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Monday, 22 Ottobre 2018

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Veloce, affidabile ed economica: la placcatura TIG di alta integrità su grandi componenti

Con la nuovissima tecnologia TIGer di Polysoude, gli impianti di ultima generazione realizzano operazioni di placcatura teoricamente su qualsiasi geometria. Si può raggiungere una considerevole riduzione dei tempi di processo senza perdere la qualità del rivestimento. La versatilità della tecnologia TIGer e la praticità dell’interfaccia grafica utente permettono di usare le installazioni in modo molto flessibile, un bel vantaggio per le imprese subappaltatrici.

di Andrea Husson

Febbraio 2018

La placcatura, in inglese weld overlay o cladding, è ormai una prassi ben consolidata nell’ambito della produzione industriale. L’idea di base è quella di costruire componenti con materiali che siano particolarmente adatti ai processi di produzione, come per esempio la colatura, la forgiature, ecc …, ma che posseggano anche proprietà anti corrosive e resistenti all’usura. Le superfici “bagnate”, quali le zone del pezzo da lavorare che saranno più esposte agli attacchi, vengono quindi accuratamente ricoperte da uno strato protettivo, di solito una lega a base di nichel o l’acciaio inossidabile. Gli attacchi possono provenire da gas caldi o aggressivi (come i gas acidi nella produzione oil&gas o i gas di scarico derivanti dalla combustione di combustibili fossili); da fluidi in cui sono disciolti agenti chimici corrosivi (a esempio, il liquido di raffreddamento all’interno del circuito primario in un reattore nucleare); da fluidi contenenti particelle abrasive minerali (come il petrolio greggio di un pozzo petrolifero); infine, da elementi solidi come pezzetti di carbone o rifiuti minerali delle estrazioni (per esempio, nelle attività minerarie di sottoprodotti).
I pezzi da lavorare possono differire notevolmente per materiale, dimensione e forma. Un esempio di particolari più piccoli con geometrie regolari è rappresentato dai raccordi per tubi e pipe. Componenti più grandi a rotazione simmetrica sono per esempio gli ugelli per i generatori di vapore delle centrali energetiche, mentre il gruppo dei componenti giganti con geometrie complesse comprende i vessel e le teste dei vessel per i reattori nucleari.

I diversi processi per realizzare una placcatura
Si possono usare differenti processi per realizzare una placcatura. Di solito si ricorre alla saldatura manuale per la sua flessibilità e la semplicità degli impianti, mentre si utilizza la saldatura a elettrodo rivestito (SMAW) se le tolleranze specifiche non sono troppo stringenti e viene richiesta una modesta qualità del deposito. È possibile ottenere rivestimenti di maggiore qualità tramite la saldatura manuale ad arco con tungsteno protetto da gas (GTAW o TIG). Tuttavia, i risultati ottenibili con la saldatura manuale dipendono sempre dalle capacità del singolo saldatore e, inoltre, la saldatura TIG convenzionale si caratterizza per tassi di fusione piuttosto bassi. Se l’impianto necessario è disponibile e non è un problema avere un elevato apporto di calore, si può ruotare il pezzo in una posizione favorevole all’uso della saldatura ad arco sommerso. In molte applicazioni, la saldatura MIG/MAG (o GMAW) raggiunge un’alta produttività e porta risultati soddisfacenti. Per questi motivi, per decenni è stata la prima scelta quando si trattava di placcare.
Tuttavia, a causa della crescente richiesta di altissima qualità e di tolleranze sempre più strette, in molti casi non è stato più possibile avvalersi della saldatura MIG/MAG. La saldatura meccanizzata TIG è invece sempre di più applicata per completare i lavori più delicati, soprattutto a seguito dei recenti progressi tecnologici che hanno portato a un aumento dei tassi di deposito e migliorato la produttività.
Un caso applicativo reale
Molte aziende usano la placcatura nella produzione di componenti per la propria gamma di prodotti. I loro impianti di placcatura sono generalmente attrezzati per le loro applicazioni e dopo anni di esperienza hanno raggiunto una conoscenza sufficiente a garantire risultati affidabili. Le aziende subappaltatrici di placcatura però sono obbligate ad adottare un approccio completamente differente. Per reagire prontamente alle richieste del mercato, devono adattare le impostazioni dei loro impianti di placcatura per componenti diversi. È quindi necessario possedere una ferrata conoscenza della metallurgia e delle tecniche di saldatura per garantirsi il successo del progetto. Ultimo, ma non meno importante, è il fattore umano, poiché la qualità del rivestimento dipende dalle abilità dei saldatori.
Un importante subcontractor per i lavori di placcatura è la società inglese Arc Energy Resources Ltd (AERL). Questa compagnia è in grado placcare un’ampia varietà di pezzi in termini di materiale, forma e dimensione. Tra le applicazioni più piccole annoverano la placcatura interna di fori con diametro di soli 20 mm (Figura 1). I componenti più grandi arrivano fino a un peso di 15 t, limite legato alla capacità di carico dei loro mezzi di sollevamento.
Nel 2016 la società ha affrontato una grande sfida: la placcatura di due enormi corpi valvola da 30”. L’ordine prevedeva di coprire tutte le superfici bagnate con un rivestimento resistente alla corrosione con 2 strati di 2.4856 (Inconel 625) tramite placcatura, seguita dalle corrispondenti operazione di lavorazione, test di pressione e test non distruttivi.
Il primo componente grezzo aveva una massa totale di 27t, che eccedeva di gran lunga la capacità di sollevamento del carroponte installato all’interno dell’officina. Una gru mobile a noleggio con la capacità di carico sufficiente non avrebbe potuto operare all’interno dello stabilimento esistente e così è stato eretto a fianco un nuovo capannone (Figura 2).
Un’ulteriore complicazione era rappresentata dai tempi di consegna estremamente brevi imposti dal cliente. La qualità richiesta al rivestimento poteva essere garantita solo dall’applicazione del processo TIG, ma le installazioni di saldatura disponibili erano equipaggiate per il processo TIG convenzionale, che è caratterizzato da bassi tassi di fusione e scarsa produttività. Pertanto, con l’impianto già in loro possesso non avrebbero potuto terminare il lavoro nei tempi stabiliti.

