Ritiro trasversale

5.3.2.1 Giunti testa a testa

Allo scopo di studiare le cause e lo sviluppo del ritiro trasversale nei giunti testa a testa si possono distinguere due aspetti del fenomeno:

 Ritiro trasversale propriamente detto;

________________________________________________________________________________ 61

Si consideri il fenomeno del ritiro trasversale conseguente all'esecuzione di un giunto testa a testa fra due lamiere. Allo scopo di svincolarsi per il momento da altre variabili che non siano quelle direttamente dipendenti dalla progressione della saldatura lungo il giunto, si pongono le seguenti assunzioni:

 Lo spostamento della sorgente di calore sia puramente longitudinale ed avvenga a velocita costante dall’estremo A a quello B (Figura 36);

 Il giunto sia costituito da una sola passata di larghezza costante nel senso dello spessore (in modo da escludere ogni possibilità di ritiro angolare)

 Le lamiere siano libere di muoversi nel loro piano per assenza sia di vincoli esterni sia di puntatura.

Dallo studio dei cicli termici di saldatura è noto che le lamiere si riscaldano secondo delle ellissi isoterme. La congiungente delle estremità degli assi minori di queste ellissi permette di individuare due zone: una, la zona VCAD, in fase di raffreddamento e l'altra, la VCBD, in fase di riscaldamento.

Nella prima zona esiste una porzione di giunto già eseguito, che si trova a temperatura superiore ai 600°C (tratto EV) e quindi con carico di snervamento molto basso. Si analizza ora a quali fenomeni di ritiro essa è soggetta. A questo proposito si considera una striscia di materiale nel tratto E-V, presa trasversalmente al giunto. Essa è soggetta ad un'azione di ritiro analoga a quella già studiata nel caso della barra vincolata e sottoposta a riscaldamento localizzato. In questo caso il vincolo è costituito dalla continuità materiale esistente tra la striscia considerata e la parte precedente già saldata e sufficientemente raffreddata; le cause che determinano il ritiro possono quindi sintetizzarsi nei modo seguente:

 Dilatazione impedita e ricalcamento a caldo durante la fase di riscaldamento;

 Ricalcamento per allungamento ulteriore delle parti laterali che vanno ancora riscaldandosi durante la prima fase di raffreddamento della zona centrale.

Al diminuire della temperatura il limite elastico della striscia considerata tende a riportarsi al suo valore nominale; a partire da un certo istante quindi si rende possibile una contrazione propria della striscia che prosegue durante il successivo periodo di raffreddamento.

________________________________________________________________________________ 62

Figura 36: Effetto ritiro su giunto testa-testa a passata singola.

L'effetto della contrazione però si può risentire nella zona a valle (tratto E-V) che, essendo ad alta temperatura, è facilmente ricalcabile. La parte a monte, non deformabile agisce quindi come fulcro al movimento di avvicinamento delle lamiere. A causa di questa azione a forbice i due bordi non ancora saldati si avvicinano, tendendo anche ad accavallarsi. Questo ritiro, denominato distorsione di rotazione, è fortemente impedito quando viene eseguita la puntatura dei pezzi prima della saldatura: si determinano però nelle lamiere sforzi sensibili che in qualche caso, ad esempio nella saldatura ossiacetilenica di lamiere sottili, possono portare anche alla rottura dei punti con successivo accavallamento dei lembi (effetto "forbice").

Il ritiro trasversale è, tra l'altro, direttamente dipendente dalle condizioni di esecuzione, quali ad esempio lo spessore dei pezzi da saldare, la quantità di calore apportata e la larghezza della saldatura.

L'esperienza ha dimostrato che, a parità di volume depositato, il ritiro trasversale è inversamente proporzionale allo spessore del cordone mentre è direttamente proporzionale alla quantità di calore apportata ed alla larghezza della saldatura.

