Tecnologia Meccanica

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Processi di collegamento
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Introduzione
Processi di
collegamento
Quasi tutti i prodotti dell’industria manifatturiera derivano dal
collegamento di due o più componenti
Processi di collegamento:
 Non permanenti  viti
 Permanenti



Saldatura
coalescenza tra le parti
Fissaggio meccanico
impiego di un terzo elemento di fissaggio o interferenza
Incollaggio
impiego di adesivi
Processi di collegamento
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Saldatura: Introduzione
 Saldatura: procedimento mediante il quale si effettua una unione permanente tra due
pezzi metallici, con o senza apporto di materiale metallico, in modo da ottenere nei
tratti di collegamento la continuità tra i pezzi stessi.
 Requisiti:
 Continuità fisica
 Proprietà meccaniche del giunto idonee alle condizioni di servizio
 Distinzione dei processi di saldatura effettuata in base al diverso tipo di energia
impiegata; scelta del processo in base a:




Tipo di lega da saldare
Spessore delle parti
Posizione di saldatura
Tipo di produzione da effettuare
 Saldabilità: attitudine con cui un materiale si presta alla realizzazione di unioni saldate
con le volute caratteristiche attraverso un dato procedimento
Processi di collegamento
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Saldabilità
 Acciai alto legati: saldabili bene in condizioni controllate
 Acciai basso legati: da bassa a buona saldabilità







Acciai basso carbonio: eccellente saldabilità, meno crescendo il carbonio
Tantalio: saldabile in condizioni controllate
Stagno: facilmente saldabile
Leghe Ti: saldabili con gas di schermatura
Tungsteno: saldabile in condizioni ben controllate
Zinco: difficile da saldare, meglio usare metalli bassofondenti
Zirconio: saldabile con schermatura gas
Processi di collegamento
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Saldabilità
 Leghe alluminio: saldabili con apporto di calore elevato, non saldabili quelle
con zinco o rame









Ghise: generalmente saldabili
Leghe Cu: come leghe Al
Piombo: facile da saldare
Leghe Mg: saldabili con gas e fondenti protettivi
Molibdeno: saldabile in condizioni controllate
Leghe Ni: saldabili, vari processi
Nb: saldabili in condizioni controllate
Acciai inox: saldabili, vari processi
Acciai galvanizzati: meno saldabili per la presenza dello Zn
Processi di collegamento
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Saldature: definizioni
 Definizioni:
 Metallo base: metallo che costituisce i pezzi da saldare; può essere lo stesso per
entrambi i pezzi, o diverso
 Metallo d’apporto: metallo che viene introdotto sotto forma di bacchette, fili o
nastri e depositato allo stato fuso tra i lembi da unire. Può essere non necessario.
Materiale
d’apporto
Materiale base
Materiale base
 Giunto: zona ove si effettua il collegamento, o il collegamento stesso (giunto
saldato);
Processi di collegamento
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Saldatura: posizioni e tipi di giunto
Posizioni di saldatura
Tipi di giunto
Processi di collegamento
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Saldature: preparazione dei lembi
 E’ di particolare importanza per ottenere una completa penetrazione della saldatura.
 Nelle saldature il cordone è legato all’apporto termico specifico del processo: la
preparazione dei lembi è funzione del processo di saldatura utilizzato.
 Tipi di preparazione: CIANFRINATURA
a) Lembi retti o ad I
b) Lembi a V
c) Lembi a Y
d) Lembi a X
e) Lembi a doppia Y
f) Lembi a U
g) Lembi a doppia U
a - e : piccoli spessori
f – g : elevati spessori
Processi di collegamento
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Saldatura: autogena ed eterogena
Saldature eterogene
Saldature autogene


Metallo base:
prende parte, fondendo, alla
formazione del giunto
Metallo d’apporto:
 può essere presente o
meno a seconda del
procedimento e dello
spessore
 metallurgicamente simile
al metallo base


Processi di collegamento
Metallo base:
non prende parte alla
formazione del giunto
Metallo d’apporto:
 sempre presente
 forma il giunto
 diverso dal metallo base
(Temperatura di fusione
inferiore)
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Saldatura: classificazione dei processi
Autogene
Gas
Ossiacetilenica
Arco
Elettrodi rivestiti
TIG
MIG, MAG
Arco sommerso
Resistenza
Stato solido
Per fusione,
sorgente termica
Punti
Attrito
Ultrasuoni
Rulli
A scintillio
Effetto
Joule
Esplosione
Altre
Laser
Fascio di elettroni
Plasma
…
Eterogene
Brasatura
Dolce
Saldobrasatura
Forte
Processi di collegamento
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Saldatura: classificazione dei processi autogeni
Saldatura per
fusione
Saldatura per
resistenza
Saldatura per
pressione
Saldature
speciali
A gas
A punti
Ad ultrasuoni
Plasma
Ad arco elettrico
A scintillio
Per esplosione
Fascio elettroni
A rulli
Per diffusione
Laser
A proiezioni
Di testa
Sotto scorie
Per Attrito
Alta frequenza
Processi di collegamento
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Saldature per fusione
 Avvengono mediante fusione di una parte dei metalli da unire
 Impiego di una sorgente termica (arco elettrico, gas combustibile)
 Definizioni:
 Bagno di fusione: porzione di metallo che si trova allo stato fuso durante
l’operazione di saldatura;
 Passata: è la singola operazione di saldatura lungo il giunto; per effettuare un
giunto può bastare una passata, oppure occorrono più passate;
 Cordone di saldatura: è il risultato della passata.
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Saldatura a gas
 Sorgente di calore: fiamma ottenuta per combustione di un gas con l’ossigeno,
prodotta all’estremità di un cannello nel quale i due gas si combinano in opportuni
rapporti
 Gas adatti al procedimento devono possedere:




