Elettrodo rivestito

La saldatura con elettrodo rivestito è il procedimento di saldatura più utilizzato tanto nelle costruzioni meccaniche quanto in carpenteria metallica,  è indicato per la saldatura di quasi tutte le leghe metalliche ferrose e non ferrose ad eccezione delle leghe di alluminio.

Si tratta di un procedimento molto versatile nel quale viene prodotto un arco elettrico tra un elettrodo "consumabile", opportunamente rivestito, ed il pezzo da saldare. Le gocce di metallo fuso provenienti dall'elettrodo vengono trasferite, mediante l'arco, nel bagno di fusione mentre i gas prodotti dal rivestimento le proteggono dall'atmosfera. La scoria fusa che galleggia sopra il bagno di fusione lo protegge dall'atmosfera durante la solidificazione.

Il procedimento di saldatura con elettrodo ben si presta alla saldatura in tutte le posizioni e, grazie alla semplicità dell'apparecchiatura, all'impiego in molte situazioni, anche in cantiere o in spazi limitati.
A fronte di indubbi vantaggi operativi dobbiamo tuttavia registrare una scarsa produttività, infatti, l'elettrodo ha una lunghezza ridotta e deve quindi essere frequentemente sostituito.

Circuito di saldatura.
L'apparecchiatura per la saldatura ad elettrodo è costituita da un generatore e da due pinze: una per la massa e l'altra per il porta-elettrodo.

Generatore. Funzionamento in corrente continua ed in corrente alternata. Deve avere la potenza necessaria ad innescare l'arco elettrico ed a mantenerlo durante tutta la fase di saldatura.

Elettrodo rivestito. L'elettrodo rivestito è composto da due parti ovvero da un'anima metallica che funge da materiale d'apporto e da un rivestimento che ne fornisce la protezione.

Nel corso della saldatura l'anima dell'elettrodo fonde e, sotto forma di gocce, si trasferisce nel bagno di fusione; contemporaneamente anche il rivestimento segue l'anima nel bagno di fusione in modo tale da formare una coppa all'estremità dell'elettrodo; con tale conformazione il rivestimento contribuisce alla protezione dell'estremità dell'elettrodo dove il materiale è fuso ed inoltre crea una sovrappressione locale dei gas nel suo interno, capaci di provocare il distacco ed il trasferimento della goccia.

Una parte del materiale d'apporto si volatilizza creando dei gas che creano una zona di protezione dell'arco riducendo il pericolo di ossidazione del bagno.
In quest'area protetta avviene il trasferimento del metallo fuso in gocce: anche in questo caso il rivestimento, fondendo contemporaneamente al metallo, avvolge le gocce di metallo fuso creando un'ulteriore protezione contro le ossidazioni.

