Guida alla saldatura dei metalli

La saldatura e la brasatura sono procedimenti mediante i quali si realizza un’unione permanente, ottenendo la continuità dei materiali che vengono uniti.

Saldatura vs Brasatura

Per effettuare una saldatura, viene provocata la fusione localizzata dei lembi dei pezzi da giuntare, con o senza l’aggiunta di materiale d’apporto.
Si parla di brasatura e di saldobrasatura quando il materiale base non viene fuso ma solo riscaldato e il processo di unione dei materiali viene realizzato per fusione del solo materiale d’apporto, avente temperatura di fusione inferiore a quella del materiale base.

Cosa si può saldare?

Un materiale si considera saldabile, con un procedimento e per un dato tipo di applicazione, quando si presta alla realizzazione di una struttura in cui sia assicurata la continuità e che presenti caratteristiche che soddisfino i requisiti di qualità richiesti.

Fattori da tenere in considerazione per la saldatura

Materiali

Il processo di saldatura coinvolge uno o più tipi di materiali, che assolvono principalmente a due ruoli:

• Materiale base, è il materiale che costituisce i pezzi da saldare; può essere lo stesso per entrambi i pezzi (saldatura omogenea), o diverso (eterogenea). I materiali metallici che vengono più tradizionalmente uniti sono l’acciaio, le leghe d’Alluminio, le leghe di Nichel e le leghe di Titanio. I soli materiali polimerici che possono essere saldati sono quelli termoplastici.
• Materiale d’apporto, è il materiale che viene introdotto sotto forma di bacchette, fili o nastri e depositato allo stato fuso tra i lembi da unire. I materiali d’apporto sono sempre particolarmente puri, quindi le impurezze all’interno della zona fusa di un giunto provengono generalmente dal materiale base. Non per tutti i procedimenti ne è richiesto l’utilizzo.

Parametri

La gestione dei vari processi di saldatura e brasatura si basa sulla scelta di parametri specifici per ogni tipologia di processo. A livello generale, nella maggior parte dei processi è possibile individuare principalmente due parametri caratteristici:

• potenza specifica, che rappresenta la potenza termica erogata per unità di superficie di materiale base, misurata in W/cm²;
• velocità di saldatura, che rappresenta la velocità della sorgente termica, misurata in cm/min.

Pericoli per l’operatore

La saldatura e la brasatura sono operazioni che possono compromettere la salute degli operatori, che quindi si devono dotare di opportuni dispositivi di sicurezza. Tutti i processi, essendo legati alla fusione del materiale, prevedono la presenza di calore e temperature locali molto elevate, che necessitano l’utilizzo di indumenti (giacche, grembiuli, guanti e berretti) resistenti al calore.
La maggior parte dei processi utilizza l’energia elettrica, come fonte di energia termica, fatto che implica la presenza di campi magnetici e correnti elettriche di elevata intensità.
Alcuni processi hanno ulteriori rischi specifici: ad esempio, la saldatura ad arco emette radiazioni elettromagnetiche (UV, IR e visibili) che possono essere molto nocive per l’occhio umano. Gli operatori devono pertanto indossare una maschera oscurata, che agisce da filtro per la radiazione. Altri rischi nelle operazioni di saldatura e brasatura riguardano lo sviluppo di polveri, fumi e vapori metallici, motivo per il quale è obbligatorio l’impiego di un opportuno sistema di ventilazione in prossimità della zona dove si esegue la giunzione.

Tipologie di saldatura

I processi di saldatura costituiscono un universo piuttosto ampio e diversificato, che nel tempo si è adattato allo sviluppo dei materiali e delle tecnologie produttive.
A livello macroscopico, possiamo dire che i processi che sono stati maggiormente sviluppati in ambito industriale appartengono al gruppo della saldatura per fusione.
Tali processi utilizzano calore, generato in vari modi, per fondere il materiale base. I processi più comunemente utilizzati si possono classificare nei seguenti sotto gruppi:

Ad arco elettrico.

La saldatura ad arco si riferisce ad un gruppo di processi che sfrutta l’arco elettrico generato tra due elettrodi.

L’arco può essere ottenuto utilizzando:

1. un elettrodo fusibile
2. un elettrodo refrattario, ossia non fusibile

Nel primo caso l’elettrodo, fondendo, fornisce il metallo d’apporto; quando, invece, si utilizzano elettrodi non fusibili alla temperatura dell’arco, il materiale d’apporto (se necessario) viene fornito a parte, utilizzando delle bacchette o del filo. Elemento fondamentale per ottenere un arco elettrico è la corrente. È possibile alimentare l’arco sia con corrente continua (CC) sia con corrente alternata (CA); la scelta dipende dal tipo di processo adottato e dal materiale che si vuole saldare.

