Prof. Ing. Felice Carlo Ponzo PDF Lezioni sul sito: web.unibas.it/ponzo
COS E LA SALDATURA La saldatura è un procedimento che permette il collegamento di parti solide tra loro e che realizza la continuità del materiale ove essa venga applicata. La caratteristica principale è quella di creare strutture MONOLITICHE cioè strutture che non presentano discontinuità.
Applicazioni delle saldature La saldatura trova notevoli applicazioni nel campo dell ingegneria. Ing. Meccanica; Ing. Civile; Ing. Chimica; Ing. Nucleare; Ing. dei Trasporti; Ing. Aeronautica.
Sviluppo della SALDATURA nel tempo Fin dal Medioevo si univano parti in ferro riscaldandole e successivamente martellandole fino a renderle omogenee; 1901: saldatura Ossiacetilenica; Inizi del XX sec.: saldatura ad Arco con elettrodi rivestiti; Nel corso della II guerra mondiale: Arco sommerso; Nel dopo guerra, 1950: saldatura MIG-MAG, TIG; 1970: procedimenti di saldatura LASER; Oggi sono in corso studi per saldatura a diffusione.
1 - Ossiacetilenica Acetilene+ossigeno, gas riducenti CO e H che proteggono il bagno Tipi di saldatura - Ad arco con elettrodi rivestiti Arco elettrico - elettrodo ( barra) - gas vari
3 - Ad arco sommerso - Arco elettrico - Elettrodo (filo) - Materiali fusi 4 Con protezione di gas ed elettrodo fusibile(mig, Mag) Arco elettrico Elettrodo(filo) Argon(Mig) o CO (Mag) 5 Con protezione di gas ed elettrodo infusibile (Tig) Arco elettrico Barra Argon 6 Ad elettroscoria
I procedimenti innanzi descritti possono raggrupparsi in tre categorie: Procedimenti manuali: ossiacetilenica,ad arco con elettrodi rivestiti,con protezione di gas ed elettrodo infusibile Procedimenti semiautomatici: con protezione di gas ed elettrodo fusibile Procedimenti automatici: ad arco sommerso, ad elettroscoria (4, 5)
Conseguenze dei fenomeni metallurgici FENOMENI METALLURGICI Solidificazione del materiale fuso Trattamento termico del materiale base circostante il cordone di saldatura CRICCHE A CALDO Nella zona fusa Segregazione di impurezze che solidificano a temperature più basse dell acciaio Rimedio preventivo: Saldare con passate molteplici e di limitata sezione
Conseguenze dei fenomeni metallurgici CRICCHE A FREDDO Nel materiale base ai margini della saldatura Processo termico produce un effetto di tempera con notevole aumento della durezza Rimedio preventivo: Raddolcimento del processo termico mediante preriscaldo
Conseguenze dei fenomeni termici L = 0.18L 0 Contrazione impedita: L = NL E A = L m E m E m = L0 = 0,75E = 0,180, 75 E L 7000 L0 / L( N / mm f y per L0 / L 1/ 100 )
In conseguenza del ritiro nascono: Tensioni residue Deformazioni RIMEDI PREVENTIVI Controfrecce iniziali Bloccaggio dei pezzi Preriscaldamenti RIMEDI SUCCESIVI Riscaldamenti localizzati (Calde) Distensioni in forno
Altri difetti, controlli SOFFIATURE Dovute a reazioni impreviste nel bagno di fusione
Altri difetti, controlli INCLUSIONI DI SCORIA Cavità contenenti scorie MANCANZA DI PENETRAZIONE E FUSIONE Dovuta a cattiva preparazione dei lembi INCOLLATURA Interposizione di uno strato di ossido tra il materiale base e quello di riporto
Controlli sulle saldature I controlli sulle saldature possono essere DISTRUTTIVI (prove a trazione) e NON DISTRUTTIVI. I controlli NON DISTRUTTIVI sono i più utilizzati e si dividono in SUPERFICIALI e VOLUMETRICI. METODI SUPERFICIALI: ESAME VISIVO: DIRETTO, REMOTO (Baroscopio, Endoscopio e Microtelecamere); ESAME CON LIQUIDI PENETRANTI; ESAME CON PARTICELLE MAGNETICHE (Magnetoscopio a Bancale a Puntali e Giogo Elettromagnetico); METODI VOLUMETRICI: ESAME RADIOGRAFICO; ESAME ULTRASONORO.
