Oltre ai fattori di processo, anche altri fattori relativi al processo di saldatura, come la dimensione della scanalatura e dell'intercapedine, l'angolo di inclinazione dell'elettrodo e del pezzo in lavorazione e la posizione spaziale del giunto, possono influenzare la formazione e le dimensioni della saldatura.
Influenza della corrente di saldatura sulla formazione del cordone di saldatura
In determinate condizioni, all'aumentare della corrente di saldatura ad arco, aumentano la profondità di penetrazione e il rinforzo del cordone di saldatura, mentre la larghezza della saldatura aumenta leggermente. I motivi sono i seguenti:
1) All'aumentare della corrente di saldatura ad arco, aumenta la forza dell'arco che agisce sul giunto saldato, aumenta l'apporto di calore dell'arco al giunto saldato e la posizione della sorgente di calore si sposta verso il basso, il che favorisce la conduzione del calore in profondità nel bagno fuso e aumenta la profondità di penetrazione. La profondità di penetrazione è approssimativamente proporzionale alla corrente di saldatura. La profondità di penetrazione della saldatura H è approssimativamente uguale a Km × I. Nella formula, Km è il coefficiente di penetrazione (il numero di millimetri di cui aumenta la profondità di penetrazione della saldatura quando la corrente di saldatura aumenta di 100 A), che è correlato al metodo di saldatura ad arco, al diametro del filo, al tipo di corrente, ecc., come mostrato nella Tabella 1-1.
| metodi di saldatura ad arco | diametro dell'elettrodo/mm | corrente di saldatura/A | tensione/V | velocità di saldatura/mh-1 | coefficiente di penetrazione/m m-100A-1 |
saldatura ad arco di argon con elettrodo di tungsteno | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
| | Apertura dell'ugello 1.6 | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| Apertura dell'ugello 3.4 | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
saldatura ad arco sommerso | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
saldatura ad arco di argon con elettrodo di fusione | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| Saldatura a CO2 | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tabella 1-1 Coefficiente di profondità di fusione Km per vari metodi e parametri di saldatura ad arco (acciaio per saldatura)
2) La velocità di fusione del nucleo di saldatura o del filo di saldatura nella saldatura ad arco è proporzionale alla corrente di saldatura. Poiché l'aumento della corrente di saldatura nella saldatura ad arco porta a un aumento della velocità di fusione del filo di saldatura, la quantità di filo di saldatura fuso aumenta approssimativamente in modo proporzionale, mentre la larghezza della saldatura aumenta in misura minore, quindi il rinforzo della saldatura aumenta.
3) Dopo l'aumento della corrente di saldatura, il diametro della colonna d'arco aumenta. Tuttavia, aumenta anche la profondità di penetrazione dell'arco nel pezzo in lavorazione e il raggio di movimento del punto d'arco è limitato. Pertanto, l'aumento della larghezza della saldatura è relativamente piccolo.
Nella saldatura MIG (Metal Inert Gas), all'aumentare della corrente di saldatura, aumenta anche la profondità di penetrazione del cordone. Se la corrente di saldatura è troppo elevata e la densità di corrente è eccessiva, si tende a ottenere una penetrazione a forma di dito, soprattutto nella saldatura dell'alluminio.
Influenza della tensione dell'arco sulla formazione della saldatura
In determinate condizioni, all'aumentare della tensione dell'arco, aumenta anche la potenza dell'arco e, di conseguenza, l'apporto di calore alla saldatura. Tuttavia, l'aumento della tensione dell'arco si ottiene incrementando la lunghezza dell'arco stesso. L'aumento della lunghezza dell'arco comporta un aumento del raggio della sorgente di calore e una maggiore dissipazione del calore. Di conseguenza, la densità di energia immessa nella saldatura diminuisce, quindi la profondità di penetrazione si riduce leggermente mentre la larghezza del cordone di saldatura aumenta. Allo stesso tempo, poiché la corrente di saldatura e la quantità di filo fuso rimangono invariate, il rinforzo del cordone di saldatura diminuisce.
Per ottenere una corretta formazione del cordone di saldatura, ovvero per mantenere un coefficiente di formazione del cordone φ adeguato, è necessario aumentare opportunamente la tensione dell'arco all'aumentare della corrente di saldatura. È fondamentale che la tensione dell'arco e la corrente di saldatura siano in equilibrio. Questo è particolarmente vero nella saldatura ad arco con elettrodo consumabile.
