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ECM - Saldature1
Politecnico di TorinoDipartimento di Meccanica
Teresa BerrutiCristiana DelpreteMassimo Rossetto
ECM - Saldature 1
SALDATURE
Saldatura (per fusione)
Il giunto saldato: tipi di giunti
La normativa
Difetti nel cordone di saldatura
Resistenza statica secondo CNR-UNI 10011
Carichi che sollecitano il cordone
Resistenza a fatica secondo CNR-UNI 10011
[1] UNI 1307/1, Terminologia per la saldatura dei metalli - Procedimenti disaldatura, 1986
[2] UNI 1307/2, Terminologia per la saldatura dei metalli - tipi di giunti saldati,1987
[3] CNR-UNI 10011, Costruzioni di acciaio - Istruzioni per il calcolo, lesecuzione,il collaudo e la manutenzione, 1988
ECM - Saldature 2
Saldatura:
Consiste nellunire 2 o pi parti di un giunto, utilizzando calore,pressione o entrambi;
realizza la continuit dei materiali base che vengono uniti;
pu essere utilizzato un materiale dapporto con temperatura difusione prossima o inferiore a quelle dei materiali base;
deve garantire caratteristiche meccaniche del giunto almeno pari aquelle dei materiali base;
si fa riferimento a 4 categorie di saldatura che riunisconoprocedimenti affini:
- per fusione- a resistenza- per pressione- brasatura.
ECM - Saldature2
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ECM - Saldature 3
Saldatura per fusione
usata per le costruzioni di carpenteria e i recipienti in pressione(saldatura per fusione ad arco);
provoca la fusione localizzata del materiale base;
si effettua senza intervento di pressione;
si effettua con o senza laggiunta di materiale dapporto;
La UNI 1307/1 e /2 riporta le procedure di saldatura e i tipi di giunti.
materiale base materiale base
materiale dapporto
zona termicamente alterata
ECM - Saldature 4
Saldatura per fusione
Il procedimento di saldatura per fusione utilizzato per le costruzionidi carpenteria e i recipienti in pressione la saldatura ad arco;
il calore necessario alla fusione fornito da uno o pi archi elettriciche scoccano tra lelettrodo e il pezzo;
la saldatura ad arco si suddivide in:
- saldatura con elettrodi fusibili;
- saldatura manuale con elettrodi rivestiti;
- saldatura ad arco sommerso;
- saldatura MIG (gas inerte);
- saldatura MAG (gas attivo CO2 - ossidante);
- saldatura TIG (elettrodo non fusibile in tungsteno).
ECM - Saldature3
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ECM - Saldature 5
IL GIUNTO SALDATO
la zona in cui avviene il collegamento dei pezzi mediante lasaldatura;
le superfici minori che limitano i pezzi si chiamano lembi, bordi oteste;
le superfici maggiori che limitano i pezzi si chiamano facce.
facce
lembi
facce
lembi
ECM - Saldature 6
Tipi di giunti saldati (selezione)
Giunto testa a testa (1);
giunto a T a completa penetrazione (2);
giunto a T con cordone dangolo (3);
giunto a croce con cordoni dangolo (4);
giunto a sovrapposizione (5).
(1)
(2)
(3)
(5)
(4)
ECM - Saldature4
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ECM - Saldature 7
LA NORMATIVA
Procedimenti di saldatura e tipi di giunti (UNI 1307);
qualificazione della tecnologia e del procedimento (certificazione
ASME PQR/WPS);
qualificazione delloperatore (saldatura manuale) (certificazione
ASME WPQ);
qualificazione del cordone di saldatura (controlli non distruttivi: RX
e/o US);
resistenza statica e a fatica del giunto (CNR-UNI 10011).
ECM - Saldature 8
DIFETTI NEL CORDONE DI SALDATURA
Le discontinuit evidenziate mediante controlli non distruttividiventano difetti quando superano i limiti di accettazione fissatidalla normativa (UNI, ASME, IIW);
lidentificazione e leventuale accettazione dei difetti devono esseresvolte in base alla normativa;
i difetti pi diffusi sono:
- cricche trasversali e longitudinali;- pori e tarli;- inclusioni di scoria;- inclusioni di tungsteno;- mancanza di penetrazione;- mancanza di fusione.
