Storia della saldatura

La moderna lavorazione dei metalli sarebbe impossibile senza la saldatura. Ma dove e quando nasce la saldatura? Chi ha inventato la saldatura e come è cambiata nel tempo?

La saldatura è un processo di lavorazione dei metalli che è nato nell’antichità e si è evoluto durante i secoli, arrivando ai giorni nostri.

Erroneamente, potrebbe essere data per scontata. Le auto che guidiamo, gli edifici in cui lavoriamo e gli elettrodomestici che usiamo ogni giorno, sono tutti tenuti insieme da qualche tipo di saldatura.

Riesci a immaginare un mondo senza saldatura? Per circa 195.000 anni, l’uomo ha utilizzato solo bastoni, pietre e ossa di animali. Infatti, trovare metallo in forma utilizzabile era cosa rara e veniva visto come dono divino.

Tutto è cambiato intorno al 5.000 a.C., quando le prime civiltà hanno scoperto e iniziato a impiegare i metalli. Storicamente, la figura del fabbro nasce per fondere insieme pezzi di metallo e, tecnicamente, la saldatura si basa su questo principio: unire diversi pezzi di metallo. Questo primo tipo di saldatura, enormemente oneroso quanto impreciso, era chiamato saldatura a forgia.

Nei prossimi paragrafi vedremo quando, dove e come è nata la saldatura.

I primi riferimenti alla parola “saldatura” sono stati rinvenuti in alcuni manoscritti dell’orafo italiano Benvenuto Cellini (XVI secolo) in cui si descriveva il processo utilizzato per brasare (link a articolo brasatura) argento e rame.

Nel XIX secolo, i metodi di saldatura evolvono a passi rapidi grazie alla Rivoluzione industriale: le fabbriche chiedevano tipi di saldatura più avanzati e vennero sviluppate tecnologie innovative. Alcuni progressi del periodo? Gli altiforni e l’utilizzo dell’ossigeno.

Tuttavia, per parlare di saldatura come la conosciamo oggi, dovremo aspettare il XIX secolo. Le prime saldature a gas vennero inventate alla fine del XIX secolo, mentre le saldature elettriche diventarono disponibili nel XX secolo.

Nel 1836, fu Sir Edmund Davy a scoprire l’acetilene e Sir Humphry Davy produsse il primo arco elettrico: un arco che utilizzava una batteria, posto tra due elettrodi di carbonio.

Eppure, solo negli ultimi decenni del secolo si arrivò a importanti sviluppi applicati alle saldature:

• 1877, USA – L’invenzione della saldatura elettrica. Fu Elihu Thompson a ideare la saldatura a elettrodo, il primo sistema di saldatura con l’elettricità. Le parti da saldare erano serrate tra due elettrodi di rame riscaldati dal passaggio di corrente elettrica. Gli elettrodi a loro volta scaldavano e fondevano i metalli nel punto da saldare.
• 1881, Francia – Nikolai Benardos introdusse la saldatura ad arco di carbonio, il primo metodo pratico di saldatura ad arco. Ottenne il brevetto anche in Regno Unito (1885) e USA (1887). Gli sforzi di Benardos si limitarono alla saldatura ad arco di carbonio, sebbene fosse in grado di saldare anche il ferro e il piombo.

La saldatura ad arco di carbonio (CAW) è un processo per l’unione dei metalli che utilizzava un elettrodo di carbonio non consumabile per produrre un arco elettrico tra l’elettrodo e i materiali da saldare. Questo arco produceva temperature superiori ai 3.000 °C, in grado di saldare metalli separati.

• 1888, Russia – Nikolay Slavyanov introdusse la saldatura ad arco con elettrodi metallici consumabili, o saldatura ad arco metallico schermato, il secondo metodo di saldatura ad arco storico.

La saldatura ad arco con metallo schermato (SMAW), nota anche come saldatura ad arco manuale con metallo schermato (saldatura MMA), saldatura ad arco con flusso schermato o saldatura a bastoncino, è un processo di saldatura ad arco manuale che utilizza un elettrodo consumabile ricoperto da un flusso per eseguire la saldatura.

