SALDATURA
SALDATURA
(XXX, p. 497; App. II, II, p. 772; App. IV, III, p. 258)
Procedimenti di saldatura. - Rispetto a quelli indicati nella classificazione di App. IV, iii, p. 259 non sono entrati nell'uso industriale nuovi importanti procedimenti di s. dei metalli; tuttavia, in particolare per quanto riguarda i procedimenti di s. per fusione, si può notare il sempre più raro uso della s. ossiacetilenica e lo spostarsi degli impieghi industriali verso procedimenti in cui il ruolo dell'operatore è sempre meno determinante. In effetti, da qualche decennio, mentre da un lato i tecnici hanno puntato sull'innalzamento del livello di preparazione anche teorica del saldatore (si diceva che quest'ultimo doveva saldare "più con la testa e meno con le mani"), dall'altro essi hanno cercato sempre più di svincolarsi dall'abilità di una manodopera certamente assai qualificata, ma che può d'altra parte presentare livelli di prestazioni difficili da controllare.
Ne è seguito un grande sviluppo delle applicazioni dei procedimenti automatici di s. ad arco (come il procedimento ad arco sommerso e quelli a elettrogas e a elettroscoria) e dei procedimenti semiautomatici a filo continuo MIG (Metal Inert Gas) e MAG (Metal Active Gas). Questi ultimi, poi, vengono spesso automatizzati unitamente al procedimento di s. manuale TIG (Tungsten Inert Gas); analoga sorte, nel caso delle costruzioni di grande serie, per i procedimenti di s. a resistenza (a punti, a rulli, ecc.). Inoltre alcuni dei suddetti procedimenti, soprattutto quelli MIG, MAG e a resistenza a punti, sono adatti per la robotizzazione, cioè per essere utilizzati in connessione con robot con diverse configurazioni geometriche a seconda del tipo di costruzione da realizzare (v. robotica, in questa Appendice). A tutt'oggi il saldatore resta, comunque, ancora la migliore soluzione per integrare, in frazioni di secondo, tutte le variazioni dei parametri esecutivi relativi a un giunto da saldare, in modo da eseguirlo correttamente. D'altra parte è su questa strada che il robot procede rapidamente e in più rispetto all'uomo può lavorare senza sentire fatica, in ambienti pericolosi e in condizioni tecniche difficili (si stima che il robot sia oggi in grado di effettuare in modo tecnicamente ed economicamente soddisfacente oltre la metà delle attività di saldatura).
Uno dei principali problemi non ancora completamente risolti per l'applicazione della robotica alla s., è quello della messa a punto di un sistema universale di sensori per il cosiddetto ''inseguimento del giunto'', in modo che la macchina possa adattarsi alle tolleranze di preparazione dei pezzi da saldare, alle imprecisioni di posizionamento degli stessi nello spazio, alle inevitabili deformazioni termiche durante la s. stessa e ai propri errori di programmazione e di ripetibilità. Esistono decine di tipi di sensori per robot, basati su differenti principi, che agiscono in base al contatto con i pezzi (contatto meccanico o elettrico) o senza contatto (induttori, ottici, a misura d'arco, ecc.), ma nessun sensore ha ancora mostrato di essere adatto in tutti o almeno nella maggior parte dei casi pratici. Secondo alcune stime internazionali il numero di robot impiegati nell'industria è passato in Europa, nel quadriennio 1983-86, da circa 10.000 a circa 30.000, e in Italia (terzo paese europeo dopo la Germania e la Francia per il numero di tali macchine installate) da circa 2500 a circa 5000; di essi una buona parte è impiegata in operazioni di s., particolarmente dalle industrie che costruiscono in grandi serie.
Garanzia e controllo della qualità. - La sempre maggiore complessità delle costruzioni saldate e l'utilizzazione della s. per costruzioni sempre più complesse e sofisticate (per es. quelle aerospaziali e nucleari) ha portato oggi all'applicazione, almeno per le costruzioni più importanti, delle più recenti filosofie globali di controllo, che si compendiano nella cosiddetta garanzia (assicurazione) della qualità (quality assurance). Nell'ambito di quest'ultima (che si può definire come il complesso delle azioni sistematiche e pianificate atte a dare adeguata assicurazione che un manufatto, un impianto o un servizio forniscano le prestazioni richieste nelle varie condizioni operative per essi previste), trova quindi posto il cosiddetto controllo della qualità (quality control; v. qualità, in questa Appendice). Nella tabella è riportata una classificazione completa del controllo di qualità delle costruzioni saldate (v. anche App. II, ii, p. 776; IV, iii, p. 260).
