→ Numero speciale
Gas di protezione e
formiergas.
Per la saldatura MSG e TIG / WIG di acciai inox.
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Gas di protezione e formiergas
Gas di protezione e miscele azotoidriche
per la saldatura di acciai inox
Acciai inox
Le proprietà fisiche, meccaniche e chimico-corrosive degli acciai inox
secondo la SN EN 10 088 Parte 1 – 3 sono essenzialmente il risultato
della struttura del reticolo cristallino nel componente finito; per tale
ragione questi acciai vengono suddivisi in gruppi sulla base della loro
struttura reticolare.
Pertanto si distinguono i seguenti gruppi:
→ acciai austenitici
→ acciai duplex ferritico-austenitici
→ acciai martensitici
→ acciai ferritici
A livello economico è grande l’importanza degli acciai austenitici e
sempre più anche quella degli acciai duplex. Dall’ulteriore suddivisione
degli acciai di tipo austenitico risultano i seguenti gruppi:
→ austeniti con e senza molibdeno
→ austeniti con un tenore di carbonio particolarmente basso
→ acciai austenitici stabilizzati
→ acciai austenitici integrali con un reticolo cristallino austenitico puro
Le seguenti considerazioni fanno riferimento in primo luogo agli acciai
austenitici inox, a causa della loro grande diffusione e importanza
economica. La resistenza alla corrosione è una proprietà complessa e
dipende non solo dal materiale e dallo stato di lavorazione dello stesso,
ma in misura maggiore dal fluido corrosivo e dalle altre condizioni
ambientali. Per questa ragione le tipologie di acciaio inox sono concepite per esigenze diverse che in questa sede possono essere solamente
abbozzate. L’aggiunta di molibdeno, infatti, può aumentare la resistenza­
contro la vaiolatura e la corrosione interstiziale; un basso tenore di
carbonio impedisce la corrosione intercristallina; le tipologie stabilizzate­
con il titanio o altri elementi di microlega prevengono la corrosione
intergranulare, mentre una struttura completamente austenitica migliora
la resistenza alla corrosione in generale.
Considerazioni fondamentali sulla saldatura degli acciai inox
Rispetto agli acciai non legati e a basso tenore di lega, gli acciai inox presentano una conducibilità termica sensibilmente minore e una dilatazione­
termica sensibilmente maggiore con una pronunciata tendenza alle
distorsioni. Il bagno di fusione è decisamente più viscoso, soprattutto
negli acciai legati con molibdeno. Negli acciai inox ad alto tenore di lega,
la scelta della tecnica di saldatura, dei metalli di apporto e dei gas di
protezione della saldatura deve considerare che il cordone di saldatura e
le immediate vicinanze devono, nella misura del possibile, presentare le
stesse caratteristiche tecnologiche del metallo base. Per questa ragione
è molto utile conoscere alcune delle proprietà chimico-fisiche degli acciai
inox, in particolare il comportamento del materiale sotto le sollecitazioni termiche. Il cordone di saldatura è normalmente caratterizzato da
una struttura di fusione, mentre il metallo base presenta un reticolo
cristallino più volte deformato e solubilizzato. Con le normali velocità di
raffreddamento dalla temperatura di laminazione a caldo o di ricottura
alla temperatura ambiente, nella struttura cristallina si formano delle
precipitazioni composte essenzialmente da carburi e da fasi intermetalliche, con un effetto negativo sulla resistenza alla corrosione: i carburi
misti di cromo-ferro si formano in prevalenza in corrispondenza dei bordi
dei grani cristallini dando così luogo ad un impoverimento di cromo nelle
immediate vicinanze.
Gas di protezione e formiergas
3
Saldatura con gas di protezione di acciai ad alto tenore di lega: una tecnologia ampiamente collaudata
Se la concentrazione locale di cromo è inferiore al 12 %, lungo queste zone si può assistere ad una corrosione intergranulare – chiamata
anche corrosione intercristallina – con il distacco di singole cristalliti. La
solubilizzazione e la tempra impediscono efficacemente la produzione
di precipitazioni. Questa tecnica tuttavia non è normalmente applicabile
dopo la saldatura. Pertanto si suggerisce un’altra strada metallurgica,
comunemente adottata nella pratica: l’adozione del tasso di carbonio più
basso possibile. Se il tasso di carbonio è molto basso, la formazione di
carburi può essere efficacemente limitata. Questi acciai vengono chiamati anche ELC (Extra Low Carbon), purché il tenore di carbonio sia pari allo
0,03 % o inferiore. Un altro meccanismo efficace è il legame del carbonio
con elementi di microlega e conseguente formazione di carburi di titanio
e di niobio e soppressione della formazione dei dannosi cromocarburi.
Gli effetti delle diverse concentrazioni di CO₂ risultano dalla figura 1: in
una serie di test un filo di apporto inox con un tasso di carbonio dello
0,016 % è stato saldato sotto diversi gas di protezione, misurando poi il
tenore di carbonio all’interno del deposito. La saldatura con CO₂ pura è
totalmente impraticabile, ma anche il gas di protezione con il 18 % CO₂
provoca un arricchimento di carbonio che, nel complesso, genera un
tenore di carbonio superiore al limite ELC.
