel caso si volesse saldare metalli spessi con questa tecnologia. Nei metalli la saldatura si verifica a causa d'alta pressione provocata dalle onde, con una dispersione di ossidi superficiali ed un movimento del materiale nei lembi. Il riscaldamento provocato dalle onde è insufficiente a fondere i metalli. Viene utilizzata in metallurgia per ottenere saldature di precisione senza residui, come circuiti elettrici e fogli di metallo.
Tutta la strumentazione per la saldatura ad ultrasuoni è composta da:
  • Una pressa che tiene uniti i due materiali; 
  • Il nido o incudine sopra le quali vengono collocate le parti che permette la vibrazione ad alta frequenza; 
  • Una pila ad ultrasuoni, composta da un trasduttore piezoelettrico o un convertitore, composta da:
    • Un convertitore dal segnale elettrico alla vibrazione meccanica; 
    • Un booster che modifica l'ampiezza della vibrazione; 
    • Un sonotrodo che porta le vibrazioni sulle parti da saldare;
  • Un generatore elettronico di ultrasuoni; 
  • Un controller di tutti gli strumenti e dell'energia prodotta.

Problematiche e difetti
La saldatura è molto precisa e non crea grandi difetti. Gli ultrasuoni non generano danni diretti, visto che si opera in onde sub-soniche, tuttavia potrebbero in alcuni casi creare uno stridio, e diventare fastidiose e nocive agli operatori, difatti è prevista una schermatura del bagno di saldatura.

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Saldatura per attrito

La saldatura ad attrito, nella terminologia AWS è FSW acronimo di Friction Stir Welding, è classificabile tra i processi di saldatura allo stato solido. Tecnicamente, non essendoci fusione, non è considerabile come una tipologia di saldatura in senso classico del termine. E' un tipo di saldatura usata spesso con due lembi maschio e femmina, dove uno entrando dentro l'altro tramite l'attrito si riescono ad unire saldandosi. Ad esempio si può verificare tra un bullone un dado. Storicamente abbiamo già il primo brevetto di questa tecnica negli USA sul finire del XIX secolo.

Procedimento
Vista la lavorazione a freddo si può associare ad una tecnica di forgiatura. Questo tipo di saldatura avviene quando una interfaccia si scalda a seguito dell'attrito generato dal movimento del piano di saldatura dovuto all'applicazione di una pressione, dopodiché semplicemente si riscalca senza nessun movimento. A separare la due fasi c'è il momento di arresto, difatti da questo punto in avanti non si genera più calore, e non si genera più il giunto. Il metallo arriva alla fase plastica estrudendo verso l'esterno in funzione della pressione che viene applicata, che deve essere mantenuta secondo un movimento assiale, che viene per l'appunto denominato bruciatura. Durante il processo la temperatura nell'interfaccia aumenta, fino ad arrivare a un valore pressoché costante, solo quando si ci ferma, inizia a raffreddarsi.
Durante questa operazione si ha un elevato consumo di materiale base, che diventa importante per la qualità delle saldature. Durante la saldatura, le impurità e irregolarità presenti sulle superfici o gli ossidi che si formano, vengono espulsi. Anche se non si possono garantire saldature efficienti, c'è da dire che i costi di produzione sono notevolmente ridotti rispetto a qualsiasi altro tipo di saldatura.
In generale questo tipo di saldatura avviene per frizione tra un pezzo tenuto fermo ed un'altro rotante aventi un allineamento assiale. In fabbrica, per quest'operazione vengono richiesti un mandrino che ruoti, attraverso l'uso di strumenti meccanici automatici, come un motore elettrico, e la pressione viene esercitata da un cilindro idraulico. Per garantire giunti di qualità vengono progettati nei minimi dettagli i tempi e gli spostamenti che devono avere, ed assieme a macchinari che monitorano l'attività, si ottiene una buona produzione.
E' possibile usare questa saldatura in maniera lineare, tramite due elementi che vengono pressati l'uno sull'altro. Oltre che una notevole capacità di deformazione, devono resistere a sforzi di taglio.

