TIG welding

LA SALDATURA AD ARCO in GAS INERTE con ELETTRODO INFUSIBILE DI TUNGSTENO (T.I.G. Tungsten Inert Gas)

 

 

A. PREMESSA

La saldatura ad arco in gas inerte con elettrodo infusibile di tungsteno (Tungsten Inert Gas) è un procedimento in cui il calore necessario per l'esecuzione della saldatura è fornito da un arco elettrico mantenuto tra un elettrodo non consumabile ed il pezzo in lavorazione; l'elettrodo usato per condurre la corrente è un elettrodo di tungsteno o di lega di tungsteno. La zona di saldatura, il metallo fuso e l'elettrodo non consumabile sono protetti dall'influenza degli agenti atmosferici grazie al gas inerte alimentato attraverso la torcia porta elettrodo. La saldatura con procedimento TIG può avvenire con l'apporto di altro materiale (bacchetta di materiale d'apporto) oppure mediante fusione del materiale base per effetto del calore prodotto dall'arco elettrico.

 


B. IL CIRCUITO DI SALDATURA

Il circuito di saldatura è essenzialmente composto dai seguenti elementi:

1. generatore di corrente

2. torcia porta elettrodo di tungsteno con fascio cavi

3. bacchetta di materiale d'apporto

4. bombola di gas con circuito di pressione

5. pinza con cavo di massa

6. gruppo raffreddamento ad acqua

 



 

1. Generatore di corrente
Il generatore di corrente ha il compito di alimentare l'arco elettrico, che si crea tra il materiale base e l'elettrodo di tungsteno, attraverso la fuoriuscita di una quantità di corrente sufficiente per mantenerlo acceso.
Al proprio interno è presente generalmente un dispositivo di regolazione della corrente di saldatura, di tipo meccanico (shunt magnetico) od elettronico (sistema a tiristori od inverter).
È possibile identificare due categorie di appartenenza:

a) generatore in corrente alternata AC (alternating current)
La corrente/tensione in uscita dal generatore assume la forma di una onda tipicamente quadra, che cambia la sua polarità ad intervalli regolari, con frequenza da 20 a 200 cicli al secondo (Hertz) o più, a seconda del tipo di generatore utilizzato. Essa è ottenuta mediante uno o più dispositivi, la cui funzione è quella di trasformare la corrente/tensione sinusoidale di rete in una adatta corrente/tensione alternata di saldatura.

   

b) generatore in corrente continua DC (direct current)
La corrente in uscita dal generatore presenta  una forma d'onda continua, ottenuta tramite dispositivi che consentono la conversione della corrente/tensione da alternata a continua.
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 o della forma d'onda della corrente di saldatura:

i) corrente continua con collegamento in polarità diretta
Con la polarità diretta la torcia, con il relativo cavo,  viene collegata al polo negativo e il materiale da saldare al polo positivo della sorgente erogatrice; in questo caso gli elettroni fluiscono dall'elettrodo verso il pezzo  provocandone la fusione.
E' il tipo di corrente più utilizzata con il sistema TIG e garantisce una buona saldabilità su quasi tutti i metalli e le leghe comunemente saldabili, ad accezione dell'alluminio.. La corrente continua con polarità diretta produce un bagno di fusione stretto e profondo nonché una penetrazione decisamente  superiore  a quella ottenibile con la polarità inversa.

ii) corrente continua con collegamento in polarità inversa
Saldando con questa polarità la torcia, con il relativo cavo, viene collegata al polo positivo e il pezzo al polo negativo della macchina erogatrice.
Questo tipo di alimentazione è scarsamente utilizzata perché produce un bagno piatto con scarsa penetrazione. La polarità inversa causa di per sé un eccessivo riscaldamento dell'elettrodo; per non provocare la bruciatura dello stesso devono essere impiegate intensità di corrente piuttosto ridotte.Si giustifica così il suo limitato impiego.

Esiste una ulteriore famiglia di generatori, e si identificano come generatori in corrente continua, indipendentemente dalla polarità del collegamento, e precisamente generatori in corrente continua modulata o pulsata.
Il generatore in corrente modulata è un generatore a corrente continua provvisto di particolari dispositivi che permettono la variazione dell'ampiezza della corrente di saldatura. La corrente modulata o pulsata  si ottiene sovrapponendo alla corrente continua di base un'altra componente, solitamente ad onde quadre, producendo una pulsazione periodica dell'arco. Con questo sistema si ottiene un cordone di saldatura formato da una sovrapposizione continua di punti di saldatura i quali, uno dopo l'altro, formano un unico cordone. Si usa tipicamente su spessori sottili, dove bisogna controllare l'apporto di calore per evitare la perforazione del pezzo da saldare senza compromettere la penetrabilità della saldatura.