Figura 1: Aumento del carbonio nell'acciaio in funzione del gas di protezione
0,07
0,06
Per quanto riguarda la scelta del gas di protezione per la saldatura MSG­
ne risulta l’esigenza di impedire l’arricchimento di carbonio nel cordone­
di saldatura. Una possibile fonte dell’arricchimento di carbonio è costituita­
dall’anidride carbonica presente nei gas di protezione attivi.
Tenore di C in (%)
Saldatura MSG di acciai inox
0,05
0,04
0,03
Limite ELC
0,02
0,016
0,01
Ar + 2,5 % CO₂
Ar + 5 % CO₂ + 5 % O₂
Ar + 18 % CO₂
Gas di protezione per la saldatura
CO2
Gas di protezione e formiergas
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Saldatura d'angolo TIG/WIG realizzata con argon
La sensibilità alla corrosione intercristallina si manifesta in un determinato­
intervallo di temperature e tempi e va perciò considerata soprattutto se
si prevede un ulteriore trattamento termico. Questi vengono riprodotti
nei cosiddetti schemi di corrosione intergranulare. La figura 2 mostra uno­
schema di questo tipo per un deposito prodotto con il metallo di apporto
1.4316 con la tecnica MSG e con i gas di protezione sopra indicati (il test
con CO₂ pura è stato omesso):
M 21: argon, 18 % CO₂ (CORGON® 18)
M 23: argon, 5 % CO₂, 5 % 0₂ (COXOGEN® 5/5)
M 12: argon, 2,5 % CO₂ (CRONIGON®)
I vari tenori di carbonio nel deposito influiscono radicalmente sulla resistenza alla corrosione intergranulare. Il gas di protezione per saldatura
M 21 è utilizzabile universalmente per gli acciai da costruzione, ma non è
raccomandabile per la saldatura degli acciai inox. In ogni caso, il gas
di protezione M 12 con 2,5 % CO₂ e il resto argon fornisce comunque una
sufficiente garanzia. A questo punto occorre chiedersi se una rinuncia
all’anidride carbonica nel gas di protezione – e cioè la saldatura MIG
sotto argon puro – permette di risolvere questo problema?
Figura 2: Schema di corrosione intergranulare
Temperatura di ricottura in °C
0
0
Senza percentuali di gas attivo nel gas di protezione – può trattarsi di
anidride carbonica o ossigeno – l’arco è molto instabile e genera un
processo di saldatura estremamente irregolare. La scarsa conducibilità­
termica e la bassa energia di ionizzazione dell’argon fanno sì che l’apporto di calore nel pezzo da saldare sia limitato. Ne risulta un bagno di
fusione piuttosto viscoso che aderisce male al metallo base. Il risultato è
un cordone di saldatura di forma irregolare, e spesso anche molto stretto
e in elevazione con una penetrazione insoddisfacente, intagli ai bordi e
una forte presenza di spruzzi. L’ossigeno a basso tenore fino al 3 % può
migliorare leggermente la situazione – soprattutto l’arco diventa più
stabile e la tendenza agli spruzzi diminuisce – tuttavia si osserva una
maggiore sensibilità ai pori del deposito e un’ossidazione della superficie
del cordone. Un tenore di ossigeno superiore migliora l’apporto di calore
nel deposito, ma gli strati di ossido risultano più aderenti e sono molto
difficili da rimuovere. Negli acciai duplex è stata inoltre osservata una
diminuzione dei valori di tenacia (allungamento di rottura, resilienza) in
corrispondenza del cordone di saldatura.
Con i gas di protezione contenenti anidride carbonica come componente
attivo al posto dell’ossigeno, la rimozione dei colori di rinvenimento
risulta invece facilitata. Complessivamente per la saldatura MSG degli
acciai cromo-nichel si sono affermati i gas di protezione con il 2,5 % CO₂.
La dissociazione nell’arco e la conseguente ricombinazione conducono
ad un percepibile apporto di calore con un favorevole comportamento
di ossidazione e dei pori. Uno dei prodotti ampiamente sperimentato e
collaudato è il gas di protezione CRONIGON®.
Se le potenze in gioco sono superiori e gli acciai al cromo-nichel sono
legati anche con molibdeno, è possibile utilizzare una percentuale
aggiuntiva di elio del 20 – 50 %. L’elio come componente del gas di protezione comporta un apporto di calore molto elevato, il che permette di
realizzare velocità di saldatura molto maggiori.
0
Si è rivelata particolarmente idonea una miscela di gas di protezione a
tre componenti: 77,5 % argon, 2,5 % anidride carbonica e 20 % elio.
Questo gas di protezione per saldatura viene fornito dalla PanGas AG con
il nome di CRONIGON® He20.
Penetrazione più profonda con miscele di argon-idrogeno
Durata della ricottura in ore
Gas di protezione e formiergas
5
Saldatura MSG di acciai inox: preferibilmente con gas di protezione contenenti elio
Applicazioni speciali
Dove è necessaria una potenza maggiore, una buona saldabilità degli
strati, una bassa tendenza agli spruzzi e un’ossidazione ridotta, è disponibile una variante con una percentuale di elio ancora maggiore e una
bassa percentuale di idrogeno; essa è composta da 63 % Ar, 3 % CO₂,
33 % He, 1 % H₂; e il nome attribuito dalla PanGas è CRONIGON® He33.
