Saldatura: meccanismo, design congiunto e applicazioni

Dopo aver letto questo articolo imparerai a conoscere: - 1. Meccanismo di saldatura 2. Saldature 3. Flussi utilizzati 4. Progettazione congiunta 5. Applicazioni.

La saldatura è un processo di unione di materiali riscaldandoli a una temperatura adeguata e utilizzando un materiale di apporto, chiamato lega di saldatura, avente un liquido non superiore a 450 ° C e inferiore al solido del materiale di base. Il metallo di apporto fluisce tra le superfici di accoppiamento per azione capillare per formare il giunto. La saldatura è normalmente una lega non ferrosa.

La forza di un'articolazione saldata è essenzialmente dovuta alla formazione di un legame metallico anche se l'adesione e l'attacco meccanico giocano anche le loro parti. Il saldante agisce non fondendo il metallo base ma dissolvendo una piccola quantità di esso per formare uno strato di composto intermetallico. Una volta che il giunto di saldatura è interessato, tiene insieme le parti con le stesse forze attrattive tra gli atomi adiacenti come nel caso di qualsiasi metallo solido.

Meccanismo di saldatura :

Il processo di saldatura comporta tre fattori strettamente correlati, vale a dire:

(i) Bagnare,

(ii) Alloire e diffusione, e

(iii) Azione capillare e riempimento del giunto.

(i) Bagnatura:

È la proprietà di un liquido con cui si diffonde su una superficie solida. Nella saldatura è essenziale che il fondente o il saldante si diffondano sulle superfici di base unite. Se una lega di saldatura non bagna una superficie, può essere facilmente eliminata lasciando poca o nessuna saldatura aderente al metallo di base. La lega per saldatura che si allarga e bagna il metallo base produrrà una giunzione sana tra le due superfici e può essere rimossa solo raschiando o limando.

La condizione per un liquido da bagnare completamente una superficie solida è che l'angolo di contatto o l'angolo di bagnatura, mostrato in Fig. 17.1, dovrebbe essere zero. I liquidi che non bagnano la superficie formano un ampio angolo di bagnatura come mostrato in Fig. 17.2.

L'angolo di bagnatura è, quindi, una misura di quanto bene il saldatore fuso bagnerà il metallo ed è il singolo fattore più importante nel giudicare visivamente l'efficacia del processo di saldatura e la capacità di saldatura del metallo di base. La bagnatura è essenzialmente una reazione chimica che si verifica quando uno o più elementi della lega di saldatura reagiscono con il metallo di base che viene saldato per formare un composto. Il calore è fornito per facilitare la bagnatura.

Generalmente le saldature a liquido non bagnano le superfici pulite di metallo solido. Ad esempio, le saldature piombo-stagno hanno un angolo di contatto compreso tra 25 ° e 70 ° con superfici in acciaio, a seconda della composizione della lega per saldatura. Tuttavia, lo stagno è in grado di legarsi con il ferro e nel caso in cui sulla superficie di acciaio si formi un film di stagno per alligazione, la lega di stagno e piombo la bagnerà. In generale, una lega per brasatura bagnerà una superficie metallica a condizione che formi un composto intermetallico con il solido o il metallo solido che può portare la lega di saldatura in soluzione.

Il bagnamento è inibito dagli strati di ossido ed è per questo che è necessario rimuovere tali strati per una saldatura di successo. Una buona bagnatura è una proprietà desiderabile in una lega per saldatura per far fluire uniformemente, rapidamente e continuamente il flusso di saldatura verso l'apertura del giunto.

Tuttavia, la bagnatura non è un requisito assolutamente essenziale per la formazione di un legame, il che è evidenziato dal fatto che l'acciaio non viene bagnato dal piombo, ma se il piombo fuso viene lasciato solidificare a contatto con una superficie di acciaio pulita senza ossido, questo risulta in un giunto saldato fortemente legato.

