Obiettivi dello studio e programma di misurazione

Lo scopo di questo studio riguarda innanzitutto la valutazione e la conoscenza degli effetti della saldatura sul componente saldato. In particolare, si analizzerà l’intensità delle tensioni residue indotte dal processo di collegamento in prossimità del piede cordone della piastra centrale e a una certa distanza da questo, in modo da confrontare la zona influenzata dalla saldatura con una zona “neutrale”. Inoltre, confrontando i risultati dei provini As-welded con quelli relativi agli Stress-relieved si può stimare la bontà e l’efficacia del trattamento termico effettuato.

Per quanto riguarda i due provini Stress-relieved, essi sono stati sottoposti al trattamento di distensione esposto in Fig. 2.13 (ca. 600° per 4 ore).

Fig. 2.13: Trattamento termico eseguito per i provini SR [56].

La scelta dei punti da analizzare è stata fatta considerando i risultati ottenuti dall’analisi FEM dei provini, ampiamente discussa nel Capitolo 4. Dalla suddetta analisi, tramite il Peak Stress Method, è emerso che il punto più critico per la saldatura della piastra centrale risulta essere il punto 0°, Fig. 2.14. In questo punto infatti, si ha la massima tensione equivalente di picco per una sollecitazione di Modo I+III. Il secondo punto scelto, invece, è quello relativo alla sollecitazione di pura torsione dovuta al solo contributo di Modo III, situato sull’asse neutro di flessione del tubolare e denominato punto -90° in Fig. 2.14.

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Fig. 2.14: Schema dei punti sul cordone di saldatura della piastra centrale scelti per l’analisi delle tensioni residue.

Inizialmente si era pensato di prendere i punti 0° e 90°, ma su quest’ultimo l’ingombro della piastra centrale non permetteva i necessari movimenti dell’apparato Spider X per le misurazioni, dunque si è optato per il punto diametralmente opposto -90°.

Considerando quindi, lo schema di Fig. 2.15, il programma di misurazione prevede di valutare le tensioni cerchianti σyy o σzz e le tensioni longitudinali σxx in diversi punti lungo due linee, chiamate Path 0° e Path -90°, corrispondenti rispettivamente al Punto 0° e al Punto -90° di Fig. 2.14.

Fig. 2.15: Rappresentazione dei paths e del relativo sistema di riferimento per la misurazione delle tensioni residue.

Come si può vedere dalla Fig. 2.15, il sistema di riferimento adottato presenta l’origine in corrispondenza del centro della circonferenza generata dal piede del cordone di saldatura relativo alla piastra centrale (coincidente con il centro del tubolare). L’asse x dunque coincide con l’asse del tubolare, mentre l’asse z è parallelo alla retta congiungente il centro dei due fori della piastra laterale (il foro piccolo dedicato all’accoppiamento con il corrispettivo provino e il grande dedicato all’accoppiamento saldato con il tubolare).

Lungo ogni path dunque, vi sono 5 punti da analizzare, di cui 4 a ridosso del cordone di saldatura, distanziati l’un l’altro 5 mm, con il primo punto in corrispondenza del piede cordone, come mostrato nella seguente figura:

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Fig. 2.16: Rappresentazione della posizione dei 4 punti di misura a ridosso del cordone di saldatura per i due paths stabiliti: il primo punto è collocato in corrispondenza del piede cordone [56].

Nell’intorno della saldatura, si è scelto di non analizzare punti più distanti di 15 mm in quanto si presuppone che oltre quella distanza l’influenza del processo di saldatura sia pressoché trascurabile. Il quinto punto, invece, è collocato sempre lungo i paths, ma a una distanza pari a 77.5 mm dal piede cordone, all’incirca a metà via tra la piastra centrale e quella laterale, come mostrato in Fig. 2.17. In questo modo si può valutare e quindi tenere in considerazione le possibili tensioni residue dovute al solo processo di fabbricazione del tubolare, escludendo di fatto qualsiasi influenza determinata dal processo di saldatura.