METODI SUPERFICIALI: Esame con Liquidi Penetranti Si sfrutta la capacità di alcuni liquidi di penetrare per capillarità. PROCEDURA DELLA PROVA: 1) Il pezzo da testare deve essere pulito e asciutto; ) applicazione del liquido penetrante o immersione nella vasca; 3) rimozione del penetrante in eccesso (vasca di risciacquo) e asciugatura; 4) applicazione del rilevatore e passaggio alla stazione di sviluppo. LIQUIDO PENETRANTE a contrasto di colore; fluorescente. RIMOZIONE PENETRANTE con straccio; con getti d acqua/ solvente STAZIONE SVILUPPO a secco; a umido.
METODI SUPERFICIALI: Esame con Particelle Magnetiche Magnetoscopio a Bancale Magnetoscopio a Puntali Pezzo bloccato nelle teste di contatto, queste insieme alla bobina generano campo magnetico longitudinale e trasversale. Per materiali più grandi. I puntali generano campo magnetico fino ad una distanza max di 30 cm. I puntali possono essere singoli o doppi. Per entrambi i metodi il pezzo da testare pulito ed asciutto, deve essere completamente magnetizzato. La magnetizzazione del pezzo avviene grazie a dei flussi di corrente elettrica. In presenza del difetto le linee di flusso sono deviate oppure tendono a disperdersi. Una volta magnetizzato il pezzo, si applicano dei liquidi o polveri in grado di condurre le particelle magnetiche nei pressi del difetto e di renderlo visibile grazie all utilizzo della luce di Wood.
METODI SUPERFICIALI: Esame con Particelle Magnetiche Giogo Elettromagnetico Strumento portatile, e quindi utilizzato principalmente in cantiere, di facile e rapida utilizzazione. Ha una particolare forma ad U che gli permette di individuare i difetti al suo interno, ovvero fra i poli. ESECUZIONE DELLE PROVA: 1) Pulizia e asciugatura del campione; ) applicazione di lacca bianca come presa; 3) si spruzza una polvere nera spray in grado di condurre le particelle magnetiche nei pressi del difetto e di renderle visibili.
METODI VOLUMETRICI: ESAME RADIOGRAFICO Rappresentazione bidimensionale di un elemento tridimensionale. Permette di individuare la presenza di cricche ed inclusioni. Elementi essenziali del controllo: sorgente radioattiva; pezzo da controllare; pellicola radiografica. SORGENTE RADIOATTIVA Naturale: Radio, Radon o elementi con radiazione dura; Artificiale: Irragiamento in un reattore nucleare. Raggi GAMMA o X.
METODI VOLUMETRICI: ESAME RADIOGRAFICO PELLICOLA RADIOGRAFICA Composta da diversi strati: (d) Supporto in triacetato di cellulosa o in poliestere; Su ambo le facce si trovano. (a)gelatina indurita che protegge l emulsione; (b)strato di emulsione; (c)strato sottilissimo detto substrato che assicura l aderenza fra il substrato e il supporto. IMMAGINE LATENTE Costituita da cristalli d argento più o meno sviluppati non visibile ad occhio nudo; SVILUPPO L immagine latente viene resa visibile riducendo in Argento Nero i cristalli.
METODI VOLUMETRICI: ESAME ULTRASONORO Le onde ultrasonore vengono applicate sul materiale con una frequenza compresa fra 1 e 10 MHz. Maggiore sarà la frequenza maggiore sarà la penetrazione. Il segnale di partenza (ECO di PARTENZA) e il segnale riflesso dalla superficie opposta a quella di partenza (ECO di FONDO) vengono visualizzati sullo schermo come dei picchi. Se durante tale percorso vi saranno presenti discontinuità, queste saranno rappresentate come dei picchi dovuti all energia assorbita dal difetto che fa si che esso possa vibrare producendo onde elastiche. La rilevazione delle Onde Ultrasonore viene fatta grazie a SONDE, queste possono essere Piane, Angolate, Doppie e ad Immersione.
