Sebbene la tecnologia di saldatura orbitale non sia nuova, continua ad evolversi, diventando più potente e versatile, soprattutto nella saldatura di tubi. Un'intervista con Tom Hammer, saldatore esperto di Axenics a Middleton, Massachusetts, rivela i numerosi modi in cui questa tecnica può essere utilizzata per risolvere problemi di saldatura complessi. Immagine per gentile concessione di Axenics.
La saldatura orbitale esiste da circa 60 anni e ha introdotto l'automazione nel processo GMAW. Si tratta di un metodo affidabile e pratico per eseguire saldature multiple, sebbene alcuni produttori e OEM non abbiano ancora sfruttato appieno il potenziale delle saldatrici orbitali, affidandosi alla saldatura manuale o ad altre strategie per unire i tubi metallici.
I principi della saldatura orbitale esistono da decenni, ma le capacità delle nuove saldatrici orbitali le rendono uno strumento più potente nella cassetta degli attrezzi di un saldatore, poiché molte ora dispongono di funzioni "intelligenti" che semplificano la programmazione e la gestione dei processi prima della saldatura vera e propria. Iniziate con regolazioni rapide e precise per garantire saldature uniformi, pure e affidabili.
Il team di saldatori di Axenics a Middleton, Massachusetts, è un'azienda produttrice di componenti conto terzi che assiste molti dei suoi clienti nelle pratiche di saldatura orbitale, qualora siano disponibili gli elementi adatti al lavoro.
"Laddove possibile, volevamo eliminare l'elemento umano nel processo di saldatura, poiché le saldatrici orbitali generalmente producono saldature di qualità superiore", afferma Tom Hammer, saldatore specializzato presso Axenics.
Sebbene le prime saldature risalgano a 2000 anni fa, la saldatura moderna è un processo estremamente avanzato, parte integrante di altre tecnologie e processi moderni. Ad esempio, la saldatura orbitale può essere utilizzata per creare i sistemi di tubazioni ad alta purezza impiegati nella produzione di wafer di semiconduttori, presenti praticamente in tutti i dispositivi elettronici odierni.
Uno dei clienti di Axenics fa parte di questa catena di fornitura. Ha cercato un produttore a contratto per espandere la propria capacità produttiva, in particolare creando e installando canali in acciaio inossidabile pulito che consentano il passaggio dei gas durante il processo di fabbricazione dei wafer.
Sebbene Axenics disponga di unità di saldatura orbitale e tavole rotanti con morsetti per torcia per la maggior parte delle lavorazioni su tubi, ciò non esclude la necessità di eseguire occasionalmente saldature manuali.
Hammer e il team di saldatori hanno esaminato le esigenze del cliente e posto delle domande, tenendo conto dei fattori relativi a costi e tempi:
Le saldatrici orbitali rotanti a camera chiusa utilizzate da Hammer sono i modelli Swagelok M200 e Arc Machines 207A. Possono lavorare tubi da 1/16 a 4 pollici.
"Le microteste ci permettono di raggiungere spazi molto ristretti", ha affermato. "Un limite della saldatura orbitale è la disponibilità di una testa adatta a un giunto specifico. Oggi, però, è possibile avvolgere una catena attorno al tubo da saldare. Il saldatore può passare sopra la catena e non ci sono praticamente limiti alle dimensioni delle saldature che si possono eseguire. Ho visto alcune configurazioni in grado di saldare tubi da 20 pollici. È impressionante ciò che queste macchine sono in grado di fare oggi."
Considerando i requisiti di purezza, il numero di saldature richieste e il sottile spessore delle pareti, la saldatura orbitale è una scelta intelligente per questo tipo di progetto. Per i lavori di tubazioni per il controllo del flusso d'aria, Hammer esegue frequentemente saldature su acciaio inossidabile 316L.
"È qui che la questione si fa davvero delicata. Stiamo parlando di saldare su lamiere sottilissime. Con la saldatura manuale, anche la minima regolazione può compromettere la saldatura. Ecco perché preferiamo usare una testa di saldatura orbitale, che ci permette di regolare con precisione ogni parte del tubo e di perfezionarla prima di inserirvi il pezzo. Riduciamo la potenza a un livello specifico, così sappiamo che quando inseriamo il pezzo, la saldatura sarà perfetta. Con la saldatura manuale, la regolazione è a occhio e, se si preme troppo il pedale, la saldatura può penetrare direttamente nel materiale."
Il lavoro consiste in centinaia di saldature che devono essere identiche. La saldatrice orbitale utilizzata per questo lavoro esegue una saldatura in tre minuti; quando Hammer lavora alla massima velocità, può saldare manualmente lo stesso tubo di acciaio inossidabile in circa un minuto.
