Saldatura MIG

La saldatura MIG/MAG ad arco con filo continuo è un insieme di processi di saldatura nei quali il calore viene generato da un arco che scocca tra un filo fusibile ed il pezzo. Conseguentemente il filo assolve sia alla funzione di elettrodo, sia alla funzione di apportare materiale al giunto, in quanto il passaggio della corrente ne provoca la fusione ed esso viene alimentato continuamente nella zona di saldatura mediante una torcia. L’atmosfera protettiva necessaria per consentire il funzionamento dell’arco elettrico e per evitare la contaminazione del bagno da parte dell’atmosfera d’aria può essere fornita da un gas affluente dalla torcia (saldatura sotto protezione di gas) o direttamente dal filo animato, così come avviene anche per gli elettrodi rivestiti (saldatura senza protezione di gas). Sono disponibili diverse versioni della saldatura a filo continuo, così come indicato dalla Tabella 1 che ne riporta una descrizione sintetica.

Tipologie di saldature a filo

  • Saldatura a filo continuo pieno con protezione di gas inerte (MIG – Metal Inert Gas);
  • Saldatura a filo continuo pieno con protezione di gas attivo (MAG – Metal Active Gas);
  • Saldatura a filo continuo animato, a riempimento di flusso (anche metallico), con protezione di gas attivo;
  • Saldatura a filo continuo animato, a riempimento di flusso (anche metallico), con protezione di gas inerte;
  • Saldatura a filo continuo animato, senza protezione di gas.

Trasferimento ad arco pulsato
I generatori di saldatura a controllo elettronico permettono l’impiego di corrente modulata per la gestione del processo di saldatura a filo continuo. Conseguentemente, è possibile utilizzare particolari forme d’onda che consentano di ottenere un trasferimento regolare del metallo, indipendentemente dal calore fornito al bagno e, conseguentemente all’apporto termico. Nella sua forme più semplice, la saldatura con arco pulsato prevede una corrente caratterizzata da un valore di base, sufficiente a mantenere l’arco acceso, e da un valore di picco, che determina il distacco della goccia per effetto pinza. L’apporto termico viene invece valutato sulla base della corrente efficace (quadratica media), che viene riportato in genere sullo strumento a bordo macchina o dalla pinza voltamperometrica. Conseguentemente si ottiene una penetrazione del deposito direttamente correlata alla corrente di picco, associata tuttavia all’apporto termico, inferiore, calcolato sulla corrente efficace. La forma d’onda in Figura 1, rappresenta la forma più semplice della saldatura con trasferimento ad arco pulsato.

Saldatura MIG

Figura 1 Forma d’onda arco pulsato

Sono stati tuttavia sviluppati nel tempo programmi dedicati, che consentono una gestione ancora più accurata della corrente (e talvolta della tensione): si usano pertanto pulsazioni a più picchi, con rampe di salita e discesa a pendenza differente, o a frequenza variabile. Questi programmi quindi mirano a dare il giusto apporto termico durante la saldatura in modo tale da avere la giusta penetrazione del materiale d’apporto nel metallo base. Cambiando la modalità di pulsazione (Figura 2), si può avere un cordone più pulito, più chiaro e con porzioni di materiale d’apporto che si succedono con un ritmo più stretto a causa dell’incremento della pulsazione della saldatura.

Saldatura MIG

Pulsazione veloce

Saldatura MIG

Pulsazione media

Saldatura MIG

Pulsazione lenta

Figura 2 Modalità di pulsazione dell’arco : 1 Pulsazione veloce, 2 Pulsazione Media, 3 Pulsazione lenta

La saldatura con arco pulsato è utilizzata frequentemente nella saldatura delle lamiere sottili, soprattutto nel caso di materiali particolarmente sensibili agli effetti termici della saldatura (acciai inossidabili, leghe non ferrose) e in generale è molto frequente nella saldatura delle leghe leggere, riducendo il rischio di inclusioni per effetto del picco di corrente, e di sfondamenti per effetto del ridotto apporto termico. Sono infine di recente introduzione programmi speciali per l’esecuzione della prima passata, per la saldo-brasatura, per contenere i fumi di saldatura ed il rumore, per ridurre l’insorgere di porosità nella saldatura dell’alluminio.