Problematiche e difetti
Questo tipo di tecnica ha buoni risultati perché avviene senza fusione, riuscendo ad evitare il crearsi di cricche a caldo, in oltre durante le operazioni, si riesce a portare fuori dalla zona di saldatura buona parte della impurità presenti. Questo tipo di saldatura che avviene a freddo, permette di unire materiali anche differenti tra loro per ottenere degli elementi da usare nei diversi campi. Questo tipo di saldatura non richiede generalmente operai specializzati, essendo per definizione molto semplice; non richiede nemmeno macchinari costosi. Tuttavia risulta applicabile in pochi settori.
I metalli che si usano per questo tipo di saldatura sono generalmente dolci, cioè che possono entrare molto nelle zone plastiche. Se si utilizzano metalli fragili è possibile che si abbia una rottura del giunto durante la fabbricazione.

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Saldatura a resistenza

La saldatura a resistenza, nella terminologia AWS è RW, acronimo di Resistance Welding, è un metodo di saldatura per fusione in cui il materiale viene riscaldato grazie alla resistenza elettrica. Si esercita una pressione su un'area limitata di materiale, attraverso un elettrodo metallico che attraversato dalla corrente elettrica crea un effetto Joule; il calore generato nelle varie sezioni sarà proporzionale alla resistenza delle sezioni stesse. La maggior parte del calore si crea tra i due lembi da saldare, portando la fusione del materiale in un'area molto limitata. Gli elettrodi utilizzati sono generalmente in rame, per le migliori caratteristiche elettriche.

Procedimento
La saldatura a resistenza viene realizzata in tre fasi:
  1. Gli elettrodi vengono avvicinati alla superficie dei lembi da saldare e viene esercitata la pressione necessaria per comprimere fra loro le parti;
  2. Viene fatta passare attraverso gli elettrodi la corrente elettrica;
  3. Gli elettrodi vengono allontanati dalle superfici del pezzo, che si uniscono solidificando la parte fusa.

Nel caso di lavorazioni su forti spessori, prima di lanciare la corrente di saldatura viene lanciata una corrente di intensità più bassa per portare il metallo al color rosso, aumentando in questo modo l'uniformità di temperatura del materiale e riducendo la velocità di raffreddamento, evitando la tempra a caldo. Se è necessario si fa un riscaldamento a posteriori per rallentare il raffreddamento, quindi si possono distanziare gli elettrodi.
A differenza della saldatura ad arco si hanno cicli termici più severi, quindi una zona di alterazione dovuta al calore minore.
Si usa questo tipo di tecnologia per saldare a punti, si sovrappongono due lastre; nei due elettrodi allineati sui latiopposti delle lastre viene fatta passare corrente elettrica. Questa corrente permette di arrivare a temperature di fusione in tempi abbastanza veloci. Se invece di utilizzare un elettrodo a punta si utilizzano due ruote posizionate secondo gli stessi principi, è possibile usare questa tecnologia per saldare a cordone.

Problematiche e difetti
Se dopo la saldatura a resistenza i tempi di raffreddamento sono troppo veloci, si possono verificare delle cricche a freddo. Questa tecnologia evita la presenza di scarti, si può utilizzare sia in automazione che dall'operatore.

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Saldatura a fascio elettronico


La saldatura a fascio elettronico, nella terminologia AWS indicata EBW acronimo di Electron Beam Welding, è un processo di saldatura per fusione in cui si applica un fascio di elettroni ad alta velocità sui lembi da unire. L'energia cinetica degli elettroni viene trasformata in calore con l'impatto, e se viene utilizzato il metallo d'apporto, questo fonde passando sotto il fascio. Per migliorare questa tecnologia vengono spesso create le condizioni di vuoto in maniera da non disperdere il fascio di elettroni. Il fisico tedesco Karl-Heinz Steigerwald, sviluppò già nel 1958 la prima saldatrice a fascio di elettroni.

