Cap 6 - Difetti di saldatura PDF

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5. DIFETTI DI SALDATURA 5.1 GENERALITÀ Come già esposto, per saldatura si intende il processo mediante il quale si effettua l’unione di due elementi, generalmente metallici, sotto l’azione del calore, con o senza apporto di materiale, in modo che si realizzi, nei tratti di collegamento, la continuità fisica tra gli elementi stessi. Differentemente da quelle realizzate con altri tipi di giunzione (bullonatura, chiodatura etc...), le costruzioni saldate sono quindi monolitiche e senza soluzione di continuità. Nel caso in cui tale continuità non risulti perfetta, ci si trova di fronte ad un difetto di saldatura. In seguito saranno presi in considerazione solo quei difetti che si verificano nel corso dell’esecuzione della saldatura, o immediatamente dopo la sua realizzazione. Infatti in corrispondenza di un giunto saldato è possibile riscontrare delle discontinuità anche dopo un certo periodo d’esercizio ed è spesso difficile stabilire se esse si sono prodotte nel corso della saldatura o successivamente per altri motivi (cricche da fatica, corrosione, alterazioni strutturali dovute ad errati trattamenti termici o a condizioni termiche d'impiego troppo severe per i materiali utilizzati). In generale è possibile classificare i difetti di saldatura in due classi principali, indipendentemente dal fatto che si siano generati durante la saldatura o successivamente: ▪

disomogeneità metallurgiche, (chimiche o strutturali) posizionate tra la zona fusa e/o la zona termicamente alterata ed il materiale base, sono nocive alle caratteristiche meccaniche e ad altre caratteristiche del giunto (alcuni esempi sono le strutture di tempra o l’ingrossamento del grano nella saldatura degli acciai al carbonio, la precipitazione di fase sigma o di carburi di cromo nella saldatura degli acciai inox austenitici al nichel-cromo) e possono essere evidenziate con prove meccaniche, di resistenza alla corrosione, esami macro e micrografici.

▪

discontinuità metalliche, sono nocive soprattutto per le caratteristiche meccaniche del giunto (ad esempio cricche, incollature etc.) e sono normalmente individuate con i controlli non distruttivi.

E' importante sottolineare che le disomogeneità metallurgiche possono essere evidenziate con prove meccaniche di resistenza alla corrosione, esami macro e micrografici. Le discontinuità metalliche invece sono normalmente individuate con i controlli non distruttivi, e sono quelle che verranno descritte nel seguito. Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Corso di “Tecnica della Saldatura e delle Giunzioni” – prof. Luigi Nele Capitolo 5 – Difetti di Saldatura

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I difetti di saldatura del tipo discontinuità metalliche si possono originare per molteplici cause, alcune connesse ad errori di progetto o d’esecuzione della saldatura stessa, altre, invece, connesse allo specifico procedimento adottato e delle quali l'esperienza e l'abilità operativa può solo limitarne gli effetti. I vari tipi di difetti possono essere suddivisi nel modo seguente: ▪

difetti connessi a fattori metallurgici

▪

difetti connessi ad inadeguato collegamento

▪

difetti connessi ad inclusioni esogene

▪

difetti connessi a fattori dimensionali.

5.2 DIFETTI DOVUTI A FATTORI METALLURGICI 5.2.1 CRICCHE Si può definire cricca una discontinuità originatasi per strappo in un materiale metallico originariamente continuo. E' un difetto che viene denominato bidimensionale poiché si presenta lungo e profondo, con andamento frastagliato, ma con lembi molto ravvicinati. Le cricche con dimensioni molto ridotte (inferiori ad 1 mm) vengono impropriamente definite microcricche. Le cricche sono il difetto più grave e temibile di un giunto saldato: sono sempre inaccettabili, anche se di piccole dimensioni, in quanto rappresentano, per la loro forma allungata, una rottura in atto che può ingrandirsi con il tempo e portare alla distruzione l'intera struttura, a seguito delle condizioni d’esercizio (sollecitazioni a fatica, impieghi a bassa temperatura etc.) e delle caratteristiche meccaniche iniziali del giunto. La loro individuazione con controllo radiografico o ultrasonoro, come si verifica per tutti i difetti bidimensionali, può risultare difficoltosa se non viene effettuata con la giusta angolazione. 5.2.2 CRICCHE IN ZONA FUSA In dipendenza del loro orientamento rispetto al cordone di saldatura, le cricche si possono classificare in trasversali, longitudinali, al vertice e di cratere. Secondo la loro origine si distinguono in: Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Corso di “Tecnica della Saldatura e delle Giunzioni” – prof. Luigi Nele Capitolo 5 – Difetti di Saldatura

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▪

cricche a caldo

▪

cricche a freddo o da idrogeno.

