Conclusioni
I punti fondamentali del lavoro svolto nella presente tesi sono i seguenti:
• Sono stati costruiti sette pannelli sandwich in acciaio inossidabile con anima corrugata saldati con tecnologia laser, di cui sei saldati a tratti ed una saldato con linea continua. I pannelli sono stati sottoposti a prova di fatica di flessione su quattro punti per simulare la condizione di carico tipica di una pavimento di cassa ferroviaria. I dati, ottenuti rilevando le rotture sulla pelle tesa, sono stati raccolti in diagrammi di fatica relativi al carico applicato ed alla tensione locale nel punto di rottura (tensione strutturale) valutata numericamente.
• Sono stati provati a fatica due tipi di provini tensile-shear a doppio punto, costituiti ognuno da due strisce di lamiera saldate laser con due diverse forme del cordone di saldatura: 1) tratto rettilineo e 2) anello circolare. I risultati delle prove sono stati analizzati sia sulla base della tensione nominale sulla saldatura che sulla base della tensione strutturale. I risultati relativi al provino saldato a tratti sono stati confrontati con i risultati delle prove sui pannelli saldati a tratti.
• Sono state fatte tre serie di prove di fatica di trazione pura (su provini ad osso di cane) per caratterizzare la resistenza a fatica: 1) del materiale base, 2) della saldatura laser parallela alla direzione di applicazione del carico e 3) della saldatura laser perpendicolare alla direzione di applicazione del carico.
• È stata fatta una misurazione estensimetrica delle tensioni residue indotte dalla saldatura laser mediante taglio della saldatura stessa.
• Sono state effettuate delle prove statiche di trazione per caratterizzare meccanicamente il materiale base (acciaio inossidabile austenitico AISI 304 allo stato ricotto) nelle due direzioni parallela e perpendicolare alla direzione di laminazione. Sono stati stimati il modulo di elasticità, il carico unitario di proporzionalità (0.2%) ed il carico unitario di rottura.
• È stato implementato e verificato nel caso della saldatura laser un modello agli elementi finiti, usato per gli spot elettrici, che prevede la rappresentazione del nocciolo
utilizzato per simulare i provini tensile-shear ed i pannelli al fine di valutare la tensione strutturale sul bordo delle saldature.
Dalle prove svolte sono state ottenute importanti informazioni relative alla fatica dei giunti saldati con laser in modo discontinuo e la loro correlabilità con risultati numerici.
Per quanto riguarda il pannello costruito con saldatura laser continua, la struttura ha dimostrato di essere praticamente esente da problemi di fatica. Alla base di questo risultato c'è l'ottima resistenza a fatica della saldatura laser (relativamente all'acciaio AISI 304) messa in evidenza dalle prove di fatica di trazione pura: il limite di fatica relativo alla saldatura caricata longitudinalmente si attesta a circa il 90% del carico unitario di proporzionalità (315 MPa), che corrisponde anche al limite di fatica del materiale base.
Nel caso del pannello saldato laser a tratti è stato messo in evidenza come la caratteristica di sollecitazione critica sia il taglio, contrariamente a quanto avviene per il pannello ottenuto per saldatura laser continua, per il quale è critico il momento flettente. L'analisi agli elementi finiti ha mostrato che alle estremità dei tratti di saldatura sussistono concentrazioni di tensione di notevole entità, indotte dal momento flettente secondario associato al trasferimento di taglio. Tale meccanismo è lo stesso che produce la concentrazione di tensione sui provini tensile-shear. Le resistenze a fatica, espresse in termini di tensioni strutturali, dei provini tensile-shear e dei pannelli saldati a tratti sono risultate, infatti, ben correlate tra loro, come mostrato in Figura 1. In fase di progettazione è quindi possibile, in linea di principio, ricavare le tensioni strutturali ammissibili di una struttura di tipo sandwich in base a test di fatica tensile-shear su provini semplici.
Le prove di tipo tensile-shear hanno mostrato una sostanziale equivalenza nel comportamento a fatica della saldatura laser a tratti e della saldatura laser di forma anulare, a dispetto di quanto indicano i fattori di concentrazione delle tensioni (il fattore di concentrazione delle tensioni del tratto è circa doppio rispetto a quello dell'anello). Questo risultato è stato spiegato osservando che i gradienti di tensione sul bordo della saldatura anulare sono favorevoli alla propagazione della cricca sul bordo stesso; viceversa, nel caso del tratto, i gradienti di tensione ostacolano la propagazione lungo il bordo della saldatura.
La saldatura a tratti risulta quindi, in termini di resistenza a fatica, paragonabile a forme di saldatura (laser) più arrotondate, che inducono fattori di concentrazione più bassi. Dal punto di vista della produttività, invece, l'efficienza della saldatura a tratti è molto maggiore (traiettoria rettilinea della testa laser) e realizzabile con impianti di movimentazione della testa laser meno sofisticati essendo richiesto, in pratica, un solo grado di libertà.
Dal punto di vista quantitativo, la struttura sandwich con anima corrugata (saldata laser) ha dimostrato di sopportare, senza rotture, un carico di 20 kN nel caso di saldatura a tratti e di 35 kN nel caso di saldatura continua. Tali carichi, rapportati alle dimensioni dei pannelli a cui sono stati applicati (1000×600×40 mm), sono ben superiori ai carichi di servizio a cui sono sottoposte le strutture di tipo ferroviario.
100 1000
1.E+05 1.E+06 1.E+07
Numero di cicli a rottura - N
Tensione strutturale critica -
σScr [MPa] Provini S1 Pannelli P1-P5 Best-fit pann. P1-P5 Best-fit provini S1
Figura 1 – La tensione strutturale correla ottimamente i dati ottenuti dalle prove tensile-shear ai dati
ottenuti dalle prove di flessione su quattro punti effettuate sui pannelli.
In conclusione, il presente lavoro ha dimostrato che la struttura LASCOR in acciaio inossidabile possiede una resistenza a fatica compatibile con l'impiego in strutture di tipo ferroviario; inoltre, laddove la saldatura continua si dimostri non utilizzabile per problemi legati alle tensioni residue, la saldatura a tratti è risultata essere una valida alternativa. In questo caso, infatti, la consistenza del fattore di concentrazione delle
tensioni è in parte compensata dalla presenza di gradienti tensionali sfavorevoli alla propagazione iniziale della cricca.
È stata dimostrata la semplicità e la relativa velocità di realizzazione di strutture di questo tipo utilizzando un impianto laser generico. Nell'ottica della grande produzione, grazie anche alla maturità raggiunta dalla tecnologia laser, un impianto appositamente progettato consentirebbe di raggiungere produttività difficilmente ottenibili con altre tecniche di saldatura, in particolare per la realizzazione di strutture in acciaio inossidabile. L'elevato fattore di impiego di un simile impianto consentirebbe inoltre di ammortizzare in un tempo relativamente breve l'investimento iniziale.
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