Procedimento
Esistono elettroni che non sono in reticoli cristallini ma si possono muovere nel vuoto, soggetti a campi magnetici ed elettrici, utilizzando questi due si possono trasportare creando dei fasci di elettroni, che quando si vanno a scontrare con reticoli cristallini trasformano l'energia cinetica in calore, andando nello stesso tempo a produrre calore. Questa porta alla fusione del metallo. Usando questo metodo si può riuscire a controllare il riscaldamento e quindi il tipo di saldatura nei minimi dettagli. Le caratteristiche imposte al fascio dipendono dal materiale, difatti la rapidità di calore oltre a provocare la fusione può far evaporare il metallo, che tuttavia risulta spesso limitata e non troppo importante ai fini della buona riuscita della saldatura.
La saldatura a fascio elettronico permette sicuramente una buona penetrazione, cioè gli elettroni che colpiscono il fascio, in parte vengo riflessi e in parte penetrano sotto la superficie dove si scontrano con le particelle del solido. Gli elettroni viaggiano solo poco sotto la superficie prima di trasferire la loro energia cinetica producendo calore. Il loro viaggio all'interno della materia è di solo quale centesimo di millimetro. Il contributo di ogni singolo elettrone è molto piccolo, ma se la tensione è elevata e aumentiamo il loro numero, cioè aumentiamo la corrente, la potenza aumenta di conseguenza, fino ai valori desiderati. La potenza planare arriva a 107 W/m2. Il comportamento del fascio di elettroni dipende molto dal materiale su cui è applicato.
L'attrezzatura per la saldatura a fascio elettronico comprende:
  • Generatore del fascio di elettroni, chiamato cannone elettronico; 
  • Camera di lavoro, dove viene generato il vuoto; 
  • Meccanismo di posizionamento; 
  • Alimentazione, controllo e monitoraggio.


Problematiche e difetti
Esistono dei problemi per questo tipo di saldatura, difatti non tutti i materiali presentano una buona saldabilità. Non si può sicuramente applicare a tutti i non-metalli, ma anche a quelli che presentano un'alta temperatura di fusione, come zinco, cadmio e magnesio. Altre limitazioni nascono dal cambiamento di proprietà, come ad esempio un'elevata velocità di raffreddamento. Si possono verificare delle cricche dovute al raffreddamento repentino su una superficie molto limitata, oppure su un giunto saldato testa-testa si può verificare una flessibilità del giunto. Se si salda un metallo fragile, il giunto potrebbe andare a rottura per fragilità. Questo tipo di saldatura permette di avere un'alta precisione, con poche imperfezioni, viene eseguita completamente in autonomia, arrivando a temperature di circa 2500°C. Il costo di questo tipo di saldatrice è di circa 10'000 € per un modello base, arrivando a 50'000 € per una saldatrice ad alte prestazioni. Esistono tuttavia delle saldatrici dedicate alla medicina, che hanno un costo relativamente più basso.

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Saldatura laser

La saldatura laser, nella AWS l'acronimo è LBW di Laser Beam Welding è una tecnica di saldatura usata per unire multipli pezzi di metallo con l'uso di un laser. Nel 1984 inizia lo studio e nel 1989 parte la produzione e la vendita del laser di saldatura compatto. Il progresso continua costantemente fino ai giorni nostri, con l’introduzione del nuovo laser in fibra da 1 KW. Il raggio fornisce un sorgente concentrata di calore, che consente una saldatura sottile e profonda. Con la brasatura laser un materiale d'apporto, il filo, collega i due lembi da saldare. La superficie del giunto di brasatura è liscia e netta. Forma punti di transizione arrotondati con il pezzo e non richiede quindi nessuna rifinitura. Anche per la saldatura continua con laser a radiazione ininterrotta, la zona d'influenza termica e il riscaldamento complessivo del componente sono inferiori di qualche ordine di grandezza rispetto a quelli della saldatura ad arco o al plasma. Il processo di saldatura mediante l'utilizzo del laser è usato frequentemente in applicazioni ad alto volume, come l'industria automobilistica.