ECM - Saldature5
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ECM - Saldature 9
Difetti nel cordone di saldatura - cricche
Le cricche a caldo (oltre i 700 C):
- sono dovute alla presenza di un bagno di saldatura arricchito diimpurezze (principalmente S e P) per luso di elettrodi non puliti;
- sono localizzate verso il centro del cordone. Le cricche a freddo (a fine raffreddamento o ritardate):
- sono dovute alla diversa solubilit di H2 nel metallo caldo efreddo (rivestimenti di elettrodi, flussi esterni o interni in arcosommerso o MIG/MAG);
- sono localizzate ai bordi del cordone o nella zona termicamentealterata del materiale base.
La presenza di cricche comporta sempre la mancata accettazione delgiunto saldato.
ECM - Saldature 10
Difetti nel cordone di saldaturapori, tarli, inclusioni, mancanza di penetrazione e fusione
I pori sono dovuti allo sviluppo di gas (vapore acqueo) allinternodel cordone (elettrodi con rivestimento basico non essiccati);
i tarli sono generati dallunione di pi pori;
le inclusioni di scoria sono dovute alla scarsa pulizia dellelettrodonella saldatura manuale;
le inclusioni di tungsteno, possibili soltanto nel caso di saldaturaTIG, sono dovute al contatto accidentale tra elettrodo e materialebase;
la mancanza di penetrazione e la mancanza di fusione sono dovute auna eccessiva velocit di passata e a un incompleto riempimento delcianfrino.
ECM - Saldature6
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ECM - Saldature 11
Norma CNR-UNI 10011
Si riferisce alle costruzioni in acciaio da carpenteria;
fa riferimento agli acciai Fe360, Fe430, Fe510 UNI 7070(attualmente S235, S275, S355 UNI-EN 10025);
definisce i procedimenti di saldatura che possono essere utilizzati;
prescrive la conformit degli elettrodi alle classi della UNI 5132;
prescrive la qualificazione del procedimento di saldatura;
definisce le seguenti classi di saldatura:
- classe I e classe II per giunti di testa o a completa penetrazione;- classe unica per giunti con cordoni dangolo.
ECM - Saldature 12
1) per spessori fino a 16 mm, per spessori da 16 a 40 mm ridurre di 10MPa, per spessori da 40 a 63 mm ridurre di 20 MPa, per spessori da63 a 100 mm ridurre di 30 MPa;
2) tensione ammissibile per il calcolo statico;
3) spessore in mm.
Rm [MPa] ReH 1) [MPa] s adm
2) [MPa]t 3) 40 t>40
Fe360 360 235 160 140Fe430 430 275 190 170Fe510 510 355 240 210
RESISTENZA STATICACaratteristiche meccaniche e tensioni ammissibili
ECM - Saldature7
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ECM - Saldature 13
Resistenza statica - giunti di testa e a completa penetrazione
s^ tensione, di trazione e/ocompressione, normale alla sezionelongitudinale del cordone;
t// tensione tangenziale nella sezionelongitudinale;
s// tensione, di trazione e/ocompressione, parallela allasse delcordone.
s^
s//
t //
s^s// t//
Nel cordone agiscono le seguentitensioni:
ECM - Saldature 14
La sezione resistente del cordone si calcola:
L: lunghezza cordone
s: minore degli spessori collegati oppurespessore dellelemento a completapenetrazione
H: larghezza totale materiale base +materiale dapporto
(2)
(1)
sHA
sLA
res
res
=
=
per tensioni derivanti da azioni di trazione normali allasse delcordone e per tensioni derivanti da azioni di taglio utilizzando laformula (1);
per tensioni derivanti da azioni di trazione parallele allasse delcordone utilizzando la formula (2).
ECM - Saldature8
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ECM - Saldature 15
La verifica statica del cordone di saldatura prevede le seguentilimitazioni:
s
st+ss-s+s ^^
adm85.0adm3 2////
2//
2
- vale la limitazione superiore se il giunto di classe I;
- vale la limitazione inferiore se il giunto di classe II.
ECM - Saldature 16
Resistenza statica - giunti con cordoni dangolo
s
s// (NON CONSIDERARE)
ts
s tensione, trazione e/ocompressione, normale allasse delcordone;
t tensione tangenziale secondolasse del cordone;
s// tensione, trazione e/ocompressione, nella sezionetrasversale del cordone: DANON CONSIDERARE.
ATTENZIONE: si distinguer tras^ , t// e t ^ appena definita la
sezione resistente.
