Qualità massima delle connessioni di giunzione presso produttori e utenti

Fig. 1: Lavorare in un ambiente di sala pulita

Fig. 2: Parametri di saldatura ottimizzati per una determinata partita di materiale di base.

Fig. 2: Parametri di saldatura ottimizzati per un particolare lotto di materiale.

Fig. 3: Specifica di procedimento di saldatura per la produzione di un componente specifico.

Fig. 3: Specifica di procedimento di saldatura per la produzione di un componente specifico.

Abb. 4: Pinza di saldatura orbitale WIG chiusa / Fig. 4: Testa di saldatura orbitale chiusa

Fig. 5: Impianto conforme alle norme di camere bianche: la pinza di saldatura orbitale WIG chiusa e il pannello di controllo con schermo tattile si trovano all'interno dell'area pulita, mentre la sorgente di corrente di saldatura è sistemata nell'area di servizio all'esterno. / Fig. 5: Attrezzatura di saldatura con testa di saldatura orbitale chiusa e schermo tattile all’interno della camera bianca e la sorgente di energia all’esterno nell’area di servizio.

Fig. 6: Rapporto di reclamo sulla saldabilità fornito da Dockweiler in caso di problemi di saldatura.

Saldabilità come caratteristica essenziale del prodotto

Come produttore di componenti prefabbricati per sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile ad alta purezza, l'azienda familiare tedesca Dockweiler occupa una posizione di leadership mondiale nel settore della costruzione di impianti nei settori dei semiconduttori, farmaceutico, biotecnologico e fotovoltaico. Una grande parte dei componenti offerti viene realizzata mediante la saldatura di singoli pezzi, motivo per cui la tecnologia di saldatura viene attribuita un'importanza elevata all’interno della filosofia aziendale.

Come la maggior parte delle aziende che dipendono da un impiego efficace dei propri processi di saldatura, anche Dockweiler si affida a controlli sistematici di tutti i semilavorati in ingresso, tuttavia in questo caso non si tratta solo di garantire la qualità eccellente delle giunzioni di saldatura prodotte internamente, ma anche di mettere i clienti nella condizione di poter realizzare a loro volta saldature che rispettino i più severi requisiti.

I componenti della gamma, con geometrie semplici come tubi, curve, diramazioni, riduttori o coperchi, così come gruppi più complessi come raccoglitori, valvole, ecc., sono progettati per essere utilizzati come parte di un sistema di tubazioni per l’alimentazione di impianti di produzione high-tech con fluidi o gas ad alta purezza.

Controllo completo dei semilavorati in ingresso

Da Dockweiler, tutti i componenti in ingresso vengono sottoposti a un controllo approfondito. I semilavorati vengono accettati solo se accompagnati da certificati di conformità, la composizione chimica dei materiali di base viene analizzata regolarmente e deve almeno rispettare le norme vigenti o le specifiche stabilite; le tolleranze dimensionali devono rimanere entro i limiti stabiliti e i valori meccanici e la resistenza alla corrosione devono almeno raggiungere i valori concordati.

Dopo aver superato con successo il controllo di ingresso, i pezzi vengono esaminati riguardo alle loro caratteristiche di saldatura. Nella maggior parte dei casi, ai tecnici basta un’ispezione visiva di alcune saldature di prova eseguite preventivamente, per determinare i parametri di programmazione per la saldatura orbitale dei campioni di prova. La qualità delle saldature così realizzate viene sottoposta a esami approfonditi: ispezione visiva accurata dell’area di saldatura, geometria della saldatura sia interna che esterna lungo tutta la circonferenza del tubo, stato superficiale della saldatura, colori di riscaldo, ecc. Se necessario, si ricorre a immagini metallografiche per verificare se si è raggiunta una penetrazione sufficiente e uniforme in tutte le posizioni, come è formata la zona di influenza termica e se si sono verificati grani grossi o addirittura segregazioni. Insieme ai valori meccanici della giunzione e alla resistenza alla corrosione, i risultati ottenuti vengono utilizzati per ottimizzare definitivamente i parametri di saldatura programmati. Poiché un eventuale aumento della velocità di saldatura, a causa del diametro ridotto dei tubi, non comporta una significativa riduzione del tempo di saldatura a causa della bassa durata dell’arco, l’ottimizzazione può essere effettuata esclusivamente per garantire la massima qualità della saldatura. In Fig. 2 è mostrato un modulo compilato con i parametri di saldatura per una determinata lega di base analizzata.

