Saldatura Nichel e leghe di Nichel

La saldatura Nichel è molto delicata: è importante che durante la lavorazione vengano mantenute le proprietà del metallo in tutte le zone del pezzo trattato. Quali tipi di saldatura è meglio utilizzare e quali sono le principali problematiche rispetto alla saldabilità delle leghe di Nichel?

Il Nichel e le sue leghe vengono solitamente scelte per l’eccellente resistenza alla corrosione e alle alte e basse temperature. Questo metallo è molto performante in ambienti estremi. Di conseguenza, affinché la lega performi al meglio, è estremamente importante che le sue proprietà siano mantenute in tutta la zona di saldatura e che la saldatura sia di buona qualità. Infatti, ogni difetto potrebbe influire sulle prestazioni del pezzo una volta installato nell’ambiente specifico.

In questo articolo parleremo della saldatura delle leghe di Nichel; per scoprire di più sulla saldabilità dei metalli, leggi l’articolo “Saldabilità: breve guida ai metalli saldabili”.

Il nome “Nichel” ha origine in Germania, anche se i principali depositi si trovano in Canada e Australia. I minatori, cercando il rame, trovarono questo elemento. Dal loro punto di vista era rame contaminato e lo chiamarono Kupfer-nickel (“rame del diavolo”, “falso rame”).

Il Nichel è un metallo argenteo simile al Ferro per molte proprietà: ha una resistenza e una durezza leggermente inferiori ed è magnetico (sebbene alcune leghe di Nichel siano completamente amagnetiche). Tuttavia, a differenza del Ferro, il Nichel ha un’altissima resistenza alla corrosione. Questa proprietà lo rende prezioso nelle applicazioni industriali, navali, aeronautiche e odontoiatriche, per fare qualche esempio.

È un materiale tanto utile quanto costoso e, visto il suo valore, il contenuto percentuale di Nichel è ciò che determina il prezzo dell’Acciaio Inox. Leggi anche: “Saldatura acciaio inox: tutto quello che devi sapere”.

Il Nichel in purezza è identificato solitamente con una numerazione standard (Es: 200, 201, 270). Tuttavia, spesso vengono aggiunti altri metalli per migliorare le capacità meccaniche, enfatizzare le proprietà già presenti e ridurre i costi.

Le leghe di Nichel sono raggruppate in base ai principali elementi che le compongono e, sebbene esistano denominazioni nazionali e internazionali, i nomi commerciali sono usati più comunemente. Ad esempio:

• Inconel: contiene Cromo, Molibdeno e Ferro. Resistente all’ossidazione, è caratterizzato da eccellenti prestazioni in ambienti ad alta temperatura e forza meccanica.
• Monel: gruppo di leghe di Nichel a base di rame (55-91,5%). Molto resistenti (anche all’acqua salata e alle incrostazioni), hanno alte performance anche in ambienti a bassa temperatura. Per questo motivo, sono utilizzate nell’industria navale. A volte vengono aggiunte piccole percentuali di Ferro, Stagno e Manganese per migliorare ulteriormente la resistenza alla corrosione.
• Hastelloy: superlega di Nichel-Cromo o Nichel-Molibdeno. Altamente resistenti alla corrosione, si caratterizzano per una buona stabilità termica. Queste leghe vengono utilizzate nell’industria aerospaziale e in quella chimica. In particolare, le leghe Nichel Cromo sono caratterizzate anche da un’elevata resistenza elettrica. Per questo sono adatte ad essere utilizzate come elementi riscaldanti, come quelli presenti nei forni e negli elettrodomestici. D’altro canto, le leghe Nichel-Molibdeno sono spesso utilizzate per scambiatori di calore, pompe e recipienti a pressione dei reattori.
• Nitinol: lega di Nichel-Titanio. Caratterizzata da un’eccellente resistenza alla corrosione e buona resistenza meccanica, sono un tipo di lega a memoria di forma (SMA). Queste leghe sono particolarmente utili nelle applicazioni mediche.
• Invar: leghe Nichel-Ferro. Hanno una buona duttilità, bassa espansione termica, resistenza alla corrosione e proprietà magnetiche “morbide”. Sono utilizzate in applicazioni in cui si desidera una bassa espansione termica, come nel caso di apparecchiature scientifiche sensibili, o in cui le lievi proprietà magnetiche sono vantaggiose, ad esempio nei trasformatori.

In termini di saldabilità, queste leghe possono essere classificate in due gruppi.

• Leghe in soluzione solida: ci si riferisce al Nichel puro, Nichel Rame o Nichel Ferro Cromo. Queste leghe sono facilmente saldabili per fusione, sempre considerando le sfide specifiche, e di solito non è necessario il trattamento termico post-saldatura.
• Leghe indurite per precipitazione: di solito contengono una combinazione di Alluminio, Titanio o Niobio in aggiunta a Nichel, Ferro e Cromo. Queste leghe sono più complesse: è importante scegliere il metallo d’apporto corretto e può essere necessario un trattamento termico post-saldatura. Possono essere soggette a fessurazioni post-trattamento termico di saldatura.

Abbiamo visto come le leghe di nichel abbiano una bassa conducibilità termica, siano resistenti alle incrostazioni, all’ossidazione, a temperature elevate e non si induriscano senza l’uso di tecniche particolari. Oltre ai tanti pregi, è bene ricordare che questo metallo presenta numerose sfide nel processo di saldatura.

