QUALITÀ' E CONTROLLO NELLA SALDATURA DEI PRODOTTI PIANI SOTTILI

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1 QUALITÀ' E CONTROLLO NELLA SALDATURA DEI PRODOTTI PIANI SOTTILI Bacci Dino, Cauteruccio Angelo V Relazione presentata a: "LA SALDATURA E GLI ACCIAI INOSSIDABILI" 3 Incontro : II controllo e la qualità Milano, 27 novembre 1987 Con il patrocinio del CENTRO INOX Piazza Velasca, Milano

2 Estratto dalla Rivista LA MECCANICA ITALIANA n novembre 1987 QUALITÀ E CONTROLLO NELLA SALDATURA DEI PRODOTTI PIANI SOTTILI QUALITY AND CONTROLS IN THE WELDING OF THIN STAINLESS STEEL SHEETS Bacci Dino, Cauteruccio Angelo Industrie Zanussi - Pordenone \ Sommario Vengono passati in rassegna i fattori che definiscono la qualità delle saldature di lamiere sottili INOX. Si considera la saldatura a Resistenza, MIG, TIG e LASER. Vengono descritti i principali criteri per ottenere una buona qualità. Vengono fornite indicazioni per le prove non distruttive in linea. 1. Introduzione Limitatamente al settore delle lamiere sottili inox, saranno esposti in quanto segue i criteri adottati attualmente per definire la qualità di una saldatura, gli accorgimenti seguiti per ottenere qualità e i principali controlli in linea e a fine linea attualmente in uso. Può essere utile attirare l'attenzio- ne sul fatto che la maggior parte delle lamiere sottili inox trovano impiego in prodotti di massa (mobili, elettrodomestici, tubi, ecc.) caratterizzati da un basso valore aggiunto (se paragonati ad altri settori), come l'aereonautico, il chimico, il nucleare, ecc.) e da un modesto contenuto tecnologico. A ciòìsi deve aggiungere il fatto che numeróse tecniche di controllo sviluppate per alti spessori, mal si adat- Summary Factors which define thè quality of thè welding of thin stainfess steel sheets are rewieved. Resistance welding, MIG, TIG and LASER are taken into consideration. The main critera currently applied to get good quality are also described. Suggestions for possible on line Non Destructive Tests are given. Fig. 1 Saldatura a punti su AlSI 430 (spessore lamiera 0,8 mm). 24 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

3 Fig. 2 - Saldatura a rullo suaisi 430 (spessore lamiera 0,8 mm). Fig. 3 - Microstruttura colonnare su AISI 430 (200 X). Fig. 4 - Microstruttura dendritica su AISI 304 (500 X). tano ad essere applicate ai bassi spessori. Ciò ha comportato lo sviluppo di un concetto di qualità e di controllo della qualità dei processi di lavorazione (e della saldatura in particolare) specifici di questo settore). 2. Aspetti che definiscono la qualità di una saldatura su lamiere sottili inox La qualità di una saldatura è definibile in base ad alcuni criteri, che qualitativamente possono essere così sintetizzati, a seconda della tecnologia di saldatura utilizzata (a resistenza, TIG, MIG, LASER) e della natura del materiale saldato (ferritico o austenitico): a) Saldatura a resistenza (a punti e a rullo) Viene considerato ottimale un aspetto geometrico del tipo riportato nelle figure 1 e 2 (rispettivamente per saldatura a punti e a rullo). Gli aspetti che definiscono la qualità di questo tipo di saldatura sono l'entità delle impronte dovute agli elettrodi, la dimensione del nocciolo saldato e l'assenza di interstizio nel caso della saldatura a rulli. Difformità da queste condizioni vengono considerate negativamente. Esempi in questo senso verranno forniti di seguito. È comunque compito delle singole aziende definire gli scostamenti ammessi da queste condizioni ideali: è inutile infatti richiedere la stessa qualità su componenti destinati al settore nucleare e su componenti destinati al settore domestico. Dal punto di vista microstrutturale viene accettata una struttura colonnare per l'aisi 430 ed una struttura microdendritica per l'aisi 304 (figure 3 e 4). Viene