Numero 1 2007 - IIS

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M. Murgia - Origine delle tensioni residue in saldatura, metodologie tradizionali di misura, precauzioni e rimedi (a) (b) (c) Figura 5a, 5b e 5c - Distribuzione qualitativa delle tensioni residue trasversali (a: elevata velocità di avanzamento v w, giunto vincolato trasversalmente; b: elevata v w; c: bassa v w). dell’asse del giunto; esse sono positive (trazione) nella zona centrale e negative (compressione) alle estremità del giunto, con notevole influenza della velocità di avanzamento; • una più allargata distribuzione delle temperature in direzione trasversale, per effetto ad esempio di cicli termici blandi, produce valori massimi di tensione trasversale un poco minori di quelli generati da cicli più severi nel caso di provette libere; nel caso di provette incastrate avviene il contrario, cioè la saldatura ad arco normale tende a provocare tensioni trasversali inferiori a quelle degli altri procedimenti detti sopra. Ciò è in armonia col fatto che il ritiro trasversale tende ad aumentare con la larghezza della zona riscaldata, e quindi è logico che anche la tensione che rappresenta la conseguenza della deformazione impedita, tenda ad aumentare con essa; • le estremità del giunto risultano in genere compresse trasversalmente: ciò può rivelarsi vantaggioso, perché può rendere meno pericolosi eventuali difetti di estremità (crateri, discontinuità di forma, incompletezza ecc.), ivi assai più frequenti che nelle zone centrali. 2.1.3 Tensioni agenti lungo la direzione dello spessore Le tensioni residue in direzione verticale (normale al piano della lamiera, nell’e- 26 Riv. Ital. Saldatura - n. 1 - Gennaio / Febbraio <strong>2007</strong> sempio) sono dovute alla presenza di spessori significativi; ad es., si hanno stati prevalentemente di trazione per giunti senza trasformazioni allo stato solido e di compressione nel caso contrario. Nel primo caso, è chiaro che il giunto di può trovare localmente in uno stato di trazione triassiale, estremamente critico nei confronti di eventuali fenomeni di criccabilità. Il caso delle saldature a passate multiple di forti spessori è caratterizzato da forti condizioni di vincolo in direzione longitudinale e trasversale delle ultime passate, che risultano caratterizzate da stati finali di tensione di trazione tanto nelle due suddette direzioni, mitigate dall’entità dell’eventuale preriscaldo (Fig. 6, il caso di un giunto testa a testa, preparazione ad X, spessore 25 mm, larghezza e lunghezza del giunto 500 mm). 2.2 Distribuzione convenzionale degli stati tensionali Come già osservato, chi dovesse procedere ad esempio a verifiche di stabilità di un componente o di un’imperfezione attraverso la meccanica della frattura, difficilmente potrebbe basarsi su distribuzioni rilevate sperimentalmente per una serie di ragioni; gli standard o i codici di calcolo, al proposito, propongono essi stessi, almeno per i casi più significativi, modelli di distribuzione che possono essere assunti come base per il caso in esame, utili ad esempio alla caratterizzazione del dettaglio attraverso tecniche FEM. Un esempio di particolare rilevanza ed autorevolezza è indubbiamente quello della norma BS 7910:2005 “Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures”. Tale norma, come peraltro si evince chiaramente dal titolo, non è di per sé finalizzata all’analisi delle tensioni residue che possano caratterizzare i giunti ma fornisce degli strumenti per tenere in considerazione la loro presenza, nella realizzazione di verifiche di stabilità, in funzione del livello di confidenza circa i dati posseduti e l’effettivo svolgimento sul manufatto di trattamenti termici dopo saldatura o prove idrauliche. In particolare, la norma prevede un primo livello (Level 1) in base al quale considerare uniformi le tensioni residue che agiscono sul giunto. Qualora si voglia invece procedere ad un’analisi più dettagliata, ritenendo ad esempio eccessivamente conservativa l’assunzione di distribuzioni uniformi, è possibile fare riferimento all’Annex Q della normativa, passando di fatto ai livelli 2 e 3. L’Annex Q prevede cinque casi fondamentali: giunti testa a testa tra lamiere, giunti testa a testa tra tubi (corpi cilindrici), giunti longitudinali su tubi (corpi cilindrici), giunti a T ed a cordoni d’angolo, giunti di riparazione. Le direzioni considerate sono le direzioni longitudinale e quella trasversale. Per ognuno dei cinque casi suddetti, la norma propone distribuzioni delle tensioni variabili con lo spessore di