PARAMETRI CHE INFLUISCONO SULLA SALDATURA

Materiale d’apporto
L’80% di una buona saldatura ricade sulla scelta del materiale di cui è costituito il filo o materiale d’apporto. Con il passare degli anni, il filo sta diventando sempre più scadente. Ciò comporta una qualità della saldatura molto bassa. Visivamente il cordone della saldatura diventa molto scuro e contaminato da inclusioni difficili da rimuovere durante il decapaggio. La colorazione del filo utilizzato nella saldatura determina anche la colorazione del cordone di saldatura. Se il filo ha una colorazione scura, anche il cordone diventerà scuro. Per questi motivi il processo di produzione del filo gioca un ruolo fondamentale. Un filo di ottima qualità viene ottenuto attraverso un processo di trafilatura, satinatura, e un doppio processo di decapaggio elettrochimico. Il processo di satinatura viene eseguito per abbassare la resistenza di attrito del filo quando attraversa il condotto plastico di alimentazione durante la saldatura.

La satinatura ha rimpiazzato il vecchio filo bianco lucido perché possedeva una resistenza di attrito molto alta. Un doppio processo di decapaggio del filo ha un costo di produzione del 30% in più di un normale processo di trafilatura. Molto spesso quest’ultima fase viene rimossa all’interno del processo produttivo per motivi economici, lasciando il filo unto di residui della satinatura e oli lubrificanti derivanti dal processo di trafilatura. Durante la saldatura questi residui determinano un processo di combustione provocando delle bruciature e un colore scuro lungo il cordone di saldatura. Il processo di saldatura comporta la formazione di silicati lungo il cordone, rendendo molto difficile il successivo processo di decapaggio elettrochimico. I silicati che si creano durante la saldatura sono il risultato della presenza di silicio all’interno della composizione chimica del materiale d’apporto. La quantità massima di silicio consentita all’interno del filo è dell’1%. Il silicio viene inserito tra gli elementi di lega perché ha la capacità di conferire al filo una minor rigidezza, un’alta lavorabilità e quindi un aumento della velocità di trafilatura. Questi silicati non possono essere rimossi dal cordone ma possono essere ridotti durante la saldatura. La riduzione dei silicati avviene attraverso:

  • L’utilizzo di un filo con una bassa percentuale di silicio
  • Dalla dimensione del cordone
  • L’utilizzo di un basso valore della corrente elettrica

I fili che contengono una percentuale alta di silicio determinano un aumento della probabilità di ottenere dei silicati sul cordone di saldatura. Questa probabilità aumenta quando la dimensione del cordone aumenta. Esiste un limite superiore della corrente oltre il quale la concentrazione di silicati diventa molto alta, determinando un peggioramento delle proprietà del materiale saldato. L’aumento della corrente molto spesso è legato all’idea di aumentare la produttività aziendale, ma porta solo ad abbassare la qualità della saldatura e dell’intero prodotto finito.

Gas protettivo
La quantità del gas che fuoriesce dall’ugello è un altro parametro importante durante la saldatura. Un valore della portata di gas troppo bassa non protegge in maniera adeguata il bagno di fusione. Un valore della portata di gas troppo alta crea delle turbolenze che permette all’ossigeno presente nell’aria di reagire con il bagno di fusione creando degli ossidi indesiderati. In Figura 3 si può notare un cordone di saldatura ottenuto con una portata di gas non ottimale.

Saldatura MIG

Figura 3 Cordone di saldatura ottenuto con una portata di gas non ottimale

A livello visivo si notano delle minute schegge raggruppate (spruzzi, marcati di rosso) di materiale d’apporto sul metallo base con un cordone non omogeneo e molto sporgente (Figura 3). La portata corretta di gas è dettata dal diametro interno dell’ugello di fuoriuscita del gas stesso. Se il diametro è di 15 mm il flusso sarà tarato a 15 l/min. Questa impostazione permette di ottenere un abbassamento del numero delle schegge e dello spessore del cordone. Il diametro dell’ugello viene scelto in base alla dimensione del cordone di saldatura che si vuole realizzare: cordone stretto, ugello stretto; cordone largo, ugello largo. La portata minima del gas per effettuare una saldatura è di 10 l/min.

