Metallurgia Della Saldatura

POLITECNICO DI MILANO

Metallurgia della saldatura Progetto del corso

Irene Menéndez Valle 1/10/2014

Metallurgia della saldatura Irene Menéndez Valle

Indice La saldatura e il suo sviluppo ........................................................................................... 1 Principali procedimenti di saldatura ................................................................................. 3 Metallurgia della saldatura ............................................................................................... 7 Difetti nella saldatura...................................................................................................... 12 Bibliografia ..................................................................................................................... 17

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La saldatura e il suo sviluppo La saldatura è un procedimento che permette il collegamento permanente di parti solide tra loro e che permette la continuità del materiale nel quale si applica. In generale presuppone l'apporto di calore localizzato tale da permettere la fusione del materiale. Tale materiale può essere il materiale che compone le parti stesse che vengono unite, ma può essere anche un materiale estraneo ad esse, detto materiale di apporto. La maggior parte dei processi di saldatura metalli sono stati inventati negli ultimi anni, ma alcuni hanno una lunga storia. Brasatura e la saldatura martello d'oro sembrano essere stati conosciuti durante l'Età del Bronzo, ma sono stati utilizzati principalmente per fare ornamenti. Saldatura prima si è evoluto come una tecnica di primaria importanza economica quando l'uso del ferro si è diffuso, nel Medioevo, essendo necessaria non solo al fine di rendere i prodotti finiti, ma anche come parte del processo di produzione del ferro stesso. Per avere dei procedimenti di saldatura con caratteristiche omogenee e riproducibili, fu necessario arrivare al 1901 con la saldatura ossiacetilenica, in cui si univano le parti per fusione dei lembi di un modo molto semplice e ripetibile. Agli inizi del XX secolo si svilupparono generatori elettrici sufficientemente potenti per generare un arco avente una potenza sufficiente alla fusione del ferro. Il primo procedimento di saldatura che fu sviluppato utilizzando l'energia dell'arco elettrico fu il procedimento ad elettrodo non protetto, attualmente completamente abbandonato a favore del procedimento a elettrodo rivestito, il procedimento più diffuso nel mondo. Nel 1925 veniva messo a punto il procedimento di saldatura a resistenza, oggi utilizzato ampiamente in ambito industriale per produzioni di grande serie. Nel corso della Seconda guerra mondiale fu sentita l'esigenza di produrre giunti saldati di buona qualità con una produttività maggiore di quella che poteva essere data dall'elettrodo rivestito, in quell’epoca è apparso l'arco sommerso, che permetteva una produttività ed una riproducibilità assolutamente maggiori. Nel dopoguerra furono sviluppati i procedimenti MIG (Metal-arc Inert Gas) e MAG (Metal-arc Active Gas) per avere una produttività confrontabile con quella -1-

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dell'arco sommerso, pur con una maggiore flessibilità di impiego. In parallelo fu sviluppato il procedimento TIG (Tungsten Inert Gas), che permetteva un controllo molto preciso delle caratteristiche della saldatura ed una lavorazione continua, che non era permessa dall'elettrodo rivestito. Infine negli anni settanta furono sviluppati i procedimenti ad energia concentrata, cioè electron beam e laser, che permettono di limitare la zona di materiale modificata dalla saldatura. Attualmente sono in corso studi per la saldatura per diffusione, in cui non si porta a fusione il materiale da saldare, ma si sottopone a pressione ad una temperatura sufficientemente elevata perché gli atomi del reticolo cristallino diffondano attraverso la superficie di separazione dei pezzi, in modo da realizzare giunti a temperature relativamente basse.

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Principali procedimenti di saldatura Poi i tipi più importanti di saldatura sono brevemente espiegati. 

TIG (Tungsten Inert Gas): procedimento di saldatura ad arco con elettrodo non fusibile (di tungsteno), sotto protezione di gas inerte, che può essere eseguito con o senza metallo di apporto. La saldatura TIG è uno dei metodi più diffusi, devuto a la sua elevata qualità, ma richiede operatori altamente specializzati.

