Tra i procedimenti di saldatura, quello ad arco con elettro di rivestiti ha avuto e continua ad avere una larga diffusione per la sua semplicità e sicurezza di impiego, anche se è incalzato da procedimenti di saldatura più produttivi, che garantiscono al giunto uguali o migliori qualità estetiche e metallurgiche. Nella saldatura elettrica ad arco con elettrodi rivestiti, l'energia termica necessaria per la fusione del metallo base e del metallo d'apporto è prodotta dall'arco elettrico che scocca tra l'elettrodo ed i lembi dei pezzi da unire. anima metallica il cui diametro definisce quello nominale dell'elettrodo e da un rivestimento esterno ottenuto da sostanze polverizzate unite con un legante ed essiccante in forno. L'anima conduce la corrente elettrica che alimenta l'arco e da un'altra parte di un'anima ed apporta il materiale costituente il cordone di saldatura.
Il rivestimento protegge il bagno di fusione ed il metallo d'apporto dall'influenza nociva dell'atmosfera. Reagisce con il metallo modificandone le caratteristiche chimiche e fisiche, ionizza l'arco e lo mantiene stabile. Le immagini evidenziano il materiale base, l'elettrodo, l'arco elettrico, il bagno di fusione, il cordone di saldatura e la scoria.
Le saldatrici sono l'elemento fondamentale dell'impianto di saldatura. Alcune di esse erogano corrente alternata, altre corrente continua. Le saldatrici a corrente alternata sono impiegate soprattutto nel campo del lobbistica.
Le saldatrici a corrente continua si impiegano nell'industria laddove particolari esigenze o limitazioni pratiche non consentono di utilizzare procedimenti più produttivi e quindi più economici, quali per esempio la saldatura filo continuo MIG-MAC. Nelle saldatrici a corrente continua l'operatore deve collegare i cavi della pinza porta elettrodo e del morsetto di massa ai due poli della sorgente di corrente. La polarità è riferita all'elettrodo. Si dice diretta se l'elettrodo è collegato al polo negativo. Si dice inversa quando l'elettrodo è collegato al polo positivo.
Ai morsetti di uscita delle saldatrici si può rilevare con appropriati strumenti di misura la tensione a vuoto, che è approssimativamente variabile fra i 50 e gli 80 volt. La tensione è la corrente di cortocircuito nel momento in cui si porta l'elettrodo a contatto col pezzo. La corrente è la tensione di saldatura, che nelle saldatrici moderne sono controllate da circuiti elettronici, che adeguano il regime di funzionamento delle saldatrici al variare della lunghezza dell'arco. Una saldatrice si può differenziare oltre che per le caratteristiche di saldatura, anche per la caratteristica statica, che definisce per ogni valore della tensione poli del generatore statico la corrispondente intensità di corrente nel circuito.
In commercio si trovano saldatrici a caratteristica cadente e saldatrici a caratteristica verticale. Sui diagrammi la linea bianca che interseca le curve caratteristiche statiche evidenzia il valore della tensione convenzionale in funzione della corrente di saldatura. Nella saldatura con elettrodi rivestiti il valore della tensione convenzionale in funzione della corrente di saldatura è di circa 1,5 V. l'intensità della corrente di saldatura è dato dalla relazione sperimentale tensione di saldatura uguale 20 più 0,04 per l'intensità della corrente di saldatura. Nelle saldatrici a caratteristica cadente ha Al variare della lunghezza dell'arco varia sia il valore della tensione che l'intensità di corrente. Nelle saldatrici a caratteristica verticale, un circuito elettronico mantiene inalterato il valore dell'intensità della corrente al variare della lunghezza dell'arco.
Dagli strumenti che appaiono in sovraimpressione si può rilevare la costanza della corrente e la compensazione automatica della tensione. Le sorgenti di corrente per saldatura sono confrontabili se ci si riferisce alle caratteristiche tecniche obbligatoriamente riportate su una targa inamovibile posta sulla cassa della sorgente stessa. Su tale targa vengono riportati dati e... essenziali per definire le prestazioni di una sorgente di corrente oltre alle varie norme di sicurezza che sono state rispettate dal costruttore. A titolo di esempio vediamo la targa della saldatrice utilizzata nell'audiovisivo per le prove con elettrodi.
Su questa targa sono specificati l'alimentazione ed il funzionamento elettrico, le norme internazionali a cui si sono attenuti i costruttori. Il tipo di procedimento di saldatura. La caratteristica statica della sorgente è la tensione a vuoto.
Il campo di impiego di una sorgente di corrente, definito dalle correnti di saldatura minima e massima, con le tensioni convenzionali a carico corrispondenti. I valori della corrente e delle tensioni convenzionali in relazione all'intermittenza di servizio. La presa di corrente trifase.
