Costruzione di Macchine

Transcript

1 Corso di Laurea in Ingegneria Industriale Lezioni del corso di Costruzione di Macchine prof. ing. Riccardo Nobile 1

2 Definizioni e caratteristiche La saldatura è un processo tecnologico di giunzione che ripristina la completa continuità strutturale di una parte o dell intera sezione resistente del componente La continuità strutturale viene garantita dalla fusione del materiale costituente le parti da saldare e, se necessario, del metallo d apporto Una volta realizzata la saldatura, le due parti costituiscono un unico componente e come tale la saldatura è potenzialmente il collegamento che assicura la totale ed efficace trasmissione dei carichi Il collegamento può essere sciolto solo danneggiando irrimediabilmente le parti e costituisce quindi un collegamento fisso 2

3 Vantaggi Semplicità e molteplicità delle soluzioni geometriche Rapidità di esecuzione Semplicità delle lavorazioni di preparazione delle parti Tenuta dalla fuoriuscita di fluidi Basso complessivo costo Svantaggi Eseguibile solo su materiali saldabili Introduzione di distorsioni geometriche e tensioni residue Alterazione della struttura cristallina del materiale Necessità di lavorazioni meccaniche o di trattamenti termici di distensione successivi Calcolo approssimativo della resistenza, specie a fatica 3

4 Classificazione delle saldature I processi di saldatura sono classificati da un punto di vista tecnologico in base ai processi utilizzati per fornire il calore o la pressione necessari alla realizzazione della giunzione Saldatura per fusione Saldatura a resistenza Saldatura a pressione Brasatura 4

5 Saldature per fusione I processi di saldatura più comuni sono quelli per fusione Manuale con elettrodi rivestiti Saldature per fusione Arco elettrico Combustione Chimica Laser TIG elettrodo infusibile in Tungsteno MIG con gas inerte MAG con gas attivo Arco sommerso a gas ossiacetilenica Alluminotermica Plasma 5

6 Geometria dei giunti saldati La geometria caratteristica di un giunto saldato per fusione può essere ricondotta ad alcuni elementi fondamentali Il giunto geometricamente più semplice è detto giunto testa a testa e si ottiene realizzando un cordone di saldatura lungo i lati di due lamiere affiancate 6

7 Geometria dei giunti saldati Durante il processo di saldatura una parte dei lembi da saldare più il metallo d apporto si fonde e successivamente si solidifica per costituire il cordone di saldatura 7

8 Classificazione delle saldature Classificazione geometrica Variando la posizione relativa delle lamiere e la posizione del cordone di saldatura si ottengono differenti tipologie di giunti. La configurazione geometrica del giunto saldato viene anche detta geometria di dettaglio del giunto e definisce come sono disposte e orientate le parti che formano il giunto Giunto testa a testa Giunto a T Giunto a croce Butt joint T-joint Cruciform joint Giunto d orlo Border joint Giunto di spigolo Corner joint Giunto a sovrapposizione Lap joint Giunto a L Edge joint 8

9 Classificazione geometrica giunto di testa 9

10 giunto a T Saldature per fusione Tipologie di giunti saldati giunto a croce 10

11 Classificazione geometrica giunto di spigolo giunto a L 11

12 Classificazione geometrica giunto d orlo 12

13 Classificazione geometrica giunto a sovrapposizione 13

14 Il cianfrino Si indica con il termine cianfrino la geometria dei lembi da saldare Lo scopo del cianfrino è di assicurare la regolare fusione dei lembi, in modo da permettere che la continuità strutturale del giunto sia garantita per l intero lo spessore 14

15 Il cianfrino La cianfrinatura si rende necessaria soprattutto quando si voglia saldare spessori elevati, mentre può essere evitata nella saldatura di piccoli spessori, ovvero spessori dello stesso ordine di grandezza del materiale saldabile che può essere deposto in una singola passata 15

16 Esempi di cianfrino a V e ½ V Il cianfrino Cianfrino a V simmetrico Cianfrino a V asimmetrico Cianfrino a ½ V 16

17 senza preparazione dei lembi Saldature per fusione Il cianfrino Cianfrino a V Cianfrino a U Cianfrino a ½ V 17