Se le esigenze in termini di resistenza alla corrosione sono particolarmente complesse, i normali acciai inox raggiungono i loro limiti ed è necessario usare leghe a base nichel. Queste vengono utilizzate in impianti
particolarmente esposti alla corrosione quali impianti di desolforazione
dei fumi, nelle centrali termiche o negli inceneritori di rifiuti.
Nella saldatura di questo tipo di materiali i compiti da risolvere sono due:
da un lato si tratta di mantenere stabile l’arco e dall’altro di impedire la
formazione di ossido di nichel che non è risaldabile. Questo problema
viene risolto da una miscela di gas di protezione composta da argon, elio
e basse percentuali di gas attivo, p. es. 0,05 % CO₂. Un’aggiunta del 2 %
di idrogeno migliora ulteriormente la capacità di saldare in posizioni di
costrizione (p. es. cordone discendente). Nella saldatura di riparazione di
grandi superfici nelle camere di combustione degli inceneritori di rifiuti,
il gas di protezione delle saldature con il nome di CRONIGON® He30S si è
rivelato particolarmente adatto.
Saldatura TIG/WIG di acciai austenitici
In molti casi la saldatura TIG/WIG di acciai ad alto tenore di lega avviene
sotto argon puro. Altre piccole aggiunte di gas attivi, come quelle utilizzate
per la saldatura a corrente alternata dell’alluminio (p. es. 300 ppm O₂)
non producono effetti sul tranquillo arco TIG/WIG a corrente continua e
non sono perciò necessarie. I gas con componenti ossidanti in concentrazioni superiori non sono utilizzabili a causa dell’elettrodo di tungsteno
non fondente; per migliorare l’apporto di calore sono perciò preferibili
miscele di argon e idrogeno con un tenore di H₂ fino al 5%.
Sugli acciai austenitici non presentano normalmente problemi nemmeno
in relazione al rischio di pori, mentre sugli acciai duplex con un’elevata
percentuale di ferrite non sono consigliabili per prevenire il rischio di
criccature indotte dall’idrogeno. In casi di dubbio l’utente potrà chiarire
la questione facendo delle prove di saldatura. Con gli austeniti, una conduzione meccanica del cannello permette di aumentare la percentuale di
idrogeno fino al 10 %.
Saldatura TIG/WIG di acciai completamente austenitici
Per gli acciai completamente austenitici usati in particolare nella
tecnologia alimentare e nell’industria chimica, spesso è richiesta una
percentuale di ferrite inferiore all’1 % o addirittura allo 0,5 % per garantire la massima protezione contro la corrosione, e cioè per prevenire la
corrosione selettiva. Nella saldatura MSG c’è la possibilità di aumentare
il tenore della lega con generatori di austeniti quali il nichel. Nella saldatura orbitale di tubazioni sottili, invece, spesso si è costretti a lavorare
senza metallo di apporto: in questi casi si sono rivelati particolarmente
idonei i gas di protezione a base di argon con azoto. L’azoto è noto come
un eccellente generatore di austeniti, tuttavia nell’acciaio si scioglie solo
limitatamente in forma molecolare. Dopo il passaggio attraverso l’arco
TIG/WIG, l’azoto è invece disponibile in forma atomica o dissociata,
per cui il suo assorbimento da parte del bagno di fusione dell’acciaio è
molto migliore. Per proteggere l’elettrodo di tungsteno, la percentuale di
azoto non dovrebbe essere molto superiore al 3 %. Anche le percentuali
aggiuntive di elio o idrogeno consentono di aumentare la velocità di
saldatura. Con gli acciai contenenti leghe di TI, tuttavia, la stabilizzazione
dell’austenite tramite azoto non è possibile a causa della formazione di
nitruro di titanio. I gas di protezione ampiamente collaudati e diffusi sono
presenti nell’assortimento di PanGas con il nome di CRONIWIG®.
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Gas di protezione e formiergas
Radice della saldatura non protetta
Saldatura TIG/WIG di acciai duplex
A causa della loro analisi chimica e della struttura cristallina, gli acciai
duplex sono normalmente insensibili alla tensocorrosione e sono caratterizzati da una maggiore resistenza alle vaiolature. Un altro vantaggio
è il loro maggiore limite di snervamento e la maggiore resistenza alla
trazione con una tenacia praticamente invariata. Grazie a queste eccellenti proprietà, gli acciai duplex hanno acquisito un’importanza sempre
maggiore e viene loro pronosticato un grande futuro. La caratteristica
di questi acciai è un maggiore contenuto di azoto, oltre agli elementi
presenti negli acciai inox, quali cromo, nichel e molibdeno. Durante la­saldatura di questi materiali l’apporto di calore disturba l’equilibrio cristallino
ferrite-austenite (50 : 50 dopo la ricottura) per cui si utilizza un tenore
di lega superiore dei generatori di austenite. Anche in questo caso un
gas di protezione a base di argon con una percentuale di azoto del 3 %
può garantire il mantenimento della resistenza alla corrosione e delle
proprietà meccaniche. Anche qui l’aggiunta di elio può aumentare le
prestazioni; a causa del pericolo di criccature nella fase ferritica occorre
rinunciare all’aggiunta di idrogeno al gas di protezione.
