Saldatura e brasatura

 

 

 

 

 

 

Saldatura ad arco

 

Nei processi di saldatura ad arco, composizione e conduttività termica della lega sono fattori che influiscono sulla saldabilità. Costituenti a basso punto di fuzione, quali il piombo, rendono gli ottoni suscettibili di criccatura a caldo durante la saldatura. Gli ottoni per lavorazioni alle macchine utensili ad alta velocità, i quali ottengono fino a 3-4% Pb, solitamente non vengono saldati. Lo zinco riduce la saldabilità degli ottoni, all’incirca in proporzione  al suo contenuto in lega. La sua vaporizzazione può essere causa di porosità, che è possibile ridurre al minimo usando elevate velocità di saldatura e un metallo d’apporto a basso contenuto di zinco.

Lo stagno in tenori da circa 1 a 10%, aumenta la sensibilità alla criccatura a caldo; le aggiunte di ferro e manganese non influiscono in modo apprezzabili sulla saldabilità degli ottoni.

La conduttività termica ha un effetto significativo sulla saldabilità delle leghe di rame. Per quelle ad alta conduttività, il tipo di alimentazione elettrica ed il gas di protezione devono essere scelti in modo da ottenere un elevato apporto termico, che compensi la rapida dissipazione di calore dalla zona di saldatura. Persino le leghe meno conduttive possono richiedere un prericaldamento (in relazione allo spessore della sezione), nonostante l’apporto di calore concentrato realizzato con la saldatura ad arco.

 

 

Saldatura ad arco con elettrodo di tungesteno (TIG)

 

La saldatura ad arco con elettrodo di tungsteno in atmosfera di gas inerte, a causa della sua capacità di saldare rapidamente con un apporto di calore altamente concentrato, è talora usata per saldare leghe Cu-Zn (con Zn fino al 20%) che contengono fino all’1% di piombo, benchè gli ottoni secchi, come detto, non siano in generale adatti per la saldatura ad arco.

Il massimo spessore di ottone che viene normalmente saldato ad arco con elettrodo di tungsteno in atmosfera di gas inerte è di circa 10 mm. La scelta dei gas protettivi è influenzata dai requisiti termici che dipendono dalla conduttività termica del metallo di base. L’argon è comunemente usato per le leghe meno conduttive, mentre elio e miscele di elio sono preferite per le leghe che hanno maggiore conduttività. Tuttavia l’elio e le miscele ricche di elio con argon sono talora usate anche con le leghe meno conduttive (ottoni ad alto tenore di zinco, ottoni allo stagno, ottoni speciali ) per diminuire i fumi di zinco.

I metalli d’apporto usati nella saldatura ad arco di ottoni binari non devono contenere zinco.

L’arco è scoccato e tenuto sopra il metallo d’apporto, piuttosto che sul metallo base, per contribuire a ridurre le perdite di zinco e la formazione di fumi.

 

 

Saldatura ad arco con elettrodo di metallo (MIG)

 

La saldatura con elettrodo di metallo in atmosfera inerte è adatta per la saldatura di materiali con spessore da 3 a 12 mm ed è usata soprattutto per spessori superiori a 12 mm, a causa della sua elevata velocità di deposizione. Come metalli d’apporto vengono impiegati ottoni a bassa emissione di fumi o ottone navale (CuZn39Sn1).

Con questo procedimento, possono essere saldati gli ottoni esenti da piombo, sia a basso che ad alto tenore di zinco (compresi quelli speciali).

Non si usano elettrodi Cu-Zn a causa della violenta formazione di fumi e della perdita di zinco che accompagna la saldatura ad arco.

Con gli ottoni a basso contenuto di zinco, l’elettrodo di bronzo al silicio permette una facile saldatura, perchè ha buona fluidità a bassa intensità di corrente.

La saldatura degli ottoni esenti da piombo con tenore di zinco compreso fra 20 e 40% o più, presentano maggiori difficoltà rispetto a quelli a basso tenore di zinco. I fumi di zinco sono più forti e le saldature sono più porose e hanno minore resistenza meccanica rispetto agli ottoni a basso contenuto di zinco.

