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Materiali d`alluminio. Lavorazione tramite la tecnica di
3 Informazione sul prodotto e sull’applicazione Materiali d’alluminio. Lavorazione tramite la tecnica di saldatura. 2 Materiali d’alluminio L’alluminio. Una combinazione interessante di proprietà rende questo metallo un materiale ricercato. Proprietà fisiche e chimiche dell’alluminio Negli ultimi 60 anni le leghe d’alluminio hanno acquisito un posto fisso in molti settori della tecnica e, dopo gli acciai, occupano il 2º posto fra i metalli più usati. Un’applicazione diffusa riguarda il settore dei trasporti, seguito dal settore delle costruzioni e dell’ingegneria meccanica. Anche nell’industria degli imballaggi l’alluminio rappresenta ormai da anni un materiale molto utilizzato. Le ragioni del successo economico e tecnologico dell’alluminio sono frutto di un’interessante combinazione di proprietà caratteristiche, fra cui vanno segnalate in particolare: 3 l’elevata conducibilità elettrica e 3 la bassa densità 3 l’alta duttilità anche alle basse 3 termica 3 la resistenza chimica 3 temperature 3 l’innocuità dal punto di vista igienico Anche altre proprietà, quali l’assenza di scintille, la neutralità magnetica e l’incombustibilità sono in molti casi determinanti per l’uso di questo metallo. Occorre distinguere fra alluminio purissimo, alluminio puro e leghe d’alluminio, prevalentemente con manganese, magnesio, silicio, rame e zinco, con il principale obiettivo d’aumentare la resistenza meccanica. Accanto alle leghe di due metalli si utilizzano spesso leghe ternarie o con più metalli. L’aumento della resistenza meccanica viene ottenuto non solo tramite rafforzamento per soluzione solida, ma anche tramite incrudimento a freddo attraverso la formatura o l’indurimento. Tra le leghe d’alluminio si distingue fra quelle naturalmente dure e quelle temprabili. Un altro criterio di distinzione è il tipo di lavorazione con una differenziazione fra leghe di fusione e leghe da lavorazione plastica. La Tabella 1 riporta alcune importanti proprietà fisiche dell’alluminio puro a confronto con il ferro puro. Sono particolarmente significativi la densità sensibilmente inferiore, il basso punto di fusione, ma anche l’elevato calore di fusione e soprattutto l’elevato punto di fusione dell’ossido d’alluminio. L’alluminio non presenta colori d’incandescenza nel punto di fusione. Insieme al coefficiente di dilatazione più elevato e alla buona conducibilitò termica, queste caratteristiche rendono la saldatura delle leghe d’alluminio molto più difficile di quella dell’acciaio. A temperatura ambiente l’alluminio si presenta con un reticolo cristallino cubico a facce centrate e non presenta cambiamenti di stato, per cui non possono formarsi strutture da tempra quali martensiti. L’alluminio non è soggetto a infragilimento a freddo. Tabella 1: Confronto alluminio – acciaio Proprietà Massa atomica Densità Modulo di elasticità Coefficiente di dilatazione Calore di fusione Limite d’elasticità Resistenza alla trazione Ossidi Punto di fusione degli ossidi Punto di fusione del metallo puro Unità di misura g/mol g/cm3 N/mm2 1/SDgrK kJ/kg N/mm2 N/mm2 °C °C Alluminio 26,98 2,70 71 × 103 24 × 10–6 396 circa 10 circa 50 Al2O3 2046 658 Ferro 55,84 7,87 210 × 103 12 × 10–6 270 circa 100 circa 200 FeO, Fe2O3, Fe3O4 1400, 1455, 1600 1536 Materiali d’alluminio 3 Alluminio: Un materiale versatile Unificazione delle leghe d’alluminio Gruppi di leghe Il nome e l’attribuzione dei codici del materiale delle leghe d’alluminio sono definiti nella EN 573-1 secondo il sistema di nomenclatura dell’Aluminium Association di Washington; i dettagli relativi alle analisi chimiche sono riportate nella EN 573-3. Leghe solidificate a freddo Le leghe d’alluminio non temprabili vengono portate ad un livello di resistenza meccanica superiore tramite processi di formatura quali la lastratura o la trafilatura a freddo. Questo gruppo comprende ad esempio le tipologie d’alluminio puro Al 99.5 e Al 99.0 e le tipologie AlMn1, AlMg1, AlMg2.5, AlMg3, AlMg2.7Mn, AlMg4Mn e AlMg4.5Mn. I gruppi di leghe sono classificate nel seguente modo: Serie 1000Alluminio min. 99,00 % Serie 2000Principale elemento della lega rame Serie 3000Principale elemento della lega manganese Serie 4000Principale elemento della lega silicio Serie 5000Principale elemento della lega magnesio Serie 6000Principali elementi della lega Mg + Si Serie 7000Principale elemento della lega zinco Serie 8000altri elementi della lega Serie 9000non utilizzata La nomenclatura prevede l’uso del codice del materiale (esempio: ENAW-5082) oppure dei simboli chimici, p. es.: EN AW-AlMg4.5Mn0.7. In quest’ultimo caso i tenori medi dei principali elementi della lega vengono indicati in percentuale. Possono essere presenti anche altri elementi della