Ferriti e martensiti, saldatura TIG/WIG e MSG
La saldabilità generale degli acciai ferritici e martensitici è garantita solamente con percentuali di carbonio inferiori allo 0,08 %. Questi possono
essere saldati senza alcun problema sotto argon puro (TIG/WIG) e miscele
di argon con piccole quantità di CO₂ (2,5 %) (MSG). Sono buone anche le
esperienze con miscele di gas di protezione a tre componenti, composti
da argon, anidride carbonica ed elio (77,5 % Ar, 2,5 % CO₂, 20 % He).
Protezione della radice con miscele gassose nella saldatura
di tubazioni
Gli acciai ad alto tenore di lega devono presentare la resistenza alla
corrosione prevista per l’applicazione specifica, necessaria e specificata
non solo nel materiale di base, ma ovviamente anche in corrispondenza
dei punti di saldatura. Ciò vale anche per i tubi, per le tubazioni e in
particolare per l’interno delle tubazioni stesse. L’eliminazione o l’esclusione di colori di rinvenimento assume un ruolo importante; spesso la
Radice della saldatura protetta con Formiergas
finitura – ad esempio tramite decapaggio – non è possibile per ragioni
di impatto ambientale oppure a causa della scarsa accessibilità. Per questa ragione, in alternativa al post-trattamento, si tenta di impedire
l’ossidazione della saldatura in corrispondenza della radice all’interno
dei tubi fin dall’inizio. La schermatura della parte inferiore della saldatura con speciali gas di protezione per impedire l’effetto dannoso ed
ossidante dell’ossigeno presente in aria, viene indicata con il termine di
forming o protezione della radice con miscele gassose azotoidriche e i
gas utilizzati a questo scopo sono chiamati Formiergas.
Strato di passivazione
La resistenza alla corrosione degli acciai inox è basata sulla formazione
di uno strato di passivazione che impedisce un attacco dell’aria umida o
degli acidi sull’elemento ferro prioritariamente presente nell’acciaio,
con conseguente asporto di materiale dal componente. La formazione
dello strato di passivazione è strettamente legata al tenore di cromo
dell’acciaio: a partire dal 12 – 13 % di cromo, l’acciaio è resistente
all’umidità dell’aria, mentre con un tenore di cromo superiore e la lega
con nichel, molibdeno e rame, la sua resistenza contro alcuni acidi
aumenta ulteriormente. Lo strato di passivazione è generato in presenza di sostanze ossidanti con uno spessore molto sottile saldamente
aderente­alla superficie, grazie alle forze di assorbimento. Questo strato
impedisce l’ulteriore reazione del ferro con i vettori dell’ossigeno e
ne determina lo stato passivo. In base alla moderna interpretazione, lo
strato di passivazione non va inteso come uno strato statico, ma è in
equilibrio dinamico con l’offerta di ossigeno dell’ambiente circostante.­
Il fenomeno della corrosione interstiziale può quindi anche essere considerato come una perturbazione di questo equilibrio dinamico.
Le analisi dettagliate dello strato di passivazione con la spettroscopia
elettronica Auger (AES) indicano che lo strato marginale esterno di
spessore inferiore a 5 nm è arricchito di cromo, presente sotto forma di
ossido di cromo difficilmente solubile. Questo strato è determinante
per la buona resistenza alla corrosione degli acciai al cromo-nichel con
alto tenore di lega.
Gas di protezione e formiergas
7
La scelta del corretto gas di protezione è determinante per la saldatura TIG/WIG di acciai inox ad alto tenore di lega
Colori di rinvenimento
I colori di rinvenimento sono conseguenti ai trattamenti termici o alla
saldatura senza adeguata protezione antiossidante soprattutto nella
parte interna dei tubi. Anche in presenza di una sofisticata conduzione
del gas, i colori di rinvenimento possono essere generati dall’ossigeno
residuo aderente alla superficie, nel caso in cui il gas di protezione non
contenga componenti di riduzione. I colori di rinvenimento distruggono
lo strato di passivazione e lo sostituiscono con un nuovo strato la cui
struttura è fondamentalmente diversa e non garantisce alcuna protezione. Questo processo è complesso e viene qui solo brevemente illustrato
nella misura in cui ciò è necessario per comprendere il fenomeno.
L’apporto di calore tramite la saldatura comporta dei cambiamenti dalle
conseguenze rilevanti ai fini metallurgici:
→ cambiamenti della struttura cristallina nella zona di fusione
→ ispessimento dello strato di passivazione nella zona termicamente
alterata
→ formazione di nuovi strati nella zona di fusione e termicamente alterata tramite diffusione di componenti della lega
→ separazione di componenti della lega in corrispondenza dei bordi dei
grani ed aumento dell’esposizione alla corrosione intercristallina
I colori di rinvenimento sono il risultato di un’ossidazione della superficie dovuta all’ossigeno nell’aria, all’ossigeno residuo, all’anidride
carbonica e all’acqua e – a parità di colore – presentano normalmente lo
stesso spessore. Essi sono in primo luogo determinati dalla temperatura
massima di esercizio e dall’andamento temporale della temperatura.