2. Torcia porta elettrodo di tungsteno con fascio di cavi
La torcia porta elettrodo è un dispositivo che ingloba l'elettrodo di tungsteno, ed è connessa a dei cavi collegati al generatore i quali hanno il compito di alimentarla elettricamente e di convogliarne il gas di protezione.
In funzione del tipo di impiego, vi possono essere torce a raffreddamento naturale, tramite il gas protettivo, qualora siano necessarie basse intensità di corrente, e torce a raffreddamento ad acqua, quando siano richieste correnti elevate (200 - 500 A) e saldature frequenti.

3. Bacchetta di materiale d'apporto
Lo spessore del materiale, il tipo di giunto e le caratteristiche di saldatura desiderate influiscono sulla necessità di usare o meno un metallo d'apporto da aggiungere al bagno. L'aggiunta del metallo d'apporto nella saldatura manuale si effettua immergendo una bacchetta di materiale nella zona dell'arco, lateralmente al bagno di fusione.
Il metallo d'apporto è molto spesso simile al metallo base e viene frequentemente addizionato con limitate quantità di disossidanti o altri elementi che migliorano le proprietà della zona fusa.

4. Bombola di gas con circuito di pressione
La bombola di gas con circuito di pressione è composta da:

- una bombola contenente il/i gas di protezione;

- un manometro, strumento utilizzato per segnalare la quantità di gas all'interno della bombola;

- un riduttore di pressione

- un'elettrovalvola, presente nel caso in cui la torcia sia dotata di pulsante di innesco, comandata dallo stesso pulsante, il quale apre e chiude il flusso di gas a seconda delle necessità dell'operatore.

5. Pinza con cavo di massa 
La pinza con cavo di massa consente il collegamento elettrico tra il generatore di corrente e il materiale base da saldare. Il cavo deve avere una sezione e una lunghezza funzione dell'amperaggio massimo della sorgente di saldatura.

6. Gruppo di raffreddamento ad acqua 
Il gruppo di raffreddamento ad acqua è un dispositivo utilizzato per il raffreddamento della torcia, se raffreddata ad acqua, per evitare sovrariscaldamenti eccessivi, qualora siano presenti elevate correnti di saldatura. Tale apparato, attraverso una pompa, consente la continua circolazione dell'acqua nella torcia e, tramite un  sistema di raffreddamento, ne controlla il surriscaldamento.


C. I GAS DI PROTEZIONE

La funzione principale del gas di protezione è quella di sostituirsi all'aria in prossimità del bagno di fusione, dell'elettrodo e dell'estremità dell'eventuale bacchetta d'apporto per evitare il rischio della contaminazione di agenti nocivi presenti nell'atmosfera.
Le caratteristiche fisiche e chimiche del gas di protezione possono  avere influenze diverse sulla saldatura a seconda dei diversi tipi di metallo. I gas di protezione utilizzati nella saldatura TIG sono: argon, elio, miscele argon-elio e miscele argon-idrogeno.
E' comunque importante che questi gas siano puri il più possibile poiché anche irrilevanti percentuali di impurità possono influenzare la qualità della saldatura rendendola inaccettabile.
Durante la saldatura utilizzando come gas di protezione l'argon, l'arco è piuttosto stabile ma il bagno risulta meno caldo; ne consegue che tale gas è più indicato per la saldatura su spessori sottili.
Si osserva che l'argon è un gas molto utilizzato per il suo costo assai più contenuto dell'elio; tale fattore risulta essere la maggiore discriminante nella scelta del  gas di protezione.
L'arco in elio sviluppa un calore superiore a quello sviluppato in argon; il suo impiego è quindi consigliato per la saldatura di materiali con elevata conducibilità termica, permettendo un aumento della velocità di saldatura.
Poichè l'elio è più leggero dell'aria, per avere una giusta protezione del bagno è indispensabile il suo utilizzo in quantità superiori a quelle utilizzate per l'argon.
Le miscele di argon ed elio sono utilizzate per avere gas protettivi di caratteristiche intermedie.


D. GLI ELETTRODI INFUSIBILI

Esistono in commercio  diversi tipi di elettrodi infusibili:

  • elettrodi di tungsteno puro. Vengono impiegati con ridotte intensità di corrente e in corrente alternata perché l'arco risulta più stabile. Per quanto riguarda l'aspetto economico essi sono i meno costosi.
  • elettrodi di tungsteno toriato. Sopportano elevate intensità di corrente. L'arco è di facile accensione e, una volta innescato, rimane piuttosto stabile. L'uso di questi elettrodi è indicato per la saldatura di acciai  in corrente continua in polarità diretta.
  • elettrodi di tungsteno con zirconio. Vengono impiegati in saldatura manuale su alluminio, magnesio e sue leghe con una medio-bassa intensità di corrente.
  • elettrodi al cerio. Sono caratterizzati da una elevata emissione di elettroni, permettono una buona penetrazione e una soddisfacente resistenza all'usura.