5.2.3 CRICCHE IN ZONA TERMICAMENTE ALTERATA Sono cricche che si trovano nella zona termicamente alterata di una saldatura oppure vicinissimo ad essa (strappi lamellari). Generalmente presentano uno sviluppo longitudinale al cordone, anche se a volte possono avere direzione trasversale. Possono essere interne (cricche sotto cordone) o affioranti a lato del cordone. A seconda della loro origine si possono dividere in: ▪

cricche a caldo

▪

cricche a freddo

▪

strappi lamellari.

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FIG. 5.1

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Fig. 5.1 Cricca nel metallo di base prodottasi a seguito della liberazione di sollecitazioni originate durante il raffreddamento dopo saldatura. Il difetto è causato: ▪ dalla presenza di eccessive tensioni interne ▪

da idrogeno nel materiale di apporto

▪

da eccessiva durezza nella zona termicamente alterata.

Si presenta come una spaccatura del materiale, generalmente rettilinea con leggera frastagliatura. 5.2.4 CRICCHE A CALDO Le cricche a caldo sono così chiamate perché si manifestano nel corso della solidificazione del giunto a temperature superiori a 900°C. Le principali cause che determinano la formazione di tale difetto sono: ▪

alto tenore di carbonio nel materiale base

▪

elevato tenore d’impurezze (zolfo e fosforo) nel materiale base

▪

ritiri di saldatura

Durante le prime fasi di raffreddamento del bagno di saldatura, a causa della presenza di segregazioni, si ha la migrazione delle impurezze in esso contenute al contorno dei grani, dove formano dei veli liquidi a basso punto di fusione che solidificano a temperature, dell'ordine dei 900°C. Tuttavia già a temperature prossime ai 1400°C la lega ferro-carbonio risulta solida, per cui i suddetti veli liquidi sono interrotti da alcuni “ponticelli solidi” che forniscono una certa continuità al cordone. Contemporaneamente alla formazione dei “ponticelli” cominciano a manifestarsi nella parte solidificata i ritiri che, nel caso essa risulti poco duttile, possono provocare la rottura dei ponticelli solidi e quindi il formarsi di cricche. Se la parte solida risulta invece sufficientemente plastica (ciò avviene per bassi tenori di carbonio) i ponticelli si allungano senza rompersi evitando l'insorgere di cricche a caldo. È chiaro che al diminuire della percentuale d’impurezze presenti nel bagno, si riduce la superficie occupata dai “veli liquidi” e aumenta la sezione dei “ponticelli solidi” che possono così resistere più facilmente, senza rompersi, alle sollecitazioni dovute ai ritiri. Un altro accorgimento per ridurre il pericolo di cricche a caldo consiste nell'eseguire le saldature, se possibile, a “ritiro libero”. Carbonio ed impurezze presenti nel bagno di saldatura provengono anche dal materiale base (da questo punto di vista i materiali d'apporto vengono scelti con molta cura), ed è quindi molto importante scegliere procedimenti e parametri di saldatura che producano bassi valori del rapporto di diluizione ed Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Corso di “Tecnica della Saldatura e delle Giunzioni” – prof. Luigi Nele Capitolo 5 – Difetti di Saldatura

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utilizzare materiali d'apporto in grado di depurare il “bagno” (per esempio elettrodi basici, flussi agglomerati, fili animati etc.). Le cricche a caldo sono un difetto tipico della zona fusa e possono manifestarsi nella saldatura di quasi tutti i materiali metallici ferrosi e non ferrosi, con qualche variante per quanto riguarda le cause che le provocano. Fig. 5.2 a)

Fig. 5.2 Cricca a caldo nel cordone di ripresa al vertice nella saldatura ad arco sommerso di un acciaio Fe 42; a ) macrografia ; b ) e c) micrografia con due diversi ingrandimenti dell’estremità della cricca (50x e 400x). b) c) E’ abbastanza raro che si formino cricche a caldo nella zona termicamente alterata; ciò avviene solo nella saldatura di alcuni materiali come i fusi ad alta percentuale di carbonio,

di

certi

acciai

inossidabili

stabilizzati (per esempio l'A.I.S.I. 321 o il 347), e di alcuni acciai bonificati come 1' U.S.S. H Y-80. Le cricche a caldo che si formano in zona fusa possono avere orientazioni e forme diverse. Nella figura 5.3 sono rappresentate le loro posizioni tipiche e la relativa nomenclatura. Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Corso di “Tecnica della Saldatura e delle Giunzioni” – prof. Luigi Nele Capitolo 5 – Difetti di Saldatura

