Principi base della saldatura

Una saldatura può essere definita come una coalescenza di metalli prodotta mediante riscaldamento ad una temperatura adeguata con o senza l'applicazione di pressione e con o senza l'uso di un materiale di apporto.

Nella saldatura per fusione una fonte di calore genera calore sufficiente per creare e mantenere un bagno fuso di metallo della dimensione richiesta.Il calore può essere fornito tramite energia elettrica o tramite una fiamma a gas.La saldatura a resistenza elettrica può essere considerata saldatura per fusione perché si forma del metallo fuso.

I processi in fase solida producono saldature senza fusione del materiale di base e senza l'aggiunta di un metallo d'apporto.Viene sempre impiegata la pressione e generalmente viene fornito un po' di calore.Il calore per attrito viene sviluppato nelle giunzioni a ultrasuoni e per attrito, mentre il riscaldamento in forno viene solitamente impiegato nella saldatura per diffusione.

L'arco elettrico utilizzato nella saldatura è una scarica ad alta corrente e bassa tensione generalmente nell'intervallo 10–2.000 ampere a 10–50 volt.Una colonna ad arco è complessa ma, in generale, è costituita da un catodo che emette elettroni, un plasma di gas per la conduzione della corrente e una regione anodica che diventa relativamente più calda del catodo a causa del bombardamento di elettroni.Solitamente viene utilizzato un arco a corrente continua (CC), ma è possibile utilizzare archi a corrente alternata (CA).

L'energia totale immessa in tutti i processi di saldatura supera quella necessaria per produrre un giunto, poiché non tutto il calore generato può essere utilizzato in modo efficace.L'efficienza varia dal 60 al 90%, a seconda del processo;alcuni processi speciali si discostano ampiamente da questa cifra.Il calore viene perso per conduzione attraverso il metallo base e per irraggiamento nell'ambiente circostante.

La maggior parte dei metalli, quando riscaldati, reagiscono con l'atmosfera o con altri metalli vicini.Queste reazioni possono essere estremamente dannose per le proprietà di un giunto saldato.La maggior parte dei metalli, ad esempio, si ossidano rapidamente una volta fusi.Uno strato di ossido può impedire il corretto legame del metallo.Goccioline di metallo fuso rivestite di ossido rimangono intrappolate nella saldatura e rendono fragile il giunto.Alcuni materiali preziosi aggiunti per proprietà specifiche reagiscono così rapidamente all'esposizione all'aria che il metallo depositato non ha la stessa composizione che aveva inizialmente.Questi problemi hanno portato all'uso di flussi e atmosfere inerti.

Nella saldatura per fusione il flusso ha un ruolo protettivo nel facilitare una reazione controllata del metallo e quindi prevenire l'ossidazione formando una coltre sul materiale fuso.I flussi possono essere attivi e aiutare nel processo oppure inattivi e proteggere semplicemente le superfici durante l'unione.

Le atmosfere inerti svolgono un ruolo protettivo simile a quello dei flussi.Nella saldatura con arco metallico protetto da gas e con arco di tungsteno protetto da gas, un gas inerte, solitamente argon, fluisce da un anello che circonda la torcia in un flusso continuo, spostando l'aria attorno all'arco.Il gas non reagisce chimicamente con il metallo ma semplicemente lo protegge dal contatto con l'ossigeno presente nell'aria.

La metallurgia della giunzione dei metalli è importante per le capacità funzionali del giunto.La saldatura ad arco illustra tutte le caratteristiche fondamentali di un giunto.Dal passaggio di un arco di saldatura risultano tre zone: (1) il metallo saldato, o zona di fusione, (2) la zona alterata dal calore e (3) la zona non interessata.Il metallo saldato è quella parte del giunto che è stata fusa durante la saldatura.La zona interessata dal calore è una regione adiacente al metallo saldato che non è stata saldata ma ha subito un cambiamento nella microstruttura o nelle proprietà meccaniche a causa del calore della saldatura.Il materiale inalterato è quello che non è stato riscaldato sufficientemente da alterarne le proprietà.

La composizione del metallo saldato e le condizioni in cui si congela (solidifica) influiscono in modo significativo sulla capacità del giunto di soddisfare i requisiti di servizio.Nella saldatura ad arco, il metallo saldato è costituito dal materiale d'apporto più il metallo di base che si è fuso.Dopo il passaggio dell'arco, si verifica un rapido raffreddamento del metallo saldato.Una saldatura a passaggio singolo ha una struttura fusa con grani colonnari che si estendono dal bordo del bagno di fusione al centro della saldatura.In una saldatura multipassata, questa struttura fusa può essere modificata, a seconda del particolare metallo da saldare.

Il metallo di base adiacente alla saldatura, o alla zona interessata dal calore, è soggetto a una serie di cicli di temperatura e il suo cambiamento nella struttura è direttamente correlato alla temperatura di picco in un dato punto, al tempo di esposizione e alla velocità di raffreddamento .I tipi di metalli di base sono troppo numerosi per essere discussi qui, ma possono essere raggruppati in tre classi: (1) materiali non influenzati dal calore di saldatura, (2) materiali induriti da cambiamenti strutturali, (3) materiali induriti da processi di precipitazione.

La saldatura produce sollecitazioni nei materiali.Queste forze sono indotte dalla contrazione del metallo saldato e dall'espansione e quindi contrazione della zona termicamente alterata.Il metallo non riscaldato impone un vincolo su quanto sopra e, poiché la contrazione predomina, il metallo saldato non può contrarsi liberamente e si accumula uno stress nel giunto.Questo è generalmente noto come stress residuo e per alcune applicazioni critiche deve essere rimosso mediante trattamento termico dell'intera fabbricazione.La tensione residua è inevitabile in tutte le strutture saldate e, se non viene controllata, si verificheranno piegamenti o distorsioni della saldatura.Il controllo viene esercitato dalla tecnica di saldatura, dalle maschere e dagli impianti, dalle procedure di fabbricazione e dal trattamento termico finale.