Ringraziamenti
Vorrei ringraziare innanzitutto i Relatori della presente tesi, il Prof. Ing. Aldo Frediani e l'Ing. Fiorenzo Vitali per aver reso possibile questa esperienza ed il Prof. Ing. Agostino Lanciotti per la disponibilità e per gli utili suggerimenti.
Un sentito e doveroso ringraziamento va allo staff del Reparto Sperimentale dello Stabilimento di Pistoia di Ansaldobreda, il cui aiuto è stato indispensabile per la realizzazione della tesi. In particolare desidero ringraziare l'Ingegner Francesco Urbani per le preziose consulenze, il Signor Angelo Pini per gli utili consigli tecnici, il Signor Brunaldo Bonelli per le ottime analisi metallografiche e per l'inestimabile contributo ludico, i Signori Stefano Sibaldi e Daniele Lupori per la perfetta gestione delle apparecchiature elettroniche, i Signori Roberto Cimellaro e Riccardo Benigni per le impeccabili applicazioni estensimetriche ed i Signori Massimo Paccagnini, Adriano Breschi e Fabrizio Butelli per l'ineccepibile gestione della parte idraulica e meccanica delle attrezzature di prova.
Desidero ringraziare inoltre gli Ingegneri Stefano Raiti, Mario Romani e Pierluigi Petri dell'Ufficio Calcoli Strutturali di Ansaldobreda per i fondamentali suggerimenti sulla modellazione con elementi finiti.
Un ringraziamento va al Dottor Santo Gobbi dell'Istituto RTM di Vico Canavese per aver messo a disposizione la Sua esperienza nel campo della saldatura laser.
Concludo ringraziando con affetto i miei familiari per avermi sostenuto durante i miei studi e Lisa per avermi "sopportato" durante tutta la preparazione di questo lavoro.
Sommario
Nella presente tesi si descrivono le modalità di svolgimento ed i risultati delle prove di fatica di pannelli sandwich in acciaio inox ottenuti per saldatura laser per impiego ferroviario. L'attività sperimentale è stata svolta presso il Laboratorio Sperimentale dello Stabilimento di Pistoia di Ansaldobreda.
Dopo una breve introduzione alla tecnologia laser nel Capitolo 1 e specificatamente alla saldatura laser nel Capitolo 2, nel Capitolo 3 sono presentati i risultati delle prove di fatica tensile-shear di due tipi di giunto per sovrapposizione realizzati l'uno con saldatura laser a tratti e l'altro con saldatura laser di forma anulare. Nello stesso capitolo sono riportati i risultati delle prove di trazione pura per caratterizzare a fatica la saldatura laser ed il materiale base (AISI 304).
Nel Capitolo 4 sono descritte le prove di fatica di flessione su quattro punti effettuate sui pannelli. I risultati sono analizzati col metodo della tensione strutturale e comparati con i risultati delle prove del giunto saldato a tratti.
Nel Capitolo 5 sono illustrati i modelli agli elementi finiti utilizzati per l'analisi tensionale e per la determinazione delle tensioni strutturali.
Indice
INTRODUZIONE 1
1 IL LASER 5
1.1 Generalità sul laser 5 1.2 Principi di funzionamento del laser 5 1.3 Tipologie di laser 8
1.3.1 Laser Nd:YAG 9
1.3.2 Laser CO2 10
1.4 Gestione del fascio laser 12
1.4.1 Qualità del fascio e focalizzabilità 12
1.4.2 Trasporto e focalizzazione 13
2 LA SALDATURA LASER 17
2.1 Generalità 17
2.2 Parametri di processo e modalità di saldatura 19
2.2.1 Generalità 19
2.2.2 Saldatura con formazione del keyhole 20
2.2.3 Saldatura in conduzione 22
2.2.4 Parametri di processo 23
2.2.5 Tipologie di saldatura laser 28
2.3 Saldabilità degli acciai 30
3 PROVE DI FATICA DELLA SALDATURA LASER 32
3.1 Premessa 32
3.2 Prove di fatica tensile-shear 34
3.2.1 Geometria e costruzione dei provini 34
3.2.2 Modalità e attrezzatura di prova 36
3.2.3 Criterio di fatica 36
3.2.4 Analisi statiche agli elementi finiti 39
3.2.4.1 Modello FE 39
3.2.4.2 Analisi del campo di stress 39 3.2.4.3 Tensione strutturale 41
3.2.5 Analisi dei risultati delle prove di fatica 43
3.2.5.1 Provino S1 (saldatura a tratto) 43 III
3.2.5.2 Provino S2 (saldatura ad anello) 46 3.2.5.3 Confronto tra i provini S1 ed S2 49 3.3 Prove di fatica di trazione pura 54
3.3.1 Geometria e costruzione dei provini 54
3.3.2 Modalità e attrezzatura di prova 56
3.3.3 Analisi dei risultati 57
3.4 Prove statiche 59
3.4.1 Generalità 59
3.4.2 Attrezzatura e modalità di prova 60
3.4.3 Risultati 61
3.5 Misura delle tensioni residue della saldatura laser 63
4 PROVA DI FATICA DEI PANNELLI 66
4.1 Premessa 66
4.2 Geometria e costruzione dei pannelli 67
4.2.1 Geometria 67
4.2.2 Costruzione 67
4.3 Descrizione delle prove 71 4.4 Criterio di fatica 76 4.5 Analisi statica col metodo degli elementi finiti 77
4.5.1 Descrizione dei modelli agli elementi finiti 77
4.5.2 Analisi statica del pannello caricato 79
4.5.2.1 Analisi del campo di tensione 82 4.5.2.2 Tensione strutturale 90 4.6 Risultati delle prove di fatica 92
4.6.1 Curve di fatica 92
4.6.2 Analisi dei risultati 95
5 MODELLO CON ELEMENTI FINITI DELLA SALDATURA LASER 98
5.1 Premessa 98
5.2 Schematizzazione con elementi finiti della saldatura laser 99 5.3 Valutazione della tensione strutturale critica 103 5.4 Provini tensile-shear 109
5.4.1 Modello agli elementi finiti 109
5.4.2 Tensione strutturale critica del provino S1 (saldatura a tratto) 110
5.4.3 Tensione strutturale critica del provino S2 (saldatura ad anello) 111
5.5 Pannello sandwich 113
5.5.1 Modelli agli elementi finiti 114
5.5.2 Valutazione della tensione strutturale critica 118
5.5.2.1 Analisi preliminare – modello coarse 118
5.5.2.2 Calcolo della tensione strutturale – modello fine 120
CONCLUSIONI 125
BIBLIOGRAFIA 129
APPENDICI 131
A.1 Dati prove di fatica tensile-shear 131 A.2 Dati prove di fatica di trazione pura 133 A.3 Dati prove di fatica pannelli 134
