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Cenni sulla Saldabilità dei Materiali Metallici

Cenni sulla Saldabilità dei Materiali Metallici. Per una più completa ed approfondita trattazione sulla saldabilità si rimanda al Capitolo 7°- SALDATURA E SALDABILITÀ del Volume Primo: Metallurgia di Base de I CRITERI DI SCELTA E DI TRATTAMENTO DEGLI ACCIAI DA COSTRUZIONE E DA UTENSILI  – Edizioni AQM.

La saldabilità è l’attitudine che possiede un materiale a realizzare giunzioni (unioni) mediante una tecnica di saldatura che mira ad ottenere una zona di collegamento, detta giunto saldato, tra elementi dello stesso materiale (saldatura autogena) o tra materiali dissimili (saldatura eterogena). Lo scopo della saldatura è ottenere un collegamento permanente e duraturo nel tempo, che possieda determinate caratteristiche fisico-chimiche, capaci di permetterne l’impiego in modo sicuro ed affidabile o per un tempo predefinito e calcolabile.

La saldabilità nei metalli non è una grandezza fisica misurabile ma è un’attitudine o proprietà correlata in modo importante alle modalità scelte per realizzare la giunzione stessa (condizioni di saldatura). La saldatura tra metalli potrà essere, infatti, realizzata sia mediante fusione localizzata, ovvero passando per l’ottenimento di una zona liquefatta di una porzione degli elementi da giuntare, sia mediante deformazione plastica a caldo, ovvero ad alta temperatura ma senza fusione dei lembi e con l’ausilio di una forza esterna che comprima o compenetri i due materiali fra loro.

Le proprietà finali che permettono di classificare il grado di saldabilità di un materiale metallico, come detto, sono fondamentalmente legate alle caratteristiche finali attese. Per certe applicazioni è fondamentale prediligere la massimizzazione della resistenza meccanica abbinata ad una adeguata tenacità, per altre, invece, può essere più determinante non più la resistenza meccanica quanto, per esempio, un determinata permeabilità magnetica della zona di giunzione. In alcuni casi molto particolari, possono essere addirittura progettate giunzioni che debbano rompersi in specifiche condizioni di carico applicato, controvertendo il comune pensiero che porta a ritenere che una saldatura debba essere resistente, ovvero progettata per non rompersi.

In linea generale un materiale ritenuto ben saldabile dovrebbe dare origine a:

  • unioni con resistenza meccanica almeno uguale o migliore rispetto a quella del o dei metalli base dei lembi;
  • unioni non fragili, anzi tenaci;
  • unione prive di difetti superficiali o difetti interni critici (ossidi, porosità, incollature, ecc.);

Vi sono poi ulteriori proprietà ricercate o desiderabili come, per esempio: resistenza a corrosione, permeabilità magnetica ecc. ma in questa sede ci focalizzeremo su alcuni aspetti fondamenti e ci occuperemo meglio della saldabilità degli acciai.

Per realizzare un giunto saldato tra due acciai simili, o diversi, dev’essere considerato un gran numero di fattori, quali:

  • le condizioni e la procedura con le quali s’intende effettuare il giunto (saldabilità operativa);
  • le trasformazioni chimico fisiche e microstrutturali degli acciai, che avvengono durante la saldatura (saldabilità metallurgica);
  • le proprietà d’insieme della struttura saldata, per quanto concerne le probabili distorsioni o fratture, dovute alle tensioni, generate dai vincoli alle dilatazioni e contrazioni (saldabilità costruttiva).

Soffermiamoci sulla saldabilità metallurgica che condiziona pesantemente anche gli altri due fattori; ai fini della saldabilità metallurgica si distinguono tre zone critiche nel giunto (figura 1):

  • ZTA – zona termicamente alterata, che subisce riscaldamento a temperature prossime o superiori ad AC1, dove aumenta la densità delle dislocazioni e vanno in soluzione gli elementi interstiziali, con possibile infragilimento dell’acciaio per invecchiamento;
  • ZSC – zona sotto cordone, facente sempre parte della zona termicamente alterata, che subisce riscaldamento a temperature superiori ad AC3, fino alla temperatura del solidus del metallo base, dove il grano austenitico può ingrossare fortemente;
  • ZF o Zona Fusa, nella quale avviene il mescolamento del metallo d’apporto (MA) con il metallo base (MB), con possibili e talvolta rilevanti variazioni di composizione chimica ed importanti modifiche microstrutturali.

