MMA welding

LA SALDATURA AD ARCO CON ELETTRODI RIVESTITI (M.M.A. Manual Metal Arc)

 

A. PREMESSA

La saldatura ad arco con elettrodi rivestiti è un procedimento manuale in cui la sorgente termica è costituita dall'arco elettrico che, scoccando fra elettrodo rivestito (supportato dalla pinza porta elettrodo) ed il pezzo da saldare (materiale base), sviluppa il calore che provoca una rapida fusione sia del materiale base che dell'elettrodo (materiale d'apporto).


B. IL CIRCUITO DI SALDATURA

 

Il circuito di saldatura è essenzialmente composto dai seguenti elementi:

1. generatore di corrente

2. pinza porta elettrodo

3. elettrodo rivestito

4. pinza di massa

5. 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. La saldatura ad elettrodo si basa sul principio della corrente costante, cioè 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 dovute all'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, 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, che cambia la sua polarità ad intervalli regolari, con frequenza di  50 o 60 cicli al secondo (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, ottenuta tramite un dispositivo, il raddrizzatore, posto a valle del trasformatore, che consente la conversione della corrente da alternata a continua. Questa uscita è tipica dei generatori ad SCR e ad inverter.
Nell'ipotesi in cui il circuito di saldatura sia costituito da un generatore di corrente continua (DC), 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. 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
img6La 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.

4. 5. PINZA DI MASSA E CAVI
img7Il morsetto di massa è un dispositivo che assicura, tramite il cavo di massa, la richiusura del collegamento elettrico tra la sorgente di saldatura e il pezzo da saldare. Il cavo di pinza consente il collegamento tra la pinza portaelettrodo ed il generatore.


C. I DISPOSITIVI DI ARC FORCE, HOT START, ANTI STICK

Per facilitare l'impiego dei generatori di saldatura, possono essere presenti al'interno degli stessi 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 dispositivo 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
img8L'elettrodo rivestito è composto da un'anima e da un rivestimento:
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.
Il rivestimento è la parte più importante dell'elettrodo ed ha numerose funzioni. Innanzitutto serve a proteggere la saldatura dalla contaminazione dell'aria, e 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 alla saldatura. 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
Esistono in commercio diversi tipologie di elettrodi rivestiti, dove la loro composizione chimica influenza fortemente 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. Garantiscono una buona stabilità dell'arco che 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, con un apprezzabile effetto estetico sulla saldatura. Il compito del rivestimento rutilo è comunque quello di garantire una fusione dolce, di facile realizzo, facilitando 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 essicabili e quindi sviluppano molto idrogeno nella saldatura.
In alcune applicazioni viene abbinato al rutilio 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 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 anche in posizione verticale discendente, cosa che non è permessa 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 della saldatura sono ottime; 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 essere tenuto molto corto per la scarsa volatilità del rivestimento stesso; tutte queste caratteristiche richiedono una buona esperienza da parte del saldatore. 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.

1. 3 Caratteristiche dei vari tipi di elettrodi

TIPOVANTAGGISVANTAGGIAPPLICAZIONI
acido
  • basso costo
  • arco stabile
  • corrente AC e DC
  • scoria facilmente removibile
  • elevata disossidazione
  • facilmente conservabili
  • bagno fluido
  • scarso effetto di pulizia
  • elevato apporto di idrogeno
  • scoria non refusibile
  • saldature in orizzontale
  • acciai a basso tenore di carbonio e con scarsa presenza di impurità
  • saldature economiche e con caratteristiche meccaniche sufficienti (buona robustezza ma rischio di cricche)
rutile
  • basso costo
  • arco stabile
  • facile innesco
  • corrente AC e DC
  • cordone esteticamente migliore
  • facilmente conservabili
  • bagno fluido
  • scarso effetto di pulizia
  • elevato apporto di idrogeno
  • saldature in orizzontale
  • saldature in verticale e ad angolo per piccoli spessori
  • acciai a basso tenore di carbonio e con scarsa presenza di impurità
  • saldature esteticamente buone ma caratteristiche meccaniche sufficienti (buona robustezza ma rischio di cricche)
cellulosico
  • elevata penetrazione
  • elevata maneggevolezza
  • scoria ridotta
  • sono necessari generatori DC con elevata tensione a vuoto
  • cordone irregolare
  • elevato apporto di idrogeno
  • saldature in tutte le posizioni, inclusa la verticale discendente
  • tubi o dovunque non sia possibile la ripresa a rovescio
  • saldature in cui l'accesso dell'elettrodo risulta critico
  • acciai a basso tenore di carbonio e con scarsa presenza di impurità
basico
  • ottima pulizia del materiale
  • apporto di idrogeno molto ridotto
  • bagno freddo
  • arco poco stabile
  • scoria non refusibile e di difficile rimozione
  • arco corto e poco lavorabile
  • innesco difficile
  • generatori DC
  • di difficile conservazione
  • saldature in tutte le posizioni, anche per grossi spessori
  • elevate velocità di deposito
  • saldature di elevate qualità meccaniche, anche con materiali contenenti impuri

