Sollecitazioni residue in saldatura

Le sollecitazioni residue in saldatura sono il campo di sollecitazioni che resta in un

materiale dopo che sono state effettuate operazioni di saldatura e sono stati rimossi tutti

i carichi esterni. In realtà queste sollecitazioni esistono anche dopo l'esecuzione di

una brasatura, ma, data la loro entità notevolmente minore di quella correlata alle saldature,

generalmente non vengono considerate.

Nel corso dell'operazione di saldatura il materiale viene sottoposto ad un ciclo

termico estremamente severo, che lo porta dalla temperatura iniziale fino alla temperatura

di fusione e lo riporta alla temperatura ambiente in un tempo relativamente breve. Nel corso

del riscaldamento il materiale aumenta di volume e cambia di forma a causa del diverso

riscaldamento delle varie parti, invece, quando la temperatura diminuisce, il materiale non è

più libero di assumere il volume iniziale, in quanto adesso è vincolato all'altra parte su cui è

stata effettuata la saldatura e dagli altri vincoli esterni imposti alla struttura da saldare. Le

sollecitazioni residue sono provocate anche dalla presenza di vincoli sulle parti da saldare,

vincoli che devono essere inseriti per evitare che la struttura sia eccessivamente deformata

nel corso delle operazioni di saldatura (vedi foto). Questo fatto può comportare problemi, in

quanto vincoli molto iperstatici tendono a ridurre le deformazioni della struttura dopo

saldatura, ma aumentano le sollecitazioni residue, quindi il progettista della saldatura

spesso deve arrivare a un compromesso fra le due diverse necessità. La parte elastica delle

deformazioni scompare con il ritorno della struttura alla temperatura ambiente, invece la

parte plastica, non potendo annullarsi, genera uno stato di sollecitazioni, quindi

sollecitazioni residue, entro la struttura. Il campo delle sollecitazioni residue si estende per

tutta la lunghezza del giunto, e per una larghezza dipendente dalla geometria del giunto e

dal procedimento di saldatura.

I principali parametri che interessano le sollecitazioni residue sono:

Geometria del giunto (a T, a L o piano)

Spessore delle due parti da saldare

Apporto termico specifico  del procedimento

Numero di passate

Geometria del cianfrino

Natura dell'eventuale materiale d'apporto

Le sollecitazioni residue non sono provocate da carichi (forze o momenti) esterni, quindi

devono essere globalmente equilibrate, ovvero:

dove σ è la sollecitazione in un punto, dA una qualsiasi area infinitesimale nel pezzo

saldato e z la distanza da un qualsiasi punto di riferimento.

Deformazione di una lamiera dopo saldatura, nel corso della saldatura i bordi della lamiera

non erano vincolati

Sollecitazioni termiche nel corso di una saldatura fra due lamiere piane in acciaio di uguale

spessore

Nella figura a fianco sono riportati gli andamenti delle sollecitazioni longitudinali σx (dove x

è l'asse della saldatura ed y l'asse perpendicolare a esso) in funzione della distanza dalla

saldatura stessa, naturalmente si suppone che le sollecitazioni siano simmetriche rispetto

all'asse x. Nel corso della saldatura di due lamiere la situazione di sollecitazione termica

varia, inizialmente (punto D) la lamiera è non sollecitata, quando il bagno di saldatura

raggiunge il punto interessato (C) non si hanno sollecitazioni nel metallo liquido, mentre le

parti adiacenti al bagno sono soggette a sollecitazioni di compressione, che, allontanandosi

dalla linea di saldatura, diminuiscono fino a invertire i segno (trazione). Man mano che il

materiale raffredda e solidifica (B) le sollecitazioni nel cordone di saldatura aumentano ed

assumono valori positivi (trazione), tuttavia sono limitate, finché la temperatura resta

relativamente elevata, dalla sollecitazione di snervamento del materiale alla temperatura

corrente. Quando il processo di raffreddamento è finito (A) la sollecitazione residua ha un

valore sensibilmente elevato ed è di trazione sul cordone di saldatura (zona fusa) e di

compressione a partire da una certa distanza (valutabile in base ai parametri di saldatura ed

allo spessore della lamiera), per poi decrescere in valore assoluto asintoticamente.

Le sollecitazioni residue in direzione trasversale alla saldatura (σy) sono generalmente

minori delle sollecitazioni in direzione longitudinale (σy), ed hanno un andamento

generalmente simmetrico rispetto al punto medio della saldatura, con compressione alle

estremità e trazione al centro. Queste sollecitazioni sono legate a condizioni di vincolo

trasversale molto severe. In genere non è possibile trovare distribuzioni caratteristiche

come quelle presentate sopra per le sollecitazioni longitudinali in acciai.