Procedimento
Il laser, è un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente, monocromatica e, con alcune eccezioni, concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato attraverso il processo di emissione stimolata. Inoltre la luminosità (brillanza) delle sorgenti laser è elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali. L'elevatissima brillantezza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli. Funziona in base a tre principi diversi, in tutti e tre i casi, il processo di taglio si innesca e si mantiene grazie all'energia che il raggio laser può concentrare in un punto molto piccolo.

A seconda del tipo di laser, del tipo di materiale e delle potenze in gioco può prevalere l'uno o l'altro meccanismo. I tre meccanismi sono:
Per vaporizzazione: in generale tutti i laser che funzionano ad impulsi, usati per metalli di piccolo spessore, marcatura, incisione. Ogni impulso scalda istantaneamente il materiale, si hanno centinaia o
migliaia di impulsi al secondo, il che fa scaldare il materiale portandolo anche al punto di vaporizzazione. Il materiale intorno alla zona di saldatura si riscalda molto poco.
Per fusione: sono laser ad anidride carbonica ad onda continua di grande potenza, si utilizza per la saldatura ed il taglio di metalli di grande spessore. Il laser viene usato per portare a fusione un piccolo
punto del metallo; il metallo fuso se viene soffiato via si crea un taglio, se invece non viene soffiato rimane per fondersi con i due lembi del bagno di saldatura.
Per combustione: si utilizzano laser ad anidride carbonica a bassa potenza, il raggio scalda fino a far evaporare il vapore contenuta in esso, e poi provoca la combustione del tessuto secco, che viene distrutto. Questo tipo di meccanismo si usa per la metallurgia solo su materiali molto sottili.
Come la saldatura a fascio elettronico, la saldatura laser ha un'alta densità di potenza, dell'ordine 1 MW/cm2, risultante in piccole zone riscaldate con alta velocità di riscaldamento e di raffreddamento. La dimensione del raggio laser può variare tra 0.2 mm e 13 mm; solo le dimensioni più piccole sono usate per la saldatura dei metalli con alta temperatura di fusione. La profondità della penetrazione è proporzionale alla potenza fornita, ma dipende anche dalla posizione del punto focale: la penetrazione è massima quando il punto focale è posto leggermente a distanza dalla superficie del pezzo da saldare. Per permettere la saldatura i due lembi devono toccarsi.

Problematiche e difetti
A causa della scarsità di massa fusa e della brevità di durata della fusione controllabile il laser può saldare parte dei materiali che altrimenti non sarebbero saldabili. Se necessario si usano materiali d'apporto. Questa tecnologia crea bassissimi problemi e difetti del giunto. Tuttavia gli alti costi e l'alta difficoltà che si ha nell'usare questa tecnologia la rende poco appetibile sul mercato generico, il costo base è di 4000 €, ma tuttavia bisogna andare sui 10'000 € per arrivare ad una saldatrice laser di qualità.


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Saldatura ad elettrogas

La saldatura ad elettrogas, ElectroGas Welding nella terminologia AWS, è una tecnologia derivante dalla saldatura ad elettroscoria, dove la funzione di scoria è assegnata ad un gas inerte, difatti spesso si trovano macchinari che possono realizzare entrambe le saldature. Questo tipo di tecnologia nasce nel 1961 in laboratorio, avendo sviluppi notevoli negli anni successivi, ma per motivi soggettivi, il suo uso è andato recentemente scemando. La differenza tra la saldatura ad elettrogas e quella ad elettroscoria è dovuta al calore utilizzato, in questo caso il responsabile è l'arco elettrico: nella saldatura a elettroscoria il calore era provocato dall'effetto Joule, mentre il gas non è un conduttore di calore. Il gas viene liberato in regime laminare e non turbolento come in altri metodi, permettendo la protezione atmosferica del bagno.