Nel cordone agiscono le seguentitensioni:
ECM - Saldature9
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ECM - Saldature 17
La sezione resistente, sia le per tensioni derivanti da azioni di trazionenormali allasse del cordone sia per tensioni derivanti da azioni ditaglio lungo tale asse, la cosiddetta sezione di gola del cordone:
L: lunghezza del cordone
a: altezza di gola (del triangoloinscritto nella sezionetrasversale del cordone)
aLAres =
a
pL
sezionedi gola
p
p: piede del cordonese il cordone simmetrico si ha: 2pa =
ECM - Saldature 18
La sezione di gola deve essere ribaltata su uno dei lati del cordonein modo da identificare le componenti di tensione s ^, t// e t^:
s^t//
t^
t^
t//
s^
Si noti che a seconda del ribaltamento scelto, le s^ diventano t^ eviceversa; le t// restano immutate.
ECM - Saldature10
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ECM - Saldature 19
La verifica statica prevede le seguenti limitazioni:
se sono presenti s^, t// e t^:
s
st+s
s
ss+t+s ^^^^
adm85.0adme
adm70.0adm85.02
//22
se sono presenti s^ e t^:
s
sts ^^
adm70.0adm85.0e
se presente solo s^ o t// o t^:
s
stts ^^
adm70.0adm85.0,, //
- vale la limitazione superiore per Fe360;
- vale la limitazione inferiore per Fe430 o Fe510.
ECM - Saldature 20
Carichi che sollecitano il cordone
Le forze (e gli eventuali momenti) che sollecitano il cordone sideterminano equilibrando lazione dei carichi esterni;
calcolate tali forze (ed eventuali momenti) si possono determinarele corrispondenti componenti di tensione s^ t// e t^ da utilizzarenella verifica statica del giunto pi sollecitato;
ovviamente si deve scegliere un unico ribaltamento della sezione digola per lintero calcolo;
nel seguito si analizzeranno alcuni casi notevoli.
ECM - Saldature11
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ECM - Saldature 21
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 1
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
P
F
FL
2 cordoni
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
La
P
La
F
2// ==t
22 PFPF ==
La
P
La
F
2// ==t
ECM - Saldature 22
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 2
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
ha
P
ha
F
2==t^
22 PFPF ==
ha
P
ha
F
2==s^
P
FF
h
2 cordoni
ECM - Saldature12
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ECM - Saldature 23
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 3
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
Lah
Pb
La
F
La
P
La
F==t==t^
2//
1 ,2
hPbFPbhF
PFPF
====
22
11 22
Lah
Pb
La
F
La
P
La
F==t==s^
2//
1 ,2
P
F2
L
h
2 cordoni
F2
F1
F1 b
ECM - Saldature 24
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 4
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
haL
Pb
ha
F
ha
P
ha
F==t==t 2//
1// ,
2
LPbFPbLF
PFPF
====
22
11 22
haL
Pb
ha
F
ha
P
ha
F==t==t 2//
1// ,
2
P
L
h
2 cordoni
F2
F2
F1
F1
b
ECM - Saldature13
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ECM - Saldature 25
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 5
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
22//6
6,
ah
Pb
ah
M
ha
P
ha
F==t==t ^
PbM
PF
==
P
h
1 cordone
F
bM
22//6
6,
ah
Pb
ah
M
ha
P
ha
F ==s==t ^
ECM - Saldature 26
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 6
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
F
FL
2 cordoni
Meh
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
Lah
M
La
F e==t//
hMFMFh e==
Lah
M
La
F e==t//
ECM - Saldature14
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ECM - Saldature 27
Carichi che sollecitano il cordone - esempio 7
Ribaltando la sezione di gola sulsupporto:
Ribaltando la sezione di gola sullapiattabanda:
haL
M
ha
F e==t//
LMFMFL ee ==
haL
M
ha
F e==t//
h
2 cordoni
Me
L
F
F
ECM - Saldature 28
RESISTENZA A FATICA
necessario conoscere la storia di carico in termini di tensione, ciolandamento nel tempo della tensione tra valori di tensione massimae minima;
anzich alla quota alterna di tensione, nel caso dei giunto saldati sifa riferimento al D di tensione (Ds o Dt);
nel caso di oscillazioni di ampiezza variabile, i cicli e i D ditensione si ricavano con il metodo stair case (versione bath-tub =serbatoio nella CNR-UNI 10011) per ottenere lo spettro dei D ditensione
le curve SN in un diagramma log-log sono formati da una spezzatacon tratti di equazione Dsm N = costante in cui lesponente massume valori diversi a seconda del tipo di sollecitazione e delnumero di cicli.