Classificazione delle unioni saldate 1) Saldatura in piano ) Saldatura in frontale 3) Saldatura in verticale 4) Saldatura in soprattesta
Classificazione delle unioni saldate 1) Giunti testa a testa ) Giunti d orlo 3) Giunti d angolo 4) Giunti a T 5) Giunti a L 6) Giunti per sovrapposizione
Classificazione delle unioni saldate In relazione alla direzione della forza che le sollecita, i cordoni di saldatura possono distinguersi in: Azione applicata parallelamente allo sviluppo dei cordoni Azione applicata perpendicolarmente allo sviluppo del cordone Combinazione dei due casi precedenti
Preparazione dei pezzi - CESOIA TAGLIA LAMIERE - TAGLIO CON GAS IONIZZATI - OSSITAGLIO
Angolo di smusso d Profondità s Spalla rettilinea g distanza tra i lembi 1) Piana ) Concava 3) Convessa
Ai fini delle verifiche di resistenza le vigenti norme (NTC e EC3) fanno riferimento a due categorie distinte:
Resistenza dei giunti a completa penetrazione Lo stato di sollecitazione può considerarsi uguale a quello di un pezzo continuo SEZIONE RESISTENTE: Sezione longitudinale della saldatura LUNGHEZZA: Lunghezza della saldatura SPESSORE: - Testa a testa: il minore degli spessori degli elementi collegati - A T: Lo spessore dell elemento a completa penetrazione
Resistenza dei giunti a completa penetrazione La resistenza di calcolo dei collegamenti a piena penetrazione si assume eguale alla resistenza di progetto del più debole tra gli elementi connessi. Una saldatura a piena penetrazione è caratterizzata dalla piena fusione del metallo di base attraverso tutto lo spessore dell elemento da unire con il materiale di apporto. Per il calcolo delle tensioni si considera come sezione resistente quella del pezzo saldato compreso il materiale d apporto Criterio di Hencky-Von Mises: + 3 id = + '' ''
Giunti a cordoni d angolo La resistenza di progetto, per unità di lunghezza, dei cordoni d angolo si determina con riferimento all altezza di gola a, cioè all altezza a del triangolo iscritto nella sezione trasversale del cordone. La lunghezza di calcolo L è quella intera del cordone, purché questo non abbia estremità palesemente mancanti o difettose.
, ', ' Giunti a cordoni d angolo : tensioni riferite alla sezione di gola n,, t '' t : tensioni riferite alla sezione di gola ribaltata
Giunti a cordoni d angolo Distribuzione delle tensioni Si assume una distribuzione uniforme delle tensioni nel cordone d angolo (Effetti della plasticizzazione)
Peroide Sperimentale Elissoide Domini di resistenza,, ײ Teorico: 1 = + fdw (0.75fdw ) + '' ( 0.75f ) dw id = + 1.8 ( + '' ) f dw + 1.8 ( + ) '' id id = + kw f dw = w f d ( + ) ''
Domini di resistenza,, ײ Per semplificare la verifica conviene assumere un dominio sferico: n + // + f dw ( ) + t// + t f dw ( ) = 1 = 1 / id = n + t + t// f dw = 0.58 0,7
Domini di resistenza,, ײ SFERA MOZZA Sfera di raggio uguale a quello della sfera tedesca, ma tagliata da due coppie di piani perpendicolari agli assi e e passanti per i punti =0,58 f u,w e = 0,58 f u,w
Sfera: DOMINIO DI RESISTENZA SFERA MOZZA r + + = n + t + t 0. 7 = // // f dw Prisma a base n quadrata: + t 0.58 f dw 0. 85f dw Stati di tensione mono o bi assiali: t 0. 7 f dw n 0. 7 f dw n t 0. 85 + f dw t// 0. 7 f dw
METODI DI VERIFICA (NTC 08) Considerando la sezione di gola nella sua effettiva posizione, si può assumere la seguente condizione di resistenza: é ë ù û0.5 ftk / b g M s ^ +3 ( t ^ +t ) ( ) // Dove: f tk è la resistenza a rottura del più debole degli elementi collegati, = 0,80 per acciaio S35, 0,85 per acciaio S75, 0,90 per acciaio S355, 1,00 per acciaio S40 e S460. In alternativa, detta a l altezza di gola, si può adottare cautelativamente un criterio semplificato F W F /, Ed W, Rd 1 ( ) W, Rd = a ftk / 3 M Dove: F W,Ed è la forza di calcolo che sollecita il cordone d angolo per unità di lunghezza; F W,Rd è la resistenza di calcolo del cordone d angolo per unità di lunghezza F
METODI DI VERIFICA (NTC 08) Considerando la sezione di gola in posizione ribaltata, si può assumere la seguente condizione di resistenza: n + t + 1 f yk n + t f yk Dove: f yk è la tensione di snervamento caratteristica ed i coefficienti 1 e sono dati in funzione del grado di acciaio.
