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La saldatura ad arco è un tipo di processo di saldatura per fusione in cui i metalli di base sono fusi applicando calore per formare la coalescenza. Il calore necessario è fornito da un arco elettrico costituito tra i terminali positivi e negativi di un circuito elettrico incorporato con una fonte di energia. Per la saldatura, il metallo di lavoro è fatto un terminale e l’elettrodo è fatto un altro, e così l’arco si costituisce tra loro nel circuito esterno. Poiché gli elettroni fluiscono sempre dal terminale negativo al terminale positivo di qualsiasi circuito esterno, quindi in base al collegamento effettuato, sono possibili due casi:

1. L’elettrodo è collegato al terminale negativo della fonte di alimentazione; mentre, i metalli base sono collegati al terminale positivo.
2. I metalli di base sono collegati con il terminale negativo del generatore, mentre l’elettrodo è collegato con il terminale positivo.

Tuttavia, se il generatore fornisce corrente alternata (AC) allora entrambe le condizioni si verificano una dopo l’altra in ogni ciclo. Fondamentalmente i generatori di saldatura ad arco possono fornire sia corrente continua che corrente alternata. Alcuni generatori moderni contengono anche la possibilità di convertire l’uno dall’altro (integrati con un convertitore AC-DC), quindi questi generatori possono fornire sia corrente alternata che continua. Pertanto, la saldatura ad arco può essere effettuata in una qualsiasi delle seguenti tre polarità; tuttavia, ognuna ha alcuni vantaggi rispetto alle altre, come elaborato nelle sezioni successive.

La polarità indica la direzione del flusso di corrente (in altre parole – elettroni) tra le piastre di base e l’elettrodo nel circuito esterno. Ricorda, la direzione del flusso di corrente è considerata opposta al flusso di elettroni.

• La polarità della corrente diretta si verifica quando l’elettrodo è reso negativo e le piastre di base sono rese positive. Così gli elettroni fluiscono dalla punta dell’elettrodo alle piastre di base.
• Polarità inversa della corrente diretta – si verifica quando l’elettrodo è reso positivo e le piastre di base sono rese negative. Così gli elettroni fluiscono dalle piastre di base all’elettrodo.
• Polarità in corrente alternata – se la fonte di alimentazione fornisce corrente alternata, allora i due casi di cui sopra si verificano uno dopo l’altro in ogni ciclo. In una metà del ciclo, l’elettrodo sarà negativo (quindi le piastre di base saranno positive) e nella metà successiva, l’elettrodo sarà positivo (quindi la piastra di base sarà negativa). Il numero di cicli al secondo dipende dalla frequenza di alimentazione. Per esempio, con un’alimentazione a 60Hz, si verificano 60 cicli ogni secondo.

Polarità positiva dell’elettrodo a corrente diretta (DCEP) nella saldatura ad arco

Con l’alimentazione a corrente continua (DC), quando l’elettrodo è collegato con il terminale positivo e le piastre di base con il terminale negativo, allora si parla di polarità positiva dell’elettrodo a corrente diretta (DCEP) o inversa della corrente diretta (DCRP). Quindi gli elettroni si liberano dalla piastra di base e fluiscono verso l’elettrodo attraverso il circuito esterno. Il flusso continuo di valanghe di elettroni in un piccolo passaggio produce l’arco (fonte di calore).

Gli elettroni, emessi dalle piastre di base (polarità negativa), sono accelerati per la presenza della differenza di potenziale e possono colpire l’elettrodo (polarità positiva) ad una velocità molto elevata. Al momento dell’impatto, l’energia cinetica degli elettroni viene convertita in energia termica, che alla fine risulta in un’elevata generazione di calore nelle vicinanze della punta dell’elettrodo. Come regola generale, si considera che due terzi (66%) dell’intero calore dell’arco sono generati sull’elettrodo, mentre solo un terzo (33%) del calore è generato sulla piastra di base. Di conseguenza, l’elettrodo si fonde rapidamente e il tasso di deposito di metallo aumenta (solo per gli elettrodi consumabili). D’altra parte, le piastre di base non si fondono correttamente a causa della mancanza di calore sufficiente e quindi sorgono vari difetti, come la fusione insufficiente, la mancanza di penetrazione, il rinforzo elevato, ecc. Tuttavia, il flusso di elettroni dalla piastra di base rimuove olio, rivestimento, strato di ossido o particelle di polvere presenti sulla superficie della piastra di base (definito come azione di pulizia dell’ossido).

• Leggi di più: Polarità inversa della corrente diretta (DCRP) nella saldatura ad arco.

Vantaggi della polarità DCEP nella saldatura ad arco

• Migliore azione di pulizia dell’arco, quindi meno possibilità di difetti di inclusione.
• Alto tasso di deposito di volume per l’elettrodo consumabile, quindi saldatura più veloce.
• Prestazioni migliori per la saldatura di piastre sottili. Riduce il livello di distorsione, lo stress residuo, il taglio completo, ecc.
• Adatto per unire metalli con bassi punti di fusione, come rame e alluminio.

Svantaggi della polarità DCEP nella saldatura ad arco

• Vita dell’elettrodo più breve per gli elettrodi non consumabili.
• Alto livello di rinforzo se la velocità non è regolata correttamente.
• Fusione insufficiente e penetrazione incompleta.
• Non può fondere correttamente piastre spesse o metalli con alto punto di fusione.

