Saldatura TIG

Saldatura TIG

La Saldatura TIG (Tungsten Inert Gas) o GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), secondo la terminologia AWS, è un procedimento di saldatura ad arco con elettrodo infusibile (di tungsteno), sotto protezione di gas inerte, che può essere eseguito con o senza metallo di apporto. La saldatura TIG è uno dei metodi più diffusi, fornisce giunti di elevata qualità, ma richiede operatori altamente specializzati. Questa tecnologia di saldatura fu sviluppata inizialmente per l'industria aeronautica nel corso della Seconda guerra mondiale per sostituire sugli aerei i rivetti con saldature (molto più leggere a parità di resistenza).

Linee generali del procedimento

Il procedimento si basa su una torcia in cui è inserito l'elettrodo in tungsteno, attorno a cui fluisce il gas di protezione che, attraverso un bocchello di materiale ceramico, è portato sul bagno di fusione. L'operatore muove la torcia lungo il giunto per spostare il bagno di fusione, mentre, nel caso che sia richiesto materiale d'apporto, contemporaneamente sposta la bacchetta del materiale in modo tale da tenerla costantemente con l'estremità entro l'arco e comunque sotto la protezione del gas. L'attrezzatura per effettuare una saldatura TIG quindi è composta da:

. Generatore di corrente (Welding machine)

. Torcia composta da :

. Elettrodo di tungsteno (Tungsten electrode)

. Bocchello di alimentazione del gas di protezione (Gas passage)

. Guaina isolante (Insulating sheath)

. Alimentatore elettrico (Electrical conductor)

. Supporto elettrodo (Electrode holder)

. Bombola del gas di protezione (Inert gas supply)

. Eventuale bacchetta di metallo d'apporto

Uno dei principali vantaggi di questa tecnologia è che l'apporto di materiale nel bagno di saldatura è indipendente dall'apporto termico nella saldatura, a differenza di quanto accade nelle saldature a filo o a elettrodo consumabile. Questo procedimento può essere automatizzato, sotto questo aspetto è largamente usato per la produzione di tubi saldati partendo da nastro metallico e per la saldatura dei tubi alle piastre tubiere degli scambiatori di calore.

Il procedimento TIG è particolarmente indicato quando devono essere saldati piccoli spessori di materiale, a partire da pochi decimi di mm, tuttavia non è possibile saldare spessori superiori a qualche mm (2-3 mm per gli acciai) con una singola passata (perciò, in generale, non si usa per saldare spessori superiori a 5-6 mm), quindi, considerando la bassa produttività, spesso viene usato per effettuare la prima passata di un giunto, mentre il riempimento viene effettuato successivamente con procedimenti a produttività più elevata. Date le sue caratteristiche il procedimento può essere utilizzato in qualsiasi posizione e può essere usato per saldature continue o per saldature a punti. Non è consigliabile l'uso di questo procedimento in luoghi aperti, dato che anche un vento leggero può disperdere il gas di protezione.

Postazione per saldatura TIG. vedi nel testo il significato delle scritte

Gli elettrodi

Gli elettrodi, dovendo essere di un materiale capace di resistere alle temperature dell'arco elettrico, sono, ormai da molti anni solo in tungsteno o sue leghe, ai primordi di questa tecnologia (anni quaranta) venivano usati anche elettrodi di grafite. Il tungsteno, oltre ad avere caratteristiche termiche meccaniche migliori, è preferito per il suo elevato potere termoelettrico (capacità di emettere elettroni ad elevata temperatura), che stabilizza l'arco. Per aumentare il potere termoelettrico del W, talvolta gli elettrodi sono legati con piccole percentuali (1-2%) di Th (elettrodi toriati).

Gli elettrodi possono essere trovati in commercio a diversi diametri da 0,25 a 6,4 mm. In genere sono utilizzati in corrente continua (cc), polarità diretta (pd), cioè con il polo positivo sul pezzo. L'uso della polarità inversa (pi), cioè con il polo negativo sul pezzo, è utilizzato per la saldatura di metalli leggeri (Al e Mg) o quando è importante la stabilità dell'arco. Tuttavia, dato che la ccpi fornisce meno energia al bagno, quindi richiede correnti d'arco più elevate, spesso è preferibile sostituirla con la saldatura in corrente alternata (ca), che può essere simmetrica o dissimmetrica.

L'elettrodo, prima di essere utilizzato in ccpd, deve essere affilato perché la punta assuma una forma conica, con un'altezza del cono circa 1,5 volte il diametro, in questo modo si aumenta la sua capacità di emettere elettroni, quindi si ottiene un buon riscaldamento del bagno anche con correnti relativamente basse. Invece in ccpi si deve tendere a far assumere all'elettrodo una forma piatta (e, naturalmente, per questi usi si evita di usare elettrodi toriati), proprio per limitare l'emissione di elettroni, che richiederebbero una maggiore tensione a parità di corrente d'arco.

I gas di protezione

Generalmente il gas di protezione viene immesso su entrambe le facce del giunto (naturalmente se questo è accessibile su entrambi i lati), mentre sulla faccia dove si trova il bagno (al dritto) il gas è portato direttamente dalla torcia, sull'altra faccia (al rovescio) viene insufflato in condizioni controllate, in modo da assicurare una protezione dall'ossidazione anche alla radice della saldatura.

I gas usati più comunemente sono Ar o He, usati separatamente o in miscele. In alcune applicazioni speciali vengono usate miscele di Ar con H.

