Saldatura GTAW

Il processo di saldatura GTAW5 _{fa parte dei metodi di saldatura ad arco elettrico in atmosfera inerte,}

esso viene anche chiamato TIG (Tungsten Inert Gas). L’arco elettrico scocca fra il metallo base e un elettrodo di tungsteno o una sua lega, il quale non prende parte al processo di fusione a causa della sua elevata temperatura di fusione. Il metallo d’apporto, presente se lo spessore delle parti da saldare è superiore a 1 mm, viene immesso nella zona dell’arco elettrico sotto forma di bacchette se si opera manualmente, sotto forma di filo se si opera con sistema automatico. Tutta la zona di saldatura comprendente l’arco, l’elettrodo, il metallo base fuso e il metallo d’apporto si trova immersa in un ambiente inerte, costituito da gas argon, o elio o miscugli dei due: questo fatto impedisce l’ossidazione del giunto saldato da parte dell’atmosfera e permette così la saldatura anche di materiali molto reattivi. La Figura 17 mostra l’attrezzatura necessaria per questo procedimento. L’elettrodo di tungsteno è contenuto dentro una pistola portaelettrodo e sporge nella parte centrale di un ugello dal quale fuoriesce il gas protettivo.

Figura 17: Attrezzatura per saldatura TIG

La pistola è collegata alla macchina elettrica (che può essere continua o alternata) con una guaina contenente il cavo elettrico di collegamento dell’elettrodo, il tubo di adduzione del gas protettivo proveniente da una bombola e anche i tubi per la circolazione del liquido di raffreddamento.

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L’arco elettrico è prodotto dal passaggio di corrente elettrica attraverso il gas ionizzato: ne risulta che l’arco è attraversato da ioni positivi che si muovono verso il polo negativo e da elettroni che si muovono in senso opposto. Se l’elettrodo corrisponde al polo negativo (polarità diretta), il bombardamento ionico dell’elettrodo ne aumenta la temperatura e contribuisce all’emissione di elettrodi con tensioni e correnti d’arco particolarmente basse, vantaggio nella saldatura di spessori sottili. Il modo migliore per accendere l’arco è quello che prevede l’impiego di una scintilla pilota, provocata da una elevata tensione e frequenza, che scocca tra elettrodo e pezzo quando essi si trovano a distanza ravvicinata. La scintilla provoca la ionizzazione del gas protettivo e l’accensione dell’arco. Tale alta tensione viene eliminata automaticamente alcuni secondi dopo l’accensione dell’arco, se si salda in corrente continua, mentre viene mantenuta sovrapposta alla corrente di saldatura nel caso di corrente alternata, in modo da stabilizzare l’arco, vedasi paragrafo 3.2.2. Durante lo spegnimento la corrente di saldatura diminuisce gradualmente fino al collasso dell’arco, mentre il gas inerte continua a fuoriuscire anche per qualche secondo dopo fino alla completa solidificazione del giunto. Il materiale dell’elettrodo come anticipato può essere tungsteno o sua lega, in particolare: tungsteno puro, tungsteno con zirconio o tungsteno con torio.

 Tungsteno puro al 99,5%, il più economico. Utilizzato per saldature non critiche, a causa della bassa densità di corrente sopportabile e della sensibilità alla contaminazione da parte degli spruzzi di metallo fuso.

 Tungsteno con torio al 1-2%. Presenta una maggiore emissività a parità di temperatura, quindi può saldare con correnti più basse, maggiore durata e resistenza alla contaminazione, l’arco è stabile e facilmente innescabile.

 Tungsteno con zirconio 0,15-0,4%. Caratteristiche intermedie fra i due, preferibili in corrente alternata.

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3.2.2 Alimentazione Elettrica

La scelta fra corrente continua e alternata dipende dal tipo di materiale da saldare, la Tabella 1 fornisce alcune indicazioni su questo argomento.

Materiale Corrente Polarità

Acciai dolci CC Diretta

Acciai inox CC o CA Diretta

Leghe di alluminio CA

Leghe di magnesio CA

Leghe di nickel CC Diretta

Ottone CA

Rame CC Diretta

Tabella 1: Corrente per materiale da saldare

3.2.2.1 Corrente continua in polarità diretta

Il flusso di elettroni è diretto verso il metallo base, il bilancio termico dell’arco comporta circa il 70% del calore sviluppato sul metallo base. L’arco è ben concentrato e la penetrazione raggiunge il massimo valore. Dato che l’elettrodo non è sottoposto a elevati aumenti di temperatura, si possono avere valori di densità di corrente sopportabili pari a circa 60 A/mm2.