Influenza della velocità di saldatura sulla formazione del cordone di saldatura
In determinate condizioni, l'aumento della velocità di saldatura comporta una riduzione dell'apporto termico, con conseguente diminuzione sia della larghezza che della penetrazione del cordone di saldatura. Poiché la quantità di metallo d'apporto depositato per unità di lunghezza del cordone è inversamente proporzionale alla velocità di saldatura, ciò comporta anche una riduzione del rinforzo del cordone stesso.
La velocità di saldatura è un indicatore importante per valutare la produttività del processo. Per migliorare la produttività, è necessario aumentare la velocità di saldatura. Tuttavia, per garantire le dimensioni del cordone di saldatura richieste nella progettazione strutturale, l'aumento della velocità di saldatura comporta un corrispondente aumento della corrente e della tensione dell'arco. Queste tre grandezze sono infatti interconnesse. Allo stesso tempo, occorre considerare che l'aumento della corrente, della tensione dell'arco e della velocità di saldatura (ovvero, l'utilizzo di un arco di saldatura ad alta potenza e di un'elevata velocità di saldatura) può causare difetti di saldatura come sottosquadri e cricche durante la formazione e la solidificazione del bagno di fusione. Pertanto, l'aumento della velocità di saldatura è limitato.
Influenza del tipo e della polarità della corrente di saldatura e delle dimensioni dell'elettrodo sulla formazione della saldatura
1. Tipi e polarità della corrente di saldatura
I tipi di corrente di saldatura si dividono in corrente continua e corrente alternata. Tra queste, la saldatura ad arco a corrente continua si suddivide ulteriormente in corrente continua costante e corrente continua pulsata a seconda della presenza o meno di impulsi nella corrente; si suddivide in corrente continua con collegamento positivo (il pezzo da saldare è collegato al polo positivo) e corrente continua con collegamento inverso (il pezzo da saldare è collegato al polo negativo) in base alla polarità. La saldatura ad arco a corrente alternata si suddivide ulteriormente in corrente alternata sinusoidale e corrente alternata quadra a seconda della forma d'onda della corrente. Il tipo e la polarità della corrente di saldatura possono influenzare la quantità di calore trasferita dall'arco al pezzo da saldare, e quindi influenzare la formazione della saldatura. Allo stesso tempo, possono anche influenzare il processo di trasferimento delle gocce e la rimozione del film di ossido sulla superficie del metallo base.
Quando si utilizza la saldatura TIG (Tungsten Inert Gas) per saldare materiali metallici come acciaio e titanio, la penetrazione della saldatura è massima quando la corrente continua è collegata in direzione positiva, minima quando la corrente continua è collegata in direzione negativa, mentre la corrente alternata si colloca tra le due. Poiché la penetrazione della saldatura è massima quando la corrente continua è collegata in direzione positiva e l'elettrodo di tungsteno presenta la minima perdita per combustione, è consigliabile utilizzare la corrente continua in direzione positiva quando si salda TIG per materiali metallici come acciaio e titanio. Quando si utilizza la saldatura TIG con corrente continua pulsata, poiché i parametri dell'impulso possono essere regolati, è possibile controllare le dimensioni del cordone di saldatura secondo necessità. Quando si utilizza la saldatura TIG per saldare alluminio, magnesio e loro leghe, è necessario sfruttare l'effetto di pulizia del catodo dell'arco per rimuovere lo strato di ossido dalla superficie del metallo base. La corrente alternata è più indicata. Poiché i parametri della forma d'onda della corrente alternata a onda quadra possono essere regolati, l'effetto di saldatura è migliore.
Nella saldatura MIG/MAG (Gas Metal Arc Welding), quando la corrente continua è invertita, la penetrazione e la larghezza del cordone di saldatura sono entrambe maggiori rispetto al caso di corrente continua con collegamento diretto. La penetrazione e la larghezza della saldatura in corrente alternata si collocano tra i due valori. Pertanto, nella saldatura ad arco sommerso, si utilizza generalmente la corrente continua con collegamento invertito per ottenere una maggiore penetrazione; mentre nella saldatura di riporto ad arco sommerso, si utilizza la corrente continua con collegamento diretto per ridurre la penetrazione. Nella saldatura MIG/MAG con gas di protezione, poiché la corrente continua con collegamento invertito non solo garantisce una maggiore profondità di penetrazione, ma rende anche l'arco di saldatura e il processo di trasferimento delle gocce più stabili rispetto alla corrente continua con collegamento diretto e alla corrente alternata, e ha un effetto di pulizia del catodo, è ampiamente utilizzata. La corrente continua con collegamento diretto e la corrente alternata non sono generalmente impiegate.