Placcatura TIG d’avanguardia
Polysoude, rinomata azienda produttrice di impianti innovativi per la saldatura meccanizzata e automatica, ha sviluppato negli ultimi anni un nuovo processo finalizzato a incrementare la produttività delle operazioni di placcatura TIG a un livello interessante dal punto di vista economico. La nuova tecnologia TIGer (Tungsten Inert Gas electrical reinforcement) si basa su una torcia di saldatura bicatodica progettata specificatamente con due elettrodi in tungsteno in configurazione tandem. Questi elettrodi sono alimentati separatamente da due generatori indipendenti, ma grazie al loro particolare layout concorrono alla creazione di un singolo arco elettrico con caratteristiche particolarmente vantaggiose per placcare. Se paragonato al processo TIG convenzionale, con gli stessi valori di intensità di corrente di saldatura la pressione che prevale nell’arco è notevolmente inferiore. Si possono così raggiungere correnti e velocità di saldatura maggiori, lasciando comunque stabile il processo di saldatura e con meno penetrazione. Allo stesso tempo, anche l’apporto di calore si riduce parecchio.
Ad aumentare ulteriormente la produttività contribuisce anche la tecnica filo caldo. L’energia per fondere il materiale d’apporto viene dall’arco, quindi la velocità di avanzamento del filo è limitata. Nella tecnica filo caldo però, un generatore dedicato fornisce corrente al filo, così che il materiale d’apporto arrivi pre-riscaldato al bagno di fusione e assorba meno energia. Secondo i calcoli effettuati, con la nuova tecnica sarebbe stato possibile per Arc Energy rispettare la data di consegna e finire la placcatura di valvole da 27t in tempo.
Sulla base di elaborati studi sulle superfici da placcare, la loro accessibilità all’interno dei corpi valvola e la posizione del pezzo (Figura 3) Polysoude ha proposto un’installazione di placcatura composta da:
- un manipolatore a bandiera per il posizionamento verticale e orizzontale dell’impianto con slitte a croce aggiuntive per movimenti precisi delle parti saldanti (Figura 4);
- un set di torce di saldatura convenzionali e TIGer, montate sulle rispettive lance;
- quattro lance di placcatura con differenti lunghezze (due lance TIG & due lance TIGer come mostrato in Figure 5 e 6);
- un dispositivo SPX (collettore a rotazione infinita con connessioni rapide per tenere la lancia di saldatura);
- i necessari impianti ausiliari (generatori, refrigeratori, cabinet di controllo, …);
La proposta è stata generalmente accettata da Arc Energy, ma essendo loro dei subappaltatori, hanno anche deciso di mantenere aperte tutte le possibilità e le opzioni per un diverso uso futuro. Quindi è stato concordato che l’installazione debba essere gestita dal CNC.