Norma interna dell’azienda che rispetta i requisiti più severi

Ora bisogna verificare se alcuni o tutti i materiali in ingresso rispettano la norma interna di Dockweiler. Questa norma interna è stata ideata per uso interno e comprende i requisiti più severi di tutte le norme e regolamenti applicabili. I componenti realizzati secondo questa norma possono essere successivamente consegnati a tutti i clienti, indipendentemente dalle specifiche applicabili in ogni singolo caso.

Gli altri semilavorati vengono valutati secondo un sistema di classificazione più ampio e ricevono voti tra 1 e 5. Sulla base di questi voti, si decide la migliore destinazione del materiale. Mentre alcuni pezzi, per le loro caratteristiche di lavorazione, potrebbero essere più adatti a applicazioni nel settore farmaceutico, altri potrebbero avere condizioni ideali per l’uso nella produzione di semiconduttori. Da Dockweiler si è constatato che per i materiali impiegati nei processi legati ai semiconduttori, si può considerare solo un voto di 3 o superiore.

Tecnologia di saldatura consolidata

Una qualità adeguata dei materiali e la geometria corretta dei pezzi utilizzati sono prerequisiti indispensabili per ottenere saldature di eccellente qualità, ma anche il processo di saldatura stesso, le attrezzature, i materiali di consumo, le condizioni di lavoro, ecc., devono essere scelti con la stessa cura.

La saldatura TIG (WIG) è tra le tecniche più adatte per unire acciai inossidabili delicati o leghe a base di nichel. Durante il processo, non vengono rilasciati fumi di saldatura e non si formano spruzzi; le saldature risultano lisce e di geometria uniforme, e i parametri di saldatura possono essere regolati entro ampi limiti per non influenzare negativamente le caratteristiche dei materiali di base.

Come può confermare chiunque abbia provato, unire tubi sottili di piccolo diametro con il metodo manuale TIG si rivela un compito estremamente difficile. Solo personale altamente qualificato e motivato è in grado di ottenere i risultati desiderati; la scarsa ripetibilità e l’estrema bassa produttività sono tra i motivi principali per cui si cerca di evitare, se possibile, l’uso di questa tecnica.

La saldatura orbitale TIG permette di aumentare in modo sostenibile la produttività nel collegamento di tubi di alta qualità e di mantenere uno standard di qualità costante e elevato delle saldature. L’elettrodo di tungsteno del saldatore viene guidato lungo la circonferenza dei tubi mediante un dispositivo apposito. I valori ottimizzati dei parametri di saldatura sono stati programmati in anticipo e memorizzati nel sistema di controllo dell’impianto. L’operatore segue le istruzioni della procedura di saldatura (Welding Procedure Specification, WPS), e una procedura completa per la saldatura di un T-styck è mostrata in Fig. 3. Per preparare la saldatura, l’operatore deve posizionare la testa di saldatura orbitale sui pezzi da unire, quindi avviare il ciclo di saldatura. Il processo di saldatura si svolge quindi in modo completamente automatico, senza intervento da parte dell’operatore; al termine, rimuove la testa di saldatura orbitale dai tubi collegati e può dedicarsi subito al compito successivo.

La saldatura di tubi sottili senza materiale di apporto può essere eseguita senza aggiunta di materiale, poiché le estremità dei tubi vengono fuse dal arco e formano la saldatura desiderata. In Fig. 4 è mostrato un esempio di pinza orbitale chiusa appositamente sviluppata per questo scopo. L’intera area di saldatura si trova all’interno della camera formata dalla pinza. Prima, durante e dopo la saldatura, questa camera viene riempita con gas inerte, proteggendo in modo affidabile il metallo fuso e la zona di influenza termica da reazioni indesiderate con l’ossigeno dell’aria. La torcia di saldatura consiste ora solo di un elettrodo di tungsteno, fissato a un anello rotante sulla pinza e guidato lungo la saldatura.