considerata negativamente la presenza di martensite nell'aisi 430, a causa dell'infrangilimento da essa provocato (figura 5). La martensite può essere molto diminuita con l'utilizzo di versioni stabilizzate. Nell'AISI 304 viene considerata negativamente la presenza di carburi a bordo grano (figura 6), in quanto indice di possibile sensibilizzazione e quindi di possibilità di corrosione intergranulare in ambienti particolari. Ovviamente^ carburi a bordo grano sono pericolosi solo se presenti sulla superficie della lamiera. In superficie si richiede la minimizzatone, se non l'assenza, di ossidazioni e di depositi di rame da parte dell'elettrodo. b) Saldatura TIG (senza materiale d'apporto) Viene accettata una geometria del tipo di delle figure 7 e 8 (AISI 430 e 304 rispettivamente). La microstruttura è generalmente 25 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

4 mista colonnare equiassica, in dipendenza dai parametri di saldatura, nel caso dell'aisi 430. Nel caso dell'aisi 304 la microstruttura è di tipo microdentritica. Come per la saldatura a resistenza la presenza di martensite nel caso dell'aisi 430 e dei carburi a bordo grano nel caso dell'aisi 304 sono fattori negativi, ma inevitabili a meno di ricorrere a gradi stabilizzati. e) Saldatura MIG Tendenzialmente questa è effettuata con spessori superiori a 1,5 mm. L'aspetto geometrico è simile a quello delle saldature TIG, ma con un consistente aumento di spessore della zona saldata, ampiamente variabile comunque in funzione dei parametri. Anche la microstruttura dipende dal materiale d'apporto. Nella maggior parte dei casi essendo questo costituito da leghe austenitiche si osserva una struttura microdendritica. d) Saldatura LASER L'aspetto, geometrico ottimale è riportato in figura 9 (AlSI 430). È importante che la sezione si presenti il più continua possibile. Nella stessa micrografia si nota la presenza di martensite che decora il bordo grano. Trattandosi generalmente di un processo molto rapido è Fig. 5 Martensite su AlSI 430 (500 X). I Fig. 6 Carburi a bordo grano su AlSI 304 (500 X). j Fig. 7 Saldatura TIG su AlSI 430 (spessore lamiera 0,5 mm). i Fig. 8 - Saldatura TIG su AfSt 304 (spessore lamiera 0,4 mm). difficile evitare martensite perfino nei gradi stabilizzati. In figura 10 si osserva una saldatura LASER su AlSI 304: le differenti caratteristiche chimico-fisiche conducono ad una forma leggermente diversa del cordone di saldatura, con struttura comunque microdentritica. I carburi di cromo a bordo grano sono assenti anche nei gradi non stabilizzati. 26 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

5 3. Come ottenere la qualità desiderata Supposto che te saldatrici siano utilizzate correttamente e che i parametri di saldatura (corrente, tensione, ecc.) siano quelli corretti, la qualità di una saldatura dipende principalmen- Fig. 9 - Saldatura LASER su AISI430 (spessore lamiera 0,6 mm). Fig Saldatura LASER su AISI 304 (spessore lamiera 0,6 mm). Fig Errori nel posizionamento dei bordi. te dalla qualità della preparazione dei lembi, dalla qualità delle attrezzature di posizionamento e fissaggio delle lamiere e dalla efficacia con cui si protegge il bagno fuso. È opportuno sottolineare che quasi sempre la saldatura dì lamiere sottili richiede procedure automatiche, fatta eccezione la saldatura a punti. Due sono le configurazioni del giunto di saldatura utilizzate generalmente: a) di testa per le saldature ad arco o LASER; b) per sovrapposizione nel caso di saldatura a resistenza e talora anche LASER. a) Saldature di testa Sui bassi spessori è la saldatura più difficile ad essere eseguita. È infatti necessario curare i seguenti aspetti: Pulizia. Olio, impurezze, ecc. provocano discontinuità del cordone di saldatura sugli spessori inferiori a 1 mm, mentre provocano porosità sugli spessori superiori. Tolleranze nel posizionamento. Distanza tra t bordi, gradino tra i bordi, coassialità con l'arco o il fascio LASER come definite in figura 11. È questo il requisito più importante e più difficile da rispettare. I difetti risultanti da un mancato rispetto del posizionamento sono osservabili nelle figure 12 e 13. Assenza di bave. Generalmente una lamiera tranciata presenta una bava, più o meno pronunciata a seconda delle attrezzature impiegate (figure 14 e 15). È sconsigliabile la tranciatura con cesoie. 