Saldatura del rame con procedimenti a gas

Occorre tenere in considerazione che il rame ha proprietà molto specifiche che influenzano il risultato e la qualità finale della saldatura:

• elevata conducibilità elettrica,
• elevata conducibilità termica,
• un punto di fusione relativamente basso, di poco superiore a 1.000 °C

Consigli per la saldatura del rame nei processi ad arco e fiamma

Una delle maggiori peculiarità del rame è la sua elevata conducibilità termica. Indipendentemente dal tipo di processo di saldatura, il calore generato viene dissipato rapidamente. Nei processi di saldatura a bassa densità di energia (ad esempio, nelle applicazioni di saldatura TIG), molto spesso è necessario eseguire un opportuno preriscaldo.

L'utilizzo di argon puro per saldare il rame produce tipicamente un cordone di larghezza abbastanza ampia con classica penetrazione ‘a dito’, non troppo profonda a causa dell'alta dissipazione del calore. Questo richiede una particolare attenzione alle temperature di preriscaldo e alla velocità di raffreddamento dei componenti in fase post saldatura, tutto ciò al fine di evitare difetti di fusione/solidificazione e compromettere la resistenza dei giunti da unire.

L’utilizzo di miscele di elio/argon, a parità di altri parametri, aumenta l’apporto termico sul bagno di fusione e permette di ridurre l’utilizzo del preriscaldo (tempi e temperature).

Anche nei processi alimentati a filo, a maggiore produttività, come il  MIG, occorre tener conto delle caratteristiche fisiche del rame e, in funzione della geometria e degli spessori del giunto, programmare il ciclo di preriscaldo più idoneo. I gas utilizzati possono essere argon o miscele argon elio.
Nella brasatura e nella saldobrasatura il tema della dissipazione di calore si pone in maniera meno rilevante; per loro caratteristiche questi processi operano a temperature inferiori a quella di fusione del rame. Il giunto realizzato sarà eterogeneo, con caratteristiche meccaniche inferiori rispetto ad altre tecniche ma funzionali all’impiego finale dell’elemento brasato o saldobrasato (ad esempio: termoidraulica). Questo procedimento è sensibile alla pulizia delle superfici da unire e, a seconda delle leghe utilizzate, può essere necessario l’utilizzo di disossidante, in polvere o pasta, al fine di garantire una buona bagnabilità delle superfici stesse.

Le sfide della saldatura laser del rame

Un processo ad alta densità energetica, come il laser, è adatto alla saldatura del rame e delle sue leghe, con il vantaggio che, spesso, non è necessario scaldare preventivamente, con conseguente risparmio di tempo ed energia. Altro vantaggio del laser è quello di concentrare il calore su un volume di materiale della zona fusa minore, riducendo i rischi tipici dei difetti post saldatura.
Il rame è generalmente più facilmente saldabile con laser a diodi e laser a fibra. Questo perché il rame ha una buona assorbenza delle lunghezze d'onda emesse da entrambe le sorgenti, consentendo una efficace trasformazione dell'energia luminosa in calore per il processo di saldatura. Anche i laser Nd:YAG possono essere utilizzati per saldare il rame, ma potrebbero richiedere un maggiore controllo dei parametri del processo a causa delle proprietà ottiche del materiale. I laser CO₂ sono meno idonei alla saldatura del rame a causa della bassa assorbenza di questa sorgente alle lunghezze d'onda emesse, rendendo così difficile ottenere un efficace apporto termico sul materiale.

Quale gas scegliere per saldare il rame?

ARCAL™ Prime è la soluzione fondamentale per un'ampia gamma di applicazioni:

• Saldatura TIG e al plasma di tutti i materiali, compresi i più sensibili: rame, alluminio, titanio, zirconio, magnesio e relative leghe.
• Saldatura MIG Acciai al carbonio e bassolegati, inox e leghe di nickel, alluminio, rame e loro leghe. Protezione di tutti i materiali.