lega non indicati nella nomenclatura. Come per tutti i metalli il cui aumento della resistenza meccanica è frutto della solidificazione a freddo, un aumento della temperatura di queste leghe può condurre ad un calo irreversibile della resistenza alla trazione, a meno che non sia seguito da un’ulteriore deformazione a freddo. La perdita della resistenza è dovuta all ricupero cristallino o alla ricristallizzazione. Nella zona del giunto saldato e nella zona termicamente alterata le saldature avranno quindi un livello di resistenza meccanica analogo a quello della condizione di ricottura. In alcune leghe il livello di ricristallizzazione viene aumentato con il manganese in modo tale da evitare almeno l’effetto di ricottura dovuto alla saldatura. 4 Materiali d’alluminio (N/mm2) RP02 Rm 300 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 Contenuto di magnesio (%) Grafico 1: effetto del magnesio sulle proprietà meccaniche Metalli a base d’alluminio con aumento della resistenza meccanica tramite le leghe Con queste leghe d’alluminio si punta ad aumentare la resistenza meccanica tramite l’aggiunta mirata d’elementi di lega (Grafico 1). Gli elementi di lega di questo tipo sono: rame, silicio, magnesio, zinco e manganese. E’ipotizzabile anche l’aggiunta di piccole quantità di berillio, boro, sodio e stronzio. Nella maggior parte dei casi non si tratta di leghe binarie, ma di leghe ternarie o ancor più complesse. Un altro fattore determinante, a parte il tenore vero e proprio della lega, è la presenza degli additivi sotto forma di soluzione cristallina, di cristalli non solubilizzati o di composti intermetallici all’interno del reticolo. Leghe indurenti La resistenza meccanica d’alcune leghe d’alluminio idonee può essere sensibilmente migliorata con uno speciale trattamento termico chiamato indurimento. Questo processo richiede alcuni importanti presupposti metallurgici: La soluzione solida d’alluminio deve avere una solubilità dell’elemento della lega che diminuisce con la temperatura. Ciò vale ad esempio per il rame che, a temperatura ambiente, è solubile solo per lo 0,3 % circa, mentre a 500 °C può andare in soluzione per più del 4 %. Durante il raffreddamento, infine, non devono nascere delle fasi d’equilibrio, ma la soluzione solida omogenea deve essere raffreddabile in condizioni di sovrasaturazione. Il terzo presupposto è che, a temperatura ambiente o a temperature leggermente superiori, la soluzione solida sovrasatura si disaggrega e le fasi così formate comportano un aumento della resistenza meccanica. In pratica vengono eseguite tre fasi operative composte da: solubilizzazione a circa 500 – 570 °C, tempra – ad esempio con acqua – e stoccaggio a temperatura ambiente o a temperature comprese tra 120 e 160 °C. Fra le leghe indurenti sono particolarmente diffuse soprattutte quelle d’alluminio-magnesio-silicio e d’alluminio-zinco-magnesio. La velocità di raffreddamento delle leghe AlMgSi dopo la saldatura non è sufficientemente elevata a formare una soluzione solida sovrasatura, per cui la fase di stoccaggio non provoca alcuna compensazione della perdita di resistenza meccanica nella zona termicamente alterata. Anche le leghe di AlZnMg perdono parte della loro resistenza meccanica con la saldatura. La soluzione solida generata in queste leghe presenta una temperatura di solubilizzazione minore e richiede una velocità di raffreddamento minore per sopprimere le fasi di separazione. La saldatura di questi metalli produce lo stesso effetto pratico di un’ulteriore solubilizzazione e la buona conducibilità termica genera una sufficiente tempra. Lo stoccaggio a freddo richiede alcuni giorni o settimane; una volta trascorso questo tempo, lo stato indurito viene raggiunto anche nella zona della saldatura. Materiali d’alluminio 5 Saldatura MIG con cannello push-pull Caratteristiche del metallo A causa delle particolari caratteristiche fisiche dell’alluminio, la saldatura delle leghe d’alluminio è considerata molto più difficile della saldatura delle leghe d’acciaio. Le principali peculiarità sono descritte qui di seguito. Strato d’ossido con punto di fusione elevato Nella composizione Al2O3, l’alluminio genera uno strato d’ossido naturale con uno spessore di circa 0,01 μm che assicura la resistenza alla corrosione e che presenta un punto di fusione di circa 2050 °C, molto più elevato cioè di quello del metallo. Il suo peso specifico è più elevato di quello del metallo puro; per questa ragione gli ossidi affon-dano nel bagno di fusione. Lo strato d’ossido funge da isolatore elettrico e deve essere eliminato prima di procedere con la saldatura. Per questa ragione, nella saldatura autogena o brasatura si utilizzano appositi fondenti che trasformano l’ossido in una scoria dal basso peso specifico e dall’elevata viscosità, che protegge la zona