Un altro aspetto dei fenomeni di ritiro trasversale è il ritiro angolare; si considerano i due casi seguenti:

1. Saldatura in una sola passata 2. Saldatura in più passate

________________________________________________________________________________ 63

Saldatura in una sola passata

Nell’esecuzione delle saldature, indipendentemente dal tipo di preparazione dei lembi adottata, il bagno di fusione a seconda del procedimento impiegato si conforma a V ed a U più o meno aperti e quindi la sua larghezza varia lungo lo spessore, raggiungendo l’ampiezza massima sulla superficie esposta direttamente all'azione della sorgente termica (Figura 37).

Figura 37: Ritiro angolare di un giunto testa-testa.

Si supponga di suddividere le lamiere in più strati orizzontali paralleli, sufficientemente sottili in modo che ognuno di essi si possa supporre a volume di bagno costante. Dato che il ritiro trasversale è proporzionale alla larghezza della saldatura, si deduce facilmente che gli strati superiori, a bagno più largo, si ritirano più di quelli inferiori.

Per concretizzare questo ritiro, che è linearmente variabile con lo spessore, le due lamiere devono disporsi angolarmente come indicato in Figura 37 e l'angolo formatosi per deviazione dalla giacitura iniziale si chiama ritiro angolare. Esso è tanto maggiore quanto più aperto e dissimmetrico rispetto al piano orizzontale medio è il bagno di fusione e quanto maggiore è lo spessore del pezzo. Questo vale naturalmente quando le due barrette siano libere di disporsi angolarmente non solo per mancanza di vincoli esterni, ma anche per azione trascurabile del peso proprio.

Saldatura in più passate

Quando la saldatura viene svolta in più passate con sorgente termica da una stessa parte (preparazione a V, a ½ V, ad U o a J), l'apporto di calore avviene in tempi successivi ed in condizioni diverse da passata a passata.

La prima passata, o passata di fondo, è soggetta a semplice ritiro trasversale, data la forma e la limitatezza di spessore e di ampiezza del bagno di fusione (specie in saldatura manuale ad arco); un leggero ritiro angolare è possibile con sensibile sviluppo per i bagni di dimensioni maggiori quali

________________________________________________________________________________ 64

quelli realizzati ad esempio con saldatura ossiacetilenica e più ancora con procedimento automatico ad arco.

La passata successiva trova i pezzi già vincolati a fondo cianfrino dalla prima passata ed allora possono verificarsi due casi.

 La prima passata è sottile e l'apporto termico della seconda è notevole: la giunzione di metallo collegante i due pezzi che la prima passata ha costituito, può essere portato integralmente al di sopra della temperatura di ricalcamento, ed essere soggetto quindi prima ad una leggera dilatazione, poi ad ulteriore ritiro trasversale; in questo caso si ha un ulteriore riavvicinamento dei lembi da saldare per ritiro di entrambe le passate. E' ovvio che la prima passata, più stretta e a più bassa temperatura della seconda, si raffredda prima e costituisce punto di fulcro per la fase finale di ritiro della seconda. Ne consegue un certo ritiro angolare che si compone con quello trasversale.

 La prima passata è più robusta e non viene portata tutta al di sopra dei 600°C: l’espansione e la contrazione di cui è soggetta sono molto limitate e quindi essa costituisce un vincolo contro il ritiro trasversale. Se i due pezzi sono liberi di ruotare intorno all'asse del giunto essi subiscono, facendo fulcro sulla prima passata, un ritiro angolare dovuto alla seconda, più grave che nel primo caso.

5.3.2.2 Giunti a T

Si consideri un giunto a T collegato con un cordone ad angolo rappresentato nella figura seguente, assumendo che la forma del cordone sia triangolare e che esso venga eseguito in una sola passata.

________________________________________________________________________________ 65

Data la disposizione dei pezzi in questo caso si considera il ritiro trasversale come somma di due componenti:

 Il ritiro proprio del metallo deposto;

 Il ritiro dei pezzi collegati, riscaldati in modo disuniforme.

