SALDATURA AD INDUZIONE SU TUBI DI PICCOLO DIAMETRO LINEA DI PRODUZIONE

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1 SALDATURA AD INDUZIONE SU TUBI DI PICCOLO DIAMETRO LINEA DI PRODUZIONE Obiettivo: Produzione di tubi saldati di piccolo diametro a norme ASTM A 513, e zincati come da norma UNI , adatti per molteplici applicazioni a bassa pressione ed applicazioni strutturali, come: Tubi refrigerazione Condensatori evaporazione Diametro esterno mm Spessore mm Linee compressori Tubazioni benzina Circuiti servosterzo Linee raffreddamento motori Componenti supporto strutturale Giorgio Mazzola Massimo Mosca

2 COMPOSIZIONE DELLA LINEA 1.1 Svolgitore doppio nastro 1.2 Saldatrice giunzione nastri 1.3 Dispositivo di presa 1.4 Accumulatore orizzontale nastro 1.5 Pulizia continua nastro 1.6 Profilatrice 1.7 Saldatrice ad induzione H.F. 1.8 NTD Eddy current flow detector 1-9 Raffreddamento tubo 1.10 Compensatore tensione tubo 1.11 Cold drawing bench 1.12 Pulizia continua tubo 1.13 Unità ricottura induzione H.F Sezione raffreddamento tubo in atmosfera protettiva 1.15 Ruota di ritorno 1.16 Zona mantenimento 1.17 Unità zincatura a caldo 1.18 Raffreddamento tubo 1.19 NDT Eddy current flow detector 1.20 Bobina avvolgimento 1.21 Test tenuta tubi

3 CICLO TECNOLOGICO 1.1 Il rotolo di nastro proveniente dal magazzino viene avvolto sull aspo devolgitore doppio 1.2 I vari nastri vengono giuntati testa a testa mediante saldatura Mediante un accumulatore orizzontale si crea una riserva di nastro che Evita di dover arrestare la linea per sostituire il rotolo di nastro 1.5 Il nastro viene pulito con acqua compressa 1.6 La macchina profilatrice forma il tubo

4 1.7 Il tubo viene saldato longitudinalmente con la saldatrice ad alta frequenza 1.8 I dispositivo Eddy current controlla il cordone di saldatura 1.9 Il tubo saldato viene raffreddato 1.10 Il dispositivo compensatore di tiro tiene teso il tubo 1.11 Il diametro del tubo saldato viene ridotto alla misura desiderata mediante trafilatura a Bull Block 1.12 Pulizia tubo 1.13 Il tubo viene ricotto in atmosfera inerte per mezzo dell unità di riscaldo ad induzione

5 1.14 Il tubo viene fatto transitare in un tunnel dove si raffredda in atmosfera controllata senza ossidarsi. Nel caso sia richiesta la zincatura il raffreddamento viene limitato a 420 C 1.15 Al fine di contenere la lunghezza della linea, viene installata una ruota di rinvio al termine della prima sezione di raffreddamento che permette al tubo di ritornare verso l inizio linea pur rimanendo in atmosfera protetta 1.16 Il tubo è mantenuto in atmosfera inerte sino all unità di zincatura 1.17 Unità di zincatura a caldo: se richiesto il tubo può essere zincato 1.18 Il tubo viene raffreddato e nuovamente controllato con correnti 1.19 parassite (NDT Eddy current) 1.20 Il prodotto finito viene bobinato 1.21 Il tubo è testato con acqua in pressione

6 PERCHE UN TUBO DEVE ESSERE RICOTTO Lo scopo del trattamento I trattamenti termici dopo saldatura longitudinale e laminazione dei tubi mirano a ridurre le tensioni ed a ripristinare una struttura cristallina regolare in seguito alla ricristallizzazione dell acciaio.ci sono tre processi che possono essere utilizzati per il trattamento termico dei prodotti d acciaio a basso carbonio: ricottura in forno a camera ricottura in forno continuo (riscaldo a resistenza o gas) trattamento ad induzione. I risultati ottenibili mediante i forni tradizionali sono eccellenti; i costi di produzione, comunque, sono alti se paragonati con i processi in linea.la ricottura in forni continui richiede impianti grandi e onerosi; tale tecnologia non è applicabile alla produzione dei tubi.il trattamento ad induzione consente ai costruttori di aumentare la velocità di linea e di produrre un tubo di qualità accettabile.

