Tecnologia Meccanica. Effetti termici e qualità della saldatura 1

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1 Effetti termici e qualità della saldatura 1

2 2.Effetti termici e qualità delle saldature Fonti Giusti M., Santochi F., e studi di fabbricazione, Casa Editrice Ambrosiana Cap.6 I processi di saldatura a taglio KalpakjianS., SchmidS.R., Manufacturing Engineering & Technology, Sixth Edition, Pearson Cap.30 Fusion Welding Processes Effetti termici e qualità della saldatura 2

3 Effetti termici della saldatura Cicli termici costituiscono dei veri e propri trattamenti termici Le conseguenze del ciclo termico sono di ordine: Meccanico: ritiri e tensioni residue Metallurgico: zona termicamente alterata Effetti termici e qualità della saldatura 3

4 Effetti termici della saldatura Cicli termici I cicli termici dipendono da: Posizione del punto Procedimento di saldatura Apporto termico specifico 1. ciclo severo 3. ciclo dolce es.arco (Wh/cm) Spessore e tipo di giunto severità se spessore Materiale base severità se conducibilità termica e calore specifico Temperatura iniziale severità se preriscaldamento Effetti termici e qualità della saldatura 4

5 Effetti termici della saldatura Cicli termici In un giunto saldato si possono identificare 3 zone distinte: 1. Metallo base 2. zona termicamente alterata (ZTA) 3. Metallo fuso (ZF) La metallurgia e le proprietà della seconda e terza zona dipendono fortemente dal tipo di metalli uniti, il processo di giunzione, i metalli d'apporto utilizzati (se impiegati), e le variabili di processo di saldatura. Effetti termici e qualità della saldatura 5

6 Effetti termici della saldatura Caratteristiche metallurgiche Zona Fusa (ZF) Rapporto di diluizione: Rd= V metallo base fuso x 100 V tot zona fusa Per vari processi di saldatura: Brasatura Rd=0% Saldatura senza materiale d apporto Rd=100% Saldatura TIG Rd=20-40% Arco sommerso Rd=10-65% Saldatura MIG MAG Rd=5-40% Struttura dei grani: la solidificazione procede dal contorno della zona fusa verso l interno con strutture dendridiche. In saldature con passate successive ogni passata rifonde o tratta le zone già deposte con benefico effetto sulle caratteristiche di tenacità del giunto. Effetti termici e qualità della saldatura 6

7 Effetti termici della saldatura Caratteristiche metallurgiche Zona Termicamente Alterata (ZTA) Lo stato e l entità di questa zona sono influenzati da: Massima T raggiunta Severità del ciclo termico In generale, partendo dalla ZF, si possono identificare: Strato surriscaldato a grano grosso (T>>A 3 ) Strato normalizzato a grano fine (T>A 3 ) Strato intercritico (A 1 <T<A 3 ) austenitizzazioneparziale del materiale Presenza di zone eventualmente temprate Negli acciai con elementi di lega si possono avere strutture martensitiche (pericolose per le cricche a freddo) Effetti termici e qualità della saldatura 7

8 Effetti termici della saldatura Deformazioni e tensioni residue Durante la saldatura le zone che subiscono un ciclo termico non sono libere di dilatarsi e contrarsi in quanto circondate da materiale a differente temperatura deformazioni plastiche localizzatea seguito delle quali, a temperatura ambiente, si hanno tensioni interne residue Le tensioni interne residue sono pericolose nel caso in cui: Strutture sollecitate che lavorano a bassa temperatura: rottura fragile Strutture soggette a corrosione: le tensioni interne accelerano il processo Strutture soggette a carichi di punta: le tensioni interne aumentano l instabilità Per eliminare le tensioni residue si può utilizzare un trattamento di distensione Effetti termici e qualità della saldatura 8

9 Effetti termici della saldatura Deformazioni e tensioni residue Fenomeni di ritiro Rimedio: preangolaturaoppure vincoli Ritiro longitudinale del cordone Tensioni residue longitudinali -Trazione nel cordone e zone adiacenti -Compressione nelle zone distanti dal giunto Effetti termici e qualità della saldatura 9