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FIG. 5.3 Cricche a caldo in zona fusa: a ) al vertice b ) trasversali c) longitudinali

Le cricche al vertice sono spesso accompagnate da locali mancanze di penetrazione o da inclusioni di scoria; sono abbastanza difficili da rilevare. Le cricche trasversali hanno andamento normale al cordone di saldatura e possono propagarsi dalla zona fusa fino ad interessare il metallo base. Le cricche longitudinali sono le più vistose e possono raggiungere lunghezze di alcuni centimetri; si riscontrano generalmente al centro del cordone e possono essere fortemente influenzate dalle modalità di solidificazione del bagno di saldatura.

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Cricca longitudinale su saldatura

Cricca longitudinale su saldatura

(radiografia positiva )

( sezione )

Cricca nell’interno del cordone di saldatura parallela od ortogonale all'asse del cordone di saldatura. Il difetto é collegato ad incompatibilità di composizione chimica dell'elettrodo e dell'acciaio, ovvero è dovuto a cordone eccessivamente profondo rispetto alla larghezza. Si presenta come una spaccatura rettilinea o con leggere frastagliature parallele od ortogonali all'asse del cordone. Il difetto è visibile ai raggi X. La forma del “cratere” di saldatura gioca un ruolo importantissimo per quanto riguarda la distribuzione delle segregazioni in zona fusa. Tale situazione è chiaramente rappresentata nella figura 5.4 nella quale la forma del “ cratere “ è tale da produrre una solidificazione dei cristalli con direzione di crescita pressoché perpendicolare all’asse del cordone.

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FIG. 5.4

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Si verrà ad avere, in questo modo, una forte concentrazione di elementi basso fondenti al centro della saldatura, che nel corso della solidificazione provocheranno delle cricche a caldo. Per evitare tali tipi di cricche è necessario controllare l’alimentazione dell’arco e scegliere il diametro di elettrodo più adatto al giunto da eseguire. Le cricche di cratere si verificano ogni qualvolta si interrompe il processo di saldatura; nel cratere d'arresto si formano delle piccole cricche dovute alla concentrazione progressiva delle impurezze nella parte che solidifica per ultima, ed alle condizioni di vincolo molto severe. È importante eliminarle con un colpo di mola prima di riprendere a saldare. Tali cricche possono avere direzione longitudinale, trasversale, a stella, figura 5.5.

FIG. 5.5 Le cricche interdendritiche sono quelle di dimensioni più ridotte e si sviluppano tra i grani della zona fusa (dendriti). Sono molto frequenti ed estremamente pericolose in quanto possono dar luogo in esercizio a vistose rotture. A causa delle loro dimensioni si presenta particolarmente difficile la loro rivelazione (a volte impossibile con il controllo radiografico). 5.2.6 – CRICCHE A FREDDO (O DA IDROGENO) Università degli Studi di Napoli “FEDERICO II” Corso di “Tecnica della Saldatura e delle Giunzioni” – prof. Luigi Nele Capitolo 5 – Difetti di Saldatura

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Devono il loro nome al fatto che si formano quando la temperatura si avvicina a quella ambiente (esistono anche cricche dette ritardate che si manifestano a raffreddamento avvenuto). Le principali cause responsabili della loro formazione sono: 

assorbimento di idrogeno da parte del “bagno”;



strutture di tempra in zona fusa e/o nella zona termicamente alterata;



tensioni di ritiro.

Tali cricche possono verificarsi sia nella zona fusa che nella zona termicamente alterata. In pratica se il raffreddamento della zona fusa avviene così velocemente da dar luogo a strutture di tempra, e contemporaneamente risulta presente in condizioni di sovrasaturazione dell'idrogeno, si produrrà un infragilimento della zona fusa che, sottoposta alle tensioni di ritiro, tenderà a “criccarsi”. In zona fusa tali cricche sono prevalentemente trasversali, più raramente longitudinali. Nella saldatura di acciai dolci (C...