Saldatura ad arco sommerso (SAW): come funziona nella costruzione dei serbatoi a pressione
Nel panorama della carpenteria pesante e della caldareria industriale, la qualità di una saldatura non dipende soltanto dall’aspetto del cordone. Deve essere valutata in relazione ai materiali utilizzati, agli spessori, alle condizioni di esercizio, alla geometria del componente e ai requisiti previsti dal progetto.
Quando si costruiscono serbatoi a pressione, scambiatori di calore e apparecchiature caratterizzate da giunti estesi e spessori medio-alti, uno dei processi più importanti è la saldatura SAW (Submerged Arc Welding), tradotta ad arco sommerco.
Si tratta di un procedimento prevalentemente automatizzato o meccanizzato, particolarmente adatto alla realizzazione di saldature longitudinali e circonferenziali su virole cilindriche. La sua elevata capacità di deposito permette di eseguire giunti continui con parametri controllati e risultati ripetibili, riducendo il numero di passate richieste rispetto a numerosi procedimenti manuali.
La tecnologia, tuttavia, rappresenta solo una parte del processo. La qualità finale dipende dalla corretta scelta di materiali e consumabili, dalla preparazione del giunto, dalla definizione dei parametri e dal rispetto delle procedure di saldatura qualificate.
Cos’è la saldatura ad arco sommerso?
Nella saldatura SAW, l’arco elettrico si genera tra un filo elettrodo alimentato in modo continuo e il materiale base. La particolarità del processo è che l’arco, il filo e il bagno di fusione sono coperti da uno strato di flusso granulare.
L’arco non è quindi direttamente visibile all’operatore: lavora al di sotto del flusso, da cui deriva la definizione di “arco sommerso”.
Durante la saldatura, il calore prodotto dall’arco fonde contemporaneamente:
- il filo elettrodo;
- una parte del materiale base;
- una parte del flusso granulare.
La porzione di flusso che fonde genera uno strato di scoria sopra il metallo depositato. Questo strato protegge il bagno di fusione dal contatto con l’atmosfera, contribuisce alla stabilità del processo e influenza la forma e le caratteristiche del cordone.
Dopo il raffreddamento, la scoria solidificata viene rimossa. Il flusso rimasto integro può invece essere recuperato e gestito secondo le indicazioni previste dal produttore e dalla procedura applicabile.
Qual è la funzione del flusso granulare?
Nel processo SAW, il flusso non svolge soltanto una funzione di copertura. È un elemento attivo del sistema di saldatura e viene scelto insieme al filo.
Le sue principali funzioni sono:
- proteggere il bagno di fusione dalla contaminazione atmosferica;
- stabilizzare l’arco elettrico;
- contribuire alla deossidazione del metallo fuso;
- controllare la forma e la regolarità del cordone;
- influenzare la composizione chimica e le proprietà meccaniche del deposito;
- rallentare e rendere più uniforme il raffreddamento della saldatura.
Esistono differenti categorie di flusso. I flussi fusi sono ottenuti attraverso fusione e successiva frantumazione dei componenti e presentano una composizione particolarmente uniforme. I flussi agglomerati vengono invece prodotti legando ed essiccando diversi componenti minerali e possono consentire una maggiore modulazione delle caratteristiche metallurgiche.
La conservazione del flusso deve essere controllata con attenzione. In particolare, i prodotti sensibili all’umidità devono essere immagazzinati, essiccati o ricondizionati nel rispetto delle indicazioni tecniche del produttore, per limitare il rischio di introdurre idrogeno nel giunto.
Filo e flusso devono essere scelti come un unico sistema
Nella saldatura ad arco sommerso, il filo non può essere selezionato indipendentemente dal flusso. La coppia filo-flusso deve essere compatibile con:
- composizione e caratteristiche del materiale base;
- spessore delle lamiere;
- proprietà meccaniche richieste al giunto;
- temperatura di esercizio;
- eventuali requisiti di resilienza;
- numero di passate;
- trattamento termico successivo alla saldatura;
- codice di progettazione e specifiche della commessa.