Attrezzature di saldatura adatte per ambienti di sala bianca

Per soddisfare i requisiti di qualità richiesti, i componenti di Dockweiler vengono prodotti in ambienti di sala bianca, come mostrato in Fig. 1. In una sala bianca, l’atmosfera è controllata, cioè il numero e le dimensioni delle particelle sospese nell’aria sono soggetti a limiti stabiliti. L’aria viene continuamente filtrata attraverso filtri installati sotto il soffitto e attraversa la stanza in modo laminare. Le particelle eventualmente presenti vengono trasportate dal flusso d’aria e scompaiono attraverso le aperture di scarico nella parte inferiore della sala bianca.

Le persone presenti in una sala bianca rilasciano quantità significative di particelle, per cui devono coprirsi il più possibile pelle e capelli. Chi lavora in una sala bianca deve inoltre evitare movimenti improvvisi. Per motivi simili, molti dispositivi tecnici non sono adatti all’uso in sala bianca, specialmente se disturbano il flusso laminare con superfici calde o ventole potenti.

Le pinze orbitali di saldatura chiuse possono essere utilizzate in ambienti di sala bianca. Sebbene anche un arco elettrico produca quantità significative di particelle, in questo caso rimangono intrappolate all’interno della camera della pinza e quindi non contaminano l’atmosfera circostante.

Le sorgenti di corrente per la saldatura TIG generano calore disperso, che viene dissipato nell’aria circostante tramite ventole potenti, motivo per cui sono completamente inadatte all’uso in sala bianca. Nell’ambito di una sostituzione delle attrezzature di saldatura, Dockweiler ha ricevuto dalla società francese Polysoude delle sorgenti di corrente P4, appositamente progettate per operare in ambienti di sala bianca. La sorgente di corrente vera e propria è completamente separata dal resto dell’impianto di saldatura e sistemata in un’area di servizio fuori dalla sala bianca, mentre solo il pannello di controllo e la pinza di saldatura chiusa si trovano all’interno dell’ambiente di sala bianca (Fig. 5).

Le superfici del pannello di controllo con display integrato sono lisce e facilmente pulibili, senza interruttori o parti mobili che possano accumulare polvere o sporco. Anche indossare dispositivi di protezione non crea problemi all’operatore, i tasti tattili sullo schermo possono essere azionati facilmente anche con i guanti. Durante il processo, i valori di misurazione provenienti dal sistema di monitoraggio in tempo reale della saldatura vengono analizzati continuamente, permettendo di osservare in tempo reale l’andamento del ciclo di saldatura e tutti i parametri importanti tramite l’interfaccia uomo-macchina.

Parametri di saldatura programmabili e non programmabili

La formazione di una giunzione di saldatura è influenzata da molti fattori, generalmente chiamati parametri di saldatura. Per il processo di saldatura orbitale TIG, gli esperti di Dockweiler conoscono un gran numero di tali fattori che possono influenzare più o meno significativamente il successo della produzione di una giunzione o causarne il fallimento.

Alcuni di questi parametri esercitano un’influenza tale sul processo che è considerato ovvio regolare la loro impostazione ad ogni saldatura o verificarne la corretta configurazione. Nei processi manuali, i saldatori sono abituati a regolare regolarmente questi parametri tramite gli elementi di comando e visualizzazione sulla sorgente di corrente, mentre nei processi automatizzati di saldatura TIG vengono impostati e programmati in anticipo. Di conseguenza, tali parametri sono anche detti parametri di saldatura programmabili.

Nel ciclo di un tipico ciclo di saldatura orbitale vengono definite le seguenti funzioni e i relativi parametri:

- Pre-flusso di gas: intervallo di tempo prima dell’accensione dell’arco, durante il quale la camera della pinza orbitale chiusa viene riempita e lavata con gas protettivo.
- Accensione: l’arco viene generalmente acceso mediante una scarica elettrica ad alta frequenza.
- Corrente di saldatura: in genere si utilizza la saldatura a corrente continua pulsata, quindi devono essere programmati la durata del impulso, la corrente di picco e quella di base.
- Movimento rotatorio: la velocità di saldatura lineare dipende dalla rotazione della torcia e dal diametro del tubo.
- Settori: per compensare l’effetto della gravità in diverse posizioni di saldatura e l’aumento della temperatura del pezzo durante il ciclo, possono essere programmati settori. Un apporto energetico ridotto può essere ottenuto in un nuovo settore, ad esempio, prolungando il tempo di corrente di base più bassa.
- Riduzione della corrente: uno spegnimento improvviso della corrente di saldatura può causare crateri e crepe nella saldatura, per cui la corrente viene ridotta lentamente verso la fine della saldatura fino a interrompere l’arco (Downslope).
- Post-flusso di gas: intervallo di tempo dopo l’interruzione dell’arco, durante il quale il flusso di gas protettivo viene mantenuto nella camera della pinza orbitale chiusa, per permettere al cordone di raffreddarsi e al materiale di base circostante di raffreddarsi adeguatamente.

