La saldatura a elettrodo rivestito, nella terminologia AWS è indicata come SMAW acronimo di Shielded Metal Arc Welding, ossia saldatura ad arco con metallo protetto, è attualmente la tecnologia di saldatura più diffusa nel mondo, principalmente per i bassi costi delle apparecchiature e per la versatilità di impiego. E' un procedimento che si può applicare anche all'aperto, quindi è anche quello più utilizzato in cantiere. Questo tipo di procedura per saldare deriva dai primi procedimenti ad arco sviluppati fra la fine del XIX secolo e l'inizio del XX. Nei primi modelli l'elettrodo non era rivestito, ma era semplicemente dello stesso materiale che si andava a saldare: si verificava rapidamente l'ossidazione, introducendo impurità e ossidi nel bagno di saldatura. Per ovviare a questi problemi vennero inseriti dei disossidanti, inizialmente erano all'interno dell'elettrodo, ma presto si è visto che se l'elettrodo era rivestito la saldatura era di migliore qualità. Attualmente si producono vari tipi di elettrodi a seconda delle esigenze richiesta dalla saldatura.
Procedimento
I macchinari che producono le caratteristiche per la saldatura ad elettrodo rivestito devono avere una tensione tanto minore quanto più alta è la corrente richiesta alla macchina (quindi un normale trasformatore collegato alla rete elettrica non potrebbe funzionare). La necessità di avere una caratteristica cadente implica che al trasformatore (necessario per portare la tensione di rete, 220 o 380 V, alla tensione di utilizzo della macchina - c.a. 80 V a vuoto) deve essere accoppiato un opportuno circuito che abbatta la tensione fino ai valori d'arco, attorno ai 25 V.
Dalla macchina partono due cavi elettrici a diverse polarità:
- Ad uno è collegata la pinza porta elettrodo, che sarà nelle mani dell'operatore, generalmente quella con polarità negativa nel caso di corrente continua;
- Il lembo, o i lembi da saldare saranno collegati al cavo con l'altra polarità.
Le macchine per saldare possono funzionare sia a corrente continua (quindi con un raddrizzatore a valle del trasformatore) sia a corrente alternata.
La saldatura vera e propria si verifica quando l'elettrodo viene portato a breve distanza o a contatto dei lembi. Nei pressi inizia l'arco elettrico che fonde il materiale metallico dell'elettrodo. Il saldatore sposta la pinza a cui è collegato l'elettrodo, riuscendo a gestire il bagno di saldatura. Mentre si raffredda si ricopre da una crosta che contiene scorie, di un materiale più leggero e vanno verso l'alto nel bagno, l'operatore con un martellino le colpirà eliminandole; questa scoria ha il compito di proteggere il bagno durante il raffreddamento. Dato che gli elettrodi hanno una lunghezza di qualche decina di centimetri devono essere sostituiti nel corso delle operazioni di saldatura.
Macchinari per la saldatura: la saldatrice
Il generico macchinario che viene usato per la saldatura ad elettrodo rivestito, prende comunemente il nome di saldatrice. Su questa è presente un trasformatore regolabile, in maniera da poter decidere la potenza dell'elettrodo usato. Le saldatrici operano generalmente a potenza di rete, a 50 Hz. Un tempo questo fatto portava le saldatrici a pesare anche diverse decine di chili, a seconda della potenza che dovevano fornire, mentre recentemente ne sono state sviluppate alcune che operano a più alta frequenza, diminuendo il peso. Queste di ultima tecnologia portano un beneficio nell'operazione di saldatura, ad esempio evitano che l'elettrodo possa arrivare a fondersi senza arco, comunemente detto anti-stick.