Il processo può essere applicato, attraverso consumabili e procedure adeguati, ad acciai al carbonio per apparecchiature in pressione, acciai basso-legati, acciai inossidabili e altre leghe destinate ad applicazioni industriali.
Tra i materiali comunemente impiegati nella costruzione di recipienti in pressione rientrano, per esempio, acciai come P235GH, P275NH e P355NH e acciai inossidabili delle famiglie AISI 304 e AISI 316. L’effettiva applicabilità deve comunque essere verificata caso per caso sulla base della documentazione progettuale e della procedura di saldatura.
I fili per SAW sono disponibili in differenti diametri. Nelle applicazioni industriali possono essere utilizzati, indicativamente, diametri compresi tra 2 e 5 millimetri: la scelta dipende dalla configurazione del giunto, dagli spessori e dal tasso di deposito richiesto.
Quali macchinari vengono utilizzati nella saldatura SAW
L’elevata ripetibilità della saldatura ad arco sommerso deriva dall’integrazione tra generatore, testa saldante e sistemi di movimentazione del componente.
Un impianto può comprendere:
- una sorgente di alimentazione;
- un sistema automatico di avanzamento del filo;
- una tramoggia per la distribuzione del flusso;
- una testa saldante installata su carro o manipolatore;
- un sistema di avanzamento lungo il giunto;
- apparecchiature per il recupero del flusso non fuso;
- rulliere motorizzate o posizionatori per la rotazione del componente.
Nella costruzione di corpi cilindrici, le rulliere fanno ruotare la virola mentre la testa saldante rimane opportunamente posizionata. Questa configurazione permette di mantenere il bagno di fusione nella posizione più favorevole e di realizzare cordoni circonferenziali continui.
I manipolatori a colonna e braccio consentono invece di posizionare con precisione la testa SAW, adattandola al diametro, alla lunghezza e alla geometria dell’apparecchiatura.
Sebbene il processo sia automatizzato, il ruolo del personale rimane determinante. L’operatore deve preparare correttamente il giunto, impostare i parametri, verificare il posizionamento della testa, controllare il comportamento dell’impianto e intervenire in presenza di variazioni o anomalie.
Giunti longitudinali e circonferenziali nei serbatoi a pressione
Nella costruzione dei serbatoi a pressione, la saldatura SAW viene utilizzata soprattutto per due tipologie di giunto.
- Saldature longitudinali delle virole
La lamiera viene calandrata fino a ottenere una forma cilindrica. I due lembi longitudinali vengono quindi accostati e saldati per chiudere la singola virola. La precisione della preparazione, dell’allineamento e della saldatura è fondamentale per ottenere una geometria regolare e garantire la continuità strutturale del mantello.
2. Saldature circonferenziali
Le saldature circonferenziali vengono eseguite per unire tra loro più virole oppure per collegare al mantello i fondi dell’apparecchiatura. Durante il processo, il corpo cilindrico viene fatto ruotare su rulliere motorizzate, mentre la testa SAW deposita il materiale lungo l’intera circonferenza. Queste lavorazioni sono particolarmente rilevanti nei serbatoi di grande diametro, negli scambiatori di calore e nelle apparecchiature formate da più sezioni assemblate.
Su quali spessori viene impiegata la saldatura ad arco sommerso
La SAW esprime i suoi principali vantaggi su lamiere di spessore medio o elevato, dove produttività, penetrazione e capacità di deposito diventano fattori determinanti.
In determinate configurazioni, e sempre sulla base di procedure qualificate, è possibile eseguire giunti di testa con preparazioni relativamente semplici. Con l’aumento dello spessore si ricorre generalmente alla cianfrinatura dei lembi, adottando geometrie a V, X o U.