ARCAL™ Prime è un prodotto di alta qualità (oltre il 99,998% di Argon puro), conforme alla norma ISO 14175-I1-Ar e con un livello molto basso di impurità: acqua (H₂O), ossigeno (O₂) e azoto (N₂)
L'elevata purezza del gas garantisce un cordone di saldatura privo di difetti, anche a bassi spessori, e un eccellente aspetto della saldatura.
ARCAL™ Prime garantisce qualità costante e facilità d'uso, indipendentemente dalle quantità necessarie, dalle bombole ai liquidi stoccati nelle vostre strutture.

Altri gas della gamma ARCAL™ utilizzabili per la saldatura del rame  ad elevato apporto termico sono le miscele argon-elio: ARCAL™ 32, ARCAL™ 35, ARCAL™ 37.

Consigli per la saldatura del rame

La saldatura del rame è una sfida termica: la sua conducibilità è circa 10 volte superiore a quella dell'acciaio al carbonio. Questo comporta il rischio che il calore si dissipi dal bagno di fusione quasi più velocemente di quanto se ne riesca ad immettere.

La scelta del gas non serve solo a proteggere dall'ossidazione, ma diventa un vero e proprio "strumento termico" per compensare questa dispersione.

Il ruolo del Gas: Argon vs Elio

• Argon (Ar): Economico, garantisce un arco stabile e un ottimo innesco. Tuttavia, ha un'energia termica limitata. Va bene solo su spessori sottili.
• Elio (He): Ha un potenziale di ionizzazione molto più alto. Produce un arco molto più caldo e un bagno di fusione più fluido e largo. È indispensabile all’aumentare dello spessore.

Il rame può essere saldato sia allo stato puro che in forma delle sue leghe, ad esempio: rame-zinco (ottone), rame-stagno (bronzo), rame-nickel (cupronickel), rame-alluminio, rame-silicio ecc.

Il rame è molto sensibile alla presenza di ossigeno (causa di porosità) e di idrogeno (principalmente infragilimento da idrogeno), in generale, l’utilizzo di rame (o lega di-) privo di tali elementi riduce tali difetti post saldatura. Analogamente è raccomandato utilizzare gas di protezione privi di idrogeno o ossigeno.

Raccomandazioni Operative

Il Preriscaldo

Anche utilizzando miscele ricche di Elio, se si superano i 5 mm di spessore, il preriscaldo è quasi obbligatorio. Un idoneo preriscaldo riduce lo sbalzo termico e previene le "incollature" (mancanza di fusione all'inizio del cordone). Le temperature di riscaldo indicativamente vanno dai 200 °C fino ai 600 °C per alti spessori. Attenzione a non superare i 600 °C per evitare l'ingrossamento del grano.

TIG vs MIG?

TIG: Da preferire per giunti di alta qualità, sigillature ermetiche e finiture estetiche su spessori medio-bassi. Richiede molta abilità operativa. Se la punta di tungsteno non è perfetta l'arco tende a "ballare".
MIG: Fondamentale per la carpenteria pesante. Il calore immesso è più concentrato e l'alta velocità di deposito permette di completare il giunto mantenendo un accettabile equilibrio termico.

Pulizia

Il rame deve essere pulito meccanicamente (spazzola inox dedicata) appena prima di saldare al fine di rimuovere le impurezze superficiali potenziali fonti di porosità.

Materiale d'apporto

E' essenziale scegliere il materiale d'apporto corretto: a causa della sua elevata affinità con l'ossigeno, il rischio principale è la formazione di porosità gassose che rendono il giunto fragile. I materiali d'apporto per rame sono normalmente legati con piccole quantità di disossidanti (come Silicio, Manganese o Stagno) che "ripuliscono" il bagno di fusione.
Ecco le opzioni principali secondo le classificazioni AWS e EN.

