Area di saldatura: aspetti meccanici e metallurgici

Quali sono le diverse aree in zona di saldatura?

In ogni materiale, la zona di saldatura è suddivisa in più aree in base alla distanza dal giunto saldato:

• Zona Fusa (Weld Pool): bagno fuso. È la regione in cui il materiale si fonde e si solidifica durante la saldatura. La microstruttura risultante dipende dalle condizioni di solidificazione.
• Zona di Transizione (Partially Melted Zone): In questa area, adiacente ai lembi fusi, il materiale raggiunge temperature vicine al punto di fusione, provocando una parziale fusione di alcuni grani. Questo può causare fenomeni come la segregazione e l'eutettica.
• Zona Termicamente Alterata (ZTA): Qui il materiale non si fonde ma subisce modifiche significative alle caratteristiche della microstruttura a causa delle elevate temperature. I cambiamenti nella ZTA dipendono dal tipo di materiale e dall'entità del riscaldamento.
   

Cos'è la Zona di Saldatura (Zona Termicamente Alterata - ZTA)?

La zona di saldatura, detta Zona Termicamente Alterata (ZTA - Heat Affected Zone), è la regione del materiale che circonda il giunto saldato e che, pur non essendo fusa durante il processo di saldatura, è possibile che subisca modifiche nella sua microstruttura e nelle proprietà meccaniche a causa dell'esposizione al calore. L'entità di queste trasformazioni dipende dalla quantità di calore, dalla velocità di raffreddamento e dalla natura del materiale saldato.
Nella progettazione di un giunto è necessario porre particolare attenzione a questa area.

Che strutture si creano nei singoli materiali in zona termicamente alterata (ZTA)?

In generale, tutti i materiali saldabili sono particolarmente sensibili agli effetti chimici e metallurgici in zona termicamente alterata. Di seguito un dettaglio per famiglia di materiali.

• Acciai Bassolegati:  
  la ZTA subisce trasformazioni significative a causa delle reazioni di austenitizzazione e successiva trasformazione a martensite, bainite o ferrite, a seconda della velocità di raffreddamento. La formazione di martensite può rendere la zona fragile e suscettibile a cricche. Le regioni adiacenti possono contenere strutture ferritiche più tenere o perlite.
• Acciai Inossidabili Austenitici:
  non subiscono trasformazioni di fase significative, ma nella ZTA può avvenire la precipitazione di carburi di cromo, che può causare sensibilizzazione (perdita di resistenza alla corrosione intergranulare). La riduzione della resistenza alla corrosione e la formazione di strutture delta-ferritiche possono influire sulle proprietà meccaniche.
• Acciai Inossidabili Austeno-Martensitici:
  possono subire una trasformazione austenite-martensite nella ZTA, influenzata dalla velocità di raffreddamento e dalla composizione. La formazione di martensite può comportare fragilità, mentre l'eventuale sensibilizzazione riduce la resistenza alla corrosione.
• Leghe di Alluminio: 
  la ZTA è soggetta a fenomeni di ricristallizzazione e perdita di proprietà meccaniche, come la riduzione della resistenza. Avviene di fatto una perdita delle proprietà meccaniche dovuta alla dissoluzione dei precipitati a maggiore tenacia (come Al-Cu o Al-Mg) e alla ricristallizzazione del materiale base.
• Leghe di Nichel: 
  sono soggette a fenomeni di ricristallizzazione e crescita dei grani nella ZTA. Possono anche subire segregazioni o precipitazioni di carburi o fasi fragili. Il rischio principale nella ZTA è la fragilità dovuta alla crescita eccessiva dei grani o alla precipitazione di fasi indesiderate.
• Titanio: 
  ha una bassa conducibilità termica e una reattività elevata con ossigeno, azoto e idrogeno. Nella ZTA, l'assorbimento di gas può portare a fragilità. Il rischio di contaminazione da gas, come l’ossigeno, porta a fragilità e perdita di duttilità, mentre la crescita dei grani può influire sulla resistenza meccanica.