18 senza preparazione dei lembi Saldature per fusione Il cianfrino Cianfrino a X senza preparazione dei lembi Cianfrino a K 18

19 Controlli delle saldature L esecuzione delle saldature deve essere effettuata con procedimenti controllati e da operatori qualificati, per i quali è richiesta una formazione specifica con rilascio di un patentino Solo in questa maniera si riesce a garantire una notevole riduzione della difettosità dei giunti Nonostante questo, la presenza di difetti all interno delle saldature costituisce una possibilità reale Di conseguenza, le saldature devono essere ispezionate e sottoposte a controlli non distruttivi che ne assicurino l assenza di difettosità rilevanti 19

20 Controlli delle saldature Esempio di procedura di saldatura codificata 20

21 Controlli da eseguire in fase di saldatura A) Verificare l uniformità del cordone per tutta la lunghezza e asportare la scoria depositata 21

22 Controlli da eseguire in fase di saldatura A) Verificare l uniformità del cordone per tutta la lunghezza e asportare la scoria depositata B) Evitare passate con eccessiva deposizione di materiale e formazione di sottotagli 22

23 Controlli da eseguire in fase di saldatura A) Verificare l uniformità del cordone per tutta la lunghezza e asportare la scoria depositata B) Evitare passate con eccessiva deposizione di materiale e formazione di sottotagli C) Evitare concavità eccessive del cordone che possono produrre cricche 23

24 Controlli da eseguire in fase di saldatura A) Verificare l uniformità del cordone per tutta la lunghezza e asportare la scoria depositata B) Evitare passate con eccessiva deposizione di materiale e formazione di sottotagli C) Evitare concavità eccessive del cordone che possono produrre cricche D) Evitare difetti dovuti a mancanza di fusione 24

25 Controlli da eseguire in fase di saldatura E) F) Evitare difetti dovuti a mancanza di fusione alla radice del cordone 25

26 Controlli da eseguire in fase di saldatura E) F) Evitare difetti dovuti a mancanza di fusione alla radice del cordone G) H) Rimuovere porzioni di cordone criccate subito dopo la saldatura 26

27 Difetti di saldatura I principali difetti di saldatura sono i seguenti: pori e tarli: sviluppo di vapore acqueo durante la saldatura che rimane intrappolato nel bagno di fusione inclusioni di scoria: presenza di particelle del rivestimento degli elettrodi all interno del cordone inclusioni di tungsteno: presenza di particelle di tungsteno dovute al contatto accidentale dell elettrodo infusibile durante la saldatura 27

28 Difetti di saldatura I principali difetti di saldatura sono i seguenti: cricche a caldo: formazione di cricche a temperature di circa 700 C dovuta alla presenza di impurezze di S e P nell acciaio cricche a freddo: formazione di cricche durante il raffreddamento per effetto di una velocità di raffreddamento eccesiva o la diversa solubilizzazione dell idrogeno H 2 nel materiale caldo e freddo 28

29 Difetti di saldatura I principali difetti di saldatura dovuti ad una errata geometria del cordone sono i seguenti: mancanza di penetrazione: mancato riempimento del cianfrino causato da una eccessiva velocità di passata mancanza di fusione o incollaggio dei lembi: partecipazione limitata o assente dei lembi alla formazione del bagno di saldatura sottotaglio (undercut): riduzione geometrica della sezione resistente nella zona adiacente al cordone di saldatura 29

30 Difetti di saldatura Il cordone di saldatura ottimale presenta un adeguato rinforzo e penetrazione al vertice Un eccessivo o insufficiente rinforzo, così come una insufficiente o eccessiva penetrazione al vertice, pregiudica la resistenza meccanica del cordone 30

31 Fattori influenzanti la resistenza di un giunto saldato Alterazione microstrutturale del materiale Distorsioni geometriche Tensioni residue Geometria locale del cordone 31