In precedenza si utilizzava la miscela con il 2% di ossigeno. Il risultato della saldatura era un cordone molto scuro. Il vantaggio di utilizzare l’ossigeno come gas attivo nella tecnologia MAG era quello di mantenere basso il livello di carbonio quando si saldavano acciai come il 304L e il 316L, lasciando i cordoni anneriti e difficili da decapare. Oggi questa modalità è stata sostituita dall’utilizzo di una miscela a base di anidride carbonica. Numerosi studi hanno confermato che un contenuto di anidride carbonica inferiore al 5% non altera la composizione chimica degli acciai saldati. Con queste percentuali di anidride carbonica, la percentuale di carbonio all’interno degli acciai riamane invariata. Inoltre, il gas attivo ha una temperatura bassa ottenendo una saldatura con basso apporto termico, chiara e omogenea. Miscele particolari vengono realizzate aggiungendo l’idrogeno. Durante la saldatura, l’idrogeno si lega all’ossigeno presente nella zona di saldatura impedendo l’ossidazione del cordone. La percentuale di idrogeno massima è del 2% per evitare problemi di infragilimento e reazioni chimiche violente durante la saldatura. L’effetto dell’idrogeno è quello di ridurre la formazione di silicati, di creare un bagno di fusione più stabile e di rimuovere i residui sul cordone della saldatura più facilmente. Queste miscele ternarie sono adatte fino pezzi meccanici che hanno uno spessori di 4-5 mm, superati questi valori è consigliabile utilizzare una miscela binaria perché il risultato diventa praticamente identico. Lo spessore ottimale è di 1-2 mm. Lo spessore della lamiera incide sul processo di saldatura in quanto lamiere con grossi spessori hanno una percentuale di silicio più alta di una lamiera con spessori sottili.

Parametri Elettrici
Se aumentiamo il voltaggio, aumentiamo la temperatura del bagno di fusione e diminuiamo la probabilità di ottenere le schegge. Se aumentiamo la corrente e l’operatore è sufficientemente abile a seguire velocemente il bagno di fusione, la saldatura diventa impeccabile perché il raffreddamento del bagno di fusione diventa più veloce. In questo modo si abbassa l’apporto termico H durante la saldatura.

Saldatura MIG

Dove V è la tensione d’arco (Volt), I è la corrente d’arco (Ampere), η è l’efficienza di trasferimento termico fra l’arco ed il bagno di saldatura e v la velocità di avanzamento della sorgente stessa. Quindi da come potete vedere nella formula, aumentando la velocità di esecuzione l’apporto termico diminuisce. Nella pratica (Figura 4) si può vedere come il cordone con una velocità di avanzamento più alta ha una sezione più ristretta, un colore più chiaro e con meno inclusioni.

Saldatura MIG
Saldatura MIG

Figura 4 Effetto della Velocità di avanzamento sul cordone di saldatura

Se la velocità di avanzamento non è sufficiente per abbassare l’apporto termico, si procede ad abbassare il valore della corrente. Generalmente, per avere una buona saldatura, bisogna aumentare il voltaggio per evitare proiezioni e spruzzi, abbassare la corrente in modo tale da abbassare l’apporto termico, la formazione di silicati e le bruciature come mostrato in Figura 5.

Saldatura MIG

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Figura 5 Saldatura a filo continuo: 1 Valore alto della corrente, 2 Valore basso della corrente

Dalla Figura 6 si può notare che utilizzando la modalità ad arco pulsato e tutti i parametri elettrici ottimali, il cordone diventa più chiaro omogeneo e ben disteso.