Una volta che l’impianto di saldatura è stato correttamente avviato, il ciclo di saldatura programmato può essere eseguito come previsto. Per l’avvio, è necessario collegare l’impianto alla rete elettrica e ai sistemi di alimentazione di gas di saldatura e di gas di protezione; deve essere inserita una elettrodo di tungsteno con la composizione corretta, il taglio previsto e la lunghezza esatta nella pinza di saldatura, e le ganasce devono essere scelte e montate in modo da adattarsi al diametro esterno dei tubi da saldare.

Dopo aver acceso l’impianto, la sorgente di corrente impiega un certo tempo per raggiungere la temperatura di esercizio e regolare in modo affidabile le correnti di saldatura programmate; il flusso di gas di saldatura e di protezione deve essere regolato manualmente e mantenuto fino a quando i tubi, i tubi flessibili e le valvole sono stati sufficientemente lavati e l’ossigeno atmosferico e l’umidità sono stati eliminati. Un numero sufficiente di saldature di prova successive garantisce che la pinza di saldatura si riscaldi e che eventuali contaminazioni interne scompaiano.

Ora l’impianto è pronto per l’uso e le saldature di produzione possono essere eseguite.

Avviare un impianto di saldatura orbitale è relativamente complesso. Mentre i valori dei parametri programmabili sono memorizzati nel programma di saldatura, le istruzioni relative alla preparazione delle attrezzature e alla regolazione o al controllo dei parametri non programmabili devono essere definite con la massima precisione nel documento di saldatura (WPS).

Saldatura orbitale in produzione o in cantiere

Gli impianti di saldatura orbitale sono progettati in modo che un ciclo di saldatura programmato possa essere ripetuto all’infinito. Un buon risultato di saldatura rimane riproducibile finché le condizioni di lavoro rimangono costanti. Gli esperti di Dockweiler si affidano alle loro conoscenze approfondite dei mezzi di produzione impiegati e vigilano scrupolosamente affinché nessuna modifica involontaria interrompa il processo di lavoro consolidato. Dispositivi aggiuntivi installati contribuiscono a mantenere elevato il livello di qualità delle saldature: unità di filtrazione del gas e filtri per particelle immediatamente prima del punto di prelievo dei gas di protezione e di formazione, che eliminano completamente contaminazioni e umidità eventualmente introdotte nelle linee di alimentazione; uno strumento di misurazione installato sull’uscita del gas di formazione fornisce informazioni sulla quantità di ossigeno residuo nel gas di protezione in uscita, consentendo di valutare l’efficacia del ciclo di spurgo e di minimizzare il consumo di gas e il tempo di lavorazione.

In sintesi, si può affermare che l’impegno profuso permette di ottenere costantemente giunzioni di saldatura assolutamente prive di errori e superiori ai requisiti richiesti. Tuttavia, come già accennato, i tecnici di saldatura hanno solo completato metà della loro missione.

Per completare il loro compito, i tecnici devono anche assicurarsi che i componenti forniti da Dockweiler siano correttamente saldati dai clienti.

La saldatura ad arco in cantiere è sempre un’operazione critica. A differenza di una fabbrica, sul sito ci sono molte condizioni di lavoro che non possono essere o sono difficili da controllare. La fornitura di energia elettrica è spesso interrotta, instabile o presenta un angolo di fase fortemente spostato. Le variazioni ambientali, come le alte temperature e la condensa, possono danneggiare le apparecchiature e i materiali di consumo, e una protezione adeguata da polvere e sporco non può essere sempre garantita.

Come conseguenza di tali condizioni di lavoro sfavorevoli, si possono osservare tutti i tipi di difetti di saldatura: penetrazione insufficiente o eccessiva, geometria non conforme, porosità e colori di riscaldo, solo per citarne alcuni. È ovvio che la presenza di questi difetti può ridurre in modo inaccettabile le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla corrosione delle giunzioni.

