La saldatura ad arco sommerso, SAW acronimo di Submerged Arc Welding, nella terminologia AWS, è il procedimento di saldatura ad arco a filo continuo sotto protezione di scoria. La morfologia generale della zona di saldatura (cioè il fatto che l'arco scocchi sotto la scoria) permette di generare una grande quantità di calore che, essendo schermato dalla scoria, cattiva conduttrice termica, resta localizzato nel bagno di saldatura. Quindi la saldatura ad arco sommerso permette di operare con elevate velocità di saldatura e di deposito. La saldatura ad arco sommerso è un processo che può essere reso completamente automatico permettendo di realizzare anche saldature di varie forme.
Procedimento
Nella saldatura ad arco sommerso l'elettrodo è un filo continuo, che opera immerso in un letto di flusso, cioè di materiale solido, granulare, che in parte fonde e lascia una scoria di protezione sul cordone di saldatura. Il filo viene alimentato a velocità costante e l'arco viene spostato in avanti sempre a velocità costante, dal macchinario computerizzato o manualmente dall'operatore. La denominazione arco sommerso viene dal fatto che l'arco, scoccando sotto il letto di flusso, non è visibile all'esterno. Questo processo è facilmente automatizzabile, si è diffuso proprio allo scopo di avere un sistema automatico di saldatura con forte penetrazione e di buona qualità, indipendente dall'operatore.
Una macchina per la saldatura ad arco sommerso è composta da:
• Generatore di corrente;
• Alimentatore del filo (avvolto su un aspo) a velocità costante, montato su un carrello che
trasla lungo la linea di saldatura;
• Tramoggia contenente il flusso, che lo lascia
cadere davanti al filo;
• Dispositivo di recupero del flusso non fuso (che si muove dietro alla testa saldante).
Visto che la saldatura procede, la scoria che inizialmente è liquida solidifica sopra il cordone di saldatura, continuando a proteggerlo dal contatto con l'atmosfera; alla fine di
ogni passata di saldatura è necessario rimuoverla picchettandola eliminando le scorie e quindi proseguire il cordone di saldatura.
La presenza di un flusso granulare necessario a proteggere il bagno di saldatura limita le posizioni in cui può essere usata la saldatura ad arco sommerso, praticamente solo alla posizione in piano. In particolare, mentre non sussistono difficoltà ad effettuare giunti longitudinali (cioè lungo la generatrice di un cilindro), giunti circonferenziali possono essere realizzati con questa tecnologia solo in unione a macchine di posizionamento che operino collegate alla macchina saldatrice in modo tale che il segmento di giunto che viene saldato in quel momento sia in posizione piana.
Utilizzo della saldatura ad arco sommerso
Il costo delle macchine per questo tipo di saldatura è notevole, quindi l'uso di questa tecnologia deve essere valutato, da un punto di vista economico oltre che da un punto di vista tecnico, in particolare si deve considerare se l'aumento di produttività ottenuta permette di ammortizzare la spesa della macchina in tempi ragionevoli. L'elevata riproducibilità delle condizioni operative di questo tipo di saldature rende l'arco sommerso molto adatto a produzioni di serie, dato che, una volta definiti i parametri operativi e la composizione dei flussi, praticamente non sussistono eventi esterni tali da perturbare le operazioni.
Dato il forte apporto termico e gli spessori elevati, la saldatura ad arco sommerso viene utilizzata praticamente solo per acciai al carbonio, anche se non esistono controindicazioni teoriche per l'utilizzo con acciai inossidabili austenitici o leghe non ferrose.
ll filo
Il filo per la saldatura ad arco sommerso è fornito generalmente come filo pieno o come nastro, per la saldatura di acciai fortemente legati possono essere usati fili cavi che contengono gli elementi di lega. Nel caso che la presenza di rame non provochi danni al materiale da saldare si preferisce usare fili ramati esternamente, come protezione contro lo sfregamento degli organi di alimentazione e per aumentare la conducibilità elettrica del filo; nel caso non sia possibile la ramatura, generalmente i fili vengono nichelati, cioè rivestiti di nichel. Le dimensioni del filo variano normalmente da 1,2 a 6,4 mm di diametro. Con i fili di diametro più elevato la corrente d'arco può arrivare a 1600 A.
Il letto di flusso
Le funzioni del flusso sono quelle di favorire la stabilità dell'arco, schermando e purificando il bagno evitandone l'ossidazione. Il flusso è caratterizzato da componenti principali di ossido di manganese e biossido di silicio oppure da ossido di calcio e biossido di silicio, in base ai loro diagrammi di stato si può determinare gli intervalli di fusione e le strutture che si formano nella scoria.