Elettrodo
L'elettrodo è il vero e proprio oggetto che più degli altri caratterizza questo processo di saldatura. L'elettrodo è lungo generalmente alcune decine di centimetri, di 45 cm sono quelli che più comunemente si trovano in commercio, con un diametro che varia dai 1,5 ai 9 mm. Si compone principalmente di due strati concentrici:
- l'anima composta dal metallo base o dal metallo d'apporto;
- il rivestimento composto da materiali disossidanti, che fondono anch'essi creando un'atmosfera dove non avviene l'ossidazione. Le sue funzioni sono:
- Funzione elettrica, cioè deve stabilizzare l'arco facilitando la ionizzazione dell'atmosfera in cuiscocca, questa funzione è essenziale per permettere il funzionamento dell'arco in corrente alternata;
- Funzione protettiva, cioè deve impedire il contatto del metallo fuso (molto reattivo con ossigeno eazoto) con l'aria, quindi, sia in fase gassosa (nell'arco) sia in fase liquida (sopra il bagno di fusione). Inoltre sulla punta dell'elettrodo si forma un cratere, in cui il metallo d'apporto che sta fondendo viene protetto dal rivestimento non ancora fuso (sporgente).
- Funzione metallurgica, cioè deve portare nel bagno fuso elementi di lega o elementi che reagiscano con le impurezze del metallo base per trasferirle nella scoria;
- Funzione operativa, cioè modificando le caratteristiche del bagno fuso (in particolare la viscosità), in modo che il saldatore possa lavorare in posizioni particolarmente difficili (verticale e sopratesta).
Tipi di elettrodo
A seconda del tipo di saldatura che si desidera fare, esistono vari tipi di elettrodo:
- Elettrodo acido: deve il suo nome al fatto che il rivestimento fornisce una scoria di carattere acido,normalmente il rivestimento, composto in gran parte di silice e silicato di ferro, contiene un'alta percentuale di disossidanti. Consente un procedimento molto maneggevole garantendo buone caratteristiche meccaniche al giunto. La scoria prodotta è porosa e facilmente eliminabile. Il bagno prodotto da questi elettrodi ha una temperatura elevata, quindi, pur essendo possibile, è sconsigliata la saldatura in posizioni diverse da quella orizzontale. Anche se non teme l'umidità, è utilizzabile solo per materiali aventi buone caratteristiche di saldabilità, dato che, non avendo nessun effetto depurante, il cordone di saldatura è soggetto a cricche a caldo.
- Elettrodo cellulosico: hanno un rivestimento composto di materiale organico, cellulosa, associato ad elementi disossidanti, manganese e silice, quindi, avendo una grande quantità di idrogeno nell'arco, richiedono una tensione d'arco relativamente più elevata. Il rivestimento permette una forte proiezione di metallo dall'elettrodo nel bagno, quindi è possibile la saldatura in tutte le posizioni, anche con cianfrini stretti. Sono gli elettrodi che danno la massima penetrazione: fino a 2 volte il diametro dell'elettrodo, più 2 mm. Il loro tenore di idrogeno elevato crea il pericolo di formazione di cricche a freddo;
- Elettrodo al rutilo: hanno un rivestimento contenente ossidi di titanio, il rutilo è il biossido di titanio. Questi elettrodi hanno caratteristiche simili a quelle degli elettrodi acidi, tuttavia gli ossidi di titanio, dando una bassa viscosità al bagno, permettono di ottenere saldature molto lisce e praticamente invisibili senza strumenti adeguati. Per questo motivo gli elettrodi al rutilo sono utilizzati principalmente per fini estetici, nel caso di passate multiple vengono utilizzati solo per le passate di superficie. In alcuni casi per associare le caratteristiche estetiche del rutilo alle caratteristiche elettriche o meccaniche di altri tipi di rivestimento sono associati a sostanze organiche (rutilcellulosici) o a carbonati basici (rutilbasici). Questo tipo di elettrodo è il meno usato, visto che ha caratteristiche minori dell'elettrodo acido.
- Elettrodo ossidante: Con questi elettrodi è possibile saldare tenendo l'elettrodo direttamente a contatto con il pezzo (da qui la loro denominazione alternativa "contact"), infatti il rivestimento, contenente ossidi di ferro, forma un cratere abbastanza profondo perché tutto l'arco scocchi entro il cratere. Sono gli elettrodi che permettono la massima deposizione (proprio per la presenza di ferro nel rivestimento) a parità di caratteristiche elettriche.
