Saldatura a gas CO2: Controllo ideale di corrente e tensione

La saldatura a gas CO2, un tipo di saldatura ad arco di metallo gassoso (GMAW), utilizza un arco elettrico per generare calore, fondendo sia il filo di saldatura (elettrodo) che il metallo di base. La tensione di saldatura, tipicamente compresa tra 15 e 35 volt, funge da fonte di energia primaria, controllando la lunghezza dell'arco e influenzando il profilo del cordone di saldatura.

All'aumentare della tensione di saldatura, la lunghezza dell'arco si allunga, determinando un maggiore apporto di calore e di conseguenza un tasso di fusione del filo più rapido. Questa relazione non è lineare: il tasso di fusione aumenta più rapidamente a tensioni più elevate a causa dell'aumento del riscaldamento resistivo nell'estensione del filo.

La corrente di saldatura, che in genere varia da 50 a 600 ampere a seconda dell'applicazione, è autoregolata nei sistemi a tensione costante. È determinata dall'equilibrio dinamico tra la velocità di alimentazione del filo e il tasso di fusione. Il trainafilo fornisce continuamente filo a una velocità prestabilita, mentre la fonte di alimentazione regola la corrente per mantenere una lunghezza d'arco stabile. Questo equilibrio garantisce una qualità di saldatura e una profondità di penetrazione costanti.

1. Corrente di saldatura

La scelta della corrente di saldatura è un parametro critico per ottenere saldature di alta qualità e dipende da diversi fattori, tra cui lo spessore del metallo di base, la posizione di saldatura, la velocità di avanzamento, la composizione del materiale e la configurazione del giunto.

Per la saldatura ad arco con gas metallici (GMAW) con gas di protezione CO2, è indispensabile mantenere un rapporto sinergico tra corrente di saldatura, tensione d'arco e velocità di avanzamento del filo. Questo equilibrio è fondamentale per ottimizzare la velocità di fusione dell'elettrodo e garantire una stabilità costante della lunghezza d'arco durante il processo di saldatura.

Per un determinato filo di saldatura, l'aumento delle dimensioni del cavo comporta una maggiore velocità di alimentazione del filo.

Analogamente, quando la corrente rimane costante, l'utilizzo di un filo di saldatura più sottile comporta una maggiore velocità di alimentazione del filo.

2. Tensione di saldatura

La tensione di saldatura, nota anche come tensione d'arco, è un parametro critico che regola l'energia immessa nel processo di saldatura. Svolge un ruolo fondamentale nel determinare le caratteristiche del cordone di saldatura e la qualità complessiva della saldatura.

La tensione dell'arco influisce direttamente sulla lunghezza e sulla larghezza dell'arco, influenzando la distribuzione del calore nel bagno di saldatura. Una tensione d'arco più elevata determina:

1. Aumento dell'energia di saldatura
2. Maggiore velocità di fusione del filo di saldatura
3. Elevata corrente di saldatura
4. Profilo del cordone di saldatura più ampio e piatto

La tensione d'arco effettiva può essere calcolata sottraendo la caduta di tensione nel circuito di saldatura dalla tensione di uscita della sorgente di alimentazione. Questa relazione è espressa dalla seguente equazione:

U_arco = U_uscita - U_perdita

Dove:
U_arco = Tensione d'arco (V)
U_uscita = Tensione di uscita della fonte di alimentazione (V)
U_perdita = Perdita di tensione nel circuito di saldatura (V)

In un impianto di saldatura correttamente installato e conforme ai requisiti di installazione standard, la fonte principale di perdita di tensione è generalmente attribuita all'estensione dei cavi. Questa perdita è dovuta alla resistenza elettrica dei cavi estesi.

Quando i cavi di saldatura devono essere allungati per raggiungere pezzi lontani, è essenziale compensare la caduta di tensione. La tensione di uscita della saldatrice deve essere regolata in base alle seguenti linee guida:

È importante notare che una lunghezza eccessiva del cavo può causare significative cadute di tensione, compromettendo potenzialmente la qualità della saldatura. Pertanto, si raccomanda di utilizzare la lunghezza del cavo più corta possibile e di aumentare l'area della sezione trasversale del cavo per le applicazioni a lunga distanza per ridurre al minimo la perdita di tensione.