Per quanto riguarda i controlli preventivi, nonostante i notevoli progressi dei metodi di controllo diretto non distruttivo, conservano, anzi aumentano, la loro importanza i controlli sulla qualificazione dei saldatori, dei procedimenti di s. e dei materiali base e di apporto. I suddetti controlli vengono effettuati da vari anni sulla base di norme, o regolamenti, nazionali o internazionali; sono state inoltre recentemente messe a punto norme europee CEN (Comité Européen de Normalisation) valide in tutti i paesi CEE ed EFTA (European Free Trade Association, che comprende 18 paesi, tra cui i 12 della CEE). La verifica e la certificazione delle suddette qualificazioni dev'essere in genere effettuata da un organismo indipendente accreditato a livello nazionale, come, nel nostro paese, l'Istituto italiano della saldatura, costituito in Ente morale, con sede a Genova.
Per quanto riguarda i controlli non distruttivi, oltre ai metodi già citati (esame radiografico, Radiographic Testing; esame magnetoscopico, Magnetic Powder Testing: v. App. II, ii, p. 776; esame ultrasonoro, Ultrasonic Testing: v. App. IV, iii, p. 260), possono essere attualmente menzionati l'esame mediante liquidi penetranti (molto applicato) e quello mediante correnti indotte; viene inoltre utilizzato anche l'esame mediante rivelazione di fughe e, sia pure a livello in parte ancora sperimentale, quello mediante emissione acustica (v. anche prove non distruttive, in questa Appendice).
L'esame con liquidi penetranti (Penetrant Testing, dye-check), i cui principi sono noti da decenni, ha prestazioni paragonabili a quello magnetoscopico e viene in particolare effettuato su materiali metallici non ferromagnetici e su materiali non metallici, ai quali l'esame magnetoscopico non è applicabile. Esso consiste nel bagnare la superficie da controllare con un liquido colorato (rosso) o fluorescente, con bassa tensione superficiale, bassa volatilità e bassa viscosità, che penetra per capillarità in eventuali difetti aperti verso la superficie; dopo alcuni minuti si asporta tale liquido dalla superficie e si cosparge quest'ultima di materiale assorbente (per es. talco in sospensione in un liquido molto volatile) che richiama verso la superficie il liquido penetrato nei difetti, dando luogo a macchie colorate o, per i liquidi fluorescenti (visibili in condizioni di oscuramento), a emissione di luce ultravioletta (luce nera o di Wood).
L'esame con correnti indotte (Eddy Current Testing) è impiegato, spesso con apparecchiature automatiche, per la ricerca di difetti superficiali e subsuperficiali in tubi o barre di materiale metallico ferromagnetico o non magnetico. I pezzi in prova vengono sottoposti a campi magnetici alternati, generati da apposite bobine induttrici. Nascono pertanto delle correnti indotte (correnti di Foucault o di Eddy), che vengono deviate da eventuali discontinuità presenti nel pezzo. Tale deviazione è messa in evidenza da opportune bobine rivelatrici tramite un'apparecchiatura elettronica, che visualizza i risultati su uno schermo a raggi catodici.
L'esame mediante rivelazione di fughe (o prove di tenuta: Leak Testing) è impiegato per determinare se in una s., in un tubo, in un recipiente in pressione, o comunque in una parete o in un corpo cavo che lavora a pressione o a depressione, sono presenti discontinuità, anche minuscole, che possono dar luogo a perdite di liquido o di gas. La sensibilità dell'esame, così come la complessità e la delicatezza delle apparecchiature, può variare notevolmente a seconda del principio fisico utilizzato. Le prove più complesse sono abbastanza costose e devono essere effettuate da operatori particolarmente ben addestrati.
È consuetudine distinguere almeno i seguenti quattro sotto-metodi di prova.
Prova a bolle (Bubble Testing): l'elemento o la sua parte da provare viene posto in modesta pressione o depressione (di aria o più raramente di gas inerte) e cosparso di acqua saponata; oppure l'elemento intero (se di piccole dimensioni) è immerso in un bagno di acqua saponata e sottoposto a leggera pressione; in questo modo eventuali fughe sono rivelate dalla formazione di bolle.
Prova per variazione di pressione (Pressure Variation Testing): l'elemento da provare viene posto in pressione (con aria o, più raramente, con gas inerti) o in depressione. Variazioni di pressione nel tempo, lette con opportuni e precisi manometri, indicano la presenza di fughe e consentono di valutarne l'entità.