della saldatura e ferma ogni ulteriore ossidazione. Lo stratto d’ossido può essere eliminato anche con tecniche quali la spazzolatura, la levigatura, la fresatura o il decapaggio. Nelle tecniche ad arco con l’elettrodo a polarità positiva, all’interno dell’arco gli ioni positivi vengono accelerati in direzione del pezzo, carico negativamente. In questo modo lo strato d’Al2O3 di recente formazione viene spezzato. Il gas di protezione inerte impedisce la formazione di nuovi ossidi e garantisce una saldatura tecnicamente ineccepibile. Un’altra teoria riconduce la distruzione dello strato d’ossido alla fuoriuscita d’elettroni. In ogni caso è indispensabile preparare con cura i lembi in modo tale che gli ossidi in fase d’affondamento possano essere completamente dilavati dalla superficie frontale sul lato inferiore del giunto saldato: per questa ragione il bordo inferiore del giunto deve essere in ogni caso spezzato. 6 6 Materiali d’alluminio Saldatura TIG/WIG a corrente continua con elettrodo a polarità negativa Buona conducibilità termica La conducibilità termica varia da circa 230 Wm –1K–1 dell’alluminio puro fino a valori di 115 – 155 Wm –1K–1 delle leghe. Questa caratteristica rende indispensabile un’apporto di calore elevato e concentrato durante il processo di saldatura. Un’altra conseguenza è l’elevata velocità di raffreddamento che favorisce la formazione di pori e l’inclusione di bolle di gas, a causa dell’alta velocità di solidificazione. Elevato calore di fusione A causa dell’elevata entalpia di fusione rispetto al punto di fusione, la tecnica di saldatura adottata deve predisporre un’energia termica relativamente elevata. Il raggiungimento della temperatura di fusione non è, peraltro, segnalato dai colori d’incandescenza. Coefficiente di dilatazione termica elevato Il coefficiente di dilatazione termica dell’alluminio di circa 20 × 106 K–1, é all’incirca doppio rispetto a quello dell’acciaio, conduce a maggiori ritiri in fase di raffreddamento e rende necessari accorgimenti particolari contro le deformazioni e le criccature da ritiro. Tabella 2: Caratteristiche di diverse leghe d’alluminio Lega Al99.0 ... 99.98 AlMn0.2 ... AlMn1 AlMg1 ... AlMg5 AlMgMn Esempio: AlMg4.5Mn0.7 AlMgSi, AlSiMg AlCuMg AlZnMg Esempio: AlZn4.5Mg1 AlSi5 ... AlSi12 Proprietà scarsa resistenza meccanica, buona deformabilità, ottima resistenza chimica resistenza meccanica media, buona resilienza, buona resistenza chimica aumento della resistenza meccanica con l’aumentare del tenore di Mg, buona resistenza chimica la resistenza a caldo migliora con il manganese indurente a caldo e a freddo, buona deformabilità, maggiore resistenza meccanica indurente, resistenza meccanica elevata, media resistenza chimica indurente, resistenza meccanica elevata, soprattutto nelle leghe con il rame la lega con il silicio aumenta le proprietà reologiche e le caratteristiche di fusione, soprattutto con un tenore di silicio superiore al 7 % Impiego elettrotecnica, placcaggio costruzione d’apparecchi, industria automobilistica, industria alimentare edilizia, costruzione d’apparecchi, ingegneria meccanica, industria dei mobili costruzione d’apparecchi, meccanica, industria automobilistica, cantieristica navale edilizia, elettrotecnica, qualità eloxal ingegneria meccanica e impiantistica, industria alimentare componenti ad alta resistenza meccanica per la saldatura industria automobilistica getti, edilizia, qualità eloxal Materiali d’alluminio 7 La saldatura delle leghe d’alluminio. L’alluminio è un materiale dalle caratteristiche particolari. Considerando queste caratteristiche, la saldatura dell’alluminio non presenta alcun mistero. Saldabilità dell’alluminio Qui di seguito si riportano le caratteristiche specifiche d’alcuni gruppi di leghe; il quadro riassuntivo è riportato nella Tabella 2 e nella Tabella 3. Alluminio puro e leghe d’alluminio-manganese L’alluminio puro è caratterizzato da una buona saldabilità benché, a confronto con le leghe d’alluminio, sia maggiore la tendenza alla formazione di pori. L’elevata conducibilità termica richiede un forte apporto di calore e, se gli spessori sono maggiori, un preriscaldo prima della saldatura. Le temperature e i tempi di preriscaldo tipici sono riportati nella Tabella 5 a pagina 10. Leghe d’alluminio-magnesio e alluminio-silicio La composizione di queste leghe risulta decisiva per la sensibilità alle criccature; con l’1,2 % di magnesio le leghe AlMg e con circa lo 0,75 % di silicio quelle AlSi presentano un picco di sensibilità alle criccature a caldo (Grafico 2, pag. 8). Vale la seguente regola empirica: I metalli d’apporto ad alto tenore di lega devono essere prevalentemente saldati evitando le criccature. Per questa ragione il metallo d’apporto va in ogni caso scelto con un tenore di lega superiore, e cioè con il 2 % di