In genere si preferisce Ar puro alle altre soluzioni, per i seguenti vantaggi:

. favorisce la stabilità dell'arco

. pulizia della superficie su metalli leggeri (Al e Mg)

. costo relativamente basso

. richiede portate più basse per fornire la stessa schermatura

. penetrazione ridotta (particolarmente utile in saldatura manuale su bassi spessori)

L'He viene utilizzato per la saldatura di lamiere di forte spessore (maggiore conducibilità termica, quindi maggiore penetrazione), viene usato in miscela con l'Ar per bilanciare le caratteristiche dei due gas.

L'uso di H in miscela con Ar è limitato agli acciai austenitici ed alle leghe a base di Ni, a causa dei danni metallurgici che potrebbe portare agli acciai ferritici (cricche a freddo). Il limite pratico di concentrazione dell'H nell'Ar è di circa l'8%, anche se sono state usate miscele con 1/3 H e 2/3 Ar. La presenza di H nel gas di protezione aumenta l'energia trasferita dall'arco nel materiale da saldare, inoltre l'H agisce come materiale riducente, inibendo la formazione di ossidi e quindi lasciando superfici di saldatura molto pulite. Per questi motivi viene usato (quasi esclusivamente in saldatura automatica) per saldatura di tubi per impianti chimici o nucleari o di tubi a piastre tubiere.

Le portate di gas di protezione devono essere stabilite dal tecnico di saldatura, basandosi soprattutto sulla propria esperienza e su prove finalizzate al particolare lavoro ed alla particolare geometria.

Difetti tipici della saldatura TIG

Difetto tipico di questa tecnologia, e non riportabile ad altre tecnologie, sono le inclusioni di tungsteno. L'arco deve sempre scoccare fra l'elettrodo di W ed il bagno, ma può succedere che, per un motivo qualsiasi, l'elettrodo venga a contatto con il bagno. In questo caso l'elettrodo può frammentarsi, rilasciando nel bagno delle schegge di W (Ø < 1 mm), queste schegge di solito hanno una forma prismatica, con bordi fortemente angolati. Questo significa che sono inneschi per rotture fragili nella struttura del materiale saldato. Per evitare questi difetti è necessario un accurato addestramento del saldatore.

Un difetto relativamente frequente nelle saldature TIG è la mancanza di protezione che può essere sia al dritto sia al rovescio. La mancanza di protezione si manifesta come fiorette, cioè con spot circolari ossidati sul materiale. Questi difetti possono essere evitati effettuando prove appropriate prima di effettuare la saldatura.

Altri difetti riscontrabili in queste saldature sono porosità, mancanze di fusione o cricche, questi difetti devono essere evitati effettuando accurate prove di qualifica del procedimento.

Difetti di saldatura e wps

Le saldature rappresentano la più importante incognita nell'assemblaggio di manufatti d'acciaio. Non è infatti possibile definire a priori le tensioni che un giunto saldato sia capace di sopportare, se non empiricamente, ossia mediante prove del tipo distruttivo.

Dal punto di vista progettuale si è quindi soliti considerare un giunto saldato come un giunto omogeneo, ove però si utilizzino elevati coefficienti di sicurezza, empiricamente ricavati dalle prove di tipo distruttivo. I costruttori analogamente si impegnano a processare i giunti nelle condizioni standard, nelle quali si sono ricavati i dati empirici. A tal fine vengono stillate le WPS, che fissano le variabili di saldatura in range ristretti che l'operatore deve rispettare al fine di rendere il più possibile la saldatura simile a quella campione e quindi dare un senso ai calcoli progettuali. È già sufficiente quindi non rispettare anche un solo parametro della WPS, per introdurre un difetto di saldatura nel senso largo del termine, in quanto ciò altera le prestazioni teoriche. Ma normalmente per difetti di saldatura si intendono le imperfezioni fisiche, che fanno precipitare i valori di resistenza e tenacità del giunto saldato in quanto trattasi di inneschi di rottura nonché intensificatori di sforzi che nel più o meno lungo periodo causano la frattura della saldatura.

Difetti dimensionali

Difetti di saldatura che possono essere interpretati come dimensionali sono una eventuale fusione delle parti in maniera tale che il cordone di saldatura si presenti con una convessità eccessiva tale da formare una calotta convessa che può presentare un innesco per fenomeni di rottura fragile, oppure difetti che possono portare a un sottosquadro della saldatura, creando in tal modo una zona con resistenza meccanica più bassa di quella adiacente.

Difetti di fusione

i Difetti di fusione sono caratterizzati dalla mancata fusione dei lembi saldati. Possono essere causati da:
1) un insufficiente apporto termico durante l'esecuzione della saldatura, in questo caso non avviene la fusione di una o entrambe le parti che si volevano assemblare, causato da scarsa tensione, che influisce sulla larghezza del bagno di saldatura, o intensità di corrente, che influisce sulla capacità di penetrazione.
2) un errato posizionamento della torcia saldante, che può essere o un'eccessiva distanza o un'eccessiva inclinazione della torcia saldante.

Cricche,difetti non eliminabili,inclusioni di tungsteno

Sono difetti che possono essere presenti solo in TIG, in quanto provocati dal fatto che l'elettrodo (appunto in lega di tungsteno) viene a contatto col bagno di saldatura, lasciando dei frammenti in zona fusa. Questi frammenti formano inclusioni dopo la solidificazione del bagno