2. Influenza della forma della punta dell'elettrodo di tungsteno, del diametro del filo di saldatura e della lunghezza di estensione
L'angolo e la forma dell'estremità anteriore dell'elettrodo di tungsteno hanno una maggiore influenza sulla concentrazione dell'arco e sulla pressione dell'arco. Devono essere selezionati in base alla corrente di saldatura e allo spessore del pezzo. In generale, maggiore è la concentrazione dell'arco e maggiore è la pressione dell'arco, maggiore sarà la profondità di penetrazione ottenuta, mentre la larghezza della saldatura diminuirà di conseguenza.
Nella saldatura ad arco con gas di protezione (GMAW), a parità di corrente di saldatura, più sottile è il filo di saldatura, più concentrato è il riscaldamento dell'arco, maggiore è la profondità di penetrazione e minore è la larghezza del cordone di saldatura. Tuttavia, nella scelta del diametro del filo di saldatura in progetti reali, è necessario considerare anche l'intensità della corrente e la morfologia del bagno di fusione per evitare una saldatura di scarsa qualità.
Quando la lunghezza di estensione del filo nella saldatura ad arco con gas di protezione (GMAW) aumenta, aumenta il calore resistivo generato dalla corrente di saldatura che attraversa la parte estesa del filo, il che provoca un aumento della velocità di fusione del filo. Pertanto, il rinforzo della saldatura aumenta, mentre la profondità di penetrazione diminuisce leggermente. A causa della resistività relativamente elevata dei fili di saldatura in acciaio, l'influenza della lunghezza di estensione del filo sulla formazione della saldatura è relativamente evidente nella saldatura con fili sottili di acciaio. La resistività dei fili di saldatura in alluminio è relativamente bassa, quindi la sua influenza non è significativa. Sebbene l'aumento della lunghezza di estensione del filo possa migliorare il coefficiente di fusione del filo, considerando in modo complessivo gli aspetti di stabilità della fusione del filo e formazione della saldatura, esiste un intervallo di variazione consentito per la lunghezza di estensione del filo.
Influenza di altri fattori di processo sui fattori di formazione della saldatura
Oltre ai fattori di processo sopra menzionati, anche altri fattori relativi al processo di saldatura, come la dimensione della scanalatura e dell'intercapedine, l'angolo di inclinazione dell'elettrodo e del pezzo in lavorazione e la posizione spaziale del giunto, possono influenzare la formazione e le dimensioni della saldatura.
1. Scanalatura e spazio
Nella saldatura di giunti di testa mediante saldatura ad arco elettrico, si decide generalmente se lasciare un'intercapedine, la sua dimensione e la forma della scanalatura da praticare in base allo spessore della lamiera da saldare. In determinate condizioni, maggiore è la dimensione della scanalatura o dell'intercapedine, minore sarà il rinforzo della saldatura, il che equivale a un abbassamento della posizione di saldatura. In questo caso, il rapporto di fusione diminuisce. Pertanto, lasciare un'intercapedine o praticare una scanalatura può essere utilizzato per controllare la dimensione del rinforzo e regolare il rapporto di fusione. Rispetto al lasciare un'intercapedine e al non lasciarla, le condizioni di dissipazione del calore sono in qualche modo diverse. In generale, le condizioni di cristallizzazione con la scanalatura sono più favorevoli.
2. Inclinazione dell'elettrodo (filo di saldatura)
Durante la saldatura ad arco, in base alla relazione tra la direzione di inclinazione dell'elettrodo e la direzione di saldatura, si distinguono due tipi: inclinazione in avanti dell'elettrodo e inclinazione all'indietro dell'elettrodo. Quando il filo di saldatura è inclinato, anche l'asse dell'arco si inclina di conseguenza. Quando il filo di saldatura è inclinato in avanti, l'effetto della forza dell'arco sullo scarico all'indietro del metallo fuso si indebolisce. Lo strato di metallo liquido sul fondo del bagno fuso diventa più spesso, la profondità di penetrazione si riduce, la profondità a cui l'arco penetra nella saldatura diminuisce, il raggio di movimento del punto d'arco si espande, la larghezza della saldatura aumenta e il rinforzo si riduce. Minore è l'angolo di inclinazione in avanti α del filo di saldatura, più evidente è questo effetto. Quando il filo di saldatura è inclinato all'indietro, la situazione è opposta. Nella saldatura ad arco con elettrodo rivestito, si adotta principalmente il metodo di inclinazione all'indietro dell'elettrodo, e un angolo di inclinazione α compreso tra 65° e 80° è relativamente appropriato.