In pochi casi sono di interesse tecnico le sollecitazioni in direzione dello spessore della

saldatura (σz), in genere rivestono interesse solo nel caso di forti spessori e di materiali

soggetti a rottura fragile.

Misura delle sollecitazioni residue

Le sollecitazioni residue vengono misurate con diversi metodi, che, generalmente,

distruggono il provino su cui sono effettuate le misurazioni stesse (prove distruttive), i

metodi di controllo non distruttivi per le sollecitazioni residue non sono ancora

sufficientemente sviluppati per coprire tutte le esigenze. I valori di gradiente di

sollecitazione in prossimità della saldatura possono arrivare a 140 GPa/m, quindi queste

misure richiedono una forte risoluzione spaziale e precisione di posizionamento. La AWS

(American Welding Society) classifica le tecniche di misura in tre campi:

Rilassamento delle sollecitazioni (stress relaxation), cioè misurare la deformazione

della struttura con estensimetri elettrici o meccanici una volta che in una certo

volume le sollecitazioni sono state riportate a zero.

Diffrazione, possono essere usati tanto raggi X quanto neutroni, ciò che è rilevante è

che la lunghezza d'onda dell'agente rivelatore sia prossima alla distanza

reticolare del materiale.

Misura con metodi acustici o magnetici

Generazione di cricche sia con l'immissione del campione saldato in atmosfera

di idrogeno sia con effetti di corrosione sotto sollecitazione.

Rilassamento delle sollecitazioni [modifica]

Quando si scarica un corpo, anche se ha subito nella fase di carico sollecitazioni tali da

portarlo in campo plastico, le deformazioni durante lo scarico sono elastiche, quindi è

possibile misurare lo stato di sollecitazione iniziale misurando la deformazione (elastica)

che si ottiene dopo lo scarico senza dover prima valutare la storia di carico del corpo. Con

questi metodi di misura (distruttivi) il corpo viene tagliato in pezzi o vengono rimosse parti

sollecitate del corpo stesso, la deformazione viene misurata con estensimetri o con sistemi

di reticoli o con vernici fragili. Queste metodologie si basano su diversi modi di

asportazione di volume dal corpo sollecitato.

Il metodo più semplice, supponendo che lo stato di sollecitazione sia biassiale, è applicare

3 estensimetri (generalmente a 60° o a 45° fra loro) su una superficie piana abbastanza

ristretta perché, una volta asportata dalla parte saldata, si possa ritenere che lo stato di

sollecitazione sia nullo. Quando si taglia la superficie dalla struttura, gli estensimetri

mostreranno due deformazioni di spostamento (εx e εy) ed una deformazione di distorsione

(γxy). Da queste deformazioni, conoscendo le caratteristiche elastiche del materiale,

supposto isotropo e omogeneo (E e ν), è possibile ottenere lo stato di sollecitazione (σx,

σy e τxy). Effettuando misure su entrambe le facce di una lamiera è possibile risalire allo

stato di flessione della lamiera stessa.

Altri metodi prevedono il posizionamento di estensimetri sulla superficie saldata e

l'effettuazione di fori (metodo Mathar-Soete) o solcature (metodo Gunnert) in prossimità

degli estensimetri, misurando quindi il rilassamento dello stato di sollecitazione.

Diffrazione [modifica]

La diffrazione misura direttamente lo stato di deformazione locale del reticolo cristallino del

materiale saldato, in quanto permette di confrontare le distanze reticolari degli atomi in un

campione totalmente privo di sollecitazioni con quelle del campione saldato. Dallo stato di

deformazione locale e dalle caratteristiche meccaniche ed elastiche del materiale base è

possibile risalire allo stato di sollecitazione presente nel materiale. Questa metodologia ha

il vantaggio rispetto a quella di rilassamento delle sollecitazioni di essere non distruttiva,

tuttavia non è generalmente applicabile a strutture di grosse dimensioni, in particolare la

diffrazione neutronica (che fornisce i risultati più affidabili), richiedendo una sorgente

neutronica ad alta intensità (quindi un reattore nucleare) non può essere applicata

estesamente.

I raggi X o i neutroni inizialmente vengono fatti diffrangere da un campione privo di

sollecitazioni interne (in genere questi campioni si ottengono o da polvere del materiale

base o da cubetti di piccole dimensioni trattati termicamente), successivamente vengono

fatti diffrangere dal campione in cui si vogliono misurare le sollecitazioni residue,

ottenendo in entrambi i casi misure delle distanze atomiche entro il reticolo, dalla differenza

fra questi valori si può risalire allo stato di sollecitazione nel provino, conoscendo i valori

del tensore di elasticità del materiale. Se lo stato di sollecitazione è biassiale sono

necessarie almeno tre misure con diversi angoli di incidenza. In questa tecnica riveste una

particolare importanza la misurazione delle temperature a cui vengono effettuate le due

prove, dato che una variazione di temperatura modifica i parametri reticolari dei materiali.

