Numero 1 2007 - IIS

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M. Murgia - Origine delle tensioni residue in saldatura, metodologie tradizionali di misura, precauzioni e rimedi 1. Origine delle tensioni residue di saldatura 1.1. Considerazioni preliminari Prima di procedere alla descrizione delle condizioni che portano allo sviluppo delle tensioni residue di saldatura è bene precisare che con tale termine, in genere, si intendono tensioni del primo ordine (o macroscopiche) che si estendono in volumi di dimensioni maggiori rispetto agli elementi costituenti la microstruttura (cristalli, grani, dendriti). Per quanto esse subiscano variazioni di natura locale, nel passaggio ad esempio da un grano all’altro, sono in realtà considerate per il loro valore medio. Le tensioni residue del secondo ordine interessano invece l’interazione tra cristalli, grani o fasi eterogenee (le dimensioni di riferimento possono variare da 0.01 ad 1 mm): un esempio possono essere gli stati tensionali legati a punti di accumulo di dislocazioni o a seconde fasi precipitate. Le tensioni residue del terzo ordine sono invece quelle che agiscono in scala ancora minore, ad esempio tra diverse regioni atomiche, come nel caso degli stati tensionali che caratterizzano una singola dislocazione. 1.2 Descrizione del fenomeno In sintesi, le tensioni residue di saldatura sono il risultato di una deformazione permanente non omogenea, nella quale è possibile distinguere: • una variazione di volume, dovuta alle dilatazioni termiche, a processi di natura chimica ed alle microtrasformazioni strutturali; • una variazione di forma, legata a deformazioni di tipo plastico e viscoplastico. Eventuali tensioni di natura termica generate in campo elastico scompaiono di fatto con le cause che l’hanno prodotte e non sono pertanto neppure considerate come tensioni residue. Le cosiddette tensioni residue di saldatura 24 Riv. Ital. Saldatura - n. 1 - Gennaio / Febbraio <strong>2007</strong> sono in genere tensioni legate primariamente alle condizioni di raffreddamento cui si possono sovrapporre, in modo anche determinante, quelle dovute alle trasformazioni microstrutturali. Durante la saldatura, la regione interessata al processo è riscaldata fortemente e portata localmente a fusione (nei processi autogeni), con una forte dilatazione di natura termica come effetto del proprio riscaldamento. Le regioni circostanti, a temperatura molto più bassa, ostacolano la dilatazione del giunto comportando lo sviluppo degli stati tensionali; le tensioni residue superano in parte il limite elastico del materiale, la cui entità è ridotta per via delle elevate temperature. In termini qualitativi, la zona del giunto è caratterizzata a raffreddamento ultimato da stati prevalentemente di trazione, cui fanno equilibrio stati di compressione nelle zone adiacenti. Le variazioni microstrutturali allo stato solido, ad esempio le trasformazioni fuori equilibrio, sono accompagnate nella maggior parte dei casi da aumenti di volume: se si verificano a temperature sufficientemente basse, il limite di snervamento è sufficientemente alto a contrastarle, determinando uno stato finale di compressione nella zona interessata alle trasformazioni e di trazione, in quelle circostanti. È chiaro quindi che lo stato tensionale finale sarà dovuto all’entità delle tensioni prevalenti tra le due sopra descritte. Come noto, le tensioni residue possono essere significativamente ridotte ad elevata temperatura attraverso la riduzione del limite elastico del materiale e del suo modulo di elasticità, senza trascurare gli effetti della distensione per effetti di scorrimento viscoso (creep) che accompagnano in forma localizzata lo svolgimento dei tradizionali trattamenti di stress relieving (distensione). Il successivo raffreddamento deve essere adeguatamente controllato ed uniforme. Un secondo modo per ottenere una sostanziale riduzione delle tensioni residue di saldatura è l’applicazione di azioni esterne che determinino in forma localizzata il superamento del limite elastico del materiale, con una sostanziale ridistribuzione degli stati tensionali, a trattamento ultimato. 2. Distribuzione delle tensioni residue Appare logico, una volta compreso - almeno in termini generali - il principio fisico del fenomeno, provare a conoscere nel modo più preciso possibile l’entità e la distribuzione delle tensioni residue nelle giunzioni saldate, in modo da valutarne le possibili interazioni con le prestazioni del giunto in esercizio e valutare le eventuali azioni correttive. In realtà, i fattori che influenzano l’effettiva distribuzione degli stati tensionali in un giunto sono numerosi; ad esempio: • la geometria del giunto stesso e gli spessori in gioco; • le condizioni di vincolo; • la presenza di eventuali stati tensionali dovuti a lavorazioni precedenti; • gli stati di fornitura dei semilavorati; • il processo di saldatura utilizzato e la specifica di procedura impiegata; • la natura del consumabile (se previsto). Occorre inoltre sottolineare come i metodi di misura utilizzati siano ovviamente, a loro volta, affetti da errori