7 TEORIA DELLA RICOTTURA La ricottura in forno a camera o in continuo dei nastri d acciaio a basso carbonio comporta un lungo riscaldo (ordine di grandezza: diverse ore un giorno) a causa della notevole massa.la ricottura, di per sè, è effettuata vicino al punto critico inferiore A1, intorno a C ( F). Durante il mantenimento, avvengono la ricristallizzazione e una parziale crescita del grano. In aggiunta, i carburi che si sono formati durante il raffreddamento dell acciaio dopo la laminazione a caldo (eseguita prima della laminazione a freddo), possono ri dissolversi. In ogni caso, il raffreddamento controllato in forno (20 C/h) dei nastri dopo il mantenimento promuove la re precipitazione di questi carburi. Allo stato ricotto l acciaio a basso carbonio è relativamente molle ed ha una dimensione del grano, secondo la scala ASTM, compresa fra 6 e 8. Poiché l acciaio è stato raffreddato dalla temperatura di ricottura e tutto il carbonio è rimosso dalla soluzione, i problemi maggiori dati dall invecchiamento degli acciai dolci, l aumento della durezza e la diminuzione della duttilità a distanza di tempo dal trattamento, sono evitati. L invecchiamento, che avviene a temperatura ambiente, è legato alla precipitazione dei carburi ed è ben noto nella pratica della ricottura dei nastri in forno continuo. Durante tale trattamento termico, il nastro srotolato passa in un forno a due stadi: nel primo stadio l acciaio è portato a C per effettuare la ricristallizzazione. La temperatura massima è mantenuta per Il secondo stadio riscalda il nastro ad una temperatura inferiore ( C) per invecchiare l acciaio e rimuovere tutto il carbonio dalla soluzione. Senza tale passaggio, il nastro sottile si raffredderebbe troppo velocemente trattenendo il carbonio in soluzione; il carbonio provocherebbe deformazioni, l invecchiamento e ridurrebbe la formabilità del nastro.

8 Contrariamente alla ricottura in forno, il trattamento ad induzione degli acciai a basso carbonio con propositi di ricristallizzazione di solito consiste nel riscaldo rapido sino alla temperatura massima, mantenimento minimo o nullo, e raffreddamento a temperatura ambiente. Alcuni studi hanno dimostrato che un mantenimento compreso tra 1 e 20 è necessario per completare la ricristallizzazione a temperature poco sopra il punto A1.Altri studi sostengono che il mantenimento non è necessario, a patto di raggiungere temperature sufficientemente alte alla fine del riscaldo. Se l acciaio contiene almeno 0.15% di carbonio ed è raffreddato rapidamente dall intervallo critico di temperature (A1 < T < A3), le isole di austenite si trasformano in martensite. Se l acciaio è raffreddato lentamente (<10 C/sec) dalla temperatura di ricottura ad A1, non c è ragione di tipo metallurgico per raffreddare lentamente dopo che la trasformazione dell austenite si è completata; comunque, il raffreddamento controllato (5 8 C/s) nell intervallo C è necessario per limitare le conseguenze dell invecchiamento. Figura 1: dettaglio della zona a sinistra del diagramma di fase ferro carbonio. Riscaldo di un acciaio a basso carbonio (circa 0.1% di C).

9 RISULTATI OTTENUTI DOPO IL TRATTAMENTO AD INDUZIONE La trattazione seguente riporta le principali proprietà meccaniche degli acciai per nastri e tubi utilizzati da alcune affermate aziende produttrici. I tubi sono prodotti utilizzando nastri in Fe P04 (DIN St 14), SAE 1008 e DIN RSt 34-2 saldati ad induzione ad alta frequenza e successivamente ricotti da un impianto in linea della Termomacchine. TABELLA 1: COMPOSIZIONE DEGLI ACCIAI Standard No. Simbolo DIN C (%) Si (%) Mn (%) P (%) S (%) (*) RSt St (**) (**) (*) grado SAE 1013 (**) Il Fe P04 in Italia è classificato come un acciaio extra dolce al carbonio, considerato dalla specifica UNI N 5866: Prodotti piani finiti laminati a freddo d acciaio non legato. Nastri e rotoli per trafilatura e piegatura a freddo. Qualità, prescrizioni e prove. Le proprietà meccaniche del Fe PO4 sono garantite sino a 8 giorni dalla consegna. La composizione chimica non è precisata, eccetto la percentuale massima di carbonio e delle impurità (P, S).