Raggiunto il bagno liquido il rivestimento reagisce chimicamente sviluppando proprietà disossidanti, defosforanti e desolforanti grazie alla presenza di CaCO3 dando origine ad una scoria solida che protegge la superficie del bagno di fusione durante la solidificazione. In seguito la scoria dovrà essere asportata.
Funzioni del rivestimento
  • Protezione contro l'ossidazione. La protezione del rivestimento avviene sia sotto forma gassosa, creando un gas protettivo intorno l'arco elettrico, sia sotto forma solida, proteggendo tanto l'estremità dell'elettrodo fuso quanto le gocce che scendono verso il bagno.
  • Disossidazione del bagno. La disossidazione del bagno avviene grazie agli elementi disossidanti, Manganese e Silicio, contenuti nel rivestimento; questi reagendo chimicamente con il bagno fuso, sottraggono l'ossigeno dagli ossidi di ferro presenti nel bagno, formando a loro volta degli ossidi insolubili nel metallo fuso che salgono in superficie sotto forma di scoria.
  • Depurazione del bagno. La depurazione del bagno da parte dell'elettrodo è dovuta a sostanze come i carbonati di calcio e di magnesio,  in grado da catturare zolfo e fosforo sotto forma di composti che salgono direttamente alla superficie del bagno fuso.
  • Apporto di elementi di lega. Oltre agli elementi sopra citati, il rivestimento può contenere elementi di lega, manganese, cromo, nichel, molibdeno, ecc., che rimangono come elementi di lega nella zona fusa modificandone la composizione chimica.
  • Influenza sulla stabilità dell'arco. L'atmosfera creata dalla volatilizzazione del rivestimento, influenza la stabilità dell'arco. In generale l'influenza è positiva per leganti del rivestimento contenenti elementi alcalini come Na, K, Li, che sono elementi di facile ionizzabilità. Al contrario, nel caso di elettrodi a rivestimento basico, la presenza della fluorite, fluoruro di calcio, potente deionizzante necessario per abbassare il punto di fusione di un rivestimento ricco di calcio e magnesio, influisce negativamente alla stabilità dell'arco. In questo caso, per l'utilizzo degli elettrodi basici, è sempre meglio utilizzare una corrente di saldatura del tipo C.C.P.I.. La stessa problematica la si riscontra con l'elettrodo cellulosico che a causa del potere dissociativo della CO2 di cui è ricca l'atmosfera gassosa ottenuta, anche in questo caso è sempre meglio utilizzare una corrente C.C.P.I..
  • Influenza sulla saldatura in posizione. La parte del rivestimento che fondendo si porta, sotto forma di scoria, sulla superficie del bagno può aiutare, per l'azione della tensione superficiale della scoria fusa, il bagno a rimanere aderente al materiale base facilitando la saldatura in posizione. Quando quest'azione viene a mancare la saldatura deve essere eseguita in posizione piana o al massimo in posizione frontale.
Tipi di rivestimento
Nei paragrafi precedenti sono state fornite alcune informazioni di base sui rivestimenti degli elettrodi, qui di seguito forniamo ulteriori dettagli su alcuni rivestimenti tipici.

Rivestimento Acido
Sono rivestimenti costituiti da ossidi di ferro e ferroleghe come manganese ed il silicio.
E' un rivestimento che conferisce buona stabilità d'arco e quindi può essere utilizzato sia in Corrente Continua a Polarità Diretta (negativo sulla torcia) sia in Corrente Alternata.
La scoria creata dal rivestimento è facilmente asportabile tuttavia, non essendo rifusibile, è sempre meglio asportarla del tutto prima di procedere con le passate successive onde evitare inclusioni di scoria.

Questi rivestimenti hanno basso effetto sugli elementi bassofondenti, quindi è sempre meglio non utilizzarli su materiali base aventi un certo tenore di zolfo o fosforo perchè si potrebbero dare luogo a difettosità come le cricche a caldo.
I rivestimenti acidi fondono apprezzabili quantità di materiale base: ne deriva un bagno fluido che li rende inadatti alle saldature in posizione.
Sono rivestimenti piuttosto igroscopici e quindi devono essere ben trattati prima dell'utilizzo; in caso contrario, durante la saldatura, si potrebbe avere intrusione di idrogeno con successiva formazione delle cricche a freddo.
Le caratteristiche meccaniche dei depositi sono buone in quanto il bagno risulta ben disossidato.

Rivestimenti al rutilo
Sono simili ai rivestimenti acidi ma contengono elementi come il biossido di titanio, rutilo o ilmenite , che conferisce al deposito un ottimo aspetto superficiale dopo la solidificazione.
Per tale motivo questi elettrodi sono da utilizzati  nel caso si debba tener conto dell'aspetto estetico del cordone di saldatura.
Questa tipologia di elettrodi possono contenere anche sostanze come la cellulosa (rutilcellulosici) o, in quantità limitata, carbonati di calcio e di magnesio, tipici elementi di un rivestimento basico (rutilbasici o semibasici).

Gli elettroditi rivestiti al rutilo, così come i cellulosici, non depurano il bagno e sviluppano grosse quantità di idrogeno: per tale ragione sono poco raccomandabili per la saldatura di acciai soggetti a criccabilità a freddo.
Sono semplicemente maneggevoli in tutte le posizioni e la stabilità d'arco è ottima, si possono saldare sia in corrente continua Polarità Diretta (negativo sulla torcia) sia in Corrente alternata con buone caratteristiche meccaniche in zona fusa.
Per tali ragioni i rutilici sono utilizzati nelle saldature di spessori moderati.