(ii) Alloying and Spreading:

La capacità di una saldatura di legare con il metallo di base è legata alla sua capacità di bagnare la superficie. Alloying è legato alla pulizia del metallo di base. Deve esserci un contatto intimo tra la saldatura e il metallo di base per la lega che si verifica all'interfaccia e ciò si ottiene pulendo e utilizzando un flusso per rimuovere la pellicola di ossido dalla superficie del / i metallo / i di base da unire.

Allo stesso modo anche lo spargimento aiuta a diffondersi perché se il liquido di saldatura si dissolve nel solido può diffondersi al di sotto dello strato di ossido e staccarlo, guidando così il flusso di saldatura fusa su tutta la superficie. La caratteristica e il grado di diffusione dipendono dalla natura del metallo base, dalla temperatura, dalla presenza o dall'assenza di flusso, dalla rugosità della superficie metallica e dal suo grado di ossidazione.

In alcuni casi, come le saldature a stagno e piombo risparmiando meno del 30% di stagno, le condizioni di equilibrio si stabiliscono rapidamente con una diffusione molto ridotta. Con leghe di stagno più alte, tuttavia, lo spread iniziale è seguito da uno spread secondario che avviene per un periodo di tempo sostanziale. La massima diffusione delle saldature a stagno e piombo avviene con leghe prossime alla temperatura eutettica e nella saldatura pratica tali leghe hanno le migliori caratteristiche di flusso.

La struttura metallica di base con canali di interconnessione aiuta a diffondere la saldatura per azione capillare. La diffusione laterale da tali canali aiuta nella rapida diffusione del liquido alla rinfusa a causa della formazione del legame di diffusione.

(iii) Azione capillare e riempimento congiunto :

Il modo in cui una lega di saldatura riempie lo spazio tra le due superfici di accoppiamento influenza la capacità di riempimento comune e il grado di riempimento delle imperfezioni superficiali. La fluidità della lega per saldatura deve essere tale da poter fluire negli spazi stretti mediante azione capillare. A parità di condizioni, il saldante fuso fluirà a una distanza maggiore, ma a una velocità di flusso inferiore man mano che la separazione delle superfici si riduce.

I principali fattori che influenzano l'efficacia del riempimento delle giunture comprendono l'angolo di bagnatura tra la lega di saldatura e il metallo di base, la distanza tra le due superfici da unire, la velocità di riscaldamento e la sua uniformità, la temperatura, la natura della saldatura usata e l'uso del flusso.

Il gioco per i metalli leggeri come l'alluminio e il magnesio è considerevolmente maggiore (0, 125 - 0, 625 mm) rispetto alle leghe di rame (0, 05 - 0, 40 mm). Laddove l'intersolubilità del metallo di saldatura e dei metalli parentali è un problema, piccole distanze possono portare a contaminazione eccessiva, aumento del punto di fusione e solidificazione prematura. Tale condizione può essere rettificata in larga misura da tassi di riscaldamento più rapidi.

Il riscaldamento irregolare porta a un riempimento irregolare dello spazio che porta a giunti di scarsa qualità. I giunti diritti sono difficili da riscaldare in modo uniforme, per questo motivo sono preferibili i giunti curvilinei, ove possibile.

La composizione delle saldature e la natura del flusso utilizzato influenzano notevolmente la capacità di riempimento e la qualità del giunto saldato.

saldature:

Generalmente le saldature utilizzate nell'industria sono del sistema stagno-piombo. La maggior parte dei metalli possono essere uniti da queste saldature e hanno una buona resistenza alla corrosione per la maggior parte dei media. A seconda della compatibilità del metallo base, i flussi di tutti i tipi possono essere utilizzati con queste saldature. Mentre ci si riferisce a loro è consuetudine riferirsi prima al contenuto di stagno, quindi la lega per saldatura 60/40 è il 60% di stagno e il 40% di piombo. I punti di fusione e il comportamento di solidificazione delle saldature a stagno possono essere meglio rappresentati dal loro diagramma di fase mostrato in Fig. 17.3 A.