10 TABELLA 2: PROPRIETÀ MECCANICHE DEI NASTRI D'ACCIAIO R e (N/mm 2 ) R m (N/mm 2 ) A (%) Durezza (HR 30T) Composizione acciaio St 14 ( Fe P04) < > >300 > 28 RSt 34 2 TABELLA 3: PROPRIETÀ MECCANICHE DEI NASTRI IN FE P04 DEI VARI FORNITORI Fornitore R e (N/mm 2 ) R m (N/mm 2 ) A (%) Durezza (HR 30T) A B C D Condizioni generali < > I numeri indicati nella tabella sopra (e in quelle seguenti) sono i valori medi e l intervallo in cui tali valori si collocano.

11 Figura 2: impianto per il trattamento ad induzione di tubi in Fe P04. Tubo saldato 10.3 x 0.68 mm ridotto a 4.76 x 0.7 mm attraverso tre passaggi di laminazione a freddo. TABELLA 4: PROPRIETÀ MECCANICHE DEI TUBI IN FE P04 TRATTATI A 740 C (mm) R e (N/mm 2 ) R m (N/mm 2 ) A (%), 0 giorni A (%), 30 giorni durezza(hr 30T), 0 giorni 51(*) 46/ /55 durezza(hr 30T), 30 giorni 56 (**) 51/ / / / / / / /379 30/44 22/36 Condizioni > 173 > 290 > 25 > 25 < 55 < 55 generalis (*) HV0.2; (**) HV0.2 (conversione approssimata nella scala Vickers)

12 Le colate in Fe P04 hanno, probabilmente, una ampio campo di composizioni con riferimento al C%: i nastri prodotti da diversi fornitori non hanno proprietà meccaniche confrontabili, influenzando i risultati del trattamento ad induzione. I valori minimi di durezza dei tubi trattati ad induzione sono piuttosto alti rispetto al nastro di partenza. Il materiale è soggetto ad un processo d invecchiamento a temperatura ambiente, con conseguente deperimento della duttilità; con riferimento ai tubi non invecchiati, la percentuale di prove con valori al di fuori delle tolleranze prescritte è, rispettivamente, 12% e 2% per i diametri 4.76 e 8 mm. I dati delle prove meccaniche mostrano che la condizione di massimo addolcimento dell acciaio è solitamente raggiunta trattando i tubi 8 mm (a parità di parametri di trattamento per entrambi i diametri). Tale comportamento può essere spiegato considerando la struttura e le tensioni residue dopo la lavorazione a freddo: 8 mm è meno incrudito rispetto 4.76 mm, il successivo trattamento ad induzione è più efficace sui diametri maggiori. Per raggiungere la combinazione ottimale di proprietà (bassa resistenza, elevato allungamento %, limitato indice d invecchiamento), il contenuto ideale di carbonio è %. Alcune colate di Fe P04 hanno composizioni che cadono in tale intervallo, si spiegano così i migliori risultati ottenuti con il trattamento ad induzione.

13 M Figura 3: impianto per il trattamento ad induzione di tubi in RSt 34. Tubo saldato 10.3 x 0.68 mm ridotto a 8.0 x 0.7 mm attraverso un passaggio di laminazione a freddo. TABELLA 5: PROPRIETÀ MECCANICHE PRIMA DEL TRATTAMENTO AD INDUZIONE (ACCIAIO INCRUDITO) tubo, (mm) R e (N/mm 2 ) (*) R m (N/mm 2 ) (*) A (%), (*) Durezza HV0.2, zona saldatura Durezza HV0.2, zona non alterata (*) Dati del produttore

14 Figure 5: 4.76 mm. Microstruttura, ingrandimento originale x. I grani originali di ferrite sono stati pesantemente deformati dalla riduzione di diametro Figure 6: 8 mm. Microstruttura, x1000. Tubo dopo saldatura e riduzione di diametro. Grani di ferrite con tracce di cementite

15 TABELLA 6: PROPRIETA MECCANICHE DEI TUBI IN RST 34-2 TRATTATI AD INDUZIONE A C; DIAMETRO 4.76 MM Vel. (m/min) Blower, potenza (%) R e (N/mm 2 ) (*) R m (N/mm 2 ) (*) A (%), 0 days (*) Durezza HV0.2, weld area, (**) Durezza HV0.2, base metal, (**) (*) Dati forniti dal produttore, valori medi a 0 giorni. (**) Microdurezza sulla sezione trasversale, dall interno all esterno, dati Termomacchine. Specifiche per tubi ricotti (DIN EN 10002): 310 < Rm < 410; A% > 28 TABELLA 7: PROPRIETA MECCANICHE DEI TUBI IN RST 34-2 TRATTATI AD INDUZIONE A DIVERSE TEMPERATURE; Ø 4.76 MM Temperatura, ( C) Velocità, (m/min) R e (N/mm 2 ) R m (N/mm 2 ) A (%) Nota: al variare della temperature di trattamento le proprietà meccaniche non variano in modo lineare o prevedibile