10 Qualità delle saldature Considerazioni introduttive Esistono tre aspetti fondamentali che influenzano le caratteristiche finali di un giunto saldato: imperfezioni metallurgiche: sono legate alla metallurgia della saldatura, e quindi direttamente dipendenti dai parametri di saldatura in relazione alla tipologia (materiale, geometria) di giunto saldato caratteristiche meccaniche: il giunto saldato deve rispondere a specifici requisiti di caratteristiche (resistenza, durezza, tenacità, ecc.) imperfezioni operative: sono legate alle capacità operative del saldatore/operatore di saldatura in relazione alla tipologia (materiale, geometria) di giunto ed alla posizione di saldatura. Questi aspetti richiedono pertanto un opportuno controllo indiretto, di cui sono elementi fondamentali la qualifica dei processi di saldatura e la certificazione dei saldatori e degli operatori di saldatura. Effetti termici e qualità della saldatura 10

11 Qualità delle saldature Classificazione internazionale: UNI EN ISO La norma prevede sei gruppi di difetti: 1. Cricche (G1) 2. Cavità (G2) 3. Inclusioni solide (G3) 4. Mancanza di fusione e di penetrazione (G4) 5. Difetti di forma e dimensionali (G5) 6. Altre imperfezioni (G6) Effetti termici e qualità della saldatura 11

12 Difetti di saldatura G1 -Cricche Imperfezioni prodotte da una rottura locale allo stato solido, che può formarsi per effetto del raffreddamento o di tensioni (Imperfezioni metallurgiche) Si possono classificare in base a: dimensione (microcricche- cricche), posizione e forma (longitudinali, trasversali ecc..) o zona in cui si formano. In particolare si descrivono: Cricche a caldo Cricche a freddo Strappi lamellari Rotture fragili Effetti termici e qualità della saldatura 12

13 Difetti di saldatura G1 Cricche a caldo Si manifestano principalmente nella zona fusa nel corso della solidificazione Durante il raffreddamento si ha la segregazione di impurezze a bordo grano Si formano quindi dei veli liquidi (es. S o P) a basso punto di fusione (900 C) interrotti da ponticelli solidi che danno continuità al materiale Durante il raffreddamento i ponticelli possono rompersi (coesione viene a mancare) per effetto delle tensioni interne generando la cricca Le cricche a caldo sono sempre interdendritiche e possono essere sia longitudinali che trasversali Le cricche aumentano se: Elevate dimensioni del grano Elevato tenore di impurezze nel materiale base Tensioni di ritiro elevate Ampi ΔT di solidificazione Grano B Grano A Effetti termici e qualità della saldatura 13 Impurezze

14 Difetti di saldatura G1- Cricche a freddo Si manifestano principalmente nella ZTAa temperatura prossima a quella ambiente Se la velocità di raffreddamento è sufficientemente alta, nella zona saldata si ha la formazione di strutture dure e fragili che, sotto l effetto delle tensioni residue, possono rompersi Il fenomeno è particolarmente evidente in presenza di idrogeno (infragilimento da idrogeno) A causa di una piccola differenza di composizione tra ZF e ZTA, la trasformazione austeniticaavviene dopo nella ZTA. L idrogeno (più solubile nell austenite) migra dalla ZF alla ZTA infragilendola Le cricche aumentano se: Sono presenti strutture dure e fragili È presente idrogeno nel bagno di saldatura Presenza di tensioni di ritiro elevate Effetti termici e qualità della saldatura 14

15 Difetti di saldatura G1 - Strappi lamellari Sono cricche con caratteristico andamento a gradini Si verificano quando il metallo base è sollecitato in direzione normale al piano di laminazione (direzione a minor resistenza) Cause: Tensioni di ritiro Geometria del giunto (accorgimenti progettuali) Materiale di base laminato di medioaltospessore e con alto tenore d inclusioni Effetti termici e qualità della saldatura 15

16 Difetti di saldatura G1 - Rottura fragile Si può verificare anche lontano dal giunto saldato e con un basso valore della sollecitazione esterna La rottura è detta fragile perché avviene senza deformazione plastica Può avvenire in strutture che: Lavorano a bassa temperatura Presentano intagli Presentano tensioni residue Gli accorgimenti da adottare sono: Evitare gli intagli sfavorevolmente orientati rispetto alla saldatura Effettuare un trattamento termico di distensione Scegliere acciai di base con temperatura di transizione bassa rispetto a quella di esercizio Effetti termici e qualità della saldatura 16

17 Difetti di saldatura G2 Cavità Si tratta di piccole assenze di materiale di diversa natura che possono essere classificate sulla base della posizione e della forma (imprecisioni metallurgiche + imprecisioni operative) In particolare si descrivono: Porosità e soffiature cavità di ritiro Effetti termici e qualità della saldatura 17