silicio e il 3,5 % di magnesio. Un ulteriore miglioramento della saldabilità è ottenibile con manganese o cromo; per questa ragione la saldabilità dello AlMg4.5Mn è migliore di quella di tutte le tipologie di AlMg, Se in presenza di due materiali diversi uno dei due è una lega al magnesio, il metallo d’apporto va scelto in funzione di quest’ultima. Leghe d’alluminio-magnesio-silicio A seconda della composizione, questo gruppo di leghe presenta in linea di principio il rischio di criccature; per questa ragione non si utilizza un metallo d’apporto dello stesso tipo, ma si salda con SG-AlSi5 secondo la DIN 1732. Se dopo la saldatura il pezzo deve essere anodizzato, il metallo d’apporto da utilizzare è lo SG-AlMg3. Per ottenere caratteristiche meccaniche superiori va utilizzato il metallo d’apporto SG-AlMg4.5Mn. Tabella 3: Saldabilità di diverse leghe d’alluminio Lega Al99.0 ... 99.98 AlMn0.2 ... AlMn1 AlMg1 ... AlMg5 AlMg4.5Mn AlMgSi, AlSiMg, AlSiMgMn AlCuMg AlZnMg Esempio: AlZn4.5Mg1 AlSi5 ... AlSi12 Saldabilità buona ottima buona ottima buona tendenza alle criccature a caldo solo lega AlZn4.5Mg1 buona Metallo di apporto SG-Al99.5, SG-Al99.5Ti, SG-Al99.8 SG-AlMn, SG-AlMg3 ... 5 SG-AlMg3, SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn SG-AlMg3 ... 5, SG-AlSi5 con un tenore di rame inferiore al 1 % buona Al-Si5, SG-Alsi12 SG-AlMg5, SG-AlMg4.5Mn 8 Materiali d’alluminio Magnesio Tendenza alla criccatura a caldo Silicio 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 Contenuto di lega (%) Grafico 2: Andamento delle criccature a caldo Aspetti particolari durante la saldatura Leghe d’alluminio-zinco-magnesio Le leghe AlZnMg sono indurenti e, a causa della quantità di componenti della lega, tendono alla criccatura durante la saldatura; per questa ragione una saldatura con la stessa tipologia di metalli non è possibile. La saldabilità della lega AlZn4.5Mg1 è buona. Normalmente si utilizza il metallo d’apporto indurente SG-AlMg5 o SG-AlMg4.5Mn. Leghe d’AlMgCu e AlZnMgCu Le leghe di questo tipo sono indurenti con elevata resistenza meccanica e sono considerate molto sensibili alle criccature: per questa ragione la saldatura per fusione è impossibile o solo limitatamente possibile, a seconda del tenore di rame. Il problema delle criccature Durante la solidificazione e il ritiro aumenta il pericolo delle criccature, in particolare nei casi in cui la lega presenta un intervallo di solidificazione eccessivo e forma delle miscele d’eutettici ai bordi dei grani con un basso punto di fusione. La tendenza alle criccature dipende dal tipo di lega e va perciò sempre considerata nella scelta del metallo d’apporto. La Tabella 4 mostra le zone delle criccature a caldo per alcuni tipi di leghe e il tenore minimo consigliato di silicio, rame e magnesio nel metallo d’apporto. Anche il contenuto di piombo nell’alluminio dovrebbe essere il più basso possibile. Le cricche nei crateri finali possono essere evitare tramite un programma di riempimento dei crateri integrato nelle moderne saldatrici o tramite saldatura su una lamiera aggiuntiva d’uscita. Le criccature nella radice del giunto di saldatura sono spesso dovute agli ossidi d’alluminio e vengono evitate con una smussatura inferiore della lamiera. Tabella 4: Tendenza alle criccature a caldo delle leghe d’alluminio in funzione del tenore di silicio e magnesio Gruppo di leghe AlSi AlCu AlMg AlSiMg massima sensibilità alle criccature 0,75 % Si 3,0 % Cu 1,2 % Mg 0,5 – 0,8 % Si e 0,2 – 1,2 % Mg tenore minimo pratico 2,0 % Si 5,0 % Cu 3,5 % Mg 2,0 % Si intervallo di temperatura critico 660 – 577 °C 660 – 577 °C 660 – 449 °C Materiali d’alluminio Componente in AlMg4.5Mn, saldato TIG/WIG con SG-AlMg4.5Mn sotto MISON® He20 MISON® He20: Cordone di saldatura MIG su bombola d’alluminio Il problema della formazione di pori La ragione primaria della formazione di pori nel saldame è la drastica diminuzione della solubilità del gas in fase di solidificazione. Qui si tratta in particolare dell’idrogeno, in quanto l’eventuale ossigeno viene legato a formare Al2O3, mentre l’azoto forma il nitruro d’alluminio. La solubilità del gas in diminuzione conduce alla secrezione di bollicine di gas sub-microscopiche che crescono con un’ulteriore assorbimento di gas e che risalgono in superficie all’interno del bagno di fusione. Con elevate velocità di saldatura e una rapida solidificazione del bagno di fusione, il degassaggio spesso non è completamente concluso con conseguente formazione di pori nel saldame. In linea generale il problema dei pori è maggiore nella saldatura MIG rispetto alla saldatura TIG/WIG in quanto, durante il processo TIG/WIG relativamente calmo, la quantità di aria ambiente umida che giunge nell’atmosfera di gas di protezione è minore. Le fonti dell’idrogeno sono molteplici e vanno dall’umidità