Per questa ragione, dopo la saldatura TIG/WIG la struttura degli strati di
ossido è sempre diversa rispetto alla saldatura laser dove – a causa del
rapido abbassamento della temperatura – c’è poco tempo per i processi
di diffusione. Il colore percepito di volta in volta è dovuto ad interferenze
prodotte dalla riflessione e rifrazione della luce dei rispettivi strati di
spessore differente. I diversi colori di rinvenimento sono caratterizzati da
una struttura caratteristica dello strato che genera diverse resistenze
alla corrosione di ogni strato. Nell’intervallo fino a circa 400 °C, l’ossigeno reagisce in prevalenza con il cromo e produce strati cangianti di colore
giallastro. Con ogni evidenza non si ha un’ossidazione di rilievo del ferro,
per cui i colori di rinvenimento giallo chiaro possono essere considerati
strati di passivazione rafforzati.
Con temperature da circa 400 a 700 °C si formano colori di rinvenimento
da rossi a blu e grigio-marroni con una struttura completamente diversa.
Questi sono composti da una fase contenente ossidi di ferro e impoverita­
di cromo sulla superficie ed una fase sottostante ricca di ossido di cromo.­
A causa di questa strutturazione dello strato si parla anche di una struttura­
duplex dei colori di rinvenimento in questo intervallo di temperature.­
Sopra i 700 °C si riscontrano colori di rinvenimento da color cobalto e
celeste la cui struttura – in virtù della maggiore mobilità del cromo – ha
nuovamente una composizione omogenea di ossidi di ferro e cromo.
Con i cicli termici molto brevi come nella saldatura laser, anche questi
strati presentano due fasi.
Colori di rinvenimento e corrosione
Da quanto illustrato in precedenza risulta evidente che – a seconda delle
condizioni della genesi – i colori di rinvenimento comportano diverse
resistenze alla corrosione. Per individuare ciò e renderlo misurabile, si procede alla misurazione del cosiddetto potenziale di corrosione perforante:
questo corrisponde alla tensione elettrica con cui la superficie abbandona
lo stato passivo ed inizia a corrodere e dissolversi. Soprattutto nelle zone
di passaggio dal colore giallo al rosso è stato documentato un forte calo
della resistenza alla corrosione, spiegabile con lo strato superficiale ricco
di ossido di ferro. La struttura dei colori di rinvenimento dipende in un
certo senso anche dall’analisi chimica dell’acciaio, nel senso che gli strati
di acciaio con un tenore superiore di cromo sono più resistenti.
Tabella 1: Colori di rinvenimento sugli acciai ad alto tenore di lega
Colore
Giallo cromo
Giallo paglia
Giallo oro
Marrone rossastro
Blu cobalto
Celeste
Incolore
Marrone grigiastro
Temperatura
< 400 °C
> 400 °C
~ 500 °C
~ 650 °C
~ 1000 °C
~ 1200 °C
Spessore dello strato
<= 5 nm
<= 25 nm
50 – 75 nm
75 – 100 nm
100 – 125 nm
125 – 175 nm
175 – 275 nm
> 275 nm
8
Gas di protezione e formiergas
Forming economico con sistemi PanGas di protezione della radice
Conseguenze
I colori di rinvenimento non sono strati di passivazione e possono
pertanto ridurre sensibilmente la resistenza alla corrosione degli acciai
inox in modo da richiederne la rimozione. In presenza del solo colore di
rinvenimento giallo chiaro, una certa resistenza alla corrosione è comunque garantita. In tutti gli altri casi i colori di rinvenimento devono essere
rimossi dopo la saldatura oppure la loro formazione deve essere esclusa
tramite l’uso di gas per la protezione della radice.
Gas per la protezione della radice (Formiergas)
Il "forming" è una tecnica economica, ecologica e pulita per evitare i
colori di rinvenimento e per garantire la resistenza alla corrosione. Essa
è composta dalla fase di lavaggio preliminare per la rimozione dell’aria
e la copertura della radice con gas di protezione durante la saldatura.
Va tenuto presente che tutte le zone esposte alla variazione termica del
metallo base e del materiale di apporto sul lato inferiore e superiore del
cordone devono essere coperte con un gas di protezione fino ad una
determinata temperatura di soglia. Solamente sotto la soglia di circa
250°C per gli acciai inox al nichel-cromo non vi è più il rischio di un
assorbimento critico di ossigeno. Poiché l’ossigeno può essere assorbito
non solo dall’atmosfera circostante ma anche dai rivestimenti superficiali
assorbiti, l’uso dell’idrogeno come componente di riduzione del Formiergas risulta vantaggioso ed avviene con diverse concentrazioni. Anche
i seguenti gas e le seguenti miscele possono essere utilizzati per la
protezione della radice:
→ argon, gas inerte
→ azoto, gas poco reattivo
→ miscele azotoidriche, riducenti
→ miscele di argon e idrogeno, riducenti
→ miscele di argon e azoto, aggiunta di azoto per e leghe degli
acciai duplex.