Prova con gas traccianti (Diode Halogen Testing): l'elemento da provare è generalmente posto in pressione usando una miscela contenente un gas tracciante (come alogeni o ammoniaca) e aria, oppure un altro gas; successivamente una sonda sensibile, detta spesso ''annusatore'' (sniffer), viene passata sulla superficie dell'elemento per rivelare eventuali fughe.
Prova con spettrometro di massa (Mass Spectrometer Testing): l'elemento da provare è in genere un sistema a vuoto (può anche essere un sistema in pressione, come un componente elettronico o una barra di reattore nucleare che vengono pressurizzati con un gas tracciante e quindi posti in una camera o sotto una campana a vuoto); ad esso si collega lo spettrometro, un'apparecchiatura sensibile e delicata che mette in evidenza particelle elettricamente cariche. Il gas da esaminare viene ionizzato subito dopo il suo ingresso nell'apparecchio e gli ioni ottenuti vengono accelerati e deflessi, in funzione della loro massa, da un campo magnetico. In questo modo è possibile discriminare gli ioni del gas che interessa (per es. elio) in quanto solo questi raggiungono il collettore (anodo), venendo quindi rivelati mediante una debole corrente d'intensità proporzionale al loro numero e perciò alla portata del gas.
L'esame mediante emissione acustica (Acoustic Emission Testing) è impiegato generalmente su grandi o importanti costruzioni come recipienti in pressione, reattori nucleari o ponti, per sorvegliare le prove di carico o il servizio; allo scopo vengono utilizzate delle sonde, simili a quelle del controllo ultrasonoro, che rilevano i microrilasci di energia emessi da inclusioni o cricche interne o superficiali quando la costruzione è sollecitata e si hanno quindi deformazioni plastiche locali, con emissione di onde elastiche; i segnali forniti dalle sonde sono elaborati e interpretati da complessi elaboratori elettronici che consentono la localizzazione del difetto; in tale zona vengono poi effettuati altri tipi di controlli (come quello radiografico o quello ultrasonoro) per studiare il tipo di discontinuità rilevata. Il metodo è costoso e richiede operatori particolarmente addestrati.
Saldatura delle materie plastiche. - Negli ultimi decenni si è sempre più sviluppato l'impiego di materie plastiche in campo industriale. Le ragioni per cui tali materiali stanno in parte sostituendo i metalli, ferrosi e non ferrosi, sono da ricercarsi nel loro minor peso, e, quindi, in una più agevole possibilità di trasporto e messa in opera, nonché in un'elevata resistenza ad alcune condizioni di servizio, come, in particolare, quando sussistono certi rischi di corrosione.
Un'intensa attività di ricerca e sperimentazione ha permesso di realizzare particolari materiali plastici, che possono essere impiegati non solo nella fabbricazione di strutture secondarie, ma anche in strutture portanti nei più svariati campi di applicazione, dal trasporto di fluidi all'edilizia, dall'elettronica alle strutture aerospaziali. Si è così assistito nel campo dell'industria automobilistica, per es., all'iniziale impiego di materie plastiche nella realizzazione degli interni di autovetture, per pannelli e cruscotti; oggi anche numerosi componenti principali, come serbatoi, sono realizzati con questi nuovi materiali. Ampio sviluppo hanno avuto i materiali compositi, rinforzati con fibre, nel campo aeronautico: un aereo di linea dispone di strutture principali e secondarie non metalliche per circa il 30÷40% del suo peso.
Le caratteristiche d'impiego dei materiali plastici dipendono dal tipo di polimero base e dagli additivi utilizzati; è, però, possibile individuare due grandi famiglie: i materiali termoplastici e i materiali termoindurenti. I materiali termoplastici − tra questi sono da ricordare polietilene (PE), cloruro di polivinile (PVC), polipropilene (PP), polistirene, nylon − manifestano un comportamento viscoso alle alte temperature, con evidente rammollimento e aumento della flessibilità. I materiali termoindurenti (per es. le resine epossidiche e poliesteri), invece, non godono di tale proprietà e, per di più, un'eccessiva quantità di calore applicata può danneggiare la resina stessa. Il diverso comportamento all'azione del calore comporta che, mentre le giunzioni di materiali termoplastici possono essere realizzate mediante s., nel caso di materiali termoindurenti il collegamento può essere eseguito solo mediante incollaggio con resine particolari.
