Tensioni trasversali e longitudinali nei giunti testa a testa

Agli studiosi Bierett e Granning è dovuta una serie di analisi teorico-sperimentali che hanno permesso di individuare l'andamento delle tensioni residue di saldatura, sia trasversali sia longitudinali, nei giunti saldati di testa e di determinare i valori raggiunti nelle due direzioni.

Nel caso della saldatura di provini esenti da vincoli esterni e quindi liberi di ritirarsi, i suddetti sperimentatori hanno ottenuto che, per la saldatura manuale ad arco, la distribuzione delle tensioni 𝜎_𝐿 e 𝜎_𝑇 ha un andamento del tipo di quello indicato nelle Figura 47 e Figura 49.

5.4.1.1 Tensioni Trasversali

La Figura 49 riporta la distribuzione delle tensioni trasversali (ruotate di 90° nel loro piano); da essa si vede che queste tensioni, lungo la generica sezione trasversale, sono sempre dello stesso senso (curve a ed a’), e più precisamente esse sono di trazione nella parte centrale del pezzo saldato, mentre diventano di compressione nelle zone esterne.

Figura 47: Andamento delle tensioni trasversali per un giunto testa-testa.

Questo si rileva con più evidenza dalla curva b che rappresenta la distribuzione delle 𝜎_𝑇 lungo una sezione longitudinale Y-Y generica.

Le tensioni trasversali sono però funzione della velocità di saldatura, responsabile a sua volta della maggiore o minore tendenza al cosiddetto effetto di chiusura a forbice del giunto, tipico soprattutto delle velocità ridotte. Ne risulta, come visibile in Figura 48, che:

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 A elevate velocità di avanzamento, si ha uno stato prevalentemente di trazione nella parte centrale del giunto che diventa di compressione alle estremità (Figura 48-b);

 A bassa velocità, stato di compressione nella parte centrale che diventa di trazione nella zona terminale (Figura 48-c).

Figura 48: Tensioni residue trasversali per a) giunto vincolato con velocità di avanzamento elevata; b) velocità di avanzamento alta; c) velocità avanzamento bassa; d) effetto della chiusura a forbice.

Appare evidente come sia difficile individuare distribuzioni caratteristiche, per effetto del gran numero di variabili che influenzano il fenomeno in questa direzione. Ulteriori osservazioni possono giovare alla comprensione del fenomeno:

 Le tensioni trasversali difficilmente superano i 100 MPa quando si salda a ritiro libero; con provini incastrati parallelamente all’asse del giunto saldato, questo valore può anche raddoppiare;

 Le tensioni trasversali massime si verificano in una fascia a cavallo dell'asse del giunto; esse sono positive (trazione) nella zona centrale e negative (compressione) alle estremità del giunto;

 Un riscaldamento durevole (cicli dolci: saldatura ossiacetilenica o con procedimenti impieganti elevate intensità di corrente, come l'arco sommerso) produce valori massimi di tensione trasversale un poco minori di quelli generati da riscaldamento più breve (cicli severi: saldatura SMAW, TIG, o MIG e MAG) nel caso di provini liberi; nel caso di provini

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incastrati avviene il contrario, cioè la saldatura ad arco manuale tende a provocare tensioni trasversali inferiori a quelle degli altri procedimenti meccanizzati sopra citati; questo è in armonia col fatto che il ritiro trasversale tende ad aumentare con la larghezza della zona scaldata, e quindi è logico che anche la tensione che rappresenta il corrispettivo della deformazione impedita, tenda ad aumentare con essa;

 Le estremità del giunto risultano in genere compresse trasversalmente: tale distribuzione di tensioni trasversali è un vantaggio, perché può rendere meno pericolosi i difetti di estremità (crateri, discontinuità di forma, incompletezza ecc.), ivi assai più frequenti che nelle zone centrali.

