La saldatura

Danybiker88

Redazione
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Torino
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Bentrovati al consueto appuntamento settimanale con il Tech Corner, per voi solo su MTB-forum!

Anche questa settimana continuiamo a parlare dei procedimenti di realizzazione dei nostri telai in alluminio, andandoci ad occupare dei procedimenti di saldatura. Se con le tecniche di idroformatura si cerca di ridurre il numero di saldature sui telaio, la saldatura resta comunque il sistema più utilizzato per unire le varie parti che compongono i telai dei nostri mezzi.

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Immagine 1: saldatore all’opera.

Data infatti la complessità di forma di un telaio da bicicletta, risulta impossibilela realizzazione senza saldature. Si realizzano vari componenti (tubi, piastre e elementi lavorati al cnc) che poi si collegano formando una struttura unica tramite la saldatura.

La saldatura.

La tecnica della saldatura permette di congiungere attraverso il calore due parti metalliche.

La saldatura è un procedimento che permette il collegamento permanente di parti solide tra loro e che realizza la continuità del materiale quando essa viene applicata. La saldatura presuppone l'apporto di calore localizzato tale da permettere la fusione del materiale. Il materiale può essere materiale componente le parti stesse che vengono unite, ma può essere anche un materiale estraneo ad esse, detto materiale di apporto: nel primo caso si parla di saldatura autogena nel secondo di saldatura eterogena o brasatura.

La saldatura realizza un collegamento permanente che si differenzia da altri collegamenti permanenti (ad esempio chiodatura o incollatura) che non garantiscono la continuità del materiale. Con alcuni processi di saldatura autogena, qualora eseguita correttamente e secondo certi principi, viene garantita anche una continuità quasi totale nelle caratteristiche stesse del materiale delle parti unite.
Non a caso infatti la saldatura ha avuto un grosso sviluppo nell’industria aeronautica. Rispetto ad altre tecniche di unione, quali la rivettatura, la saldatura garantisce a parità di resistenza un peso inferiore. Se una saldatura è ben eseguita, si può quasi considerare i due elementi come un pezzo unico.

Naturalmente non tutti i metalli presentano la stessa saldabilità, intendendo con saldabilità "l'attitudine con cui un materiale si presta alla realizzazione di costruzioni nelle quali sia garantita la continuità strutturale con caratteristiche e qualità desiderate".
La saldabilità di un materiale deve essere riferita al processo di saldatura applicato. Per esempio, le leghe di Al sono ben saldabili con le tecniche MIG o TIG ma non possono essere saldate con fiamma ossiacetilenica. Come vedremo in seguito, i procedimenti TIG prevedono l’uso di gas inerti al fine di proteggere il bagno di saldatura ed il materiale circostante.

La saldabilità delle leghe di alluminio non è elevatissima (in una scala che va da 0 a 5, viene classificato al 3° livello) ma con le tecniche opportune si possono ottenere ottimi risultati.

La saldatura al TIG.

La saldatura TIG è quella più utilizzata per la realizzazione dei telai da biciclette in alluminio, in quanto garantisce la protezione del metallo tramite un gas inerte.

La Saldatura TIG (Tungsten Inert Gas) o GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), secondo la terminologia AWS, è un procedimento di saldatura ad arco con elettrodo infusibile (di tungsteno), sotto protezione di gas inerte, che può essere eseguito con o senza metallo di apporto. In pratica quindi la fusione del materiale avviene per la formazione di un arco elettrico tra il metallo (nel nostro caso l’alluminio collegato ad una polarità) e l’elettrodo (in tungsteno, con temperatura di fusione elevatissima quindi infusibile, collegato all’altro polo). Tra elettrodo e alluminio si forma un arco elettrico (lo stesso fenomeno che cause le scintille o i fulmini, ovvero una scarica elettrica attraverso l’aria) che produce calore e determina la fusione del materiale e la saldatura.

La saldatura TIG è molto diffusa, fornisce giunti di elevata qualità, ma richiede operatori altamente specializzati.