I fattori di potenza cos phi. La potenza assorbita. I valori in ampere dei fusibili di rete.
Il valore della tensione di alimentazione di rete. Gli assorbimenti di corrente della rete. Prima di mettere in funzione una saldatrice, l'operatore deve assicurarsi che la tensione di inserzione corrisponda a quella di rete. Successivamente, impostare il valore dell'intensità della corrente di saldatura agendo sull'apposito potenziometro.
In questa saldatrice è presente anche un dispositivo supplementare di controllo della dinamica d'innesto dell'arco in funzione del tipo e del diametro dell'elettrodo scelto. In basso vi sono i due innesti rapidi per il cavo porta corrente all'elettrodo e per il cavo di massa che si collega alla struttura metallica del banco e quindi indirettamente al pezzo. Gli elettrodi sono costituiti da un filo metallico che viene chiamato anima e da un rivestimento formato da polveri di composizione complessa e appositamente studiata. Il rivestimento è l'elemento che contraddistingue un tipo di elettrodo rispetto a un tipo di polvere.
ad altri. Si è così soliti parlare di elettrodi basici, elettrodi rutili, elettrodi cellulosici, elettrodi acidi, elettrodi ossidanti. Vi sono inoltre elettrodi ad alto rendimento, elettrodi per acciaio inossidabili, per ghise e per alluminio. Ogni costruttore consiglia per ogni elettrodo il tipo di corrente e la polarità, le posizioni di saldatura possibili ed il valore dell'intensità di corrente in funzione del diametro.
Con l'elettrodo basico si salda quasi esclusivamente in corrente continua con polarità inversa, polo positivo all'elettrodo in tutte le posizioni salvo la verticale discendente. Il rivestimento è composto essenzialmente da carbonati di calcio cioè magnesio, ai quali viene aggiunto un minerale detto fluorite per facilitarne la fusione. Questi elettrodi sono molto igroscopici e pertanto devono essere conservati in luogo asciutto ed essiccati prima dell'uso.
esso la loro punta viene graffitata per facilitare l'innesco dell'arco. Il rivestimento basico dà luogo ad un bagno freddo di dimensioni limitate che rende abbastanza agevole la saldatura in posizione. L'arco deve essere tenuto molto corto per evitare la formazione di porosità.
Il trasferimento metallico avviene in grosse gocce che possono provocare dei corti circuiti ed è pertanto necessaria molta abilità da parte del saldatore per non provocare proiezioni di metallo. I carbonati di calcio presenti nel rivestimento affinano il bagno di fusione e portano in superficie sotto forma di scoria le impurità quali zolfo e fosforo. Ne derivano depositi con elevate caratteristiche meccaniche anche quando si devono saldare acciai impuri e ricchi di carbonio.
Gli elettrodi basici vengono utilizzati quando sono richieste alla saldatura elevata resistenza, duttilità e tenacità anche a basse temperature ed assenza di cricche. La scoria è viscosa. relativamente leggera, poco fusibile e non si stacca molto facilmente.
Il cordone di saldatura si presenta con una maglia sufficientemente regolare e piuttosto bombato. L'elettrodo rutilo può essere impiegato sia in corrente continua con polo positivo alla pinza porta elettrodo, polarità inversa, sia in corrente alternata in tutte le posizioni. Il rivestimento è costituito essenzialmente da biossido di titanio. comunemente chiamato rutilo con aggiunta di ferroleghe di silicio e manganese per correggere la composizione del bagno di fusione. Il rutilo ionizza fortemente l'arco, si hanno pertanto elettrodi molto scorrevoli e facili da utilizzare.
Questi elettrodi non possono essere impiegati quando, per lo sviluppo di idrogeno, vi siano pericoli di cricche a caldo e a freddo. Gli elettrodi a rutilo sono tra i più usati soprattutto nei lavori correnti e di carpenteria. Le caratteristiche meccaniche del deposito sono buone, ma inferiori a quelle degli elettrodi basici.
La scoria si toglie molto facilmente anche quando si salda con cianfrini profondi e stretti. L'aspetto superficiale del cordone è buono dopo solidificazione, con maglia fine e regolare, e sono pertanto raccomandati per quelle saldature dove l'estetica è un fattore importante. L'elettrodo acido si utilizza in corrente continua con polarità diretta ed in corrente alternata preferibilmente per giunti non in posizione. Il rivestimento è costituito da biossido di silicio quarzo, ossido di ferro e ferroleghe di manganese e silicio. L'accensione dell'arco è pronta e la sua stabilità consente saldature senza alcuna difficoltà.