18 Difetti di saldatura G2 Porosità e soffiature Inclusioni gassose causate da sporcizia sui lembi da unire, da umidità (rivestimento elettrodi o flussi o gas di protezione) e da procedimenti ad alta velocità di deposizione Inclusioni gassose di forma tondeggiante sono dette porosità (<1mm) o soffiature (>1mm) Inclusioni gassose di forma allungata sono dette tarli (più pericolose) Cause: Gas prodotti per reazioni chimiche nel fuso (es. CO) Gas o vapori risultanti dal filler Gas o vapori prodotti da contaminanti Gas di schermatura Ambiente (es. N 2, H 2 O) Soluzioni: Accurata scelta degli elettrodi e della composizione del filler Preriscaldamento Pulitura dopo ogni passata Diminuire la velocità di deposizione Effetti termici e qualità della saldatura 18

19 Difetti di saldatura G2 Cavità di ritiro Dovuta alla contrazione in raffreddamento: metallo fuso si contrae via via che si raffredda, la fase finale di ritiro si verifica nella parte che solidifica per ultima, il centro. Cavità di ritiro sono un fenomeno che si verifica frequentemente nella saldatura ad arco. (procedimenti con elevato tasso di deposito) Più pronunciati quando la saldatura ha una progressione verticale, poichè la gravità tende ad aumentare la dimensione del ritiro. Soluzioni possibili sono di natura operativa (tornare indietro o finire la saldatura sul lato) Effetti termici e qualità della saldatura 19

20 Difetti di saldatura G3 Inclusioni solide Si tratta di sostanze estranee di vario genere intrappolate nel metallo fuso (imperfezioni operative). A seconda del materiale stesso, si possono distinguere differenti imperfezioni nella ZF: possono essere rappresentate da scoria, flusso, ossidi o da elettrodo non fuso (es. TIG). Inclusioni di scoria o flusso sono dovute all'asportazione poco accurata tra le passate. Inclusioni di W sono difetto tipico della TIG per maneggio torcia non corretto, insufficiente protezione gassosa dell'elettrodo, bassa qualità elettrodo, densità di corrente troppo alta. Effetti termici e qualità della saldatura 20

21 Difetti di saldatura G4 Mancanze di fusione e di penetrazione Mancanza di collegamento tra il metallo depositato ed il metallo base, oppure tra strati contigui di metallo depositato (imperfezione metallurgica + imperfezione operativa): Tipiche degli acciai al carbonio o bassolegati, per procedimenti come la saldatura ossiacetilenica o MAG Materiali avente buona trasmissione del calore, come le leghe di alluminio e di rame. In base alla posizione, è possibile distinguere: mancanza di fusione laterale mancanza di fusione tra le passate mancanza di fusione al vertice incollature: ossido tra lembo e zona fusa. Effetti termici e qualità della saldatura 21

22 Difetti di saldatura G4 Mancanze di fusione e di penetrazione Si tratta in generale di situazioni in cui i parametri elettrici non sono corretti (in particolar modo la corrente risulta troppo bassa), la velocità di saldatura è troppo elevata la tecnica operatoria è inadeguata La preparazione dei lembi non è corretta. Pericolose in considerazione della geometria bidimensionale dell imperfezione che provoca un intensificazione locale degli sforzi (effetto d intaglio) Effetti termici e qualità della saldatura 22

23 Difetti di saldatura G5 Difetti di forma e dimensionali Si tratta, in generale, di imperfezioni del profilo sulle superfici esterne della saldatura oppure della configurazione geometrica difettosa del giunto (imperfezioni operative) Appartengono a questo gruppo: eccesso di sovrametallo imperfezioni marginali distorsioni eccessive incisione marginale avvallamenti dimensioni non corrette della saldatura Queste imperfezioni sono particolarmente critiche per le seguenti condizioni di sollecitazione: Fatica Corrosione Creep Effetti termici e qualità della saldatura 23

24 Difetti di saldatura G6 Altre imperfezioni Imperfezioni che non possono essere incluse nei gruppi da 1 a 5 (imperfezioni operative): colpi d arco (sul pezzo): fusione localizzata del m.b. senza deposito di m.a. spruzzi: depositi di m.a. incollati sulla superficie del m.b. vicino al cordone colori di rinvenimento: fenomeno caratteristico di metalli suscettibili all ossidazione (purezza del gas inadeguata tecnica operativa) Effetti termici e qualità della saldatura 24