Un’interfaccia uomo-macchina antropocentrica moderna
L’uso di un CNC è sinonimo di tecnica molto versatile, che è stata creata principalmente per l’automazione di strumenti di lavorazione. Fino a quel momento, Polysoude aveva sempre prodotto tutte le installazioni di saldatura con un sistema di controllo tradizionale, che, grazie a molti anni di esperienza e continuo sviluppo, funzionava bene ed era affidabile. Si è reso quindi necessario adattare il software di comando CNC alle specifiche esigenze dell’impianto di placcatura, un’eccellente opportunità per creare un’interfaccia uomo-macchina antropocentrica moderna. Grazie alla stretta collaborazione fra Polysoude e Arc Energy, sono state realizzate tutte le funzioni necessarie a supportare l’operatore in maniera user-friendly.
È necessario programmare in anticipo tutti i dati della sequenza di saldatura. In funzione delle differenti opzioni di placcatura e secondo il tipo desiderato di applicazione (Figura 7: cilindrica, bore to bore, sferica, ecc...) sono accessibili diverse schermate:
• Percorso (inserimento delle caratteristiche geometriche - definizione del percorso, visualizzazione, …);
• Parametri di saldatura (Figura 8: inserimento/correzione dei parametri su una base prestabilita);
• Definizione torcia (selezione degli strumenti per facilitare il tracciamento del percorso);
• Produzione (differenti modalità, cicli, simulazione, visualizzazione/posizione, numero di turni, recupero);
• Visualizzazione - consultazione variabili (traiettorie, velocità, parametri)
Oltre alla selezione del tipo di placcatura, l’applicazione, gli strumenti, i parametri di saldatura, è possibile anche archiviare i dati peculiari del pezzo: numero di ordine, denominazione, materiale, dimensioni, ecc… Questi dati sono utili se, dopo un po’ di tempo, lo stesso ordine viene eseguito nuovamente o si deve placcare pezzi simili.

Preparazione delle operazioni finali di placcatura
L’avvio delle operazioni di placcatura è stato preceduto da una vasta gamma di preparazioni. Ben 7 diverse configurazioni di saldatura erano da qualificare, tra cui la placcatura TIGer in 4G e in 2G con tassi di deposito alti e “altissimi”. Poiché Arc Energy aveva poca esperienza con la tecnologia TIGer, sono stati approvati un set di parametri per tassi di deposito elevanti e un secondo set per tassi di deposito ancora maggiori, così che in caso di problemi con la procedura più veloce sarebbero stati comunque disponibili dei parametri con tassi elevati.
Poiché il manipolatore a bandiera non era disponibile al momento di effettuare le prequalifiche, per consentire l’approvazione delle stesse in tempo, Polysoude ha installato un’unità preliminare equipaggiata con tecnologia TIGer nello stabilimento di Arc Energy.
Arc Energy ha inoltre provveduto a progettare e costruire un impianto per sorreggere i corpi valvola da 27 t durante le operazioni di placcatura in 5 specifiche posizioni (vedasi nuovamente Figura 3).

Realizzazione delle operazioni finali di placcatura
Una volta montato il manipolatore nel capannone, è stata messa a punto l’installazione. Il team di Arc Energy aveva preliminarmente fatto un corso di formazione specifico sull’uso della macchina presso la sede di Polysoude a Nantes. I comandi vengono impartiti dal cabinet di controllo, un touch screen sul lato sinistro garantisce l’accesso ai programmi con le sequenze di saldatura, mentre i parametri vengono visualizzati in presa diretta sullo schermo di sinistra. (Figura 9). È possibile trasmettere i comandi anche dal telecomando “nPad” che funge da unità mobile (Figura 10).
Durante la simulazione delle operazioni di placcatura senza arco, il personale addetto alla saldatura ha avuto l’opportunità di rivedere le conoscenze acquisite e fare pratica in condizioni realistiche. È emerso che il controllo CNC era troppo sensibile alla superficie del componente grezzo, essendo calibrato su tolleranze più precise come per un componente lavorato. Il problema è stato risolto modificando il software.
È stato suggerito poi un miglioramento circa le superfici “rimanenti” del pezzo, quelle che non potrebbero essere rivestite usando le applicazioni proposte dalla libreria. Il suggerimento è stato preso in considerazione perché ritenuto molto utile e per questo è stata creata una subroutine aggiuntiva nel programma che ha calcolato una particolare traiettoria dai punti di riferimento, che vanno impostati sui margini delle superfici rimanenti.
L’attenta pianificazione e la preparazione approfondita del progetto, unitamente alla stretta collaborazione tra i produttori dell’impianto e il cliente, hanno assicurato il successo del progetto: le operazioni di placcatura sui due pezzi sono state concluse con anticipo rispetto alla data prevista. Un inaspettato aumento della produttività è stato raggiunto grazie all’apporto di energia estremamente limitato del processo di placcatura TIGer di solo 0,54 kJ/mm. Nonostante il basso apporto di calore, i provini di test hanno mostrato una durezza massima di HV 10 di soli 250, cioè una durezza non pericolosa del deposito o una zona affetta da calore non preoccupante. Tuttavia, la temperatura del corpo valvola è aumentata di poco durante la placcatura, quindi non è stato necessario effettuare nessuna attività per raffreddare il pezzo.

L’uso successivo dell’impianto
A seguito del successo del progetto, il manipolatore viene ora usato per un’applicazione diversa: la placcatura interna di 84 cilindri, che diventeranno i manicotti per le estremità di giunti per tubi flessibili (Figura 11). Il tempo di processo con un impianto di placcatura TIG convenzionale. Sarebbe stato di 79 h per singolo componente, con la tecnologia TIGer al tasso di deposito di 3,3 kg/h, questo tempo è sceso a solo 19h.

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