1.4 Scelta della corrente in funzione dell'elettrodo

VALORI MEDI DELLA CORRENTE DI SALDATURA (A)
Diametro elettrodo (mm) 1,60 2,00 2,50 3,25 4,00 5,00 6,00
Elettrodo acido - - - 100-150 120-190 170-270 240-380
Elettrodo rutile 30-55 40-70 50-100 80-130 120-170 150-250 220-370
Elettrodo cellulosico 20-45 30-60 40-80 70-120 100-150 140-230 200-300
Elettrodo basico 50-75 60-100 70-120 110-150 140-200 190-260 250-320

2. Classificazione degli elettrodi
I gruppi di elettrodi rivestiti sono classificati nell'ambito della norma EN 499 per tipo di rivestimento in funzione alle loro caratteristiche più importanti.

a) Secondo la normativa in vigore ogni elettrodo può essere definito completamente da una sigla riportata nell'involucro della confezione, come di seguito esemplificato:

E 44 T 3 C 1 9 R09 KV20

I diversi elementi hanno questo significato:
* E = elettrodo
* 44 = resistenza a trazione, che può essere:

00 = nessun valore garantito;
44 = minimo garantito 44 Joule

* T = Tipo di applicazione che può essere:

S = per lamiere sottili (inferiore a 4 mm.);
L = per lamiere medie e grosse;
T = per tubazioni.

* 3 = classe di qualità, che varia da 1 a 4, funzione di particolari prove meccaniche.
* C = tipo di rivestimento, che può essere:

R = rutilo RC = rutilo cellulosico
B = basico RB = rutilo-basico
C = cellulosico V = speciale

* 1 = posizioni di saldatura, che può essere:

1 = tutte
2 = tutte, escluso verticale discendente
3 = solo piano e piano-frontale (angolo normale)
4 = solo piano e angolo posizionato.

* 9 = corrente elettrica impiegabile, che può essere:
* R09 = valore minimo garantito del rendimento, espresso in decimi;
* KV20 = simbolo aggiuntivo per caratteristiche di resilienza a bassa temperatura; nell'esempio l'elettrodo ha un valore di resilienza fino a -20 °C.

b) secondo la classificazione AWS  (AMERICAN WELDING SOCIETY) ASTM (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS) ogni elettrodo è rappresentato oltre dal logo del costruttore anche da un simbolo come nell'esempio seguente:

E 60 1 1

Il significato di ogni termine è il seguente:
E = elettrodo
60 = resistenza minima a trazione, espressa in libbre per pollice quadrato
1 = posizioni di saldatura che possono essere:

1 = tutte
2 = piano e angolo posizionato

1 = corrente di saldatura, che può essere:

0 = continua a polarità positiva, per elettrodi cellulosici;
1 = alternata e continua (polo positivo)
2 = alternata e continua (polo negativo)
3 = alternata e continua per elettrodi al rutilo
4 = alternata e continua per elettrodi al alto rendimento, al rutilo
5 = continua a polarità positiva per elettrodi basici
6 = alternata e continua per elettrodi basici
7 = alternata e continua (pol. qualsiasi ) per elet. ad alto rend. con ossido di ferro
8 = alternata e continua (polo positivo) per elett. basici ad alto rendimento 


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.
In pratica, la saldatura degli acciai con medio, elevato tenore di carbonio (>0,25%) può provocare la formazione di difetti strutturali; 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 ottengono una 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.
Relativamente ai materiali speciali quali acciai inossidabili, alluminio e sue leghe, e ghisa, sono utilizzati elettrodi specifici 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, quindi 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.