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Metallurgia della

saldatura Progetto del corso

Metallurgia della saldatura

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 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

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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