Fig. 17.3A Schema di equilibrio metallurgico per il sistema stagno-piombo

Il numero ASTM, la composizione nominale, il range di fusione e le applicazioni tipiche di diverse saldature a stagno sono riassunte nella tabella 17.1. La scelta della lega di saldatura si basa sulla sua capacità di bagnare la superficie del metallo (i) che viene unito e per economia deve essere utilizzato il grado contenente la quantità minima di stagno che fornisce caratteristiche di bagnatura e riempimento adeguate.

Oltre alle popolari saldature a stagno, altre saldature sono anche impiegate per ottenere le proprietà desiderate per applicazioni specifiche. Alcuni di questi sistemi includono stagno-antimonio, stagno-antimonio-piombo, stagno-argento, stagno-piombo-argento, stagno-zinco, cadmio-argento, cadmio-zinco, zinco-alluminio, indio e le saldature contenenti bismuto noti più popolarmente come "leghe fusibili".

La composizione, i punti di fusione e di congelamento e gli usi specifici delle saldature importanti in questi sistemi sono registrati nella tabella 17.2 e possono essere utilizzati come linee guida generali.

Flussanti utilizzati in Saldatura:

Un flusso di saldatura può essere un prodotto liquido, solido o gassoso che, quando riscaldato, è in grado di promuovere la bagnatura dei metalli mediante saldatura. La sua funzione è quella di rimuovere gli ossidi e altri composti superficiali dalle superfici da saldare spostandoli o dissolvendoli. Dovrebbe avere un peso specifico inferiore rispetto alla saldatura in modo che possa essere spostato dalla saldatura nel giunto.

I flussi di saldatura possono essere classificati in quattro gruppi, cioè i flussi inorganici più attivi, i flussi organici moderatamente attivi, i flussi di colofonia meno attivi e i flussi speciali per applicazioni specifiche. La maggior parte di questi flussi sono disponibili sotto forma di filo, liquido, pasta o polvere secca.

1. Flussi inorganici:

Questi flussi sono costituiti da acidi e sali inorganici altamente corrosivi e comportano un'azione di flussaggio rapida e altamente attiva. Possono essere applicati come soluzioni, paste o sali secchi. Possono essere utilizzati per applicazioni di saldatura ad alta temperatura in quanto non bruciano o carbonizzano. Tuttavia, i residui di questi flussi rimangono chimicamente attivi dopo la saldatura e quindi è necessario agire per rimuoverli efficacemente.

I flussi inorganici contenenti sali ammoniacici possono portare a fenomeni di corrosione sotto sforzo nella saldatura dell'ottone. La saldatura dell'acciaio richiede un flusso di cloruro di zinco che lascia residui molto corrosivi. Una soluzione di cloruro di zinco in acido cloridrico utilizzato negli acciai inossidabili per saldatura è ancora più corrosiva. Il residuo di questi fondenti deve essere lavato accuratamente.

2. Flussi organici:

I principali costituenti dei flussi organici sono acidi organici e basi e alcuni dei loro derivati ​​come gli alogenuri di idrogeno. Sono utilizzati nell'intervallo di temperatura da 90 a 320 ° C al di sopra del quale si decompongono per via del calore lasciandosi dietro residui inattivi.

I flussi organici sono utilizzati al meglio in quantità calcolate in modo che possano essere completamente esauriti dalla volatilizzazione, dalla combustione o dalla carbonizzazione in modo da non lasciare elementi attivi. Il flusso non decomposto non deve entrare in contatto con le guaine isolanti e occorre prestare attenzione durante la saldatura in spazi chiusi in modo che i vapori non possano condensarsi sulle parti critiche del gruppo.

3. Flussi di colofonia:

Un flusso di colofonia non corrosivo può essere prodotto dissolvendo colofonia bianco acqua in un solvente organico adatto, ad esempio, acquaragia. La colofonia consiste principalmente di acido abietico che diventa attivo alla temperatura di saldatura da 175 a 315 ° C ma ritorna alla sua forma inerte e non corrosiva durante il raffreddamento.