16 TABELLA 8: PROPRIETA MECCANICHE DEI TUBI RST 34-2 TRATTATI AD INDUZIONE; DIAMETRI DIVERSI Temperatura ( C), mm R e (N/mm 2 ) R m (N/mm 2 ) A (%) x x x L area di saldatura presenta una zona termicamente alterata la cui struttura è differente da quella limitrofa. La ricottura riduce le disomogeinità strutturali e di durezza lungo la sezione trasversale Figura 7: sezione trasversale; campione inglobato per microdurezza La sezione di mantenimento è troppo corta per influenzare apprezzabilmente le proprietà dell acciaio trattato. Considerando il Ø 4.76 mm i dati ottenuti a varie velocità sono molto simili. Il parametro critico è il raffreddamento: se la velocità aumenta anche il raffreddamento (blower) deve essere potenziato per rimuovere il calore ed evitare l ossidazione del tubo in uscita

17 Figura 8: blower Figure 9: dettaglio sezione di raffreddamento

18 Un raffreddamento troppo veloce deteriora le proprietà meccaniche. Se l acciaio è raffreddato rapidamente nell intervallo critico di temperatura (da C a 680 C), la resistenza meccanica è elevata e la duttilità non è accettabile. I dati riferiti ai tubi 8 e 10 (mm) rappresentano il meglio raggiunto con il trattamento ad induzione. Le prove di piegatura sul tubo 8 evidenziano una buona duttilità; la resistenza R m si avvicina ai 400 N/mm 2 (300 N/mm 2 è un risultato ottenibile solo con ricottura in forno).

19 PARAMETRI CHE INFLUISCONO SULL EFFICACIA DEL TRATTAMENTO IN LINEA Temperatura: non ci sono riferimenti di trattamenti di ricottura effettuati a temperature superiori a 850 C, Considerando il trattamento ad induzione del RSt 34 2, la temperatura massima di processo C (una Specifica prevede il riscaldo a 950 C per ottenere la certificazione del prodotto) può bilanciare l elevata velocità di riscaldo e può essere sufficiente a raggiungere un buon grado di ricristallizzazione. Comunque, il mantenimento dovrebbe essere abbastanza lungo per assicurare un raffreddamento lento (<10 C/sec) nell intervallo C. Figura 10: banco induttori

20 Microstruttura di partenza: riferendosi allo stesso impianto e a parametri di processo confrontabili, il tubo 8 mm dopo trattamento termico ha proprietà meccaniche accettabili mentre il tubo 4.76 mm no. Lo stato d incrudimento prima della ricottura è fondamentale per prevedere l efficacia del trattamento. La soluzione dev essere cercata a monte della ricottura: - il diametro massimo saldabile dovrebbe essere x 0.7 mm riduzione attraverso pochi passaggi di laminazione, possibilmente 1 Raffreddamento La temperatura del tubo in uscita è 420 C quando avviene la zincatura in linea subito dopo la ricottura. E possibile riscaldare il tubo a 750 C anziché 930 C, ottenendo buoni risultati grazie al mantenimento (è necessario il controllo della temperatura nell intervallo critico). Figura 11: mantenimento

21 Figura 12: 4.76 mm: struttura a grani di ferrite (x100) di un campione trattato ad induzione, con un mantenimento di 15 a 850 C. Raffreddamento lento sino a circa 650 C. Dimensione del grano = ASTM 8. Durezza = HV0.2 1) La temperatura d uscita inferiore a 100 C, con controllo dell ossidazione, è richiesta da alcuni produttori. Fissata una certa lunghezza dell impianto, ad esempio 100 m, una temperatura d uscita più alta sarebbe preferibile poiché il raffreddamento a gas da 400 a 100 C impegna ½ - 2/3 del tunnel, quindi non c è spazio disponibile per la sezione di mantenimento. Questo impianto permette, comunque, di ottenere buoni risultati sul diametro 8 mm: la resistenza del tubo trattato è vicina ai dati teorici relativi alla ricottura in forno.

22 BIBLIOGRAFIA Induction Heat Treatment of Steel, by S.L.Semiatin, D.E. Stutz, and I.L. Harry: American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1986 Metals Handbook, Vol. 4, Heat Treating: American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1991