nello strato d’ossido attraverso l’inclinazione non corretta del cannello fino all’assorbimento d’umidità dall’aria attraverso il materiale della tubazione del gas di protezione. Poiché la differenza della pressione parziale di vapore fra aria ambiente e flusso di gas di protezione è notevole, l’umidità raggiunge con relativa facilità il gas di protezione e l’arco tramite diffusione. Misure importanti per evitare la formazione di pori 3 S uperfici pulite e asciutte del metallo base e del metallo d’apporto 3P retrattamento tramite levigatura, spazzolatura, decapaggio, sgrassamento 3A rco tranquillo e conduzione calma del cannello 3 F lusso di gas di protezione senza turbolenze con corretto dosaggio e purezza 3U gello del gas di protezione ampiamente dimensionato e pulito 3R idurre la lunghezza del pacchetto di tubi 3U sare un cannello con sistema di raffreddamento chiuso 3 L avaggio sufficientemente lungo prima della saldatura 3P revedere la protezione della radice 3P ossibilmente saldare in posizione PA o PF 3 E vitare le posizioni di saldatura PC e PE 9 Le misure fondamentali per evitare la formazione di pori sono elencate qui sotto. Decolorazione nell’area del cordone di saldatura Indipendentemente dalla tecnica di saldatura utilizzata, nell’area del cordone si presentano decolorazioni da deboli a pronunciate che aumentano con l’aumentare del tenore di magnesio e di silicio. Se dopo la saldatura è prevista un’anodizzazione, le leghe eterogenee presenteranno forti decolorazioni, soprattutto se i singoli componenti della struttura vengono decapati durante l’anodizzazione oppure staccati dalla soluzione elettrolitica. 10 Materiali d’alluminio AlMg5 AlSi5 Al99.5Ti La differenza della conducibilità elettrica si riflette sulla penetrazione e sulla forma del giunto saldato Saldatrice MIG per alluminio Tecnologia di saldatura Posto di lavoro Durante la saldatura delle leghe d’alluminio occorre garantire la massima pulizia del posto di lavoro, degli utensili, dei dispositivi di serraggio e dei metalli d’apporto. E’consigliabile dividere questo da altri posti di lavoro in cui si lavorano acciai da costruzione o acciai ad alto tenore di lega, per evitare contaminazioni reciproche. Preriscaldo Il preriscaldo delle leghe d’alluminio si rende necessario ogni qual volta, nonostante il rispetto dei corretti parametri di saldatura e nonostante l’uso di gas di protezione contenenti elio, non si raggiungono penetrazioni sufficienti. Il preriscaldo può essere ottenuto con cannelli autogeni con una regolazione della fiamma leggermente ridotta. La crescita indesiderata dello strato d’ossido può essere frutto dell’utilizzo di grandi cannelli per il preriscaldo. Per non mettere a rischio le caratteristiche garantite del materiale è necessario seguire attentamente le raccomandazioni dei fornitori in relazione alle temperature di preriscaldo e ai tempi di mantenimento; i valori indicativi sono riportati nella Tabella 5. Tabella 5: Valori indicativi delle temperature massime di preriscaldo Materiale AIMgSi AISi1MgMn AISiMg AIZn4.5Mg1 AIMg4.5Mn0.7 AIMg4.5Mn0.7 T (°C) 180 200 220 – 250 140 150 – 200 150 – 200 Scelta del metallo d’apporto La scelta del metallo d’apporto è essenziale per una corretta saldatura, in particolare in relazione alle velocità elevate delle tecniche di saldatura con gas di protezione con una rapida solidificazione del bagno di fusione. Nella Tabella 3 (pag. 7) sono riportati i metalli d’apporto per le principali tipologie di leghe. Accanto alla corretta analisi va garantita anche la corretta regolazione degli elementi di microlega che affinano i grani, le tolleranze ristrette, un’accurato avvolgimento con un’elevata quota di piegatura preliminare e una piegatura a strati, priva di torsioni. Materiali d’alluminio Saldatura MIG di componenti dei semiassi per automobili 11 Saldatrice MIG per alluminio Scelta della tecnica di saldatura Per ragioni economiche si continua a prediligere sempre più la tecnica MIG. Questo tipo di saldatura, con l’uso della tecnica pulsata, ha allargato il campo delle proprie applicazioni anche alle lamiere con spessori ridotti. Anche le lamiere sottili possono essere saldate con la tecnica pulsata con un’elettrodo a filo relativamente spesso: ciò aiuta soprattutto la riduzione dei pori. La tecnica pulsata conduce inoltre ad una minore evaporazione del magnesio e dello zinco e permette d’ottenere qualità metallurgiche migliori del giunto saldato. Per spessori molto ridotti, un’accessibilità scarsa oppure esigenze massime a livello di superficie e assenza di pori, si utilizza in prevalenza la tecnica TIG/WIG. Le moderne saldatrici dispongono inoltre di speciali programmi di controllo che consentono, ad esempio, un’accensione dell’arco senza spruzzi e il riempimento dei crateri finali. Lo stato dell’arte delle