“Tuttavia, la macchina non rallenta. La si fa funzionare alla massima velocità la mattina presto e, a fine giornata, continua a funzionare alla massima velocità”, ha detto Hammer. “La faccio funzionare alla massima velocità la mattina presto, ma alla fine non è così.”
Prevenire l'ingresso di contaminanti nei tubi in acciaio inossidabile è fondamentale, ed è per questo che la saldatura ad alta purezza nell'industria dei semiconduttori viene spesso eseguita in una camera bianca, un ambiente controllato che impedisce ai contaminanti di entrare nell'area di saldatura.
Hammer utilizza lo stesso tungsteno pre-affilato nelle sue torce manuali che usa nell'Orbiter. Mentre l'argon puro fornisce la purga esterna e interna nella saldatura manuale e orbitale, la saldatura con macchine orbitali beneficia anche dell'essere eseguita in uno spazio chiuso. Quando il tungsteno viene estratto, l'involucro si riempie di gas e protegge la saldatura dall'ossidazione. Quando si usa una torcia manuale, il gas viene soffiato solo su un lato del tubo che è in quel momento in fase di saldatura.
Le saldature orbitali sono generalmente più pulite perché il gas copre il tubo più a lungo. Una volta iniziata la saldatura, l'argon fornisce protezione finché il saldatore non è sicuro che la saldatura sia sufficientemente fredda.
Axenics collabora con diversi clienti nel settore delle energie alternative che producono le celle a combustibile a idrogeno utilizzate per alimentare una varietà di veicoli. Ad esempio, alcuni carrelli elevatori progettati per l'uso in ambienti chiusi si affidano alle celle a combustibile a idrogeno per evitare che i sottoprodotti chimici danneggino le scorte alimentari. L'unico sottoprodotto di una cella a combustibile a idrogeno è l'acqua.
Uno dei clienti aveva molte delle stesse esigenze di un produttore di semiconduttori, come la purezza e la uniformità delle saldature. Voleva utilizzare acciaio inossidabile 321 per la saldatura di pareti sottili. Tuttavia, il lavoro consisteva nella prototipazione di un collettore con più gruppi di valvole, ciascuno sporgente in una direzione diversa, lasciando poco spazio per la saldatura.
Una saldatrice orbitale adatta al lavoro costa circa 2.000 dollari e può essere utilizzata per realizzare un piccolo numero di pezzi, con un costo stimato di 250 dollari. Dal punto di vista economico non è conveniente. Tuttavia, Hammer ha una soluzione che combina le tecniche di saldatura manuale e orbitale.
"In questo caso, userei una tavola rotante", dice Hammer. "In realtà il meccanismo è lo stesso di una saldatrice orbitale, ma si fa ruotare il tubo, non l'elettrodo di tungsteno attorno al tubo. Io uso la mia torcia a mano, ma posso tenerla ferma con una morsa in modo da non doverla usare manualmente, così la saldatura non verrà danneggiata da vibrazioni o scosse. Questo elimina gran parte del rischio di errore umano. Non è perfetta come la saldatura orbitale perché non avviene in un ambiente chiuso, ma questo tipo di saldatura può essere eseguita in una camera bianca per eliminare i contaminanti."
Sebbene la tecnologia di saldatura orbitale offra purezza e ripetibilità, Hammer e i suoi colleghi saldatori sanno che l'integrità della saldatura è fondamentale per evitare tempi di inattività dovuti a cedimenti. L'azienda utilizza controlli non distruttivi (CND) e, talvolta, controlli distruttivi per tutte le saldature orbitali.
"Ogni saldatura che eseguiamo viene verificata visivamente", afferma Hammer. "Successivamente, le saldature vengono testate con uno spettrometro all'elio. A seconda delle specifiche o delle esigenze del cliente, alcune saldature vengono sottoposte a controlli radiografici. È possibile anche ricorrere a prove distruttive."
Le prove distruttive possono includere prove di resistenza alla trazione per determinare la resistenza a trazione ultima della saldatura. Per misurare la sollecitazione massima che una saldatura su un materiale come l'acciaio inossidabile 316L può sopportare prima della rottura, la prova allunga ripetutamente il metallo fino al suo punto di rottura.
Le saldature eseguite dai clienti del settore delle energie alternative sono talvolta sottoposte a controlli non distruttivi a ultrasuoni sui componenti saldati delle celle a combustibile a idrogeno con scambiatore di calore a tre canali, utilizzate in macchinari e veicoli ad energia alternativa.
"Si tratta di un test fondamentale perché la maggior parte dei componenti che spediamo è attraversata da gas potenzialmente pericolosi. Per noi e per i nostri clienti è di vitale importanza che l'acciaio inossidabile sia impeccabile, senza alcun punto di perdita", afferma Hammer.
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