Alta temperatura di fiamma
Elevato contenuto termico
Bassa reattività della fiamma con il metallo base e d’apporto
Stabilità e facilità di regolazione della fiamma
 Gas più usato: Acetilene (C2H2)
 Più alta temperatura ottenibile
con gas e maggiore quantità di calore
 Minor consumo di ossigeno
 Prodotti di reazione riducenti,
limitando l’ossidazione del metallo base
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Saldatura a gas: attrezzatura
 Ossigeno: fornito in bombole in acciaio, compresso fino a 15 MPa.
 Acetilene: non può essere compresso allo stato gassoso (fortemente
instabile, può esplodere anche a basse pressioni); disciolto in acetone può
essere compresso fino a 1.5 MPa. Le bombole contengono un mezzo poroso
che assorbe l’acetone e lo distribuisce in tutta la bombola, limitando la
formazione di sacche di acetone.
 Segni di riconoscimento delle bombole:
 Ossigeno: ogiva bianca, assenza della saldatura longitudinale
 Acetilene: ogiva arancione, uno o più cordoni di saldatura
Processi di collegamento
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Saldatura a gas: attrezzatura
 Su ogni bombola è installato:
 Rubinetto per l’apertura e la chiusura
(rame per ossigeno, acciaio per acetilene)
 Gruppo riduttore-regolatore di pressione
(es. riduzione O2 da 200 a 10 bar, C2H2 da 20 a 1.5 bar)
 La fiamma di saldatura si forma all’estremità del cannello
 Serve per miscelare i due gas e dirigere la fiamma
 Presenta la parte terminale in rame sostituibile (foro d’uscita con diametro
variabile) in funzione della potenza del cannello (litri di acetilene che può
bruciare in 1 h)
 Dimensionato in modo che la velocità della miscela dei gas sia superiore alla
velocità di propagazione della fiamma per evitare accensioni interne al cannello
 Presenta dei rubinetti per regolare le portate
 Ritorni di fiamma scongiurati dalla presenza di valvole di non ritorno interne
alle tubazioni
Processi di collegamento
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Saldatura a gas: la fiamma
 Nel dardo (bianco abbagliante)
reazione esotermica primaria:
C2H2 + O2  2CO + H2 + 444 kJ
 I prodotti di combustione si
combinano con l’ossigeno
dell’atmosfera nella zona di
saldatura o riducente con reazioni
esotemiche secondarie
2CO + O2  2CO2 + 573 kJ
H2 + ½ O2  H2O + 243 kJ
Per effettuare una buona saldatura
i lembi da saldare devono essere
nella zona riducente
 Prodotti finali della combustione:
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fiocco, zona ossidante
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Saldatura a gas: la fiamma
 Neutra: portate dei gas regolate in rapporto stechiometrico
 Carburante: eccesso di acetilene (dardo più lungo, fiocco giallo che emette prodotti
carboniosi  carburi nel giunto saldato)
 Ossidante: eccesso di ossigeno (colore azzurro, temperature maggiori)
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Saldatura a gas: modalità operative
 Spessori sottili: è possibile la saldatura autogena senza metallo d’apporto con
cannello (< 3-4 mm)
 Altri casi: il metallo d’apporto è indispensabile. Si usano bacchette o fili di
composizione simile al metallo base, la cui estremità viene immessa
dall’operatore nella zona d’azione della fiamma
 Cianfrinatura: è la preparazione dei lembi del metallo base per spessori
maggiori di 3-4 mm. Consente di aumentare la penetrazione.
 Prima di saldare occorre pulire le superfici dei lembi
 È opportuno usare paste o polvere disossidanti che reagiscono con l’ossido del
metallo base, rendendolo fusibile alla temperatura di saldatura, facendolo
galleggiare sul bagno di metallo fuso
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Saldatura a gas: prestazioni
 Il processo viene solitamente usato per la saldatura manuale di acciai a basso
tenore di carbonio (< 0,35%)
 Non possono essere saldate leghe refrattarie e reattive
 Il saldatore può controllare:
 Temperatura della zona da saldare
 Quantità di metallo depositato
 Il processo è adatto a spessori sottili (lamiere e tubi), mentre i grossi spessori
possono essere saldati ma con costi e tempi molto più elevati che con altri
procedimenti (arco elettrico)
 Equipaggiamento versatile, trasportabile, autonomo e di basso costo, ma con
scarse applicazioni industriali
Processi di collegamento
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Saldatura a gas
Processi di collegamento
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Saldatura ad arco
 Sorgente di calore: arco elettrico (manifestazione fisica del
passaggio di una corrente in un mezzo gassoso ionizzato)
 Si manifesta quando tra gli elettrodi vi è un’opportuna differenza
di potenziale (che dipende da distanza, pressione, temperatura,
tipo di gas, ecc.)

Energia: 1/3 al catodo (-) , 2/3
all’anodo (+)  Tanodo > Tcatodo
 Polarità
 Diretta: pezzo da saldare è
l’anodo
 Inversa: pezzo da saldare è il
catodo

Caratteristica dell’arco
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Saldatura ad arco
 Saldatura ad arco elettrico con elettrodo rivestito
(Shielded Metal Arc Welding, SMAW)
 Saldatura ad arco elettrico in atmosfera protettiva
(Gas Metal Arc Welding, GMAW):
 TIG (Tungsten Inert Gas Welding)
elettrodo infusibile, atmosfera protettiva inerte
 MIG (Metal Inert Gas Welding)
elettrodo fusibile, atmosfera protettiva inerte
 MAG (Metal Active Gas Welding)
elettrodo fusibile, atmosfera protettiva attiva
 Saldatura ad arco sommerso
(Submerged Arc Welding, SAW)
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito
 Sorgente di calore: arco elettrico che scocca tra un elettrodo fusibile
metallico, coperto da un opportuno rivestimento, e il metallo base
 È il processo di saldatura manuale più diffuso

L’operatore dirige l’arco mediante la
pinza porta elettrodo, collegata ad uno
dei due poli di una macchina elettrica;
Il circuito si chiude con un morsetto di
massa collegato all’altro polo
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Arco
 L’arco viene innescato toccando il metallo base con la punta dell’elettrodo
(corto circuito) e subito ritirandolo ad una distanza di qualche mm
 Il corto circuito iniziale surriscalda elettrodo e metallo base, e provoca la
ionizzazione dell’aria circostante, innescando l’arco elettrico
 2/3 del calore sviluppato si localizzano al polo + per bombardamento
elettronico  Temperature massime 6000-7000°C
 ↑ diametro elettrodo  ↑ quantità di calore per fondere  ↑ corrente
(centinaia di Ampere)
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Elettrodo
 Anima metallica (m.a.) materiale chimicamente e
metallurgicamente simile al m.b.
 Rivestimento materiale polverulento
 Sviluppa gas che proteggono l’arco ed il cratere
di fusione dall’atmosfera
 Reagisce con le impurezze del m.b.  scoria fluida (protegge il giunto da ossidazione e
da raffreddamento troppo rapido)
eventualmente il rivestimento può avere altre funzioni:
 Sviluppo gas ionizzanti per stabilizzare l’arco (in caso di c.a.)
 Immissione nel bagno di fusione di elementi con funzione desolforante, defosforante o
comunque migliorativa
 Influenza proprietà fisiche della scoria, quindi caratteristiche di impiego (posizione
della saldatura) e sulla forma finale del giunto (piano, convesso, concavo)
Generalmente Tf rivestimento > Tf anima
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Lunghezza arco
 ↑ lunghezza arco  ↑ tensione ai capi  ↑ resistenza  ↓ corrente
 Se arco troppo lungo (lunghezza > 7-8 mm )




Arco difficile da controllare
Notevole dispersione di calore
Scarsa penetrazione della saldatura
Più probabile l’assorbimento di ossigeno e azoto da parte del m. b.
 Giunto con scarse proprietà meccaniche e metallurgiche
 Se arco troppo corto (lunghezza < 3 mm )
 Surriscaldamento eccessivo del pezzo
 Incollamento dell’elettrodo e spegnimento dell’arco
Il mantenimento della corretta lunghezza dell’arco
dipende dall’esperienza e professionalità del saldatore
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Drop transfer
 Il calore generato dall’arco provoca la fusione sia di m.b. che di m.a.
 Il m.a. viene trasferito passando attraverso l’arco sia in c.c. che in c.a. e
indipendentemente dalla posizione di saldatura
 Forze che provocano il passaggio:




Peso proprio
Forze elettromagnetiche
Azione dei gas che si sviluppano dal rivestimento
Forze magnetodinamiche
 Il trasferimento di m.a. avviene attraverso gocce (drop transfer)
 Dimensioni gocce = f (corrente di saldatura, tipo di rivestimento)
 Frequenza = 10-40 gocce/s  notevoli perturbazioni dell’arco che tende a diventare
instabile (necessarie macchine elettriche con bassa inerzia elettromagnetica)
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Soffio magnetico
 Deviazione dell’arco dalla posizione originaria a causa
di forze elettromagnetiche, derivanti dal campo
elettromagnetico generato dalla corrente di saldatura
 serpeggianti che rendono l’arco difficile da
direzionare
 Si nota soprattutto saldando in c.c.
 Causa un’irregolarità del giunto anche a causa di
frequenti spruzzi di metallo
 Si limita mantenendo l’arco il più corto possibile o
variando l’inclinazione dell’elettrodo
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Tipo di rivestimento

Ossidante: a base di ossidi di ferro, manganese e silicio; bassa penetrazione, scoria spessa e solida, ma asportabile;
rivestimento non igroscopico, caratteristiche meccaniche e tecnologiche del giunto basse; solo per saldature in piano.

Acido: a base di ossidi metallici e ferroleghe; buona qualità del giunto (ma m.b. con poche impurità di zolfo e fosforo);
rivestimento non è molto igroscopico; penetrazione buona; saldature in piano, frontali e verticali ascendenti.

Basico: a base di carbonato di calcio e fluorite; elevate proprietà meccaniche e tecnologiche del giunto grazie all’azione
desolforante e defosforante; saldature in qualunque posizione; elevata igroscopicità.