Rivestimenti cellulosici.
Il rivestimento degli elettrodi cellulosici è costituito da cellulosa contenente elementi di lega come manganese e silicio, elementi altamente disossidanti.
Il cellulosico è quindi un elettrodo altamente purificante ed il rivestimento, per la maggior parte gassificato, e minimizza la scoria sul bagno fuso.
Questo tipo di rivestimento permette la saldatura in posizione "verticale discendente", fonde una notevole quantità di materiale base offrendo buona penetrazione in prima passata.
Il difetto dei cellulosici è di essere poco efficaci contro le impurezze e  quindi non dovrebbero essere utilizzati in procedimenti di saldatura con materiali base contenenti elementi di lega basso fondenti, dove potrebbero creare problematiche di criccabilità a caldo.

Non dovrebbero essere utilizzati nemmeno nel caso di saldature con materiali soggetti a strutture di tempra perché, oltre all'idrogeno derivante dall'aria, lo stesso rivestimento è portatore di umidità.
La precaria stabilità dell'arco richiede l'impiego di generatori di corrente continua con  Polarità inversa (positivo sulla torcia) .

Rivestimenti basici.
Gli elementi contenuti in questa tipologia di rivestimento sono ossidi di ferro, ferroleghe di Mn, Si e soprattutto carbonati di calcio e magnesio ai quali viene aggiunto, per facilitarne la fusione, fluoruro di calcio (fluorite).
Come detto in precedenza la fluorite contribuisce all'instabilità dell'arco elettrico e di conseguenza per la saldatura con questo elettrodo, si deve utilizzare la corrente continua Polarità inversa (positivo sulla torcia).

La scoria prodotta con gli elettrodi basici è difficile da rimuove e da rifondere, per tale motivo bisogna asportarla totalmente specie nel caso di passate successive; se la scoria rimane nelle irregolarità del cordone e non viene asportata, può generare "porosità solide".
La saldatura con gli elettrodi basici, deve essere eseguita con archi corti per evitare la formazione di porosità allungate dette anche "tarli".
Il trasferimento del materiale avviene tramite gocce molto grosse che possono creare facilmente dei cortocircuiti.
La presenza di carbonati di calcio nel rivestimento, consente di depurare il bagno da elementi bassofondenti come zolfo e fosforo, ottenendo depositi ad alta purezza e con buone caratteristiche meccaniche; per tale ragione questi elettrodi devono essere utilizzati nelle saldature di materiali soggetti alla criccabilità a caldo.
Una delle più grosse problematiche di questo tipo di rivestimento è data dall'elevata igroscopicità. Allo scopo di eliminare le tracce di umidità dal rivestimento l'elettrodo deve essere ben trattato in appositi fornetti altrimenti si potrebbe incorrere nelle problematiche della criccabilità a freddo.
Scelta degli elettrodi
La scelta del tipo di elettrodi deve tener conto delle caratteristiche del materiale base che si deve saldare; è quindi opportuno conoscerne la composizione chimica, le caratteristiche meccaniche tensili e di tenacità, la struttura metallografica ed in fine la posizione di esecuzione della saldatura.
NORME EUROPEE SUGLI ELETTRODI
La normativa europea di riferimento per gli elettrodi è la EN 499. La norma classifica, mediante una designazione alfanumerica, il tipo di elettrodo in funzione delle sue proprietà. Ad esempio:

            EN499 E 46 3 1Ni B 5 4 H5

EN499: Normativa di riferimento
E: Elettrodo
46: Indica il carico di snervamento minimo
3: Garantito il valore di resilienza di 47J ad una temperatura di -30°C
1Ni: Composizione chimica che indica una percentuale di Nichel di circa 1.00%
B: Tipo di rivestimento, in questo caso Basico
5: Rendimento e corrente
4: Posizione di saldatura
H5: Il tenore di idrogeno su un deposito di 100gr di saldatura.

