Saldatura ad arco a filo continuo: la guida definitiva

Saldatura ad arco a filo continuo con protezione di gas (G.M.A.W.) o senza (flux or self shielded wire): tutto quello che c’è da sapere

A. Premessa

L’assenza nel circuito di saldatura ad arco a filo continuo della bombola di gas, unitamente all’utilizzo di fili-elettrodi animati, identifica il processo di saldatura senza protezione di gas (SELF SHIELDED WIRE, NO GAS o FLUX); in tal caso la protezione gassosa è ottenuta grazie all’azione dell’anima facente parte del filo. Come avremo modo di approfondire, più avanti scoprirai quali sono le differenze con la saldatura ad arco con elettrodi rivestiti.

B. Il circuito di saldatura ad arco a filo continuo

Il circuito di saldatura è essenzialmente composto dai seguenti elementi:

1. generatore
2. torcia con fascio cavi
3. traina-filo
4. gruppo di raffreddamento ad acqua
5. bombola di gas con sistema di regolazione
6. morsetto con cavo di massa

Non fa parte del circuito, ma è ovviamente necessario avere  nel momento in cui ci si appresta a compiere questo tipo di operazione, una postazione di  lavoro adeguata, possibilmente con il relativo tavolo da lavoro Siegmund deve essere adeguatamente isolata da pareti di protezione o da tende per saldatura che garantiscono la protezione dell’operatore dalle radiazioni pericolose emesse durante la lavorazione.

1. Generatore di corrente

Il generatore è un dispositivo che ha il compito di alimentare la zona di saldatura con il materiale di apporto. Mediante l’utilizzo di una torcia apposita il generatore riesce a mantenere acceso l’arco elettrico che si forma tra il pezzo da saldare e il filo-elettrodo fusibile durante il processo di saldatura ad arco a filo continuo. A differenza dei generatori di saldatura tig e M.M.A. , nei quali è presente un unico parametro di regolazione (corrente di saldatura), nei generatori M.I.G.–M.A.G. sono presenti due dispositivi di regolazione. Uno regola l’intensità dell’arco elettrico (tensione di saldatura), l’altro che regola la velocità di apporto del filo di saldatura (corrente di saldatura).

Le tipologie di generatori rientrano in due categorie:

a) generatore in corrente continua DC (direct current)

I generatori in corrente continua sono i più diffusi per la saldatura ad arco a filo continuo perchè sono caratterizzati da una elevata stabilità. Questo perché si basano sul fatto che un arco elettrico alimentato a tensione costante e generato su un filo che viene apportato a velocità costante tende a stabilizzarsi naturalmente.

I parametri della tensione e della velocità del filo possono essere selezionati con una certa tolleranza data la flessibilità del processo. In questo modo si può ottenere il trasferimento delle gocce, dal materiale di apporto al materiale da saldare, sia con il procedimento a immersione “short arc” sia con il procedimento a spruzzo “spray arc“.

b) generatori in corrente pulsata

In questo caso la grandezza regolata nel generatore non è più la tensione, ma la corrente. Quest’ultima non viene mantenuta costante ma viene modulata con un treno di impulsi (da qui il nome “pulsato“). Gli impulsi hanno lo scopo di forzare lo stacco della goccia dal materiale di apporto. In questo caso non si ha una stabilizzazione naturale dell’arco, quindi impulsi e velocità del filo devono essere ben sincronizzati per ottenere una saldatura accettabile.

Sia nel primo che nel secondo caso, la regolazione è affidata ad almeno due manopole. Recenti ricerche sul settore hanno permesso di sviluppare e commercializzare saldatrici del tipo “sinergico”, nelle quali l’operatore agisce su una sola manopola di controllo. Nel generatore, infatti, vengono memorizzati dal costruttore i parametri ottimali di saldatura che possono essere richiamati e/o corretti dall’operatore, in funzione alle esigenze del lavoro da eseguire.

La diversa connessione dei poli della sorgente di saldatura al materiale da saldare identifica due modalità di esercizio:

i) corrente continua con polarità diretta

Con la polarità diretta la torcia viene collegata al polo negativo e il materiale da saldare al polo positivo della sorgente erogatrice. Questo tipo di connessione viene utilizzata solo nella saldatura con fili animati (FLUX).

ii) corrente continua con polarità inversa

La saldatura con questa modalità può avvenire collegando la torcia al polo positivo della sorgente e il pezzo da saldare al polo negativo della macchina erogatrice. E’ il collegamento più frequentemente utilizzato nella saldatura ad arco a filo continuo.

