Il giunto saldato: microstruttura e principali difetti. G.M. La Vecchia Università di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica

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1 Il giunto saldato: microstruttura e principali difetti G.M. La Vecchia Università di Brescia Dipartimento di Ingegneria Meccanica

2 Definizione di saldatura e di saldabilità Saldatura: Unione permanente di due parti metalliche ottenuta realizzando la continuità del collegamento Saldabilità: attitudine di un materiale a prestarsi alla realizzazione di collegamenti saldati con le volute caratteristiche saldabilità operativa (tecnologia della saldatura) saldabilità metallurgica (modifiche della microstruttura) saldabilità meccanica/costruttiva (proprietà dell'insieme) Evoluzione storica: 1877: saldatura a resistenza (Thompson) 1901: cannello ossiacetilenico (Picard e Fouché) 1908: elettrodo rivestito (Kielberg) seconda guerra mondiale: TIG, MIG, arco sommerso dopoguerra: plasma, fascio elettronico 1958: laser 1991: friction stir welding

3 Tipologie di saldatura Saldatura per fusione Una sorgente termica concentra una potenza sufficiente per portare a fusione i lembi da unire e l eventuale metallo d apporto Brasatura Una sorgente termica porta a fusione solo un volume di metallo d apporto che risolidificando tra i lembi da unire crea il collegamento Saldatura a pressione una sollecitazione meccanica abbinata al riscaldamento dei lembi da unire consente la saldatura per fenomeni diffusivi o per ricristallizzazione della zona di interfaccia tra i due materiali

4 Struttura di un giunto saldato per fusione Zona fusa (ZF) Rappresenta la porzione di lega metallica che raggiunge la temperatura di fusione È composta dal metallo base e dall eventuale metallo d apporto Zona termicamente alterata (ZTA) parte del giunto saldato che non raggiunge la fase liquida ma subisce modifiche microstrutturali per i cicli termici di saldatura Metallo base la rimanente porzione del giunto saldato a distanza sufficientemente elevata dalla saldatura da non subire alterazioni apprezzabili nella microstruttura e, quindi, nelle caratteristiche meccaniche

5 Struttura di un giunto saldato per fusione Z.F. Z.T.A.

6 Configurazione del giunto saldato Per ottenere la massima efficienza del giunto è necessario realizzare la completa penetrazione della zona fusa Per spessori contenuti è sufficiente la saldatura con lembi retti in una o due passate contrapposte Per spessori maggiori si ricorre alla preparazione dei lembi (cianfrino) e alla saldatura multipassata

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8 Cicli termici di saldatura Il calore viene dissipato per irraggiamento, convezione ma soprattutto per conduzione attraverso il materiale base Le leggi di riscaldamento e raffreddamento nelle varie zone dipendono dalla conducibilità termica del metallo base e dalle caratteristiche geometriche del giunto In zona fusa il metallo in fase di solidificazione subisce delle contrazioni volumetriche che generano tensioni e possibili cricche (a caldo) oltre che distorsioni In ZTA la rapidità dei cicli di raffreddamento può modificare significativamente la struttura del metallo (es. acciaio legato passaggio da austenite a martensite)

9 Cicli termici di saldatura Saldatura ad arco Apporto termico specifico (in J/cm): TIG Q = V I 60 ν V: tensione di saldatura I: corrente di saldatura ν: velocità di avanzamento della sorgente

10 Cicli termici di saldatura temperatura di un generico punto all interfaccia ZF/ZTA Effetti indotti dalle saldature multipassate

11 Effetto della composizione dell acciaio = fonte di calore = parametri di saldatura = geometria C=0,1% Diverse leggi di raffreddamento in funzione della posizione nel giunto saldato Forte effetto di C e Mn sulla possibilità di formare fasi dure e fragili

12 Effetto della composizione dell acciaio C=0,5% Diverse leggi di raffreddamento in funzione della posizione nel giunto saldato Forte effetto di C e Mn sulla possibilità di formare fasi dure e fragili

13 Effetto della composizione dell acciaio C=0,5% Mn=1,5% Diverse leggi di raffreddamento in funzione della posizione nel giunto saldato Forte effetto di C e Mn sulla possibilità di formare fasi dure e fragili

14 Modifiche microstrutturali in ZTA In ZTA si possono determinare le seguenti modifiche microstrutturali: 1. Variazioni dimensionali del grano cristallino 2. Formazione di nuovi costituenti strutturali