Altre normative europee classificano gli elettrodi in base alla tipologia del riporto in saldatura, si vedano a tal proposito le norme

EN 757 - Materiali di apporto per saldatura - Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai ad alta resistenza - Classificazione
EN 1599 - Materiali di apporto per saldatura - Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai resistenti allo scorrimento viscoso - Classificazione
EN 1600 - Materiali di apporto per saldatura - Elettrodi rivestiti per saldatura manuale ad arco di acciai inossidabili e di acciai resistenti ad alta temperatura - Classificazione EN1600.

Elettrodi - Norme AWS
Oltre alle normative europee si fa spesso riferimento alle norme AWS dove la designazione è così definita:

    E - XX - XX

E
- elettrodo
Primo numero - indica Resistenza e snervamento minimo del metallo depositato (vedi tabella 1)
Secondo numero - indica il tipo di elettrodo (vedi tabella 2)
Tabella 1 - Resistenza e snervamento minimo del metallo depositato

Resistenza (N/mm²) Snervamento (N/mm²)
60 430-460 340-380
70 480-500 390-420
80 550 460-550
90 620 530-620
100 690 600-690
110 760 670-760
120 830 740-830

Tabella 2 - Tipo di elettrodo

Significato
10 Elettrodi cellulosici per c.c. polarità inversa (polo positivo all'elettrodo)
11 Elettrodi cellulosici per c.a. o c.c. polarità inversa (polo positivo all'elettrodo)
12 Elettrodi al rutilo per c.a. o c.c. (polarità diretta)
13 Elettrodi al rutilo per c.a. o c.c.
14 Elettrodi al rutilo a elevato rendimento per c.a. o c.c.
15 Elettrodi basici per c.c. polarità inversa
16 Elettrodi basici per c.a. o c.c. polarità inversa
18 Elettrodi basici a elevato rendimento per c.a. o c.c. polarità inversa
20 Elettrodi acidi per c.a. o c.c.
22 Idem per sola saldatura d'angolo
24 Elettrodi al rutilo a elevato rendimento per c.c. o c.a.
27 Elettrodi acidi a elevato rendimento per c.c. o c.a.
28 Elettrodi basici a elevato rendimento per c.a. o c.c. polarità inversa
48 Elettrodi basici a elevato rendimento per c.a. o c.c. polarità inversa
PREPARAZIONE DEI LEMBI.
La preparazione dei lembi deve essere eseguita tenendo conto dello spessore del materiale base della simmetria del giunto e dell'apporto di materiale che deve essere il più ridotto possibile.
lembi rettilembi retti
lembi retti
Preparazione a lembi retti
Spessore (t) fino a 6 mm, con gola (g) pari a 0,25÷0,5 t
Preparazione a VPreparazione a V
Preparazione a V
Preparazione a V
Lamiere (a=60°, g= 2÷3 mm, s= circa 1,5 mm)
Tubi (a=70°, g= 1D ascendente, g=1/2D discendente, s= 1÷1,25 mm) 
Preparazione ad UPreparazione ad U
Preparazione ad U
Preparazione a U
Usata per spessori >20 mm
Preparazione ad XPreparazione ad X
Preparazione ad X
Preparazione ad X
Usata per t 15÷40 mm
Simmetrica o dissimetrica 
Piattino di sostegnoPiattino di sostegno
Piattino di sostegno
Saldature con piattino di sostegno
s=0
E' possibile eseguire il primo strato in due passate 
DIFETTOSITA' PIU' FREQUENTEMENTE OSSERVABILI NELLA SALDATURA AD ELETTRODO
I difetti tipici che possiamo riscontrare nei cordoni di saldatura eseguiti ad elettrodo sono i seguenti:

Inclusioni di scoria:
  • maneggio errato dell'elettrodo
  • elettrodo troppo grosso
  • scarsa rimozione della scoria
Porosità:
  • inquinamento del bagno fuso con grasso, vernice, ruggine
  • eccessiva lunghezza d'arco
Incisioni marginali:
  • corrente elevata
  • arco troppo lungo
Cricche a caldo
Cricche a freddo
Mancanza di penetrazione e di fusione
Accreditamenti Aster Accredia Accredia Accredia Tuv Nord Nadcap Crit
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