2. Torcia con fascio cavi

La torcia, che consente di trasferire il metallo di apporto alla zona di saldatura, ha il corpo isolato esternamente, inoltre permette il passaggio del filo-elettrodo, del gas e della corrente.

L’impugnatura della torcia contiene un pulsante di comando adibito all’accensione della corrente, alla fuoriuscita di gas e all’avanzamento del filo-elettrodo. Il fascio cavi è costituito da un conduttore di corrente, dell’acqua di raffreddamento nonché dalla guaina guida-filo. Esistono in commercio diversi tipi di torce o pistole di saldatura.

Torce raffreddate ad acqua o auto-raffreddate

Le torce raffreddate ad acqua sono usate quando le intensità di corrente impiegate sono tali da generare notevoli quantità di energia termica. Sono infatti raccomandate quando si utilizzano correnti di lavoro superiori a 300 A o nel caso di correnti pulsate. Le torce auto-raffreddate sono raffreddate dal gas di protezione e vengono impiegate quando le correnti di lavoro sono inferiori a 300 A; il loro utilizzo è assai diffuso.

Anche le torce a collo d’oca sono raffreddate dal gas di protezione e vengono usate per applicazioni a bassa intensità di corrente (trasferimento a immersione – short arc).

3. Traina-filo

Il traina-filo è un apparecchio azionato da un motore la cui funzione è quella di spingere il filo-elettrodo, dapprima avvolto in una bobina, verso la torcia e quindi alla zona di saldatura. La presenza di questo filo da origine al nome del processo: saldatura ad arco a filo continuo.

La scelta del valore della velocità di avanzamento del filo è effettuata agendo sull’organo di regolazione del motore. Una data velocità di avanzamento del filo implica una determinata velocità di fusione e quindi un valore definito della corrente di saldatura. Un elemento distintivo di un traina-filo risulta il numero di rulli preposti all’avanzamento del filo. Apparecchi a 4 rulli consentono di avere una maggiore regolarità di avanzamento del filo rispetto ad apparecchi a 2 rulli.

4. Gruppo di raffreddamento ad acqua

Il gruppo di raffreddamento ad acqua è un dispositivo utilizzato per il raffreddamento della torcia, se questa è raffreddata ad acqua, qualora le elevate correnti di saldatura in gioco provochino sovrariscaldamenti eccessivi. Esso, attraverso una pompa, consente la continua circolazione dell’acqua nella torcia e, tramite un sistema di raffreddamento, ne controlla il surriscaldamento.

5. Bombola di gas con sistema di regolazione

La bombola contiene il/i gas di protezione quali Argon, Elio, Anidride Carbonica e loro miscele. La bombola è corredata da un manometro con annesso riduttore di pressione, impiegato per segnalare la quantità di gas all’interno della bombola nonché da una elettrovalvola, comandata da un pulsante posto sulla torcia, che apre e chiude il flusso di gas a seconda di quando si inizia o si termina la saldatura.

6. Morsetto con cavo di massa

La pinza con cavo di massa consente il collegamento elettrico tra il generatore di corrente e il materiale base da saldare. Il cavo deve avere una sezione e una lunghezza in funzione dell’amperaggio massimo della sorgente di saldatura.

C. I gas di protezione nella saldatura ad arco a filo continuo

I gas di protezione utilizzati nei procedimenti di saldatura M.I.G.-M.A.G. sono essenzialmente di due categorie: inerti ed attivi. Appartengono alla prima categoria l’argon, l’elio e le miscele argon-elio mentre si definiscono attivi i gas quali l’anidride carbonica, le miscele di argon con ossigeno o anidride carbonica.

1. Argon

L‘Argon (Ar) è un gas inerte, prodotto dalla distillazione frazionata della atmosfera. E’ un gas estratto dall’aria quindi può contenere tracce di impurità quali ossigeno, azoto o vapore d’acqua. Risulta comunque essere adatto a quasi tutte le applicazioni in saldatura.

L’utilizzo di questo gas nelle applicazioni M.A.G. permette di avere una buona stabilità dell’arco e un facile innesco. Considerata inoltre la bassa conduttività termica, la parte centrale della colonna d’arco si mantiene a temperature elevate rendendo più fluide le gocce di materiale che transitano nella zona d’arco.