Sostegno del’elettrodo

Elettrodo di tungsteno Condotto di gas

Condotto elettrico Guaina isolante Massa

Macchina di saldatura

Gas di protezione

Bombola del gas inerte

Figura 1.- Schema della saldatura TIG.

 MIG/MAG (Metal-arc Inert Gas/Metal-arc Active Gas): procedimenti a filo continuo in cui la protezione del bagno di saldatura è assicurata da un gas di copertura, che fluisce dalla torcia sul pezzo da saldare. Il filo è fatto da un elettrodo consumabile. L'unica differenza fra le due è il gas che viene usato per la protezione.

Avanzamento e controllo del filo

Torcia

Generatore di corrente d'arco Bombola del gas di protezione

Massa

Figura 2.- Schema della saldatura MIG/MAG. -3-

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

Ossiacetilenica: metodo di saldatura in cui l'energia viene fornita dalla combustione di acetilene in ambiente fortemente ossidante. Nella saldatura ossiacetilenica è quasi sempre richiesto che sia fornito materiale d'apporto, di solito sotto forma di bacchette, fondenti sotto la fiamma. Date le sue caratteristiche non tutti i materiali sono saldabili con questa tecnologia.

Tubo

Valvola di ossigeno

Miscelatore

Ingresso di ossigeno

Torcia Ugello di pressione

Valvola di acetilene

Ingresso di acetilene

Figura 3.- Schema della saldatura ossiacetilenica. 

Ad arco con elettrodo rivestito: metodo in cui l’elettrodo del metallo d’apporto, che è consumabile, è rivestito con sostanze che, fondendo, producono gas protettivo e scoria.

Figura 4.- Schema della saldatura ad arco con elettrodo rivestito. 

Ad arco sommerso: procedimento in cui l'elettrodo è un filo continuo, che opera immerso in un letto di flusso, cioè di materiale solido, granulare, che in parte fonde e lascia una scoria di protezione sul cordone di saldatura. La morfologia generale della zona di saldatura permette di generare una grande quantità di calore che, essendo schermato dalla scoria, cattiva conduttrice termica, resta localizzato nel bagno di saldatura. Quindi la saldatura ad arco sommerso permette di operare con elevate velocità.

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Figura 5.- Schema della saldatura ad arco sommerso.

 A plasma: metodo in cui la torcia utilizzata presenta al centro l'elettrodo di tungsteno, il quale è infusibile durante il processo. Intorno a tale elettrodo giunge un gas plasmogenico che, in presenza del campo elettrico presente esternamente o internamente alla torcia, diventa plasma.

Figura 6.- Schema della saldatura a plasma. 

Laser e a fascio elettronico: procedimenti che ussano laser o un fascio di elettroni per unire i lembi tramite una saldatura sottile e profonda senza metallo d’apporto. Questi procedimenti hanno un'alta densità di potenza, risultante in piccole zone riscaldate con alta velocità di riscaldamento e di raffreddamento. Laser

Figura 7.- Schema della saldatura laser. -5-

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A resistenza elettrica: metodo di saldatura per fusione in cui il materiale viene riscaldato per resistenza elettrica. Ci sono tre principalli tipi: a punti, a rulli e a cilindri di testa per scintillio. Forza premente

Figura 8.- Schema della saldatura a resistenza elettrica. 

Per attrito: procedimento in cui il cordone di saldatura è formato da un utensile cilindrico che ha un pin nella parte terminale che può presentare una filettatura. Il pin, ruotando genera attrito, quindi calore. Quest'ultimo rende plastico il materiale, che, ricristallizzandosi, unisce i due pezzi.

Cilindro Pin

Rotación

Acercamiento

Soldadura

Alejamiento

Figura 9.- Schema della saldatura per attrito.