Figura 6 - Esempio di distribuzione delle tensioni agenti in direzione dello spessore. parete, considerando come limite superiore il carico di snervamento σ y del materiale (o il suo Rp 0,2), come illustrato nella Figura 7. 3. Casi tipici di distribuzione delle tensioni Dopo l’analisi sull’origine e la distribuzione degli stati tensionali condotta al punto precedente può risultare di interesse considerare alcuni esempi tipici di distribuzione delle tensioni residue Tensioni longitudinali Tensioni trasversali M. Murgia - Origine delle tensioni residue in saldatura, metodologie tradizionali di misura, precauzioni e rimedi agenti su specifiche tipologie di dettaglio strutturale, utilizzando ovviamente gli elementi di base acquisiti. 3.1 Saldatura circonferenziale di inserti su lamiere La Figura 8a mostra la saldatura fra un inserto circolare e una lamiera preparata con foro, tipico caso di saldatura impiegata in lavori di riparazione. Nella Figura 8b è indicata schematicamente la distribuzione delle tensioni radiali (σx) e tangenziali (σy), che risultano elevate soprattutto in corrispondenza del cordone, e che quindi molto spesso possono dare luogo a cricche. 3.2 Travi saldate Come noto, esiste una notevole varietà di soluzioni geometriche per le travi saldate; si considerano, per gli scopi di questo articolo, le distribuzioni delle tensioni residue longitudinali in travi saldate a T, doppio T e a cassone (Fig. 9). 3.3 Giunti circonferenziali di tubi La distribuzione delle tensioni residue in un giunto circonferenziale tra tubi dipende - tra l’altro - dal diametro e dallo spessore di parete del tubo, dalla preparazione e dalla sequenza di saldatura. Burdekin ha effettuato misure estensimetriche su tubi in acciaio a basso carbonio, di diametro 760 mm e spessore 11 mm, ottenendo la distribuzione della Figura 10. In tali esperienze è stata usata la saldatura con procedimento automatico ad arco sommerso su passata manuale di sostegno. Girardi e Rinaldi hanno studiato l’andamento delle tensioni residue nel caso di tubi in acciaio al 3,5% Ni (diametro 250 mm, spessore 10 mm) con saldatura manuale ad arco nella posizione fissa ad asse orizzontale. I risultati ottenuti sono indicati nella Figura 11. Appare chiaro, da entrambe le esperienze, come gli stati più elevati di sollecitazione, sia per le tensioni residue longitudinali sia per le tensioni trasversali, si manifestino sulla superficie interna e siano di trazione. Una spiegazione di ciò potrebbe essere data considerando i diversi gradienti termici che durante il raffreddamento interessano la superficie interna ed esterna. Infatti con la seconda esperienza è stato verificato sperimentalmente che dopo il deposito dell’ultima passata, durante il raffreddamento, per il maggiore scambio termico verso l’esterno, la parete interna si è venuta a trovare ad una temperatura maggiore di circa 80°C rispetto a quella esterna, a partire da temperature (circa 850°÷900°C) al di sotto delle quali sono rilevanti le differenze di valore dello snervamento. 4. Metodi di misura delle tensioni residue La misura delle tensioni residue può certamente essere considerata un ramo di una materia di carattere più generale, la misura di stati tensionali e delle defor- Giunti testa a testa tra lamiere Giunti testa a testa tra tubi Giunti a T e fillet Giunti di riparazione Figura 7 - Esempi di distribuzione delle tensioni residue longitudinali e trasversali per verifiche di stabilità secondo BS 7910:2005 (Annex Q). Riv. Ital. Saldatura - n. 1 - Gennaio / Febbraio <strong>2007</strong> 27
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