Fondamenti della tecnica di saldatura
La saldatura è l’unione di metalli della stessa composizione o di composizione simile sotto l’azione del calore, con o senza aggiunta di metallo uguale o simile. Mediante la saldatura i pezzi vengono uniti in modo inseparabile tra loro, così da formare un insieme unico. Una buona saldatura presuppone un’unione intima, che si ottiene solo quando nel punto di saldatura si fonde anche il materiale base (zona di fusione).
Saldatura ad arco elettrico
Per le strutture in acciaio si prende innanzitutto in considerazione la saldatura ad arco, nella quale il calore necessario si ottiene mediante arco elettrico. L’arco si crea tra il pezzo base e la cosiddetta elettrodo, che in tale processo si fonde e fornisce materiale d’apporto. La corretta scelta del materiale d’apporto (elettrodo) ha la massima influenza sulle caratteristiche del giunto saldato. Gli elettrodi si scelgono in base alle resistenze caratteristiche del materiale base da saldare. La scelta degli elettrodi e la determinazione delle condizioni di saldatura richiedono competenza professionale, motivo per cui è stata istituita la figura di “ingegneri specialisti in tecnica della saldatura” appositamente formati, il cui compito è, tra l’altro, sorvegliare i lavori di saldatura e ripetere regolarmente le certificazioni dei saldatori.
Saldatura e taglio ossiacetilenico
Nella saldatura a gas il calore necessario si produce mediante la combustione del gas, così che il materiale base e quello d’apporto arrivano alla fusione. Più importante è il taglio. Il bruciatore da taglio, oltre al tubo di calore, che funziona come durante la saldatura, ha anche un altro tubo di taglio per l’ossigeno. L’acciaio riscaldato dalla fiamma calda viene perforato e soffiato via dal flusso di ossigeno. Il taglio produce superfici lisce e precise, sufficienti per molti impieghi delle strutture in acciaio senza ulteriori lavorazioni.
Saldabilità
Per la valutazione dei giunti saldati occorre tenere presente che durante il processo di saldatura può cambiare notevolmente la composizione del materiale d’apporto, così come del materiale base. Grande importanza ha anche il cambiamento della struttura – tra il cordone fuso e il materiale base invariato si ha, a seconda del grado di azione termica, una zona di struttura diversa e quindi di proprietà diverse. Accanto al cordone si trova la zona in cui il materiale base è fuso (zona di penetrazione) e in cui si realizza il collegamento tra la zona di saldatura e il materiale base. Anche la zona circostante del materiale viene fortemente riscaldata, sebbene qui non venga più raggiunto il punto di fusione. In questa zona di surriscaldamento si manifestano grandi cambiamenti strutturali, per cui essa è spesso निर्णante per le proprietà dell’intero giunto saldato.
La fessurazione del giunto indica la comparsa di cricche nel giunto, che si formano subito dopo la saldatura ancora a temperatura elevata oppure forse soltanto durante il raffreddamento nella zona del rosso bluastro (circa 300oC). La fessurazione è in larga misura una proprietà degli elettrodi; si manifesta quasi solo con gli elettrodi rivestiti, che sono proprio importanti per le strutture in acciaio. Per la comparsa delle cricche è necessario che si realizzino due condizioni, vale a dire elevate tensioni dovute al processo di saldatura o ad altri agenti esterni, nonché un aumento della rigidità del materiale.
Oltre alle trasformazioni metallurgiche nella composizione e nella struttura del materiale, sono importanti anche i processi fisici, che sono legati alle grandi quantità di calore che, durante la saldatura, vengono trasmesse al materiale e alle alte temperature così raggiunte. Il riscaldamento non avviene in modo uniforme, ma solo in aree strettamente limitate. La dilatazione termica legata al riscaldamento è impedita dalla sollecitazione interna della zona riscaldata da parte del materiale non riscaldato. A ciò si aggiunge anche una sollecitazione esterna, poiché i pezzi durante la saldatura devono essere serrati saldamente; perciò, durante il riscaldamento si verificano compressioni plastiche. Durante il raffreddamento il cordone e la sua zona circostante si contraggono maggiormente (ritiro). In fase di raffreddamento, a causa dell’allungamento impedito, devono insorgere tensioni forzate (tensioni da ritiro). Con il preriscaldamento dei pezzi da saldare a 200 oC fino a 300 oC, il raffreddamento può essere notevolmente rallentato. Grazie alla riduzione dell’effetto di tempra si ottiene una migliore formazione della struttura, la durezza rimane inferiore.
