Saldatura ad arco elettrico

L'arco elettrico viene generato tra un elettrodo e il pezzo da saldare, in atmosfera protettiva, che può essere gassosa (GMAW, TIG, Plasma) o flusso solido (SMAW, SAW). La regolazione e la stabilità dell'arco elettrico sono fondamentali per ottenere un cordone di saldatura di qualità. Air Liquide, leader mondiale nei gas per applicazioni industriali, offre una panoramica sui processi di saldatura ad arco elettrico.

Cos'è un arco elettrico?

L'arco elettrico si genera quando il livello di energia è sufficientemente alto da ionizzare l'atmosfera di gas circostante e generare un plasma gassoso tra i due poli di un generatore. Nel momento in cui si genera il plasma, si crea un flusso di corrente elettrica tra il polo positivo e il polo negativo.

L'arco elettrico è un fenomeno fisico piuttosto complesso; vengono a crearsi contemporaneamente fenomeni di ionizzazione dell’atmosfera e ricombinazione di gas, trasmissione di calore e attività elettromagnetiche. I fenomeni descritti variano il comportamento in funzione delle caratteristiche di conducibilità termica ed elettrica del gas, nonché della temperatura raggiunta durante il fenomeno stesso.
Le temperature raggiunte possono arrivare fino a circa 4000 ºC, ed è possibile distinguere le seguenti aree:

• Nucleo dell'arco: l'arco di plasma si forma tra i due elettrodi. Si tratta di una zona molto calda di particelle ionizzate. Il 90% della corrente passa attraverso questa zona,
• Involucro ionizzato: zona di transizione tra il nucleo dell'arco e l'atmosfera ambiente, dove le particelle sono parzialmente ionizzate. La temperatura all'interno di questa zona è ancora significativa, sebbene inferiore a quella all'interno del nucleo dell'arco,
• Gas caldi: a causa del trasferimento termico, il nucleo dell'arco e l'involucro ionizzato sono circondati da un gas caldo.

Principio della saldatura ad arco elettrico

Il sistema di saldatura ad arco elettrico è una delle tecniche di saldatura per fusione di due elementi metallici. Le due parti metalliche da unire vengono portate a fusione attraverso la generazione di un calore intenso, spesso il processo è integrato con l’aggiunta di materiale d’apporto (normalmente in forma di filo o bacchetta). Nel  ‘bagno’ di fusione si verrà a creare quindi una miscela omogenea composta dal materiale fuso dei componenti il giunto e dal materiale d’apporto.
In questo procedimento, il calore intenso fornito per fondere i metalli è prodotto da un arco elettrico. Questo si genera tra le parti da saldare e l'elettrodo, che viene avvicinato manualmente o meccanicamente in prossimità del giunto (può essere un elettrodo fisso, con movimento impresso alle parti da saldare o viceversa).
L'elettrodo può essere costituito da vari tipi di materiali, fusibili o infusibili. Lo scopo è quello di creare una differenza di potenziale tale da innescare e stabilizzare l’arco che trasferirà la corrente (e il calore) alla zona di saldatura. ,
L'elettrodo, a seconda del procedimento utilizzato, può essere consumabile, e quindi fondere progressivamente, andando ad alimentare, in continuo, il bagno fuso o, . viceversa, non fusibile; in tal caso, il materiale d'apporto può essere aggiunto separatamente sotto forma di bacchetta o filo. In tal caso il circuito è chiuso dall’elettrodo non fusibile ed il giunto da saldare.

Come funziona la saldatura ad arco elettrico ?

Da un punto di vista semplificato possiamo schematizzare il processo di saldatura ad arco come un circuito elettrico in cui viene applicata una tensione (V) tra i terminali di un generatore. Il circuito si chiude alla generazione dell’arco elettrico tra l’elettrodo e il pezzo. La corrente (I) di saldatura sarà determinata dalla tensione applicata (V) e dall'insieme delle resistenze elettriche delle attrezzature: cavo di saldatura, cavo e presa di massa, stick-out, arco elettrico.

La polarità varia a seconda del processo di saldatura, poiché il flusso di elettroni è stabilito dal polo negativo (catodo) al polo positivo (anodo). La zona anodica è quella che raggiunge una temperatura maggiore:

• Polarità inversa: il saldatore collega la torcia al polo positivo (anodo) della saldatrice. Il flusso di elettroni è diretto verso l'elettrodo che fonde durante la saldatura. 
  • Saldatura ad arco elettrico con elettrodo consumabile: in questo caso l'elettrodo è il filo di saldatura stesso, che deve fondere contemporaneamente al metallo base:
    • Saldatura GMAW (MIG, MAG): l'arco elettrico viene generato in atmosfera protettiva di gas che può essere inerte (MIG) o attivo (MAG),
    • Saldatura ad elettrodo (SMAW): l'arco elettrico viene generato in atmosfera protettiva generata dal deposito del flusso dell’elettrodo rivestito, che verrà successivamente rimosso meccanicamente dal giunto,
    • Saldatura ad arco sommerso (SAW): l'arco elettrico viene generato sotto protezione del flusso solido di saldatura.
• Corrente continua polarità diretta: il saldatore collega la torcia al polo negativo (catodo). Il flusso di elettroni è diretto verso il metallo base.
• Corrente continua polarità inversa: il saldatore collega la torcia al polo positivo (anodo) della saldatrice. Il flusso di elettroni è diretto verso l'elettrodo che fonde durante la saldatura.
• Corrente alternata:  viene utilizzata per applicazioni specifiche in cui si renda necessario modulare gli apporti termici. 

Come si ottiene un arco elettrico stabile?

Il comportamento dell'arco elettrico è influenzato dall'atmosfera che circonda l'elettrodo o il metallo d'apporto.
Nel caso della saldatura con elettrodo rivestito (SMAW), la stabilità e la direzione dell’arco dipendono principalmente dalla composizione del rivestimento, per i procedimenti sotto flusso gassoso come saldatura MIG / MAG o TIG la qualità dell’arco sarà  associata all'energia di ionizzazione tra elettrodo e pezzo e alla relativa temperatura d’arco.
Un gas con un basso potenziale di ionizzazione, come l'argon, trasforma gli atomi in ioni con relativa facilità. L'argon ha una bassa conducibilità termica e quindi permette di generare un arco elettrico molto stabile.
L'elio, viceversa, è un gas con un alto potenziale di ionizzazione, produce un arco più difficile da innescare e più instabile, ma è anche un gas con una conducibilità termica più elevata, che comporta un maggiore trasferimento di calore al pezzo e un impatto sulla saldatura in termini di produttività e penetrazione.