Saldatura MIG

Figura 6 Cordone di saldatura ottimale

Per evitare la formazione degli spruzzi molto spesso si utilizzano degli spray che ricoprono il metallo base ma peggiora la qualità della saldatura perché abbiamo una sostanza che provoca una reazione di combustione durante la saldatura, specialmente quando si utilizza la modalità ad arco pulsato. Utilizzando parametri elettrici non corretti e una portata del gas non conforme si ottiene un cordone scuro, con molte inclusioni e spruzzi e poco appiattito (Figura 7).

Saldatura MIG
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Figura 7 Cordone di saldatura ottenuto con parametri errati

Nella saldatura MIG standard rispetto a quella pulsata, il cordone assume una colorazione scura, si verificano molte proiezioni e diventa più alto.

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Saldatura MIG

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Figura 8 Saldatura a filo continuo: 1 Mig Standard, 2 Mig arco pulsato

Queste problematiche si accentuano man mano che la distanza dei lembi si riduce. Per larghezze più ampie, i lembi vengono saldati in modalità spray-arc (MIG ad alta corrente) facendo attenzione che la velocità di avanzamento sia elevata in modo tale da dare il giusto apporto termico e ridurre le proiezioni in quanto questa modalità raggiunge un valore della corrente pari a 220-230 Ampere. Normalmente è adatto a per impianti automatici onde evitare le problematiche appena descritte.

Angolazione della torcia
Una saldatura eseguita in maniera non ottimale può generare un cordone “incollato”. In questo caso il cordone fonde parzialmente il metallo base e si adagia sopra i lembi di saldatura. Ne scaturisce che se il pezzo è soggetto ad un’azione meccanica, il cordone può essere distrutto causando la disgiunzione dei due lembi. Un cordone di saldatura ottimale tra due lamiere poste perpendicolarmente ha, in sezione, una forma triangolare con angoli di 45°.
Nelle saldature MIG/MAG/TIG, l’angolazione della torcia rispetto alla direzione dell’avanzamento ha un influenza significativa sulla forma del bagno e sulla penetrazione che è possibile ottenere (Figura 9).

Saldatura MIG

Figura 9 Angolazioni differenti della torcia

Saldatura MIG

Torcia inclinata

Saldatura MIG

Torcia perpendicolare

Figura 10 Angolazione della torcia: 1 Torcia inclinata, 2 torcia perpendicolare al pezzo

In Figura 10 si può notare come, a parità di velocità di avanzamento, inclinando la torcia, il cordone diventa ancora più omogeneo e chiaro mentre, tenendo la torcia perpendicolare al pezzo, il cordone diventa più scuro con una zona termicamente alterata più ampia. Esistono due modi di posizionamento della torcia (Figura 9). Quando la torcia è posizionata in direzione opposta a quella di avanzamento (tecnica a tirare ) l’energia dell’arco è concentrata sul bagno, e produce maggiore penetrazione, arco più stabile e minore spruzzi, anche se la visibilità del bagno è resa difficoltosa; la massima profondità del bagno si ottiene in genere per valori attorno ai 25° (saldatura in piano).
Nel caso in cui la torcia sia orientata nella direzione di avanzamento (tecnica a spingere), si ottiene un bagno più concavo, con minore penetrazione e diluizione; in questo caso il bagno risulta ben visibile e più freddo, quindi maggiormente controllabile.

Nelle applicazioni manuali è quindi preferita la tecnica a spingere, con angolazioni tra 5° e 15°, per il minore rischio di difettosità operativa; tuttavia questa non può essere utilizzata con fili animati che producono scoria, a causa della presenza di quest’ultima che, interponendosi tra l’elettrodo il bagno di saldature, provocherebbe lo spegnimento dell’arco. L’inclinazione della torcia permette anche di bruciare i residui di impurezza che possiede il metallo base prima che il bagno di fusione raggiunga la zona interessata. In questo modo i residui non vengono inglobati nella saldatura stessa.
L’aspetto chiaro del cordone di saldatura nella modalità MIG/MAG esiste solo quando, a parità di parametri corretti, la saldatura è eseguita all’interno di un angolo. In questa situazione il gas protettivo non viene disperso ma rimane concentrato nella zona da saldare.

Saldatura MIG

Photo credits:
Sparkalicious by Derek Gavey

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