Fig. 2.17: Posizionamento del quinto punto di misura rispetto al piede cordone della saldatura relativo alla piastra centrale. La distanza 77.5 mm vale per entrambi i paths.

I 4 provini scelti per il monitoraggio delle tensioni residue sono i seguenti:

• 2 As-welded: • 2 Stress-relieved

➢ Provino II (5 piastre) ➢ Provino I (3 piastre)

➢ Provino III (3 piastre) [22M] ➢ Provino IV (5 piastre) [21M]

2.5.1.1 Premesse

Prima di introdurre la procedura sperimentale, si presentano alcune premesse riguardo i 4 provini da analizzare. PROVINI III e IV

I provini III e IV sono provini appartenenti alla vecchia serie testati dal collega Menegalli [21M-22M] durante la sua tesi. Questi provini, sebbene geometricamente identici a quelli utilizzati in questa tesi, presentano raggi di raccordo della saldatura mediamente più dolci rispetto ai provini della nuova serie. Per la nuova serie, infatti, si è richiesto espressamente delle saldature che presentassero raggi di raccordo più gravosi rispetto alle precedenti. Dunque, durante il lavoro svolto da Menegalli su questi due provini si sono analizzate le tensioni residue prima di testarli; successivamente sono stati fatti ciclare per 50’000 cicli, con l’intenzione di monitorare nuovamente le tensioni residue per verificare gli effetti del ciclaggio. L’idea era di monitorare le tensioni residue della coppia di provini a circa 1/4 e poi 1/2 della vita a fatica, portandoli infine a rottura. Dai dati sperimentali acquisiti da Menegalli, avendo fatto ciclare questa coppia con un range di forza ∆F = 162 kN e rapporto di ciclo R = 0.1, si è stimata una vita totale pari a circa 250’000 cicli. Una volta monitorato le tensioni residue dopo 50’000 cicli, i provini non sono più stati fatti ciclare. In questo lavoro, dunque, si continuerà il monitoraggio delle relative tensioni dopo averli fatti ciclare per ulteriori 50’000 cicli.

53 PROVINI I e II

Sempre durante la precedente tesi di Menegalli, in seguito ad una collaborazione nata tra l’Università di Padova e il Fraunhofer – Institut für Werkstoffmechanik, i provini I e II, senza aver mai ciclato, sono stati spediti dal Dipartimento di Padova al laboratorio dell’università di Friburgo. In questo modo si è realizzata un’acquisizione delle tensioni residue tramite la diffrazione a raggi X con un’apparecchiatura diversa dalla Spider X, ossia una Stresstech G3 [56], mostrata in Fig. 2.18.

Fig. 2.18: Stresstech G3 utilizzata all’università di Friburgo [56].

Le misurazioni sono state eseguite con le seguenti modalità [56]:

• Nel provino As-welded la misura è stata anticipata dalla rimozione degli ossidi superficiali tramite l’utilizzo di HCl;

• Il diametro dello spot è pari a 1 mm;

• Le costanti utilizzate sono E = 210 GPa e ν = 0.28 • Utilizzato metodo del sin2𝜓;

• Utilizzo di radiazione Cr-Kα in grado di garantire una penetrazione pari a 5 μm;

• Il valore della componente di stress tangenziale è stato ricavato mediante 15 valori dell’angolo ψ valutati nell’intervallo ±45°;

• Il valore della componente di tensione assiale è stato ricavato mediante 7 valori dell’angolo ψ valutati anch’essi nell’intervallo ±45°;

Una volta effettuate le misurazioni, i provini sono stati rispediti all’università di Padova. In questa tesi i provini verranno analizzati dalla Spider X acquisendo le tensioni residue lungo gli stessi paths. L’utilizzo di una seconda apparecchiatura permetterebbe di incrementare l’affidabilità dei risultati ottenuti mediante un confronto di riproducibilità dei dati.