Gli elettrodi acidi fondono notevoli quantità di materiale base per cui risulta un bagno fluido. Le caratteristiche meccaniche dei depositi sono buone in quanto il bagno risulta ben disossidato. Il consumo di questi elettrodi è limitato quasi esclusivamente ai tipi omologati ed indicati nelle specifiche dei capitolati tecnici.
La scoria si stacca facilmente. La superficie del cordone è liscia e regolare, ma qualitativamente inferiore rispetto al tipo rutilo precedentemente analizzato. L'elettrodo cellulosico può essere utilizzato solo in corrente continua con polo positivo alla pinza porto elettrodo, polarità inversa.
Il rivestimento contiene un'elevata percentuale di cellulosa che brucia durante la fusione dell'elettrodo sviluppando grandi quantità di anidride carbonica e piccole percentuali di idrogeno. L'effetto che si ottiene dalla formazione del gas è quello di proiezione delle goccioline di metallo fuso contro i lembi da saldare, ottenendo così saldature a forte penetrazione anche quando si devono unire lembi in verticale e sovratesta. La precarietà dell'arco richiede generalmente l'impiego di sorgenti di corrente continua, aventi elevate caratteristiche dinamiche ed in grado di mantenere l'arco acceso durante le prime passate sui lembi distanziati.
Grazie alla notevole spinta d'arco, l'elettrodi cellulosici vengono utilizzati nella saldatura di tubi, potendosi ottenere saldature ben penetrate e prive di inclusioni di scorie. Non sono invece consigliati per impieghi su materiali suscettibili alle cricche a caldo e con tendenza alla tempra. La scoria è scarsa e leggera.
Il cordone ha un aspetto appena sufficiente con qualche irregolarità. L'elettrodo ossidante può essere impiegato in corrente continua con polarità diretta ed in corrente alternata anche con i normali trasformatori per obistica. Il rivestimento è fermato essenzialmente da ossidi di ferro che producono una scoria molto fusibile. L'ossido di ferro tende ad ossidare il metallo d'apporto che è caratterizzato da un bassissimo allungamento e complessivamente da caratteristiche meccaniche mediocri. La scoria, molto fluida, non consente di eseguire saldature in verticale e sopra testa.
Gli elettrodi ossidanti sono quindi utilizzati per saldature di lamiere sottili, lavori di carrozzerie e nell'obistica, dove si richiede buona accensione dell'arco e sufficiente facilità d'uso. La scoria si stacca molto facilmente con un pezzo freddo dopo saldatura. L'aspetto del cordone è buono con maglia irregolare ma sufficientemente liscia. A seconda delle loro caratteristiche e della loro qualità, gli elettrodi vengono classificati secondo varie normative al fine di garantirne un uso corretto ed appropriato. Esistono vari sistemi di classificazione.
I più conosciuti sono in campo nazionale l'Uni e nel campo internazionale ISO, l'AWS e DIN. Come si può notare dalle immagini, le sigle di questi enti, riferite ad un elettrodo basico, si differenziano tra loro pur indicando essenzialmente le stesse caratteristiche. La norma UNI specifica ben nove parametri.
Primo, l'elettrodo rivestito. secondo la resistenza a trazione, terzo il campo d'impiego, quarto la classe di qualità, quinto la natura chimica del rivestimento, sesto la posizione di impiego, settimo l'alimentazione elettrica, ottavo il rendimento, nono le caratteristiche a bassa temperatura. Il sistema AWS, American Welding Society, assai diffuso, è molto più semplificato. La sigla è infatti composta dalla lettera E seguita da sole quattro cifre. Le prime due cifre indicano la resistenza a trazione del metallo depositato, espressa in migliaia di libre per pollice quadrato.
La terza cifra da sola indica la posizione di saldatura, mentre la terza e la quarta cifra assieme indicano la natura chimica del rivestimento e l'alimentazione elettrica. I dati forniti dalle statistiche di vendita riportano che gli elettrodi più utilizzati sono quelli con rivestimento a rutilo comprendenti bene il 65% del consumo totale. Seguono gli elettrodi basici con il 26%, gli elettrodi per acciai inox con il 6% e gli elettrodi speciali per un consumo pari al 3%. Complessivamente in Italia si consumano annualmente all'incirca un miliardo di pezzi, corrispondenti a circa 26.000 tonnellate di deposito. Tale consumo tende ogni anno a diminuire leggermente a causa dell'impiego di tecniche di saldatura più produttive, che consentono fra l'altro l'edizione del procedimento di saldatura.
In questa prima parte del programma di trasferimento del materiale d'apporto dall'elettrodo al giunto di saldatura. Le saldatrici impiegate con le loro caratteristiche elettriche ed i principali tipi di elettrodi impiegati. Nella seconda parte analizzeremo invece alcune prove più significative di saldatura su acciaio comune e su alcuni metalli speciali.