POLITECNICO DI MILANO
Metallurgia della
saldatura Progetto del corso
Irene Menndez Valle
1/10/2014
Metallurgia della saldatura
Irene Menndez 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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Metallurgia della saldatura
Irene Menndez Valle
La saldatura e il suo sviluppo
La saldatura un procedimento che permette il collegamento permanente di parti
solide tra loro e che permette la continuit del materiale nel quale si applica. In generale
presuppone l'apporto di calore localizzato tale da permettere la fusione del materiale.
Tale materiale pu essere il materiale che compone le parti stesse che vengono unite,
ma pu 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'Et del Bronzo, ma sono stati utilizzati
principalmente per fare ornamenti. Saldatura prima si evoluto come una tecnica di
primaria importanza economica quando l'uso del ferro si 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 pi 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 qualit con una produttivit maggiore di quella che poteva essere data
dall'elettrodo rivestito, in quellepoca apparso l'arco sommerso, che permetteva una
produttivit ed una riproducibilit assolutamente maggiori.
Nel dopoguerra furono sviluppati i procedimenti MIG (Metal-arc Inert Gas) e
MAG (Metal-arc Active Gas) per avere una produttivit confrontabile con quella
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dell'arco sommerso, pur con una maggiore flessibilit 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, cio 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 perch 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 pi 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 pu essere eseguito
con o senza metallo di apporto. La saldatura TIG uno dei metodi pi diffusi,
devuto a la sua elevata qualit, ma richiede operatori altamente specializzati.
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 assicurata da un gas di
copertura, che fluisce dalla torcia sul pezzo da saldare. Il filo fatto da un
elettrodo consumabile. L'unica differenza fra le due il gas che viene usato per
la protezione.
Figura 2.- Schema della saldatura MIG/MAG.
Generatore di
corrente d'arco
Bombola del gas
di protezione Massa
Torcia
Avanzamento e
controllo del filo
Massa
Elettrodo di
tungsteno
Condotto di
gas
Bombola del gas
inerte
Sostegno delelettrodo
Gas di protezione
Macchina
di
saldatura
Condotto
elettrico Guaina
isolante
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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 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.
Figura 3.- Schema della saldatura ossiacetilenica.
Ad arco con elettrodo rivestito: metodo in cui lelettrodo del metallo dapporto,
che consumabile, 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 un filo continuo, che opera
immerso in un letto di flusso, cio 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 quantit 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 velocit.
Torcia
Tubo Miscelatore
Valvola di
ossigeno Ingresso di
ossigeno
Ingresso di
acetilene
Valvola di
acetilene
Ugello di
pressione
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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 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
dapporto. Questi procedimenti hanno un'alta densit di potenza, risultante in
piccole zone riscaldate con alta velocit di riscaldamento e di raffreddamento.
Figura 7.- Schema della saldatura laser.
Laser
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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.
Figura 8.- Schema della saldatura a resistenza elettrica.
Per attrito: procedimento in cui il cordone di saldatura formato da un utensile
cilindrico che ha un pin nella parte terminale che pu presentare una filettatura.
Il pin, ruotando genera attrito, quindi calore. Quest'ultimo rende plastico il
materiale, che, ricristallizzandosi, unisce i due pezzi.
Figura 9.- Schema della saldatura per attrito.
Forza premente
Acabado Rotacin Acercamiento Soldadura Alejamiento
Cilindro
Pin
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La saldatura per fusione comporta limpiego di una sorgente termica concentrata
di sufficiente potenza per fondere parte dei lembi e il eventuale metalle dapporto. Il
apporto termico specifico dato dalla seguente formula:
Formula 1.- Equazione per ottenere il apporto termico specifico, dato per W, dove V
la tensione, I la corrente e v la velocit 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): la zona che durante il processo di saldatura stata portata a
fusione.
La zona termicamente alterata (ZTA) o zona di transizione: la parte del metallo
base che non stata portata a fusione, ma le cui propiet meccaniche o
microstrutturale sono state alterate per effetto della temperatura raggiunta
durante la saldatura, o che comunque 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 pu
vedere un bagno di fusione in movimento, cio una piccola pozza di metallo fuso che si
sposta con una velocit costante, mantenendo quasi inalterata la propia forma. Questa
forma allungata ed allincirca ellittica.
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Figura 11.- Schema della distribuzione di temperatura in un cordone di saldatura.
Nella figura 11 si pu vedere la distribuzione di temperatura in un cordone di
saldatura. La temperatura del bagno di fusione massima in 0 e minima lungo il
contorno ABCE, queste contorno rappresenta un luogo a temperatura costante, pari alla
temperatura del liquidus del sistema, cio la temperatura a partire della quale la lega
completamente liquida. Esternamente a queste contorno la temperatura tale da aversi
solo parziale fusione, cio ad una temperatura tra il liquidus e il solidus. In ultimo, la
linea tratteggiata rappresenta lisoterma del solidus, allesterno di questa si trova la zona
termicamente alterata.