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Acabado

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Metallurgia della saldatura La saldatura per fusione comporta l’impiego di una sorgente termica concentrata di sufficiente potenza per fondere parte dei lembi e il eventuale metalle d’apporto. Il apporto termico specifico è dato dalla seguente formula:

Formula 1.- Equazione per ottenere il apporto termico specifico, dato per W, dove V è la tensione, I la corrente e v la velocità di avanzamento. Nel giunto realizzato mediante un processo di saldatura per fusione possono essere evidenziati due zone nelle quale si producono fenomeni diversi. Queste zone, rappresentate nella figura 10, sono: 

La zona fusa (ZF): è la zona che durante il processo di saldatura è stata portata a fusione.



La zona termicamente alterata (ZTA) o zona di transizione: è la parte del metallo base che non è stata portata a fusione, ma le cui propietà meccaniche o microstrutturale sono state alterate per effetto della temperatura raggiunta durante la saldatura, o che comunque è stata sede di fenomeni metallurgici particolari allo stato solido provocati dal processo di saldatura.

Figura 10.- Rappresentazione delle zone in una saldatura. Si se osserva un cordone di saldatura mentre questo si sta formando si può vedere un bagno di fusione in movimento, cioè una piccola pozza di metallo fuso che si sposta con una velocità costante, mantenendo quasi inalterata la propia forma. Questa forma è allungata ed all’incirca ellittica.

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Figura 11.- Schema della distribuzione di temperatura in un cordone di saldatura. Nella figura 11 si può vedere la distribuzione di temperatura in un cordone di saldatura. La temperatura del bagno di fusione è massima in 0 e minima lungo il contorno ABCE, queste contorno rappresenta un luogo a temperatura costante, pari alla temperatura del liquidus del sistema, cioè la temperatura a partire della quale la lega è completamente liquida. Esternamente a queste contorno la temperatura è tale da aversi solo parziale fusione, è cioè ad una temperatura tra il liquidus e il solidus. In ultimo, la linea tratteggiata rappresenta l’isoterma del solidus, all’esterno di questa si trova la zona termicamente alterata. Se la velocità con la quale viene fatta traslare la sorgente termica supera un valore critico, il bagno di fusione passa da una forma ellittica ad una forma a goccia allungata. Questo si ripercuote sul tipo di accrescimento dei grani cristallini durante la solidificazione. Quando la forma è ellittica la crescita dei grani è sempre perpendicolare all’interfaccia solido/liquido, la struttura ha un comportamento più omogeneo e c’è una minore concentrazione delle segregazioni al centro. Invece quando la forma è a goccia allungata la direzione del massimo gradiente di tempertura risulta sempre pressochè costante, quindi la crescita dei grani è perpendicolare al cordone intermedio e in questo caso c’è una forte segregazione nella zona centrale dove si incontrano i due fronti e una marcata anisotropia nel comportamento meccanico. a

b

Figure 12a e 12b.- Forme possibili della zona fusa e tipi di accrescimenti dei grani. -8-

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La crescita dei grani cristalini nel cordone di saldatura è fortemente influenziata dal flusso termico e dall’orientazione e dalle dimensioni dei grani del metallo base. Di solito, su scala microscopica i grani cristalini tendono a solidificare in modo da estendere nella zona fusa la structura del metallo base. Questo tipo di crescita è chiamato “accrescimento epitassiale”.

Figura 13.- Accrescimento epitassiale. La presenza di direzioni prefenziali di crescita secondo linee di flusso termico e secondo particolari direzione cristallografiche permette l’accrescimento dei grani che sono più favorevolemente orientati a danno dei grani vicini che siano orientati meno favorevolemente, questo accrescimento è detto “competitivo”.

Figura 14.- Accrescimento epitassiale competitivo. Se il bagno ha forma ellittica i grani si sviluppano con accrescimento epitassiale attraverso il bordo della linea di fusione in direzione perpendicolare all’interfaccia solido-liquido. Poi a mano a mano che la solidificazione procede la direzione di crescita dei grani si curva per seguire l’andamento del massimo gradiente di temperatura, che rimane perpendicolare alla superficie di separazione solido-liquido (vedere fig. 12a). Invece se il bagno ha forma di goccia allungata a mano a mano che la solidificazione procede la direzione del gradente massimo di temperatura si mantiene -9-