sperimentali e caratterizzati da ovvie limitazioni per effetto del principio fisico su cui si basano. Per gli scopi di questa relazione, dunque, può essere utile distinguere tra le distribuzioni che possono essere determinate su base sperimentale, con metodologie anche estremamente sofisticate, e quelle che invece possono essere assunte ad esempio per verifiche di stabilità di imperfezioni, che devono soddisfare un opportuno compromesso tra esigenze di conservatività e semplicità, senza necessità di ricorrere a validazioni sperimentali di caso in caso. 2.1 Caratterizzazione sperimentale degli stati tensionali In genere, lo studio è condotto a partire da geometrie di giunzione semplici, come ad esempio, la saldatura testa a testa tra lamiere con giunzioni simmetriche rispetto alla loro mezzeria, considerando cicli termici rapidi per assumere condizioni di riscaldamento e raffreddamento uniformi sulla lunghezza del giunto. Ulteriori assunzioni semplificative riguardano spesso anche l’assenza di momenti agenti sul giunto o deformazioni ad essi legate, considerando in sostanza che le tensioni agiscano come
tensioni membranali. Considerando a questo punto le tre direzioni principali (longitudinale, trasversale e verticale), occorre osservare che lo sviluppo delle tensioni residue è legato a meccanismi differenti. 2.1.1 Tensioni longitudinali Le tensioni longitudinali sono legate soprattutto al ritiro del giunto in quella direzione in fase di raffreddamento; le tensioni sono di trazione nella zona fusa e raggiungono in genere il loro valore maggiore in corrispondenza dell’asse longitudinale, avendo ovviamente come limite superiore il limite elastico del materiale. Nelle regioni circostanti (ZTA e materiale base) nascono stati di compressione che scendono rapidamente a zero, allontanandosi in direzione trasversale dal centro della giunzione (Fig. 1). 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 consumabile effettuata) fenomeni di addolcimento (softening) al centro della zona fusa (Fig. 2). Nel caso invece degli acciai bassolegati si osservano spesso comportamenti ancora differenti, poiché le trasformazioni microstrutturali che si svolgono a bassa temperatura (1) 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 (Fig. 3). 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 nella parti più esterne del giunto (Fig. 4). Si può dunque concludere che: • le tensioni longitudinali, date le forti condizioni di autovincolo che caratterizzano questa direzione, tendono ad assumere valori molto elevati e su giunti abbastanza lunghi raggiungono M. Murgia - Origine delle tensioni residue in saldatura, metodologie tradizionali di misura, precauzioni e rimedi facilmente il limite elastico del materiale, con il rischio di deformazioni plastiche; • la saldatura ad arco manuale produce tensioni massime più alte di quelle causate da procedimenti caratterizzati da maggiore apporto termico; spesso σy Figura 1 - Distribuzione tipica delle tensioni longitudinali (acciai al carbonio, inossidabili austenitici). σy Figura 2 - Distribuzione tipica delle tensioni longitudinali (leghe di Al, di Ti trattate termicamente). σy Figura 3 - Distribuzione tipica delle tensioni longitudinali (acciai bassolegati). σy Figura 4 - Distribuzione tipica delle tensioni longitudinali (acciai bassolegati, consumabile austenitico). in entrambi i casi, ma più frequentemente nel caso dell’arco manuale, si supera il limite elastico; • la zona fusa risulta tesa nella maggior parte dei casi, mentre le zone adiacenti compresse; • la tensione longitudinale, 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 (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 sull’entità delle tensioni longitudinali. 2.1.2 Tensioni trasversali Le tensioni residue trasversali sono correlate ai fenomeni di contrazione in quella direzione del materiale, in particolare se accompagnati da severe condizioni di vincolo. A differenza di quelle longitudinali, esse tendono ad interessare ragioni più estese; una seconda differenza è inoltre data dall’effetto della velocità di saldatura, responsabile a sua volta della maggiore o minore tendenza al cosiddetto effetto di chiusura a fornice del giunto (tipico soprattutto delle velocità più ridotte). Ne risultano, come conseguenza, stati prevalentemente di tensione, nella parte centrale del giunto, che divengono di compressione in quelle iniziali e terminali (per elevate velocità di saldatura), oppure stati di compressione che divengono di trazione nella zona terminale, per maggiori velocità di avanzamento (Fig. 5). Appare evidente, a differenza del caso delle tensioni longitudinali, 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, nel caso degli acciai da costruzione, difficilmente superano i 100 N/mm 2 quando si salda a ritiro pressoché libero; • le tensioni trasversali massime si verificano in una fascia a cavallo (1) Si ricorda al lettore che il valore di Ms è fortemente legato all'analisi chimica dell'acciaio. Riv. Ital. Saldatura - n. 1 - Gennaio / Febbraio <strong>2007</strong> 25
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