 

 

 

 

 

Saldatura ad arco con elettrodo di metallo rivestito

 

Gli ottoni possono essere saldati con elettrodi di bronzo al fosforo, bronzo al silicio o bronzo all’alluminio. Sono necessarie scanalature di saldatura relativamente larghe per una buona penetrazione della giunzione e per evitare il conglobamento di scorie. La saldatura dovrebbe essere fatta usando un nastro ausiliario di rame o di ottone. Per saldare ottoni a basso tenore di zinco vengono usati elettrodi di bronzo al fosforo, mentre gli ottoni ad alto contenuto di zinco possono essere saldati con elettrodi di bronzo all’alluminio.

 

 

 

 

 

 

 

 

Saldatura per resistenza a punti

 

La saldatura per resistenza a punti è ampiamente utilizzata per la giunzione di leghe di rame, in particolare di quelle a bassa conduttività elettrica, con spessori fino a 1,5 mm.

Gli ottoni ad alto tenore di zinco hanno conduttività elettrica relativamente bassa e possono essere saldati per resistenza con un ampio spettro di condizioni.

Gli ottoni a basso tenore di zinco sono più difficili da saldare per resistenza; le saldature possono presentare bassa resistenza meccanica, principalmente a causa della conduttività elettrica relativamente alta.

 

 

 

 

 

 

 

 

Brasatura forte (>450 °C)

 

L’attitudine alla giunzione per brasatura forte varia generalmente da buona a ottima. Con alcune leghe, tuttavia, si possono incontrare difficoltà. Taluni ottoni secchi possono formare una scoria che interferisce con la bagnabilità e le leghe contenenti stagno, se non sono sottoposte a distensione prima della brasatura, possono criccare quando subiscono un riscaldamento rapido localizzato.

Gli ottoni a basso titolo di zinco (fino al 20%) sono facilmente brasati con vari metalli d’apporto. Per ottenere i risultati migliori, è normalmente richiesto un flusso, specialmente quando il contenuto di zinco supera il 15 %.

Gli ottoni con zinco dal 25 al 40% sono facilmente brasati, ma dovrebbero essere impiegati metalli d’apporto a basso punto di fusione per evitare la dezincificazione del metallo base.

Se aggiunto agli ottoni a basso o ad alto tenore di zinco, il piombo forma una scoria durante il riscaldamento, che può seriamente ostacolare la bagnatura e lo scorrimento del metallo d’apporto.

Di conseguenza, nella brasatura degli ottoni secchi, l'uso di un flusso è obbligatorio per prevenire la formazione di scorie nella zona della giunzione.

La tendenza degli ottoni secchi alla criccatura a caldo varia proporzionalmente al contenuto di piombo. Pertanto, queste leghe devono avere basse sollecitazioni residue prima della brasatura.

Il riscaldamento alla temperatura di brasatura dovrebbe essere uniforme per ridurre al minimo le sollecitazioni termiche.

I risultati della brasatura sono scadenti a tenori di piombo del 3% ed oltre, a causa di fenomeni di liquazione e della fragilità delle fasi formate nella giunzione dal piombo e dal metallo di apporto; leghe con più del 5% di piombo usualmente non vengono brasate.

Ottoni allo stagno, che comprendono gli ottoni ammiragliato, navale e navale al piombo, contengono fino all’l% di stagno e possono contenere altri elementi quali piombo, manganese, arsenico, nichel e alluminio. Tranne i tipi contenenti alluminio, questi ottoni sono facilmente brasabili; hanno maggiore resistenza agli shock termici e sono meno soggetti a rotture a caldo rispetto agli ottoni ad alto tenore di piombo. Per ottenere un’appropriata bagnabilità, gli ottoni che contengono alluminio richiedono un particolare flusso.

I metalli d’apporto a base di argento con basse temperature di brasatura sono molto adatti per brasare gli ottoni a più alti tenori di zinco, che sono soggetti al fenomeno di dezincificazione.

I processi di brasatura possono essere suddivisi in base al mezzo utilizzato per fornire il calore necessario ai pezzi da unire:

 

¨ Brasatura in forno: consente di trattare (con caricamento continuo o discontinuo) un elevato numero di pezzi, a basso costo unitario. Offre inoltre la possibilità di controllare accuratamente la velocità di riscaldamento e di raffreddamento dei pezzi e di mantenere questi a contatto con un’atmosfera protettiva, che ne evita l’ossidazione superficiale. Le limitazioni princilpali consistono nell’elevato costo e ingombro dell’impianto e nella limitata durata dei componenti del forno, a causa dell’azione dei flussi di brasatura, specialmente a temperature elevate.