• 1890, USA – A Detroit, Charles Coffin ottenne il primo brevetto statunitense per un processo di saldatura ad arco che utilizzava un elettrodo metallico, registrando così la prima applicazione nota di metallo fuso dall’elettrodo trasportato attraverso un arco per depositare il metallo d’apporto nel giunto e realizzare una saldatura. La differenza con la saldatura ad arco di Slavyanov? L’obiettivo: fondere il metallo in uno stampo.

Nel XX secolo, le tecniche di saldatura continuarono ad evolvere e il processo di saldatura divenne molto richiesto, anche a causa dell’enorme fabbisogno produttivo di armamenti dato dalla Prima e dalla Seconda Guerra Mondiale. Si volevano ottenere giunti saldati di buona qualità, ma la produttività richiesta era decisamente maggiore da quella garantita dall’elettrodo.

Quindi negli USA si iniziò a studiare un procedimento con filo continuo per semplificare, velocizzare e migliorare le lavorazioni rispetto a quelle ottenute fino ad allora con l’elettrodo rivestito.

In questo periodo si svilupparono alcuni processi di saldatura a elettrodo, tra cui la saldatura a punti, la saldatura a cordoni e la saldatura a proiezione. Anche la saldatura e il taglio a gas furono perfezionati.

Se prima del ‘900 venivano usati idrogeno e gas di carbone insieme all’ossigeno, intorno al 1900 fu sviluppata una torcia (o cannello) adatta all’uso di acetilene a bassa pressione. Così nacque la saldatura ossiacetilenica, che permetteva di fondere il metallo grazie alla combustione di acetilene e ossigeno.

• 1900, Gran Bretagna – Strohmenger introdusse un elettrodo metallico rivestito. Si trattava di un sottile rivestimento di argilla o calce, ma forniva un arco più stabile.
• 1903, Germania – Goldschmidt inventò la saldatura esotermica (TW), utilizzata per saldare le rotaie ferroviarie.
• 1907, Svezia – Anche Oscar Kjellberg inventò un elettrodo rivestito: gli elettrodi a bastoncino venivano prodotti immergendo brevi tratti di filo di ferro nudo in miscele di carbonati e silicati, poi fatti asciugare.

Nel 1919 venne istituita l’American Welding Society (AWS), un’organizzazione senza scopo di lucro dedicata al progresso della saldatura e dei processi affini. Nello stesso anno, C.J. Holslag inventò la saldatura a corrente alternata che, negli anni ’30 (quando si diffuse l’elettrodo con rivestimento pesante), divenne la forma di saldatura più amata in paesi come gli USA.

Nel 1920 P.O. Nobel della General Electric Company introdusse la saldatura automatica. Un elettrodo a filo nudo continuo alimentato da un motore elettrico e la tensione d’arco venivano utilizzati come base per regolare la velocità di avanzamento.

Negli anni ’20 furono sviluppati diversi tipi di elettrodi di saldatura e ci fu un acceso dibattito sui vantaggi delle bacchette con rivestimento pesante rispetto a quelle con rivestimento leggero. A vincere la diatriba furono gli elettrodi con rivestimento pesante prodotti per estrusione, che nel 1930 erano già ampiamente utilizzati. La richiesta di una qualità superiore delle saldature aumentò l’uso degli elettrodi rivestiti.

Nel corso degli anni Venti non mancarono le ricerche sulla schermatura dell’arco e dell’area di saldatura mediante gas applicati esternamente. L’atmosfera di ossigeno e azoto a contatto con il metallo fuso provoca saldature fragili e talvolta porose. Di conseguenza, vennero testate tecniche di schermatura con gas diversi:

• Alexander e Langmuir utilizzavano come atmosfera di saldatura l’idrogeno con due elettrodi di carbonio. Passarono poi a elettrodi di tungsteno. L’idrogeno veniva trasformato in idrogeno atomico nell’arco e soffiato fuori per formare una fiamma calda che si trasformava in forma molecolare e liberava calore. Questo arco produceva la metà del calore di una fiamma ossiacetilenica. Il processo di saldatura a idrogeno atomico non è mai stato utilizzato in larga scala, ma venne usato negli anni ’30 e ’40 per applicazioni speciali di saldatura e in seguito per la saldatura di utensili di acciaio.
• Hobart e Devers seguivano un processo simile, ma utilizzando atmosfere di argon ed elio per proteggere l’area di saldatura dall’ossidazione e per migliorare la qualità della saldatura stessa. I loro brevetti del 1926 rappresentarono un importante passo avanti nella tecnologia della saldatura ad arco, in particolare si dimostrano precursori dei processi di saldatura TIG e saldatura MIG/MAG.

La saldatura a perno, che in seguito si diffuse nell’industria navale e edile, fu sviluppata presso il cantiere navale di New York (1930) per fissare la coperta di legno su una superficie metallica.

In realtà, il processo automatico che prese piede in modo capillare fu quello della saldatura ad arco sommerso. Questo processo di saldatura fu sviluppato per realizzare le giunture longitudinali dei tubi dalla National Tube Company. Ancora oggi popolare e tra i più produttivi, questo tipo di saldatura fu utilizzato alla fine degli anni ’30 nei cantieri navali e nelle fabbriche di ordigni.

Negli anni ’40, si vide il perfezionamento della tecnica di saldatura a TIG. La saldatura ad arco di tungsteno gassoso (saldatura TIG) nasce dal brevetto del 1890 di Coffin: l’idea di saldare in un’atmosfera di gas non ossidante fu ulteriormente perfezionato alla fine degli anni ‘20 da Hobart (che utilizzò l’elio per la schermatura) e da Devers (che utilizzò l’argon). Questo processo era ideale per la saldatura del magnesio, dell’acciaio inossidabile e dell’alluminio.

Il processo fu ultimato e brevettato da Meredith nel 1941 con il nome di saldatura a eliarco. In seguito fu sviluppata la torcia raffreddata ad acqua. Il processo di saldatura TIG è ancora oggi uno dei più importanti.

Il processo di saldatura MIG/MAG fu sviluppato al Battelle Memorial Institute (Ohio) nel 1948. L’arco schermato a gas era simile all’arco di tungsteno a gas, ma invece dell’elettrodo di tungsteno veniva utilizzato un filo elettrodico ad alimentazione continua.

Il processo diventò molto più fluido quando si iniziò a usare un filo elettrodico di piccolo diametro e una fonte di alimentazione a tensione costante. Questa tecnica, concepita per la saldatura di metalli non ferrosi, venne man mano utilizzata sull’acciaio; tuttavia, l’elevato costo del gas inerte non mostrò da subito i vantaggi di questo processo.

Nel 1953, Lyubavskii e Novoshilov annunciarono la nascita della saldatura con elettrodi consumabili in un’atmosfera di anidride carbonica. Fu un successo: il processo di saldatura a CO2 utilizzava attrezzature già sviluppate per la saldatura ad arco con gas inerte (TIG/MIG), ma poteva essere utilizzato per saldare in modo economico gli acciai.

L’arco a CO2 richiede correnti piuttosto elevate, soprattutto per i fili elettrodici più grandi. Tuttavia, l’introduzione di fili elettrodici di diametro inferiore e di alimentatori perfezionati ha permesso una diffusione del processo. All’inizio degli anni ’60 divenne popolare la variante che prevedeva l’uso di gas inerte con piccole quantità di ossigeno. Una variante recente è l’uso della corrente pulsata.

Nel 1957, dopo l’introduzione della saldatura a CO2, venne brevettata una variante che utilizzava un filo elettrodico speciale noto come “elettrodo interno-esterno”. Questo filo aveva una sezione tubolare con gli agenti flussanti all’interno, e il processo fu chiamato Dualshield, poiché utilizzava sia un gas di protezione esterno che il gas prodotto dal flusso all’interno del filo per schermare l’arco.