Vediamo di analizzare un pochettino più in dettaglio come funziona la saldatura TIG
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Come possiamo vedere dal disegno, sia l’elettrodo che il metallo da saldare sono collegati all’alimentazione. L’alimentazione è naturalmente regolabile in modo da ottenere la corretta temperatura di saldatura. Per la saldatura di metalli leggeri (Al e Mg) o quando è importante la stabilità dell'arco, si utilizza la polarità inversa (pi), cioè con il polo negativo sul pezzo.

All’interno dell’ugello di protezione (solitamente realizzato in materiali ceramici ad elevata resistenza termica) viene fatto passare un gas di protezione, il cui scopo è di proteggere l’elettrodo, l’arco, il bagno, le zone del pezzo adiacenti al bagno da possibili contaminazioni atmosferiche, come umidità ed ossigeno evitando ossidazioni od altri danni che comprometterebbero la qualità del giunto. I gas usati più comunemente sono Argon o Elio, usati separatamente o in miscele. In alcune applicazioni speciali vengono usate miscele di Argon con Idrogeno. In genere si preferisce Argon puro in quantità variabili (5-25 l/min).
Generalmente il gas di protezione viene immesso su entrambe le facce del giunto (naturalmente se questo è accessibile su entrambi i lati, nel caso dei tubi dei telai riempiendo il telaio di gas), mentre sulla faccia dove si trova il bagno (al dritto) il gas è portato direttamente dalla torcia, sull'altra faccia (al rovescio) viene insufflato in condizioni controllate, in modo da assicurare una protezione dall'ossidazione anche alla radice della saldatura.

Le portate di gas di protezione devono essere stabilite dal tecnico di saldatura, basandosi soprattutto sulla propria esperienza e su prove finalizzate al particolare lavoro ed alla particolare geometria.

La saldatura viene eseguita fondendo i lembi accostati del pezzo, in un tempo molto breve (3-5 secondi); se lo spessore è piccolo non è previsto l’uso di materiale d’apporto che è invece essenziale per spessori elevati. Il materiale d’apporto, reperibile sotto forma di bacchette, non è fuso dall’arco ma dal bagno di fusione dove viene immerso ad intervalli regolari, fondendo ogni volta qualche millimetro; è aggiunto lateralmente in modo manuale o automatico. Questo rappresenta uno svantaggio perché si deve richiedere un saldatore altamente qualificato, se manuale, o una perfetta programmazione se automatico.

Qui di seguito vediamo un’animazione che illustra in maniera piuttosto chiara il procedimento di saldatura e come si formano cosiddetti “labbri”, le ondulazioni che caratterizzano le saldature sui nostri telai (tranne alcuni in cui la saldatura viene fresata, prevalentemente per ragioni estetiche, come nel caso dei telai Cannondale).

YouTube - saldatura in 3d by mauro nigro

I difetti di saldatura.

Le saldature rappresentano la più importante incognita nell'assemblaggio dei manufatti. Non è infatti possibile definire a priori le tensioni che un giunto saldato sia capace di sopportare, se non empiricamente, ossia mediante prove del tipo distruttivo.

Dal punto di vista progettuale si è quindi soliti considerare un giunto saldato come un giunto omogeneo, utilizzando però elevati coefficienti di sicurezza, ricavati dalle prove di tipo distruttivo. I costruttori allo stesso tempo si impegnano a realizzare le saldature nelle condizioni standard, nelle quali si sono ricavati i dati empirici. A tal fine vengono stillate le WPS, che fissano le variabili di saldatura in range ristretti che l’operatore deve rispettare al fine di rendere il più possibile la saldatura simile a quella campione e quindi dare un senso ai calcoli progettuali. È già sufficiente quindi non rispettare anche un solo parametro della WPS, per introdurre un difetto di saldatura nel senso largo del termine, in quanto ciò altera le prestazioni teoriche.

Ad ogni modo comunque la saldatura è una delle zone in cui è più facile che si presentino dei difetti, intendendo come difetti le imperfezioni fisiche, che fanno precipitare i valori di resistenza e tenacità del giunto saldato in quanto trattasi di inneschi di rottura nonché intensificatori di sforzi che nel più o meno lungo periodo causano la frattura della saldatura.

Non a caso solitamente un telaio si rompe nelle zone di saldatura, o comunque le cricche partono da queste zone. Bisogna inoltre considerare che la saldatura comunque non garantisce la stessa resistenza dell’elemento continuo. Supponiamo ad esempio di avere due tubi a sezione costante saldati tra loro: la zona di saldatura sarà più debole e la rottura (senza considerare difetti localizzati nel materiale) si avrà proprio nella zona di saldatura, proprio perchè la saldatura non sarà mai perfetta.