Le leghe di nichel sono soggette a porosità, cricche, contaminazione e inclusioni di ossido. Il Nichel non perdona errori: è necessario conoscerlo ed avere appropriate procedure per ridurre al minimo i difetti di saldatura. Se la saldatura non riesce in maniera ottimale, è quasi sempre necessario rimuovere meccanicamente il metallo saldato e ricominciare dal principio.

1. Porosità

Le leghe di nichel possono sviluppare porosità se una minima quantità di Ossigeno e Azoto rimangono intrappolati nel bagno di saldatura. Per questo motivo, la massima copertura di gas di protezione è fondamentale, come anche l’isolamento dell’ambiente di lavoro da correnti d’aria.

2. Ossidazione

Le piccole quantità di Alluminio, Titanio, Cromo contenute nelle leghe di Nichel sono sufficienti a produrre ossidi superficiali. Essi fondono a una temperatura superiore a quella del metallo sottostante. Se non vengono rimossi prima della saldatura (anche più volte nel caso la saldatura sia a più passate), inficeranno la stabilità del giunto, portando anche a cricche di saldatura.

Gli ossidi superficiali delle leghe di Nichel devono essere rimossi con una molatura o una lavorazione abrasiva: l’uso di spazzole in acciaio inossidabile non è sufficiente.

3. Impurità

Il giunto da saldare deve essere ben pulito prima di iniziare la saldatura. Il Nichel diventa fragile quando entra in contatto con Zolfo, Fosforo e Piombo a temperature elevate. Questi elementi contaminanti sono normalmente presenti in grassi, oli, vernici, pastelli per la marcatura, sostanze lucidanti, fluidi da taglio, sporcizia e prodotti chimici di lavorazione.

4. Bagno di saldatura

Il bagno di saldatura delle leghe di Nichel è piuttosto denso, non fluido: vi è scarsa fusione con il metallo circostante ed è quindi più difficile da far penetrare nel giunto. Il rischio che si corre è quello di creare cordoni convessi e irregolari.

5. Cricche a caldo

Le cricche a caldo e le microfessurazioni nelle leghe di Nichel sono dovute a fattori termici e alla contaminazione del bagno di saldatura. Come abbiamo visto, sostanze contaminanti e normalmente presenti come Zolfo, Fosforo, Piombo e altri elementi con un basso punto di fusione rappresentano un pericolo alla buona riuscita della saldatura.

Le leghe di Nichel possono essere saldate con tutti i processi di saldatura ad arco. Tuttavia, per ottenere risultati ottimali, le saldature TIG e MIG sono da preferire.

Per quanto riguarda l’applicazione su leghe di Nichel, il processo di saldatura TIG (GTAW) offre il miglior controllo del bagno di saldatura e risultati estetici ottimali.

Anche se richiede una maggiore competenza tecnica, la saldatura TIG assicura una precisione e una qualità superiori. Un saldatore TIG esperto può ottenere saldature dall’aspetto impeccabile, con una fusione uniforme e una larghezza del cordone costante.

È altamente consigliato utilizzare la saldatura TIG per le leghe di Nichel quando si lavorano materiali sottili, quando si necessita di una finitura di alta qualità o quando si deve eseguire una saldatura di fondo su una parte non accessibile del giunto.

Per saldare a TIG le leghe di Nichel si utilizza la configurazione con elettrodo negativo in corrente continua (DCEN). Per la saldatura di lamiere molto sottili si può utilizzare il metodo TIG in corrente continua standard o saldatrici TIG pulsate.

Rispetto al TIG, la saldatura MIG (GMAW) è più semplice, veloce e consente di saldare sezioni più spesse di pezzi in leghe di Nichel. Tuttavia, è più difficile ottenere risultati esteticamente di pregio.

Per saldare a MIG le leghe di Nichel si utilizza solitamente la configurazione MIG pulsata.

In genere, è auspicabile utilizzare metalli d’apporto con composizione chimica simile a quella della lega di Nichel trattata.

I gas di protezione per la saldatura del Nichel e delle sue leghe sono solitamente inerti: Argon o Elio, o una miscela dei due. Infatti, l’aggiunta di Ossigeno, Anidride Carbonica o Azoto al gas Argon provoca generalmente porosità o erosione dell’elettrodo. L’argon con piccole quantità di idrogeno (in genere il 5%) può essere utilizzato per evitare la porosità nel Nichel puro e per ridurre la formazione di ossido durante la saldatura.

Il Nichel, sia in purezza che in Superlega (quando viene unito al Cromo e al Molibdeno), è un materiale utilizzato in applicazioni ad alto livello tecnico per la realizzazione di componenti che devono resistere a condizioni di utilizzo estremamente difficili.

Le saldature Nichel e sue leghe sono, per chi non le utilizza abitualmente, veramente ostiche e piene di imprevisti non piacevoli. D’altro canto, sono le performance richieste alle applicazioni stesse a esigere saldatori esperti e qualificati.

L’esperienza pluridecennale conferma Casa della Saldatura come partner affidabile a cui rivolgersi per gestire le saldature in Nichel e sue leghe utilizzando tutti i principali processi di saldatura, tra cui:

• saldature TIG con riporto filo freddo
• saldature MIG a filo continuo.

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