La scelta della preparazione dipende da diversi elementi:
- spessore della lamiera;
- accessibilità del giunto;
- possibilità di saldare da uno o da entrambi i lati;
- penetrazione richiesta;
- volume di materiale da depositare;
- deformazioni da controllare;
- proprietà meccaniche previste dal progetto.
Una preparazione corretta permette di contenere il volume del giunto e il numero di passate senza compromettere la fusione dei lembi o la qualità della radice.
I principali parametri da controllare
Poiché il bagno di fusione è nascosto dal flusso, la corretta impostazione del processo assume un’importanza ancora maggiore. I tre parametri principali sono la corrente, la tensione e la velocità di avanzamento.
- La corrente di saldatura influenza soprattutto la penetrazione e la quantità di filo depositata. Una corrente non adeguata può determinare una penetrazione insufficiente oppure un apporto termico eccessivo.
- La tensione dell’arco contribuisce a definire la larghezza e il profilo del cordone. Deve essere regolata in relazione alla geometria del giunto e agli altri parametri di processo.
- La velocità di avanzamento influenza il materiale depositato per unità di lunghezza e l’apporto termico. Una velocità troppo elevata può ridurre la sezione del cordone; una velocità troppo bassa può aumentare eccessivamente l’apporto di calore e le deformazioni.
Devono inoltre essere controllati l’avanzamento del filo, la polarità, la distanza tra punta di contatto e pezzo, la quantità di flusso, il corretto allineamento della testa e le temperature di preriscaldo e interpass previste dalla WPS, la Welding Procedure Specification.
Perché la SAW è importante nei serbatoi a pressione?
Il principale vantaggio della saldatura ad arco sommerso è la capacità di depositare una quantità elevata di materiale con continuità e parametri ripetibili. Per la costruzione di serbatoi a pressione questo si traduce in alcuni benefici concreti.
- Elevata produttività
Il tasso di deposito consente di ridurre i tempi necessari per riempire giunti di volume elevato. Su grandi spessori, il processo può richiedere meno passate rispetto a procedimenti caratterizzati da una capacità di deposito inferiore.
- Ripetibilità del processo
L’automazione permette di mantenere più uniformi velocità, alimentazione del filo e posizione della testa. La ripetibilità non elimina la necessità dei controlli, ma aiuta a contenere le variazioni lungo giunti molto estesi.
- Cordoni continui e regolari
Quando preparazione e parametri sono corretti, il processo produce cordoni uniformi, con una geometria adatta alle successive attività di controllo e lavorazione.
- Riduzione di arco visibile e spruzzi
La copertura del flusso nasconde l’arco e limita la dispersione di spruzzi. Rimangono comunque necessari dispositivi di protezione individuale, aspirazione e procedure di sicurezza coerenti con la valutazione dei rischi.
- Controllo delle lavorazioni
L’impostazione dei parametri, la qualificazione delle procedure e la registrazione delle attività rendono la SAW adatta a cicli produttivi nei quali tracciabilità e controllo documentale sono parte integrante della commessa.
Limiti applicativi della saldatura SAW
La saldatura ad arco sommerso non è adatta a qualsiasi geometria.
La presenza del flusso granulare e la fluidità del bagno limitano normalmente il processo alla posizione piana e alla posizione orizzontale d’angolo. Il componente deve quindi poter essere movimentato o ruotato per mantenere il giunto nella posizione corretta.
Il processo è inoltre particolarmente conveniente su giunti lunghi, regolari e ripetitivi. Per saldature brevi, dettagli complessi, zone difficilmente accessibili o lavorazioni fuori posizione possono risultare più appropriati altri procedimenti.
Gli impianti richiedono infine attrezzature dedicate, una preparazione accurata e tempi di configurazione che devono essere valutati in relazione al tipo di produzione.
Difetti più comuni e prevenzione
L’automazione non rende il processo immune da difetti. La prevenzione parte dalla pulizia dei materiali, dalla corretta conservazione dei consumabili e dal rispetto delle procedure.
Porosità
La porosità può essere favorita dalla presenza di umidità nel flusso o di olio, ruggine, vernice e altre contaminazioni sui lembi.