E. I SISTEMI DI ACCENSIONE DELL'ARCO

L'accensione dell'arco elettrico avviene mediante un rapido contatto fra l'elettrodo di tungsteno e il pezzo, oppure mediante apposito dispositivo di accensione senza contatto.
Per non contaminare l'elettrodo o per evitare colpi d'arco sul materiale base, l'arco viene spesso innescato su una placchetta ben pulita (di rame oppure della stessa natura del materiale base) posta in prossimità del cianfrino.
Le tipologie di  accensione dell'arco utilizzate più di frequente sono:

  • innesco HF (alta frequenza)
    La scintilla pilota è fornita da un generatore ad alta frequenza che sovrappone alla tensione di saldatura un impulso ad alta tensione; la potenza di tale dispositivo è minima, tale comunque da permettere l'innesco a distanza dell'arco elettrico.
    L'innesco HF richiede l'utilizzo di una particolare torcia di saldatura, la quale presenta anche un pulsante che consente di comandare l'innesco.
  • innesco ad arco pilota
    In questo caso l'arco scocca tra l'elettrodo di tungsteno e un elettrodo ausiliario il quale può essere un anello posto sull'ugello della torcia stessa.
    L'accensione dell'arco pilota avviene per intervento di una scintilla ad alta frequenza che agisce nel circuito dell'arco pilota stesso; dopo che l'arco pilota è stato acceso, la scintilla pilota viene disinserita in quanto l'arco principale si innesca spontaneamente per semplice scarica dell'elettrodo di tungsteno reso incandescente in atmosfera di gas ionizzata. Tale innesco è usato soprattutto in impianti automatici.
  • innesco LIFT
    E' ottenuto mediante un dispositivo che fornisce una corrente di basso valore per non danneggiare la punta dell'elettrodo di tungsteno, quando lo stesso è a contatto con il materiale da saldare.
    Nell'istante in cui si allontana l'elettrodo dal pezzo, si crea una scintilla che causa l'accensione dell'arco; il generatore aumenta quindi la corrente di saldatura fino al valore inizialmente impostato. La partenza LIFT, per la mancanza dell'alta frequenza ha la proprietà di non creare disturbi elettromagnetici; il contatto della punta dell'elettrodo con il materiale da saldare crea comunque un inquinamento del bagno.
  • innesco a striscio (scratch)
    Tale innesco avviene mediante sfregamento dell'elettrodo di tungsteno sul pezzo da saldare, con la conseguente accensione dell'arco. A causa del contatto tra elettrodo e pezzo da saldare, sono presenti ad inizio cordone delle inclusioni di tungsteno che compromettono la qualità della saldatura.

F. LA SALDATURA IN TIG DEI MATERIALI

L'applicazione di questo procedimento si riscontra principalmente nella saldatura degli acciai inossidabili, dell'alluminio e delle sue leghe, del nichel, del rame, del titanio e delle loro leghe.
Gli acciai inossidabili si saldano in corrente continua (DC) con polarità diretta.
Si possono saldare senza materiale d'apporto pezzi con spessore fino a 2,5 mm; oltre tale spessore, i lembi devono essere smussati e richiedono l'utilizzo della bacchetta di materiale d'apporto, il quale deve essere particolarmente adatto alla qualità dell'acciaio inossidabile da saldare. Prima di procedere con la saldatura, è consigliata un'accurata pulizia con una spazzola d'acciaio inossidabile.

L'alluminio e le sue leghe si saldano in corrente alternata (AC) e richiedono, per una buona esecuzione del cordone, l'applicazione di un generatore di alta frequenza di adeguate caratteristiche. Se vi è una forte ossidazione, è bene sia eliminata con spazzola o decapaggio (procedimento chimico per eliminare l'ossido presente).
Anche in questo caso si possono saldare senza materiale d'apporto materiali con spessore fino a 2,5 mm; oltre tale spessore, i lembi devono essere smussati e richiedono l'utilizzo della bacchetta di materiale d'apporto.
La saldatura in atmosfera di argon, con elettrodo al tungsteno, viene applicata anche agli acciai dolci e legati, nichel e sue leghe; rame e sue leghe, titanio e metalli nobili. Per tutti questi metalli e leghe si impiega corrente continua  (DC) in polarità diretta.