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quasi costante. Dal punto di vista micrografico il cordone sarà costituito da grani allungati che partono perpendicolarmente dal bordo, sono leggeramente inclinati in avanti nella direzione di saldatura e si incontrano lungo il suo asse (vedere fig. 12b). La rapida velocità di raffreddamento determina una importante conseguenza nella solidificazione per l’impossibilità di seguire esattamente il diagrama di stato. Questo

fenomeno

è

chiamato

“sottoraffreddamento

costituzionale”

o

“sottoraffredamento di composizione”. Si possono così avere diverse situazioni descritte nelle figure 15. La struttura cellulare si forma quando l’estensione dalla zona di sovra raffreddamento è molto inferiore al diametro del grano, tale struttura è costituita da elementi paralleli a pareti lisce con sezione esagonale. Se l’estensione del sottoraffredamento è maggiore si ha il passaggio dalle celle alle dendri, queste si formano quando alcune celle crescono più rapidamente sopravanzando le altre fino a che la crescita non accade più in una direzione, ma si ha un accrescimento ramificato lungo altre direzioni di accrescimento preferenziale. Infine se l’estensione del sottoraffredamento costituzionale è grande, molto più grande del diametro del grano, si ha la solidificazione con formazione di dendriti colonnari, cioè, il grano solidifica con una crescita ramificata a partire da un asse centrale unico. Nella seguente figura è possibile vedere il tipo di accrescimento dei grani cristallini in funzione del gradiente di temperatura imposto al liquido.

Figura 15.- Tipo di accrescimento dei grani cristallini in funzione del gradiente di temperatura imposto al liquido. - 10 -

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Figure 15a, 15b, 15c e 15d.- Forme di accrescimenti dei grani: 15a – accrescimento planare, 15b – accrescimento cellulare, 15c – accrescimento dendritico cellulare e 15d – accrescimento dendritico colonnare.

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Difetti nella saldatura Normalmente per difetti di saldatura si intendono le imperfezioni fisiche, che fanno precipitare i valori di resistenza e tenacità del giunto saldato in quanto trattasi di inneschi di rottura nonché intensificatori di sforzi che nel più o meno lungo periodo causano la frattura della saldatura. Ci sono molti tipi di difetti come si possono osservare nella figura siguente e dalle quale se vedono alcuni essempi in foto. Ma poi ci concentreremo su due tipi di difetti principalmente: le cricche a caldo, che si verificano nella zona fusa, e le cricche a freddo, che lo fano nella zona termicamente alterata. Cricche a caldo

Scoria

Sottotaglio

Porosità

Lacrime calde

Cricca dell punta

Lacrime lamellari

Underbead cricche Mancanza di fusione

Cricca nella radice Micro-fessure

Figura 16.- Difetti nella saldatura. Si definisce come mancanza di penetrazione il riempimento incompleto della parte inferiore del metallo base con il metallo d'apporto.

Figura 17.- Difetto di mancanza di penetrazione. - 12 -

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Gli incollaggi si presentano quando si forma una strato di ossido tra la zona fusa e il lembo da saldare. Questo strato determina una riduzione della resistenza meccanica del giunto.

Figura 18.- Difetto d’incollatura. Le inclusioni allungate di scoria si trovano usualmente lungo la zona di fusione mentre le inclusioni isolate di scoria hanno forma irregolare e si possono trovare in qualsiasi posizione nella saldataura. Un giunto con inclusioni di scoria non è omogeneo, pertanto presenta una resistenza minore da quella teorizzata dal progettista, inoltre le inclusioni di aspetto sottile e allungato rappresentano, specialmente in presenza di sollecitazioni oscillatorie, un formidabile invito alla rottura.

Figura 19.- Difetto d’inclusioni di scoria. - 13 -

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Le inclusioni gassose sono vuoti, di diversa forma e dimensione, che si vengano a formare nella zona fusa.