¨ Brasatura al cannello: viene spesso usata quando le caratteristiche del pezzo non sono adatte per l’uso di altri processi di brasatura: il più vasto campo di applicazioni è probabilmente la giunzione di parti di vari tipi di scambiatori di calore (condensatori, evaporatori, radiatori,...). Gli ottoni sono soggetti alla perdita di zinco quando vengono surriscaldati o mantenuti troppo a lungo alla temperatura di brasatura; l’impiego del flusso evita la volatilizzazione dello zinco. Oltre al flusso necessario per la brasatura, viene aggiunto un flusso gassoso, introdotto attraverso la fiamma, per impedire l’ossidazione dei metalli che partecipano alla giunzione. Tra le diverse miscele gassose usate, il vantaggio di costo della miscela aria/gas naturale è sfruttato in particolare in applicazioni meccanizzate ed automatizzate per elevate produzioni, dove la minore temperatura di fiamma evita il danneggiamento causato dal surriscaldamento.

¨ Brasatura ad induzione e a resistenza: sono vantaggiosamente applicate quando occorre riscaldare i pezzi da brasare in modo localizzato o strettamente controllato.

¨ Brasatura per immersione: può essere effettuata in bagni di cloruri, usando leghe di argento come metallo d’apporto. Esempi di applicazioni della brasatura ad immersione componenti di apparecchiature per telecomunicazioni, flussimetri, giunzione di tubi capillari e soffietti. Questo processo è particolarmente indicato per l’unione di componenti che non debbano subire alterazioni dimensionali o deformazioni durante la brasatura.

 

 

Brasatura dolce

 

Per brasatura dolce si intende una giunzione in cui il metallo d'apporto (l’unico che viene portato a fusione) ha temperatura di fusione inferiore a 450 °C.

Per ottenere una buona giunzione mediante brasatura dolce, occorre:

· progettare la giunzione specificamente per la brasatura dolce;

· scegliere la lega brasante dolce adatta per la specifica applicazione;

· scegliere il flusso appropriato per la giunzione;

· pulire o preparare le superfici da unire;

· fornire la quantità di calore ottimale per raggiungere la temperatura e la durata di brasatura richieste;

· se necessario, rimuovere i residui di flusso dopo la giunzione.

 

Rispetto ad altri metodi di giunzione, la brasatura dolce offre molteplici vantaggi:

· occorre una limitata quantità di energia per effettuare la brasatura dolce;

· si può avere un controllo preciso della quantità di lega brasante impiegata;

· sono disponibili molti metodi di riscaldamento;

· possono essere scelte leghe brasanti con differenti campi di fusione per adattarsi a ciascuna applicazione;

· può essere facilmente ed economicamente automatizzata con una limitata spesa di capitale;

· è possibile l'esecuzione in linea di montaggio;

· l’affidabilità delle giunzioni è alta;

· le giunzioni sono facilmente riparate e rilavorate;

· le leghe per brasatura dolce possono essere scelte per operare in ambienti diversi;

· le giunzioni brasate hanno buona conduttività termica ed elettrica.

 

Come metallo d'apporto sono utilizzate le leghe stagno-piombo, con tenore di stagno tra 2% e 70%, la lega stagno-antimonio (Sn95Sb5), che ha elevata resistenza a scorrimento viscoso e a fatica, e le leghe stagno-argento (con stagno da 90% a 97%), che formano giunzioni con resistenza meccanica superiore.

Le leghe di rame hanno buona attitudine alla brasatura dolce: tra rame e stagno avviene facilmente una “reazione metallurgica”, con formazione dei composti intermetallici Cu6Sn5 e Cu3Sn, che permette di realizzare la giunzione.

Affinché la lega brasante venga a diretto contatto con il metallo base, è necessario che questo sia preventivamente pulito, mediante lavaggio acido, sgrassaggio (con solventi o alcalino) o preparazione meccanica con abrasivi.

Il flusso viene aggiunto allo scopo di contrastare l’ossidazione, e l’interazione con l’atmosfera, della superficie: tra i flussi utilizzati si possono citare le soluzioni di acido fosforico e di cloruri (di zinco, ammonio e stagno).

 

 

 

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Fig. 30 Saldatura ad arco con elettrodo di tungesteno (TIG)

Fig. 32 Saldatura ad arco con elettrodo di metallo rivestito

Fig. 31 Saldatura ad arco con elettrodo di metallo (MIG)

Fig. 33 Saldatura per resitenza a punti

Fig. 34 Brasatura degli ottoni