Saldatura ad arco con elettrodi rivestiti: la guida completa
La saldatura ad arco con elettrodi rivestiti: tutto quello che devi sapere
Premessa
La saldatura ad arco con elettrodi rivestiti è un procedimento manuale in cui la sorgente termica è costituita dall’arco elettrico. Questo, scoccando fra elettrodo rivestito (supportato dalla pinza porta elettrodo) ed il pezzo da saldare (materiale base), sviluppa il calore. Il surriscaldamento provoca una rapida fusione sia del materiale base che dell’elettrodo (materiale d’apporto). Come avremo modo di approfondire, più avanti scoprirai quali sono le differenze con la saldatura ad arco a filo continuo.
Il circuito di saldatura
Il circuito di saldatura, per la tecnica di saldatura ad arco con elettrodi rivestiti, è essenzialmente composto dai seguenti elementi:
- generatore di corrente
- pinza porta elettrodo
- elettrodo rivestito
- pinza di massa
- cavi di pinza e di massa
1. Generatore di corrente
Il generatore di corrente ha il compito di alimentare l’arco elettrico, presente tra il materiale base e l’elettrodo, attraverso la fuoriuscita di una quantità di corrente sufficiente a mantenerlo acceso. Questo passaggio è anche quello che da il nome alla saldatura ad arco con elettrodi rivestiti.
La saldatura ad elettrodo si basa sul principio della corrente costante: la corrente erogata dal generatore non deve cambiare quando l’operatore muove l’elettrodo rispetto al pezzo. La caratteristica costruttiva della sorgente è quindi tale da mantenere invariata la corrente in presenza di variazioni della lunghezza dell’arco. Queste possono dipendere dall’avvicinamento o allontanamento dell’elettrodo. Quanto più costante risulta la corrente, tanto più stabile si presenta l’arco, facilitando quindi il lavoro dell’operatore.
Al proprio interno è presente generalmente un dispositivo di regolazione della corrente di saldatura, di tipo meccanico (shunt magnetico o reattanza saturabile) od elettronico (sistemi a SCR oppure sistemi ad inverter). E’ questa distinzione che permette di classificare le saldatrici ad elettrodo in tre famiglie in funzione della loro tecnologia costruttiva: saldatrici elettromeccaniche, saldatrici elettroniche (ad SCR), saldatrici ad inverter.
La polarità della corrente di uscita del generatore identifica altre due categorie di appartenenza:
a) generatore in corrente alternata AC (alternating current)
La corrente di uscita del generatore assume la forma di una onda sinusoidale, cambia quindi la sua polarità ad intervalli regolari, con frequenza di 50 o 60 Hertz. Essa è ottenuta mediante un trasformatore, che consente di convertire la corrente di rete in una adatta corrente di saldatura. È propria delle saldatrici elettromeccaniche.
b) generatore in corrente continua DC (direct current)
La corrente in uscita dal generatore presenta una forma d’onda continua. L’onda continua è ottenuta tramite un dispositivo posto a valle del trasformatore: il raddrizzatore. Questo consente la conversione della corrente da alternata a continua. Questa uscita è tipica dei generatori ad SCR e ad inverter.
Se il circuito di saldatura è costituito da un generatore di corrente continua (DC), allora può essere introdotta una ulteriore classificazione in funzione della modalità di connessione dei poli della sorgente di saldatura al materiale da saldare:
i) collegamento in polarità diretta
Il collegamento in polarità diretta si verifica connettendo il cavo di pinza (con pinza porta elettrodo) al polo negativo (-) della sorgente di saldatura e il cavo di massa (con pinza di massa) al polo positivo (+) della sorgente. La saldatura ad arco con elettrodi rivestiti avviene perché l’arco elettrico concentra il calore prodotto sul pezzo favorendone la fusione. In tal modo l’anima dell’elettrodo fondendo si deposita e penetra nel giunto da saldare.
ii) collegamento in polarità inversa
Il collegamento in polarità inversa si verifica connettendo il cavo di pinza (con pinza porta elettrodo) al polo positivo (+) della sorgente di saldatura e il cavo di massa (con pinza di massa) al polo negativo (-) della sorgente. Il calore dell’arco elettrico si concentra maggiormente sull’estremità dell’elettrodo.