In pratica si trovano soprattutto le miscele di gas standard indicate nella
tabella. È importante che i Formiergas abbiano il tenore minimo possibile­
di umidità residua ed un contenuto di ossigeno residuo inferiore a 25
ppm per gli acciai austenitici e a 10 ppm per gli acciai duplex.
In presenza di miscele di idrogeno a partire dal 10 % H₂, il gas fuoriuscente deve essere bruciato alla torcia per evitare il rischio di esplosioni.
I diversi gas per la protezione della radice sono adatti per determinati
materiali, come risulta anche dalla tabella a fianco.
Tabella 2: Gas per la protezione della radice e loro uso
Gas di protezione
Materiale
Argon
tutti i materiali
Miscele di Ar/H₂
acciai austenitici, Ni e metalli base Ni
Miscele di N₂/H₂
Acciai ad eccezione degli acciai da costruzione a
grana fine, acciai austenitici
(non stabilizzati al Ti)
N₂
Miscele di Ar/N₂
Acciai austenitici al cromo-nichel, acciai duplex
e superduplex
I gas per la protezione della radice non solo impediscono la formazione­
dei colori di rinvenimento, ma hanno anche un effetto positivo sulla
conformazione della radice: la temperatura di fusione molto superiore
degli ossidi e le cattive caratteristiche reologiche dei bordi preossidati
dei lembi possono in alcuni casi fare sì che senza protezione della radice,
la radice non si chiuda. Utilizzando il gas per la protezione della radice
invece, la saldatura passante viene eseguita senza difetti a parità di
parametri di saldatura.
Aspetti pratici della protezione con miscele gassose
azotoidriche
Nel « forming » la principale attenzione va rivolta alla protezione ottimale
con gas della radice. Ciò significa che in questo punto l’ossigeno deve
essere evacuato per tutta la durata della saldatura fino alla fase di raffred­
damento e al raggiungimento della temperatura critica. La soluzione
ottimale prevede un flusso laminare del gas senza vortici di aria.
Gas di protezione e formiergas
9
Gas di protezione HYDRAGON® usati nella saldatura orbitale
Tabella 3: Densità delle diverse miscele gassose azotoidriche
Densità ass. (kg/m³)
densità relativa
densità relativa
1,25
0,97
Formiergas 95/5
1,19
0,92
Formiergas 90/10
1,14
0,88
Formiergas 85/15
1,08
0,83
Formiergas 80/20
1,02
0,79
Argon
1,78
1,38
Argon-idrogeno 98/2
1,75
1,28
Argon-idrogeno 95/5
1,70
1,27
Argon-idrogeno 93/7
1,67
1,26
Argon-idrogeno 90/10
1,62
1,25
Argon-idrogeno 80/20
1,45
1,12
Per produrre un flusso laminare senza turbolenze, nella prassi si fa normalmente affluire il gas di protezione nel tubo attraverso un collettore di
metallo sinterizzato. Per ridurre i costi del processo di forming è utile
ricorrere all’uso di sistemi con camere di «forming». La saldatura orbitale
deve possibilmente essere eseguita senza luce per evitare un apporto
non controllato di aria. Se per i tubi molto spessi o nelle posizioni di costrizione è prevista una luce, questa dovrebbe essere coperta con un nastro
adesivo di fibra di vetro-alluminio adatto, lasciando libera solamente la
vera e propria zona della saldatura. Altri esempi relativi alla configurazione
del dispositivo di «forming» sono riportati nelle Istruzioni DVS 0937.
Qui sono fornite anche indicazioni relative ai tempi di prelavaggio da
rispettare in funzione del diametro interno del tubo con le diverse
portate di gas. Se si tratta di saldare e proteggere tubi delle stesse
dimensioni può essere interessante dal punto di vista economico
l’adozione di un dispositivo di «forming» con controllo automatico della
portata di gas di prelavaggio e del tempo di prelavaggio, in quanto esso
consente di ridurre il consumo di forming gas al livello strettamente
necessario.
Va considerato anche che il materiale dei tubi di alimentazione deve
presentare la minore permeabilità possibile all’umidità e all’ossigeno in
quanto – anche nel caso di un flusso prolungato di gas di protezione –
l’acqua e l’ossigeno possono contaminare il gas tramite diffusione e
tramite l’effetto Venturi. I risultati migliori sono stati ottenuti con tubi a
base di teflon o tubi di gomma con anima di tessuto.
Per il «forming» vengono utilizzate varianti diverse in quanto un gran
numero di componenti, tubi e condotti di gas saldati richiede soluzioni
specifiche per ogni applicazione. A seconda della conduzione del gas
nella saldatura dei tubi si possono distinguere tre tipi di «forming»:
→ Forming con flusso assiale del gas nelle saldature orbitali di tubi con
diametri da piccoli a medi e per saldature longitudinali sui tubi
→ Forming con flusso radiale del gas nelle saldature orbitali di tubi con
diametri da medi a grandi
→ Lavaggio di dislocazione per la saldatura di tubi grandi
Per l’ultima applicazione la scelta del gas per la protezione della radice
dipende dalla sua densità rispetto all’aria. Per il lavaggio ascendente
vanno utilizzati gas di densità maggiore, per il lavaggio discendente gas
con densità minore rispetto all’aria. L’alimentazione del gas di lavaggio
avviene dal basso se si tratta di gas più densi, mentre le miscele di azoto
più leggere dell’aria vengono alimentate dall’alto.