1 : : D \ ',' \ / Ti- 1 \ / - L Fi - Li 1 ad ino ti J 1 b) Saldatura per sovrapposizione A resistenza a punti. Tra i vari tipi di saldatura è considerata la più facile, essendo la meno sensibile a impurezze e imprecisioni di posizionamento. Tuttavia anch'essa può dare luogo a inconvenienti, soprattutto se eseguita su pezzi già stampati. Infatti molto spesso, a causa delle tolleranze naturali dei processi di lavorazione, le quote geometriche previste a disegno non vengono rispettate. Può succedere pertanto che due lamiere, tra le quali era previsto un contatto, in realtà si trovino separate da un certo interstizio. La saldatura a punti sopperisce con alcuni limiti a questa mancanza grazie alla pressione con cui vengono accostati gli elettrodi alle lamiere. Tuttavia, se la forza richiesta è troppo elevata, la saldatura può risultare difettosa, o a causa di una mancanza di pressione effettiva o a causa di scollamenti a caldo (figura 16). L'eccesso di pressione degli elet- 27 I LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

6 trodi può inoltre forzare la lamiera fino a produrre cricche superficiali (figura 17), non visibili ad occhio, ma causa di probabili fratture o corrosioni. Nel caso si desideri ottenere punti di saldatura esenti da ossidazioni a caldo macroscopiche è ovviamente necessario eseguire una continua manutenzione degli elettrodi od eventualmente effettuare la saldatura sotto gas inerte e leggermente riducente. A resistenza a rullo. In questo caso una ulteriore difficoltà risiede nell'evitare che i lembi della lamiera da saldare tendano a spostarsi mano a mano che la saldatura procede. Un altro problema è costituito dal forte riscaldamento che subisce la lamiera a causa del lungo processo di saldatura. Ciò conduce all'imbrunimento della lamiera stessa a causa della formazione di ossidi e al deposito di consistenti quantità di rame da parte dell'elettrodo. Ottimizzare le dimensioni dei rulli di saldatura, raffreddare la saldatura con acque o utilizzare gas di copertura può molto spesso dare ottimi risultati. LASER. In questo caso non c'è la pressione degli elettrodi a mantenere le lamiere in contatto. Tuttavia è necessario avere questo contatto se si desiderano buone resistenze meccaniche. Due lamiere leggermente scostate (tipicamente al massimo 1/10 di mm) possono anche saldarsi, ma è evidente che la sezione resistente diventa minima (figura 18). Il contatto può essere assicurato o da strutture fisse o da rulli, rotelle o altro cr^ precedono o seguono il raggio LASER. Questo tipo di saldatura richiede inoltre lamiere, più pulite che non la saldatura a rullo. Fig Mancanza di allineamento (spessore lamiera 0,5 mm). I Fig Mancanza di allineamento (spessore lamiera 0,5 mm). Fig Bava di tranciatura sufficiente (spessore lamiera 0,6 mm). Fig. 15 Bava dì tranciatura non accettabile (spessore lamiera 0,6 mm). 28 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