Ma condizioni di lavoro inadeguate non sono le uniche cause di fallimento nelle saldature eseguite dai clienti: anche una preparazione scorretta delle attrezzature di saldatura, un uso improprio delle apparecchiature, errori di programmazione, materiali di scarsa qualità o guasti alle apparecchiature contribuiscono spesso al mancato raggiungimento dei risultati sperati.

Quando un cliente richiede assistenza tecnica, viene invitato a fornire dettagliate informazioni sull’applicazione, sull’impianto utilizzato e sui problemi riscontrati, compilando il modulo fornito da Dockweiler “Weldability Complaint Report” (Fig. 6). Gli esperti di saldatura cercano quindi di verificare se il personale del cliente conosce correttamente l’uso dell’impianto e possiede esperienza sufficiente per eseguire correttamente il lavoro, in modo da escludere errori come avviamenti errati, collegamenti sbagliati, programmi di saldatura caricati erroneamente, materiali utilizzati in modo improprio, pezzi posizionati in modo scorretto e altri errori di principianti.

È inoltre importante capire se il problema si è verificato fin dall’inizio o se il cliente è stato in grado di eseguire con successo alcune saldature. La maggior parte degli errori di programmazione può essere facilmente individuata dai tecnici, se hanno a disposizione il programma. Le aziende di saldatura di fama spesso investono molto tempo e denaro per acquisire le competenze necessarie e disporre di istruzioni e programmi di saldatura affidabili; trattano quindi le proprie conoscenze come segreto aziendale, accessibile solo ai tecnici autorizzati. Questa posizione è comprensibile e va rispettata, ma certamente non favorisce una rapida soluzione dei problemi di saldatura specifici.

Naturalmente, Dockweiler si impegna sempre prima di tutto a risolvere le richieste dei clienti tramite teleassistenza, ma guasti causati da componenti elettronici difettosi, perdite di gas, anomalie impreviste e altri problemi gravi spesso richiedono interventi in loco. In tali casi, si cerca di organizzare servizi di assistenza presso il sito in accordo con l’azienda coinvolta. Per situazioni particolarmente complesse, può essere necessario consultare il costruttore dell’impianto. I tecnici di Dockweiler mantengono stretti contatti con le varie aziende di tecnologia di saldatura, e il servizio clienti di Polysoude, grazie alla sua elevata reattività e al supporto sempre competente, si è guadagnato una buona reputazione.

Che si tratti di un cliente preoccupato per piccoli malfunzionamenti nei risultati di saldatura o di un cliente che affronta un guasto totale della propria tecnologia di saldatura, in passato i tecnici di Dockweiler sono sempre riusciti a trovare una soluzione soddisfacente, e sono determinati a fare del loro meglio anche in futuro.

Sintesi

La produzione corretta di componenti prefabbricati per sistemi di tubazioni in acciaio inossidabile ad alta purezza richiede un rigoroso controllo di qualità dei semilavorati in ingresso, una classificazione approfondita dei materiali di base riguardo alle loro caratteristiche di saldabilità e, non da ultimo, attrezzature di saldatura tecnicamente avanzate. La saldatura orbitale TIG senza materiale di apporto è tra le tecniche più indicate per unire tubi sottili in modo da garantire i massimi standard qualitativi. La società francese Polysoude, leader mondiale nella produzione e distribuzione di impianti di saldatura ad arco automatizzati, commercializza anche apparecchiature specificamente progettate per l’uso in ambienti di sala bianca.

La qualità costante delle componenti offerte rappresenta certamente un requisito imprescindibile per soddisfare le elevate aspettative richieste ai sistemi di tubazioni in ambienti ad alta purezza, ma il successo commerciale sostenibile si ottiene solo se i clienti possono contare su un’assistenza completa e affidabile. Questo vale in particolare per le saldature realizzate dall’utente in officina o sul campo. Dockweiler fornisce ai propri clienti informazioni dettagliate, come ad esempio parametri di saldatura testati, ma in caso di problemi seri gli utenti possono anche entrare in contatto diretto con i tecnici specializzati dell’azienda. Grazie alla lunga esperienza e alla stretta collaborazione con i produttori di apparecchiature, in passato sono sempre state trovate soluzioni accettabili per tutti i problemi riscontrati, e i tecnici sono determinati a continuare a dare il massimo anche in futuro.