Cellulosico: a base di materie organiche (30% di cellulosa); buone qualità meccaniche e tecnologiche del giunto; scoria
limitata e facilmente asportabile; buona penetrazione; saldature in tutte le posizioni; elevato sviluppo di fumi; alta
igroscopicità.

Al rutilo: a base di ossido di titanio; fusione dolce, scoria abbondante e viscosa; giunto di aspetto buono e regolare;
facile accensione; buona stabilità dell’arco; possibilità di microfessurazioni.

Ad alto rendimento: a base di polvere di ferro, con rendimento fino al 160% (rendimento elettrodo: rapporto tra il
peso di metallo depositato sul giunto e il peso dell’anima metallica consumata).

A forte penetrazione: a base di ossido di titanio e cellulosa, richiedono alte tensioni d’arco e danno penetrazioni circa
doppie del normale; adatti per elevati spessori.
La designazione degli elettrodi secondo le norme UNI contiene informazioni su: resistenza a trazione del metallo depositato,
spessore per cui sono destinati, qualità ottenibile nel giunto, tipo di rivestimento, posizione in cui possono essere utilizzati,
tipo di alimentazione elettrica di saldatura, rendimento.
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Preparazione del m.b.
 La preparazione dei lembi occorre per assicurare la giusta penetrazione e la facilità
di saldatura
 La preparazione dipende da:




Posizione di saldatura
Spessore delle lamiere e tipo di giunto
Tipo di metallo base (m.b.)
Penetrazione richiesta dalla saldatura
Esempio di preparazione
per giunti di testa con arco
elettrico manuale
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Alimentazione
 Corrente continua






Deposizione più dolce del m.a.
Arco più stabile
Giunto uniforme anche con basse intensità di corrente
Più adatta per spessori sottili, saldature in posizione verticale e sopratesta
Maggiore effetto del soffio magnetico
Polarità :
 Diretta (elettrodo -) maggior penetrazione
 Inversa (elettrodo +) maggior deposizione oraria
 Corrente alternata
 Minore soffio magnetico  si possono usare valori di intensità di corrente maggiori e
diametri di elettrodo maggiori  elevata deposizione oraria
 Minor costo delle macchine
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Macchine saldatrici
 In c.a. sono essenzialmente trasformatori
 In c.c. possono essere:
 di tipo statico: trasformatori e raddrizzatori con diodi
 di tipo rotante: dinamo trascinate da motori asincroni trifase o endotermici
 Tensione a vuoto: sufficiente per far scoccare l’arco, ma limitata per ragioni
di sicurezza dell’operatore
 Corrente di corto circuito: compromesso tra necessità di accensione dell’arco
e danneggiamento degli impianti elettrici
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Curve caratteristiche
 Caratteristica esterna della macchina saldatrice: la notevole pendenza limita le
indesiderate variazioni di corrente causate dalle variazioni di lunghezza
dell’arco dovute ai movimenti della mano dell’operatore
 Caratteristica elettrica dell’arco: non segue la legge di Ohm (1° tratto
discendente, 2° crescente) e dipende dalla sua lunghezza
caratteristica
esterna della
macchina
caratteristica
elettrica
dell’arco
Processi di collegamento
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Saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
Caratteristiche d’impiego
 Processo molto diffuso per giunti di limitate dimensioni, per manutenzione e riparazione
 Attrezzatura piuttosto economica, semplice e portatile
 La posizione di saldatura non è limitata dal processo, è possibile saldare anche in punti








difficilmente accessibili
Rispetto alla saldatura con cannello, ha velocità maggiore e costo minore
Principalmente usata per acciai al carbonio, basso legati e inossidabili
Non usata per leghe a bassa Tf (Sn, Pb, Zn) per l’intenso calore sviluppato
Non usata per leghe reattive (Al, Ti, Zr) perché troppo sensibili all’ossigeno (il rivestimento
non protegge adeguatamente)
Non adatta per spessori sottili (< 2-3 mm) perché la corrente non può essere abbassata
oltre il limite di stabilità dell’arco  fori
I valori di penetrazione e di deposizione oraria rendono questo metodo economicamente
svantaggioso rispetto ad altri processi ad arco nel caso di grandi spessori e notevoli
lunghezze
L’elettrodo ha una lunghezza limitata  interruzione del processo per sostituzione
Necessità di togliere la scoria tra una passata e l’altra
Processi di collegamento
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Saldatura TIG
 Tungsten Inert Gas (TIG)
 Fa parte dei metodi di saldatura ad arco elettrico in atmosfera inerte
 L’arco scocca tra un elettrodo di tungsteno (o sua lega) che non prende parte al
processo di fusione (Tf = 3410°C) e il metallo base
 m.a. usato se spessore > 1 mm; immesso in bacchette per saldature manuali, in
fili per saldature automatiche
 Tutta la zona di saldatura immersa in ambiente inerte (argon, elio o miscela dei
due) per impedire l’ossidazione: possibile la saldatura di materiali
particolarmente reattivi
Processi di collegamento
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Saldatura TIG:
Attrezzatura necessaria
 Elettrodo in W, contenuto in una pistola porta-elettrodo, emerge da un ugello da
cui fuoriesce il gas protettivo
 Pistola collegata
 alla macchina elettrica (c.c. o c.a.)
 alla bombola con gas protettivo con regolatore di pressione
 al circuito di raffreddamento della pistola
 Generalmente polarità diretta (elettrodo polo -)
 bombardamento ionico sull’elettrodo aumenta la T
 emissione di elettroni tra tensioni e correnti d’arco basse
 vantaggio nella saldatura di spessori sottili
Processi di collegamento
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Saldatura TIG:
Attrezzatura necessaria
 Accensione dell’arco con scintilla pilota: provocata da elevata tensione e frequenza,
scocca quando elettrodo e pezzo quando sono a distanza ravvicinata; la scintilla
provoca la ionizzazione del gas  accensione
 L’alta tensione viene:
 eliminata subito dopo se c.c.
 mantenuta sovrapposta alla corrente di saldatura in c.a. per stabilizzare l’arco
 Elettrodo:
 W puro al 99.5%
più economici, saldature meno critiche, sopportano minori densità di corrente
 W con 1-2% torio
maggiore emissività a parità di T, permettono di saldare con correnti più basse, maggiore
durata, arco più stabile e più facilmente innescabile
 W con 0.15-0.4% zirconio
caratteristiche intermedie tra i due
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Saldatura TIG:
Alimentazione elettrica
 C.c. in polarità diretta:
 Elettroni verso il m.b.  70% del calore sviluppato sul m.b.
 elettrodo 30% del calore generato dall’arco  non è sottoposto a elevati aumenti di
temperatura  densità di corrente sopportabile circa 60 A/mm2
 Arco ben concentrato, max penetrazione (nell’ambito TIG)
 C.c. in polarità inversa:
 Elettroni verso l’elettrodo  raccoglie il 70% del calore emesso  surriscaldamento
obbliga ad elettrodi di grosso diametro per poter dissipare, massima densità di
corrente ottenibile circa 5 A/mm2, penetrazione limitata
 Arco poco concentrato
 Vantaggio: distruzione dello strato di ossidi che si formano nel caso di saldatura di
leghe di magnesio e alluminio grazie al bombardamento degli ioni; tuttavia gli aspetti
negativi sono predominanti
 Questa alimentazione non è praticamente utilizzata
Processi di collegamento
38
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Saldatura TIG:
Alimentazione elettrica
 Corrente alternata:
 Situazione intermedia tra le due precedenti: calore 50% elettrodo, 50% su m.b.
 Penetrazione e concentrazione dell’arco, e massima densità di corrente sopportabile
dall’elettrodo sono intermedie (circa 30 A/mm2)
 Distruzione dello strato di ossido avviene solamente nel semiciclo in cui l’elettrodo è
positivo
 Problemi di stabilità dell’arco: W e m.b. hanno potere emissivo diverso, corrente
alternata sbilanciata tra un semiciclo e l’altro  si sovrappone corrente con bassa
intensità ma con elevata tensione e frequenza (scintilla pilota)
Processi di collegamento
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Saldatura TIG:
Prestazioni e campi d’impiego
 Metodo molto efficace, saldature di elevata qualità per quasi tutti i metalli (ad
eccezione dei bassofondenti Sn, Pb, Zn)
 Molto adatto per leghe di Al, Mg e materiali reattivi come Ti e Zr
 Particolarmente adatto per spessori sottili (forte emissività del W permette di
avere archi stabili con correnti basse 15-20 A)
 Possibile anche per spessori grandi, ma non economicamente vantaggioso
rispetto ad altri metodi (MIG e arco sommerso)
 Possibile saldare in qualunque posizione
 Metodo costoso, sia per le macchine e le attrezzature, sia per l’elettrodo in W,
sia per i gas utilizzati  riservato ai materiali più pregiati e spessori più sottili
 È possibile che il W dell’elettrodo contamini il m.b. con inclusioni dure e fragili
Processi di collegamento
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Saldatura TIG
Processi di collegamento
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Saldature MIG e MAG
 Detti anche a filo continuo
 MIG: Metal-arc Inert Gas
 MAG: Metal-arc Active Gas
 Simili al TIG, ma elettrodo fusibile (filo) che costituisce il m.a.
Processi di collegamento
42
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Saldature MIG e MAG
Alimentazione elettrica
 Solitamente c.c. con polarità inversa (con c.a. arco troppo instabile)
 Caratteristica esterna a tensione quasi costante  variazione di corrente rilevata
dal sistema di alimentazione del filo e compensa il consumo dell’elettrodo
elettrodo
rivestito
MIG
MAG
Processi di collegamento
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Saldature MIG e MAG
Trasferimento del m.a.
Dipende dalla tensione dell’arco e dalla corrente di transizione
 Modalità short-arc:
 V < 20 V e I < Itransizione
 Grandi gocce che spengono l’arco 20-200 volte/s
 Bagno di fusione freddo, solidificazione rapida

