Il Rame e le leghe di Rame sono materiali importanti in molte applicazioni per via della buona conducibilità elettrica e termica, la resistenza alla corrosione, all’usura e per l’aspetto estetico distintivo. Ma come saldare il Rame in maniera ottimale?
Saldare il Rame è arduo se non si conoscono le sue proprietà e le fasi chiave del processo. Con le adeguate conoscenze e l’expertise, i progetti di saldatura del Rame possono dare risultati altamente performanti.
Il Rame è un metallo dotato di un’elevata conduttività termica. Il calore necessario per la saldatura del Rame è all’incirca il doppio di quello richiesto per la stessa lavorazione dell’acciaio inox di spessore simile.
La saldatura ad arco permette di saldare quasi tutte le leghe di Rame e il Rame puro. Ma è anche possibile brasare il Rame e le sue leghe per ottenere un giunto in determinate applicazioni.
Scopri di più su “Le 7 principali tecniche di saldatura”.
In questo articolo vedremo come saldare il Rame, perché la saldatura del Rame è impegnativa e le informazioni chiave sulla preparazione pre-saldatura.
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Rame e leghe di Rame
Il Rame è un metallo dall’utilizzo millenario, impiegato fin dalla preistoria e ampiamente presente nelle moderne applicazioni ingegneristiche, quali tubature, fili elettrici e dispositivi tecnologici. Le sue caratteristiche fisiche e meccaniche lo rendono straordinariamente versatile e adatto a diverse esigenze:
- Eccellente per la creazione di leghe: Nelle applicazioni industriali, il Rame si presta bene all’aggiunta di altri metalli che ne migliorano le prestazioni. Le leghe più note includono ottone (Rame e zinco), bronzo (Rame e stagno) e Rame-nickel.
- Proprietà antibatteriche: Il Rame presenta notevoli proprietà antimicrobiche, rendendolo particolarmente utile in settori in cui il controllo dei germi è cruciale, come quello sanitario e alimentare. Le superfici di Rame ostacolano la sopravvivenza dei patogeni, riducendo il rischio di diffusione attraverso il contatto.
- Facilità di lavorazione: Grazie alla sua duttilità e malleabilità, il Rame si presta facilmente alla lavorazione, consentendo di plasmare i pezzi in forme anche complesse.
- Variegato in colorazione: Il Rame offre una vasta gamma di colori, superata solo da pochi altri metalli.
- Elevata conduttività: Secondo solo all’argento, il Rame spicca per la sua eccellente conduttività elettrica, risultando essenziale in applicazioni che richiedono una trasmissione di calore ad alta prestazione.
- Resistente e duraturo: Il Rame e le sue leghe mostrano una notevole resistenza meccanica, resistendo a crepe, usura e tagli. Inoltre, a contatto con l’ambiente esterno, il Rame sviluppa una patina verde che preserva il metallo sottostante.
- Saldabile: Il Rame e le leghe di Rame possono essere unite mediante saldatura o brasatura, senza comprometterne le proprietà meccaniche o la suscettibilità alla corrosione.
La composizione del Rame puro si attesta intorno al 99,3% minimo. Solitamente, esso viene fornito in tre forme principali:
- Rame privo di ossigeno
- Rame ossigenato, in cui le impurità e il residuo di ossigeno possono causare porosità e altre discontinuità durante la saldatura.
- Rame disossidato al fosforo
In termini di leghe di Rame, si distinguono diverse tipologie:
- Leghe ad alto tenore di Rame: come il Rame a lavorazione libera, in cui l’aggiunta di piccole quantità di Zolfo o Tellurio migliora la lavorabilità della lega, ma la rende molto suscettibile alle cricche durante il processo di saldatura; o le leghe di Rame temprabili per precipitazione, in cui piccole aggiunte di Berillio, Cromo o Zirconio vengono seguite da un trattamento termico di tempra per precipitazione per migliorare le proprietà meccaniche. Anche in questo caso la saldatura è sconsigliata in quanto può portare al degrado delle proprietà meccaniche.
- Leghe Rame-Zinco (Ottone): possono essere a basso contenuto di Zinco (fino al 20%) o ad alto contenuto di Zinco (30-40%). Con l’aggiunta di Zinco, la lega di Rame diminuisce la sua temperatura di fusione, la densità, la conducibilità elettrica e termica, mentre aumenta la resistenza, la durezza, la duttilità e il coefficiente di espansione termica. Le leghe ad alto contenuto di Zinco sono rintracciabili nei nuclei e nei serbatoi dei radiatori automobilistici, lampade, serrature, raccordi idraulici e cilindri delle pompe. Le criticità più comuni includono la volatilizzazione dello Zinco durante la lavorazione e la porosità del metallo saldato.