32 Alterazione microstrutturale del materiale L esecuzione della saldatura è caratterizzata da un apporto termico elevatissimo, tale da produrre la fusione sia del materiale base che dell eventuale metallo d apporto. Di conseguenza la struttura metallurgica del materiale ne risulta alterata, non solo nella zona del materiale fuso ma anche in quella adiacente La zona di materiale che subisce una modifica viene indicata con l acronimo ZTA (Zona Termicamente Alterata) 32

33 Alterazione microstrutturale del materiale La Zona Termicamente Alterata subisce un raffreddamento repentino che produce dei veri e propri trattamenti termici di tempra, con conseguente incremento della resistenza meccanica e riduzione più o meno marcata della duttilità Nella ZTA si manifesta anche un ingrossamento e una crescita irregolare dei grani 33

34 Alterazione microstrutturale del materiale Nella ZTA si verificano dei processi differenziati di tempra e ingrossamento del grano tanto più accentuati quanto più si è vicini al materiale fuso Tutte queste alterazioni si traducono in un incremento della resistenza e in una perdita di duttilità del materiale, che rappresenta una criticità per il giunto 34

35 Distorsioni geometriche e tensioni residue I cicli di riscaldamento e raffreddamento locali associati al processo di saldatura producono la nascita di distorsioni geometriche e/o tensioni residue Durante il riscaldamento, il materiale si dilata maggiormente dal lato di deposizione del materiale saldato Durante il raffreddamento, il metallo fuso del cordone tende a contrarsi ma il ritiro viene ostacolato dal metallo base che lo circonda 35

36 Distorsioni geometriche e tensioni residue Si generano degli stati di trazione all interno del cordone, i quali, tenuto conto della bassa rigidezza del metallo ad alte temperature, si traducono in deformazioni permanenti Tali deformazioni permanenti determinano a temperatura ambiente delle distorsioni geometriche accompagnate da campi complessi di tensioni residue 36

37 Distorsioni geometriche e tensioni residue Se le lamiere di metallo base sono caratterizzate da una elevata rigidezza (elevato spessore), le distorsioni saranno limitate mentre le tensioni residue saranno elevate (anche prossime o superiori alla tensione di snervamento) Se le lamiere hanno piccolo spessore, l effetto prevalente sarà costituito dalle distorsioni geometriche, a scapito delle tensioni residue 37

38 Distorsioni geometriche e tensioni residue Andamento caratteristico delle tensioni residue in un giunto testa a testa 38

39 Distorsioni geometriche e tensioni residue Distorsioni geometriche Le distorsioni geometriche del giunto comportano il fatto che i carichi applicati determinano la nascita di flessioni e torsioni spurie che si sommano ai carichi nominali applicati Il problema è che questi carichi aggiuntivi sono di difficile valutazione in fase di progettazione Per questa ragione si impongono dei limiti di accettabilità alle distorsioni massime di un giunto e si tiene conto dei carichi spuri aumentando il coefficiente di sicurezza utilizzato nel dimensionamento 39

40 Distorsioni geometriche e tensioni residue Tensioni residue Le tensioni residue costituiscono delle tensioni che si sommano algebricamente a quelle determinate dai carichi esterni e possono quindi determinare facilmente il superamento della condizione di snervamento Specie nel caso di carichi di fatica, la plasticizzazione tende a ridurre e a redistribuire i carichi ma l effetto delle tensioni residue è spesso quello di ridurre in maniera inattesa la resistenza meccanica 40

41 Geometria locale del cordone Il cordone di saldatura rappresenta un vero e proprio intaglio e introduce una corrispondente concentrazione di tensione Poiché il raggio di raccordo alla radice del cordone è fortemente variabile e di piccola entità, non è possibile a priori quantificare la sovrasollecitazione introdotta nel giunto 41

42 Classificazione delle saldature Classificazione strutturale La conformazione geometrica del cordone e la sua interazione con le parti collegate determina le sollecitazioni locali che vanno ad interessare la zona di saldatura. Da un punto di vista del comportamento strutturale, ogni saldatura rientra in una delle tre categorie seguenti: Saldature testa a testa e a completa penetrazione (butt welds): il cordone di saldatura ripristina completamente la sezione resistente del giunto Saldature a cordone d angolo (fillet welds): il cordone di saldatura è tale da introdurre una discontinuità macroscopica tra le parti saldate Saldature a punti: la zona di saldatura è assimilabile ad un punto o a una zona circolare più che a un cordone allungato 42