15 Modifiche microstrutturali in ZTA Considerando il caso degli acciai, tanto più essi sono legati tanto più sarà facile avere alcune porzioni della ZTA che, al raffreddamento, passano da struttura austenitica a martensite. La martensite non sempre consente di assecondare le tensioni di ritiro senza criccarsi (cricche a freddo) In zona fusa la diluizione con il metallo d apporto consente spesso di evitare questi effetti C.C.T. per acciaio ipoeutettoidico con formazione di martensite

16 Variazioni reticolari indotte dalla trasformazione martensitica atomo di Fe atomo di C evidenziando anche le posizioni degli atomi di C 2 celle c.f.c. dell austenite cella t.c.c. cella t.c.c. della martensite

17 Martensite in z.t.a. = elevata probabilità di formazione cricche a freddo Martensite + idrogeno = condizione ottimale per formazione cricche a freddo Effetti negativi dell idrogeno in saldatura: z.f.: porosità z.t.a.: cricche a freddo Possibili fonti di idrogeno: umidità materiale non metallico coinvolto nella s. composti idrati (ruggine) o residui riconducibili a non corretta pulizia dei lembi di M.B. umidità dell aria Concentrazione idrogeno α γ δ L Temperatura Durante la solidificazione si può avere una condizione di sovrasaturazione dell H. L H si posiziona interstizialmente ed accentua la deformazione della martensite portandola verso condizioni di rottura

18 e dell idrogeno Deformazione aggiuntiva del reticolo cristallino fragilità

19 Martensite in acciaio ipoeutettoidico Martensite in acciaio ipereutettoidico Struttura caratterizzata da un alta densità di dislocazioni, elevato stato tensionale residuo bassa tenacità

20 Cricche di tempra in un acciaio al C Trasformazione martensitica = aumento di volume Trasformazione non istantanea su tutto il volume Sono più facilmente saldabili gli acciai non temprabili (acciai basso legati) C eq = %C + %Mn/6+(%Cr+%Mo+%V)/5+(%Ni+%Cu)/15 C eq <0,4% buona saldabilità; C eq >0,6% saldabilità critica

21 e dell idrogeno Deformazione aggiuntiva del reticolo cristallino fragilità Aggiunta elementi di lega Acciai legati maggiore facilità alla formazione di martensite > tendenza alla formazione di cricche a freddo

22 Solidificazione del giunto La traslazione della sorgente termica genera una pozza di metallo fuso che segue la fonte di calore durante la saldatura Struttura di un metallo grezzo di fusione che è solidificato rapidamente maglie di saldatura

23 Solidificazione del giunto Da un punto di vista microscopico, il processo di solidificazione del metallo saldato prende origine dalla linea di fusione e procede secondo i seguenti meccanismi: epitassiale - Gli atomi del liquido si depositano sull interfaccia liquido/solido in modo da estendere la struttura del solido, conservando la preesistente orientazione cristallografica dei grani nella ZTA; competitivo - tra i grani in crescita, quelli con orientazione più favorevole (gradiente termico e orientazione cristallografica) crescono più velocemente tanto da prevalere sui restanti

24 Forma della zona fusa e struttura del cordone di saldatura La crescita preferenziale dei grani coincide con la direzione normale alla superficie di separazione solido-liquido Lento avanzamento della sorgente pozza a forma ellittica: i grani tendono a incurvarsi per seguire l andamento del massimo gradiente termico Avanzamento veloce della sorgente pozza a forma di goccia: i grani sono leggermente inclinati rispetto alla direzione di saldatura, si forma una discontinuità nella mezzeria della z.f. (segregazione degli elementi al centro cordone, anisotropia)

25 Solidificazione della zona fusa in condizioni di non-equilibrio Con l avanzamento rapido del fronte di solidificazione, gli elementi di lega che si concentrano nel liquido non riescono a ridistribuirsi in modo omogeneo accumulo di soluto davanti all interfaccia solido-liquido gradiente di composizione gradiente della temperatura considerando l effettivo profilo di temperatura nel metallo fuso, si riscontra l esistenza di porzioni di metallo allo stato liquido pur a temperature inferiori a quella del liquidus: sottoraffreddamento costituzionale

26 Strutture di solidificazione del metallo saldato In funzione dell entità del sottoraffreddamento: crescita planare (a) crescita cellulare (b) crescita cellulare-dendritica (c) crescita dendritica-colonnare (d) influenza su: segregazioni comportamento meccanico ed a corrosione tendenza alla criccatura soprattutto a caldo Dendriti di grosse dimensioni