7 4. Controllo in linea della saldatura Nel settore delle lamiere sottili il controllo in linea del processo è abbastanza raro (fa eccezione la saldatura a punti) e solo recentemente si sono avuti sviluppi applicativi. Il motivo di questa situazione risiede nel fatto che: le lamiere sottili in genere mal si prestano al controllo mediante tecniche non distruttive convenzionali. Ad esempio inapplicabili o quasi le tecniche basate su ultrasuoni. Trattandosi di lamiere, si ha a che fare con saldature lunghe e con produzioni di massa. Tempi e costi per i controlli non distruttivi sarebbero in molti casi proibitivi se confrontati con il costo totale del manufatto (ad esempio raggi X e liquidi penetranti). Come accennato, fa eccezione la saldatura a punti in cui il controllo dinamico della resistenza opposta dal materiale è abbastanza diffuso e facilmente reperibile. Il principio su cui esso si basa è la misura della resistenza elettrica opposta al giunto al passaggio della corrente. Come illustrato in figura 19, questa resistenza dopo il primo transitorio irregolare, aumenta, poiché la lamiera, scaldandosi, diviene meno conduttiva (fase 2). Tuttavia quando il materiale comincia a fondere si forma un buon contatto elettrico tra te due lamiere e la resistenza diminuisce (fase 3). La corrente viene pertanto interrotta solo dopo che la resistenza sia diminuita di una prefissata quantità. Nei casi della saldatura ad arco il metodo più comune è il controllo della corrente e della tensione: è chiaro infatti che una eventuale caduta di corrente implica una probabile assenza di saldatura, essendo il pezzo da saldare parte di un circuito in serie. Il cattivo funzionamento di una qualunque parte del circuito viene pertanto evidenziata da una variazione della corrente. Questo controllo garantisce solo che il pezzo ha assorbito la voluta quantità di energia. Non mette invece in guardia contro il comparire di difetti quali cricche o porosità. Nel caso della saldatura LASER il controllo della potenza o di altri parametri della macchina non sono altrettanto significativi che nel caso della saldatura ad arco: il pezzo infatti non può essere considerato parte di un circuito in serie, ed il LASER può fun- Fig Saldatura incompleta (spessore lamiera 0,8 mm). Fig Cricche superficiali (500 X). Fig Saldatura laser con interstizio (spessore lamiera 0,5 mm). zionare benissimo sia che ci sia un pezzo da saldare sia che esso sia assente. Solo attualmente hanno ricevuto impulso tentativi di monitorare in linea il processo di saldatura laser: tali sviluppi possono essere nella maggior parte dei casi applicabili anche agli altri processi ad arco. I processi attualmente più promettenti sono: a) controllo mediante il rilevamento delle emissioni luminose ed IR da parte del bagno di saldatura; b) controllo mediante il rilevamento delle emissioni acustiche; rr-m 29 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

8 Fig, 19 Andamento della resistenza elettrica in funzione del tempo durante la saldatura a resistenza. Fig Controllo in linea di una saldatura laser mediante varie tecniche. 3 n *-» 1 <J fl O H V T ^ / i H U sviluppo del nocciolo / dì saldatura / tempo ottimale <u saldatura e) controllo mediante correnti parassite. a) Emissioni luminose e IR Tutti i bagni di saldatura (sia ad arco che LASER) emettono radiazioni elettromagnetiche su uno spettro molto ampio. Una buona saldatura è caratterizzata per lo meno da una continuità di emissione. Pertanto specialmente nel caso LASER il rilievo della energia luminosa emessa tramite opportuni sensori può essere utilizzata per verificare la continuità della saldatura stessa (figura 20). L'azione svolta dal sensore è in pratica la stessa di quella svolta all'occhio di un operatore manuale che dal grado di luminosità del processo riese a esprimere un giudizio. b) Emissioni acustiche Tutte le operazioni di saldatura (LASER compresa) sono rumorose. Questo rumore può collocarsi nella banda di frequenza percettibile dall'orecchio umano o in bande diverse. Il sensore da utilizzarsi può essere un microfono od un trasduttore piezoelettrico. Nel primo caso non è necessario il