Polarità negativa dell’elettrodo a corrente diretta (DCEN) nella saldatura ad arco

Opposto al DCEP, quando l’elettrodo è collegato con il terminale negativo e le piastre di base con il terminale positivo, allora si parla di polarità negativa dell’elettrodo a corrente diretta (DCEN) o polarità diritta a corrente diretta (DCSP). Quindi gli elettroni fluiscono dall’elettrodo alle piastre di base. Di conseguenza, si genera più calore alla piastra di base rispetto all’elettrodo, quindi il tasso di deposizione del metallo si riduce. Si eliminano anche vari difetti causati da una fusione insufficiente del metallo di base. Ma il DCEN non ha un’azione di pulizia, quindi i difetti di inclusione possono sorgere se le piastre di base non sono pulite correttamente prima della saldatura. Pro e contro della polarità DCEN sono discussi di seguito.

• Leggi di più: Direct Current Straight Polarity (DCSP) nella saldatura ad arco.
• Leggi di più: Differenza tra DCEN e DCEP nella saldatura ad arco.

Svantaggi della polarità DCEN nella saldatura ad arco

• Fusione sufficiente dei metalli di base e quindi si può ottenere una penetrazione adeguata.
• Meno possibilità di inclusione del tungsteno (con la saldatura TIG) e anche basso rinforzo.
• Scelta migliore per la saldatura di metalli con alto punto di fusione, come il titanio, l’acciaio inossidabile, ecc.
• Le lamiere spesse possono anche essere unite correttamente.

Svantaggi della polarità DCEN nella saldatura ad arco

• Nessuna azione di pulizia dell’arco quindi possibilità di difetti di inclusione.
• Alto livello di distorsione.
• Alta generazione di tensioni residue sui componenti saldati.
• Zona colpita dal calore (HAZ) più ampia.
• Più bassa produttività a causa del tasso di deposito inferiore.
• Non adatto alla saldatura di piastre sottili.

Polarità a corrente alternata (AC) nella saldatura ad arco

La polarità AC offre vantaggi sia del DCEN che del DCEP; tuttavia, solo in parte. Con la sorgente di corrente alternata, in metà del ciclo l’elettrodo diventa negativo e nella metà successiva del ciclo, l’elettrodo diventa positivo. Questo ciclo si ripete 50 o 60 volte in un secondo a seconda della frequenza di alimentazione (50Hz o 60Hz). Alcune fonti di alimentazione forniscono anche disposizioni per modificare questa frequenza.

• Leggi di più: Polarità AC nella saldatura ad arco.
• Leggi di più: Confronto tra DCEN, DCEP e polarità AC di saldatura.

Vantaggi della polarità AC nella saldatura ad arco

• Moderata azione di pulizia dell’arco.
• Compatibile con la maggior parte dei tipi di elettrodo (ma non tutti).
• Migliore fusione e penetrazione del metallo saldato.
• Adatta ad un’ampia gamma di spessori di lamiera.

Come la polarità influenza le prestazioni della saldatura ad arco?

La polarità è uno dei fattori cruciali che influenza la qualità dei giunti saldati. Prima di saldare, il saldatore deve selezionare la polarità appropriata a seconda dei requisiti, del tipo di riempimento, del tipo di elettrodo e del materiale di base. La seguente lista mostra i parametri che sono comunemente influenzati dalla polarità di saldatura. Per i dettagli, leggi: Come la polarità influenza le prestazioni della saldatura ad arco?

• Deposito di materiale di apporto – Con l’elettrodo consumabile, la polarità DCEP aumenta il tasso di deposito del metallo. Leggere: Quale polarità dà il massimo tasso di deposito nella saldatura ad arco e perché?
• Penetrazione della saldatura – La polarità DCEP aumenta la penetrazione della saldatura. Leggere: Quale polarità dà una migliore penetrazione nella saldatura ad arco e perché?
• Pulizia della piastra di base: il DCEP aiuta a pulire le piastre di base durante la saldatura, riducendo così la possibilità di difetti di inclusione. Leggere: Quale polarità dà una migliore pulizia dell’ossido nella saldatura ad arco e perché?
• Rinforzo-DCEP provoca una modalità globulare di trasferimento del metallo, quindi aumenta la larghezza del cordone di saldatura.
• HAZ-DCEN polarità riscalda rapidamente le piastre di base e se la velocità non è regolata allora HAZ diventa più ampia.
• Aspetto del cordone di saldatura-AC, dipende molto da molti altri fattori.

Come selezionare correttamente la polarità di saldatura?

È da notare che la selezione della polarità di saldatura ha bisogno di considerazione su un gran numero di fattori; tuttavia, solo pochi fattori di base sono discussi di seguito. La cura adeguata dovrebbe essere presa per la selezione della polarità per una particolare applicazione.

• Se il vostro metallo di base è alluminio o magnesio poi DCEP è migliore opzione perché può rompere lo strato di ossido (allumina-Al2O3) presente sulla superficie della piastra. Anche il punto di fusione dell’alluminio è abbastanza piccolo (660ºC), quindi la generazione di calore elevato vicino alla piastra di base non richiede.
• Se si sta saldando il titanio o l’acciaio inossidabile, allora l’AC è un’opzione migliore perché vi darà tutti i vantaggi desiderati. Qui DCEN può aumentare la zona HAZ.
• Se il materiale di lavoro ha scarsa emissività degli elettroni o ha bisogno di alta tensione per l’emissione di elettroni, allora DCEP è la scelta sbagliata in quanto può provocare un arco instabile.
• Se lo spessore della piastra di base è più (>6mm), allora DCEN è la scelta preferibile. Anche la preparazione dei bordi è richiesta. Allo stesso modo, per le piastre sottili, dovrebbe essere selezionato DCEP.
• Nella saldatura TIG, l’uso della polarità DCEP può provocare la formazione di palline sulla punta dell’elettrodo che porta a una minore durata dell’elettrodo. Può anche risultare in un difetto di inclusione del tungsteno.