Saldatura TIG

La saldatura ad arco con elettrodo infusibile e protezione di gas inerte (comunemente chiamato più brevemente TIG, dalla denominazione inglese Tungsten Inert Gas ) è un procedimento di saldatura autogena in cui il calore è prodotto da un arco che scocca tra un elettrodo che non si consuma (detto quindi infusibile) ed il pezzo da saldare.
L’elettrodo è di tungsteno o leghe di tungsteno, cioè di materiale ad altissima temperatura di fusione, con ottime proprietà di emissione termoionica che viene sfruttata per facilitare il funzionamento dell’arco elettrico.
La saldatura viene eseguita portando a fusione i lembi del pezzo da saldare, realizzando il giunto eventualmente anche con bacchette di materiale d’apporto.
L’elettrodo, il bagno, l’arco, la bacchetta di materiale d’ apporto e le zone adiacenti del pezzo sono protetti dalla contaminazione atmosferica da un flusso di gas (o miscela) inerte che fuoriesce dalla torcia.
Questo processo ha tra le sue caratteristiche principali quello di utilizzare un elettrodo infusibile; conseguentemente, la saldatura può essere eseguita per i piccoli spessori senza materiale d’apporto e, quando questo è utilizzato, consente sempre un ottimo controllo del bagno grazie alla buona visibilità dello stesso ed all’assenza di fenomeni di trasferimento metallico nell’arco.
Il procedimento si adatta a qualsiasi posizione di lavoro e può essere applicato anche su lamierini di pochi decimi di mm di spessore.
Il processo TIG risulta molto utilizzato per la realizzazione di giunti di elevata qualità su materiali sensibili al riscaldamento imposto dalla saldatura.
Data invece la limitata produttività, il processo viene raramente utilizzato per eseguire il riempimento di giunti di elevato spessore.
Con il TIG si saldano perfettamente tutti i tipi di acciai al carbonio, bassolegati, legati, inossidabili, le leghe di nichel, l’alluminio e sue leghe, il rame e sue leghe, il titanio, il magnesio, ed altre leghe non ferrose.
Il procedimento TIG è ottimo per saldare spessori di qualche millimetro, perché la sua sorgente termica, intensa e concentrata, permette discrete velocità di saldatura e quindi consente di fondere i lembi senza eccessivi pericoli di sfondamento; inoltre la possibilità di impiegare corrente modulata accresce ancora queste caratteristiche.

Saldatura TIG degli acciai inossidabili
Il processo di saldatura TIG è correntemente utilizzato per la saldatura di acciai inossidabili austenitici; le tecniche esecutive sono simili a quelle utilizzate per la saldatura degli acciai al carbonio e bassolegati, con le modeste differenze descritte di seguito:
– il bagno di saldatura risulta decisamente più fluido, per cui è necessario incrementare opportunamente la velocità di saldatura quando si opera in posizioni diverse dal piano;
– la pulizia dei lembi è molto più importante, data la maggiore sensibilità di questi acciai alla formazione di cricche (a caldo) in zona fusa;
– si raccomanda l’uso di particolari filtri all’uscita della torcia e della protezione al rovescio (Figura 14) al fine di ridurre l’effetto di colorazione del cordone (ossidazione superficiale)
– al termine della saldatura è molto importante attendere qualche istante prima di allontanare la torcia, al fine di evitare ossidazione del cratere;
– per la pulizia e la lavorazione degli acciai inossidabili è sempre opportuno ricorrere ad utensili puliti e non contaminati su acciai bassolegati.

Parametri di saldatura e variabili
La scelta dei parametri di saldatura più opportuni è basata sul diametro e tipologia (puro o additivato) dell’elettrodo, sul tipo di gas e sulla modalità di alimentazione dell’arco già discusse nell’articolo che riguarda la saldatura MIG/MAG. Anche l’inclinazione della torcia segue le stesse tecniche della modalità MIG/MAG.

Fig. 1

Saldatura TIG

1 torcia vicina – 2 torcia lontana – 3 torcia inclinata – 4 torcia perpendicolare

In Figura 1 si evidenzia il fatto che con la torcia vicina al metallo base ed inclinata il cordone appare più pulito e stretto, mentre tende ad aumentare la zona termicamente alterata quando la torcia è lontana e perpendicolare al pezzo.
Nelle applicazioni manuali TIG è preferita la tecnica a spingere, con angolazioni attorno ai 15°, per il minore rischio di difettosità operativa, mentre nella saldatura in automatica è invece in genere utilizzata la tecnica con torcia perpendicolare al pezzo, che garantisce risultati intermedi ma facilita la gestione del metallo d’apporto.
Nella saldatura TIG abbiamo due modalità di gestione della corrente: continua e alternata. Utilizzando la corrente continua (Figura 2a e 2b) a polarità diretta si ottiene un bagno di fusione assai profondo e stretto, una elevata velocità di avanzamento e quindi la diminuzione dei ritiri e delle distorsioni, nonché minori conseguenze di natura metallurgica sul metallo base. Inoltre, a causa del limitato riscaldamento, l’elettrodo di tungsteno si consuma molto lentamente e può sopportare correnti piuttosto elevate anche se ha diametro modesto.