25 Trattamento termico Un trattamento di distensione è consigliabile per: Acciai a medio tenore di C o legati Strutture complesse con cordoni intersecanti Strutture che devono operare al di sotto di certe temperature Strutture soggette a corrosione Parti che devono essere lavorate alle macchine utensili La distensione consiste in: Riscaldamento lento fino a 600 C ( C/h ma fino a 30 C/h) Permanenza a temperatura C (o superiore per acciai legati) per 2 min per ogni mm di spessore dell elemento più spesso Raffreddamento lento in forno con gradiente simile al riscaldamento Effetti termici e qualità della saldatura 25

26 Attestare la qualità delle saldature La qualità di un giunto saldato viene verificato con controlli. Ci sono diversi test standardizzati e procedure di prova (ASTM, AWS, ASME, ISO). I giunti saldati possono essere testati e controllati con: test distruttivi test non distruttivi Ogni tecnica ha capacità e limitazioni, nonché la sensibilità, l'affidabilità, e requisiti per le apparecchiature speciali e l'operatore abilità. Effetti termici e qualità della saldatura 26

27 Attestare la qualità delle saldature Test distruttivi Test Tension: prove di trazione longitudinali e trasversali sono eseguite su provini estratti da giunti saldati reali e dall'area saldare metallo. Curve sforzo-deformazione indicano il limite di snervamento, Y, carico di rottura, UTS, e duttilità del giunto saldato in luoghi diversi e le direzioni. Tension-shear Test: test per simulare le condizioni a cui sono sottoposti i giunti saldati reali. Questi campioni sono sottoposti a tensione in modo che la resistenza a taglio della saldatura e la posizione della frattura possa essere determinato. Fracture toughness Test: prove di resistenza alla frattura comunemente utilizzano si utilizza un impact test (CharpyV o dropweight) Effetti termici e qualità della saldatura 27

28 Attestare la qualità delle saldature Test distruttivi Bending test: Prove di piegatura per determinare la duttilità e la resistenza di giunti saldati. il campione saldato è piegato intorno ad un dispositivo (Wraparound bend test). i campioni sono testati a flessione mediante three point bending test Prove di corrosione e di creep: giunti possono essere testati per la loro resistenza alla corrosione e creep. A causa della differenza nella composizione e microstruttura dei materiali nella zona di saldatura, può avvenire corrosione preferenziale nella zona. Prove di creepsono importanti nel determinare il comportamento dei giunti soggetti a temperature elevate. Effetti termici e qualità della saldatura 28

29 Attestare la qualità delle saldature Test non distruttivi In riferimento alla UNI EN 473 sono citabili le sei tecniche ispettive che maggiormente vengono impiegate in campo industriale: 1. (VT) Ispezione visiva 2. (PT) Liquidi penetranti 3. (ET) Correnti parassite 4. (MT) Magnetoscopia 5. (RT) Radiografia 6. (UT) Ultrasuoni Effetti termici e qualità della saldatura 29

30 Attestare la qualità delle saldature Controllo visivo Metodo visivo (VT) l'interpretazione e la valutazione dei risultati viene effettuata dall'operatore in base a determinati parametri di accettabilità del difetto del manufatto Esperienza del personale addetto ai controlli è essenziale per l'affidabilità del risultato. Il principio si basa sull impiego della luce come mezzo rivelatore dei difetti Effetti termici e qualità della saldatura 30

31 Attestare la qualità delle saldature Controllo visivo In base all accessibilità alla superficie si distinguono in: Esami visivi diretti: a distanza della superficie non maggiore di circa 60 cm, con una angolazione non inferiore a 30. Possono essere utilizzati lenti e specchi. L'illuminazione con opportune lampade compresa tra i 150 ed i 600 lux. Esami visivi remotizzati: se non è possibile accedere direttamente alla superficie da esaminare. Utilizzati: specchi, telescopi, endoscopi, fibre ottiche, telecamere, ecc. Strumenti devono avere una risoluzione almeno equivalente a quella dell'occhio umano. Effetti termici e qualità della saldatura 31

32 Attestare la qualità delle saldature Liquidi penetranti Sfrutta la capacità di alcuni liquidi di penetrare, per capillarità e non per gravità, all'interno dei difetti superficiali quali: cricche, cavità, ecc. Fasi operazione: Applicazione e penetrazione del liquido penetrante Rimozione dell eccesso con lavaggio con acqua Estratto il liquido penetrante rimasto all'interno delle difettosità stendendo sulla superficie uno strato rilevatore che può essere in polvere o liquido. Liquido penetrante risale per capillarità e lascia nel rivelatore un segnale avente dimensioni maggiori rispetto al difetto. Effetti termici e qualità della saldatura 32