La tecnologia dei procedimenti di s. si è andata evolvendo con il progredire dell'impiego delle materie plastiche nell'industria. Sono oggi disponibili procedimenti di tipo sia manuale (per es., la s. con cannello a gas caldo) sia meccanizzato, come il procedimento di s. testa a testa con termoelemento o il procedimento per elettrofusione.
Le prime giunzioni saldate di materiali termoplastici sono state realizzate con il procedimento manuale con cannello a gas caldo (fig. 1): oggi per problemi di affidabilità (è richiesta una particolare abilità oggettiva) ma, soprattutto, di produttività, il suo impiego è limitato alla realizzazione di giunti in posizioni non adatte per l'utilizzo di saldatrici meccanizzate, nonché alla s. in opera di rivestimenti e lastre. La s. testa a testa con termoelemento (fig. 2) viene realizzata eseguendo un ciclo che comprende: a) il riscaldamento dei lembi da collegare mediante una piastra posta a contatto con essi e mantenuta a una temperatura che dipende dal tipo di materiale (per il polietilene essa può oscillare tra 200 e 210°C); b) la rimozione del termoelemento; c) il mantenimento a contatto dei lembi stessi sotto un'adeguata pressione. Esiste anche la giunzione a bicchiere con termoelemento (fig. 3), che non differisce dalla precedente nella successione delle fasi di realizzazione: in questo caso, però, il termoelemento a, posto a contatto del tubo b e del manicotto c, è costituito da una sagoma dotata di bussole maschio/femmina di dimensioni variabili in funzione del diametro degli elementi da assemblare.
Negli ultimi anni si è andata diffondendo la s. di tubazioni per elettrofusione (fig. 4), con l'ausilio di raccordi nei quali è incorporata una resistenza elettrica, costituita da un filo di rame. Un'apposita saldatrice eroga la corrente necessaria per il tempo opportuno a realizzare la corretta fusione del giunto. Il procedimento presenta numerosi vantaggi, che vanno dalla semplicità e rapidità di esecuzione alla non eccessiva qualificazione richiesta al personale addetto; il costo dei raccordi è però non trascurabile.
I procedimenti sopra citati trovano vasto impiego nella realizzazione di giunti in opera, per es. per la distribuzione di gas e acqua, grazie al limitato ingombro e peso delle relative apparecchiature e dei materiali, che ne consentono un agevole spostamento lungo la linea della tubazione. Negli ultimi anni si è assistito alla notevole evoluzione di procedimenti di s. ad alta produttività per la realizzazione in grande serie dei più svariati componenti: sono ancora da ricordare, per es., i procedimenti di s. a ultrasuoni, ad alta frequenza e a frizione.
Nel primo procedimento, il calore necessario è prodotto dalla vibrazione molecolare conseguente all'applicazione nel pezzo di onde ultrasonore longitudinali ad alta frequenza (solitamente da 20 a 40 kHz): la buona qualità del giunto eseguito è legata alla sua corretta progettazione, alle proprietà fisiche del materiale interessato e alla messa a punto dei parametri di saldatura. Nella s. ad alta frequenza, le superfici da unire vengono riscaldate alla temperatura di rammollimento per mezzo di un campo elettrico alternato ad alta frequenza e quindi premute fino al raffreddamento del giunto formatosi; generalmente non s'impiega materiale d'apporto. Il procedimento di s. ad attrito consente il riscaldamento dei lembi da unire, posti a contatto sotto opportuna pressione (80÷150 kPa), mediante l'applicazione di un moto relativo ad alta velocità (1÷20 m/s); si applica poi una pressione di forgiatura (100÷300 kPa), per un periodo che usualmente oscilla tra 2 e 10 secondi.
Contemporaneamente al crescente sviluppo delle tecnologie di s., si è evidenziata la necessità di garantire un adeguato controllo della qualità dei giunti eseguiti. Si effettuano correntemente controlli sulla qualificazione dei saldatori; notevole è poi lo sforzo nella ricerca e sperimentazione di metodi di controllo non distruttivo, con particolare riferimento alle possibilità applicative dei controlli radiografico e ultrasonoro, e di quello mediante rivelazione di fughe.
Bibl.: J.F. Engelberger, I Robot industriali. Gestione e applicazioni pratiche, Bologna 1984; G. Costa, Principali problemi di saldatura e controllo delle costruzioni metalliche, Genova 1985; G. Antonietti, G. Costa, F. Peri, Sviluppi della saldatura delle tubazioni in polietilene PE 50 e delle relative qualificazioni, in Rivista Italiana della Saldatura, 3 (1987), pp. 225-40.