Figura 1. Macrografia della sezione trasversale di un giunto saldato di testa con indicate le zone caratteristiche della saldatura: Zona Fusa (ZF), zona termicamente alterata (ZTA) e metallo base (MB).

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Figura 2. Rappresentazione schematica delle tre zone critiche della saldatura ai fini della saldabilità metallurgica: ZTA, ZSC e ZF.

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La capacità d’un acciaio di contenere entro certi limiti i valori di durezza nella ZTA, quando soggetta a cicli termici come quelli d’un procedimento di saldatura, è normalmente considerata un indice di saldabilità metallurgica. I valori di durezza delle microstrutture nella ZTA sono strettamente dipendenti dalla composizione chimica dell’acciaio, dalla temprabilità e dalla velocità del raffreddamento del giunto, subito dopo la saldatura. L’esperienza suggerisce che per evitare le cricche sotto cordone bisogna che la durezza della microstruttura non superi indicativamente i 350 HV.

La composizione chimica dell’acciaio è fondamentale, perché determina le trasformazioni microstrutturali che avvengono nella ZTA. Esiste quindi una correlazione tra la durezza della ZTA, il rischio di rotture e la composizione chimica dell’acciaio. Quest’ultima viene espressa con un indice definito carbonio equivalente (CE) tramite una formula matematica che varia a seconda del tipo di acciaio in questione. In questi termini la saldabilità “S” può essere espressa da una relazione del tipo:

S = f (CE)

in cui:

Il problema consiste nel determinare i coefficienti a, b e c, per calcolare la saldabilità quanto più correttamente possibile. Diversi autori hanno elaborato varie formule del carbonio equivalente, sostanzialmente diverse per i differenti acciai e talvolta anche per acciai simili.

Per gli acciai al solo carbonio è comunemente accettata la seguente formula:

Per gli acciai al carbonio debolmente legati l’Istituto Internazionale della Saldatura (IIW) propone la seguente formula:

Per gli acciai al carbonio ad alta resistenza meccanica gli autori Ito e Bessyo suggeriscono un’altra formula:

Ed infine per gli acciai basso legati l’American Welding Society (AWS) propone la formula:

Gli elementi molibdeno e vanadio, nonostante contrastino la saldabilità perché spostano a destra le curve TTT (curve di trasformazione isoterma) incrementando la temprabilità dell’acciaio, formano carburi molto stabili anche alle alte temperature d’austenitizzazione raggiungibili nella ZTA durante la saldatura. Perciò riducono la % di carbonio che si scioglie nell’austenite e globalmente migliorano la saldabilità.

Le formule citate forniscono informazioni solamente qualitative, perché non possono prevedere la variazione di altri parametri che hanno una grande influenza sulle proprietà del giunto saldato, quali la grossezza del grano del metallo base, la procedura di fabbricazione dell’acciaio, la presenza d’idrogeno nella zona fusa, gli spessori da saldare e l’apporto termico del processo di saldatura adottato.

E’ risaputo che negli acciai la saldabilità diminuisce notevolmente all’aumentare del CE e dello spessore del tallone di saldatura, mentre cresce con l’apporto termico specifico, a parità di altre condizioni.

L’esperienza ha dimostrato che:

  • con contenuti di carbonio minori dello 0,30 % la saldabilità degli acciai è generalmente buona;
  • con contenuti di carbonio tra lo 0,30 e lo 0,50 %, gli acciai possiedono una modesta saldabilità e si comportano in modo assai variabile tanto da richiedere alcune precazioni durante il processo di saldatura.
  • con percentuali di carbonio superiori allo 0,50 % la saldabilità diminuisce ancora e diventano imperative tutte le precauzioni possibili, che talvolta possono essere insufficienti.

I vari approcci al problema della saldabilità degli acciai tendono tutti ad esprimere questa caratteristica in termini matematici. Ne deriva un grande numero di formule che intendono quantificare la saldabilità sempre più esattamente, ma non sempre in linea con i principi della standardizzazione. Purtroppo, la materia è tanto complessa che i progressi compiuti non sopperiscono all’esperienza pratica, che ancora è indispensabile e domina incontrastata.

Da questa breve introduzione si comprende ancor meglio quanto sia fondamentale approcciare la saldatura per quelle che è: un processo speciale, ovvero una lavorazione di cui a priori e senza una messa a punto preliminare suffragata da prove ed esami distruttivi e non distruttivi, non sia possibile stimarne l’adeguatezza.

Da qui decade l’indispensabile bisogno di qualificare SEMPRE la procedura di saldatura adottata e con essa qualificare il saldatore manuale o l’operatore di saldatura che la eseguirà.

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