• Rame Quasi Puro (ERCu / Cu-1)
  È la scelta standard per mantenere l'elevata conducibilità elettrica e termica del metallo base. Composizione: Contiene circa il 98% di Cu, con tracce di Si, Mn e spesso Argento (Ag). Peculiarità: l'argento abbassa leggermente il punto di fusione e migliora notevolmente la fluidità del bagno. Utilizzo: Impiantistica elettrica, barre collettrici, scambiatori di calore.
• Bronzo al Silicio (ERCuSi-A / Cu-Si3) 
  Molto utilizzato per la sua estrema facilità d'uso. Composizione: circa 3% di Silicio (Si). Peculiarità: ha una fluidità eccezionale e un punto di fusione più basso. Riduce notevolmente gli 'spruzzi' nel processo MIG. Utilizzo: Unione di rame con acciaio (brasatura MIG), lamiere sottili, sculture artistiche e carrozzeria.
• Bronzo allo Stagno (ERCuSn-A / Cu-Sn6)
  Utilizzato quando è necessaria una durezza meccanica elevata nel cordone di saldatura. Composizione: Contiene circa il 5-6% di Stagno (Sn) e tracce di Fosforo (P) come disossidante. Peculiarità: Il cordone risulta più duro e resistente all'usura rispetto al rame puro. Ha una colorazione leggermente più giallastra. Utilizzo: Riparazione di fusioni in bronzo, riporti anti-usura, giunti sollecitati meccanicamente.
• Bronzo all'Alluminio (ERCuAl-A1)
  Usato per applicazioni speciali dove la resistenza alla corrosione è l'obiettivo primario. Composizione: Contiene circa il 7-10% di Alluminio (Al). Peculiarità: Crea uno strato di ossido protettivo molto resistente. Offre la massima resistenza meccanica tra i materiali d'apporto a base rame. Utilizzo: Pompe per acqua di mare, eliche, componenti per l'industria chimica.

Raffreddamento post saldatura

Il raffreddamento controllato diventa necessario per i Bronzi all'Alluminio e Cupro-Nichel: queste leghe possono essere soggette a cricche a caldo o alla formazione di fasi intermetalliche fragili se il raffreddamento è troppo brusco. Un mantenimento della temperatura post-saldatura aiuta a distendere le tensioni.
Su grandi masse, su spessori oltre i 15-20 mm, lo sbalzo termico tra la zona fusa e il resto del pezzo freddo è tale da generare enormi tensioni residue. Un postriscaldo blando (150-200°C) aiuta a uniformare la contrazione del pezzo.

Infragilimento da idrogeno

Il fenomeno dell'infragilimento da idrogeno nel rame (noto come "malore del rame") è una delle insidie più subdole della metallurgia. Si verifica esclusivamente nel rame che contiene ossigeno, come il comune grado ETP (Electrolytic Tough Pitch), ed è irreversibile.
A livello microscopico avviene che l'ossigeno residuo di lavorazione presente nel rame sotto forma di ossidi, fungono da "esca" per l'idrogeno durante il riscaldamento. Gli atomi di idrogeno penetrano velocemente nella massa solida del rame, reagiscono con l'ossigeno creando molecole di vapore acqueo, troppo grandi per fuoriuscire dal bagno fuso. Rimanendo intrappolato ai bordi di grano, questo esercita una pressione enorme causando il fenomeno dell'infragilimento e conseguente calo drastico della duttilità. Per evitare questo effetto, in saldatura non si usa mai il rame ETP. Si ricorre a rame DHP (Deoxidized High Phosphorus) in cui l'ossigeno è eliminato tramite l'aggiunta di fosforo. Altra alternativa è il Rame OF (Oxygen-Free), rame purissimo, privo di ossigeno, usato in elettronica e applicazioni sottovuoto.

