LEZIONI N 24 E 25 UNIONI SALDATE

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1 LEZIONI N 24 E 25 UNIONI SALDATE Le saldature si realizzano prevalentemente con il metodo dell arco elettrico, utilizzando elettrodi rivestiti, che forniscono il materiale di apporto. Il collegamento è realizzato fondendo insieme, per l alta temperatura generata dall arco elettrico (circa 3000 C), sia il metallo di base che il materiale di apporto. Le saldature si distinguono in due tipi: - a testa a testa o a T a completa penetrazione; - a cordone d angolo. Nella saldatura testa a testa gli assi dei pezzi da saldare sono allineati, mentre in quella a T sono ad angolo retto. Saldatura testa a testa Saldatura a T In entrambe i casi è necessaria una preparazione dei lembi della saldatura, per creare lo spazio per accogliere il materiale d apporto. La completa penetrazione significa che la fusione del metallo di base è avvenuta per tutto lo spessore dei pezzi da saldare. Nella saldatura a completa penetrazione la sezione resistente del pezzo in corrispondenza della saldatura è praticamente uguale a quella di un elemento monolitico di uguale forma. Per di più questo tipo di saldatura non perturba sensibilmente il flusso delle tensioni indotte dalle azioni esterne. Perciò le tensioni si calcolano come se la saldatura non ci fosse, sulla base delle sollecitazioni agenti sulla sezione. Il criterio di snervamento che si utilizza è quello di Von Mises: σ = σ + σ σσ+ 3τ id 109

2 Tuttavia il calcolo è approssimato, poiché trascura le tensioni indotte dalla contrazione dei cordoni di saldatura durante la loro solidificazione. Nelle saldature a cordone d angolo i pezzi da saldare sono sovrapposti oppure accostati. Il procedimento è più economico perché non è richiesta la preparazione dei lembi, ma esso non ripristina la continuità della sezione resistente: il flusso delle tensioni è perturbato e si verificano concentrazioni di tensione. Per questa ragione le saldature di questo tipo sono sconsigliate in presenza di carichi ripetuti (pericolo di fatica), se c è rischio di rottura fragile, ove è richiesta la massima resistenza del pezzo. Il calcolo è convenzionale: dovrebbe essere eseguito in corrispondenza della sezione di gola BD con le tensioni σ, τ, τ, da determinare in funzione delle tensioni agenti sulle facce AB e BC. Invece si opera sulla sezione di gola ribaltata su uno dei cateti del triangolo inscritto nel cordone di saldatura (segmento BC ). Al posto delle tensioni σ, τ, τ si utilizzano quindi le tensioni n, t, t. 110

3 Le norme italiane considerano, per le saldature a cordone d angolo, due procedimenti di verifica. Il primo opera sulla sezione di gola (con le tensioni ivi agenti) ed è espresso dal criterio di resistenza: in cui: f tk = resistenza a rottura del più debole materiale degli elementi collegati β = 0,80 per acciaio S235, 0,85 per acciaio S275, 0,90 per acciaio S355, 1,00 per acciaio S420 e S460. Si può notare che il criterio di resistenza è espresso dall equazione di un ellissoide di rotazione. Il secondo metodo di verifica opera invece sulla sezione di gola ribaltata (con le tensioni corrispondenti) ed è espresso dalle relazioni: in cui: f yk = tensione di snervamento caratteristica I coefficienti β 1 e β 2 sono funzione del tipo di acciaio, come riportato nella tabella seguente. 111

4 CHIARIMENTI SULLE FORMULE PER LA VERIFICA DELLE SALDATURE A CORDONE D ANGOLO Le formule sono basate su prove sperimentali condotte essenzialmente negli anni 50 e 60, che hanno consentito di determinare il dominio di resistenza delle saldature nello spazio delle tensioni σ, τ, τ (riferite alla sezione di gola). E risultato un ellissoide di rotazione, vagamente a forma di pera, avente simmetria polare intorno all asse σ. Questo solido fu approssimato mediante un ellissoide di rotazione (asse di rotazione l asse σ ). Esperienze più recenti hanno mostrato che l ellissoide non è un solido di rotazione, ma ha: - semiasse minore τ = 0,58 σ - semiasse medio τ = 0,70 σ Per tener conto di ciò alcuni autori tedeschi hanno proposto di determinare la tensione ideale sulla sezione di gola mediante la espressione: 112