5.4.1.2 Tensioni Longitudinali

In una generica sezione trasversale x-x (Figura 49) l’andamento delle tensioni residue longitudinali, indicato dalla curva a, mostra che queste tensioni sono di trazione nel giunto saldato e nella zona immediatamente adiacente, mentre nelle zone esterne si ha uno stato di compressione. Le esperienze hanno inoltre mostrato che le tensioni longitudinali tendono a interessare regioni più estese rispetto alle tensioni trasversali; la loro distribuzione è la medesima per tutte le sezioni trasversali, come ad esempio è indicato dalla curva e. Da ciò si deduce che, lungo un piano longitudinale y-y parallelo all'asse dei giunto ed a distanza d generica dall'asse stesso, le 𝜎𝐿 si

mantengono costanti e di valore y dipendente dalla distanza d suddetta.

Figura 49: Andamento delle tensioni longitudinali in un giunto testa-testa.

Questa situazione è ad esempio quella degli acciai al carbonio e degli acciai inossidabili austenitici: nel caso di leghe di alluminio o di leghe di titanio, trattate termicamente, i valori massimi delle tensioni non raggiungono il limite elastico e si osservano spesso (in funzione della scelta del

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consumabile effettuata) fenomeni di addolcimento o softening al centro della zona fusa, vedasi la figura seguente.

Figura 50: Distribuzione delle tensioni longitudinali per leghe di Al, Ti trattate termicamente.

Nel caso invece degli acciai basso-legati si osservano spesso comportamenti ancora differenti, poiché le trasformazioni microstrutturali che si svolgono a bassa temperatura possono portare la nascita di stati di compressione al centro del giunto, con i valori massimi nel campo della trazione in zona termicamente alterata o nel materiale base immediatamente adiacente (Figura 51-b). Allo stesso modo nel caso si impieghino consumabili di tipo inossidabile austenitico è facile raggiungere il suo limite elastico nella regione centrale della zona fusa, mentre i massimi livelli di compressione si manifestano nella ZTA, con stati di tensione massimi invece in materiale base, che si annullano e si convertono in deboli stati di compressione nelle parti più esterne del giunto (Figura 51-c).

Figura 51: Distribuzioni tipiche delle tensioni longitudinali per a) acciaio al carbonio, inossidabili austenitici; b) acciai basso- legati; c) basso-legati, consumabile austenitico.

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Nella distribuzione delle tensioni longitudinali si nota che:

 Le tensioni longitudinali, date le forti condizioni di auto-vincolo che caratterizzano questa direzione, tendono ad assumere valori molto elevati e su giunti abbastanza lunghi raggiungono facilmente il limite elastico del materiale, con il rischio di deformazioni plastiche;

 La saldatura ad arco manuale produce delle tensioni massime più alte di quelle causate da procedimenti caratterizzati da maggiore apporto termico; spesso in entrambi i casi, ma più frequentemente nel caso dell'arco manuale, si supera il limite elastico.

 La zona di saldatura risulta tesa, mentre le zone adiacenti compresse;

 La tensione longitudinale, che è pressoché costante lungo tutto il giunto, si annulla per ragioni di equilibrio alle estremità; il tratto di caduta sembra sia dell'ordine di 100÷200 mm; i pezzi molto corti hanno sollecitazioni longitudinali minori;

 Le condizioni di vincolo eventualmente agenti parallelamente all'asse della saldatura non hanno praticamente influenza sull'andamento e sul valore delle tensioni longitudinali.

Come già precedentemente accennato, le considerazioni fin qui svolte riguardano gli andamenti, rilevati sperimentalmente da vari ricercatori, delle tensioni residue sulle fibre superficiali del giunto.

5.4.1.3 Tensioni lungo lo spessore

Recenti studi sono stati rivolti all'analisi della distribuzione delle tensioni residue lungo la direzione dello spessore. Nel caso di lamiere saldate di spessore maggiore di 25 mm, anche le tensioni residue in direzione perpendicolare possono diventare significative.