I difetti di saldatura possono essere:
- Difetti dimensionali: saldature concave possono essere zone di innesco delle cricche.
- Inadeguata penetrazione: il cordone di saldatura non riempie completamente la zona della saldatura causando una giunzione incompleta.
- Incompleta fusione: la mancanza di legamento fra i cordoni di saldatura o fra il metallo d'apporto ed il metallo base. Solitamente interessa solo alcune aree della saldatura.
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- Inclusioni gassose: sono vuoti, di diversa forma e dimensione, che si vengano a formare nella zona fusa. Di norma sono meno pericolosi porosità distribuite rispetto a quelle raggruppate e soffiature di maggiori dimensioni ma minor frequenza.
- Inclusione solida: è costituita da materiale non metallico intrappolato nel metallo d'apporto o fra il metallo d'apporto e quello base. Difetto tipico delle saldature al TIG, e non riportabile ad altre tecnologie, sono le inclusioni di tungsteno. L'arco deve sempre scoccare fra l'elettrodo di Tungsteno ed il bagno, ma può succedere che, per un motivo qualsiasi, l'elettrodo venga a contatto con il bagno. In questo caso l'elettrodo può frammentarsi, rilasciando nel bagno delle schegge di Tungsteno (Ø < 1 mm), queste schegge di solito hanno una forma prismatica, con bordi fortemente angolati. Questo significa che sono inneschi per rotture fragili nella struttura del materiale saldato. Per evitare questi difetti è necessario un accurato addestramento del saldatore.
- Cricche: sono delle lesioni che si presentano nella zona di saldatura a causa di l'insoregere di autotensioni generate da brusche variazioni termiche.
Infatti con la solidificazione il bagno di fusione si contrae in quantità sostanzialmente proporzionale, se la contrazione per qualche motivo è contrastato si originano tensioni interne.
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Saldature automatizzate e saldature manuali.


Ad oggi, soprattutto per le saldature TIG, esistono dei macchinari in grado di eseguire le saldature in maniera praticamente automatica, addirittura con dei bracci robotizzati in grado di sostituire completamente l’operatore.

In questo video vediamo una saldatura automatizzata di un tubo. Naturalmente per i telai da bicicletta si utilizzano macchinari diversi, ma la procedura è identica. Come si può vedere il macchinario avanza automaticamente garantendo l'uniformità della saldatura.

YouTube - Orbital Welding by Polysoude Carriage Weldheads Polycar 60

Se il costo di questi macchinari è molto elevato e quindi non sostenibile da parte di piccole aziende produttrici di biciclette, questi costi diventano sopportabili dai grandi colossi produttori di telai, specialmente taiwanesi, con produzioni decisamente elvate.

Se da un punto di vista emozionale il fatto che un telaio sia realizzato a mano può sembrare un valore aggiunto, non è detto che questo sia un vantaggio da un punto di vista delle caratteristiche meccaniche del telaio stesso.

Infatti, come abbiamo visto, il procedimento di saldatura è piuttosto delicato e richiede una certa esperienza. Una saldatura mal eseguita comporta un indebolimento del telaio e può provocare una rottura.

La saldatura a mano è quindi soggetta al fattore umano: se il saldatore è poco esperto o è ammalato, stanco, non ha voglia di lavorare, può eseguire una saldatura imprecisa e quindi debole.

Le macchine se dal punto di vista della preparazione richiedono un’accurata taratura, una volta ottenuta la taratura ottimale (che corrisponde ad un’ottimale resistenza della saldatura, resistenza valutabile anche con prove distruttive) a meno di malfunzionamenti la macchina sarà in grado di garantire un produzione estremamente omogenea, eliminando ogni tipo di errore umano. Di contro però, se la taratura è eseguita male, tutta la produzione sarà difettosa.