La diffrattometria a raggi X (lunghezza d'onda 0,05-0,23 nm) permette di misurare le

sollecitazioni sulla superficie del manufatto saldato (profondità dell'ordine di 10 μM) e può

essere usata anche sul campo, per avere la possibilità di misurare le sollecitazioni nel

corpo del manufatto è necessario sezionarlo (quindi diventa un tecnica distruttiva).

Invece la diffrattometria neutronica permette la misurazione delle sollecitazioni nel corpo

del manufatto (profondità massima da 20 mm per le leghe di W a 300 mm per le leghe di Al),

ma, per i motivi già indicati, non può essere usata sul campo. Un vantaggio delle

misurazioni per diffre<zione neutronica è la possibilità di misurare anche stati di tensione

triassiali, ruotando opportunamente il rivelatore rispetto al punto in cui vien effettuata la

misura.

Metodi acustici e magnetici 

I metodi acustici si basano sulla differenza di velocità delle onde acustiche nei materiali a

seconda dei parametri reticolari, in genere vengono usate onde ultrasonore (2-

10 MHz)superficiali. Il fatto che la misura debba necessaria mente essere fatta su un volume

piuttosto elevato implica che il risultato non può essere puntuale, ma fornisce la media

delle sollecitazioni (o deformazioni) sul volume esaminato. Inoltre questo metodo richiede

una taratura molto precisa con blocchi campione che siano quanto più simili possibile al

materiale da esaminare anche a livello microstrutturale.

I metodi magnetici sono applicabili solo ai materiali ferrosi o alle leghe di nickel, cioè ai

materiali che presentano variazioni della permeabilità magnetica in funzione dello stato di

sollecitazione. Analogamente alle misure con onde acustiche queste misurazioni sono

fortemente influenzate dalla microstruttura del materiale e permettono un'analisi dello stato

di sollecitazione solo sulla superficie della struttura.

Generazione di cricche 

Queste tecniche permettono solo valutazioni qualitative (non quantitative) dello stato di

deformazione del manufatto. In genere le cricche vengono generate per immissione del

materiale in atmosfera di idrogeno (in questo caso deve trattarsi di acciaio ferritico) o per la

generazione di cricche per corrosione sotto sollecitazione (stress corrosion), metodo usato

generalmente per acciai austenitci e leghe di nickel. Il vantaggio di questo metodo risiede

nel fatto che è possibile effettuare le cvalutazioni anche su geometrie di saldatura molto

complesse.

Effetti delle sollecitazioni residue 

Le sollecitazioni residue non hanno effetto sulla rottura per carichi imposti, purché il

materiale sia sufficientemente duttile, dato che, un aumento locale della sollecitazione oltre

il limite di snervamento provoca una deformazione locale che ridistribuisce il carico stesso.

Invece in altre situazioni le sollecitazioni residue, sommandosi alle sollecitazioni provocate

dai carichi sulla struttura, possono aumentare il rischio di un collasso della struttura stessa

Tipicamente le sollecitazioni residue hanno effetti negativi sui seguenti fenomeni:

Materiali in condizioni di poter subire rotture per frattura fragile

Strutture soggette ad instabilità euleriana

Strutture soggette a carichi affaticanti

Materiali soggette a cricche sotto sollecitazione

Frattura fragile [modifica]

Si intende per frattura fragile (o frattura instabile) la frattura dovuta alla propagazione

di cricche in particolari condizioni di geometria (presenza di intagli) e con carichi localizzati

che portano il (KI) ad un valore superiore a quello critico del materiale. Uno dei primi punti

che fu evidente quando iniziò lo studio dei fenomeni di frattura (1921 [1] ) fu che, in presenza

di saldature, le sollecitazioni provocate dai carichi esterni che portavano al collasso della

struttura potevano essere sensibilmente inferiori a quelle ricavate sperimentalmente con

provini intagliati.

Se l'estremità della cricca si trova in una regione in cui sono presenti sollecitazioni residue

di trazione, le sollecitazioni residue si sommano alle sollecitazioni di trazione provocate dai

carichi esterni ed alle sollecitazioni di picco provocate dall'apice della cricca e,quando la

temperatura è inferiore alla temperatura di transizione duttile-fragile, portando ad una

propagazione instabile della cricca per carichi inferiori a quelli che si avrebbero in un

provino non saldato.

