Distorsioni indotte termicamente e tensioni residue

Origine delle tensioni termiche

Le principali tensioni, che si hanno nel materiale o nella struttura, sono di origine termica e dipendono dal gradiente di temperatura. Esse sono di tre tipi:

 Tensioni indotte da variazioni volumetriche, come l’espansione o la compressione, associati a cambiamenti di fase nel materiale;

 Tensioni dovute a differenti coefficienti di dilatazione termica dei materiali da saldare;

 Tensioni indotte dai gradienti di temperatura, dovuti alle differenti velocita di espansione nel riscaldamento e compressione nel raffreddamento.

Di conseguenza, i materiali variano in dimensioni, prima localmente e poi coinvolgendo l’intera struttura, e cosi nascono le distorsioni.

Cause che portano alla formazione delle tensioni residue

Le tensioni residue si originano nel materiale o nella struttura dopo che tutti i carichi esterni sono rimossi. Ad esempio, possono nascere da deformazioni plastiche non uniformi, specialmente durante lavorazioni a freddo, da trattamenti termici e trasformazioni di fase localizzati.

Nelle strutture, esse hanno origine da differenze strutturali e da distribuzioni non uniformi di sforzi anelastici, dovuti a sorgenti termiche o meccaniche.

Cause della distorsione

Le distorsioni nascono quando le tensioni indotte termicamente non sono controllate e le più importanti sono: restringimenti trasversali perpendicolari alla linea di saldatura, restringimenti longitudinali paralleli alla linea di saldatura, e rotazioni attorno alla linea di saldatura.

Si ravvisano tali distorsioni in Figura 33:

Figura 33 Distorsioni dimensionali durante la saldatura

L’ammontare e la direzione del restringimento dipendono dal tipo di saldatura, dalla presenza di altre saldature con le loro tensioni, dalla profondità della saldatura, dal calore in ingresso, dalla composizione strutturale dei materiali, e dalla sequenza di esecuzione della

saldatura.

Esempio di una distribuzione tipica delle tensioni residue longitudinali e trasversali per la saldatura testa a testa:

Effetti della distorsione

Gli effetti della distorsione sono:

 Dimensioni ridotte della struttura saldata;  Disallineamento degli elementi strutturali;  Gradienti di smaltimento termico;

 Rilassamento di tensioni residue preesistenti l’operazione di saldatura;

 Difficolta a usare gli strumenti necessari a mantenere al proprio posto gli elementi della struttura.

Effetti delle tensioni residue

Gli effetti di carichi esterni non uniformi sulla distribuzione delle tensioni residue in una saldatura di testa possono essere schematizzati come in Figura 35:

Figura 35 Effetti di carichi esterni non uniformi sulla distribuzione di temperatura

Le tensioni residue influenzano il processo di saldatura in diversi modi: riducono il carico di rottura dei materiali creando fratture e causano piegamenti che possono portare alla rottura completa della struttura. Inoltre possono aggravare la fragilità e la resistenza al taglio, causare increspature, incrementare la rugosità e aumentare la sensibilità alla corrosione.

I " Workshop IGF: Problematiche Di Frattura Ed Integrità Strutturale Di Materiali E Componenti Ingegneristici, Forni Di Sopra (UD), 1-3 Marzo 2012 ", Francesco Iacoviello, Luca Susmel ,Gruppo Italiano Frattura, 2012.

II "Saldatura E Taglio Dei Metalli", Emilio rinaldi, HOEPLI EDITORE

III "Introduzione ai processi di saldatura",Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari,Società Editrice Esculapio.

IV "Machine Design",Jindal U. C., Pearson Education India.

V "Saldatura per fusione, Volume 2",Istituto italiano della saldatura, HOEPLI EDITORE. "Saldatura E Taglio Dei Metalli", Emilio rinaldi, HOEPLI EDITORE

“Progettare costruzioni in acciaio”, Giulio Ballio, Claudio Bernuzzi, HOEPLI EDITORE.

VI "Saldatura E Taglio Dei Metalli", Emilio rinaldi, HOEPLI EDITORE

VII “Progettare costruzioni in acciaio”, Giulio Ballio, Claudio Bernuzzi, HOEPLI EDITORE.

VIII “Introduzione ai processi di saldatura”, Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari,Società Editrice Esculapio.

IX

“Steel in the chemical industry” , European Coal and Steel Community, Commission of the European Communities

X “Advances and Trends in Structural Engineering, Mechanics and Computation”, Alphose Zingoni,CRC Press.

XI "Introduzione ai processi di saldatura",Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari,Società Editrice Esculapio.

XII “Manuale dell'ingegnere meccanico”, Pierangelo Andreini ,HOEPLI EDITORE.

XIII “Fatigue of Welded Structures”, T. R. Gurney, CUP Archive.

XIV "Introduzione ai processi di saldatura",Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari,Società Editrice Esculapio.

XV

"Introduzione ai processi di saldatura",Alessandro Fortunato, Alessandro Ascari,Società Editrice Esculapio.

XVI "Saldatura E Taglio Dei Metalli", Emilio rinaldi, HOEPLI EDITORE

XVII “Arcosaldatura”, Luigi Mazzilli,HOEPLI EDITORE.

Capitolo 2

LA SALDATURA AD ARCO ELETTRICO

In questo capitolo si analizzeranno i processi di saldatura per fusione che implementano un arco elettrico come fonte di calore sono chiamati AW (Arc Welding).

Questo metodo, oltre ad essere uno dei più antichi e diffusi metodi di saldatura, corrisponde al procedimento di saldatura che si presta ad essere maggiormente automatizzato.

Le caratteristiche comuni sono relative a:

1. Calore: fornito dall’arco voltaico che scocca tra un elettrodo e i lembi dei pezzi da saldare oppure tra due elettrodi;

2. Metallo d’apporto: costituito dell’elettrodo stesso oppure da una bacchetta o filo metallico a parte;

3. Protezione del bagno di fusione: `e realizzata da una sostanza che, fondendo, si dispone in modo da impedire il contatto tra l’aria ed il bagno di fusione, oppure, da un gas opportunamente inviato sui lembi da saldare che non reagisce con il bagno di fusione e lo isola dal contatto con l’aria.

I processi che utilizzano l’arco elettrico possono essere adoperati con diverse modalità di corrente (corrente continua o alternata) e polarità di elettrodo, provocando distinte caratteristiche di saldatura.

Il gas di protezione nella procedura GMAW (Gas-Metal Arc Welding) gioca due ruoli fondamentali:

1. proteggere dall’aria esterna l’arco ed il matallo fuso che cola dal filo;

2. fornisce una desiderata caratteristica all’arco attraverso il suo effetto ionizzante.

A seconda del tipo di gas di protezione utilizzato, che dipende dal tipo di metallo da saldare, dalla forma della giunzione e dalle specifiche caratteristiche desiderate, il procedimento si distingue in due tipi3:

• Procedimento MIG3

: quando si impiega, come gas di protezione, elio o argon (e loro miscele) i quali non hanno alcuna attività chimica nemmeno alle alte temperature dell’arco voltaico;

• Procedimento MAG4

: il gas di protezione ha un’attività chimica ossidante, seppure modesta, nel bagno di fusione. In tal caso i gas usati sono: anidride carbonica, miscele di aria e anidride carbonica, miscele di aria ed ossigeno ecc.

La saldatura con procedimento MAG è più economica ma di qualità inferiore e sta avendo un’applicazione crescente nei sistemi robotizzati.