Ogni tipo di elettrodo richiede uno specifico andamento di corrente (AC o DC) e nel caso del DC una specifica polarità. La scelta dell’elettrodo è quindi condizionata anche dalla tipologia del generatore utilizzato. Un utilizzo errato comporta problemi nella stabilità dell’arco e di conseguenza nella qualità della saldatura.
2. Pinza porta elettrodo
La pinza porta elettrodo ha la funzione primaria di supportare l’elettrodo garantendo un buon contatto elettrico per il passaggio della corrente. Inoltre deve garantire un sufficiente isolamento elettrico nei riguardi del saldatore.
3. Elettrodo rivestito
L’elettrodo rivestito è composto da un’anima e da un rivestimento i quali hanno compiti diversi ma complementari: l’anima funge principalmente da conduttrice di corrente per l’alimentazione dell’arco e da apporto del materiale per il riempimento del giunto mentre il rivestimento ha la funzione primaria di proteggere il bagno di fusione e stabilizzare l’arco. E’ l’elemento fondamentale per la saldatura ad arco con elettrodi rivestiti.
4. 5. Pinza di massa e cavi
Il morsetto di massa è un dispositivo che assicura, tramite il cavo di massa, la chiusura del collegamento elettrico tra la sorgente di saldatura e il pezzo da saldare. Il cavo di pinza consente il collegamento tra la pinza porta-elettrodo ed il generatore.
C. I dispositivi di Arc force, Hot Start, Anti stick
Per facilitare l’impiego dei generatori di saldatura, possono essere presenti all’interno dei generatori dei particolari dispositivi caratterizzati dalla terminologia evidenziata di seguito.
Il dispositivo di arc force facilita il trasferimento delle gocce di materiale fuso dall’elettrodo al materiale da saldare, prevenendo lo spegnimento dell’arco quando avviene il contatto, tramite le gocce stesse, tra elettrodo e bagno di fusione.
Il meccanismo di hot start facilita l’innesco dell’arco elettrico, fornendo una sovracorrente, ad ogni ripartenza della saldatura.
Il dispositivo anti stick spegne automaticamente il generatore di saldatura, qualora l’elettrodo si incolli al materiale da saldare, permettendone la rimozione manuale, senza rovinare la pinza portaelettrodo.
D. Gli elettrodi rivestiti
1. 1 Caratteristiche
L’elettrodo rivestito è composto da un’anima e da un rivestimento.
Anima
L’anima è costituita da una bacchetta di metallo conduttore che ha come unica funzione l’apporto di materiale al pezzo. Il materiale con cui è costituita dipende dal materiale base da saldare: per gli acciai al carbonio, per cui la saldatura ad elettrodo è maggiormente diffusa, l’anima è di acciaio dolce. Durante la saldatura l’anima fonde in leggero anticipo rispetto al rivestimento.
Rivestimento
Il rivestimento è la parte più importante dell’elettrodo ed ha numerose funzioni. Innanzitutto serve a proteggere la saldatura dalla contaminazione dell’aria. Lo fa sia volatilizzando e quindi modificando l’atmosfera intorno al bagno, sia fondendo in ritardo e quindi proteggendo l’anima con il cratere che naturalmente si forma, sia liquefacendo e galleggiando sopra il bagno. Inoltre contiene materiali in grado di depurare il materiale base ed elementi che possono concorrere alla creazione di leghe nella fusione.
La scelta del rivestimento è quindi molto importante e dipende dalle caratteristiche che si vuole dare al risultato della saldatura ad arco con elettrodi rivestiti. Inoltre il rivestimento può contenere anche metallo di apporto in polvere, per aumentare la quantità del materiale depositato e quindi la velocità della saldatura. Si parla in questo caso di elettrodi ad alto rendimento.