Trazione CORDONI LATERALI Ribaltamento sul piano װ e lamiera // F F = = La 4La CORDONI FRONTALI Ribaltamento װ t F = La = F La Ribaltamento n F = La = F La
Trazione CORDONI INCLINATI N = F sin V = F cos Ribaltamento n = N / // = V / ( La) ( La) n = F / + // = ( La) F ( sin + cos )/( La) =
COMBINAZIONI DI CORDONI D ANGOLO La rigidezza è indipendente dalla posizione I cordoni frontali sono meno duttili di quelli laterali È opportuno affidare l intero carico a un solo tipo di cordoni e comunque: L 60 a È opportuno che tutti i cordoni abbiano approssimativamente la stessa altezza di gola.
Cordoni frontali longitudinali Flessione e taglio V= F M= FL n = M / W = max t // = V / ( ah) 3FL ah W = ah / 6 = ah /3 n^ +t b f // 1 yk
Cordoni frontali trasversali Flessione e taglio V= F M= FL t = F / n = ( ba) FL hab n n + + t t 1 f yk f yk
Combinazioni di cordoni frontali longitudinali e trasversali V= F M= FL Solo sui cordoni d anima t = F // ( a ) / L n = M / W 3 3 Verifica di resistenza nelle parti più sollecitate delle giunzioni Cordoni d ala esterni 1 n = M W W = L a h + L a h + 1 1 1 a3l 3 3 Cordoni d anima n ' + // con n ' = M W h 1 L + 3 a 1
In alternativa si può affidare tutto il momento ai cordoni d ala, e dunque sui cordoni d anima agisce solo // t // Cordoni d anima n = M W ' Cordoni d ala ' W = L1a 1h1 + L a h
Torsione, flessione e taglio TORSIONE Metodo del momento polare S = Tr max max / I 0 = S max cos // = S max sin Metodo delle due forze H = T /( h + a) // = H /( al) Nei casi pratici (0,5 l/h ) il metodo delle due forze è più conservativo del metodo del momento polare
Cordoni laterali V= F T= Fe H T/h= Fe/h // = = t = V /( al) = F / al H /( al) Fe / alh + t // Cordoni frontali torsione ' // = Fe / alz taglio '' // = F / al // ' = // '' + // = F al e z + 1
Ripartizione torcente: T=Fe Ripartizione tagliante: V=F CORDONI FRONTALI E LATERALI ( T ) T + 1 = T T1max / 1max Tmax ( T ) T + = T Tmax / 1max Tmax ( a1l 1L al h) ( a L L a L h) T1 = Fea1L 1L / + T = FeaLh / 1 1 + ( V + V ) = F a L ( a L a ) V / + L 1 = F V1max 1max max 1 1 / ( V + V ) = F a L ( a L a ) V / + L = F Vmax 1max max / 1 1 1 1 oppure V = F 1 V = 0 Cordone 1: Cordone : // T1 = La L 1 1 V1 + a L 1 1 = T ( ha ) =V /( a L ) // / L // + 0.85 fd 0.70
1 CORDONE FRONTALE LATERALI Torcente assorbito dai cordoni Tagliante assorbito dal cordone 1 Cordone 1: = F /( a L1) // 1 Cordone : = Fe /( ha ) L //
Torsione Sezioni a cassone Saldatura su tutto il perimetro Formula di Bredt: // = T /(Aa) Cordoni separati Metodo delle due forze: // = T /( L1a 1L + Lah)
SEZIONI A T, A L, A CROCE Torsione Si opera in analogia con le sezioni a profilo aperto Momento d inerzia torsionale: // max = Ta / max I T 1 IT = Lia 3 i 3 i
SEZIONI A T, A C, A Z Metodo esatto = ( T S )/( ai ) w Torsione w w = ( M I )w w / w w = area settoriale M w T w Bimomento Momento torcente di ingobbamento impedito max = Metodo approssimato T Wy k per L h 0.5k T max = Wy L h per L h 0.5k max = a 1 t f + a max
Torsione T max = 0.5 Wy k per L k h T max = 0.5 Wy L h per L k h max = a 1 t f + a max Wy = movimento rispetto all asse y tf = valore medio dello spessore dell ala K= cost. = 4,5 per IPE 5,5 per travi a C 6,5 per travi a Z (7,5 a f.s.) 610 per HE (10 a f.s.)