5 modi in cui si formano i gas Porosità nelle saldature
La porosità della saldatura si forma quando le bolle di gas rimangono nel metallo fuso durante la solidificazione. L'ingresso di aria nella zona di protezione, la contaminazione da idrogeno, i vapori di rivestimento, le reazioni chimiche e l'instabilità del bagno di fusione o del foro di penetrazione possono contribuire al problema. Per individuarne la causa, è necessario risalire sia alla fonte del gas sia a ciò che ne ha impedito la fuoriuscita, quindi confrontare saldature equivalenti utilizzando il metodo di ispezione richiesto.
Come il gas diventa un poro
La porosità è una cavità gassosa nel metallo di saldatura solidificato. Può essere interna, aperta verso la superficie, dispersa, raggruppata o allungata. La sola presenza di una fonte di gas non garantisce la formazione di un poro: una bolla che raggiunge una superficie libera può fuoriuscire prima che il metallo si solidifichi intorno ad essa.
Il gas si dissolve nel liquido, si sviluppa attraverso una reazione o rimane isolato all'interno della pozza.
Il flusso del liquido e la spinta di galleggiamento influenzano il suo percorso verso una superficie libera.
Il fronte di solidificazione in avanzamento si chiude attorno al gas che non è riuscito a fuoriuscire.
I cinque percorsi descritti di seguito si sovrappongono. Ad esempio, una perdita nella protezione può introdurre umidità, quest'ultima può fornire idrogeno e il movimento del bagno di fusione può determinare se la bolla risultante rimane all'interno della saldatura. Considerateli come percorsi di indagine piuttosto che come cinque diagnosi che si escludono a vicenda.
Innanzitutto, accertatevi della discontinuità. Una macchia scura su una radiografia o un foro all'estremità della saldatura possono essere indice di un'inclusione, di una mancata fusione o di un ritiro. In particolare, un condotto crateriforme può formarsi a causa del ritiro da solidificazione e può coesistere con porosità gassose.
1. L'aria entra in uno schermo di gas incompleto
Una perdita, una corrente d'aria o un flusso di gas interrotto possono permettere all'atmosfera di raggiungere il metallo di saldatura incandescente. A questo punto, azoto, ossigeno e umidità diventano elementi da analizzare. Una lettura del flusso sul cilindro non dimostra che il bagno di fusione sia completamente coperto.
TWI identifica perdite nelle condotte del gas, correnti d'aria e flussi eccessivi come cause comuni di porosità. Una quantità insufficiente di gas non garantisce una copertura adeguata; un flusso eccessivo può creare turbolenza che aspira aria nel flusso. Non esiste una singola portata adatta a ogni tipo di gas, ugello, posizione della torcia e processo.
Tracciare il percorso di erogazione del gas dalla fonte di alimentazione identificata, attraverso il regolatore, i tubi flessibili, i raccordi, la valvola e la torcia. Ispezionare le condizioni dell'ugello o della coppa, eventuali ostruzioni, la distanza e l'angolazione della torcia e il flusso d'aria in corrispondenza del giunto. Verificare l'erogazione utilizzando il metodo del produttore dell'apparecchiatura e la specifica della procedura di saldatura (WPS).
Nella saldatura TIG, anche l'assemblaggio della torcia e la fasatura del gas sono importanti. Miller spiega come le linee del gas lunghe possano generare un picco iniziale che compromette la copertura. Una lettura a regime costante, se corretta, potrebbe non rilevare un problema limitato alla prima parte della saldatura.
Un utile paragone: se la porosità è comparsa dopo aver spostato la postazione di lavoro o aver cambiato un ugello, ripristinare la configurazione verificata e ripetere lo stesso campione prima di modificare il calore o la velocità di avanzamento.
1 Direzione di avanzamento · 2 Tubo di contatto · 3 Filo dell'elettrodo · 4 Gas di protezione · 5 Metallo di saldatura fuso · 6 Metallo di saldatura solidificato · 7 Pezzo in lavorazione
Abbinare il controllo al processo. I processi TIG e MIG/MAG dipendono da un gas di protezione esterno. La saldatura ad arco con elettrodo rivestito e la saldatura a filo animato autoprotetta si basano sui loro sistemi di protezione a consumo; una correzione del flusso in bombola non si applica a questi processi. La saldatura a filo animato con protezione gassosa richiede sia le corrette condizioni del filo che una fornitura di gas esterna. Anche la scelta del gas per la saldatura laser dipende dal materiale; vedere la sezione "Selezione del gas di protezione per la saldatura laser".