1. 2 Suddivisione degli elettrodi per la saldatura ad arco
Esistono in commercio diversi tipologie di elettrodi rivestiti, dove la loro composizione chimica influenza fortemente il risultato della saldatura ad arco. Dalla composizione chimica degli elettrodi rivestiti dipende infatti la stabilità dell’arco elettrico, la profondità di penetrazione, la deposizione del materiale, la purezza del bagno, cioè i campi di applicazione degli stessi.
Considerando il tipo di rivestimento, le principali tipologie di elettrodi sono:
* elettrodi con rivestimento acido
I rivestimenti di questi elettrodi sono costituiti da ossidi di ferro, ferroleghe di manganese e silicio. La scelta di questi rivestimenti nella saldatura ad arco con elettrodi rivestiti garantisce una buona stabilità dell’arco e li rende idonei sia per la corrente alternata (AC) che per la corrente continua (DC). Hanno un bagno molto fluido che non permette saldature in posizione; inoltre non hanno un grosso potere di pulizia sul materiale base e questo può essere causa di cricche. Non sopportano elevate temperature di essiccazione, con conseguente rischio di umidità residua e quindi di inclusioni di idrogeno nella saldatura
* elettrodi con rivestimento al rutilo
Il rivestimento di questo elettrodo è composto essenzialmente da un minerale chiamato rutilo. Quest’ultimo è costituito dal 95% di biossido di titanio, un composto molto stabile che garantisce una ottima stabilità dell’arco ed una elevata fluidità del bagno. Fornisce anche un apprezzabile effetto estetico sulla saldatura.
Il compito del rivestimento rutilo è comunque quello di garantire una fusione dolce, di facile realizzazione. Questo rivestimento facilita la formazione di una scoria abbondante e vischiosa che permette una buona scorrevolezza nella saldatura soprattutto in posizione piana. In tal caso il cordone si presenta visivamente bello e regolare. Purtroppo anche questi rivestimenti non hanno grossa efficacia come pulitori e quindi sono consigliati dove il materiale base non contiene molte impurità. Non sono inoltre ben essiccabili e quindi sviluppano molto idrogeno nella saldatura.
In alcune applicazioni viene abbinato al rutilo un altro componente tipico di altri rivestimenti, come la cellulosa (elettrodi rutilcellulosici) o la fluorite (elettrodi rutilbasici). Lo scopo è solitamente ottenere un elettrodo con arco stabile ma con caratteristiche di saldatura maggiormente performanti.
La stabilità dell’arco, nella saldatura ad arco con elettrodi, è una prerogativa che rende possibile l’impiego di questo elettrodo sia con corrente alternata (AC) sia con corrente continua (DC) in polarità diretta. È usato soprattutto su spessori ridotti.
* elettrodi con rivestimento cellulosico
Il rivestimento di questi elettrodi è costituito prevalentemente da cellulosa integrata da ferroleghe (magnesio e silicio). Il rivestimento gassifica quasi completamente, permettendo quindi la saldatura ad arco con elettrodi anche in posizione verticale discendente. Ciò non è permesso con altri tipi di elettrodo: l’elevata gassificazione della cellulosa riduce la quantità di scorie presenti nella saldatura. L’elevato sviluppo di idrogeno (derivante dalla particolare composizione chimica del rivestimento) fa sì che il bagno di saldatura sia “caldo”, con la fusione di una notevole quantità di materiale base. Si ottengono così saldature che penetrano in profondità, con poche scorie nel bagno.
Le caratteristiche meccaniche di questa saldatura ad arco sono ottime. Tuttavia il livello estetico è abbastanza basso in quanto la quasi totale assenza della protezione liquida offerta dal rivestimento impedisce una modellazione del bagno durante la solidificazione.
La corrente di saldatura, data la scarsa stabilità dell’arco, è solitamente in corrente continua (DC) a polarità inversa.