Nello stesso anno, nacque la saldatura ad arco al plasma, un processo che sfrutta un arco restrittivo o che passa attraverso un orifizio, generando un arco di plasma con una temperatura più elevata rispetto a quella dell’arco di tungsteno. Questo processo viene utilizzato non solo per la saldatura, ma anche per la spruzzatura, la scriccatura e il taglio dei metalli.

Sempre nel 1957, in Francia, viene inventato il processo di saldatura a fascio di elettroni, che utilizza come fonte di calore un fascio focalizzato di elettroni in una camera a vuoto. L’industria automobilistica e aeronautica sono i principali utilizzatori della saldatura a fascio elettronico.

L’anno successivo, i sovietici presentarono il processo di saldatura a scoria elettrolitica all’esposizione mondiale di Bruxelles. Il primo utilizzo produttivo del processo avvenne nel 1959 presso la General Motors di Chicago, dove fu chiamato processo di elettro-erosione e utilizzato per la fabbricazione di blocchi motore diesel saldati. Questo processo e la sua variante, che utilizza un tubo guida consumabile, sono oggi utilizzati per la saldatura di materiali più spessi.

Si dovette attendere il 1959, per la produzione di un elettrodo interno-esterno che non richiedeva la schermatura esterna con gas. L’assenza di gas di schermatura rese il processo idoneo per lavori non critici. Questo processo fu chiamato Innershield o saldatura con filo animato.

Nel 1961 fu introdotta la saldatura a elettrogas, un altro metodo di saldatura verticale. Questo processo utilizzava un’apparecchiatura sviluppata per la saldatura a scoria, ma con un elettrodo a filo animato e uno schermo di gas fornito esternamente. A differenza della saldatura a scoria, questo processo è ad arco aperto, poiché non prevede l’utilizzo di un bagno di scoria.

In seguito, sono stati sviluppati metodi più avanzati, come l’utilizzo di fili elettrodici autoschermanti o fili solidi con schermatura a gas. Questi metodi consentono di saldare materiali più sottili.

Come abbiamo visto, la saldatura ha oscurato molte altre tecniche (come quella dell’uso dei rivetti) per due motivi principali: la resistenza e il costo. La rivettatura richiedeva la sovrapposizione delle piastre, aumentando la quantità di materiale necessario e quindi il costo del progetto. In questo senso, la saldatura si è rivelata molto più conveniente.

La saldatura ha dimostrato di essere un’opzione vincente anche per quanto riguarda la resistenza strutturale. Una buona saldatura non comporta alcuna perdita di resistenza nel giunto, mentre le sezioni rivettate spesso perdono dal 30% al 50% della loro resistenza.

Nel corso della storia della saldatura, molti settori diversi hanno usufruito di questa tecnica per costruire prodotti e componenti di qualità superiore. Oggi la saldatura è un’abilità tecnica altamente specializzata con numerose applicazioni in quasi tutti i settori per la produzione di una vasta gamma di prodotti, tra cui automobili, aerei, navi, tubi, ponti e molte altre applicazioni industriali.

In sintesi, come è cambiata la saldatura moderna? Dal XIX secolo, sono state sviluppate tecniche sempre più efficienti per una saldatura accurata, veloce ed efficace. Oggi disponiamo di molte possibilità e mezzi. Si pensi alla saldatura robotizzata, fiore all’occhiello di Casa della Saldatura. Questo metodo qualitativo e funzionale utilizza il controllo del computer per saldare il metallo in modo molto più rapido e preciso rispetto alla saldatura manuale. Inoltre, riduce o elimina in modo significativo i rischi per i lavoratori.

Tra le altre (ad esempio saldatura a ultrasuoni, saldatura per attrito o per inerzia), anche la saldatura laser è uno dei processi più recenti. Il laser, grazie all’enorme concentrazione di energia in spazio ridotto, si è rivelato una potente fonte di calore. È utilizzato per tagliare i metalli e trova applicazioni di saldatura nelle operazioni di lavorazione dei metalli nel settore automobilistico. Sono disponibili apparecchiature a impulsi continui.

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