Pertanto, trova ampio uso nel lavoro radiofonico ed elettronico dove è difficile una pulizia efficace dopo la saldatura. Vari composti organici vengono utilizzati miscelati con colofonia, ad esempio cloridrato di acido glutammico e idrazina bromidrato.

Questi flussi si decompongono a temperature di saldatura lasciando residui duri, non igroscopici, elettricamente non conduttivi e non corrosivi che, se necessario, possono essere facilmente lavati via con acqua. Trovano ampio uso nell'industria elettrica.

Le saldature piombo-stagno più fluide, 50/50 o 60/40, vengono normalmente utilizzate con flusso di colofonia non corrosivo.

I flussi di colofonia leggermente attivati ​​sono preferiti per i prodotti militari, telefonici e altri prodotti elettronici ad alta affidabilità, mentre i flussi di colofonia più attivati ​​trovano ampio impiego nelle applicazioni elettroniche commerciali e importanti in cui è possibile garantire un'accurata pulizia dopo la saldatura.

4. Flussi speciali:

I flussi di reazione utilizzati per la saldatura dell'alluminio agiscono sostituendo il film di ossido depositando un film metallico sulla superficie di lavoro dalla loro decomposizione.

Alcune saldature sono anche disponibili con il flusso contenuto nel suo nucleo. La quantità di flusso nel nucleo può variare da 0-5 a oltre il 3-0%, il 2-2% è il più comune. Sono inoltre disponibili saldature con anima in resina e con anima acida, utilizzate rispettivamente per il lavoro elettrico e la lamiera.

Progettazione congiunta per saldatura:

Le saldature hanno una resistenza relativamente bassa rispetto ai metalli a cui sono tenuti ad aderire. Pertanto, è desiderabile progettare giunture saldate in modo che esse si interbloccino meccanicamente richiedendo che la lega per saldatura funga da agente di tenuta e legante.

I due tipi fondamentali di giunzioni saldate sono il giunto di articolazione e il giunto di testa. La Fig. 17.3B mostra i tipici giunti saldati che includono giunzioni bloccate, cinghie fissate e un giunto a gomito in un tubo. Giuntura di tipo giro dovrebbe essere preferibile quando possibile, dal momento che offre la possibilità di massima resistenza.

I giunti saldati complessi possono essere realizzati mediante saldatura manuale, ma per il processo che impiega il flussaggio automatico, la saldatura e la post-pulizia, i progetti scelti devono essere relativamente semplici e fornire accessibilità al giunto.

L'azione capillare essendo un fattore importante nella saldatura è essenziale per garantire uno spazio ottimale tra le parti da saldare in modo tale che il flusso possa essere trascinato nello spazio intermedio per azione capillare. Pertanto, per la maggior parte dei giunti è preferibile una distanza tra 0 07 e 0-12 mm per ottenere la massima resistenza, ma in alcuni casi specifici come la saldatura di metallo pre-verniciato la distanza minima di 0 025 mm fornisce la resistenza desiderata. Un gioco eccessivo può causare giunzioni saldate antieconomiche.

Applicazioni di saldatura:

Oltre alle applicazioni specifiche dei diversi metodi di saldatura descritti in precedenza, ad esempio, la fusione di nuclei di radiatori per automobili, impianti idraulici, industria elettronica tra cui radio, TV e computer, industria elettrica per unire fili e cavi a capicorda e molti altri.

Si può dire che in generale la saldatura è più comunemente usata per sigillare leggermente le giunture, aggiungere rigidità e migliorare la conduttività elettrica. A volte può essere necessario dipendere dalla sua resistenza a trazione, ma i saldatori sono meglio conosciuti per la loro duttilità piuttosto che per la forza. Tuttavia, se si ottiene un riempimento accurato, è possibile ottenere valori di tenacia sorprendentemente elevati. Inoltre, la saldatura trova anche il suo uso per sigillare giunti fabbricati tenuti insieme da rivetti, saldature a punti o altri mezzi meccanici.