* elettrodi con rivestimento basico
Il rivestimento degli elettrodi basici è costituito da ossidi di ferro, ferroleghe e soprattutto da carbonati di calcio e magnesio ai quali, aggiungendo il fluoruro di calcio, si ottiene la fluorite ossia un minerale atto a facilitare la fusione.
Hanno una elevata capacità di depurazione del materiale base, per cui si ottengono saldature di qualità e con notevole robustezza meccanica. Inoltre questi elettrodi sopportano elevate temperature di essiccazione, quindi non contaminano il bagno con l’idrogeno.
La fluorite rende l’arco molto instabile: il bagno è meno fluido, si hanno frequenti cortocircuiti dovuti ad un trasferimento del materiale d’apporto a grosse gocce. L’arco deve inoltre essere tenuto molto corto per la scarsa volatilità del rivestimento stesso. Tutte queste caratteristiche richiedono una buona esperienza da parte del saldatore per questa tecnica di saldatura ad arco con elettrodi. Hanno una scoria dura e difficile da togliere, e deve essere completamente rimossa in caso di ripassate. Questi elettrodi si prestano per realizzare saldature in posizione, verticali, sopratesta, ecc.
Per quanto concerne la corrente da impiegare è consigliabile l’impiego di generatori in corrente continua (DC) in polarità inversa. Gli elettrodi basici si distinguono per l’elevatissima quantità di materiale depositato e si adattano notevolmente alla saldatura di giunti di grossi spessori. Sono fortemente igroscopici ed è consigliato mantenere tali elettrodi in ambienti asciutti e in scatole ben chiuse. Se ciò non fosse possibile è consigliabile procedere con una nuova essiccazione dell’elettrodo prima dell’utilizzo.
E. La saldatura in MMA dei materiali
Qualora l’acciaio sia di composizione facilmente riconoscibile, possono essere utilizzati gli elettrodi rutili, per la loro maggiore facilità di innesco, di saldatura e per la buona estetica del cordone.
Acciai a medio ed elevato tenore di carbonio
In pratica, la saldatura ad arco con elettrodi rivestiti degli acciai con medio ed elevato tenore di carbonio (>0,25%) può provocare la formazione di difetti strutturali. Per questo è consigliata l’applicazione del procedimento ad elettrodo soprattutto per la saldatura di giunti con spessori medio-grandi e utilizzando elettrodi basici. In questi casi si ottiene un’alta qualità della saldatura unita ad una buona resistenza alla rottura. La saldatura di tubi di acciaio avviene utilizzando elettrodi cellulosici, dove sia richiesta una elevata penetrazione ed una buona lavorabilità dell’elettrodo. Viene sempre consigliata la smussatura, con angolo dello smusso sufficiente per una quasi completa introduzione dell’elettrodo nel cianfrino.
Acciai inossidabili, alluminio e sue leghe, ghisa
Relativamente ai materiali speciali quali acciai inossidabili, alluminio (e sue leghe) e ghisa, sono utilizzati elettrodi specifici per il materiale trattato.
Gli acciai inossidabili si saldano in corrente continua (DC) con polarità inversa; vengono utilizzati elettrodi specifici, che si differenziano per la composizione metallurgica del materiale da saldare (presenza del cromo (Cr) e del nichel (Ni) in percentuali variabili).
L’alluminio e le leghe leggere si saldano in corrente continua (DC) con polarità inversa. La macchina deve essere dotata di una dinamica di innesco piuttosto elevata per garantire l’accensione dell’elettrodo. Vengono utilizzati anche in questo caso elettrodi particolari, che si differenziano per la composizione metallurgica del materiale da saldare (presenza del magnesio (Mg) e del silicio (Si) in percentuali variabili).
La ghisa si salda in corrente continua (DC) con polarità inversa; la maggior parte delle strutture e organi meccanici in ghisa sono ottenuti per fusione. Per questo motivo la saldatura viene usata per correggere eventuali difetti di fusione e per riparazioni. Vengono utilizzati appositi elettrodi e il materiale base deve essere adeguatamente riscaldato prima dell’utilizzo.