Figura 20.- Difetti di porosità,tarli e microcavità. I difetti tipici della zona fusa sono le cricche a caldo, formati in una fase di solidificazione. Per effetto delle forti tensioni provocate dal retiro di solidificazione e dalla contrazione termica, alcuni “ponti” che siano ormai solidi, possono rompersi (nonostante la plasticità del metallo ad alta temperatura) se si ha ancora presenza di liquido a temperatura relativamente bassa. Questo avviene per essempio quando c’è una alta concentrazione di impurezze come zolfo e fosforo perchè si concentrano al bordo delle dendriti, rimanendo lì veli di metallo liquido a temperatura più bassa. Oppure quando il contenuto di carbono è alto perchè provoca una diminuzione di duttilità ad alta temperatura, cioè una riduzione della possibilità di assecondare il ritiro mediante deformazione plastica dei ponti formatisi tra le dendriti. Per questi motivi è molto importante una opportuna scelta del metallo base oltre agli elettrodi, i fili, i flussi e i rivestimenti che vano scelti in funzione della loro azione desolforante. Bisogna inoltre evitare apporti termici specifici elevati sia per non creare una diluzione alta, sia per evitare la formazione di dendriti grossolane. Infine, se possibile, devono essere evitati vincoli troppo rigidi alla saldatura. Le cricche a caldo hanno origine e si sviluppano nel cordone, con morfologie diverse; è così possibile avere: cricche longitudinali alla radice della saldatura, cricche longitudinali lungo l’asse sul diritto della saldatura, cricche interdendritiche, cricche marginali, cricche trasversali e cricche di cratere.

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Figura 21.- Cricca a caldo. I problemi legati alla zona termicamente alterata sono le cricche a freddo. Si generano prevalentemente nella zona termicamente alterata a causa della concomitanza di tre fattori: presenza di idrogeno (derivato dall'umidità dei lembi o del materiale d'apporto), presenza nella matrice del materiale di zone di tempra (dovute ad un raffreddamento del giunto troppo veloce), presenza di tensioni residue (fenomeno in saldatura comunque inevitabile). Per evitare cricche a freddo bisogna prima di tutto evitare fenomeni di tempra in ZTA (impiego di acciai con tenore di carbono basso, cicli termici poco severi, preriscaldati) ed evitare la cessione di idrogeno al materiale saldato (impiego di elettrodi basici). In casi particolari è addirittura possibile usare elettrodi in acciaio inossidabile austenitico, così la zona fusa rimane austenítica drante il raffreddamento, ed è impossibile la diffusione di idrogeno verso la ZTA. Il parametro usato per valutare la saldabilità degli acciai e ricavare indicazione sulla necessità o meno di effettuare preriscaldi e postriscaldi è CE, carbonio equivalente.

Così non sarà necessario nessun preriscaldo per CE minore di 0,40%; sarà necessario un preriscaldo per CE compreso tra 0,40% e 0,60%; e se CE è maggiore di 0,60% dovremmo fare un preriscaldo e un postriscaldo.

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Tale formula si mostra particolarmente adatta per acciai che abbiano un tenore di carbonio maggiore di 0,16%; per acciai con più basso tenore di carbonio può essere utilmente usata questa altra formula:

Tuttavia, le indicazione ricavabili de tale formule sono estremamente sommarie e, in definitiva, insufficienti. Diversi contributi sono disponibili in letteratura, nella ricerca di informazioni più soddisfaccenti. Così da esempio, con la rappresentazione di Müller è possibile determinare per via grafica la curva di raffredamento nell’intervallo di temperatura compreso tra 900 e 400 ºC, poi, riportandolo nel diagramma CCT dell’acciaio sottoposto a saldatura è possibile ricavare indicazioni sulla struttura e sulla durezza della ZTA.

Figura 22.- Cricca a freddo.

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Bibliografia Il materiale usato per fare questo progetto è stato ottenuto delle siguenti fonti: 

Libri o J. F. Lancaster – Metallurgy of Welding – Allen & Unwin – Quarta edizione – 1987

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Note o Note della professoressa Silvia Barella. Politecnico di Milano. o Note del professore Marco Boniardi. Politecnico di Milano.

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Siti web o it.wikipedia.org o www.monografias.com o www.ing.unitn.it o www.telwin.it o www.airliquide.it o www.larapedia.com

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