Analisi termica dei procedimenti di saldatura

In saldatura l'apporto di calore è ottenuto mediante una sorgente termica puntiforme o comunque molto concentrata, rispetto ai pezzi da saldare. Ne risulta un riscaldamento disuniforme, che è la caratteristica termica fondamentale del procedimento di saldatura. Il calore apportato localmente ai pezzi (ad esempio per irraggiamento e convezione nel caso dei procedimenti ad arco elettrico e alla fiamma ossiacetilenica) deve essere sufficiente ad innalzare la temperatura di una piccola quantità di metallo base e del materiale d'apporto fino al punto di fusione, compensando le enormi perdite

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che, soprattutto per conduttività della circostante massa fredda dei pezzi da saldare, si determinano nell'intorno.

Durante il periodo di apporto termico la sorgente di calore può rimanere ferma o muoversi lungo il giunto, come nel caso della saldatura SMAW e GTAW.

Nel primo caso la ripartizione termica dipende solo dallo stato termico preesistente delle lamiere, che può anche non essere uniforme a causa di azioni termiche locali prodotte, nei dintorni del punto da saldare, ad esempio da saldature precedenti, oppure anche a causa della asimmetria di capacità termica della massa metallica. In genere tale ripartizione, nelle immediate vicinanze del punto di saldatura, è simmetricamente generata dalla diffusione del calore intorno al punto stesso e dipende essenzialmente dai parametri di saldatura.

Nel secondo caso invece, il movimento della sorgente di calore porta allo stabilirsi di un regime termico che trasla solidalmente con la sorgente stessa, provocando in ogni punto una variazione col tempo della temperatura. Quest'ultima, una volta stabilitesi le condizioni di regime, si ripete in modo sostanzialmente identico per i punti equidistanti dall'asse del cordone di saldatura, supponendo costante, lungo tutto l'asse del giunto, la sezione trasversale del pezzo, almeno in prossimità del cordone di saldatura.

Naturalmente le variazioni di temperatura che si verificano in un certo punto del pezzo saldato possono variare in funzione di numerosi fattori. I pezzi da saldare intervengono coi loro fattori fisici:

 Conduttività;

 Calore specifico;

 Temperatura e ripartizione termica iniziale dei pezzi e di tutti gli elementi in contatto metallico con la zona da saldare.

Di particolare influenza sono pure i fattori geometrici dei pezzi stessi, fra i quali soprattutto lo spessore, la forma del giunto e la sua giacitura nello spazio.

Il procedimento di saldatura interviene poi in maniera preponderante con le sue caratteristiche esecutive:

 Tipo di procedimento;

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 Volume del bagno di fusione;

 Apporto termico specifico;

 Velocità di avanzamento;

 Tensione e corrente d'arco.

L'analisi termica dei vari procedimenti di saldatura risulta quindi notevolmente complessa, ma è indispensabile conoscere le condizioni termiche nelle vicinanze del giunto saldato, al fine di controllare i fenomeni metallurgici che avvengono durante l'operazione di saldatura.

Di particolare interesse a questo proposito è la determinazione della temperatura più alta nella zona termicamente alterata, le velocità di raffreddamento nella zona fusa e nella zona termicamente alterata e la velocità di solidificazione del materiale base. Una soluzione è raggiungibile solo ricorrendo ad ipotesi semplificative desunte da osservazioni teorico-sperimentali e a metodi teorici complessi.

Benché le difficoltà di misura siano notevoli ed i casi estremamente variabili da una realizzazione all'altra, questa soluzione permette di avere indicazioni assai utili, sia per le deformazioni e le tensioni residue conseguenti ai gradienti termici causati dal processo di saldatura, sia per le alterazioni metallurgiche conseguenti alle velocità di raffreddamento delle zone portate ad alta temperatura.

5.2.2.1 Solido termico

Il problema della distribuzione delle temperature durante la saldatura è un caso particolare del problema della trasmissione del calore per conduzione, regolato dall'equazione differenziale di Fourier. Per una maggiore comprensione del testo, si faccia riferimento al sistema di riferimento destrorso di centro 0 e solidale alla sorgente di calore, asse X coincidente con asse del giunto e Y perpendicolare ad esso nel piano della lamiera (Figura 25).

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Figura 25: Sistema di riferimento considerato per l'analisi del solido termico.