- Elettrodo basico: il rivestimento contiene grandi quantità di carbonati di calcio e manganese, quindi dà reazione basica. Conferisce buone caratteristiche meccaniche e di resistenza alle cricche a caldo. Il calcio e il manganese nel corso della fusione si combinano con lo zolfo e il fosforo, quindi depurano molto a fondo il bagno di saldatura, ma aumentano la temperatura di fusione del rivestimento, quindi devono essere aggiunti opportuni sali (di ferro e silice) che complessivamente aumentano l'energia di ionizzazione necessaria per l'arco. Possono essere usati solo con polarità inversa (positivo sulla pinza porta elettrodo). La presenza di notevoli quantità di elementi depuranti rende questi elettrodi molto utili per la saldatura dimateriali contaminati da zolfo o fosforo. Questi elettrodi lavorano con un bagno piuttosto freddo, quindi possono essere utilizzati in tutte le posizioni, per questa caratteristica sono usati per la saldatura sopratesta. Le caratteristiche meccaniche del giunto sono praticamente identiche a quelle del materiale base. Contro questi vantaggi stanno le difficoltà operative (arco corto), la necessità di avere gli elettrodi costantemente deumidificati, per evitare la formazione di cricche a freddo e la formazione di una scoria che è difficile da rimuovere. Tende ad assorbire l'umidità, quindi si preferisce una essiccazione prima dell'uso a 200°C. Questo tipo di elettrodo è il più usato nella carpenteria metallica.
La saldatura a elettrodo rivestito è utilizzata sia in officina che in cantiere. Può essere usata per quasi tutti i materiali, tranne quelli basso fondenti (piombo e zinco), i materiali reattivi con l'ossigeno (alluminio, titanio, zirconio) ed i metalli refrattari (niobio, tantalio). Un'analisi economica sconsiglia di usare questa tecnologia per saldare giunti di spessore superiore a 35 mm.
Normativa
Le norme europee di unificazione per gli elettrodi rivestiti sono:
EN 499 - Generalità sull'unificazione
EN 757 - Elettrodi per la saldatura di acciai ad alta resistenza
EN 1599 - Elettrodi per saldatura di acciai resistenti allo scorrimento viscoso
EN 1600 - Elettrodi per saldatura di acciai inossidabili e acciai resistenti ad alta temperatura
La norma prevede anche una severa dicitura del tipo di elettrodo posta sulla confezione.
Problematiche e difetti
In questo tipo di saldatura è molto importante il lavoro fatto dall'operatore, il saldatore, la sua abilità nel gestire l'elettrodo e coordinarlo con il martellino per la rimozione delle scorie, i tempi per il raffreddamento, la cianfrinatura, si rilevano fondamentali per la buona riuscita dell'operazione. Infatti i difetti più comuni che si riscontrano sono legati all'abilità di chi ha fatto l'operazione. Il difetto più comune che si incontra nei cordoni di saldatura effettuati con questa tecnologia sono le inclusioni di scoria, che possono essere dovute sia ad un maneggio errato dell'elettrodo sia ad una rimozione non sufficiente della scoria.
Altri difetti tipici di questa tecnologia sono le porosità, dovute generalmente all'inquinamento del bagno di saldatura da parte di materiali estranei (per esempio grasso o vernice) e le incisioni marginali, dovute a difficoltà da parte del saldatore nella gestione dell'elettrodo. Infine fra i difetti metallurgici è facile riscontrare cricche a caldo o a freddo, dovute all'umidità che il rivestimento degli elettrodi tende ad assorbire, e mancanze di penetrazione o fusione.
Negli elettrodi la densità di corrente eccessiva provoca la fessurazione del rivestimento, a causa dei coefficienti di dilatazione diversi fra anima metallica e rivestimento stesso.