La Figura 52 mostra la distribuzione ricavata da Gunnert, delle tensioni residue lungo la direzione dello spessore in un giunto testa a testa in acciaio al carbonio, con preparazione a X, spessore 25 mm, lunghezza e larghezza 500 mm. La saldatura è stata eseguita con elettrodi rivestiti, saldando da entrambi i lati del cianfrino alternativamente in modo da minimizzare la distorsione angolare.

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Figura 52: Andamento delle tensioni residue nella direzione dello spessore in giunti saldati testa-testa (Gunnert). Dalla Figura 52 si nota che le tensioni longitudinali e trasversali sono di trazione in zone vicine alle due superfici del giunto. Le tensioni trasversali di compressione, al cuore della saldatura, sono prodotte durante l'esecuzione delle passate finali di riempimento del cianfrino.

La Figura 52-c mostra la distribuzione delle tensioni residue perpendicolari che si annulla in corrispondenza delle due superfici. Sebbene tale distribuzione risulti di compressione nel caso qui mostrato, altri ricercatori ritengono che si possano avere stati di sollecitazione di trazione anche all’interno dello spessore saldato, particolarmente per spessori elevati.

Ueda e altri hanno effettuato ricerche, sia sperimentali sia con l'ausilio della teoria degli elementi finiti, basandosi su un modello di giunto riportato in Figura 53-a. Tale modello rappresenta il giunto tra il fasciame cilindrico e il fondo semisferico mostrati in Figura 53-b.

Le passate di saldatura sono state depositate alternativamente sui lati opposti del cianfrino in modo da prevenire la distorsione angolare. Si tratta di un acciaio al 2,25 Cr - 1 Mo saldato ad arco sommerso (45 KJ/cm) con materiale d'apporto analogo, e con preriscaldo di circa 200°C.

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Figura 53: Modello sperimentale di Ueda (giunto tra fondo semisferico e fasciame).

Le figure mostrano le tensioni residue longitudinali in corrispondenza a vari livelli riempimento del cianfrino (temperatura di Interpass12 200°C) rispettivamente sulla superficie del giunto (in direzione normale all'asse del cordone) e nel senso dello spessore. Tali distribuzioni sono state ricavate con l’analisi agli elementi finiti elasto-plastici tridimensionali.

Figura 54: Andamento delle tensioni residue longitudinali in funzione di diversi livelli di riempimento.

A saldatura ultimata la distribuzione delle tensioni residue longitudinali sulla superficie del giunto è mostrata in Figura 55-a; si può notare che il valore massimo è spostato di circa 20 mm rispetto al bordo dell'ultima passata. La Figura 55-b mostra la distribuzione delle tensioni residue longitudinali nel senso dello spessore in corrispondenza dell'asse del cordone e a due diverse distanze da esso. Come indica la Figura 55, mentre alla superficie esterna della saldatura le tensioni residue longitudinali sono positive e di piccola entità, il più alto valore di queste si manifesta ad una certa profondità, corrispondente ad alcuni strati di passate.

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Figura 55: Distribuzione comparata delle tensioni (valori sperimentali e calcolati con FEM).

Alla luce di quanto visto finora risulta evidente la difficoltà di individuare la distribuzione effettiva delle tensioni residue, strettamente legata ai singoli casi e influenzata da un numero elevato di fattori. D'altra parte, per ragioni cautelative, le normative considerano tensioni residue ideali pari al limite elastico del materiale, sia nel campo della meccanica della frattura, sia in quelli della fatica e della tensocorrosione.

Tali condizioni, essendo talvolta troppo cautelative, al fine di un sempre miglior sfruttamento dei materiali, incitano a proseguire gli studi per valutare più accuratamente gli stati tensionali che si hanno in particolari casi pratici. Si ritiene comunque utile illustrare nei paragrafi successivi alcuni tipici casi di distribuzione di tensioni di saldatura.