Nel caso, ad esempio, della saldatura SMAW e GTAW, si può ritenere che la sorgente di calore si sposti con moto uniforme rettilineo lungo il giunto e che, di conseguenza, si venga a stabilire, raggiunte le condizioni di regime dopo un primo tratto di saldatura, una distribuzione delle temperature tale che le isoterme si spostino rigidamente assieme alla sorgente. Questo significa che, ad un osservatore in moto con la sorgente di calore, la distribuzione delle temperature appare costante nel tempo. In un certo istante, la temperatura è massima in corrispondenza della sorgente termica, e va degradando allontanandosi da essa.

Si può quindi immaginare un solido termico rappresentativo della distribuzione della temperatura nello spazio circostante il punto corrispondente alla sorgente termica considerata. Il solido termico è delimitato dalla superficie ottenuta portando sulla perpendicolare di ciascun punto della lamiera un segmento proporzionale alla sua temperatura, ovvero è descritto dalla funzione T(x,y) se si considera il s.d.r. di Figura 25. La forma di questo solido termico dipende dalle condizioni di saldatura e dalle caratteristiche fisiche del materiale che influiscono sulla trasmissione del calore nel pezzo. In Figura 26 è riportato un esempio di solido termico per un processo di saldatura TIG.

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Figura 26: Esempio di solido termico per una saldatura TIG.

Nella Figura 27-b viene riportata la sezione del solido secondo il piano X-Z, mentre nella Figura 27- a quella secondo il piano Y-Z. Queste sezioni, indicando rispettivamente la distribuzione della temperatura nelle direzioni X e Y, rappresentano i gradienti termici che si hanno nel pezzo per effetto del riscaldamento localizzato in 0 operato dalla sorgente termica.

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Sezionando il solido termico con piani paralleli al piano X-Y e quindi paralleli alla superficie della lamiera, si ottengono le linee isoterme rappresentate da ellissi allungate nella direzione di esecuzione della saldatura.

In Figura 28, queste ellissi sono rappresentate proiettate nel piano della lamiera. L'asse minore di ciascuna di queste ellissi è tanto più spostato a sinistra, quanto minore è la temperatura che l'isoterma individua. Gli estremi di questi assi corrispondono ai massimi di temperatura raggiunti da ogni punto del piano: i punti più lontani dall'asse di saldatura raggiungono quindi massimi di temperatura meno elevati e con ritardo maggiore quanto maggiore è la loro distanza dall'asse.

Figura 28: Curve isoterme ottenute sezionando il solido termico con piani paralleli a X-Y.

Questo si può osservare sperimentalmente sulle lamiere qualora queste siano state previamente lucidate. A regime termico uniforme stabilito, si formano sulle superfici, in corrispondenza della zona riscaldata a lato del cordone di saldatura, delle strisce colorate parallele all'asse; esse confermano la costanza del regime nei punti posti ad uguale distanza dall'asse del cordone.

Il solido termico rappresenta quindi l'immagine istantanea della distribuzione della temperatura nell'intorno della sorgente che determina lo stabilirsi dei gradienti termici cui è connesso, come si vedrà, l'insorgere di deformazioni e tensioni conseguenti al riscaldamento localizzato.

5.2.2.2 Cicli termici

Nel corso della saldatura, la sorgente termica trasla lungo il giunto e con essa anche il solido termico: ciò dà luogo, in corrispondenza di ogni punto, alla variazione nel tempo della temperatura secondo una curva simile a quella riportata nella Figura 29. Per ciascun punto si viene così a

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stabilire un ciclo termico caratterizzato dal fatto che la massima temperatura raggiunta è tanto minore quanto più distante è il punto dall'asse del cordone di saldatura, Figura 30.

Figura 29: Esempio di ciclo termico in saldatura.

Lo stabilirsi in saldatura dei cicli termici porta ad alterazioni metallurgiche più o meno sensibili a seconda della composizione chimica del materiale base ed, in particolare, della velocità di raffreddamento presentata dal ciclo (individuata dalla pendenza del suo ramo a destra), che pertanto rappresenta sotto questo aspetto il parametro più indicativo del ciclo stesso e caratterizza la cosiddetta severità termica del procedimento di saldatura.

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I cicli termici con riscaldamenti e raffreddamenti rapidi si chiamano severi, al contrario si chiamano dolci i cicli termici con riscaldamenti e raffreddamenti lenti. Con riferimento alla Figura 30, i punti vicini all’asse di saldatura sono soggetti a cicli severi, quelli distanti a cicli termici dolci. È importante inoltre notare che nelle zone adiacenti al giunto si possono avere dei gradienti termici elevati dell’ordine di 500° C/mm nei primi 2 o 3 mm.