2. Elio

L’Elio (He) è un gas inerte, piuttosto raro, scarsamente presente nell’atmosfera e ricavato dal sottosuolo: di conseguenza risulta essere molto più costoso rispetto all’argon.

Le caratteristiche dell’elio, confrontate con quelle dell’argon, vedono una minore stabilità dell’arco ma una maggiore penetrazione. Il suo utilizzo è preponderante nel caso di saldature su grossi spessori e su materiali ad alta conducibilità termica come il rame e l’alluminio.

Poiché l’elio è un gas più volatile, è necessaria una maggiore quantità di gas per assicurare la giusta protezione alla zona interessata alla saldatura.

3. Anidride carbonica

L‘Anidride Carbonica (CO2) è un gas attivo, è presente nell’aria e nel sottosuolo. Il più diffuso problema causato da questo tipo di protezione è quello di provocare la formazione di eccessivi spruzzi e l’instaurarsi di un arco instabile. Il mantenimento di un arco piuttosto corto e di lunghezza costante consente comunque di avere un buon controllo dello stesso. Con la protezione in CO2 si ottengono generalmente buone penetrazioni.

4. Miscele attive

Spesso si possono sfruttare le qualità dei singoli gas, utilizzando come protezione gassosa una loro miscela. Queste prendono il nome di miscele attive come le seguenti Argon-Ossigeno, Argon-Ossigeno-CO2, Argon-CO2.

Anche se i gas inerti allo stato puro sono in grado di svolgere la loro azione protettiva a qualsiasi temperatura, l’aggiunta di gas attivi migliora la stabilità d’arco e il trasferimento del metallo dal filo-elettrodo al bagno. Questo avviene senza pregiudicare l’azione protettiva.

D. I fili di saldatura nella saldatura ad arco a filo continuo

I fili possono essere distinti in base alla loro composizione chimica nonché alla morfologia della loro sezione. Questa può essere costituita di solo metallo (fili pieni) oppure presentare un’anima interna contenente dei granuli (fili animati).

Particolare attenzione deve essere prestata alla presenza, sulla superficie del filo-elettrodo, di grassi o umidità poichè tali condizioni potrebbero provocare cricche, porosità o soffiature. In aggiunta, una non omogenea bobinatura del filo-elettrodo potrebbe essere la causa di un avanzamento non uniforme del filo-elettrodo provocando instabilità nella saldatura.

Fili pieni

I fili pieni hanno generalmente la stessa composizione del materiale base, con l’aggiunta di elementi che possono aiutare nella pulizia del materiale base. I diametri di comune impiego sono 0,6 – 0,8 – 0,9 – 1 – 1,2 – 1,6 mm.

Fili animati

I fili animati, con protezione gassosa, non sono costituiti da metallo massiccio ma si presentano internamente riempiti di polvere granulare (flusso); questa ha le stesse funzioni del rivestimento degli elettrodi rivestiti. Hanno più stabilità dell’arco e penetrazioni più profonde, garantiscono una migliore estetica del giunto, eliminando in molti casi i lavori di finitura (es. molatura degli spruzzi) e riducendo il pericolo della formazione di difetti quali le porosità. Naturalmente l’utilizzo di fili animati richiede l’asportazione della scoria, come per la saldatura ad elettrodo M.M.A. I diametri di comune impiego sono 0,6 – 0,8 – 0,9 – 1,2 – 1,6 mm.

E. Il metallo d’apporto: modalità di trasferimento nella saldatura ad arco a filo continuo

Nel procedimento di saldatura ad arco a filo continuo M.I.G.-M.A.G. le modalità del trasferimento del metallo d’apporto dal filo-elettrodo (pieno o animato) al bagno di fusione dipendono da vari fattori. In particolare dipendono oltre che dai parametri elettrici di saldatura, anche dal diametro del filo, dal tipo di generatore utilizzato e dal gas impiegato. In base a questi parametri il trasferimento delle gocce può avvenire con:

1. Trasferimento a immersione (short-arc, dip-transfer o a corto circuito)
2. Spray-arc o trasferimento a spruzzo
3. Trasferimento a impulsi o ad arco pulsato (pulsed-arc)

1. trasferimento a immersione (short-arc, dip-transfer o a corto circuito)

Il metallo di apporto si trasferisce nel bagno di fusione sotto forma di gocce che si immergono nel bagno stesso, creando continui cortocircuiti.