Fig. 2a

Saldatura TIG

Saldatura TIG in modalità DC

Fig. 2b

Saldatura TIG

Saldatura TIG in modalità DC

Questa modalità è soggetta a fluttuazioni disordinate che provocano alterazioni nel regime termico dell’arco. Utilizzando la corrente continua a polarità inversa, l’estremità dell’elettrodo tende quindi a surriscaldarsi fino a fondere, assumendo un aspetto tondeggiante ed è facile che piccole gocce di tungsteno vengano immesse nel bagno, consumando quindi rapidamente l’elettrodo e dando luogo a difetti spesso inaccettabili (inclusioni e spruzzi di tungsteno) nelle saldature. Per questi motivi, non si possono superare i 100 A. Questo tipo di alimentazione offre per il notevole vantaggio di frantumare la pellicola d’ossido infusibile che ricopre alcuni materiali (alluminio) attraverso la sabbiatura ionica. La polarità inversa è usata raramente, a causa dell’impossibilità di usare elevate correnti di saldatura, del rapido consumo dell’elettrodo, del bagno largo e poco profondo e della conseguente scarsa penetrazione.
Quando è necessario saldare con correnti superiori a 100 A, materiali che richiedono la rimozione della pellicola d’ossido, si deve alimentare la torcia con corrente alternata. In tale modo, ogni semi-periodo dell’onda di tensione in cui l’elettrodo è positivo consente una buona frantumazione della pellicola d’ossido, mentre l’altro semi-periodo in cui l’elettrodo è negativo serve a limitare il riscaldamento della sua punta. L’inconveniente è la difficoltà di re-innesco dell’arco. La saldatura ottenuta con procedimento TIG ad arco modulato, confrontata a quella ottenuta con TIG tradizionale, ha i seguenti vantaggi:
– maggiore penetrazione a parità di apporto termico;
– aumento del rapporto profondità/larghezza del cordone: con corretti valori dei parametri di saldatura si possono ottenere, per esempio, rapporti di 2÷1 nella saldatura degli acciai inossidabili;
– notevole riduzione delle deformazioni e della estensione della zona termicamente alterata, grazie ai minori apporti termici specifici che si possono avere rispetto al TIG tradizionale;
– insellamenti limitati, poiché le elevate correnti e la brevità degli impulsi permettono al bagno di raffreddarsi velocemente;
– possibilità di saldatura di spessori più sottili;
– limitati rischi di avere cricche a caldo, sempre grazie al minor apporto termico specifico, e alla forma più favorevole del bagno di fusione;

– minor rischio di inclusioni gassose, poiché la pulsazione dell’arco agita il bagno facilitando l’evoluzione dei gas.
Tra gli svantaggi principali, è possibile considerare il maggior costo del generatore (che deve essere di tipo a controllo elettronico) e la difficoltà che si può riscontare, in taluni casi, nella regolazione dei parametri della pulsazione.
In Figura 3 si può vedere un tipo di saldatura TIG pulsata senza materiale d’apporto.

Fig. 3

Saldatura TIG

Saldatura TIG senza materiale d’apporto

Per quanto riguarda invece gli effetti riscontrabili sul bagno, una variazione della tensione comporta una variazione della larghezza del bagno, e può essere ottenuta allungando l’arco ed l’allontanando la torcia dal bagno. Come effetto collaterale si riscontra inoltre una variazione della densità di energia che può portare, soltanto in casi limite, a variazioni della penetrazione. Esiste infine un valore massimo della corrente superato il quale l’arco tende a divenire instabile (tale parametro è funzione delle caratteristiche dell’elettrodo e del gas impiegato). La velocità di avanzamento, oltre ad influenzare l’apporto termico, provoca anche variazioni delle dimensioni del cordone. Per velocità di saldatura troppo basse, il cordone tende ad ingrossarsi troppo e, se non adeguatamente sostenuto, può essere fonte di sfondamenti; velocità eccessive possono essere causa di mancanze di penetrazione e di incollature (sarà conseguentemente necessario agire su tensione, corrente e tipo di gas impiegato).

Gas di protezione al rovescio della saldatura

Alcuni materiali sono caratterizzati da notevole reattività, cioè dalla caratteristica di reagire facilmente con l’ossigeno, provocando la formazione di patine superficiali aventi generalmente caratteristiche nettamente inferiori rispetto a quelle del materiale base. In questi casi, risulta necessario protegge dall’ossigeno il rovescio della saldatura almeno fino a quando il riscaldamento provocato dalla saldatura sia termicamente ininfluente sul rovescio della saldatura stessa. Come si può vedere in Figura 4 se il rovescio della saldatura non viene protetto si rischia di ottenere la formazione di carburi di cromo (numero 1, Figura 4b) che impoveriscono l’acciaio di cromo elementare per una eventuale ripassivazione dopo decapaggio.

