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.




Saldature metalliche