Carichi affaticanti 

L'effetto sui carichi affaticanti è tale che il numero di cicli che porta al collasso in un

provino saldato tende ad aumentare nelle zone in cui le sollecitazioni residue sono di

compressione, mentre tende a diminuire nelle zone in cui sono presenti sollecitazioni

residue di trazione. Spesso è opportuno asportare il sovrametallo per ridurre le

sollecitazioni sulla superficie, zona da cui generalmente si originano le cricche che,

aumentando di dimensioni, portano alla frattura per fatica.

Instabilità elastica 

La presenza di sollecitazioni residue di compressione può portare ad una riduzione dei

carichi che portano a collasso per instabilità euleriana, particolarmente su strutture sottili

(colonne di piccolo diametro o lamiere sottili). Data la natura delle sollecitazioni residue in

saldatura, che sono in parte di compressione ed in parte di trazione non è possibile dare

una regola generale per tenere conto dei loro effetti su questo fenomeno.

Cricche sotto sollecitazione [modifica]

In alcuni materiali e particolarmente nelle leghe di nickel è possibile che sostanze

specificatamente aggerssive (per esempio gli ioni Cl- per gli acciai inossidabili austenitici)

attacchino il materiale fra i grani metallici (corrosione intergranulare), soprattutto in

presenza di uno stato di sollecitazione. Da questi attacchi lungo il bordo dei grani si

formano cricche particolarmente insidiose, in quanto estremamente sottili (cricche da

corrosione sotto sollecitazioni - SCC - stress corrosion cracks). In presenza di sollecitazioni

residue, la possibilità di attacchi simili è notevolmente esaltata, tanto che possono avvenire

anche senza la presenza di una causa esterna di sollecitazioni.

Considerando l'andamento delle sollecitazioni residue, le cricche provocate da questo

campo di sollecitazione sono longitudinali nella zona termicamente alterata (ZTA), mentre le

cricche trasversali generalmente sono originate nel metallo base, sebbene possano

estendersi anche nella ZTA.

Riduzione delle sollecitazioni residue 

Considerando che spesso le sollecitazioni residue possono essere dannose per la stabilità

della struttura, nel corso della progettazione di una struttura saldata è necessario studiare

le metodologie per ridurle sia in corso di saldatura sia successivamente all'effettuazione

della saldatura stessa.

Indipendentemente da tutte le altre precauzioni, la prima cosa da considerare, nella fase

stessa della progettazione della saldatura, è di fare in modo di vincolare le parti da saldare

in modo tale da alimentare il ritiro, cioè in modo che sia il ritiro stesso, che avviene quando

il materiale solidifica, a portare la struttura alla geometria voluta. Questo naturalmente non

sempre è possibile, anche in considerazioni delle tolleranze richieste dal manufatto una

volta completato.

Studio della sequenza di saldatura 

Generalmente uno studio accurato delle sequenze di saldatura può permettere di ridurre

(mai di eliminare totalmente) le sollecitazioni residue. Per esempio, se si deve effettuare una

saldatura su tutta la circonferenza di un tubo di grande diametro, indicati con i numeri da 1

a 4 (in sequenza) i quadranti della circonferenza, è opportuno saldare con la sequenza:

1,3,2,4, in modo da evitare di saldare due quadranti di seguito(quindi vincolando 180° di

circonferenza).

Passate multiple 

Effettuare un certo numero di passate a basso apporto termico (quindi con minore volume

di deposizione) invece di una singola passata ad alto apporto termico riduce le

sollecitazioni residue. Tuttavia, nel caso di passate multiple, è necessario prendere

opportune precauzioni nel corso della prima passata, dato che nel corso del

raffreddamento, la prima passata ha la sezione minima in tutta la saldatura, quindi in essa

c'è la massima concentrazione di linee di sollecitazione.

Trattamenti dopo saldatura [modifica]

Il trattamenti termici dopo saldatura (PWHT), portando il materiale a temperature elevate,

riducono le sollecitazioni residue al valore della sollecitazione di snervamento del materiale

alla temperatura massima del trattamento. Infatti le sollecitazioni residue, essendo

sollecitazioni dovute ad una deformazione impedita, sono limitate dalla sollecitazione di

snervamento, che, ridistribuendo il flusso del materiale, impedisce un ulteriore incremento

dello stato di sollecitazione.

Se non è possibile (per esempio per le dimensioni del manufatto) effettuare un PWHT totale,

possono essere utili riscaldamenti localizzati (calde di ritiro) sulla superficie più allungata, che,

portandola da alta temperatura (600-800 °C per l'acciaio ferritico) permette un ricalcamento di

questa superficie, dovuto agli effetti elastici della superficie opposta.