In questo video vediamo la saldatura di un telaio da MTB (Intense) eseguita a mano:

YouTube - Bike Welding
 

rg.saro

Biker poeticus
10/8/08
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como
ottimo lavoro, come sempre...
ringraziarvi x il vostro impegno mi sembra poco
cmq grazie
 

Maga040295

Biker ciceronis
8/2/09
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lissone(mi)
seeeeeeeeeeeeeeea se mi si spacca il telaio chiedo a Nick(o cè scritto mick sul guanto???:nunsacci:) di ripararmelo e di farmi vedere!!!troppo stramegaSEXY la saldatura!!
 

pietroballini

Biker superioris
9/6/08
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prato
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Bisogna inoltre considerare che la saldatura comunque non garantisce la stessa resistenza dell&#8217;elemento continuo

Non è proprio esatto, per la saldatura con materiale di apporto, se la saldatura è perfetta, è vero il contrario in quanto il materiale di apporto che si utilizza è sempre caratterizzato da un carico di rottura e di snervamento maggiore del metallo di partenza, questoproprio perchè la saldatura non può e non deve essere un punto debole di una struttura.
I telai si rompono spesso nel gunto saldato perchè quasi mai lo stesso giunto viene dimensionato a dovere secondo gli sforzi che deve supportare, ( preparazione dei lembi, gola , posizione, tipo ecc... ecc...) ovvero la WPS non viene quasi mai dimensionata a dovere!! sarà mica un caso che si certificano i saldatori con i patentini ma quasi mai le WPS con le proprie WPAR. per chi non lo sapesse la WPAR è la certificazione della WPS mediante prove chimico fisiche che testano e approvano che la saldatura possa reggere ai carichi per cui essa è progettata. E cmq anche nel nostro caso si rompe non la saldatura ma il metallo ai bordi della saldatura, ovvero in zona termicamente alterata.
Per il resto l'articolo è molto bello ed importante perchè introduce nozioni ai più sconosciute, ma di vitale importanza per capire quali siano davvero i criteri per vedere se un telaio è robusto e da garanzie o no!!
 

Danybiker88

Redazione
9/4/04
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Torino
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Quello che dici è vero, ma tra i problemi di alterazione termica ed eventuali difetti di saldatura, la probabilità che la rottura avvenga in zona di saldatura è nettamente maggiore rispetto ad altre sezioni.
 

pietroballini

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Quello che dici è vero, ma tra i problemi di alterazione termica ed eventuali difetti di saldatura, la probabilità che la rottura avvenga in zona di saldatura è nettamente maggiore rispetto ad altre sezioni.

Certo sono daccordo. La mia infatti voleva solo essere una precisazione per dare un contributo ad un articolo così importante ;)
 

ottomilainsu

Biker assatanatus
12/15/09
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Su per i monti
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Quello che dici è vero, ma tra i problemi di alterazione termica ed eventuali difetti di saldatura, la probabilità che la rottura avvenga in zona di saldatura è nettamente maggiore rispetto ad altre sezioni.

Certamente, ma tra le cause io metterei non solo l'alterazione termica (rimediabile e addirittura annullabile se dopo saldatura si procede con un trattamento termico completo) e i difetti (che non devono essrci, esistono le prove non distruttive per individuarli) ma soprattutto il fattore geometrico che comporta il decadimento della resistenza a fatica.
In parole semplici la discontinuità nella sezione, gli spigoli vivi, il fatto che i tubi siano uniti tra loro con un certo angolo rappresentano dei possibili inneschi di cricche di fatica.
Per questo le saldature sono il punto preferenziale per l'inizio di rotture.
Nella mia limitata esperienza (limitata perchè fortunatamente non ho assistito a molti casi di rottura) la rottura si verifica al piede della saldatura, nella zona di raccordo tra cordone e metallo base.
Per questo, come evidenziato nell'articolo, alcuni costruttori levigano accuratamente le saldature.
 
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ribazzi

Biker superis
6/26/08
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Verona
ottomilainsù;4024296 said:
In parole semplici la discontinuità nella sezione, gli spigoli vivi, il fatto che i tubi siano uniti tra loro con un certo angolo rappresentano dei possibili inneschi di cricche di fatica.....Per questo, come evidenziato nell'articolo, alcuni costruttori levigano accuratamente le saldature.

Quindi, se ho ben capito, levigare le saldature come fanno per es. Cannondale o KTM, non ha solo valore estetico ma anche funzionale? Giusto?

