Saldatura ad arco con le soluzioni gas di Air Liquide

Cos'è l'arco elettrico?

L'arco elettrico scocca quando si raggiunge un livello di energia sufficientemente elevato da ionizzare l'atmosfera gassosa e generare un plasma di gas tra i due poli di un generatore (saldatrice). Una volta generato questo plasma, si innesca una corrente elettrica tra i poli positivo e negativo.

Principio dell'arco elettrico: si tratta di un fenomeno fisico estremamente complesso, in cui si intrecciano:

• La ionizzazione e la ricombinazione dei gas.
• La trasmissione del calore.
• I fenomeni elettromagnetici.
• L'influenza delle caratteristiche di conducibilità termica ed elettrica in funzione della temperatura dei gas impiegati.

La temperatura raggiunta può sfiorare i 3.500 °C, fornendo così l'energia termica necessaria per portare a fusione qualsiasi tipo di metallo, in particolar modo l'acciaio.

I gas per la saldatura ad arco

I vari gas impiegabili per le tecniche di saldatura ad arco sono classificati dalla normativa ISO 14175 (Materiali d'apporto per saldatura - Gas di protezione per la saldatura per fusione e i procedimenti connessi). I gas di protezione utilizzati sono i seguenti:

• Argon (Ar)
• Anidride Carbonica (CO₂)
• Ossigeno (O₂)
• Elio (He)
• Idrogeno (H₂)
• Azoto (N₂)

Le funzioni principali del gas di protezione (o gas di copertura) sono le seguenti:

1. Proteggere il metallo fuso (bagno di fusione) da eventuali contaminazioni atmosferiche (ossidazione, porosità).
2. Stabilizzare l'arco elettrico.
3. Agevolare l'innesco dell'arco elettrico.

Inoltre, il gas di saldatura influisce in modo determinante su:

• Gli spruzzi (proiezioni) e le emissioni di fumi.
• Il profilo e la profondità di penetrazione.
• La bagnabilità (il raccordo del cordone con il materiale base).
• L'aspetto superficiale del cordone di saldatura.
• La velocità di saldatura.
• La metallurgia del bagno di fusione.
• L'ambiente di lavoro del saldatore.
• Il costo complessivo del manufatto saldato.

Procedimenti di saldatura ad arco in atmosfera protettiva

Distinguiamo i seguenti 3 procedimenti principali, così descritti:

1. La saldatura MIG-MAG (a filo continuo)
2. La saldatura TIG
3. La saldatura al plasma (PAW)

1 - La saldatura MIG-MAG

La saldatura MIG-MAG è la più diffusa per l'assemblaggio di carpenteria metallica:

• MIG sta per Metal Inert Gas (saldatura sotto protezione di gas inerte).
• MAG sta per Metal Active Gas (saldatura sotto protezione di gas attivo).
• Il procedimento MIG-MAG è noto a livello internazionale anche con l'acronimo GMAW (Gas Metal Arc Welding).

L'energia termica necessaria a fondere i lembi da saldare è fornita da un arco elettrico che scocca in atmosfera gassosa tra il filo di saldatura (elettrodo consumabile) e i pezzi da unire. Il procedimento MIG trova impiego principalmente nella saldatura dell'alluminio e delle sue leghe, mentre la tecnica MAG è la scelta d'elezione per gli acciai al carbonio e gli acciai inossidabili.

2 - La saldatura TIG (Tungsten Inert Gas)

L'energia necessaria alla fusione dei lembi è garantita da un arco elettrico che scocca in un'atmosfera protettiva inerte tra l'elettrodo in tungsteno (infusibile) della torcia e il pezzo da saldare. È una tecnica universalmente utilizzata per l'assemblaggio di quasi tutti i materiali metallici, nota per la qualità e la precisione del cordone.

3 - La saldatura al plasma

Come nel TIG, l'arco scocca tra un elettrodo infusibile e il pezzo da saldare. A differenza del TIG, tuttavia, l'arco viene costretto e accelerato all'interno dell'ugello (plasma ristretto). Viene inoltre introdotto un gas anulare esterno per avvolgere la colonna dell'arco plasma e proteggere efficacemente il bagno di fusione.

Criteri per la scelta del gas di protezione più adeguato

Per selezionare il gas di copertura più indicato per una specifica applicazione, il saldatore deve conoscere a fondo due elementi fondamentali:

• La natura e le proprietà chimico-fisiche dei gas di saldatura.
• Il procedimento scelto e il materiale base da saldare.