moderne saldatrici comprende anche un’alimentazione intermittente del filo per la formazione dei giunti saldati uniformi a squama. Per garantire un’alimentazione regolare del filo senza interruzioni è utile disporre di un’avanzamento filo nel cannello. Spesso si utilizza anche un comando a distanza integrato nella manopola che consente d’attivare diversi programmi di saldatura. Altre tecniche meno usate sono la saldatura a gas, la saldatura a resistenza, la saldatura manuale ad arco, la saldatura ad attrito, la saldatura ad attrito rotante, la saldatura a ultrasuoni, la saldatura con fascio d’elettroni e la saldatura laser. La maggiore importanza economica e diffusione, tuttavia, spetta alle tecniche di saldatura con gas di protezione MIG e TIG/WIG. Saldatura MIG La saldatura MIG è una tecnica d’accoppiamento economica soprattutto se si tratta di lamiere spesse. Le leghe d’alluminio vengono normalmente saldate con corrente continua e polarità positiva dell’elettrodo per distruggere la pelle d’ossido e ottenere un passaggio fine delle gocce. A partire da circa 4 mm si lavora con l’arco spray. Per ampliare il campo d’utilizzo ed estenderlo anche ai materiali sottili è stata sviluppata la tecnica MIG pulsata. In questo caso, diversificando i parametri degli impulsi, si ottiene una dimensione e un distacco definiti delle gocce e si riesce a ridurre l’apporto di calore nel suo complesso. I parametri tipici quali la frequenza della pulsazione, l’intensità di corrente base e degli impulsi, l’andamento temporale, la forma della corrente pulsata sono selezionabili in intervalli estesi e, se scelti correttamente, assicurano un passaggio del materiale senza corto circuito con un’arco stabile e un basso carico dell’elettrodo e quindi un giunto di qualità eccellente. Nelle fasi della corrente base il bagno di fusione può calmarsi e degassare. Altri sviluppi tecnici vanno in direzione della saldatura MIG pulsata a corrente alternata per ottimizzare le distorsioni dei componenti e la copribilità della luce, specialmente nella saldatura di lamiere sottili. 12 Materiali d’alluminio Argon 10 l/min VARIGON® He50 15 l/min Velocità di saldatura 10 cm/min Velocità di saldatura 20 cm/min Una percentuale maggiore d’elio dà luogo a velocità di saldatura maggiori. In questo caso, saldatura della lega AIZn 4,5 Mg 1 con 3 mm di spessore La Saldatura TIG/WIG La saldatura TIG/WIG delle leghe d’alluminio è una tecnica standard molto diffusa. Normalmente la saldatura viene effettuata a corrente continua; in tal modo la semionda positiva distrugge lo strato d’ossido d’alluminio. Durante la seminonda negativa della corrente l’elettrodo di tungsteno è sottoposto ad una sollecitazione termica minore. Durante il passaggio di zero della corrente sinusoidale, l’arco si spegne e deve essere riacceso tramite impulsi d’alta tensione. I moderni generatori di corrente TIG/WIG consentono un andamento rettangolare della corrente e impediscono lo spegnimento dell’arco a causa del passaggio di zero praticamente verticale. In questo modo viene garantita una saldatura priva di disturbi e uniforme. Gas di protezione per la saldatura MIG e TIG/WIG La saldatura MIG differisce da quella MAG solamente per la tipologia di gas di protezione utilizzata: si utilizzano le sole miscele di gas di protezione inerti in quanto i metalli da saldare non tollerano percentuali di gas attivo. Ma per la stabilizzazione dell’arco MIG sono tollerabili bassissime microdosature d’ossigeno o monossido d’azoto che in molti caso non esercitano alcuna azione dannosa sul materiale. La protezione di base è costituita dall’argon che, in quanto gas nobile, è assolutamente privo di reazioni e quindi non dà luogo a reazioni chimiche con il metallo base e il metallo d’apporto. Esso protegge il bagno di fusione reattivo dalle interazioni chimiche con l’ossigeno e l’azoto. L’argon ionizza facilmente e facilita così l’accensione dell’arco elettrico. L’argon ha un peso specifico superiore all’aria e fornisce quindi una buona copertura del bagno di fusione durante la saldatura in posizione normale. (figura pag. 13: in alto a sinistra). Un’altro gas utilizzato per la saldatura MIG e TIG/WIG è l’elio che praticamente non viene mai impiegato da solo, ma sempre insieme all’argon. Analogamente all’argon è completamente privo di reazioni e non forma composti chimici. L’elio è caratterizzato essenzialmente dalla sua ottima conducibilità termica e migliora così la trasmissione del calore dell’arco al bagno di fusione. In questo modo viene sia compensata l’evacuazione del calore dei buoni conduttori quali i metalli alluminio e rame, sia ottenuto un giunto saldato di qualità migliore. Essendo il peso specifico dell’elio molto basso, per una copertura sufficiente del bagno di fusione è necessaria una portata volumetrica maggiore. L’energia