Il ritiro del metallo deposto avviene con le stesse modalità di quelle viste riguardo al ritiro angolare nei giunti testa a testa. Infatti, immaginando di suddividere la sezione trasversale del cordone con piani paralleli alla superficie esterna del cordone stesso, è evidente che gli strati più esterni subiscono (per il fatto di avere una maggiore larghezza) un ritiro trasversale maggiore di quello subito dagli strati più interni. Di conseguenza si ha una rotazione delle lamiere intorno al vertice A e nel senso indicato dalle frecce 1 e 1'.

A questo effetto, si somma quello analogo conseguente al riscaldamento disuniforme delle lamiere operato dalla saldatura. Infatti, facendo riferimento alla lamiera N, si può osservare che in conseguenza dell'apporto termico effettuato sulla faccia AB si stabilisce un regime termico caratterizzato da temperature decrescenti nel senso dello spessore. Anche in questo caso si possono quindi distinguere due zone:

 Zona delle temperature maggiori, la quale subisce un ricalcamento a caldo;

 Zona delle temperature inferiori, in cui le deformazioni si mantengono nel campo elastico. In seguito al raffreddamento, la zona ricalcata tende ad accorciarsi causando quindi una deformazione che tende a far ruotare la lamiera nel senso indicato dalla freccia 1.

Ovviamente le stesse considerazioni si possono estendere alla lamiera P, che per effetto del riscaldamento localizzato nella zona AC tende a ruotare nel senso indicato dalla freccia 1'.

La concomitanza di questi effetti fa sì che le deformazioni angolari presenti nei giunti a T siano più sensibili, a parità di condizioni esecutive, che non per i giunti testa a testa; la rotazione delle lamiere è tanto maggiore quanto più forte è la sezione del cordone e quanto maggiore è il numero di passate con cui viene eseguito.

Nel caso in cui vengano eseguiti due cordoni sui due lati della lamiera N, la rotazione di questa viene compensata dalla simmetria dell'apporto termico, ma permane la distorsione angolare della lamiera P, come si nota in Figura 39-a; tale distorsione può venire impedita da vincoli predisposti

________________________________________________________________________________ 66

(Figura 39-b) o automaticamente per compensazione quando si esegua in modo simmetrico un giunto a croce (Figura 39-c).

Figura 39: Distorsioni angolari su un giunto a T e a croce.

Il ritiro dovuto al ricalcamento delle lamiere dipende essenzialmente dalla quantità di calore apportato, dalla sezione del cordone di saldatura e dallo spessore delle lamiere stesse. Il ritiro aumenta con la prima e diminuisce col secondo, in generale metodi di saldatura più lenti tendono sempre ad aumentare i ritiri se i pezzi sono liberi.

5.3.2.3 Risultati sperimentali in letteratura

I valori che il ritiro trasversale può assumere nella pratica costruttiva dipendono molto dal grado di vincolo dei pezzi, dal peso degli elementi collegati o anche dalla utilizzazione di attrezzature appositamente studiate per collocare i pezzi in posizione ed impedire le deformazioni durante e dopo la saldatura. Lo stabilire con precisione il grado di vincolo e prevedere poi in base ad esso il ritiro possibile diviene spesso molto difficile.

La determinazione dei valori del ritiro nei giunti saldati è stata effettuata mediante vari esperimenti; per il ritiro trasversale si riportano alcuni risultati fra i più significativi nella letteratura tecnica, riguardanti vari casi di giunti a ritiro trasversale libero o nelle condizioni minime di vincolo che la loro costituzione impone.

In Figura 40 si riporta il diagramma del ritiro trasversale ottenuto da Guyot (Belgio). Esso fornisce la variazione di ritiro trasversale di provini saldati testa a testa con l’arco elettrico, in funzione della sezione di saldatura e per lamiere di vari spessori; si deduce che il ritiro trasversale aumenta con la sezione della saldatura, ma tanto meno rapidamente, quanto maggiore è lo spessore da saldare; esso tende tuttavia a stabilizzarsi verso valori massimi compresi fra 3-4 mm.