Le principali tipologie di saldatura ad arco elettrico sono:

• manuale ad elettrodo rivestito (MMA)
• ad arco sommerso (SAW)
• a filo continuo sotto protezione gassosa (MIG/MAG)
• sotto protezione gassosa e con elettrodo infusibile (TIG)

A resistenza.

Si tratta di un procedimento di giunzione senza metallo d’apporto, nel quale il calore necessario per portare a fusione i lembi da saldare è fornito dalla resistenza opposta al passaggio di una corrente elettrica attraverso la zona da unire.

Ossiacetilenica.

La saldatura ossiacetilenica è un procedimento che utilizza, come sorgente di calore, la fiamma risultante dalla combustione dell’acetilene (C₂H₂) con l’ossigeno (O₂).

Ad energia concentrata

Appartengono a questo gruppo i procedimenti che utilizzano fasci di energia che riescono a concentrare sul pezzo potenze molto elevate, variabili da alcune migliaia a vari milioni di watt per millimetro quadrato di superficie. Fanno parte di questo sotto-gruppo le saldature:

• Laser (LBW)
• a fascio elettrico (EBW)
• al plasma (PAW).

Tecniche di saldatura

Il processo di saldatura può essere manuale, semiautomatico, automatico o robotizzato, a seconda dell’apparecchiatura e del modo di esecuzione.

Manuale

Nel processo manuale, il saldatore regola manualmente l’apparecchiatura e movimenta l’elettrodo o la sorgente di calore (saldatura ad elettrodo rivestito e ossiacetilenica); nel processo automatico, viceversa, un dispositivo provvede ad alimentare l’elettrodo oppure la sorgente generatrice del fascio, a mantenerlo a distanza opportuna dal pezzo e a spostarlo lungo la linea di saldatura (saldatura ad arco sommerso, ad arco elettrico sotto protezione gassosa MIG/MAG e TIG, ad energia concentrata).

Semiautomatica

Il processo semiautomatico costituisce una via di mezzo tra i due precedenti: un dispositivo provvede ad alimentare il filo elettrodo o ad erogare la corrente mantenendo costanti gli altri parametri, mentre l’operatore ha il compito di spostare l’elettrodo lungo la linea di saldatura (processi ad arco elettrico sotto protezione gassosa MIG/MAG e TIG).

Robotizzata

Se l’operazione è eseguita mediante l’utilizzo di un robot industriale o un manipolatore programmabile, si definisce saldatura robotizzata. Viene impiegata prevalentemente per la saldatura ad arco elettrico sotto protezione gassosa MIG/MAG e TIG e per la saldatura Laser, ma anche negli impianti di assemblaggio finale delle automobili per l’unione a resistenza delle carrozzerie.

I controlli di qualità

Per verificare la qualità dei giunti saldati, esistono diverse metodologie. Nel corso degli anni, sono state sviluppate delle procedure standardizzate che prevedono l’impiego di Controlli Non Distruttivi (CND) e prove distruttive.
Il primo metodo per il controllo di un giunto è senz’altro l’ispezione visiva, mediante la quale è possibile verificare la conformità alle specifiche geometriche del progetto, le distorsioni e l’eventuale presenza di difetti evidenti quali cricche, porosità, fusioni incomplete e altri difetti visibili.
Altri metodi di ispezione non invasivi per il giunto, che può quindi cominciare o continuare ad essere esercito, sono i Controlli Non Distruttivi. Tali controlli possono evidenziare difetti affioranti in superficie o presenti appena sotto la superficie, attraverso controlli superficiali (Liquidi Penetranti oppure Controllo Magnetoscopico), oppure difetti interni al pezzo, attraverso controlli volumetrici (controllo radiografico oppure ultrasonoro).
Le prove distruttive, al contrario, prevedono la distruzione della giunzione e necessitano quindi la realizzazione di appositi campioni di prova. Lo scopo è principalmente quello di valutare le caratteristiche meccaniche (prove di trazione, di piega e di resilienza) oppure metallurgiche (macrografie o micrografie) del giunto.

Applicazioni della saldatura

Le principali applicazioni riguardano la costruzione di strutture di carpenteria, più o meno complesse, e la realizzazione di recipienti in pressione (caldareria). Le applicazioni in cui sono presenti giunzioni saldate sono estremamente diversificate: si spazia dall’ambito dei trasporti (veicoli terrestri, marittimi ed aerei) a quello delle strutture (ponti, capannoni, ecc.) fino ad arrivare alla componentistica.
La grande varietà di processi e tecniche utilizzabili rende la saldatura una tecnologia applicabile sia in fabbrica, molto spesso utilizzando degli impianti fissi, sia in cantiere, dove si sfrutta la facilità di movimentazione delle apparecchiature, caratteristica tipica di alcuni dei processi ad arco elettrico.