di ionizzazione dell’elio è relativamente elevata e richiede una tensione di saldatura superiore a quella dell’argon. L’accensione dell’arco diventa più difficile con l’aumentare della percentuale d’elio nel gas di protezione (figura pag. 13: in alto a destra). L’anidride carbonica e l’idrogeno non sono idonei come componenti del gas di protezione per le tecniche inerti a causa della loro reattività chimica e non vengono quindi utilizzati. Materiali d’alluminio Arco TIG/WIG sotto argon Arco TIG/WIG sotto elio L’aggiunta d’ossigeno o di monossido d’azoto, con dosaggi molto bassi a livello di ppm, può migliorare sensibilmente la stabilità dell’arco soprattutto nella saldatura TIG/WIG a corrente alternata ed è piuttosto diffusa; in realtà questi gas aggiunti al gas di protezione non possono essere considerati completamente inerti. Nonostante ciò si continua a parlare di tecnica MIG e non di saldatura MAG. Questi gas di protezione sono adatti anche per la saldatura di leghe di rame e di nichel. La saldatura MIG può essere effettuata con arco corto, arco spray e arco pulsato. Nella saldatura con gas di protezione, l’aggiunta di gas inerti migliora la stabilità dell’arco e quindi la regolarità e uniformità del giunto saldato. In alcuni casi sono stati documentati dei miglioramenti della penetrazione nella micrografia, dovuti alle caratteristiche migliori dell’arco. Il dosaggio viene effettuato con 275 vpm di monossido d’azoto nel MISON® Ar e MISON® He20 oppure con 300 vpm d’ossigeno nel VARIGON® serie S. Il risultato è una sensibile riduzione della formazione di spruzzi e un cordone di saldatura decisamente più bello grazie alle squame più fini del giunto saldato MIG. In particolare per gli additivi più morbidi dell’alluminio, l’arco pulsato offre vantaggi decisivi grazie all’impiego d’elettrodi a filo di diametro maggiore con un’elevata stabilità d’avanzamento. L’arco relativamente più caldo delle miscele di gas protettivo VARIGON® He e VARIGON® HeS si è rivelato particolarmente idoneo per le leghe a base d’alluminio e di rame con una buona conducibilità termica. Il magnesio e le sue leghe vanno saldate preferibilmente con gas di protezione privi d’elio. I gas di protezione e le miscele per la saldatura MIG e TIG/WIG di leghe d’alluminio sono i seguenti: Argon 4.6 Argon 4.8 MISON® Ar VARIGON® He10 MISON® He20 VARIGON® He30S VARIGON® He50 VARIGON® He60 VARIGON® He70 13 100 % argon purezza tecnica 100 % argon elevata purezza Argon con 275 ppm NO Argon con 10 % elio Argon con 20 % elio e 275 ppm NO Argon con 30 % elio e 300 ppm O2 Argon con 50 % elio Argon con 60 % elio Argon con 70 % elio Tabella 6: Valori di correzione per i gas di protezione contenenti elio KLB:Arco corto SLB Arco spray ILB Arco pulsato Gas di protezione Argon/MISON® Ar Argon/MISON® Ar VARIGON® He10 MISON® He20 VARIGON® He30S VARIGON® He50 VARIGON® He70 Consumo 12 – 15 KLB 12 – 15 SLB, ILB 15 l/min 18 l/min 20 l/min 28 l/min 35 l/min Fattore K 1,00 1,00 1,06 1,12 1,17 1,35 1,70 14 Materiali d’alluminio Argon, 280 A, 25 V Ar + 50 % He, 285 A, 30 V Ar + 30 % He, 282 A, 27 V Ar + 70 % He, 285 A, 34 V Note per l’uso dell’elio A parità di lunghezza dell’arco con l’aumentare della percentuale d’elio è necessario aumentare la tensione dell’arco. L’elio nel gas di protezione darà inoltre luogo ad un cordone più largo e quindi più piatto. La penetrazione non è più a forma di dito come nel caso dell’argon, ma diventa più rotonda e profonda. Le condizioni di penetrazione più favorevoli facilitano la saldatura passante nella zona della radice (foto sopra) e permettono velocità di saldatura maggiori. L’elio migliora le condizioni di degassaggio del bagno di fusione e riduce la porosità. Spesso un costo maggiore del gas di protezione viene abbondantemente compensato da tempi minori di accensione dell’arco e costi di finitura ridotti. L’elio è molto più leggero dell’aria. Questo fatto va considerato sia nella misurazione della portata che nella determinazione della quantità minima di gas di protezione. La correzione della portata sul flussimetro argon avviene moltiplicando la quantità di gas di protezione con il fattore di protezione o, in altre parole: la quantità di gas di protezione necessaria divisa per il fattore di correzione fornisce la portata da impostare sul misuratore di portata dell’argon. (Tabella 6 a pag. 13). Un caso particolare è la saldatura TIG/WIG a corrente continua con elettrodo a polarità negativa: questa tecnica funziona solo con almeno l’85 % d’elio e il 15 % d’argon. Questa tecnica viene usata soprattutto per i lavori di manutenzione e di riparazione di blocchi motore in alluminio e permette di raggiungere una buona penetrazione sui paricolari molto spessi. Va considerato che questa tecnologia di saldatura specifica è protetta da brevetti. Bibliografia Trube, S. Schutzgasschweissen von A – Z Schutzgase für Aluminium bis Zirkon Rapporto non pubblicato della Linde AG Höllriegelskreuth, 1998 Brune, E. Schweissschutzgase Technica 10/99, pag. 50 – 54 Rupperswil, 1999 N.N. Schutzgasschweissen TIG und MIG von Aluminium-Werkstoffen Rapporto della Alusuisse AG Zurigo, 1981 Wesling, V. Schweisstechnik II Dispensa Institut für Schweisstechnik und abtragende Fertigungsverfahren Technische Universität Clausthal Clausthal, 2003 Dorn, L. Schweissverhalten von Aluminium und seinen Legierungen Mat.