I cicli termici dipendono dai seguenti fattori:

 Caratteristiche del procedimento di saldatura e modalità esecutive, dalle quali dipende l’apporto termico specifico o Heat Input, cioè la quantità di calore immessa per unità di lunghezza del giunto, che si calcola convenzionalmente (supponendo nulle le perdite nel trasferimento di calore) con la formula:

𝑄 = 𝑉 ∙ 𝐼 𝑣 ∙ 60 [

𝐽 𝑐𝑚]

Dove 𝐼 è l'intensità della corrente di saldatura in Ampere, V la tensione in volt e 𝑣 la velocità di avanzamento in cm/min. Un elevato apporto termico specifico causa un ciclo termico dolce, in quanto è grande la quantità di calore che il giunto deve smaltire. Per esempio la saldatura in arco sommerso ha apporto termico elevato, poiché le correnti impiegate sono elevate, e ha cicli termici generalmente dolci. La saldatura ad arco manuale ha cicli più severi, mentre quella a gas ha caratteristiche intermedie, data la bassa velocità di saldatura.

 Spessore dei pezzi e tipo di giunto: poiché la maggior parte del calore ammesso viene smaltito per conduzione attraverso i due pezzi saldati, la velocità di raffreddamento è tanto maggiore (quindi il ciclo tanto più severo) quanto maggiore è lo spessore. Inoltre la velocità di raffreddamento è influenzata dal tipo di giunto.

 Temperatura iniziale: a una maggior temperatura iniziale del metallo base corrisponde un raffreddamento più lento. In effetti un preriscaldo dei due pezzi intorno ai 200° C è sufficiente per ridurre la velocità di raffreddamento a circa un terzo ed è quindi il metodo più idoneo per ridurre la severità di alcuni cicli.

 Materiale base: i parametri più importanti che influiscono sul ciclo termico sono la conducibilità termica e il calore specifico. Materiali come rame e alluminio sono caratterizzati da alta conducibilità, si raffreddano molto rapidamente e hanno cicli termici severi. Materiali con alto calore specifico hanno cicli termici dolci, data l’elevata quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura fino a fusione.

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E' possibile determinare quantitativamente l'andamento dei cicli termici impiegando relazioni matematiche stabilite da Rosenthal, che tengono conto delle caratteristiche del materiale e dell'apporto termico specifico. Il calcolo dei cicli termici a mezzo di queste relazioni è tuttavia molto complesso ed i coefficienti correttivi non abbastanza sicuri. Pertanto per avere dati più precisi si preferisce ricorrere alla diretta indagine sperimentale, mentre dati più approssimati si possono ottenere con metodi grafici.

Fra le varie conclusioni che sono state ricavate da indagini di tale genere è interessante mettere in rilievo quelle che si riferiscono al confronto delle velocità di raffreddamento di qualche giunto tipico.

 Nella saldatura di giunti di testa fatta in più passate, ognuna delle quali venga eseguita in regime perfettamente identico di temperatura iniziale e di calore fornito per unità di lunghezza, le velocità di raffreddamento nelle passate finali sono maggiori che nella prima. Ciò è dovuto al fatto che nella prima passata, sul fondo del cianfrino, il metallo d'apporto si deposita in modo da costituire solo una piccola superficie attraverso cui trasmette il calore al metallo base, mentre nell'ultima passata il bagno si adagia sulle passate sottostanti e trasmette il calore attraverso una più larga superficie.

 Nei giunti a T le velocità di raffreddamento per la prima passata sono, a parità di calore fornito per unità di lunghezza, più alte che per i giunti di testa. Tale differenza è dovuta essenzialmente ad una più vasta superficie di scarico nello intorno immediato del bagno di fusione che contribuisce alla sottrazione di calore.

In genere per l'acciaio si può dire con buona approssimazione che la velocita di raffreddamento per i diversi tipi di giunto è funzione del calore fornito dal bagno di fusione al materiale circostante entro una sfera di raggio circa 75 mm, con centro nel punto di saldatura considerato, diviso per il volume di metallo effettivamente contenuto in questa sfera. Ciò significa, in altre parole, che interviene efficacemente alla sottrazione di calore il materiale che non dista essenzialmente più di 75 mm dalla saldatura. Se varia il tipo di acciaio, restando nel campo degli acciai non legati, non si notano forti variazioni nella velocità di raffreddamento.

Passando dagli acciai al carbonio agli acciai fortemente legati e ad altri metalli, il regime termico varia notevolmente, per le forti differenze di conduttività termica e del calore specifico. I metalli a bassa conduttività termica danno luogo a velocità di raffreddamento minori.

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