Procedimento
Questa tecnica per saldare è utilizzabile quando non si hanno da saldare notevoli spessori, circa sue 30-40 mm. Si opera più velocemente visto che l'arco termico provoca un ciclo termico più robusto, magari con più passate, ma evitando che si vengano a crearsi grani di grosse dimensioni sui lembi, come nel caso dell'elettroscoria. Si può saldare dei lembi rettilinei in verticale e giunti circonferenziali se si opera sull'orizzontale. Per questo tipo di saldatura, i macchinari necessari sono:
  • Generatore di corrente (che deve avere caratteristiche analoghe a quelle di un generatore per saldatura ad arco e filo continuo);
  • Filo e relativo congegno di alimentazione;
  • Dispositivo per l'oscillazione degli elettrodi (fili);
  • Gruppo di controllo dei parametri di saldatura.


Problematiche e difetti
Questo tipo di saldatura è soggetto al problema delle cricche a caldo, esattamente come la saldatura a elettroscoria, è possibile che si formino anche delle strutture di tempra cioè che si creino delle cricche a freddo.
Può succedere che si trovino dei difetti dovuti alla presenza di scorie del materiale d'apporto sul bagno di saldatura, si ovvia a questo problema riducendo la presenza stessa del materiale d'apporto.Visto l'uso del gas, è possibile che si creino delle inclusioni dovute alla sua presenza. Se i parametri di saldatura sono sballati, è possibile che si verifichino dei difetti, come mancanza di penetrazione e incisioni marginali.

Saldature metalliche



Saldatura a elettroscoria

La saldatura a elettroscoria, nella terminologia AWS è ESW acronimo di ElectroSlag Welding, è una tecnologia di saldatura elettrica automatica a filo continuo, in cui la fusione del metallo base avviene sotto la protezione di una scoria fusa. Questa tecnologia fu sviluppata in Unione Sovietica, nell'istituto Paton di Kiev negli anni '50 del XX secolo. La sua diffusione negli stati occidentali è iniziata dal 1958 in Belgio e dal 1959 negli USA. Le caratteristiche di produttività l'hanno messa in concorrenza con la saldatura ad arco sommerso, molto simile. In una normale saldatura la superficie esterna raggiunge i 1650 °C, mentre al centro del bagno si arriva a 1950 °C. Il vantaggio principale di questo tipo di saldatura è il fatto di poter realizzare con una sola passata unioni anche di grossi spessore, arrivando ai 100 mm. A livello economico risulta proporzionata, visto che i costi di temperatura si equilibrano dal fatto che si fa una sola passata.

Procedimento
La saldatura a elettroscoria non trasferisce l'energia dal generatore al bagno di saldatura tramite l'arco elettrico, ma per effetto Joule. Nella saldatura a elettroscoria il filo che porta la corrente è immerso in un bagno di scoria fusa sovrastante al bagno di saldatura, il bagno di scoria è mantenuto caldo dalla corrente che lo attraversa, quindi la scoria deve avere proprietà elettriche tali da garantire una conduttività sufficiente da far passare la corrente di saldatura.
L'apparecchiatura per la saldatura a elettroscoria si compone di: 
  • Generatore di corrente; 
  • Binari di rame e relativo meccanismo di movimentazione; 
  • Filo e relativo congegno di alimentazione; 
  • Dispositivo per l'oscillazione degli elettrodi (fili); 
  • Un eventuale meccanismo per aggiungere scoria nel corso della saldatura; 
  • Gruppo di controllo dei parametri di saldatura;