Fig. 4a

Saldatura TIG

Superficie saldata

Fig. 4b

Saldatura TIG

Rovescio della saldatura

Quando la reattività del metallo è estremamente elevata (ad esempio il caso delle leghe di titanio), si protegge anche la parte del giunto posta alle spalle della torcia utilizzando opportuni dispositivi (per la loro forma, si parla di una “scarpetta”) per impedire la presenza di ossigeno finché il giunto non sia opportunamente raffreddato. I gas di protezione utilizzati in saldatura TIG possono essere classificati come segue.

– Gas inerti ad alta temperatura. Sono l’argon (Ar) e l’elio (He). Gli altri gas inerti (krypton, xenon, neon) non sono utilizzati in quanto, essendo molto rari, sono costosissimi. L’argon e l’elio sono monoatomici (cioè le loro molecole sono composte da un solo atomo), non sono perciò dissociabili, non reagiscono con alcun altro elemento (vapori e gocce di metallo) presenti nel plasma dell’arco elettrico; da ciò ne deriva la denominazione.
– Gas protettivi. L’azoto è un gas, in parte dissociabile ma chimicamente inerte, si utilizza, in piccole percentuali per ottenere specifici risultati. E’ invece spesso utilizzato per la protezione al rovescio dei giunti.
– Gas riducenti. L’idrogeno il gas riducente per eccellenza. Di questo gas viene sfruttata la proprietà di dissociarsi alla temperatura dell’arco e di riassociarsi, con sviluppo d’energia termica alla superficie del bagno, migliorando il trasferimento di calore. In saldatura TIG, l’idrogeno può essere utilizzato, in miscela con i gas inerti (miscela argon- idrogeno), per la protezione del bagno, e con i gas protettivi (miscela azoto-idrogeno) per la protezione a rovescio. Le percentuali tipiche contengono idrogeno dall’1 all’8%; valori più elevati di questo gas possono provocare porosità e richiedono il controllo molto preciso dei parametri di saldatura a causa della instabilità dell’arco.

Saldatura delle leghe di alluminio

Il processo di saldatura TIG trova molte applicazione nella saldatura dell’alluminio e delle sue leghe di alluminio, utilizzando, alimentazione in corrente alternata con sovrapposizione di alta frequenza o con corrente modulata ad onda quadra. Nel primo caso la corrente alternata permette la frantumazione dello strato di ossido superficiale e l’incremento della frequenza dell’alimentazione comporta già una riduzione dei tempi di arco spento e si riduce lo smaltimento di calore attraverso il gas di protezione.
Nel secondo caso prevede una sovracorrente di innesco d’arco, che esercita un ruolo di preriscaldo sul bagno, utile soprattutto in considerazione della elevata conducibilità termica di questo tipo di leghe. Dal punto di vista operativo, le leghe di alluminio presentano alcune particolarità, tra cui una notevole fluidità del bagno, a cui consegue un rischio di sfondamento della giunzione, accompagnata ad una elevata conduttività termica, che comporta un certo rischio di incollatura dei lembi.
E’ infine opportuno ricordare che le leghe di alluminio sono estremamente sensibili a problemi di criccabilità in zona fusa (a caldo) e di porosità, è pertanto estremamente importante la pulizia dei lembi e tra le passate, da effettuarsi con piccole frese e per via chimica. Durante il processo di decapaggio elettrochimico, la pulizia del cordone di saldatura dipende dagli elementi chimici presenti all’interno dell’elettrodo: un elettrodo al silicio determina uno sbiancamento del cordone durante la fase di decapaggio, un elettrodo al magnesio evita lo sbiancamento e risulta essere più stabile ma provoca dei processi di combustione.
Al termine della saldatura si può notare un alone molto chiaro che circoscrive il cordone di saldatura (Figura 5a).

Fig. 5a

Saldatura TIG

Saldatura TIG alluminio

Fig. 5b

Saldatura TIG

Saldatura MIG alluminio

Questo alone è dovuto al processo di sabbiatura ionica. Il gas inerte (Argon), durante la saldatura, risulta ionizzato. Gli ioni urtano violentemente contro la superficie del metallo base generando un processo di erosione che rimuove un sottile strato superficiale del pezzo.
Questo effetto è del tutto assente se si effettua una saldatura a filo MIG (Figura 5b) perché cambiano i parametri elettrici usati, ma il cordone risulta molto poco disteso e con la presenza di inclusioni e spruzzi.
Nella fase di decapaggio è molto difficile rimuovere o ridurre l’effetto di sabbiatura ionica che delimita il cordone di saldatura perché la superficie ha subito una pesante deformazione plastica (erosione) che ha cambiato totalmente la struttura del metallo base.

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