contatto con il pezzo da saldare ma solo una vicinanza, nel secondo caso invece sono necessari fc V Tempo contatti fisici, che possono però essere facilmente stabiliti (figura 20). L'azione svolta da questi sensori è in pratica la stessa di quella svolta dall'orecchio di un operatore manuale: scoppiettii e variazioni nella intensità del rumore sono quasi sempre indice di un mutamento delle condizioni di saldatura. MICROFONO LASER AfJALlZZ. c) Correnti parassite II principio su cui si basa il controllo mediante correnti parassite è quello di una misura delle caratteristiche elettriche (impedenza) di aree localizzate del campione, tramite piccole sonde opportunamente progettate (figura 21). Classicamente questo metodo viene utilizzato per rivelare cricche superficiali o subsuperficiali. È probabile che, se opportunamente tarato, esso possa essere applicato per controllare la continuità delle saldature e la presenza di difetti. Non si ha notizia di applicazioni se non su scala di laboratorio. 5. Controlli a fine linea I principali controlli di qualità a fine linea attualmente utilizzati sono: a) esami microstrutturali. b) Prove meccaniche, e) Prove di corrosione. d) Controlli non distruttivi. È necessario distinguere il caso in cui si desidera omologare un nuovo processo o prodotto dal caso in cui si effettua un semplice controllo di qualità di tipo statistico. i a) Esami microstrutturali Si usano solitamente la microscopia ottica, la microscopia elettronica a scansione e più raramente la microscopia elettronica in trasmissione. Nel caso delle omologazioni è preferibile applicare queste tecniche dopo aver effettuato prove di vita sui campioni. Gli scopi delle tre tecniche sono differenti: Metallografia ottica: 30 LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

9 Fig. 21 Schematizzazione di una sonda per correnti parassite. Fig Provini per prove meecancfte (da Res/- stance Welding Manual RWMA). condizioni geometriche (allineamento dei bordi, interstizi, dimensioni nocciolo di saldatura, incisioni marginali) difetti quali cricche o porosità caratteristiche microstrutturali: presenza o meno di martensite, presenza o meno di carburi a bordo grano, microdurezza. 1) Sviluppo della saldatura da esaminare: 690 mm. 2) Esami decisi: metallografia ottica e SEM dopo prove di vita. 3) Numero di prelievi per esame al Microscopio Elettronico a Scansione: esame di tutta la saldatura a 300 X. 4) Numero di prelievi per esame al microscopio ottico: 8, di cui 5 in senso trasversale alla saldatura e 3 in senso longitudinale. Successivamente in fase di produzione il controllo con microscopia ottica viene effettuato solo saltuariamente, in coincidenza con manutenzioni degli impianti, cambio di fornitore della lamiera, ecc. b) Prove meccaniche Sostanzialmente le prove meccaniche sono prove di trazione o di imbuzate correntemente sono riportate in figura 22. Anche questa prova non sempre è praticabile: infatti nel caso di saldature automatiche esistono attrezzature per il posizionamento e il fissaggio dei componenti da saldare che accettano solo questi. Inoltre questo tipo di prova garantisce solo che i parametri di saldatura sono corretti. Una cattiva geometria nei componenti da saldare (e che quindi conduce a saldature difettose) non viene rilevata. Da ciò deriva il dilagare di prove empiriche, ad hoc per lo specifico componente. Caratteristica generale di tutte le prove di trazione è che la rottura dei campioni debba avvenire al di fuori della saldatura. Il motivo di ciò risiede nel fatto che Microscopia eiettronica a scansione: solitamente viene effettuata per la omologazione. In genere essa viene utilizzata per individuare la pre- SPriza di attacchi corrosivi e la loro natura, come pure la presenza di cricche superficiali. Microscopia elettronica in trasmissione: il suo utilizzo è molto raro e generalmente viene impiegata per studiare la morfologia dei carburi a bordo grano e solo in fase di omologazione. 