 saldatura in qualunque posizione e di spessori sottili
Bassa deposizione oraria
 Modalità spray-arc:




V > 25 V e I > Itransizione
Tante piccole gocce che non spengono l’arco
Elevata penetrazione e deposizione oraria  grandi spessori
Elevata fluidità del bagno di fusione  saldature in piano
 Modalità pulsed-arc:
 I < Itransizione , più picchi con I > Itransizione  ogni impulso una goccia
Processi di collegamento
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Saldature MIG e MAG
Gas utilizzati
 MIG: Ar, He, efficaci per saldare tutte le leghe, ma costosi
 Ar più pesante dell’aria, basso potenziale di ionizzazione
 He più leggero dell’aria, alto potenziale di ionizzazione, maggiore penetrazione,
maggiori velocità di penetrazione, necessaria maggiore portata
 MAG: CO2, trasferimento globulare (grosse gocce e spruzzi)
si usa per acciai a basso tenore di C, perché ad elevate temperature la CO2 si dissocia in CO +
½ O2 per poi riassociarsi in prossimità del bagno liberando energia
CO2 + C
2CO
Basso tenore di C
Alto tenore di C
(impoverimento del bagno, non si usa)
Altro problema è la porosità da CO:
2Fe + O2
2FeO
FeO + C
Fe + CO
Si usano anche miscele con 80% Ar, 15% CO2, 5% O2
Processi di collegamento
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Saldature MIG e MAG
Campi d’impiego
 Possibile saldare in modo semiautomatico tutte le leghe di interesse industriale
 saldatura più diffusa in ambito industriale
 Ridotta professionalità richiesta all’operatore (controllo automatico lunghezza
arco)
 Rispetto alla saldatura ad AE con elettrodo rivestito:
 Maggiore penetrazione e velocità (elettrodo continuo, assenza di scoria)
 Non è possibile saldare in zone difficili da raggiungere
 Macchine più costose
Processi di collegamento
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Saldature MIG e MAG
Processi di collegamento
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Saldatura in arco sommerso
 Submerg arc welding (SAW): procedimento automatico, per saldature di lunghezza
elevata
 m.b. in posizione piana, elettrodo è il m.a.
 Arco e cratere di fusione ricoperti dal flusso
 Protezione da O2 ed N2 (limitata ossidazione e nitrurazione)
 Reazione con impurezze
 Riduzione della velocità di raffreddamento
 Giunti di elevata qualità e forma regolare
Processi di collegamento
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Saldatura in arco sommerso
Alimentazione elettrica
 Macchine costituite da:
 Generatore di corrente
 Simile a saldatura con elettrodo rivestito, ma maggiore potenza
 Sia c.c. (polarità inversa) sia c.a.
 Gruppo di regolazione e controllo per:
 Intensità di corrente
 Tensione dell’arco
 Velocità del filo
(lunghezza arco costante misurando tensione e variando velocità del filo)
 ↑ corrente  ↑ penetrazione, deposizione oraria, consumo di flusso
 ↑ tensione  ↓ penetrazione, ↑ consumo di flusso
 ↑ velocità di saldatura  ↓ penetrazione, ↑ inclusioni di scoria
Processi di collegamento
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Saldatura in arco sommerso
Fili e flussi
 m.a.: filo di diametro 2-8 mm,
superficie ramata
 Flussi: miscela di ossidi, carbonati, silicati e
ferroleghe
 Pre-fusi:
 Da macinazione di componenti fusi
 Sola azione fisica
 Permettono l’uso di una minore tensione
d’arco
 Agglomerati:
 Da macinazione e miscelazione di componenti
a temperatura ambiente
 Azione chimica
Processi di collegamento
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Saldatura in arco sommerso
Campi d’impiego
 Possibile saldare acciai al C, debolmente e mediamente legati, inox, Ni e leghe
 Non si saldano le leghe di Al per la non completa protezione dall’ossidazione
 Caratteristiche:





Alta penetrazione e deposizione oraria (elevate correnti, fino a 2000 A)
Giunto di elevata qualità, liscio e uniforme
Deformazioni ridotte (elevate velocità)
Spessori saldabili da 1.5 mm a spessori elevati
Saldatura in piano o d’angolo
 Applicazioni tipiche: giunti longitudinali e circonferenziali per recipienti in
pressione, tubi saldati, grosse travature (carpenteria), grossi pannelli (cantieristica
navale), bombole per fluidi in pressione
Processi di collegamento
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Saldatura in arco sommerso
Processi di collegamento
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Effetti termici della saldatura
 Cicli termici costituiscono dei veri e propri trattamenti termici
 Le conseguenze del ciclo termico sono di ordine:
 Meccanico: ritiri e tensioni residue
 Metallurgico: zona termicamente alterata
Processi di collegamento
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Effetti termici della saldatura
Cicli termici
 I cicli termici dipendono da:
 Posizione del punto
 Procedimento di saldatura
Apporto termico specifico
es.arco
1. ciclo severo
3. ciclo dolce
(Wh/cm)
 Spessore e tipo di giunto
severità ↑ se ↑ spessore
 Materiale base
severità ↑ se ↑ conducibilità termica e ↓ calore specifico
 Temperatura iniziale
severità ↓ se ↑ preriscaldamento
Processi di collegamento
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Effetti termici della saldatura
Caratteristiche metallurgiche
Zona Fusa (ZF)
 Rapporto di diluizione:
Rd =
V metallo base fuso
V tot zona fusa
x 100
Per vari processi di saldatura:
• Brasatura Rd=0%
• Saldatura senza materiale d’apporto Rd=100%
• Saldatura TIG Rd=20-40%
• Arco sommerso Rd=10-65%
• Saldatura MIG MAG Rd=5-40%
 Struttura dei grani: la solidificazione procede dal contorno della zona fusa verso
l’interno con strutture dendridiche.
 In saldature con passate successive ogni passata rifonde o tratta le zone già
deposte con benefico effetto sulle caratteristiche di tenacità del giunto.
Processi di collegamento
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Effetti termici della saldatura
Caratteristiche metallurgiche
Zona Termicamente Alterata (ZTA)
 Lo stato e l’entità di questa zona sono influenzati da:
 Massima T raggiunta
 Severità del ciclo termico
 In generale, partendo dalla ZF, si possono identificare:
 Strato surriscaldato a grano grosso (T>>A3)
 Strato normalizzato a grano fine (T>A3)
 Strato intercritico austenitizzazione parziale del materiale (A1<T<A3)
 Negli acciai con elementi di lega si possono avere strutture martensitiche
(pericolose per le cricche a freddo)
Processi di collegamento
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Effetti termici della saldatura
Deformazioni e tensioni residue
 Durante la saldatura le zone che subiscono un ciclo termico non sono libere di
dilatarsi e contrarsi in quanto circondate da materiale a differente temperatura 
deformazioni plastiche localizzate a seguito delle quali, a temperatura ambiente,
si hanno tensioni interne residue
 Le tensioni interne residue sono pericolose nel caso in cui:
 Strutture sollecitate che lavorano a bassa temperatura: rottura fragile
 Strutture soggette a corrosione: le tensioni interne accelerano il processo
 Strutture soggette a carichi di punta: le tensioni interne aumentano l’instabilità
 Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Effetti termici della saldatura
Deformazioni e tensioni residue
Fenomeni di ritiro
Rimedio: preangolatura
oppure vincoli
Ritiro longitudinale del cordone
Tensioni residue longitudinali
-Trazione nel cordone e zone adiacenti
-Compressione nelle zone distanti dal giunto
Processi di collegamento
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Difetti di saldatura
 Cricche a caldo
 Cricche a freddo
 Strappi lamellari
 Rottura fragile
 Porosità
Processi di collegamento
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Difetti di saldatura
Cricche a caldo
 Si manifestano nella zona fusa nel corso della solidificazione
 Durante il raffreddamento si ha la segregazione di impurezze a bordo grano
 Si formano quindi dei veli liquidi a basso punto di fusione (900°C) interrotti da
“ponticelli solidi” che danno continuità al materiale
 Durante il raffreddamento i ponticelli possono rompersi per effetto delle
tensioni interne generando la cricca
 Le cricche aumentano se:
Grano A
 Elevato tenore di carbonio
 Elevato tenore di impurezze nel materiale base
 Tensioni di ritiro elevate
Impurezze
Grano B
Processi di collegamento
60
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Difetti di saldatura
Cricche a freddo
 Si manifestano principalmente nella ZTA a temperatura prossima a quella ambiente
 Se la velocità di raffreddamento è sufficientemente alta, nella zona saldata si ha la
formazione di strutture dure e fragili che, sotto l’effetto delle tensioni residue,
possono rompersi
 Il fenomeno è particolarmente evidente in presenza di idrogeno (infragilimento da
idrogeno)
 A causa di una piccola differenza di composizione tra ZF e ZTA, la trasformazione
austenitica avviene dopo nella ZTA. L’idrogeno (più solubile nell’austenite) migra
dalla ZF alla ZTA infragilendola
 Le cricche aumentano se:
 Sono presenti strutture dure e fragili
 È presente idrogeno nel bagno di saldatura
 Presenza di tensioni di ritiro elevate
Processi di collegamento
61
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Difetti di saldatura
Strappi lamellari
 Si verificano quando il metallo
base è sollecitato in direzione
normale al piano di laminazione
 Durante la laminazione le
inclusioni vengono deformate e
assumono un aspetto
“lamelliforme”, lamelle parallele
alla superficie
 Per evitare gli strappi lamellari si
possono adottare accorgimenti
progettuali
Processi di collegamento
62
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Difetti di saldatura
Rottura fragile
 Si può verificare anche lontano dal giunto saldato e con un basso valore della
sollecitazione esterna
 La rottura è detta fragile perché avviene senza deformazione plastica
 Può avvenire in strutture che:
 Lavorano a bassa temperatura
 Presentano intagli
 Presentano tensioni residue
 Gli accorgimenti da adottare sono:
 Evitare gli intagli sfavorevolmente orientati rispetto alla saldatura
 Effettuare un trattamento termico di distensione
 Scegliere acciai di base con temperatura di transizione bassa rispetto a quella di
esercizio
Processi di collegamento
63
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Difetti di saldatura
Porosità
 Cause:




Gas prodotti per reazioni chimiche nel fuso
Gas o vapori risultanti dal filler
Gas o vapori prodotti da contaminanti
Gas di schermatura
 Soluzioni:




Accurata scelta degli elettrodi e della composizione del filler
Preriscaldamento
Pulitura dopo ogni passata
Diminuire la velocità di deposizione
Processi di collegamento
64
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Trattamento termico
 Un trattamento di distensione è consigliabile per:
 Acciai a medio tenore di C o legati




Strutture complesse con cordoni intersecanti
Strutture che devono operare al di sotto di certe temperature
Strutture soggette a corrosione
Parti che devono essere lavorate alle macchine utensili
 La distensione consiste in:
 Riscaldamento lento fino a 600°C (100-200°C/h ma fino a 30°C/h)
 Permanenza a temperatura 600-650°C (o superiore per acciai legati) per 2 min
per ogni mm di spessore dell’elemento più spesso
 Raffreddamento lento in forno con gradiente simile al riscaldamento
Processi di collegamento
65
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Saldatura per resistenza elettrica
 Resistance Welding (RW): Saldature autogene per pressione, si sfrutta l’effetto
Joule
 Saldature impiegate per la produzione in serie (tempi molto brevi, elevato costo
delle macchine)
 Quantità di calore utilizzabile nella saldatura:
Q = R ∙ I2 ∙ t ∙ k
k: coefficiente di perdita per irraggiamento, conduzione e convezione
R: dipende dal materiale e dalla pressione
I: dipende dalla regolazione della macchina saldatrice
 Saldature per resistenza elettrica:




Per punti
A rulli
Di testa per scintillio
Per proiezioni
Processi di collegamento
66
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Saldatura per punti
 Diffuso nel campo della lamiera sottile,
si presta bene all’automazione (simile a
rivettatura)
 Elettrodi in rame premuti contro la
lamiera da pinza portaelettrodi
 Corrente di elevata intensità, bassa
tensione, tempo molto breve (s)
 Svantaggi: giunti con inferiore
resistenza meccanica e a fatica,
discontinui, impronta dell’elettrodo,
picchi di corrente
 Vantaggi: processo automatizzabile,
rapido, economico
Processi di collegamento
67
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Saldatura per punti:
Nocciolo fuso
 Fusione rimane localizzata in un nocciolo fuso centrale, che solidifica mentre
gli elettrodi sono ancora premuti
 Struttura: cristalliti orientate in direzione del flusso termico
 La fusione avviene tra le lamiere
perché:
 Rlamiera-lamiera > Rlamiera-elettrodo
 Elettrodi in rame raffreddati ad
acqua
Processi di collegamento
68
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Saldatura per punti:
Resistenza di contatto
 Resistenza di contatto in funzione della forza applicata dagli elettrodi
Processi di collegamento
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Saldatura per punti:
Parametri di processo
 Parametri di processo:
 Pressione (compromesso tra incollaggio e eccessiva penetrazione)
 Intensità di corrente
 Tempo
 Finestra di processo ristretta, conviene lavorare con alta I e basso t (saldatura
rapida); saldatura lenta per acciai ad elevato tenore di C ed altolegati per ridurre la
velocità di raffreddamento
Processi di collegamento
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Saldatura per punti:
Macchine; elettrodi
 Macchine saldatrici per punti
 c.c. o c.a., corrente da 1000 a 100 000 A
 Temporizzatori elettronici
 Dispositivo pneumatico o idraulico
 Elettrodi:
 Forme varie
 In Cu, leghe di Cu, W, Mo
 Elevata conducibilità elettrica, resistenza all’usura e meccanica
Processi di collegamento
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Saldatura per punti:
Cicli di saldatura
 Ciclo di saldatura regolato dall’unità
di controllo
Acciai a basso
tenore di C
Acciai legati
Processi di collegamento
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Saldatura per punti:
Forza di chiusura
 Ruolo della forza di chiusura nelle varie fasi:
 Accostamento: vincere la resistenza elastica delle lamiere e ridurre resistenza di
contatto elettrodo-lamiera
 Passaggio di corrente: mantenere le lamiere in posizione, contrastare la
dilatazione
 Raffreddamento: compensare la contrazione e conferire particolari
caratteristiche meccaniche
 Pinze di saldatura a fulcro o a corsoio
Processi di collegamento
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Saldatura per punti:
Aspetto del punto
Punto di
saldatura
ottimale
Tempo di
saldatura
eccessivo
Pressione
troppo bassa
(aria tra
elettrodi e
lamiera)
Superficie
dell’elettrodo
sporca
Processi di collegamento
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Saldatura a rulli
 Per la generazione di saldature continue su lamiere
sottili
 Elettrodi a disco attraversati da impulsi di corrente
 Grado di sovrapposizione regolato in base a frequenza
degli impulsi e velocità di rotazione
Processi di collegamento
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Saldatura di testa per scintillio
 Flash Welding: Si fa scoccare un arco voltaico tra i due pezzi da unire: corrente
applicata mediante due pinze in rame a barre da saldare
 Tre fasi:



Eventuale preriscaldamento, pressione e bassa corrente
Scintillio, corrente di saldatura senza pressione (piccoli archi elettrici tra le asperità, fusione
localizzata)
Compressione, pressione senza corrente
 Metodo rapido ed efficiente
 Ricalcamento
Processi di collegamento
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Saldatura per proiezioni
 Resistance Projection Wlelding (RPW): analoga a saldatura
per punti ma in una lamiera viene realizzato un rilievo
 Si creano alcune protuberanze (proiezioni) per avere contatto
elettrico solo in alcune zone dove avverrà poi la saldatura.
 Le proiezioni possono essere circolari o ovali a seconda della
resistenza richiesta. Gli elettrodi in rame vengono raffreddati ad
acqua.
 Con questo metodo si producono
più punti di saldatura in un solo
colpo.
 Si usa anche per griglie e carrelli
della spesa.
Processi di collegamento
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Saldatura per resistenza
Processi di collegamento
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Saldatura allo stato solido
 Coalescenza delle due parti avviene ad una temperatura inferiore rispetto
alla temperatura di fusione del metallo base
 Non prevede l’impiego di m.a.
 Evitano la formazione di z.t.a.
 Diversi tipi di saldatura allo stato solido:






Per forgiatura
Per rullatura
Per esplosione
Con ultrasuoni
Per diffusione
Per attrito
Processi di collegamento
79
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Saldatura allo stato solido
 Saldatura per forgiatura (Forge Welding): riscaldamento a
T <Tf, accostamento e coalescenza per diffusione
(irrilevante industrialmente)
 Saldatura per rullatura (Roll Bonding): pressione generata da rulli; usata per
placcare lamiere
 Si usa per metalli soffici facilmente deformabili
 Le superfici vanno ben pulite prima dell’operazione
 Per ottenere rivestimenti protettivi
Processi di collegamento
80
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Saldatura allo stato solido: EW
 Saldatura per esplosione (Explosion Welding): detonazione controllata, calore
generato dall’onda d’urto e da energia cinetica assorbita nella collisione;
applicazione limitata
 La detonazione genera una collisione obliqua ad alta velocità che si traduce in una
deformazione plastica severa e localizzata accompagnata da parziale fusione
all'interfaccia di saldatura.
 L'interesse industriale: possibile ottenere saldature resistenti tra metalli con punti di
fusione, coefficienti di espansione termica e durezza differenti.
 Vantaggi di questo processo per l'industria meccanica ed in particolare per
quella navale:

realizzabilità di giunti con elevata resistenza e
privi di riduzioni delle proprietà meccaniche
per i difetti di fusione;

tecnica semplice, economica e facilmente
ripetibile.
Processi di collegamento
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Saldatura allo stato solido: EW
Processi di collegamento
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Saldatura allo stato solido: UW
 Saldatura con ultrasuoni (Ultrasonic Welding): energia sotto forma di vibrazioni ad
alta frequenza
 Due pezzi a stretto contatto tra loro messi tra un incudine ed un vibratore (sonòtrodo)
 Sonòtrodo genera vibrazioni trasversali e rapidissimi moti di attrito fra le superfici a
contatto tra i due pezzi vincendone le forze di coesione e innalzandone la temperatura
 Si osservano mutamenti microstrutturali nella
Sonòtrodo
zona scaldata
 Parametri: forza verticale, ampiezza vibrazioni
caratteristiche elastiche del materiale di base
 Frequenze fino a 105 Hz; spessori fino a 2mm,
deformazioni minime
 Tra metalli della stessa natura (in fogli) o tra
materiali diversi
Processi di collegamento
83
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Saldatura allo stato solido: UW
Processi di collegamento
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Saldatura allo stato solido: DB
 Saldatura per diffusione (Diffusion Bonding): applicazione di p e T, si induce la
diffusione di atomi in uno dei due materiali a contatto; non comporta deformazioni
e moto relativo tra le parti

Temperature elevate 50-70% Tfusione ; calore
fornito per irraggiamento, induzione o resistenza

Pressione può essere applicata uniassialmente o
isostaticamente (0,5-1,6 bar) nel vuoto

Vantaggi senza porosità, non ci sono
discontinuità metallurgiche, possibilità di saldare
in fase solida materiali dissimili introducendo
interlayer di materiali che favoriscono la
diffusione o preformati

Importante la preparazione delle superfici: pulite
e senza contaminazioni
Processi di collegamento
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Saldatura allo stato solido: BW
 Saldatura di testa (Butt Welding): processo nel quale i profili vengono saldati testa a
testa; utilizzata per processi continui

Le estremità vengono pulite e preparate
riscaldate e messe in pressione l’una con
l’altra

Pressione applicata uniassialmente

Utilizzata per saldare tubi, lastre di metallo o
plastica

Buona resistenza, ma possibili deformazioni
plastiche o distorsioni
Processi di collegamento
86
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Tecnologia Meccanica
Saldatura allo stato solido: BW
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldatura allo stato solido per attrito
Calore generato dall’attrito di due superfici in moto relativo
 Vantaggi:





Giunti di elevata qualità
Assenza di m.a.
Possibilità di saldare la maggior parte dei materiali comuni
Possibilità di saldare materiali dissimili
Automatizzabile
 Varianti:
 Saldatura per attrito propriamente detta (Friction Welding)
 Saldatura per attrito
 Saldatura per inerzia
 Saldatura per attrito lineare
 Saldatura per attrito con rimescolamento del materiale (Friction Stir Welding)
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldatura per attrito: FW
 Saldatura per attrito Friction Welding (FW)
 Processo puramente meccanico
 Calore necessario è prodotto per conversione diretta
dell’energia cinetica in energia termica
 Fra le superfici di contatto si crea un movimento relativo
per rotazione
 Sotto l’azione di una pressione costante o in graduale
aumento, permette di raggiungere una temperatura
sufficientemente elevata da creare le condizioni di
plasticità
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldatura per attrito: FW
 La possibilità di saldare componenti di metalli differenti offre:





Risparmio sulle materie prime e sui costi di lavorazione
Riduzione nel volume delle attrezzature per la produzione
Movimentazione e lo stoccaggio dei componenti
Riduzione dei pezzi difettosi e da scartare a livelli prossimi allo zero
Riduzione considerevole dei tempi di produzione
Velocità: fino a 900 m/min
Adatta a tubi e alberi
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FW
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: IFW
 Saldatura per inerzia Inertia Friction Welding (con volano)
 Saldatura per attrito alternativa per
mezzo di un volano nel quale si
immagazzina l’energia, che può essere
liberata nella quantità necessaria
tramite un sistema d’innesto disposto
tra volano e mandrino.
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: LFW
 Saldatura lineare per attrito Linear Friction Welding (LFW) alternativa alla FSW è nata
per estendere l’applicazione della saldatura per attrito rotante a componenti assialsimmetrici di forma complessa.
 I due componenti sono posti a contatto, sottoposti ad una spinta assiale ed in moto lineare
reciproco alterno.
 Calore generato per attrito  diminuzione di resistenza al flusso plastico del materiale 
deformazione localizzata delle superfici
 Formazione di un uniforme cordone di
saldatura  accorciamento assiale dei
componenti (burn-off).
 Raggiunto un prefissato burn-off il moto viene
arrestato e la forza di contatto mantenuta per
consolidare la saldatura (pochi secondi)
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: LFW
 All’aumentare della spinta assiale  il materiale all’interfaccia si deforma, fuoriesce
dai lembi della saldatura
 Principali parametri:
 frequenza e ampiezza di

oscillazione,
spinta ed accorciamento assiale
 Applicazioni:
 in campo aeronautico,
 giunzione di rame e alluminio per

la realizzazione di conduttori
saldatura rotore-paletta (stadi a
bassa pressione del
compressore)in leghe di titanio
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: LFW
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 Friction stir welding (FSW): calore derivante da attrito e deformazione plastica; l’utensile
è composto da un perno (pin) che penetra nel materiale e dalla spalla (shoulder) che striscia
sul pezzo
Friction Stir Spot Welding
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 L’utensile si muove lungo il lembi da saldare a velocità costante U, e ruota intorno al
proprio asse a velocità ω.
 Ad ogni punto la velocità tangenziale dell’utensile rispetto al pezzo:
vr = ωr − U sin θ
r: distanza radiale dall’asse dell’utensile;
θ: angolo tra il vettore r e la direzione di saldatura.
 Lembi:
 Advancing side: su cui avanza il pin
 Retreating side: in cui c’è il trasporto di materiale
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 Il movimento totale di plasticizzazione del materiale durante la formazione del giunto è
il risultato della simultanea azione di tre effetti:
1. Vicino l’utensile uno strato viscoso di materiale plasticizzato ruota intorno all’utensile. Moto
dato dalla rotazione dell’utensile e dall’attrito tra esso e il pezzo.
2. Il moto dell’inserimento del pin tende a spingere il materiale verso il basso vicino alla testa del
pin che nello stesso tempo ruotando conduce in un moto verso l’alto un’equivalente quantità
di materiale.
3. C’è un moto relativo tra l’utensile e il pezzo.
a):0,35mm; b): 1,59mm; c): 2,28mm al di sotto della superficie di lastre di acciaio di 3,18mm di spessore
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 Forma dell’utensile: influenza la generazione di calore, il flusso plastico, la potenza
richiesta e l’uniformità del giunto
 Lo shoulder genera la maggior parte del calore e ha un’azione di formatura che confina il
materiale
 Sia lo shoulder che il pin influenzano il flusso del materiale
 Il pin effettua il mescolamento che forma il giunto
Utensili per FSW:
materiale refrattario (W-Re)
materiale ceramico
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
Forme del pin:
 Rastremati con filettatura: hanno componente verticale della velocità che facilita il flusso



plastico. Il flute: aumenta il calore generato, il softening del materiale, e l’intenso
mescolamento riduce la forza trasversale e la torsione
Filettato cilindrico: è adeguato per la saldatura testa a testa
Svasati in testa e inclinati nell’asse: consentono di deviare il materiale plasticizzato e l'ossido
frammentato
La profondità di penetrazione può essere regolata per particolari configurazioni del giunto.
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 La maggior parte del calore si genera all’interfaccia tra lo shoulder e il pezzo
 Il calore è generato per attrito e per le deformazioni plastiche all’interfaccia tra utensile e
pezzo:
 Per attrito: prodotto della forza d’attrito e della velocità di scorrimento.
 Per deformazione: dovuto a tensioni di taglio e velocità del materiale che si attacca all’utensile
mentre si muove.
 L’asimmetria nella distribuzione della temperatura è caratteristico dell’FSW
Temperature map °C
A vel. cost. di rotazione un
aumento della velocità di
avanzamento comporta la
formazione di vuoti nella parte
inferiore del giunto ed
aumenta con la velocità di
avanzamento perché il flusso
di materiale è inadeguato a
seguire il moto
Advancing side
Processi di collegamento
Retreating side
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Saldatura per attrito: FSW
 Parte dell’energia di deformazione plastica viene immagazzinata all’interno della
z.t.a. in forma di densità di difetti crescente.
 Difetti comuni sono porosità e difetti superficiali
 La propensione a crack e vuoti aumenta all’aumentare della velocità di saldatura e
del tipo di lega
A: m.b. (BM);
B: z.t.a. (HTA);
C: z. termo-meccanicamente
alterata (ZTMA);
D:stir zone zona con grani
più fini e presenza di anelli
concentrici ‘onion rings’
E: flow arm zona di
materiale trascinato dalla
spalla
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 Il calore associato alla saldatura cambia la microstruttura del materiale
 Un mix di distensione e ricristallizzazione avvengono simultaneamente
 La deformazione aumenta la densità delle dislocazioni i bordi grano per unità di
volume e porta alla dissoluzione dei precipitati.
Legha di Mg:
a) m.b.;
b) z.t.a.;
c) z.t.m.a.
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
Il weld pitch (U/ω) e la forma del pin determinano se il flusso è semplice o complesso.
Quando il pitch è piccolo la saldatura è più continua. Un pin conico conduce ad flusso di
materiale più effettivo con meno difetti.
Analogia: formazione di truciolo nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, dove la morfologia del truciolo
cambia da discontinuo a segmentato a continuo all’aumentare della velocità di taglio, allo stesso modo la
forma del flusso nell’FSW cambia con il weld pitch.
FSW
Machining
processes
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
 Durante i processi di saldatura per fusione, la zona di saldatura diventa omogenea
dopo la solidificazione, mentre durante FSW di metalli diversi il mix non riguarda il
livello atomico ed è possibile trovare differenti concentrazioni nel metallo saldato che
non è omogeneo.
 Possibilità di saldare leghe di Al ad elevata resistenza difficilmente saldabili per
fusione, e leghe leggere di Mg
 Vantaggi:
 alta produttività
 sezioni differenti
 materiali dissimili
 pulizia
 Svantaggi:
 costi investimento
 sbavatura
Processi di collegamento
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Saldatura per attrito: FSW
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldatura: TSW
 Saldatura Thermal Stir Welding (TSW), processo NASA
 Coinvolge una sorgente di calore, il pin e un’operazione di forgiatura: operazioni fisicamente
separate
 Riscaldamento per induzione in modo che la temperatura del pezzo sia settata indip.
 L’utensile è un pin senza spalla, seguito da una serie di rulli per la forgiatura del pezzo
Obiettivo del processo è di saldare lamine di titanio, acciaio, leghe di nickel e super leghe
 Nel FSW si saldano leghe con bassi punti di fusione, è un metodo non esente da difetti e
che realizza saldature di spessori non superiori ai 12mm. Questi limiti sono superati da TSW.
Schematic of TSW
Processi di collegamento
Thermal stir weld in Ti
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Saldature speciali
 Questa definizione comprende tutti i procedimenti che non trovano classificazione
negli altri gruppi.
 Si tratta di procedimenti basati su diversi principi fisici rivolti ad impieghi particolari,
e sono:





Saldatura al plasma (PAW)
Saldatura a fascio elettronico (EBW)
Saldatura laser (LBW)
Saldatura sotto scoria
Saldatura ad alta frequenza
Diffusione limitata
Processi di collegamento
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Saldature speciali: PAW
 Plasma Arc Welding (PAW): Diversamente dal tradizionale processo TIG, vi sono due
afflussi indipendenti di gas. Uno dei due gas avvolge l'elettrodo di tungsteno, arco
elettrico ionizza il gas e forma il plasma con elevatissime temperature (20000°C). Il
secondo gas invece ha solo il compito di proteggere il bagno di saldatura.
 L’arco elettrico che si genera può essere:
 Arco diretto: arco scocca tra elettrodo e materiale, energia trasferita al pezzo è maggiore,
ma materiale da saldare deve essere elettr. conduttore.
 Arco trasferito: arco scocca tra elettrodo centrale e elettrodo anulare all’interno della
pistola (minori concentrazioni termiche)
Processi di collegamento
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Saldature speciali: PAW
 Processo di saldatura può avvenire per 2 tecniche:
 Fusione: con bassi valori di corrente e basse portate di gas plasmagenico
 Keyhole: elevata corrente, portata del gas e velocità di saldatura provocano la
formazione di un foro passante (key hole) tra i pezzi da saldare. Durante movimento
della pistola metallo fuso assume un movimento vorticoso intorno al plasma che fa
evacuare impurità e gas presenti
 Spessori fino a circa 8mm possono essere saldati con tecnica key hole senza
cianfrinatura
 Arco stabile con correnti basse 0,1 A quindi possibile saldare spessori sottili.
 PAW viene largamente utilizzata per giunti di elevatissima qualità nell'industria
aeronautica, spaziale e chimica..
Processi di collegamento
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Saldature speciali: PAW
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldature speciali: EBW
 Electron-beam welding (EBW): un fascio di elettroni sottile ad alta energia viene
focalizzato sul pezzo da saldare che viene fuso dall’energia cinetica che si trasforma in
calore. Il processo è condotto in vuoto.
 Il processo produce saldature di alta qualità con un alto rapporto profondità/sezione (da
10 a 30).
 Velocità molto elevate fino a 12 m/min con minime distorsioni.
 L’alta potenza (fino a 100 kW) può produrre anche buchi
nel pezzo.
 Applicazioni tipiche vanno da saldature in aeronautica,
missilistica, nucleare al settore microelettronico e
automobilistico.
E = fascio elettronico; F, D = dispositivi per focalizzare e deflettere il fascio; CV
= camera del vuoto; P = pezzo da saldare; S = schermo termico; Sp, O =
specchi e oculare per la visione della zona di saldatura; L = sorgente luminosa
Processi di collegamento
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Saldature speciali: EBW
Processi di collegamento
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Tecnologia Meccanica
Saldature speciali: LBW
 Laser-beam welding (LBW): il calore di fusione viene fornito da un laser ad alta
potenza. Si può concentrare l’energia in un’area molto piccola dando origine a saldature
profonde e strette. Il rapporto profondità/sezione va da 4 a 10.
 Se usato in pulsi nel range dei millisecondi si possono fare delle saldature a spot
 In continuo si usa per saldature profonde in sezioni spesse
 Si usa con ossigeno per acciai e gas inerti con leghe non-ferrose
 Velocità fino a 80 m/min
Processi di collegamento
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Saldature speciali: LBW
 Per la saldatura laser si usano principalmente laser a CO2 in continuo, e Nd-YAG a
impulsi
 Ci sono due meccanismi per la formazione del giunto:
 Basse densità di potenza o elevate velocità non provocano ebollizione del materiale, il calore
si diffonde per conduzione fino ad una certa profondità provocando fusione del materiale
 Elevate densità di potenza o basse velocità modalità per il ‘keyhole’ per effetto della
concentrazione di energia, il metallo colpito fonde e vaporizza localmente formando una
cavità stretta e profonda nel pezzo
 Spessori di applicazione sono limitati: importante la combinazione tra profondità di
penetrazione e velocità
 Precisione del posizionamento del cordone ed è molto flessibile nell’impiego.
 Molto costoso
 Materiali: acciai la carbonio e inossidabili, leghe leggere di alluminio (potenze ≥ 1kW),
leghe di titanio, leghe ad alto punto di fusione.
Processi di collegamento
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Saldature speciali: LBW
 Vantaggi LBW
 Produce saldature di buona qualità, minimo ritiro e distorsione, senza porosità. Si
usa dalla saldatura di trasmissioni alle lamiere per pannelli nel campo
automobilistico (tailor-welded blanks).
 Vantaggi dell’LBW sull’EBW:
 Non richiede il vuoto
 Il fascio può essere focalizzato otticamente, utilizzando per esempio fibre ottiche
e facilmente manipolato
 Non genera raggi-x come l’EBW
 La qualità della saldatura è migliore con meno tendenza alla fusione incompleta,
spatter, porosità e distorsioni.
Processi di collegamento
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Saldature speciali: LBW
Processi di collegamento
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Saldature speciali
 Dimensioni zona saldata:
LaserBeamWelding
LBW
ElectronBeamWelding
EBW
Processi di collegamento
GasTungsten-arcWelding
TIG
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thickness greater than 12 mm. This might be possible using the TSW process.
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Saldature speciali: ESW
 Saldatura a elettroscoria Electro Slag Welding (ESW)
 Tecnologia di saldatura elettrica automatica a filo continuo,
metallo base fonde sotto la protezione di una scoria fusa
 Trasferisce l'energia dal generatore al bagno di saldatura
per effetto Joule.
 Il filo (fusibile) che porta la corrente è immerso in un bagno
di scoria fusa sovrastante al bagno di saldatura. La scoria si
mantiene calda per la corrente che la attraversa (scoria deve
avere proprietà di conduttività elettrica)
 Sviluppata per saldare lembi rettilinei in verticale
ascendente (con l'asse del giunto verticale ed il bagno di
saldatura che muove dal basso verso l'alto)
 Vantaggio: si eliminano i problemi di contatto tra pezzo ed
elettrodo
Processi di collegamento
119
thickness greater than 12 mm. This might be possible using the TSW process.
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Saldature speciali: HFW
 Saldatura ad alta frequenza High Frequency Welding (HFW)
 Può ricondursi alla saldatura a resistenza: il riscaldamento è dovuto al passaggio di
corrente attraverso i pezzi.
 Impiega corrente ad alta frequenza: solo la superficie del pezzo è interessata
 Profondità di penetrazione della corrente ↓ quanto ↑ frequenza.
 Acciai ferritici: con 10kHz profondità 0,25mm, mentre con 500kHz profondità si riduce a
0,03mm.
Processi di collegamento
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Saldature eterogene
 Il m.b. non prende parte alla formazione del giunto e non si arriva al suo
punto di fusione  sempre presente m.a.
 Si distingue tra saldobrasatura e brasatura
 Saldobrasatura:
 Cianfrinature
 Innanzitutto occorre pulire le superfici
 Lembi portati ad alta T con fiamma o forno  m.a. (filo) immesso nella zona




fonde e riempie il cianfrino
Interfaccia: lega o composto intermetallico m.b. + m.a.
Proprietà m.a.: bassa Tf, buona scorrevolezza, buona resistenza meccanica,
capacità di bagnare il m.b.
Solitamente m.a. lega di ottone (60% Cu, 40% Zn) con tracce di Si; Tf circa 800°C
Giunto ottenuto: resistente ed elastico
Processi di collegamento
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Saldature eterogene
 Brasatura:
 Si differenzia da saldobrasatura per assenza del cianfrino
 Spazio capillare tra i due pezzi da saldare viene riempito dal m.a. fuso, che ha
grande scorrevolezza e capacità di bagnare il m.b.
 Giunto costituito da una lega di superficie  scarsa elasticità e resistenza
meccanica
 Le brasature possono essere:
 Dolci: leghe di Sn come m.a. (Tf < 400°C)
 Forti: leghe Cu-Ag come m.a. (Tf ~ 600°C)
Processi di collegamento
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Giunzione meccanica
Senza materiale ausiliario (clinching)
 Clinciatura (o giunzione alla pressa) per deformazione
 Clinciatura per taglio
Clinciatura per lamiere con spessore
0.5-3 mm, con buona duttilità
Processi di collegamento
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Giunzione meccanica
Con materiale ausiliario
 Chiodatura (con chiodi ribattuti a caldo)
 Ribattini in alluminio (rivetti pieni)
 Rivetti a strappo (alluminio, rame, acciaio inox)
 Inserti filettati (acciaio e acciaio inox)
 Rivettatura autoperforante
Processi di collegamento
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Confronto saldatura a punti e giunzioni meccaniche
Processi di collegamento
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