33 Attestare la qualità delle saldature Liquidi penetranti Rivelatori: a contrasto di colore (macchia rossa) esame con luce bianca a fluorescenza (UV) esame con luce nera Si possono applicare su qualsiasi componente, i tranne su pezzi molto porosi Effetti termici e qualità della saldatura 33

34 Attestare la qualità delle saldature Correnti parassite Un campo magnetico, generato da una bobina alimentata da corrente alternata, produce nel pezzo da esaminare delle correnti indotte, che influenzano il valore di impedenza della bobina. La presenza di una qualsiasi discontinuità, modifica l'intensità ed il percorso delle correnti indotte e quindi l'impedenza del circuito Effetti termici e qualità della saldatura 34

35 Attestare la qualità delle saldature Correnti parassite Attraverso le correnti parassite è possibile rilevare: Disomogeneitàassociate alla geometria del materiale come cricche, deformazioni, inclusioni, variazione di spessore, ossidazioni, etc. Spessori di strati non conduttivi oppure conduttivi, ma di differente conducibilità, che ricoprono una base conduttiva Errori di trattamento termico ed anche disomogeneità delle leghe, surriscaldamenti localizzati. Effetti termici e qualità della saldatura 35

36 Attestare la qualità delle saldature Magnetoscopia Magnetoscopiaavviene attraverso particelle magnetiche ed è un metodo per localizzare difetti superficiali e sub-superficiali nei materiali ferromagnetici L entità di penetrazione dipende dal tipo di corrente (alternata, pulsante o continua), dall intensità e dalla frequenza della corrente, tuttavia non è possibile superare il valore di qualche millimetro di profondità. esterne (sono quelle aperte in superficie) sottopelle(fino a 1,5-2 mm di profondità) in profondità (oltre i 2 mm di profondità) Il giogo elettromagnetico è uno strumento portatile molto versatile per i controlli MT e perciò viene spesso adoperato nel caso di test condotti direttamente in cantiere. Effetti termici e qualità della saldatura 36

37 Attestare la qualità delle saldature Magnetoscopia Il difetto viene individuato spruzzando sulle superfici delle polveri ferromagnetiche colorate o fluorescenti. Le particelle si concentreranno allineandosi lungo le linee di flusso del campo magnetico, formando un "profilo" della discontinuità (posizione, dimensione, forma e estensione). Le particelle sono rese visibili mediante una lampada di Wood Effetti termici e qualità della saldatura 37

38 Attestare la qualità delle saldature Radiografia Elementi per il controllo radiografico: sorgente di radiazione, campione da controllare e lastra radiografica La gammagrafia e la radiografia sono applicabili a tutti i materiali, sono limitate solo dai più grossi spessori e dagli elevati assorbimenti Effetti termici e qualità della saldatura 38

39 Attestare la qualità delle saldature Radiografia La formazione dell immagine radiografica è legata al differente assorbimento delle radiazioni (raggi X per la radiografia; raggi gamma per la gammagrafia) dal pezzo in funzione di: variazione di spessore, diversi costituenti chimici, disuniformità nella densità, presenza di difetti. La valutazione delle irregolarità viene eseguita per confronto della densità radiografica con le caratteristiche conosciute dell'oggetto stesso o con standard radiografici, prodotti dallo stesso manufatto, di qualità accettabile. Saldatura MAG con difetto di penetrazione Effetti termici e qualità della saldatura 39

40 Attestare la qualità delle saldature Ultrasuoni Onde sonore ad alta frequenza vengono introdotte nel materiale da esaminare. Sfruttando la propagazione e la riflessione, dovuta alle possibili irregolarità, di queste onde vengono determinati difetti superficiali o interni. Permette di rivelare sia difetti superficiali che difetti in profondità. Effetti termici e qualità della saldatura 40

41 Attestare la qualità delle saldature Ultrasuoni Il metodo degli ultrasuoni viene impiegato nell'industria metallurgica ma l'invecchiamento delle infrastrutture, dalle strade alle costruzioni ai velivoli, ha presentato un nuovo insieme di ambiti di misura, ricerca e di evoluzione Effetti termici e qualità della saldatura 41