Bravo Dany, bell'articolo. E poi hai esaudito una mia richesta per cui 2 volte grazie!!!

Ps: per tutti quelli che trovano sexy le procedure di saldatura...fatevi vedere da uno bravo :spetteguless:
 
è un procedimento che ha un non so che di sexy...bell'articolo e molto bello il video della saldatura sulla intense.

Che emozione veder nascere il mio ragnetto! E' proprio lui!
:}}}:

Ps: per tutti quelli che trovano sexy le procedure di saldatura...fatevi vedere da uno bravo :spetteguless:

Lo si potrebbe dire a tutti quelli che trovano affascinanti le opere d'arte, siano esse una scultura, un quadro, una composizione... o un telaio di bici fatto a mano partendo da un mucchietto di tubi e di blocchi di Al... perchè penso che nessuno possa dire che non c'è un che di artistico in tutto ciò: è quello che distingue una bici da un cancello (sia esso di ferro o di cartonio), e anche quello per cui siamo disposti a sborsare 3000 € per un telaio... (ahimè).
 

ancillotti

Biker tremendus
9/19/03
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Sambuca Val di Pesa
ottomilainsù;4025493 said:
Certamente, minori sono le discontinuità in superficie e minore è la probabilità che si inneschi una rottura.
Molto bene ,come il tuo precedente intervento,a voler sottilizzare una saldatura molata perde abbastanza delle sue caratteristiche di tenuta,la superficie e quelle ondine sono la parte piu' resistente della stessa ma proprio perchè ,come avevi detto giustamente prima è quasi sempre la parte immediatamente accosto alla saldatura a cedere e non la saldatura stessa ,con questo sistema si crea una minore discontinuità di superfice,è un po'come se alla saldatura ,piu' abbondante del normale ma concava tipica in Cannondale ,venisse anche dato il compito redistribuente del fazzoletto di rinforzo ed è una cosa utile piu' che un fatto estetico.Penso che questa diversità di opinioni su cosa cede prima tra la saldatura e l'immediate vicinanze, sia dovuta alla differenza dei campioni esaminati in sede scolastica e di studio e quelli riscontrati nella pratica di tutti i giorni ,dove specie in un campo di tubazioni sottili come quello della bici la situazione è molto diversa da altre realtà industriali.
Alberto Ancillotti
 
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TheMano

Biker popularis
6/9/09
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Lombardia
Ahaahahahah
Anche io voglio dire qualcosa a chi trova la saldatura sexy...
Venite a fare un giro nell'azienda dove lavoro e cambierete idea, sopratutto se venite in questo periodo :P
 

nenio

Biker superioris
11/18/03
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terno d'isola (BG)
(che non devono esserci, esistono le prove non distruttive per individuarli)

Esatto!!
Non vorrei tediarvi, ma visto la vostra sana curiosità aggiungo qualcosa all'articolo molto interessante (questo è il mio lavoro):
ci sono diversi tipi di prove non distruttive, le quali vengono applicate a seconda del tipo di materiale da controllare e del tipo di difetto che si intende cercare.
Le PND (prove non distruttive) volumetriche consentono di controllare tutto il volume saldato (visto che parliamo di saldatura), mentre le PND superficiali consentono di esaminare solo la superficie della saldatura.
le PND volumetriche principali sono ULTRASUONI E RADIOGRAFIE (già da me applicate per alcuni amici); le PND superficiali principali sono LIQUIDI PENETRANTI E MAGNETOSCOPIA.
Per non rompere le scatole mi fermo qui, ma se qualcuno volesse approfondire l'argomento.....beh contattatemi.
Per ora vi basti sapere che sui telai in alluminio si potrebbero eseguire Radiografie e Liquidi penetranti
 
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ottomilainsu

Biker assatanatus
12/15/09
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Su per i monti
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Anche le CORRENTI INDOTTE si possono applicare, a patto di avere la necessaria esperienza; un tecnico di PND mi disse che si tratta di uno dei metodi con i risultati più difficili da interpretare e per questo usato solo in applicazioni particolari.
Di mio ho visto applicare magnetoscopia e radiografia alle saldature su funivie e seggiovie, e radioscopia alle pedivelle di una nota (e oggi chiusa) azienda di Sarezzo (BS).