3. Inclinazione del pezzo da saldare
L'inclinazione della saldatura è un problema frequente nella produzione reale e può essere suddivisa in saldatura in salita e saldatura in discesa. In questo caso, per effetto della gravità, il metallo fuso tende a scorrere verso il basso lungo la pendenza. Nella saldatura in salita, la gravità favorisce lo scarico del metallo fuso verso la parte posteriore del bagno di fusione, determinando una maggiore profondità di penetrazione, una larghezza di saldatura ridotta e un rinforzo elevato. Quando l'angolo di salita α è compreso tra 6° e 12°, il rinforzo è eccessivo e si generano facilmente sottosquadri su entrambi i lati. Nella saldatura in discesa, questo effetto impedisce al metallo fuso di raggiungere la parte posteriore del bagno di fusione. L'arco non riesce a riscaldare a fondo il metallo sul fondo del bagno di fusione, la penetrazione si riduce, l'area di movimento del punto d'arco si amplia, la larghezza di saldatura aumenta e il rinforzo si riduce. Se l'angolo di inclinazione della saldatura è eccessivo, si verifica una penetrazione insufficiente e una fuoriuscita di metallo fuso dal bagno di fusione.
4. Materiale di saldatura e spessore
La penetrazione della saldatura è correlata alla corrente di saldatura, nonché alla conducibilità termica e alla capacità termica volumetrica del materiale. Maggiore è la conducibilità termica del materiale e maggiore è la capacità termica volumetrica, maggiore sarà il calore necessario per fondere un'unità di volume di metallo e aumentarne la temperatura della stessa quantità. Pertanto, a parità di altre condizioni, come ad esempio la corrente di saldatura, la profondità di penetrazione e la larghezza della saldatura diminuiranno. Maggiore è la densità o la viscosità del materiale, più difficile sarà per l'arco spostare il metallo fuso e minore sarà la penetrazione della saldatura. Lo spessore del pezzo saldato influisce sulla conduzione del calore al suo interno. A parità di altre condizioni, all'aumentare dello spessore del pezzo saldato, aumenta la dissipazione del calore e sia la larghezza che la profondità di penetrazione della saldatura diminuiscono.
5. Flusso, rivestimento dell'elettrodo e gas di protezione
Le diverse composizioni dei flussi o dei rivestimenti degli elettrodi determinano diverse cadute di tensione nelle regioni degli elettrodi dell'arco e diversi gradienti di potenziale della colonna d'arco, che inevitabilmente influenzano la formazione del cordone di saldatura. Quando il flusso ha una bassa densità, una grande granulometria o una bassa altezza di impilamento, la pressione attorno all'arco è bassa, la colonna d'arco si espande e il punto d'arco ha un ampio raggio di movimento. Pertanto, la penetrazione è ridotta, la larghezza del cordone di saldatura è ampia e il rinforzo è scarso. Quando si utilizza la saldatura ad arco ad alta potenza per saldare pezzi spessi, l'utilizzo di un flusso simile alla pomice può ridurre la pressione dell'arco, diminuire la penetrazione e aumentare la larghezza del cordone di saldatura. Inoltre, la scoria di saldatura deve avere una viscosità e una temperatura di fusione appropriate. Se la viscosità è troppo elevata o la temperatura di fusione è relativamente alta, la scoria avrà una scarsa ventilazione ed è facile che si formino molte depressioni sulla superficie del cordone di saldatura, con conseguente formazione di una superficie di saldatura scadente.
La composizione dei gas di protezione per la saldatura ad arco (come Ar, He, N2, CO2) è diversa, così come le loro proprietà fisiche, quali la conduttività termica. Ciò determina variazioni nella caduta di tensione nella regione polare dell'arco, nel gradiente di potenziale della colonna d'arco, nella sezione trasversale conduttiva della colonna d'arco, nella forza del flusso di plasma e nella distribuzione del flusso termico specifico. Tutti questi fattori influenzano la formazione del cordone di saldatura.
In sintesi, sono molti i fattori che influenzano la formazione della saldatura. Per ottenere una buona saldatura, è necessario selezionare metodi e condizioni di saldatura appropriati in base al materiale e allo spessore del pezzo da saldare, alla posizione spaziale della saldatura, alla forma del giunto, alle condizioni di lavoro, ai requisiti di prestazione del giunto e alle dimensioni della saldatura. Allo stesso tempo, l'aspetto più importante è l'atteggiamento del saldatore nei confronti della saldatura! In caso contrario, la formazione della saldatura e le sue prestazioni potrebbero non soddisfare i requisiti, e potrebbero persino comparire vari difetti di saldatura.