3. Impostazione della tensione di saldatura

La scelta della tensione di saldatura appropriata è fondamentale per ottenere una qualità e un'efficienza di saldatura ottimali. La tensione viene determinata in base alla corrente di saldatura, che a sua volta dipende da fattori quali lo spessore della piastra, la configurazione del giunto e la posizione di saldatura. Per calcolare il range di tensione di saldatura consigliato, utilizzare le formule seguenti:

• Per correnti < 300A: Tensione di saldatura = (0,05 × corrente di saldatura + 14 ± 2) V
• Per correnti ≥ 300A: Tensione di saldatura = (0,05 × corrente di saldatura + 14 ± 3) V

Esempio 1: corrente di saldatura di 200A (< 300A)
Tensione di saldatura = (0,05 × 200 + 14 ± 2) V
= (10 + 14 ± 2) V
= 24 ± 2 V
Intervallo di tensione consigliato: 22 - 26 V

Esempio 2: corrente di saldatura di 400A (≥ 300A)
Tensione di saldatura = (0,05 × 400 + 14 ± 3) V
= (20 + 14 ± 3) V
= 34 ± 3 V
Intervallo di tensione consigliato: 31 - 37 V

Nota: questi calcoli forniscono un punto di partenza per le impostazioni della tensione. Potrebbe essere necessaria una regolazione precisa in base alle condizioni di saldatura specifiche, alle proprietà del materiale e alle caratteristiche di saldatura desiderate. Consultare sempre le specifiche della procedura di saldatura (WPS) ed eseguire saldature di prova per garantire risultati ottimali.

4. Influenza della tensione di saldatura sull'effetto di saldatura

La tensione di saldatura ha un impatto significativo sulle caratteristiche dell'arco e sulla geometria del cordone di saldatura, influenzando direttamente la qualità complessiva della saldatura. La selezione ottimale della tensione è fondamentale per ottenere le proprietà di saldatura desiderate e ridurre al minimo i difetti.

Quando la tensione è eccessivamente alta:

• La lunghezza dell'arco aumenta, con un conseguente apporto di calore meno mirato.
• Vengono prodotte particelle di spruzzi più grandi, aumentando il rischio di porosità nella saldatura.
• Il cordone di saldatura diventa più largo ma meno profondo, con una profondità di penetrazione ridotta
• L'altezza del rinforzo (altezza in eccesso) diminuisce, compromettendo potenzialmente la resistenza del giunto.
• La stabilità dell'arco può diminuire, producendo il caratteristico suono "patter! patter!".

Al contrario, quando la tensione è troppo bassa:

• L'arco diventa instabile, con conseguente aumento degli schizzi, poiché il filo di saldatura va spesso in cortocircuito con il metallo di base.
• Il cordone di saldatura si restringe, causando potenzialmente una mancata fusione ai bordi del giunto
• Sia la profondità di penetrazione che l'altezza dell'armatura aumentano, il che può causare un'armatura eccessiva e una potenziale concentrazione di tensioni.
• L'instabilità dell'arco si manifesta con il caratteristico suono "bang! bang! bang!", che indica frequenti cortocircuiti.

Le impostazioni ottimali della tensione dipendono da fattori quali il processo di saldatura (ad esempio, GMAW, FCAW), la velocità di avanzamento del filo, lo spessore del materiale e la configurazione del giunto. I moderni generatori di corrente di saldatura sono spesso dotati di controllo sinergico, che regola automaticamente la tensione in base ad altri parametri per mantenere le caratteristiche ottimali dell'arco.

Una corretta selezione della tensione, insieme ad altri parametri di saldatura, è essenziale per ottenere saldature di alta qualità con difetti minimi, fusione ottimale e proprietà meccaniche desiderate.