- Leghe Rame-Stagno (Bronzo fosforoso): il contenuto di Stagno può variare dal 1% al 10%. Esse sono soggette a cricche a caldo in condizioni di stress. Applicazioni specifiche includono cuscinetti per ponti, piastre di espansione, raccordi, ferramenta chimica e componenti di macchinari tessili.
- Leghe Rame-Alluminio (Bronzo alluminio): contengono dal 3% al 15% di Alluminio con aggiunte di Ferro, Nichel e Manganese. Comuni in applicazioni come pompe, valvole, altri raccordi per l’acqua e cuscinetti per l’uso in ambienti marini e aggressivi.
- Leghe di Rame-Silicio (Bronzo al Silicio): disponibili in forma di ferro o ghisa, sono importanti a livello industriale per la buona saldabilità e l’elevata resistenza. Il bronzo a basso tenore di Silicio (1,5%) è utilizzato per le linee di pressione idraulica, i tubi degli scambiatori di calore, la ferramenta marina e industriale e i dispositivi di fissaggio. Il bronzo ad alto tenore di Silicio (3%) è utilizzato per applicazioni simili, oltre che per le apparecchiature dell’industria chimica e gli alberi delle eliche marine.
- Leghe Rame-Nichel: contengono il 10%-30% di Nichel. Sono comunemente utilizzate in piastre, tubi per evaporatori, condensatori e scambiatori di calore in quanto resistenti all’ossidazione e alla corrosione.
- Leghe Rame-Nichel-Zinco (Nickel Silvers): contengono Zinco (17%-27%) e Nichel (8%-18%). L’aggiunta di Nichel conferisce loro un aspetto argentato e migliora la forza e la resistenza alla corrosione, ma possono essere soggette a de-zincificazione e cricche da tensocorrosione. Applicazioni includono ferramenta, elementi di fissaggio, parti ottiche e telecamere, materiali per l’incisione.
Le sfide alla saldatura del Rame e leghe
Viste le numerose leghe di Rame e le loro esigenze specifiche, affrontare la saldatura del Rame può rappresentare una sfida complessa. La notevole conducibilità termica ed elettrica, unita al basso punto di fusione, complica ulteriormente il processo.
Nel caso di saldatura di componenti in Rame e relative leghe, il calore si disperde rapidamente dalla zona saldata, creando il rischio di insufficiente penetrazione, soprattutto se si lavora con spessori considerevoli. L’utilizzo di precauzioni come dispositivi di fissaggio e morsetti è essenziale per prevenire deformazioni, dato l’alto coefficiente di espansione termica del Rame.
La vasta differenza di temperatura tra lo stato liquido e solido del Rame rende alcune leghe, come il Rame-Nichel e il Rame-Stagno, suscettibili di cricche a caldo durante il processo di solidificazione della saldatura. Il raffreddamento lento è cruciale per evitare questo problema.
Le leghe di Rame, soprattutto quando legate all’Alluminio o al bronzo al Silicio, tendono a ossidarsi, formando incrostazioni. Inoltre, elementi di lega a basso punto di ebollizione come Cadmio, Fosforo e Zinco possono causare porosità nella saldatura, vaporizzandosi durante il processo. La scelta di un metallo d’apporto a basso contenuto di tali composti e l’uso di una velocità di avanzamento elevata risultano strategie importanti per contrastare questi problemi.
Infine, il Rame e le sue leghe possono contenere elementi nocivi per la salute del saldatore, come Zinco, Alluminio, Cadmio, Arsenico, Cromo e Piombo. Pertanto, è essenziale garantire un ambiente di lavoro conforme alle normative specifiche per il controllo dei fumi e gas di saldatura pericolosi, assicurando la sicurezza e la salute dell’operatore.
In sintesi, gli accorgimenti specifici necessario per eseguire una saldatura del Rame in modo professionale non mancano. Ricordiamo qui le principali pratiche consigliate:
- Preparazione e rimozione dell’ossido: è essenziale eseguire una pulizia accurata del giunto di saldatura da oli, vernici, grassi, polveri, sporcizia o altri contaminanti. Inoltre, per le leghe come Rame-Alluminio, Rame-Nichel e Rame-Berillio, è fondamentale eliminare gli ossidi superficiali utilizzando strumenti specifici per il Rame al fine di evitare contaminazioni con altri metalli.
- Preriscaldamento del Rame: a differenza di leghe come Rame-Alluminio, Rame-Stagno, Rame-Nichel che non richiedono preriscaldamento, il Rame puro e altre sue leghe possono trarre beneficio da questa pratica.
Il preriscaldo è particolarmente utile quando si saldano sezioni di spessore elevato, al fine di favorire una saldatura meno porosa. Maggiore è lo spessore del pezzo in lavorazione, maggiore potrebbe essere la temperatura di preriscaldo richiesta.
Come saldare il Rame e le sue leghe?