Se la velocit 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 ellittica la crescita dei grani sempre perpendicolare
allinterfaccia solido/liquido, la struttura ha un comportamento pi omogeneo e c una
minore concentrazione delle segregazioni al centro. Invece quando la forma a goccia
allungata la direzione del massimo gradiente di tempertura risulta sempre pressoch
costante, quindi la crescita dei grani perpendicolare al cordone intermedio e in questo
caso c una forte segregazione nella zona centrale dove si incontrano i due fronti e una
marcata anisotropia nel comportamento meccanico.
Figure 12a e 12b.- Forme possibili della zona fusa e tipi di accrescimenti dei grani.
a b
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La crescita dei grani cristalini nel cordone di saldatura fortemente influenziata
dal flusso termico e dallorientazione 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
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 laccrescimento dei grani che
sono pi favorevolemente orientati a danno dei grani vicini che siano orientati meno
favorevolemente, questo accrescimento 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 allinterfaccia
solido-liquido. Poi a mano a mano che la solidificazione procede la direzione di crescita
dei grani si curva per seguire landamento 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
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quasi costante. Dal punto di vista micrografico il cordone sar 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 velocit di raffreddamento determina una importante conseguenza
nella solidificazione per limpossibilit di seguire esattamente il diagrama di stato.
Questo fenomeno chiamato sottoraffreddamento costituzionale o
sottoraffredamento di composizione. Si possono cos avere diverse situazioni descritte
nelle figure 15.
La struttura cellulare si forma quando lestensione dalla zona di sovra
raffreddamento molto inferiore al diametro del grano, tale struttura costituita da
elementi paralleli a pareti lisce con sezione esagonale.
Se lestensione del sottoraffredamento maggiore si ha il passaggio dalle celle
alle dendri, queste si formano quando alcune celle crescono pi rapidamente
sopravanzando le altre fino a che la crescita non accade pi in una direzione, ma si ha
un accrescimento ramificato lungo altre direzioni di accrescimento preferenziale.
Infine se lestensione del sottoraffredamento costituzionale grande, molto pi
grande del diametro del grano, si ha la solidificazione con formazione di dendriti
colonnari, cio, il grano solidifica con una crescita ramificata a partire da un asse
centrale unico.
Nella seguente figura 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.
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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 tenacit del giunto saldato in quanto trattasi di
inneschi di rottura nonch intensificatori di sforzi che nel pi 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.
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.
Mancanza di fusione
Micro-fessure
Cricca nella radice
Underbead cricche
Lacrime calde
Sottotaglio
Cricche a caldo Scoria
Porosit
Cricca dell punta
Lacrime lamellari
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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 dincollatura.
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 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 dinclusioni di scoria.
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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 porosit,tarli e microcavit.
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 plasticit del metallo ad alta temperatura) se si ha ancora presenza di
liquido a temperatura relativamente bassa. Questo avviene per essempio quando c una
alta concentrazione di impurezze come zolfo e fosforo perch si concentrano al bordo
delle dendriti, rimanendo l veli di metallo liquido a temperatura pi bassa. Oppure
quando il contenuto di carbono alto perch provoca una diminuzione di duttilit ad
alta temperatura, cio una riduzione della possibilit di assecondare il ritiro mediante
deformazione plastica dei ponti formatisi tra le dendriti. Per questi motivi 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; cos possibile avere: cricche longitudinali alla radice della saldatura, cricche
longitudinali lungo lasse 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'umidit 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 addirittura possibile usare elettrodi in acciaio inossidabile
austenitico, cos la zona fusa rimane austentica drante il raffreddamento, ed
impossibile la diffusione di idrogeno verso la ZTA.
Il parametro usato per valutare la saldabilit degli acciai e ricavare indicazione
sulla necessit o meno di effettuare preriscaldi e postriscaldi CE, carbonio equivalente.
Cos non sar necessario nessun preriscaldo per CE minore di 0,40%; sar
necessario un preriscaldo per CE compreso tra 0,40% e 0,60%; e se CE 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 pi basso tenore di carbonio pu 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 pi soddisfaccenti. Cos da esempio, con la rappresentazione di
Mller possibile determinare per via grafica la curva di raffredamento nellintervallo
di temperatura compreso tra 900 e 400 C, poi, riportandolo nel diagramma CCT
dellacciaio sottoposto a saldatura 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 stato ottenuto delle siguenti fonti:
Libri
o J. F. Lancaster Metallurgy of Welding Allen & Unwin Quarta
edizione 1987
Note
o Note della professoressa Silvia Barella. Politecnico di Milano.
o Note del professore Marco Boniardi. Politecnico di Milano.
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