Nei procedimenti ad arco elettrico o plasma, spesso un'adeguata protezione gassosa riduce gli effetti indesiderati in ZTA.
Nelle operazioni in manuale anche un'adeguata tecnica operativa del saldatore (angolo di saldatura, velocità di avanzamento, distanza della torcia, tecnica di avanzamento...) permette di mitigare gli effetti indesiderati. 

Quali procedimenti di saldatura riducono la zona termicamente alterata (ZTA)?

Esistono procedimenti in cui, per ottenere la giunzione, non si usano fonti dirette di calore, le cosiddette tecniche di saldatura solida che includono:

• Saldatura a freddo: Le superfici dei materiali vengono unite mediante pressione meccanica senza alcun riscaldamento.
• Saldatura per attrito (Friction Welding): Viene ottenuto un giunto riscaldando le superfici per attrito prima di applicare pressione. 
• Saldatura per diffusione: Il calore e la pressione vengono applicati per lungo tempo in un ambiente controllato, in modo che i materiali si leghino a livello atomico senza fondere completamente.
• Saldatura a ultrasuoni: Si utilizzano onde ultrasoniche ad alta frequenza per unire i materiali tramite vibrazioni.
• Saldatura a esplosione: Utilizza l’energia generata da un’esplosione controllata per unire materiali dissimili, anche parti metalliche e non. Queste tecniche in generale vengono utilizzate laddove viene privilegiato l’aspetto di azzerare ogni ogni effetto legato alla formazione di una zona termicamente alterata a scapito delle qualità di resistenza meccanica del giunto stesso.
• Brasatura: A differenza della saldatura, nella brasatura il materiale base non si fonde. La ZTA, quindi, subisce solo modifiche microstrutturali dovute al riscaldamento, ma senza fusione. I cambiamenti nella microstruttura del materiale base sono meno drastici rispetto alla saldatura. Le caratteristiche meccaniche del giunto sono inferiori a quelle dei due componenti.
• Saldatura laser: Un buon compromesso è la scelta del processo di saldatura laser che ha la caratteristica di produrre una fonte di calore (fascio laser) molto calda e molto localizzata, il cui effetto, paragonato ad altri processo di saldatura termica, è quello di ridurre notevolmente sia le dimensioni che gli effetti delle rispettive ZTA e di garantire ottime caratteristiche meccaniche dei giunti saldati.

La saldatura laser riduce la zona termicamente alterata (ZTA)?

Si, la saldatura laser è un procedimento che, tra i suoi benefici, ha anche quello di ridurre significativamente sia le dimensioni che gli effetti delle ZTA.
La principale differenza tra la saldatura laser e le tecniche tradizionali (MIG, MAG, TIG, plasma, elettrodo, fiamma) è la dimensione e l'intensità della ZTA. Il laser, grazie alla sua alta densità di potenza e concentrazione energetica, crea una ZTA molto più piccola rispetto ai metodi convenzionali. Questo comporta:

• minore deformazione termica: il ridotto apporto di calore limita le deformazioni del materiale e riduce la necessità di lavorazioni post-saldatura.
• raffreddamento rapido: la velocità di raffreddamento elevata impedisce la formazione di microstrutture indesiderate (come carburi o martensite fragile) in molti materiali, migliorando le proprietà finali del giunto.
• migliore controllo della microstruttura: la zona fusa è stretta e definita, limitando la crescita dei grani e i fenomeni di ricristallizzazione o segregazione.
• maggiore qualità superficiale: la precisione del fascio laser riduce le imperfezioni superficiali e le irregolarità nel cordone di saldatura.

In sintesi, la saldatura laser offre una ZTA più contenuta e una migliore conservazione delle proprietà meccaniche e metallurgiche del materiale metalliche rispetto agli altri processi di saldatura termica (arco, fiamma, plasma) che tendono a causare maggiori deformazioni e alterazioni termiche.