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Gas di protezione e formiergas
I gas speciali di protezione PanGas consentono anche la saldatura MSG di acciai
ad alto tenore di lega e resistenti alle alte temperature
Bibliografia
Scheda tecnica DVS 0937
Wurzelschutz beim Schutzgasschweissen
Edizioni DVS
Düsseldorf, 1990
DIN EN 439
Gas di protezione per la saldatura ad arco
e per il taglio
Edizione maggio 1995
Brune, E.
Tecnica di saldatura e di taglio
Manuale pratico
PanGas AG
Dagmersellen, 2003
Brune, E., Spichale, B.
Schweissschutzgase
Technica 10/99, pag. 50 – 54
Rupperswil, 1999
Spichale, B.
Formiergase und Wurzelschutz …
Numero speciale 48/91
PanGas Lucerna, 1991
Trube, S., Amannn, T.
Annuario Tecnica di saldatura 2001, pag. 77 – 39
Edizioni DVS Düsseldorf, 2000
Brune, E.
Scegliere il gas giusto
Gas per la saldatura, il taglio e la protezione
Numero speciale PanGas AG
Dagmersellen, 2006
Gümpel, P. et al.
Rostfreie Stähle
Grundwissen, Konstruktions- und
Verarbeitungshinweise
Edizioni Expert
Renningen-Malmsheim, 1996
Finke, M., Pries, H., Wohlfahrt, H.
Schweissbedingte Anlauffarben und ihr Einfluss
auf die Korrosion hochlegierter CrNi-Stähle
Rapporti DVS Volume 204
Düsseldorf, 1999
Geipl, H.
Formieren beim Schweissen,
Schutzgase, Anwendung, Arbeitssicherheit
Der Praktiker
Schweissen & Schneiden
Volume 47 (1995) Numero 1
Geipl, H.
Formieren beim Schweissen,
Spülgase und Formiereinrichtungen
Der Praktiker
Schweissen & Schneiden
Volume 47 (1995) Numero 3
Trube, S.
Auswahl von Schutzgasen zum
Schweissen von Stahlwerkstoffen
Numero speciale 04/99
Höllriegelskreuth, 1999
Gas di protezione e formiergas
Definizioni
Acciaio ELC, qualità ELC: questo è il nome assegnato agli acciai che,
grazie alle speciali tecniche di produzione, contengono pochissimo
carbonio. ELC è l’acronimo della definizione inglese Extra Low Carbon, e
cioè pochissimo carbonio. Questa caratteristica ne aumenta la resistenza
alla corrosione.
Analisi chimica: la composizione chimica di una sostanza, i singoli componenti, p. es. gli elementi della lega in una tipologia di acciai.
Argon (Ar): gas nobile incolore e inodore, completamente inerte, vale a
dire che non reagisce con altre sostanze chimiche.
Arricchimento, impoverimento degli elementi della lega: il termine
impoverimento indica la perdita di elementi della lega attraverso il
processo di saldatura; il termine arricchimento invece indica un aumento
della concentrazione.
Assorbimento: legame di gas, vapori o sostanze disciolte in corrispondenza della superficie di un corpo solido.
Austenite, struttura austenitica: componente del reticolo cristallino delle leghe di ferro, reticolo cubico a facce centrate, spesso chiamato ferro
gamma; a temperatura ambiente è stabile solo nelle leghe con nichel,
manganese, azoto.
Azoto (N₂): un gas presente in aria che soffoca la combustione; non
reagisce a temperature normali.
Bordi dei grani: i metalli sono composti da numerosi piccolissimi cristalli
separati gli uni dagli altri da superfici di transizione; queste superfici
sono chiamate anche bordi dei grani e i cristalli spesso sono chiamati
grani. Ai bordi dei grani aderiscono spesso contaminazioni e sedimenti;
per questo sono i punti privilegiati di attacco della corrosione.
Calore di ricombinazione: calore liberato durante la ricombinazione;
vedi ricombinazione.
Capacità di ionizzazione: valore indicante la tendenza di un atomo o di
una molecola ad assumere uno stato elettricamente carico (ione).
Colori di rinvenimento: gli strati di ossido visibili ma molto sottili sulla
superficie dei metalli; i diversi colori indicano spessori diversi degli strati.
Comportamento inerte: le sostanze che non reagiscono chimicamente
con altre sostanze sono chiamati inerti, e cioè inattive. Fra queste sostanze
troviamo i gas nobili come l’argon e l’elio.
Corrosione intercristallina: una particolare forma di corrosione di acciai
ad alto tenore di lega che può insorgere in seguito a trattamenti termici
non corretti e che può comportare un impoverimento locale di cromo.