Prove dei materiali e dei lavori di saldatura
Generale: Poiché la qualità dei lavori di saldatura dipende da una serie di circostanze e, non da ultimo, dall’abilità e dall’affidabilità dell’operatore specializzato, è necessario un controllo e una prova accurati di tutti i lavori di saldatura. Tra le prove si citano quelle per accertare la saldabilità dei materiali e degli elettrodi, il confronto delle condizioni di saldatura e dei procedimenti di saldatura per un caso dato, le prove di campioni, ecc.
Fig. 1 - Prova di piegatura del cordone di saldatura
Prova di piegamento della saldatura: si tratta di una prova di piegamento di una semplice trave a sezione rettangolare (fig. 1), sulla quale un solco longitudinale lavorato a semicircolo nella fibra tesa viene risaldato con un unico strato, a temperatura ambiente. La saldatura provoca una forte riduzione della deformabilità, così che le prove spesso si rompono in modo del tutto fragile e improvviso. L’angolo di piegamento nelle lamiere sottili è maggiore e diminuisce con l’aumentare dello spessore della lamiera.
Resilienza all’intaglio: nella prova di piegamento del giunto si manifestano per lo più cricche dapprima nel giunto, cosicché si verifica una rottura fragile. Il materiale base deve essere in grado di assorbire il carico che compare improvvisamente alla frattura fragile del giunto. Occorre richiedere che la cricca nella zona di saldatura non si propaghi rapidamente anche nel materiale base, ma che possa avanzare solo lentamente. Il materiale base deve essere sufficientemente tenace da assorbire questo carico improvviso e tale capacità deve conservarsi in misura sufficiente anche a basse temperature. La resilienza all’intaglio, così come le altre proprietà meccaniche, dipende in larga misura dalla temperatura alla quale si esegue la prova. A basse temperature, ad esempio sotto 0 oC, essa può scendere a una frazione del valore a 20 oC. La posizione di questo brusco calo è importante per la valutazione di un materiale. Per le strutture in acciaio saldate oggi si richiede un materiale con buona stabilità all’invecchiamento, cioè elevata resistenza all’intaglio all’urto nelle prove di trazione a freddo.
Fig. 2 - Deformazione nei casi di stato tensionale da intaglio
Durezza: Grande importanza hanno i fenomeni di durezza nella zona di saldatura. È importante conoscere l’aumento della durezza, poiché la dilatazione alla rottura diminuisce rapidamente con l’aumento della durezza (fig. 3), mentre la resistenza a trazione σB cresce quasi proporzionalmente alla durezza Brinell HB. Per gli acciai da costruzione vale approssimativamente σB = 0,36*HB. Un esempio di durezza del cordone d’angolo principale di una trave a I è mostrato nella fig. 4. Nella zona di transizione esistono, a distanze molto piccole, grandi differenze di durezza. L’andamento della durezza dipende dalla struttura formata. La linea σ-ε-l varia con la durezza in modo simile a quanto accade con lo stato tensionale dell’intaglio (fig. 2).
Fig. 3 - Durezza Brinell e allungamento
Fig. 4 - Durezze nella zona della saldatura nel collo di una trave a I saldata
Prova non distruttiva dei giunti saldati finiti
Radiografia – Nella radiografia di piccoli spessori, l’immagine radiografica può essere resa visibile su uno schermo. Al posto dei raggi X possono essere utilizzati i raggi gamma di materiali radioattivi. L’immagine radiografica consente di dedurre la qualità della saldatura. Inclusioni di scoria o pori, così come difetti di giunzione e cricche, possono essere così individuati ed eventualmente eliminati.
Flusso magnetico – Si genera un campo magnetico nella parte dell’acciaio sottoposta a prova e, in tal modo, i trucioli applicati si dispongono secondo il campo. Eventuali irregolarità nel campo magnetico permettono di individuare cricche. Il procedimento è efficace soprattutto per rilevare cricche superficiali, ma relativamente insensibile alle inclusioni di scoria e ai pori, così come alle cricche situate all’interno di piastre più spesse.
Prova a ultrasuoni – Le onde sonore ultracorte si riflettono non solo sulle superfici di confine, ma anche sulle superfici di discontinuità all’interno, come ad esempio su fessure o inclusioni.