________________________________________________________________________________ 67

Figura 40: Ritiro trasversale nella saldatura testa-testa in funzione degli spessori e della sezione di saldatura (Guyot). Nel diagramma di Bierret, visibile nella figura sottostante, si ha una conferma dell'influenza notevole della sezione di saldatura, conseguente a diverse forme del cianfrino, sul valore del ritiro trasversale. Le prove sono state fatte su una lamiera da 12 mm di spessore con il processo di saldatura ad arco; il grafico dimostra che la preparazione ad X determina un ritiro minore di quella a V, per ogni preparazione il ritiro è tanto maggiore quanto più aperto è l’angolo di cianfrino e più forte la distanza fra i lembi.

Figura 41: Ritiro trasversale nella saldatura testa-testa in funzione della sezione di saldatura (Bierret).

Sono infine riportate in Figura 42 tre curve sperimentali di ritiro ottenute da A. R. Moon. Due di queste rappresentano il ritiro trasversale per giunti testa a testa, preparati a V con angolo di 60° C

________________________________________________________________________________ 68

saldati rispettivamente con elettrodi rivestiti e con fiamma ossiacetilenica. La terza curva è stata ottenuta per giunti di testa preparati ad X con angolo di apertura del cianfrino di 70°. Valgono le seguenti conclusioni:

 Il ritiro aumenta con lo spessore da saldare, infatti il bagno di fusione è di maggiori dimensioni

 La saldatura ossiacetilenica produce ritiri ben maggiori di quella elettrica ad arco, a causa della minor velocita di fusione e della maggior ampiezza del bagno;

 La preparazione ad X, a parità di spessore, con un apporto di materiale fuso più limitato e ristretto oltre che simmetrico, determina un ritiro sensibilmente inferiore.

Figura 42: Ritiro trasversale nella saldatura testa-testa (Moon).

Lo studio effettuato da F. Campus ha dimostrato che il ritiro trasversale tende ad aumentare col numero delle passate, questo è valido anche per il ritiro angolare. Nella tabella seguente si riportano i dati ottenuti dall’esperienza di Campus, i talloni utilizzati nelle saldature testa-testa avevano uno spessore di 14 mm, cianfrinatura a V con angolo di apertura pari a 90°, distanza tra lembi (luce) di 3 mm.

________________________________________________________________________________ 69

Numero delle passate Ritiro trasversale [mm] Ritiro angolare [°]

7 3,25 2°50’

9 3,65 6°15’

10 4,11 6°30’

12 4,42 8°30’

15 4,62 11°

Tabella 6: Dati di ritiro trasversale e angolare ricavati da Campus.

Il modo di eseguire ogni passata ha pure una certa influenza sul ritiro trasversale; nel caso della saldatura ad arco, secondo esperienze fatte dal Guyot, la saldatura a passate larghe (con movimento trasversale notevole dell'elettrodo) produce un ritiro trasversale leggermente maggiore di quella a passate strette affiancate; quest'ultima tecnica produce però una maggiore distorsione angolare, dato che richiede un maggior numero di passate. Analogamente, saldando un giunto con la tecnica del passo del pellegrino produrrebbe un ritiro trasversale un poco minore di quella continua.

Il ritiro trasversale è anche influenzato dal tipo di giunto; secondo Lottman, i giunti si possono classificare nell'ordine dei diagrammi di Figura 43; appare chiaro che il minor ritiro trasversale è prodotto da giunti a T saldati a tratti alternati, seguiti da quelli a tratti contrapposti e poi da quelli con cordone d'angolo continuo. Maggior ritiro danno i giunti a sovrapposizione e ancora maggiore quelli testa a testa; l'ultimo è un particolare tipo di giunto composito che produce ovviamente i massimi ritiri.

________________________________________________________________________________ 70

Figura 43: Ritiri trasversali e longitudinali per varie tipologie di giunto (Lottman).