Corrosione interstiziale: corrosione che si verifica quando negli interstizi
non può avere luogo alcuno scambio di sostanze.
Cristallite: le zone visibili nella struttura cristallina microscopica e racchiusa
dai bordi dei grani; spesso chiamati anche grani.
Decapaggio: trattamento delle superfici metalliche con sostanze decapanti adatte, p. es. acidi, per ottenere una certa finitura superficiale.
Carburo legame chimico di un elemento con carbonio, p. es. carburo di
ferro Fe₃C.
Dissociazione: separazione, dissoluzione, decadimento di un composto
chimico o di una molecola.
Effetto riducente: proprietà di condurre un ossido in uno stato più
povero o senza ossigeno, ad esempio la formazione di un metallo da un
ossido di metallo.
Energia dissociativa: energia da fornire per separare un composto chimico o scindere una molecola; spesso sotto forma di energia termica.
Equilibrio dinamico: uno stato di continuo apporto ed evacuazione di
particelle, in modo da creare un apparente condizione di immobilità.
Ferrite: elemento del reticolo cristallino delle leghe di ferro; è composta
da ferro quasi puro ed è con reticolo cubico a corpo centrato, spesso
chiamato anche ferro alfa.
Flusso assiale: flusso in direzione dell’asse longitudinale di un tubo.
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Flusso laminare: flusso di un gas o di un liquido privo di vortici; il contrario è un flusso turbolento.
Flusso radiale: flusso in direzione della circonferenza del tubo.
Gas di protezione: nei processi di saldatura il gas di protezione protegge il bagno di fusione dall’atmosfera, impedendo reazioni con l’ossigeno
o con l’azoto contenuti nell’aria. Nella saldatura TIG/WIG protegge
anche l’elettrodo.
Gas per la protezione della radice: miscela di azoto e idrogeno usata
per la protezione della radice di acciai inox austenitici.
Idrogeno (H₂): un gas combustibile con effetti riducenti.
Interferenze: in fisica, la sovrapposizione ottica, quando diverse onde
luminose attraversano lo spazio; visibile anche sotto forma di colori
cangianti di un film di olio sull’acqua.
Ioni: atomi o molecole dalla carica elettrica positiva o negativa.
Ionizzazione: passaggio degli atomi o delle molecole ad uno stato
elettricamente carico.
Metallo sinterizzato: un metallo poroso (spugnoso) e quindi permeabile
al gas.
Molecola: unità piccolissima composta da due o più atomi di un composto
chimico, anche più atomi dello stesso tipo.
Molibdeno (Mo): elemento metallico; nelle leghe di acciaio migliora la
resistenza contro la vaiolatura e la corrosione interstiziale.
Nichel (Ni): elemento metallico; nelle leghe d’acciaio stabilizza
la struttura cristallina austenitica.
Nitruro: composto chimico di un elemento con l’azoto.
Ossidazione del ferro: la formazione del legame chimico fra ferro e
ossigeno; esistono diversi ossidi di ferro (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO).
Ossidazione: assorbimento di ossigeno, legame con l’ossigeno.
Ossido di cromo: il legame chimico fra cromo e ossigeno. Diffusione:
migrazione di particelle (atomi, molecole) dovuta ai movimenti termici;
può avvenire anche nei corpi solidi quali i metalli.
Ossido: composto chimico di un elemento con l’ossigeno.
Ossigeno residuo: piccole quantità residue di ossigeno, p. es. dovute
all’umidità.
Pellicola di ossidi: strato molto sottile composto da un ossido, e cioè da
un composto dell’ossigeno.
Potenziale di corrosione perforante: la tensione elettrica con cui inizia
la dissoluzione superficiale di un metallo; e cioè la superficie perde la
sua passività.
ppm: parts per million: unità di misura di quantità molto piccole, una
parte per un milione.
Ricombinazione: la ricombinazione è l’unione delle parti precedentemente divise. In chimica questo termine è usato per il nuovo legame fra
atomi e molecole a formare una sostanza che in precedenza era stata
scissa. Esempio: decadimento dell’anidride carbonica in carbonio, monossido di carbonio e ossigeno e successiva rigenerazione dell’anidride
carbonica.
Saldatura della radice: saldatura della passata inferiore in un cordone a
più passate.
Saldatura orbitale: la saldatura circolare attorno a un tubo per la giunzione
di due segmenti di tubo.
Solfuro: legame chimico di un elemento con lo zolfo, p. es. solfuro di
ferro (FeS).
Strato di passivazione: negli acciai inox o nell’alluminio, la resistenza
alla corrosione è basata su uno strato molto sottile sulla superficie metallica, composta dall’ossido di cromo e che protegge lo strato metallico
sottostante dall’attacco della corrosione. Questo sottile strato di ossido
viene chiamato pellicola di ossidi.
Struttura duplex: composta da due strati con una configurazione
differente.
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PanGas, affiliata del Linde Group, leader mondiale nel settore, gioca un ruolo di precursore sul mercato grazie ai suoi prodotti e sistemi di distribuzione del gas orientati al futuro. In quanto leader tecnologico abbiamo il compito di porre continuamente nuovi standard. Spinti dallo spirito
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