In genere i composti presenti nel flusso sono:
- Composti di manganese e di silicio con funzioni disossidanti;
- Silicati di sodio o potassio, con funzioni agglomeranti e ionizzanti per migliorare la stabilità dell'arco;
- Biossido di titanio, conosciuto come rutilo, per aumentare la tensione superficiale e la viscosità del bagno;
- Composti di calcio e magnesio che reagiscono con lo zolfo e il potassio depurando il bagno, questi composti conferiscono al flusso un comportamento basico;
- Fluoruro di calcio che funziona come fondente, tuttavia la sua funzione antiionizzante rende l'arco meno stabile, quindi deve essere usato insieme a forti quantità di sali di potassio;
- Possono essere presenti ferroleghe con funzioni metallurgiche.
Per quanto riguarda il comportamento elettrico, il flusso solido deve essere sempre isolante, altrimenti si avrebbero forti dispersioni di potenza elettrica in zone non interessate alla saldatura, invece il flusso fuso può essere anche molto conduttivo: un flusso con conducibilità elettrica molto elevata porta la saldatura da arco sommerso a condizioni operative simili a quelle della saldatura a elettroscoria. In genere si opera con flussi contenenti quantità notevoli di silicato di calcio, che permette un sia pur limitato passaggio di corrente attraverso la scoria fusa. L'azione protettiva viene svolta essenzialmente dal flusso in fase liquida (non in fase gassosa come nell'utilizzazione di elettrodi rivestiti), questo dovuto principalmente al fatto che la quantità di flusso presente, rapportata al metallo del filo, è molto superiore alla quantità di rivestimento rapportata al metallo dell'elettrodo.
Operativamente, al flusso sono richieste diverse caratteristiche:
- avere forte viscosità ad alta temperatura per coprire il bagno di saldatura;
- formare una scoria sufficientemente fragile da permetterne l'asportazione dopo l'esecuzione della passata di saldatura
- la temperatura di fusione e la densità del flusso fuso devono essere entrambe inferiori a quelle del metallo di saldatura (per la temperatura di fusione è consigliato un valore attorno ai 1300 °C)
- avere un'opportuna granulometria, la percentuale di particelle di flusso di piccole dimensioni deve
- tendere ad aumentare con elevate correnti d'arco.
I flussi possono essere classificati in base al sistema con cui vengono fabbricati, cioè agglomerati e prefusi, oppure una classificazione più ampia in base all'attività metallurgica.
I flussi prefusi vengono ottenuti per fusione di materie grezze fuse in forno elettrico e successivamente raffreddate sotto getto d'acqua. L'aspetto del flusso fuso è vetroso. I vantaggi sono una buona omogeneità chimica, minore igroscopicità, facile riciclaggio, reazioni metallurgiche ripetibili. Non sempre è possibile realizzare flussi per le alte temperature richieste per la fusione (superiori a 1500 °C).
I flussi agglomerati vengono ottenuti per mescolanza di materie grezze mescolate a secco. Successivamente queste miscele sono formate in palline in presenza di silicato di sodio o potassio e di un liquido. Infine il flusso viene essiccato in forno (a temperature inferiori a quelle richieste per la fusione) e macinato. Rispetto ai flussi fusi si ha una maggiore facilità di aggiunta di disossidanti ed elementi di lega. D'altra parte, i flussi agglomerati sono sensibilmente più igroscopici dei flussi fusi e c'è la possibilità che cambino la composizione per segregazione dei componenti.
Problematiche e difetti
La saldatura ad arco sommerso è ampliamente usata in processi automatici, con buone calibrazioni indipendenti dall'operatore ma scelte a priori, produce mediamente saldature di qualità media più elevata delle saldature effettuate manualmente.
Tuttavia questo tipo di saldature non sono esenti da difetti, se non altro per l'elevato apporto termico legato alla tecnologia stessa. E' possibile avere inclusioni di scoria, data la presenza di flusso e la necessità di asportare la crosta di scoria sovrapposta alle passate di saldatura, soprattutto alla radice della saldatura ed in prossimità del cianfrino.
Altri difetti possibili in questa tecnologia sono le porosità, dovute generalmente all'inquinamento del bagno di saldatura da parte di materiali estranei all'umidità del flusso, particolarmente se è un flusso agglomerato. Sono possibili anche mancanze di fusione, nel caso che l'arco per qualsiasi motivo diventi instabile o che l'apporto termico specifico sia insufficiente.
Infine, fra i difetti metallurgici, è facile riscontrare cricche a caldo, dovute ad un bagno fuso avente una profondità eccessiva rispetto alla larghezza, specialmente in presenza di impurità quali zolfo e fosforo. In questo processo è possibile incontrare anche cricche a freddo, in questo caso dovute a inadeguata deumidificazione del flusso, dovute alla presenza di H, oltre che a parametri di saldatura non adeguati.