5 σid = σ + 3τ + 2τ 1 essendo: 3 2,97 2 0,58 = 1 2 2,04 2 0,70 = La verifica di sicurezza consiste nel controllare che sia: σ id fu, w, i cui f uw, è la resistenza a rottura della saldatura. Tuttavia è molto più comodo operare sulla sezione di gola ribaltata, in quanto normalmente le tensioni sono note lì e bisogna manipolarle per riportarle sulla sezione di gola. Converrebbe piuttosto proiettare il criterio di resistenza sulla sezione di gola ribaltata, ma ciò conduce a formule complicate e di difficile impiego nella pratica professionale. Se si utilizzasse, anziché un ellissoide, un dominio di resistenza sferico sarebbe tutto più facile, in quanto la sua equazione non varia a seguito di un ribaltamento di 45. In questo spirito diversi domini sferici sono stati adottati da varie norme tecniche: - norme inglesi: sfera di raggio 0.58 f uw, (semiasse minore dell ellissoide) - norme americane: sfera di raggio 0.61 f uw, - norme tedesche: sfera di raggio 0.70 f uw, (semiasse intermedio dell ellissoide) In sostanza un criterio sferico è del tipo: 113

6 1 σid = σ + τ + τ f χ u, w con χ = 0,58 nel caso della norma inglese e pari a 0,70 nel caso della norma tedesca. NORME ITALIANE Le Norme Italiane hanno seguito la filosofia del criterio di resistenza sferico, utilizzando come base la sfera tedesca, ma cercando di renderla più sicura nei confronti di τ. E stato così sviluppato il criterio di resistenza detto della sfera mozza, espresso dalle equazioni che abbiamo visto in precedenza. Si tratta di una sfera di raggio pari alla sfera tedesca ( R= 0.70 f uw, ), definita nello spazio delle tensioni di gola. La sfera è intersecata da un prisma a base quadrata di lato f uw, e quindi tangente alla sfera inglese. L asse del prisma è l asse τ. Vediamo ora di giustificare le formule delle Norme Italiane operando con le tensioni agenti sulla superficie di gola ribaltata. 114

7 Consideriamo la sezione piana del solido riportata in figura. Poiché nel cambiamento di coordinate si è operata una rotazione di 45 intorno all asse τ, allora t t. La risultante r delle tensioni agenti sulla sezione di gola è contenuta nella sfera di raggio R= se: 0.70 f uw, r = σ + t + t = n + t + t f 0,70 uw, Al fine di valutare se la risultante r giace all interno del prisma quadrato, si considerano le sue componenti nel piano t, n r ed r : ' ' t n. Si osserva, a questo scopo, che il segmento AB è uguale a r ' t, in quanto AB e r ' t sono due cateti di un triangolo rettangolo isoscele. Allora r deve soddisfare la: r = r + r = n + t 0,58 2 f, ' ' ' n t uw, in cui 0,58 2 f uw, è la semi-diagonale della sezione del prisma. Naturalmente questa condizione deve essere verificata simultaneamente a quella di appartenenza alla sfera. Occorre ora stabilire il valore di f u,w. Si pone f β f u,w w yk I valori di β w sono: S235 : β w = 1,20 S 275, S355: β w = 1,00 S 420, S 460: β w = 0,90 n t t β f 1 yk n t β f 2 yk Resta infine da confrontare le espressioni trovate in precedenza con quelle indicate dalle Norme Italiane. Trattazione precedente Norme Italiane n + t + t f 0,70 uw, n + t + t β1 fyk n t f + 0,58 2 uw, n + t β2 fyk I valori di β 1 e β 2, differenziati per tipo di acciaio, sono quelli della tabella precedente, che qui si riporta per comodità di lettura. 115

8 Sostituendo i valori di β w ed f yk nella relazione si ottengono le espressioni regolamentari: Giustificazione dei valori dei coefficienti numerici per cui è moltiplicata la tensione caratteristica di snervamento dell acciaio ( f yk ) nelle eq. (a), (b), (c), (d),(e), (f). (a) 0,85 0,70 x 1,20 = 0,84 (f u,w = 1,20 x f yk ) (b) 0,70 = 0,70 x 1,00 = 0,70 (f u,w = 1,00 x f yk ) (Raggio della sfera mozza) (c) 0,62 0,70 x 0,90 = 0,63 (f u,w = 0,90 x f yk ) (d) 1,00 0,58 x x 1,20 = 1,02 (f u,w = 1,20 x f yk ) (e) 0,85 0,58 x = 0,82 (f u,w = 1,00 x f yk ) (f) 0,75 0,58 x x 0,90 = 0,74 (f u,w = 0,90 x f yk ) 116