Questa tecnologia si è sviluppata per saldare lembi rettilinei in verticale ascendente, cioè con l'asse del cordone di saldatura verticale ed il bagno di saldatura che muove dal basso verso l'alto, tuttavia è possibile saldare anche giunti circonferenziali, purché si abbia la precauzione di tenere la parte in corso di saldatura sempre con un angolo superiore a 45°. Per mantenere il bagno e la scoria fusa in posizione si usano due pattini di rame che, chiudendo lateralmente il volume da saldare, formano una specie di recipiente (crogiolo) in cui avvengono tutti i fenomeni legati alla generazione del giunto. Naturalmente i due pattini di rame, a contatto con i materiali fusi, devono essere raffreddati energicamente per evitare la loro fusione. Considerando che anche quantità limitate di rame nell'acciaio provocano un netto deterioramento delle caratteristiche di tenacità, il raffreddamento deve impedire anche la fusione di quantità minime del materiale dei pattini.
Il flusso, cioè le scorie utilizzate, generalmente non presenta attività dal punto di vista metallurgico, dato che, restando sempre fisso sopra il bagno di saldatura, dovrebbe avere una notevole ricchezza in materiali metallurgici per poterne fornire la quantità necessaria per tutta la saldatura. Le caratteristiche del flusso che sono rilevanti in questo tipo di saldatura sono la resistività elettrica, in quanto determina la formazione o meno di archi che possono essere non voluti se eccessiva, ed un riscaldamento limitato del bagno se troppo bassa. La temperatura del flusso deve essere indipendente dalla temperatura del bagno. Alle temperature di fusione del bagno è importante che la viscosità del flusso fuso non sia talmente bassa da permettergli di uscire dai pattini e che non sia eccessiva, nel qual caso si avrebbero inclusioni di scoria nel cordone di saldatura. La temperatura di fusione deve essere inferiore a quella del materiale base ed infine la densità deve essere inferiore a quella del metallo fuso, cioè deve galleggiare sul bagno di metallo. In genere il flusso contiene ossidi basici, di magnesio, calcio, alluminio, silicio, manganese e titanio e soprattutto fluoruro di calcio in quantità dal 15 al 90%.

Il filo d'apporto è generalmente di 2–3 mm di diametro, se è richiesto un diametro maggiore si inseriscono altri fili in parallelo, in alcuni casi è sostituito da un nastro di maggiori dimensioni. Per la saldatura di acciai al carbonio ha basso tenore di carbone ed alto tenore di manganese per disossidare quanto più possibile il bagno. Naturalmente, per quanto detto sopra, se il materiale da saldare contiene elementi di lega, questi devono essere portati nel bagno dal filo.
La saldatura a elettroscoria ha un utilizzo non ottimale dell'energia consumata poiché non ha una concentrazione termica. La dissipazione di calore attraverso le varie superfici, tenute calde dal metallo e dalla scoria fusi in movimento, è molto elevata. Dato che l'energia asportata per conduzione e convezione può raggiungere, ed in alcuni casi superare, il 50% dell'energia immessa nel sistema, si vede che il bilancio termico è estremamente sfavorevole. D'altro canto l'energia consumata per depositare un certo volume di cordone di saldatura è generalmente inferiore a quella richiesta dalla saldatura ad arco, dato che, in questo caso, si ha un forte preriscaldo sia sul filo sia sul lembo, a parità di densità di corrente si ha una velocità di fusione del filo superiore di circa il 70% per il procedimento a elettroscoria nei confronti di quello ad arco sommerso. Questo fatto porta inoltre a cicli termici molto più blandi di quelli delle saldature ad arco, con velocità di raffreddamento di 1-5 °C per acciaio al carbonio su 100 mm di spessore alla temperatura di 800 °C, quindi è molto improbabile la formazione di strutture martensitiche e la criccabilità a freddo è molto bassa.


Problematiche e difetti
La permanenza per lunghi periodi ad alta temperatura porta ad avere strutture a grana piuttosto grossa ed alla formazione di strutture dendritiche nel cordone di saldatura. Un difetto facilmente riscontrabile sono le cricche a caldo, che possono nascere in una zona fusa per problemi dovuti al profilo del bagno di saldatura non adeguato, sia dovuto alla presenza di impurità oppure di eccessivo tenore di carbonio nel metallo base. La scoria è differente dal flusso del filo continuo, difatti questa non partecipa all'aumento delle prestazioni atmosferiche, ma aiuto solo a favorire il buon comportamento dell'arco. E' anche possibile che gli elementi della scoria rimangano imprigionati nel bagno. Si può riscontrare anche mancanza di penetrazione e incisioni marginali, dovute all'impostazione dei parametri di saldatura sbagliata. La velocità di raffreddamento è molto lenta, il che evita il formarsi di cricche a freddo.




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