9. Saldatura degli acciai.
La saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nel fornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/o pressione) e successiva solidificazione.
Considerando il caso più comune di saldature ottenute per fusione , il giunto necessita di un bagno di fusione
costituito dal metallo base fuso e da un eventuale metallo di apporto, di composizione prossima a quella del
metallo base. Il giunto verrà eseguito con una o più passate (cordoni), ottenute con moto relativo fra sorgente e lembi.
La figura 16 mostra la regione vicina alla linea di fusione.
Figura 16
Si possono identificare cinque zone differenti la cui costituzione e la cui microstruttura dipendono dalla posizione delle linee isoterme durante la fase di riscaldamento e dalla velocità di raffreddamento, in funzione della posizione rispetto al cordone di saldatura.
· Zona 1: La temperatura non supera i 600°C circa, e non si ha alcuna modifica evidente del metallo di base.
· Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac
1. Si possono rilevare delle modifiche a seconda dello stato iniziale del metallo di base: precipitazioni, rinvenimento, globulizzazione.· Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3.. Le modifiche sono importanti.
L’austenitizzazione parziale può comportare ad un affinamento della struttura durante il raffreddamento. La zona rappresenta l’inizio della ZTA (Zona Termicamente Alterata).
· Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa. Dopo il raffreddamento si ottengono delle strutture normalizzate e delle strutture grossolane, a seconda della temperatura raggiunta.
· Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione). L’ingrossamento del grano austenitico è tale da far sì che la temprabilità aumenti considerevolmente e che le strutture ottenute in questa zona dopo il raffreddamento varino da strutture ferritoperlitiche aciculari molto grossolane a delle strutture bainitiche oppure martensitiche, nel caso di velocità di raffreddamento più elevate. Si possono inoltre avere diversi problemi durante la stessa fase di solidificazione, fra cui la formazione di strutture dendritiche, la formazione di cavità di ritiro e l’inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie).
Zona sotto cordone (zona 5).
La maggior parte dei problemi metallurgici di saldatura sono relativi alla costituzione di zone sotto cordone e nelle quali ha luogo un trattamento termico in condizioni di austenitizzazione particolari, ad una temperatura superiore a 1200°C per un tempo molto breve. Le diverse microstrutture possono essere ottenute sovrapponendo le curve di raffreddamento al diagramma CCT dell’acciaio base. Tali diagrammi però sono di difficile impiego. Comunque, nei vari punti del cordone, pervelocità di raffreddamento decrescenti, si ottengono strutture martensitiche, bainitiche e ferriito-perlitiche.
Fenomeno della fessurazione a freddo.
I costituenti che si formano nella zona sotto cordone ed la loro microstruttura giocano un ruolo essenziale in un fenomeno particolarmente importante: la fessurazione a freddo. Tale fenomeno si manifesta attraverso la formazione di fessure nella ZTA. L’analisi sperimentale ha permesso di attribuire la fessurazione a freddo a tre cause principali:· La presenza nella ZTA di idrogeno introdotto per diffusione a partire dal metallo di apporto.
· L’esistenza di sollecitazioni interne o di origine esterna nel giunto saldato.
· La presenza nella zona sotto il cordone di microstrutture molto sensibili alla fessurazione sotto l’influenza
congiunta dei due fattori precedenti.
La suscettibilità alla fessurazione a freddo è molto elevata per le strutture martensitiche e diminuisce nel
caso delle strutture bainitiche.
Nomogramma Parametro di raffreddamento-Condizioni di saldatura
.La conoscenza del valore di
, e la conoscenza delle
curve 
permette di ottenere la durezza sotto il cordone, ed, in certa misura, la
corrispondente microstruttura.
Il
nomogramma in figura 17 permette di ottenere tale parametro di raffreddamento
in
funzione della
geometria del giunto saldato, dello spessore del pezzo saldato, dell’energia di saldatura, della temperatura di
preriscaldamento, del processo di saldatura.
Figura 17
Si considerino i due casi principali: senza preriscaldamento (curva tratteggiata) e con preriscaldamento (curva continua).
Senza preriscaldamento: dalla conoscenza della quantità di energia specifica immessa nel sistema (E) espressa in kJ/cm, si determina il primo punto sull’asse delle ascisse orientato verso sinistra. Tracciando la verticale a partire da tale punto, nota la geometria del giunto e , quindi, il valore di “j” (saldature ad X) oppure di “a”
(saldature a T), si ottiene la energia corretta secondo la geometria del giunto, grazie ad un fascio di rette parallele parametrizzate secondo il valore di “j”oppure di “a”. Tale valore corretto viene letto sull’asse delle ordinate orientato verso il basso (E
corr). Un secondo fascio di rette posto nel secondo quadrante permette la correzione per il rendimento del processo di saldatura scelto. Ogni retta corrisponde ad un differente processo. In tal modo si ottiene il valore di Eequiv (da leggere sull’asse delle ascisse orientato verso destra). Noto lo spessore della piastra da saldare “s” (asse delle ordinate, orientato verso l’alto), si può determinare un punto nel primo quadrante. In questo settore sono presenti una serie di curve, ognuna legata ad un differente valore del tempo necessario a passare da 700 a 300°C, espresso in secondi.Con preriscaldamento: nota la temperatura di preriscaldamento Tp, la procedura per determinare l’energia equivalente Eequiv è la stessa del caso precedente (linea tratteggiata). Il preriscaldamento comporta uno spostamento dell’asse delle ascisse e delle ordinate secondo le rette oblique indicate, fino alla coppia di assi corrispondenti alla Tp utilizzata.
La scelta del metallo di apporto dipende dal tipo di saldatura (numero di passate, trattamenti pre e post saldatura, ....). Normalmente si sceglie una composizione prossima a quella del metallo base, con un tenore di C inferiore (ad esempio 0.1 contro 0.2%), una aggiunta di Mo (0.15-0.75%) che aumenta la resistenza del giunto senza diminuire la tenacità, una presenza di Ni superiore a quella del metallo base (per le stesse ragioni del
Mo), un tenore di Mn più elevato (sia per l’indurimento della matrice che per l’effetto desolforante in fase liquida), un tenore di Si, S, P e V ridotti al minimo.
Per valutare la saldabilità di un acciaio sono disponibili alcune formule che considerano il Carbonio Equivalente Ceq :
Ceq = C + (Mn/6) + (Cr +Mo +V)/5 + (Cu + Ni)/15
oppure
Ceq = (C) + (Mn/6) + (Ni/20) + (Cr/10) + (Cu/40) - (V/10)
Se Ceq < 0.4 la saldatura non pone particolari problemi metallurgici, mentre per valori
compresi fra 0.4 e 0.6 è necessario un preriscaldo, e, al di sopra dello 0.6 è necessario
anche un post-riscaldo.