43 Calcolo e verifica delle saldature Norme di riferimento A causa dell importanza e della specificità delle giunzioni saldate, il calcolo e la verifica delle saldature vengono eseguite secondo procedimenti e metodi di calcolo oggetto di norme nazionali e internazionali Le principali norme per la verifica delle saldature sono le seguenti: CNR-UNI UNI EN Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-8: design of joints 43

44 Calcolo e verifica delle saldature CNR UNI La norma CNR UNI è stata la norma italiana di riferimento per le costruzioni in acciaio da carpenteria La norma si riferisce nello specifico a tre acciai laminati a caldo le cui proprietà meccaniche sono riportate di seguito Acciaio Tensione di rottura σ R [N/mm 2 ] Tensione di snervamento σ y [N/mm 2 ] Tensione ammissibile σ amm [N/mm 2 ] Fe Fe Fe Tali valori vengono ridotti per spessori delle lamiere superiori a 40 mm 44

45 Calcolo e verifica delle saldature UNI EN Eurocode 3 La norma UNI EN Eurocode 3 rappresenta lo standard europeo che armonizza tutte le norme nazionali preesistenti, come ad esempio la italiana CNR-UNI La norma ha per oggetto tutte le costruzioni in acciaio da carpenteria per strutture in campo civile ma trova applicazione anche nel settore industriale Gli acciai di riferimento sono definiti in base alla tensione di snervamento caratteristica: S235, S275, S355, S420, S460 I primi tre corrispondono agli acciai Fe360, Fe430 e Fe510 identificati nella norma CNR-UNI cui nella pratica corrente si fa ancora riferimento Nell Eurocodice 3 si è tenuto conto dell evoluzione dell acciaio da carpenteria laminato a caldo introducendo 45 altri due acciai ad elevato limite di snervamento

46 Verifica statica Classi di saldatura CNR UNI La normativa definisce due classi di saldatura che si differenziano per l uso di procedimenti di saldatura differenziati e per i controlli che vengono eseguiti: I classe: le saldature vengono realizzati con elettrodi di classe 3 o 4, sono sottoposti a controlli non distruttivi e non sono ammessi difetti di saldatura II classe: le saldature vengono realizzate con elettrodi di classe 2, 3 o 4, sono sottoposti a controlli non distruttivi a campione e sono tollerate piccole difettosità 46

47 Verifica statica Giunti a completa penetrazione Poiché nei giunti a completa penetrazione il cordone ripristina completamente la sezione resistente del giunto, il calcolo delle sollecitazioni viene eseguito come se il cordone di saldatura non ci fosse La sezione resistente è la minore tra quelle delle piastre saldate 47

48 Verifica statica Giunti a completa penetrazione Prendendo come riferimento le direzioni caratteristiche del cordone si definiscono le varie tensioni agenti: = = = 3 2 tensione normale nella sezione longitudinale (ortogonale al cordone) tensione normale nella sezione trasversale (parallela al cordone) tensione tangenziale nella sezione longitudinale 48

49 Verifica statica Giunti a completa penetrazione Le tensioni caratteristiche così determinate vengono utilizzate per calcolare una tensione equivalente che fa riferimento al criterio di Von Mises: =

50 Verifica statica Giunti a completa penetrazione La tensione ideale così determinata deve essere confrontata con una tensione ammissibile che è caratteristica non solo del materiale base utilizzato ma anche della qualità della saldatura 0.85 (I classe) (II classe) 50

51 Verifica statica Giunti a cordone d angolo I giunti a cordone d angolo sono caratterizzati dalla presenza di discontinuità e hanno prestazioni meccaniche inferiori rispetto ai giunti a completa penetrazione. Le linee di forza che attraversano il cordone subiscono delle forti deviazioni a causa della particolare conformazione geometrica dei giunti La sezione resistente viene definita in maniera convenzionale e ribaltata su uno dei lati del cordone per facilitare il calcolo delle tensioni Le tensioni e le rispettive denominazioni sono esse stesse convenzionali perché riferite a una sezione idealizzata 51

