In particolare, a partire dai primi anni '90, sono state studiate strutture in acciaio di tipo sandwich con anima corrugata realizzate con saldatura laser (LASCOR, ovvero:

Introduzione

Nel settore dei trasporti i costi di produzione e il peso strutturale sono fattori fondamentali per la competitività sul mercato. Un processo produttivo efficiente consente di ridurre i costi ed i tempi di realizzazione e di assemblaggio della struttura; la riduzione del peso permette invece di ridurre i costi di esercizio o, in alternativa, in alcuni casi come l'Aeronautica, di aumentare il carico pagante.

Nel campo dei sistemi di trasporto realizzati in materiali metallici, accanto alle tradizionali strutture con irrigidimenti ortotropi concentrati (correnti, ordinate), sono state introdotte altre configurazioni in grado di migliorare l'efficienza strutturale e, insieme, di diminuire i costi di produzione.

In particolare, a partire dai primi anni '90, sono state studiate strutture in acciaio di tipo sandwich con anima corrugata realizzate con saldatura laser (LASCOR, ovvero:

LASer welded CORrugated core). Benché inizialmente studiate per impiego navale (ponti di carico, ponti mobili di cargo, ecc.), tali strutture sono di interesse anche per altri settori, quali l'off-shore, il settore civile, il trasporto pesante su gomma e il trasporto su rotaia.

Dal punto di vista strutturale è nota l'efficienza delle strutture sandwich. Studi finalizzati all'impiego di pannelli LASCOR in acciaio come struttura portante per ponti di carico di navi, hanno dimostrato una diminuzione del peso dal 20 al 40% rispetto alla soluzione classica di tipo piastra spessa irrigidita (a parità di rigidezza e resistenza statica). Ulteriori vantaggi derivano dalla possibilità di combinare questo tipo di struttura con schiume di riempimento metalliche di recente sviluppo, che consentono di ottenere buone caratteristiche di resistenza al fuoco, di insonorizzazione e di assorbimento di energia (crash) a costi contenuti.

Per quanto concerne l'aspetto produttivo, la tecnologia laser, ormai sufficientemente matura, possiede diversi aspetti che la rendono interessante per l'impiego nella produzione di grandi strutture. Primo fra tutti è l'alta produttività che deriva dalle elevate velocità di passata utilizzabili (tipicamente 5-6 m/min, fino a 10 m/min a seconda dello spessore saldato) e dall'alto grado di automatizzabilità del processo, particolarmente adatto per la produzione e l'assemblaggio di strutture modulari quali sono, appunto, le strutture LASCOR.

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A titolo di esempio, in Tabella 1 è riportata una stima dei costi tratta dal lavoro di Steen [3]; in esso si confronta il costo per metro lineare della saldatura di una lamiera di acciaio dolce di 3 mm di spessore, eseguita con tecnica manuale classica (ad arco) e con processo laser. Per la prima il costo è di 8.28 £/m, per la seconda è di 0.77 £/m (anno 1989). A fronte di un investimento iniziale circa 175 volte superiore, il costo per metro saldato del processo laser è circa 11 volte inferiore.

Tabella 1 − Esempio di costo per metro lineare di saldatura di lamiera di acciaio dolce di spessore 3 mm (anno 1989).

Altri aspetti notevoli della saldatura laser sono la possibilità di saldare in trasparenza, ovvero di saldare per sovrapposizione accedendo da un solo lato del giunto, la possibilità di realizzare saldature invisibili (non passanti) su spessori sottili, la possibilità di saldare l'acciaio inossidabile (in particolare il tipo austenitico) e il ridotto apporto di calore, che consente di saldare spessori molto sottili (pochi decimi di millimetro).

Nel caso particolare dei veicoli ferrotranviari, l'impiego di pannelli sandwich saldati laser combina alcuni vantaggi derivanti dall'impiego dei grandi estrusi di lega leggera, quali l'efficienza strutturale, la modularità (facilità di assemblaggio) e la "rigidezza diffusa", ai vantaggi dell'impiego dell'acciaio, principalmente la saldabilità, la resistenza a fatica, la resistenza al fuoco e il costo del materiale base.

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Due caratteristiche rilevanti in campo ferroviario sono la ottima saldabilità laser dell'acciaio inox, frequentemente richiesto dal mercato americano per la realizzazione di casse tranviarie, e il ridotto apporto di calore. Quest'ultima caratteristica assume particolare importanza quando si eseguono saldature continue di oltre 10-20 m di lunghezza su spessori sottili (giunzioni longitudinali delle fiancate), risultando le tensioni residue prodotte sensibilmente inferiori a quelle associate ad altre tecnologie, quali ad esempio la saldatura MIG e la saldatura per spot elettrici (peraltro con un aspetto scadente della superficie esterna della vettura).

Per quanto inferiori rispetto ad altre tecniche di saldatura, considerando un cordone di saldatura laser di 20 m di lunghezza, le tensioni residue possono tuttavia risultare tali da produrre fenomeni di buckling sulle lamiere di spessore più sottile. In quest'ottica è da prendere in considerazione la possibilità di sostituire la saldatura laser continua con la saldatura laser a tratti, allo scopo di ridurre la quantità di calore introdotta e, in definitiva, ridurre l'entità delle tensioni residue.

Oggetto della presente tesi, svolta in collaborazione con il Reparto Sperimentale dello Stabilimento di Pistoia di Ansaldobreda, è l'analisi del comportamento a fatica di pannelli sandwich di tipo LASCOR in acciaio inox saldati a tratti, nell'ottica di un possibile impiego per la realizzazione di un pavimento di cassa ferroviaria.

Sono stati costruiti e provati a fatica sei pannelli sandwich saldati laser a tratti; un settimo pannello saldato con linea continua è stato provato per quantificare la perdita di resistenza a fatica associata alle importanti concentrazioni di tensione localizzate alle estremità dei tratti di saldatura.

Una serie di prove di fatica effettuate su provini di tipo tensile-shear realizzati in un caso con saldatura laser a tratto, caratterizzata da forti concentrazioni di tensione, e nell'altro con saldatura laser di forma anulare, simile ad uno spot elettrico, ha dimostrato sorprendentemente la sostanziale equivalenza nella resistenza a fatica tra le due forme di saldatura.

I dati ottenuti dalle prove di fatica dei provini sono stati infine confrontati con quelli ottenuti dalle prove di fatica dei pannelli sulla base del metodo delle tensioni strutturali, dimostrando un'ottima correlazione.

Le tensioni strutturali sono state valutate numericamente con l'ausilio del metodo degli elementi finiti; il modello della saldatura è stato costruito secondo uno schema, proposto da Radaj per la modellazione degli spot elettrici, che prevede la

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rappresentazione delle lamiere con elementi shell connessi agli elementi solidi che riproducono il nocciolo della saldatura.

I risultati del lavoro sono molto incoraggianti e di indubbio interesse industriale.

Alla luce dei risultati ottenuti, infatti, è stato possibile comprendere i fenomeni legati alla fatica dei giunti saldati con laser in modo discontinuo ed è stato possibile correlare tali fenomeni con risultati numerici.

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