Per la maggior parte dei lavori di saldatura del Rame si consiglia di utilizzare il processo di saldatura TIG (GTAW). Tuttavia, è possibile utilizzare anche processi di saldatura MIG (GMAW).
Saldatura TIG del Rame
L’utilizzo della saldatura TIG è raccomandata per unire pezzi di Rame con spessori sottili o medi. È possibile eseguire la saldatura TIG su spessori di Rame fino a 20 mm circa, ma per procedere con spessori così consistenti è consigliabile un notevole preriscaldamento del pezzo. La saldatura MIG è più indicata pezzi di Rame con spessori importanti, ma il processo TIG offre i vantaggi della precisione e di una zona termicamente alterata (ZTA) più limitata.
Meglio adottare tecniche di saldatura a dritto o rovescio con una velocità di avanzamento relativamente elevata, anche se una velocità eccessiva potrebbe compromettere il riempimento lungo i bordi. I cordoni sono preferibili in quanto l’oscillazione dell’arco può esporre i bordi all’atmosfera, causando ossidazione inutile.
Nel caso di saldature a più passate (necessarie per sezioni spesse), è essenziale pulire tutte le zone ossidate prima di ogni passata. Per la maggior parte dei lavori di saldatura del rame, è preferibile l’uso di una polarità DCEN (configurazione con elettrodo negativo in corrente continua) e di elettrodi in tungsteno toriati. Tuttavia, per saldare leghe Rame-Alluminio, è possibile utilizzare la TIG AC in modo da rimuovere gli ossidi di Alluminio dalla superficie del materiale.
Saldatura MIG del Rame
Quando si tratta di unire pezzi di Rame di spessore considerevole, la procedura di saldatura MIG è da preferire. Durante la saldatura MIG del Rame, è possibile impiegare temperature di preriscaldo leggermente inferiori e velocità di saldatura notevolmente superiori rispetto a quelle usate nel processo TIG.
La polarità DCEP (configurazione con elettrodo positivo in corrente continua) è consigliata per la saldatura del Rame.
Nel caso della saldatura MIG del rame con trasferimento spray arc, si consiglia l’uso di cordoni a trama stretta. Analogamente alla saldatura TIG, un’eccessiva oscillazione dell’arco può portare all’ossidazione dei bordi del cordone. È inoltre possibile impiegare la saldatura MIG pulsata per ottenere un migliore trasferimento spray arc, e persino saldare il rame in posizione verticale (in salita).
Saldature Rame: metallo d’apporto e gas di protezione
La scelta del metallo d’apporto per la saldatura del Rame è complessa:
- Per il Rame puro, in generale, è meglio utilizzare metalli d’apporto con disossidanti come ERCu e ERCuSi-A.
- Per la saldatura del bronzo all’Alluminio e per saldare il Rame a metalli dissimili, è consigliato optare per il metallo d’apporto ERCuAl-A2.
- Nella saldatura di molte leghe Rame-Nichel, è preferibile impiegare il metallo d’apporto ERCuNi.
- Nel caso del Rame-Silicio e delle leghe Rame-Zinco, è consigliato utilizzare il metallo d’apporto ERCuSi-A.
Per quanto riguarda il gas di protezione ottimale, bisogna operare una distinzione. Per la saldatura TIG del Rame e delle sue leghe, sebbene sia possibile utilizzare l’Argon, è preferibile l’uso di Elio o miscele 75% Elio e 25% Argon, specie per giunti con uno spessore superiore a 1,5 mm. Infatti, l’Elio intensifica il calore dell’arco, migliorando notevolmente la penetrazione della saldatura ed evitando perdite eccessive di calore nel metallo circostante, aspetto cruciale nella saldatura del Rame.
Nel caso di processo MIG, il gas di protezione deve essere Argon al 100% o una miscela di Argon ed Elio. Anche in questo caso, maggiore è la quantità di Elio utilizzata, più caldo sarà l’arco e più profonda sarà la penetrazione.
Saldature Rame: affidati a Casa della Saldatura
In Casa della Saldatura, grazie all’esperienza accumulata in quarant’anni di attività nel settore saldature su diversi metalli, ci avvaliamo di diverse tecniche per la saldatura del Rame, tra cui TIG e MIG/MAG, a seconda dell’applicazione finale delle lamiere in rame.
Perché dovresti scegliere Casa della Saldatura per i tuoi progetti aziendali di saldatura del Rame?
- Possiamo gestire la lavorazione basata su progetti esistenti e siamo in grado di supportare con professionalità il cliente che ci richiede la fase di progettazione.
- Il parco macchine e il personale specializzato ci consentono di eseguire lavorazioni in serie, anche complesse, sia in grandi che in piccole quantità.
- In base alle esigenze del cliente, siamo in grado di produrre sia prodotti finiti che semilavorati.