'SPOT-WELO CÉNTERED AS SHOWN Per tutte queste tecniche è importante decidere il numero di prelievi e la loro localizzazione. Un prelievo infatti comporta un costo non indifferente. A titolo di esempio si riporta la procedura utilizzata per la omologazione del processo di saldatura laser di una vasca per Lavabiancheria in AISI 430: titura del tipo Erichsen. Solo in fase di omologazione si ricorre in alcuni casi a prove di fatica. La difficoltà principale di solito è quella di ricavare dal componente saldato provini secondo le norme previste per queste prove. La difficoltà viene risolta effettuando la saldatura non sul componente ma su campioni a norma. Esempi di geometrie utilizse la saldatura è stata eseguita con materiale d'apporto la sezione risulta maggiorata nella zona saldata, se invece non c'è materiale d'apporto la zona saldata risulta generalmente più dura (ma anche più fragile) del materiale circostante. e) Corrosione Le prove di corrosione vengono ge- 31 I LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211

10 neralmente eseguite solo in fase di omologazione. Solo in rari casi si ricorre ad un controllo statistico durante la produzione, e ciò avviene soprattutto nelle produzioni in gran serie. In questo caso il tipo di controllo effettuato più frequentemente è la prova in camera a nebbia salina, rilevando il tempo di comparsa di ruggine rossa e le aree di tale comparsa. Per confronto con i risultati ottenuti in fase di omologazione si verifica se il processo di saldatura è sotto controllo o meno. Altri tipi di prova (elettrochimiche, norme ASTM varie) sono molto rare. d) Controlli non distruttivi L'unico controllo non distruttivo che gode di una certa diffusione nell'ambito delle lamiere sottili è quello a Liquidi Penetranti, per verificare la tenuta di saldature su serbatoi destinati a contenere liquidi (vasche, pentole, ecc). In questo caso pertanto l'utilizzo non è quello classico che ricorre anche allo sviluppatore, ma si limita al controllo della fuoriuscita del liquido penetrante dal lato opposto a quello a cui è stato applicato. Un controllo molto promettente per i punti di saldatura (e già disponibile commercialmente) è quello che si basa sulla misura della resistività, tramite una piccola sonda a quattro elettrodi. Come già detto anche il controllo con correnti parassite potrebbe fornire qualche aiuto. Ultrasuoni a raggi X risultano invece generalmente non praticabili a causa degli spessori troppo sottili. 6. Conclusioni Quasi tutte le aziende che operano nel campo delle lamiere sottili investono la maggior parte delle risorse nella messa a punto del processo di saldatura, garantendosi attrezzature e macchine efficienti ed affidabili. Una modesta quota viene investita invece nel controllo statistico finale. Poco viene fatto anche per il controllo in linea. Ciò è dovuto al fatto che non esistono, tranne che nel caso della saldatura a resistenza a punti, controlli efficaci disponibili commercialmente. Ci sono due ragioni che danno conto di tale situazione: i controlli non distruttivi attuali sono stati sviluppati soprattutto sugli alti spessori, e sono quasi inapplicabili ai bassi spessori; il costo di detti controlli è troppo elevato in relazione al valore dei prodotti tipicamente realizzati con lamiere sottili inox. Se si considera tuttavia che attualmente la maggior parte delle aziende lavora con il concetto di Qualità Totale e mira al risultato di «Scarto Zero», emerge i una grossa opportunità di sviluppo per il settore del controllo qualità in linea sulla saldatura delle lamiere sottili e in particolare di quelle inox. ; 32 I LA MECCANICA ITALIANA novembre 1987 n 211