L’azoto in rifusione

SALDATURA –

La saldatura in azoto non avviene in ambiente totalmente inertizzato, ma piuttosto in presenza di un basso livello di ossigeno. Da un punto di vista del processo si tratta di una variabile critica da controllare, per cui il tenore di ppm dovrebbe essere monitorato in continuazione.

L'utilizzo dell'azoto nei processi di saldatura in ambiente inertizzato è sempre stato un tema dibattuto sin dalla sua introduzione, vuoi per la difficoltà di dimostrarne il ritorno economico, vuoi per l'alto costo nella gestione quotidiana e nell'investimento dei sistemi. Poco utilizzato in saldatura a onda, ha trovato la sua applicazione maggiore nella saldatura per rifusione e oggi nella saldatura selettiva. Le ragioni che hanno portato a puntare sull'azoto sono dovute alla sua relativa economicità e al fatto che non reagisce con le superfici metalliche per formare superfici non saldabili.
I tecnici che hanno puntato sull'azoto per avere un ambiente di saldatura inertizzato lo hanno fatto in relazione ai suoi bassi livelli di ossigeno (e umidità). Caratteristica che lo ha reso il gas ideale per diluire a dei livelli bassissimi l'ossigeno all'interno dei tunnel di saldatura, fatto che previene o quantomeno rallenta l'ossidazione delle superfici metalliche durante la rifusione. L'aria è composta mediamente per il 78% da azoto (N2), 20,9% da ossigeno (O2) e 0,9% da argon (Ar), il rimanente 0,2% è composto da una miscela di altri gas misurabili in ppm, tra cui l'anidride carbonica. Il contenuto di vapore acqueo è variabile e dipende dalla temperatura ambiente. I valori dei costituenti dell'aria non seguono una regola matematica, tant'é vero che l'anidride carbonica è passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970, risultando in questi ultimi anni a 350 ppm che equivale allo 0,035%. Talvolta parlare di parti per milione risulta più agevole che non parlare di percentuali (dove 100 ppm = 0,01%).

Quanto ossigeno rimane con l'utilizzo di N2?
Come primo punto va chiarito che il livello di ossigeno misurato in seno alla mandata di azoto, non è indicativo del livello che si trova all'interno del tunnel. Se anche apparentemente il tunnel del forno si presenta ben sigillato, al suo interno si mescola l'aria dell'ambiente con l'azoto immesso. Questo avviene per normale diffusione o per via della turbolenza che può crearsi nei pressi delle aperture, così come per l'immissione di sacche d'aria presenti sul pcb.
Immettere un debole flusso di azoto nel tunnel può avere un effetto trascurabile o non averne del tutto. Aumentando la quantità del flusso in ingresso si abbassa il livello di ossigeno, ma senza eliminarlo completamente. Aumentando oltre un certo livello il flusso di azoto si innescano fenomeni di turbolenza che tra l'altro hanno lo svantaggio di richiamare aria dalle aperture aumentando così il livello di ppm di ossigeno. D'altro canto non è neppure vero che pompando quanto più azoto sia possibile si possano ottenere migliori risultati di saldatura. L'azoto si ottiene come sottoprodotto nella produzione di ossigeno criogenico. Il gas di qualità migliore contiene sempre una quantità di ossigeno variabile da 2 a 5 ppm. Anche “ripulendo” al meglio il tunnel di un forno, difficilmente si riuscirebbe a scendere a livelli così bassi, difficili anche da misurare. In pratica non si vedrebbe nessuna differenza anche lavorando a 10 ppm, ogni sforzo sarebbe vanificato dalla turbolenza creata alle due bocche del tunnel. Di conseguenza si può dire che è si vero che aumentando il flusso di azoto si abbatte il livello di ppm di O2, ma esistono dei livelli oltre il quale questa regola non è più valida. Ogni forno, in base alle proprie caratteristiche costruttive, ha una soglia al di sotto della quale gli è preclusa ogni ulteriore discesa. Del resto un forno in linea è tutt'altro che ermetico. Per completezza va anche sottolineato che non è assolutamente vero che all'apertura della valvola dell'azoto si inertizza il processo. L'eliminazione dell'ossigeno dal tunnel di rifusione richiede tempo; 20,9% corrisponde a 209.000 ppm di O2 che non vengono spazzate via al primo fluire di azoto. Si instaureranno infinite situazioni di equilibrio fino al raggiungimento del livello minimo tollerato dal forno, ma più spesso fino a un livello di compromesso tra costo d'esercizio e il minimo tenore qualitativo desiderato. Usualmente il compromesso operativo di O2 si attesta tra i 50 e i 100 ppm.

Dove e come interviene l'azoto
L'azoto non ha particolari effetti pratici nel trasferimento termico, che nei gas che si trovano alla stessa temperatura e alla stessa pressione è governato dal loro peso molecolare. In un forno di rifusione l'efficienza del trasferimento termico è funzione di diverse variabili, in particolare del volume del flusso trasferito in direzione del pcb e della velocità del getto, ma anche di come sono configurati i suoi elementi riscaldanti. Nello specifico l'efficienza del trasferimento termico dipende da come avviene l'impatto del fluido, dal volume del flusso e dalla sua velocità. La dimensione del flusso messo in rapporto alla distanza da cui ha origine, determina l'angolo d'impatto, ma anche il volume di gas e la velocità con cui viaggia in direzione del pcb. Il trasferimento termico è massimo quando la velocità d'impatto è uguale a zero (è perpendicolare alla scheda) e diminuisce quando l'angolo d'impatto diventa inferiore a 90°. Il volume del flusso utile è solo quello che colpisce il pcb, un eventuale eccesso avrebbe l'effetto contrario di creare turbolenza, andando a scaldare (con perdite d'efficienza) le pareti del forno. È comunque rilevante notare come sia la velocità e non il volume a determinare il trasferimento termico. L'azoto di suo non possiede nessuna capacità decappante e di conseguenza non può rimuovere l'ossidazione, in generale alla temperatura d'esercizio in rifusione non reagisce chimicamente con nulla. La sua funzione è quella di prevenire o rallentare il processo di ossidazione. Solo quando mescolato all'idrogeno dando luogo al forming gas assume funzione decappante.
L'atmosfera N2 aiuta piuttosto a ridurre o a eliminare i difetti dovuti a problemi di bagnabilità; ampliando la finestra del processo di saldatura ha il pregio di trasformare quello marginalmente accettabile in accettabile o buono. Di contro potrebbe essere causa di tombstoning.

Manutenzione innanzitutto
Nei forni inertizzati la manutenzione è più importante rispetto a quelli che lavorano in aria, perché la trascuratezza può vanificarne i benefici. Per esempio le guarnizioni di isolamento possono perdere la loro elasticità e indurirsi, venendo meno alla loro funzione. Le sostanze volatili presenti nei flussanti, rimangono volatili sin tanto che sono in temperatura, raffreddandosi si depositano sulla pareti del tunnel e su quelle dei condotti, modificando l'andamento dei flussi. Infatti i residui di flussante col tempo possono ostruire i diffusori o bloccare l'aspirazione fumi. Nel primo caso, data l'importanza della corretta geometria della matrice di aperture, si ostacola la corretta generazione del flusso convettivo, diminuendo il livello di efficienza nel trasferimento termico. Nel secondo, dovendo essere identica la velocità di aspirazione dei fumi ai due estremi del forno, uno sbilanciamento comporta una differenza di pressione che avrà come risultato di favorire l'ingresso di aria nel tunnel. Pochi particolari apparentemente insignificanti possono fare la differenza, come una diversità nella lunghezza delle tendine sulle bocche di ingresso e uscita.

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