ECM - Saldature15
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ECM - Saldature 29
Resistenza a fatica - curve SN per particolari sollecitati con Ds
Ogni tipo di giunto caratterizzato da DsA, corrispondente allasollecitazione ammissibile di ampiezza costante per N= 2106 cicli.
Ai particolari saldati e sollecitati con Ds, corrisponde un fascio di curveSN con tratti di equazione Dsm N = costante e in particolare:- un fascio di rette parallele con esponente m = 3 nel campo
104 N ND cicli; ND = 5106 cicli per particolari con DsA > 56 MPa; ND = 10
7 cicli per particolari con DsA 56 MPa;- un fascio di rette parallele con esponente m = 5 nel campo ND N
108 cicli;- una fascio di rette orizzontali a partire da NF = 108 cicli.
ECM - Saldature 30
Ds
(MP
a)
F
DA
N10410
102m=3
m=5
2106 5106
103
105 106 107 108
160
125
100
80
63
5040
564636
140
112
90
71
Categoria di giunto
DsA
58
5
36
3
10
102
DDF
DAD
N
N
sD=sD
sD=sD
ECM - Saldature16
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ECM - Saldature 31
DsA DsD DsF160 118 65 71 52 29140 103 57 63 46 25125 92 51 56 33 21112 83 45 50 29 18100 74 40 46 27 1790 66 36 40 23 1580 59 32 36 21 13
DsA DsD DsF
Resistenza a fatica - curva SN per particolari sollecitati con Dt Ai particolari saldati e sollecitati con Dt, corrisponde ununica curva
SN (unica categoria 80 di giunto) di equazione
DtmN = costante e in particolare:- una retta con esponente m = 5 nel campo 104 N 108 cicli;- una retta orizzontale a partire da NF = 108 cicli;
ECM - Saldature 32
Dt
(MP
a)
N10410
102
m=5
2106
103
105 106 107 108
F36.6 MPa
A80 MPa
231
ECM - Saldature17
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ECM - Saldature 33
Resistenza a fatica - influenza dello spessore sul D ammissibile
La resistenza a fatica (DsA) indicata dalla categoria del giunto siriferisce a spessori t 25 mm;
nel caso di spessori t > 25 mm essa deve essere corretta (ridotta)come:
4AA25
t,t sD=sD
DsA: D di tensione ammissibile (categoria del giunto)t: spessore in millimetri della parte pi sollecitata del particolare
DsA,t: D di tensione ammissibile corretto
ECM - Saldature 34
Resistenza a fatica - dettagli
Per sollecitazioni a D costante il limite di fatica DsD ( DtD). Per sollecitazioni di ampiezza variabile si usa la regola di Miner;
ogni D al di sotto di DsF (o DtF) pu essere trascurato; si pu utilizzare il metodo del D equivalente: per calcolare la Dseq si
assume m=3 in tutto il campo (m=5 per Dteq)
Nessuna verifica a fatica richiesta se:
- tutti i Ds sono minori di 26 MPa o comunque di DsD;- tutti i Dt sono minori di 35 MPa;- il numero totale di cicli minore di N = 104 cicli.
ECM - Saldature18
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ECM - Saldature 35
Regola di Miner: richiami a
==**i
toti
i
i
N
N
N
ND
DCS
1= (in termini di durata)
5
65* 102A
iiN
tD
tD=nel caso di Dt:
3
63* 102A
iiN
sD
sD=se Dsi DsD
5
65* 105D
iiN
sD
sD=se Dsi < DsD e DsA > 56 MPa
5
75* 10D
iiN
sD
sD=se Dsi < DsD e DsA 56 MPa
ECM - Saldature 36
Metodo del D equivalente Serve per calcolare il Dseq (o Dteq) equivalente allo spettro dei D di
tensione applicato;
il Dseq (o Dteq) il D di tensione di ampiezza costante che,applicato per un numero di cicli N pari al numero totale di ciclidello spettro, origina il medesimo danneggiamento a fatica:
55
33
, tD
=tDsD
=sDN
N
N
N iieq
iieq
La verifica a fatica si effettua confrontando il Dseq (o Dteq) con il Dresistente Dsres (o Dtres) , ricavato dalla linea SN in esame incorrispondenza del numero totale di cicli N dello spettro:
reseqreseq tDtDsDsD ,