-wiss. U. Werkstofftech. 29 pag. 412 – 423 Weinheim, 1998 Brune, E. Scegliere il gas giusto Pubblicazione della PanGas Dagmersellen, 2003 Materiali d’alluminio 15 I giusti gas di protezione per ogni tecnica di saldatura Tecniche Gas di protezione MAG COXOGEN® 5/5 ® Metal-arc Active Gas (Saldatura ad CORGON ®15/5 COXOGEN 10 arco con metallo sotto gas) COXOGEN® 15 CORGON® 18 Materiali Anidride carbonica CRONIGON® He20 MISON® 18 MISON® 8 MISON® 25 Tubi d’acciaio, acciai da costruzione, acciai per caldaie, acciai per cantieristica, acciai da costruzione a grana fine, acciai di cementazione e di bonifica CRONIGON® CRONIGON® He20 CRONIGON® He33 CRONIGON® He30S MISON® 2 MISON® 2He Acciai al CrNi, acciai al Cr e altri acciai legati, leghe a base di Ni, acciai duplex e acciai duplex speciali MSG-HL CORGON® He30 CORGON® S5 MISON® 8 Tubi d’acciaio, acciai da costruzione, acciai per caldaie, acciai per cantieristica, acciai da costruzione a grana fine MIG VARIGON® He50 VARIGON® He60 VARIGON® He70 Alluminio, rame, nichel e altre leghe Metal-arc Inert Gas (Saldatura ad arco con metallo sotto gas inerte) Argon 4.6/Argon 4.8 MISON® Ar VARIGON® He10 MISON® He20 VARIGON® He30S Brasatura MSG Argon 4.6/Argon 4.8 MISON® Ar MISON® 2 CRONIGON® Acciai da costruzione zincati, non legati Argon 4.6/Argon 4.8 MISON® Ar VARIGON® He10 MISON® He20 VARIGON® He30S VARIGON® He50 VARIGON® He60 VARIGON® He70 Elio 4.6 Tutti i metalli saldabili come acciai non legati e legati, alluminio, rame HYDRARGON® 2 HYDRARGON® 7 CRONIWIG® N3He MISON® H2 HYDRARGON® 5 CRONIWIG® N3 Acciai al CrNi, nichel e lege di Ni Saldatura ad arco con metallo sotto protezione di gas, ad alte prestazioni WIG/TIG Tungsten-Inert Gas (Saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno) WP Saldatura al plasma con elettrodo di tungsteno Argon 4.8/Argon 5.0 Materiali sensibili ai gas come Ti, Ta, Zr Gas centrale/Gas plasmageno: argon 4.8 Gas esterno: Argon 4.6, MISON® Ar HYDRARGON® 2 Elio 4.6 HYDRARGON® 5 VARIGON® He60 HYDRARGON® 7 MISON® Ar Tutti i metalli saldabili, vedi saldatura TIG/WIG HYDRARGON® 2 Per tutti i materiali, per impedire l’ossidazione in corrispondenza della radice. Bruciare la torcia con un tasso di H2 superiore al 10 %. Protezione della radice Gas per la protezione della radice della saldatura 5 Gas per la protezione della Protezione della radice con miscele radice della saldatura 8 gassose azotoidriche Gas per la protezionedella radice della saldatura 10 Gas per la protezione della radice della saldatura 25 HYDRARGON® 5 HYDRARGON® 7 Argon 4.8 Per i materiali sensibili ai gas come titanio, tantalio, zirconio Laser Argon 4.6, Argon 4.8 Elio Gas speciali Gas funzionali p. es. per Laser al CO2 LASPUR® Tutti i metalli saldabili Saldatura di perni ad arco CORGON® 18 MISON® 18 Acciai da costruzione CRONIGON® HYDRARGON® 2 CRONIGON® He33 MISON® 2 Acciai ad alto tenore di lega Saldatura e taglio VARIGON® He30S Alluminio e leghe d’alluminio Vantaggio a livello mondiale grazie all’innovazione. PanGas, affiliata del Linde Group, leader mondiale nel settore, gioca un ruolo di precursore sul mercato grazie ai suoi prodotti e sistemi di distribuzione del gas orientati al futuro. In quanto leader tecnologico abbiamo il compito di porre continuamente nuovi standard. Spinti dallo spirito imprenditoriale operiamo costantemente per lo sviluppo di nuovi prodotti di alta qualità e di procedimenti innovativi. PanGas offre di più: valore aggiunto, vantaggi competitivi percepibili e maggiori guadagni. Ogni progetto viene tagliato su misura in funzione delle esigenze specifiche del cliente. Ciò vale per tutti i settori e per ogni dimensione d’impresa. Chi oggi vuole competere con la concorrenza del domani ha bisogno di un partner al suo fianco che ogni giorno sia in grado di utilizzare strumenti quali la massima qualità, le ottimizzazioni dei processi e gli aumenti della produttività per trovare soluzioni ottimali per il cliente. Per noi, essere partner significa non solo «noi per voi», ma soprattutto «noi con voi». Perché la collaborazione reca in sé la forza del successo economico. PanGas AG Sede principale, Industriepark 10, CH-6252 Dagmersellen Telefono 0844 800 300, Fax 0844 800 301, www.pangas.ch 099,7306,02.2011-09.V2.500.AB PanGas – ideas become solutions.