3.2.2.2 Corrente continua in polarità inversa

In questo caso il flusso di elettroni è verso l’elettrodo il quale raccoglie circa il 70% del calore emesso: segue un suo elevato riscaldamento che costringe a usare elettrodi di grosso diametro per dissipare meglio il calore e pone limitazioni alla massima densità di corrente ottenibile (5 A/mm2) e alla penetrazione. In aggiunta l’emissione di elettroni da parte del metallo base crea un arco poco concentrato. L’unico vantaggio di questo tipo di alimentazione è la distribuzione dello strato di ossidi che si formano per saldature di leghe di magnesio e alluminio grazie al bombardamento degli ioni positivi. Comunque questo tipo di alimentazione viene usata raramente.

3.2.2.3 Corrente alternata

Situazione intermedia tra le due precedenti. Il bilancio termico dell’arco comporta il 50% di calore sull’elettrodo e il 50% circa sul metallo base. La penetrazione e la concentrazione dell'arco, così come la massima densità di corrente sopportabile dall’elettrodo (circa 30 A/mm2_{), sono intermedie.}

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La distribuzione dello strato di ossido si ha nel semiciclo in cui l’elettrodo è positivo. La corrente alternata presenta dei problemi di instabilità dell’arco, poiché il tungsteno e il metallo base hanno potere emissivo diverso e ciò comporta una corrente alternata sbilanciata tra un semiciclo e l’altro, con gravi conseguenze sulla stabilità dell’arco. Le condizioni migliorano se si sovrappone alla corrente di saldatura una corrente con bassa intensità ma con elevate tensione e frequenza, ovvero quella utilizzata per generare la scintilla pilota per l’accensione dell’arco.

3.2.3 Prestazioni e campi di applicazione

La saldatura TIG è un metodo molto efficacie che permette di ottenere saldature di elevata qualità su quasi tutti i materiali metallici, fatta eccezione quelli con bassa temperatura di fusione. Precisamente è molto adatta per leghe di alluminio, magnesio e materiali attivi quali titanio e zirconio. Particolarmente adatta per spessori sottili, visto che la forte emissività dell’elettrodo di tungsteno permette di mantenere archi stabili con correnti basse. Non è un sistema economicamente conveniente per spessori medi e grossi, infatti il processo TIG è una saldatura costosa, sia per il costo di macchine e attrezzature, sia per quello dell’elettrodo di tungsteno e, soprattutto, per quello dei gas utilizzati (argon o elio). Per questo motivo il metodo TIG viene generalmente riservato a materiali più pregiati e/o agli spessori più sottili. Inoltre, è possibile che il tungsteno dell’elettrodo contamini il metallo base, formando delle inclusioni dure e fragili.

3.2.4 Applicazioni Specifiche: Cladding

Il Cladding (o Placcatura) è un’operazione che consiste nel riportare del materiale sulla superficie di un componente attraverso un processo di saldatura. Riferendosi agli Spools, questo metodo viene attuato con delle saldatrici TIG automatiche, il cui materiale d’apporto corrisponde all’ overlay material. È un processo altamente automatizzato e monitorato con software.

In generale, le proprietà meccaniche e metallurgiche dei pezzi placcati sono determinate essenzialmente da tre fattori:

1. Diluizione;

2. Natura del metallo d’apporto; 3. Qualità del deposito.

Il compito del software è di rispettare i parametri di saldatura specificati durante l’operazione di placcatura, ad esempio i movimenti di torcia e pezzo, l’intensità di corrente di saldatura e la velocità di avanzamento del filo, solo per citarne alcuni.

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Le macchine saldatrici per i pipes sono dei torni orizzontali: un autocentrante trasmette il moto di rotazione del tubo, all’interno del quale trasla una torcia TIG; in Figura 18 si riporta una foto di una macchina orizzontale per la placcatura di tubi.

Figura 18: Tornio orizzontale per claddatura spools.

Anche la claddatura interna delle flange e degli hubs viene attuata con i torni orizzontali, mentre per quanto riguarda la cava del ring joint e le superfici di accoppiamento si utilizza un tornio verticale. In quest’ultima macchina il pezzo resta fermo e la torcia compie un moto elicoidale.

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