52 Verifica statica Giunti a cordone d angolo La sezione resistente dei giunti a cordone d angolo è un rettangolo di lunghezza pari al cordone di saldatura e di altezza pari all altezza di gola della sezione del cordone L altezza di gola del cordone è definita come l altezza del triangolo che può essere inscritto nella sezione del cordone di saldatura 52

53 Verifica statica Giunti a cordone d angolo La sezione così determinata viene poi ribaltata sul lato orizzontale o verticale per facilitare il calcolo delle tensioni agenti 53

54 Verifica statica Giunti a cordone d angolo Le tensioni che normalmente agiscono nel cordone di saldatura sono le seguenti: tensione normale alla sezione resistente tensione tangenziale ortogonale al cordone tensione tangenziale parallela al cordone Le tensioni σ eventualmente presenti non vengono considerate 54

55 Verifica statica Giunti a cordone d angolo Le tensioni σ e τ si scambiano se la sezione resistente viene ribaltata sul piano verticale o su quello orizzontale Le tensioni σ non vengono considerate nella verifica di resistenza in quanto si suppone che tali carichi vengano sopportati dalle lamiere più che dal cordone di saldatura 55

56 Verifica statica Giunti a cordone d angolo Le tensioni caratteristiche così determinate vengono utilizzate per calcolare una tensione equivalente che fa riferimento al criterio della sfera mozza: = Il nome del criterio deriva dal fatto che il vettore risultante delle tensioni agenti sul cordone deve essere interno alla superficie di una sfera di raggio ασ amm troncata da due piani distanti βσ amm dal centro 56

57 Verifica statica Giunti a cordone d angolo I valori dei coefficienti α e β dipendono dal materiale base considerato = Acciaio α β Fe Fe Fe

58 Verifica a fatica Considerazioni generali La resistenza statica di una saldatura a completa penetrazione esente da difetti è comparabile o in alcuni casi superiore a quella del materiale base Il punto critico delle saldature è rappresentato dalla resistenza a fatica Da un punto di vista metallurgico, Il materiale saldato si trova nelle peggiori condizioni in quanto è dotato di una minore duttilità, ha una struttura metallurgica formata da grani irregolari e mediamente di maggiori dimensioni Da un punto di vista strutturale, il giunto saldato è affetto da distorsioni, che amplificano i carichi applicati, e da tensioni residue intense Infine il cordone di saldatura costituisce una concentrazione di tensione 58

59 Verifica a fatica Considerazioni generali Tenuto conto di tutte queste osservazioni, la resistenza a fatica di una saldatura è di gran lunga inferiore di quella del materiale base Nel caso di carichi di fatica gli unici giunti saldati ammissibili sono quelli a completa penetrazione La discontinuità strutturale tipica dei giunti a cordoni d angolo costituisce una cricca macroscopica da cui partirebbero i fenomeni di propagazione 59

60 Verifica a fatica Approccio della tensione nominale A causa della difficoltà di determinazione dello stato locale di sollecitazione di una saldatura, la tensione di calcolo utilizzata per valutare le sollecitazione di fatica è quella nominale, trascurando quindi le distorsioni e la concentrazione delle tensioni. Sulla base dei carichi massimi e minimi agenti sulla struttura, si calcola la variazione di tensione che interessa il cordone di saldatura = 60

61 Verifica a fatica Approccio della tensione nominale Si seleziona il dettaglio strutturale che più si avvicina alla geometria del proprio giunto saldato La variazione di tensione viene confrontata con la curva di resistenza a fatica associata al dettaglio strutturale 61

62 Verifica a fatica Approccio della tensione nominale L approccio della tensione nominale è fondamentalmente empirico in quanto rinuncia alla precisa determinazione dello stato tensionale La verifica a fatica fa riferimento a curve di derivazione sperimentale La forte limitazione è che il numero di dettagli strutturali di cui si conosce il comportamento a fatica è limitato 62