27 Cricche a caldo Le cricche a caldo sono lacerazioni che si manifestano in zona fusa nel corso della solidificazione del metallo saldato A temperature intermedie tra quella di solidus e di liquidus si formano dei legami tra i due fronti di metallo in fase di solidificazione ma permane la presenza di liquido (segregazioni) Contemporaneamente si instaurano tensioni di ritiro per il passaggio allo stato solido di parte del metallo e tensioni indotte dal contatto dei fronti delle dendriti giunte a contatto ed in fase di crescita (vincoli del giunto) La possibilità di avere inneschi di cricche è favorita dalla presenza di temperature elevate, in corrispondenza delle quali le leghe metalliche presentano ridotta resistenza meccanica

28 Cricche a caldo in zona fusa: si formano in fase di solidificazione Tensioni di ritiro; materiale con basso Rm (gli inneschi delle rotture si hanno per T>>Tamb) Fragilità a caldo; dendriti grossolane; segregazioni/impurezze Fattori di influenza Forma del cordone Grado di vincolo Composizione chimica metallo base/metallo d apporto Apporto termico (es. elevato apporto termico favorisce l ingrossamento delle dendriti)

29 Cricche a freddo Sono difetti che si formano prevalentemente in ZTA al termine del raffreddamento Si ha un accumulo di tensioni per i ritiri, dipendenti dall entità del gradiente termico che ha subito il materiale La presenza di strutture fragili e dotate di elevata durezza è un fattore che favorisce la formazione delle cricche a freddo

30 Zona termicamente alterata Gradiente termico rappresentativo della ZTA compresa tra i punti 2 e

31 Zona termicamente alterata I punti della ZTA compresi tra 3 e 4 non superano i punti critici in fase di riscaldo pertanto, per essi, non sono possibili trasformazioni martensitiche in fase di raffreddamento

32 I problemi legati alla zona termicamente alterata sono descritti dal parametro CE, carbonio equivalente. Tale parametro è anche usato per valutare la saldabilità degli acciai. CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 Il CE è in indice per la misura della maggiore o minore attitudine ad assumere struttura di tempra al raffreddamento dopo saldatura se CE<0,4 se 0,4<CE<0,6 se CE>0,6 acciaio facilmente saldabile acciaio saldabile con pre-riscaldo Problemi di saldabilità. Sono necessari pre e post-riscaldi

33 Scopo del preriscaldo: ridurre la velocità di raffreddamento della ZTA in modo tale da escludere per gli acciai debolmente legati la formazione di martensite. Nel caso di acciai fortemente legati il preriscaldo non può evitare la formazione di martensite ma favorisce la diffusione dell idrogeno limitando il sovratensionamento della martensite. Scopo del post-riscaldo: ridurre lo stato tensionale della martensite rendendo in tal modo più duttile il giunto saldato

34 Cricche associate alla presenza di idrogeno Possibile assorbimento d idrogeno dall ambiente e diffusione preferenziale di questo elemento nelle ultime zone che permangono in fase γ per la maggiore solubilità nel reticolo cfc

35 Cricche associate alla presenza di idrogeno ZF ZTA T 1 T 2 Il metallo saldato (ZF), spesso meno legato del metallo base si trasforma prima da austenite in altri costituenti a base di Fe-α tempo Τ 1 (si sta ipotizzando di realizzare una saldatura con metallo di apporto). la trasformazione dell austenite in ferrite nella ZF con la conseguente riduzione della percentuale di idrogeno che può essere contenuta in condizioni di equilibrio in tale fase provoca la diffusione e la concentrazione dell idrogeno in ZTA (tempo T 1 -T 2 ) Al tempo T 2 l austenite presente nella ZTA si trasforma in martensite con conseguente infragilimento e facile criccabilità di tale zona

36 Strappi lamellari Gli strappi lamellari sono cricche che si manifestano nel metallo base se sollecitato perpendicolarmente al piano di laminazione Tensioni di ritiro con vincoli e geometria particolare del giunto (a T o L, con tensioni elevate perpendicolarmente alla superficie di laminazione) Metallo base laminato con elevato numero di microinclusioni (specialmente solfuri) nel piano di laminazione, che riducono fortemente la duttilità del MB in direzione perpendicolare al piano di laminazione Gli strappi lamellari si manifestano nel MB, quando questo ha spessori elevati (in genere superiori a 20mm) e si nucleano in corrispondenza delle inclusioni non metalliche Per evitarli, oltre alla scelta ovvia di materiali con minor tenore di inclusioni, vanno adottati accorgimenti per limitare le tensioni in direzione critica, modificando la geometria del giunto o realizzando opportunamente le diverse passate