2. L'umidità e gli idrocarburi forniscono idrogeno
Acqua, olio, grasso e altri contaminanti contenenti idrogeno possono immettere idrogeno nel bagno di saldatura. Le possibili fonti includono il pezzo in lavorazione, il materiale d'apporto, gli elettrodi o il flusso, la manipolazione e l'umidità nel sistema del gas. La questione fondamentale è dove sia entrata la contaminazione.
L'alluminio è particolarmente sensibile perché l'idrogeno è molto più solubile nell'alluminio liquido che nel metallo solido. Quando il bagno di fusione si solidifica, l'idrogeno può separarsi dalla soluzione e formare bolle. Le linee guida di TWI sull'alluminio identificano l'ossido superficiale idrato, la contaminazione da materiale di riempimento, l'umidità atmosferica e le condotte del gas come fonti importanti. Anche il materiale fuso o sinterizzato può contenere idrogeno derivante dal processo di produzione, pertanto una pulizia superficiale ripetuta potrebbe non risolvere tutti i casi.
Rivedere la sequenza di preparazione e conservazione. Sgrassaggio, rimozione degli ossidi dove necessario, utensili dedicati puliti, materiali di consumo asciutti e protezione dalla ricontaminazione agiscono in sinergia. Pulire prima di assemblare un giunto che potrebbe intrappolare il detergente e attendere il completamento del processo di pulizia approvato prima della saldatura.
Un utile confronto: preparare campioni identici con materiale pulito documentato e materiale d'apporto correttamente conservato. Mantenere invariati il giunto, la protezione e il programma della macchina. Se i pori persistono, esaminare il sistema del gas e la storia del materiale anziché lucidare ripetutamente la superficie di saldatura.
Negli acciai sensibili, l'idrogeno solleva anche preoccupazioni in merito alla formazione di cricche. La fessurazione indotta dall'idrogeno dipende dal materiale, dal ciclo termico e dal vincolo. L'assenza di pori visibili non garantisce un adeguato controllo dell'idrogeno. Attenersi scrupolosamente alle procedure di stoccaggio dei materiali di consumo e alle specifiche WPS; non esiste una temperatura universale per la riessiccazione o il preriscaldamento degli elettrodi.
3. Residui e rivestimenti rilasciano gas o vapori
Vernici, primer, oli, sigillanti e materiali intrappolati tra le superfici di giunzione possono rilasciare gas quando riscaldati. I rivestimenti metallici volatili introducono un ulteriore meccanismo: lo zinco può vaporizzare prima che l'acciaio sottostante si fonda.
In una giunzione a sovrapposizione zincata e serrata, lo zinco presente all'interfaccia nascosta necessita di una via di fuga. Il vapore che attraversa forzatamente il bagno di saldatura può disturbare il metallo fuso, produrre schizzi o lasciare cavità. Il lavoro di TWI sull'acciaio zincato per autoveicoli spiega perché la posizione del rivestimento, la disposizione della giunzione e la fuoriuscita del vapore siano importanti. Una superficie esterna pulita non garantisce che la sovrapposizione sia pulita o adeguatamente ventilata.
Identificare il rivestimento e il suo spessore, esaminare il punto in cui interseca la saldatura e registrare l'accoppiamento. Una soluzione può prevedere la rimozione del rivestimento, un controllo della spaziatura del giunto, un elemento di sfiato o un processo sviluppato per quel rivestimento. Ciascuna modifica non riguarda solo lo sfiato dei gas: anche la distanza e la preparazione influiscono sulla fusione e sulla protezione dalla corrosione. Per considerazioni più ampie sulla progettazione del giunto, consultare la guida alla saldatura laser dell'acciaio zincato .
Un utile confronto: confrontare il giunto originale con una preparazione o una modifica di ventilazione approvata, mantenendo inalterate le altre condizioni. Verificare la penetrazione e i pori interni, nonché l'aspetto della superficie. Un'intercapedine fissa o una larghezza di rettifica derivante da un altro lavoro non costituiscono una soluzione valida in questo caso.
Scegliere congiuntamente i sistemi di pulizia e di controllo dei fumi. Identificare il rivestimento e il detergente consultando le relative schede di sicurezza. Tenere i residui e i vapori di solventi clorurati lontani dal calore della saldatura e dalle radiazioni dell'arco, che possono generare prodotti di decomposizione tossici. Anche la rimozione del rivestimento e la saldatura richiedono adeguati sistemi di controllo dei fumi; il CCOHS illustra i rischi relativi a fumi e gas.
4. Le reazioni del bagno di saldatura generano gas
Il gas può formarsi attraverso una reazione chimica all'interno del bagno di fusione. Nella saldatura dell'acciaio, il carbonio può reagire con l'ossigeno producendo monossido di carbonio (CO). Se il gas non riesce a fuoriuscire prima della solidificazione, può lasciare dei pori.