Tale trasferimento “short arc” è caratterizzato dalla presenza di intensità di correnti fino a 200 A e dall’utilizzo di fili pieni sottili, da 0,6 mm a 1,2 mm. In questo modo si rende possibile la saldatura ad arco a filo continuo per piccoli spessori e la saldatura in tutte le posizioni. Si ottiene con generatori in corrente continua.

2. trasferimento a spruzzo (spray-arc)

Tale modalità prevede che le gocce di materiale d’apporto non vengano trasferite per contatto al bagno di fusione. Bensì, per effetto dell’elevata corrente, le gocce, vengono spruzzate nel bagno stesso, creando un flusso continuo di materiale.

Questa caratteristica si ottiene con generatori in corrente continua quando le correnti in gioco sono elevate, maggiori di 200 A, e i fili sono di diametro superiore a 1 mm. Viene generato un bagno di fusione molto fluido e di notevole penetrazione, adeguato alla saldatura in posizione piana soprattutto su medi e grossi spessori.

3. trasferimento a impulsi o ad arco pulsato (pulsed-arc)

Questo procedimento è ottenibile solamente con generatori in corrente pulsata. Le pulsazioni infatti causano lo stacco di gocce di piccole dimensioni, e quindi permettono di ottenere la caratteristica dell’arco a spruzzo (spray arc) anche a correnti basse. L’apporto termico, le dimensioni del bagno e la penetrazione sono molto simili alla modalità “spray arc“. Questo procedimento trova grossa applicazione nei materiali come l’alluminio o l’acciaio inossidabile, dove il procedimento short arc non garantisce risultati in saldatura qualitativamente sufficienti.

F. Saldatura in M.I.G.-M.A.G dei materiali

1. Acciai dolci, al carbonio

Gli acciai al carbonio si saldano in corrente continua con polarità inversa (filo-elettrodo collegato al polo positivo) applicando esclusivamente il procedimento di saldatura M.A.G. Le applicazioni vanno dall’utilizzo della sola CO2 , alle miscele Ar-CO2 in varie percentuali (la più diffusa è 80% argon, 20% CO2 ). Maggiore è la percentuale di Argon presente nella miscela, migliori sono le caratteristiche e la stabilità d’arco.

Le caratteristiche della saldatura sono molto buone. Con la tecnica short arc si ottengono bagni di saldatura consistenti che permettono applicazioni in tutte le posizioni.

L’utilizzo di fili con tenori di silicio e manganese permettono di eliminare le impurità presenti nel materiale base ed ottenere saldature di buona qualità. È necessario preparare i giunti con smusso con spessori superiori ai 3 mm.

2. Acciai inossidabili

Gli acciai inossidabili si saldano in corrente continua o in corrente pulsata con polarità inversa (filo-elettrodo collegato al polo positivo) applicando esclusivamente il procedimento di saldatura M.A.G. Il gas di protezione impiegato deve essere composto da miscele Ar + CO2 oppure Ar + O. La percentuale di Argon non deve comunque essere inferiore al 98% della miscela per evitare una forte ossidazione del cromo presente nel materiale base. Gli spessori dei giunti oltre i 2,5 mm devono essere smussati. Il materiale d’apporto deve essere particolarmente adatto alla qualità dell’acciaio inossidabile da saldare.

Per l’esecuzione di una buona saldatura è consigliabile la molatura dei punti.

3. Alluminio e sue leghe

L‘alluminio e le sue leghe si saldano in corrente continua o in corrente pulsata con polarità inversa (filo-elettrodo collegato al polo positivo) applicando il procedimento M.I.G.

Il gas di protezione impiegato è generalmente Argon puro. Possono essere utilizzati anche Elio puro oppure miscela Ar + He.

Per la saldatura in piano, indipendentemente dallo spessore, viene impiegata la tecnica spray-arc o/e pulsed-arc. Viene impiegata invece la tecnica short-arc sulla saldatura di spessori sottili in posizioni verticale e ad angolo. Considerate le caratteristiche dell’alluminio è consigliabile, anziché la molatura, la fresatura dei punti stessi.

4. Altri materiali

Il procedimento di saldatura M.I.G.-M.A.G. viene utilizzato anche su materiali quali il nichel e sue leghe, il rame e sue leghe. Per tutti questi materiali si impiega corrente continua con polarità inversa.

Per quanto riguarda la saldatura del rame su spessori superiori ai 5 mm é consigliabile l’utilizzo del procedimento M.I.G. Sempre tenendo presentee che le intensità di corrente devono essere regolate in base alla posizione di saldatura e allo spessore dei giunti.