37 Mancanza di penetrazione o di fusione Sono discontinuità tra il cordone di saldatura ed uno dei lembi (mancata fusione) o tra i due lembi (mancata penetrazione) provocate dal fatto che uno o entrambi i lembi non sono giunti a fusione. In genere si trovano nella prima passata di giunti a V, o a X. Sono spesso provocate dalla errata preparazione dei lembi, da lembi troppo ravvicinati o da una loro progressiva chiusura durante l avanzare della saldatura. Sono difetti spesso inaccettabili e di difficile rilevazione se interni e con lembi molto ravvicinati

38 Incollaggi Si evidenziano quando è presente uno strato di ossido tra la zona fusa ed il lembo da saldare; causano notevole riduzione della resistenza meccanica del giunto Si osservano nelle leghe che formano facilmente ossidi (es. leghe Al) e, per gli acciai quando vengono utilizzate tecniche di saldatura a bassa protezione (es. saldatura ossiacetilenica).

39 Porosità e soffiature: gas rimasti intrappolati nel metallo fuso Altri difetti: mancanza di penetrazione /incollature/ inclusioni (esogene) scoria, tungsteno (da elettrodo)

40 Effetto dell inquinamento atmosferico Il metallo che si trova nella pozza di fusione, liquido e ad elevata temperatura, a contatto con l aria tende ad assorbire ossigeno, azoto e idrogeno, con effetti deleteri per il cordone di saldatura. Effetto dell ossigeno L ossigeno ha sia la tendenza a formare precipitati, con maggiore o minore affinità per gli elementi con i quali viene in contatto, sia la tendenza ad entrare in soluzione nel metallo liquido rimanendo in condizioni di sovrasaturazione all atto della solidificazione Negli acciai il primo effetto provoca la formazione di ossidi, mentre il secondo provoca la formazione di CO, che forma bolle che possono rimanere intrappolate nella zona fusa originando porosità da gas. Effetto dell azoto La solubilità dell azoto nel metallo si riduce drasticamente passando dallo stato liquido a quello solido. Dopo solidificazione l azoto si trova in soluzione solida sovrassatura. Negli acciai dolci l azoto tende a migrare in corrispondenza delle dislocazioni causando fenomeni simili all invecchiamento. Inoltre si possono formare dei nitruri, con effetto infragilente.

41 Protezione del bagno metallico dall atmosfera Per evitare che ossigeno ed azoto vengano in contatto con la pozza di fusione si adottano una serie di protezioni del bagno metallico Nella saldatura a fascio elettronico si esegue la saldatura sotto vuoto Per saldature TIG e MIG, plasma e laser nella regione circostante la sorgente termica viene creata un atmosfera priva di ossigeno e azoto, generalmente facendo affluire argon o elio Nella saldatura ossiacetilenica viene fatto affluire un gas che, pur contenendo ossigeno (i gas di combustione dell acetilene sono CO e H 2 ), lo ha in forma combinata e non mostra tendenza a formare ossidi. Nella saldatura ad arco sommerso si adotta un flusso che, formando uno strato di scoria che coprendo la pozza di fusione, ne previene il contatto dell atmosfera. Nella saldatura con elettrodi rivestiti si combina l effetto protettivo di un gas inerte con quello della scoria formata dal rivestimento dell elettrodo L ossigeno eventualmente presente tende a formare ossidi. Per eliminare questi ultimi si opera una disossidazione con Silicio e Manganese che, per maggior affinità con l ossigeno, formano ossidi con bassa densità e che tendono facilmente a localizzarsi nella parte alta della pozza liquida. Si e Mn sono contenuti nel rivestimento degli elettrodi, nel metallo d apporto o nel flusso copertore.

42 Inclusioni Inclusione di scoria Si parla di inclusioni quando nel cordone di saldatura sono presenti particelle non metalliche di varia origine Inclusioni di scoria Nei procedimenti di saldatura ad arco sommerso (specialmente in passate multiple) o con elettrodi rivestiti può accadere che parte della scoria rimanga intrappolata nella zona fusa (anche per pulizia non corretta della scoria lasciata nella passata precedente). Inclusioni di tungsteno In saldature TIG alcuni frammenti di tungsteno possono essere presenti in ZF a causa dell errata movimentazione della torcia.

43 Inclusioni gassose Radiografia porosità diffusa in ZF Inclusioni gassose Sono dovute all intrappolamento di gas in ZF. Sono generalmente tondeggianti, di piccole dimensioni (<1mm, dette pori) o di dimensioni maggiori (soffiature). Sono meno pericolose porosità distribuite che porosità raggruppate o poche soffiature di dimensioni molto grandi. Pericolose sono anche porosità allungate ad una estremità chiamate tarli.