1 - Natura dei gas di saldatura

Gas inerti per la saldatura ad arco

Argon (Ar): gas inerte, impiegato in purezza o in miscela con altri gas.

• È facilmente ionizzabile.
• Agevola notevolmente l'innesco dell'arco.
• Costituisce la base della stragrande maggioranza delle miscele di protezione.

Elio (He): gas inerte, tipicamente impiegato in miscela con l'argon e molto diffuso nelle applicazioni di saldatura automatizzata o robotizzata.

• Aumenta l'apporto termico e l'energia dell'arco (garantendo una maggiore penetrazione e/o velocità di saldatura rispetto al solo argon).
• Assicura un'ottima bagnabilità (raccordo dolce del cordone sul materiale base).

Gas ossidanti per la saldatura ad arco

Anidride carbonica (CO₂): gas attivo utilizzato in miscela con l'argon o, per applicazioni basilari, in purezza. Le sue caratteristiche operative generano:

• Un bagno di fusione più "freddo" e viscoso.
• Un'ottima gestibilità per la saldatura in posizione (verticale, sopratesta).
• Un aumento della larghezza del profilo di penetrazione.
• Un incremento fisiologico del livello di spruzzi (proiezioni) e delle emissioni di fumi.
• Un maggiore livello di ossidazione che porta alla formazione di scorie o isole di silicati sulla superficie del cordone.

Ossigeno (O₂): gas attivo (reagisce chimicamente col metallo fuso), impiegato sempre in miscela con l'argon.

• Rende il bagno decisamente più fluido e caldo rispetto a una miscela argon-CO₂.
• Ottimizza la bagnabilità e favorisce un distacco della goccia dal filo molto più regolare (agevolando il trasferimento a spruzzo o spray arc).
• È indicato prevalentemente per le saldature in piano.

Gas riducenti per la saldatura ad arco

Idrogeno (H₂): gas riducente utilizzato in miscela con argon e talvolta CO₂. È molto apprezzato per spingere le prestazioni in saldatura automatica.

• Aumenta drasticamente l'energia termica dell'arco (garantendo un'elevata penetrazione e alte velocità di avanzamento).
• Assicura un'eccellente bagnabilità e un cordone esteticamente pulito.
• Nota tecnica: è compatibile esclusivamente con gli acciai inossidabili austenitici (da evitare su acciai al carbonio o ferritici/martensitici per il rischio di cricche a freddo indotte dall'idrogeno).

Azoto (N₂): alle alte temperature dell'arco elettrico si dissocia e reagisce con il bagno di fusione.

• È un alleato fondamentale per la saldatura degli acciai inossidabili Duplex e Super Duplex.
• Il suo scopo è compensare le possibili perdite di azoto (N₂) dal materiale base durante il ciclo termico, mantenendo la corretta struttura austeno-ferritica della lega.

2 - Procedimenti e materiali base

La scelta dei gas o delle miscele varia strettamente in funzione del procedimento di saldatura e della lega metallica da unire.

TIG (Tungsten Inert Gas) e Plasma: Nel TIG, il gas di saldatura ha il solo compito di proteggere l'elettrodo infusibile e il bagno di fusione. Nel Plasma, oltre alla protezione, serve fisicamente a generare la colonna di plasma (gas plasmogeno).
Gas inerti per tutti i materiali:

• Argon in purezza.
• Elio in purezza.
• Miscele Argon + Elio.
• Miscele Argon + Elio + Idrogeno (l'idrogeno è limitato al 5-7,5% e utilizzabile solo per gli acciai inossidabili austenitici).

MIG (Metal Inert Gas): Utilizza rigorosamente gas inerti per i metalli non ferrosi, come le leghe di alluminio, di rame e di nichel.

• Argon.
• Elio.
• Miscele Argon + Elio.

MAG (Metal Active Gas): Sfrutta gas attivi per la saldatura di tutte le classi di acciaio.

• Acciai al carbonio e acciai inossidabili:
  • Miscele Argon + CO₂ (per gli acciai inox, la percentuale di CO₂ o di O₂ è limitata al massimo al 2% per evitare l'ossidazione e la bruciatura del cromo nel bagno).
  • Miscele ternarie Argon + CO₂ + Ossigeno.
  • Miscele Argon + Ossigeno.
• Additivazioni per aumentare le performance:
  • È possibile l'aggiunta di Elio alle miscele per incrementare l'apporto termico e le prestazioni su tutte le tipologie di acciaio.
  • È possibile l'aggiunta di Idrogeno per spingere su penetrazione e velocità, ma solo ed esclusivamente se si saldano acciai inossidabili austenitici.