[C] + [O] → CO(g)
Una reazione semplificata: le parentesi quadre rappresentano il carbonio e l'ossigeno disciolti nel metallo, e "g" indica il gas. Mostra un meccanismo, non una formula per prevedere il volume dei pori.
I disossidanti come il manganese e il silicio possono combinarsi con l'ossigeno, riducendo la quantità di ossigeno disponibile per questa reazione. Le linee guida ESAB per la saldatura MIG dell'acciaio illustrano questo ruolo. La combinazione rilevante comprende il metallo base, la composizione del materiale d'apporto, le condizioni della superficie e il gas di protezione.
Ciò non significa che un gas di protezione contenente CO₂ sia sempre inadatto. Tale gas può essere utilizzato in un'appropriata procedura MAG per acciaio con un materiale d'apporto compatibile. La discussione di Eagar sull'integrazione della termochimica dimostra perché la chimica della protezione e quella del deossidante debbano essere considerate congiuntamente.
Un utile confronto: se il problema si verifica in seguito a un cambio di colata del materiale, di lotto di filo o di gas, conservare i certificati e i campioni. Verificare la combinazione approvata e confrontarla con l'ultimo lotto accettabile prima di apportare modifiche sostanziali ai parametri. Non sostituire il filo con uno più deossidato senza aver prima verificato le proprietà di saldatura richieste.
5. Il movimento della piscina o il collasso del buco della serratura intrappolano le bolle
Una bolla può persistere anche quando la sua fonte originaria si è ridotta. Il flusso del liquido, il trasferimento instabile delle goccioline e la velocità di solidificazione influenzano la possibilità che il gas raggiunga una superficie libera. Variare il calore o la velocità può alterare sia l'assorbimento che la fuoriuscita del gas, quindi la direzione di una regolazione utile non è universale.
Nella saldatura ad arco con filo continuo, verificare che l'alimentazione e il trasferimento del metallo siano stabili. Annotare eventuali disturbi, la distanza della torcia, l'aderenza del giunto e la posizione dei pori. Ripristinare una configurazione stabile nota è più utile per un primo confronto rispetto alla modifica simultanea di diverse impostazioni.
La saldatura laser a penetrazione profonda crea un "buco della serratura" : una cavità riempita di vapore che si mantiene sotto il raggio. Un restringimento o un collasso locale possono separare una bolla da questa cavità. La bolla può fuoriuscire o rientrare nel buco della serratura; diventa un poro solo se il metallo in fase di solidificazione la intrappola.
La diagnosi laser comprende quindi la penetrazione effettiva, la potenza, la velocità di avanzamento, la messa a fuoco, la forma o l'oscillazione del fascio, l'allineamento e la schermatura. Una superficie pulita da sola non è sufficiente a garantire la stabilità del foro di penetrazione. Registrare queste condizioni insieme alla profondità e alla posizione del poro.
Cosa rivela effettivamente uno studio sulla saldatura interna
Pang e colleghi hanno studiato la saldatura laser a fibra di acciaio inossidabile 304 di 3 mm . La loro Figura 2 confronta radiografie e sezioni longitudinali a diverse potenze di assistenza ultrasonica. Le condizioni di saldatura erano: potenza laser di 2,000 W, velocità di avanzamento di 1.2 m/min, defocus di +3 mm e protezione con azoto a 20 L/min.
Visualizza la figura ingrandita
Scorri orizzontalmente e verticalmente per esaminare i pori e le barre di scala.
In questo confronto, 750 W di assistenza ultrasonica hanno prodotto un numero inferiore di pori rispetto a 1,000 W. La lezione è che un maggiore input non ha prodotto un risultato costantemente migliore, e l'esame interno ha rivelato la differenza. Queste impostazioni appartengono a quella configurazione sperimentale; non sono una ricetta per un laser, una testina portatile o un giunto diversi.
La scelta dell'azoto nello studio è specifica per il materiale e il processo. Prima di considerare un cambio di gas come una soluzione generale al problema della porosità, si veda il confronto tra azoto e argon nella saldatura laser .
Utilizza la struttura dei pori per scegliere il prossimo controllo
Forma e posizione aiutano a restringere il campo delle indagini, ma da sole non bastano a identificare il gas. È necessario combinare queste informazioni con i cambiamenti intervenuti nella produzione e con le evidenze provenienti dalla parte interessata.