Saldabilità

Per quanto riguarda la saldabilità, il rame ad alto contenuto è normalmente saldabile con buoni risultati ad eccezione delle leghe di rame temprabili (ad esempio quelle con aggiunta di cromo). L'ottone ha una minore conducibilità termica ma occorrerà porre attenzione al rischio di evaporazione dello zinco dal bagno fuso con il conseguente rischio di porosità. Il bronzo, con contenuto di stagno fino al 10%, è sensibile alle cricche a caldo, di conseguenza occorre curare il corretto apporto termico specifico combinando in maniera idonea tensione, corrente e velocità di avanzamento oltreché porre particolare cura alla velocità raffreddamento del bagno che deve essere significativamente lento.

Più in generale, ogni lega di rame presenta in maniera più o meno marcata le caratteristiche e i rischi di difetti sopra descritti. In sintesi, i principali accorgimenti da adottare sono:

• Idonea temperatura di preriscaldo (soprattutto per rame puro e spessori medio alti)
• Idonea curva di raffreddamento post saldatura
• Corretto apporto termico specifico al fine di minimizzare il gradiente termico.
• Minimizzare la volatilità dei componenti bassofondenti usando idoneo materiale d'apporto e evitando velocità di saldatura troppo basse.
• Pulire la superficie dei componenti dalla presenza di olii, vernici, polveri ecc. (fonti di porosità)

Focus: la saldatura laser del rame e delle sue leghe

Perché scegliere il Laser?

La saldatura laser sul rame è un gioco di estremi: da un lato la conducibilità termica (che dissipa il calore) e dall'altro la riflettività (che respinge l'energia). Rispetto a MIG e TIG, il laser non è solo un'alternativa, è un cambio di paradigma fisico.

Ecco i vantaggi e gli svantaggi di questo "bisturi di luce" applicato al rame.

Il laser concentra un'energia enorme in un punto microscopico (altissima densità di potenza). Questo permette di fondere il rame istantaneamente, superando la sua capacità di dissipare il calore prima che l'intero pezzo diventi rovente.

Rispetto all'arco elettrico, il laser lascia il materiale circostante quasi freddo. Questo significa una zona termicamente alterata ridottissima, deformazioni geometriche minime e conseguente mantenimento delle proprietà meccaniche della lega originale.

Un laser può saldare a velocità di metri al minuto, dove il TIG procede a centimetri al minuto. Inoltre, la tecnica keyhole permette penetrazioni profonde in passata unica, eliminando la necessità di lembi complessi o passate multiple tipiche del MIG.

Una volta impostati i parametri, il laser si presta molto bene a replicare il processo. È perfetto per l'integrazione in linee Industry 4.0, rispetto ad esempio, alla saldatura manuale TIG che dipende in maniera importante dall'abilità dell'operatore.

I punti da valutare nella scelta della saldatura laser

Il rame allo stato solido riflette circa il 95% della radiazione infrarossa (laser a fibra comuni). Questo non solo crea una forte dissipazione di energia, ma crea riflessi di ritorno pericolosi che possono danneggiare la sorgente laser stessa. Ad oggi si stanno sviluppando nuovi laser Verdi o Blu, le cui radiazioni vengono assorbite dal rame molto meglio del classico infrarosso.

Mentre con il MIG è possibile compensare un gap di 1-2 mm grazie all'utilizzo del filo, il laser richiede un accoppiamento perfetto (gap < 0.1 mm). Se i pezzi non combaciano millimetricamente, il raggio oltrepassa il giunto senza saldarlo.

Un impianto laser costa almeno un ordine di grandezza in più rispetto ad una buona saldatrice TIG/MIG professionale. È un investimento giustificabile solo per grandi volumi o componenti ad altissimo valore aggiunto.

Le riflessioni del raggio laser su una superficie lucida come il rame sono imprevedibili e potenzialmente molto dannose per le parti con cui vengono a contatto, in particolare per la vista e per le zone cutanee non coperte. Gli aspetti di sicurezza, formazione e di progettazione delle relative aree di lavoro sono molto importanti e onerosi.