Per ridurre il rischio è necessario:
- pulire accuratamente il giunto;
- conservare e trattare il flusso secondo le indicazioni previste;
- verificare la stabilità dei parametri;
- controllare il sistema di alimentazione e distribuzione del flusso.
Inclusioni di scoria
Le inclusioni possono verificarsi quando la scoria di una passata precedente non viene rimossa completamente o quando la geometria del cordone crea zone difficili da rifondere. La prevenzione richiede un’adeguata preparazione del cianfrino, la corretta sequenza delle passate e una pulizia accurata tra una passata e la successiva.
Cricche
La formazione di cricche può essere collegata a composizione dei materiali, presenza di idrogeno, tensioni di ritiro, geometria del giunto o gestione non corretta dell’apporto termico.
È quindi fondamentale rispettare le temperature di preriscaldo e interpass, utilizzare consumabili correttamente conservati e applicare i parametri definiti nella procedura qualificata.
Procedure qualificate e controlli non distruttivi
La qualità del giunto non può essere determinata esclusivamente attraverso un controllo visivo.
Per le apparecchiature a pressione, le saldature vengono realizzate attraverso procedure qualificate e controllate secondo quanto stabilito dal codice costruttivo, dalle specifiche del cliente e dal piano di qualità della commessa.
In funzione dei requisiti applicabili, i controlli possono comprendere:
- esame visivo;
- controllo con liquidi penetranti;
- controllo con particelle magnetiche;
- controllo radiografico;
- controllo ultrasonoro;
- verifiche dimensionali;
- prove meccaniche e di laboratorio.
Il tipo e l’estensione dei controlli vengono definiti in relazione alla categoria dell’apparecchiatura, al materiale, allo spessore, al tipo di giunto e alla normativa di riferimento.
La saldatura ad arco sommerso nel processo FB Tanks
In FB Tanks, la saldatura non è una lavorazione isolata, ma una fase integrata in un ciclo che collega ufficio tecnico, produzione e controllo qualità.
Il processo comprende:
- analisi delle specifiche e dei requisiti normativi;
- progettazione meccanica e definizione degli spessori;
- selezione e approvvigionamento dei materiali;
- taglio e preparazione delle lamiere;
- calandratura e assemblaggio delle virole;
- saldatura longitudinale e circonferenziale;
- controlli non distruttivi e collaudi;
- predisposizione della documentazione finale.
Per le lavorazioni SAW, FB Tanks dispone di manipolatori a colonna e braccio abbinati a rulliere motorizzate, una configurazione che permette di gestire in modo coordinato la saldatura dei corpi cilindrici.
La continuità tra progettazione e reparto produttivo consente di valutare già in fase tecnica la geometria dei giunti, gli spessori, le sequenze di saldatura e le modalità di controllo. Questo approccio è particolarmente importante per apparecchiature su misura e commesse destinate a mercati regolati da differenti codici internazionali.
La gestione della qualità dei processi di saldatura è inoltre supportata dalla certificazione UNI EN ISO 3834-2, applicabile alla costruzione mediante saldatura di serbatoi, recipienti a pressione e strutture metalliche.
Un processo tecnologico guidato dalla competenza
La saldatura ad arco sommerso è fondamentale nella costruzione dei serbatoi a pressione perché unisce elevata capacità di deposito, continuità del cordone e ripetibilità dei parametri.
I risultati, tuttavia, non dipendono esclusivamente dall’impianto. Sono il prodotto di un insieme coordinato di competenze: progettazione del giunto, scelta della coppia filo-flusso, preparazione delle superfici, definizione della WPS, gestione delle temperature, esperienza degli operatori e controlli finali.
È questa continuità tra tecnologia, competenza tecnica e controllo del processo a rendere la SAW uno strumento centrale nella produzione di serbatoi a pressione, virole di grande diametro e scambiatori di calore destinati ad applicazioni industriali complesse.