| Evidenza osservata | Cosa può suggerire | Verificare prima di concludere |
|---|---|---|
| Pori sparsi o che si aprono in superficie dopo una modifica della configurazione | Una variazione della copertura di gas o della contaminazione. | Alimentazione del gas, condizioni dell'ugello, correnti d'aria, preparazione e prima saldatura interessata. |
| Pori interni fini nell'alluminio | Un percorso che coinvolge l'idrogeno disciolto è plausibile. | Ossido idrato, materiale di riempimento, condensa, umidità della condotta del gas e storia del materiale; la sola forma non è sufficiente per individuare la fonte. |
| Pori allungati o un gruppo in una sovrapposizione | Emissione continua di gas o condizione di intrappolamento locale. | Rivestimenti nascosti, residui e geometria del giunto; verificare la cavità rispetto all'interfaccia. |
| Pori laser vicino alla radice o alla linea mediana | Potrebbe essere coinvolto un comportamento di tipo "buco della serratura" o "pool". | Penetrazione, assemblaggio e stabilità del processo, unitamente a controlli del gas e del rivestimento. |
| Una cavità alla terminazione della saldatura | Intrappolamento di gas, restringimento o più di un'imperfezione. | Sezionare o esaminare la terminazione secondo necessità; rivedere il comportamento di riempimento e arresto prima di definirla porosità. |
Scorri lateralmente per leggere tutte le colonne sugli schermi piccoli. Si tratta di spunti di indagine, non di limiti di accettazione o di una diagnosi classificata.
Costruire un confronto controllato
- Mantenere un punto di riferimento. Conservare il pezzo difettoso o il campione e annotare il materiale, lo spessore, il tipo di giunzione, il rivestimento, il materiale di riempimento, il gas e le impostazioni effettive della macchina. Segnare la posizione dei pori e l'ora in cui si è verificato il problema.
- Scegli il cambiamento che gode del maggior sostegno. Utilizzando le prove sopra riportate, selezionare una fonte o una condizione di processo. Ove possibile, ripristinare una configurazione nota e accettabile e mantenere costanti le restanti condizioni.
- Confrontare prove equivalenti. Ispezionare una saldatura di lunghezza, posizione e sezione comparabili utilizzando lo stesso metodo. Verificare la fusione, la penetrazione e le altre proprietà richieste, nonché la porosità. Ripetere l'operazione un numero sufficiente di volte per garantire la coerenza in conformità con il piano di qualità della produzione.
Ad esempio, se la porosità è stata rilevata inizialmente con un determinato lotto di materiale di riempimento, un confronto con il lotto precedente considerato accettabile permette di verificare tale osservazione. Modificare contemporaneamente il materiale di riempimento, il gas e la velocità di avanzamento non consentirebbe di individuare la causa di qualsiasi miglioramento. Questo è un confronto proposto a scopo di risoluzione dei problemi, non un risultato di produzione effettivo.
Verificare la saldatura e la riparazione in base ai requisiti previsti.
Una superficie liscia non esclude la presenza di pori interni. L'ispezione visiva permette di individuare le imperfezioni superficiali; la radiografia spesso aiuta a rivelare la porosità volumetrica. Le dimensioni dei pori, lo spessore e la geometria influenzano la rilevabilità. I test a ultrasuoni, la tomografia computerizzata o la sezione trasversale possono essere adatti a particolari compiti di esame o sviluppo, ma non sono metodi intercambiabili.
Distinguere la denominazione di un'imperfezione dalla sua accettazione. La norma ISO 6520-1 fornisce un quadro di classificazione. La norma ISO 5817:2023 riguarda i livelli di qualità per materiali saldati per fusione specificati ed esclude la saldatura a fascio. La norma ISO 13919-1:2019 si riferisce alla saldatura a fascio di elettroni e laser di acciaio, nichel, titanio e relative leghe. La specifica di prodotto applicabile, il livello di qualità selezionato e i requisiti di esame determinano il lavoro effettivo.
La saldatura di un poro non è prova di riparazione. Laddove la porosità sia un difetto inaccettabile, una riparazione concordata prevede normalmente la rimozione del metallo di saldatura interessato, la correzione della causa, la ri-preparazione, la risaldatura e un nuovo esame. Le linee guida di riparazione di TWI distinguono tra la rimozione locale e la porosità diffusa, che può richiedere la rimozione dell'intera saldatura.
Se l'indicazione potrebbe essere una crepa o una mancanza di fusione, oppure se il requisito di accettazione non è noto, è necessario chiarire tale questione prima di rilasciare il pezzo. Un campione di prova con un numero ridotto di fori visibili non garantisce che la saldatura di produzione soddisfi i requisiti.
Discutete con Oceanplayer Laser un problema di porosità nella saldatura laser. Fornite informazioni su grado e spessore del materiale di base, giunto e rivestimento, materiale d'apporto, gas e ugello, impostazioni di potenza, velocità e messa a fuoco, data di insorgenza del problema, fotografie e risultati di eventuali ispezioni interne. Includete i criteri di saldatura richiesti in modo che un confronto con un campione sia pertinente al pezzo reale.
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