Metallurgia della saldatura
M t ll i
Metallurgia
Metallurgia della saldatura
Prof. Francesco Iacoviello
Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25
Orario
i di ricevimento:
i i
Mercoledì
l d 14.00-16.00
Tel.-fax 07762993681
E mail: [email protected]
E-mail:
iacoviello@unicas it
Sito didattico: http://webuser.unicas.it/iacoviello
Francesco Iacoviello
Università di Cassino
Metallurgia della saldatura
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.
solidificazione
Sorgenti di energia impiegate in saldatura,
da sole o in coppia:
• Elettriche
Arco
• Laser
• Meccaniche
• Chimiche
Francesco Iacoviello
Plasma
Scintillio
Effetto Joule
Fascio elettronico
Urto
Pressione
Esplosione
Attrito
Ultrasuoni
Fiamma
Fi
Reazioni esotermiche
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Metallurgia della saldatura
Tecniche di saldatura
{
• Saldatura per fusione
Ad arco
Chi i
Chimica
Fisica
{
Ad elettrodi rivestiti
Ad arco sommerso
In atmosfera gassosa
Elettrogas
Plasma
Gas
Alluminotermica
{
Fascio elettronico
L
Laser
Elettroscoria
{
• Saldatura per pressione
Elettrica
Resistenza
R
it
Scintillio
Induzione
Esplosione
Attrito
Ultrasuoni
{
Meccanica
Fuoco
Francesco Iacoviello
{
Bollitura
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Metallurgia della saldatura
Rappresentazione
pp
tridimensionale di un cordone di
saldatura formato da una sorgente termica in movimento
v = velocità movimento sorgente (m/s)
W = potenza erogata (kJ/s)
Quantità di energia disponibile per unità di lunghezza
H = W/v
(kJ/m)
Rapporto di diluizione
Rd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa
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Metallurgia della saldatura
1
1538
1394
Liqu.
2
δ
4 3 2
1
T [°C]
γ
912
727
0.02
Francesco Iacoviello
HV
3
α
4
0.2
%C
0.77
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1394
T [°C]
δ
2
Microstruttura alla massima temperatura
912
727
0.02
Liqu.
q
1
1538
3
α
γ
4
0.2
%C
0.77
Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio a bassa temprabilità)
Microstruttura dopo raffreddamento (acciaio ad elevata temprabilità)
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Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della
di
distanza
dal
d l cordone
d
di saldatura
ld
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• Zona 1: La temperatura non supera i 600
600°C
C circa
• Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac1
• Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3
• Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa
• Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione).
• Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamento
d
decrescenti,
i sii ottengono strutture martensitiche,
i i h bainitiche
b i i i h e ferriito-perlitiche.
f ii
li i h
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Metallurgia della saldatura
Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di
legame sulla struttura di solidificazione
Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA
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Metallurgia della saldatura
I principali problemi metallurgici della ZF sono:
• Protezione
P t i
d ll’ bi t del
dall’ambiente
d l bagno
b
metallico
t lli
• Condizioni di raffreddamento
I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre:
• Formazione di strutture dendritiche
• Formazione di cavità di ritiro
• Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie,…)
La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quella
del metallo base, con le seguenti modifiche:
• %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%)
• Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenza
del giunto senza intaccare la tenacità (0.15-0.75%)
• Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni del
Mo
• Si, S, P e V ridotti al minimo
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Metallurgia della saldatura
Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopo
una parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni a
seconda dell
dell’apporto
apporto termico e della velocità di raffreddamento
Per la saldabilità di un acciaio si ppuò utilizzare come pparametro il
Carbonio equivalente CE:
Ceqq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 +
(%Cu+%Ni)/15
• Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici
• 0.4< Ceq < 0.60 : si pprescrive il ppreriscaldo dei lembi
• Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo
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Metallurgia della saldatura
Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata
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Metallurgia della saldatura
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Metallurgia della saldatura
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Cenni di corrosione
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Cenni di corrosione
Prof. Francesco Iacoviello
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i di ricevimento:
i i
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Cenni di corrosione
Corrosione
E’ il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto il
metallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quella
originaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazione
negativa di energia libera (ΔG<0), quindi avviene spontaneamente.
Gli ambienti più comuni per i fenomeni di corrosione sono rappresentati da
soluzioni
so
u o acquose co
contenenti
e e eelettroliti,
e o , da ac
acide
de ((H2SO4, HCl…)
C …) a bas
basiche
c e
(NaOH, acqua di mare…), dall’atmosfera (per formazione di condensa), dal
terreno, da gas ad alta temperatura (corrosione a secco).
Corrosione atmosferica di un acciaio basso-legato in prossimità del mare
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Cenni di corrosione
Morfologie di corrosione
Francesco Iacoviello
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Cenni di corrosione
Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello di
d metalli
due
lli diversi
di
i a contatto fra
f loro
l
e con una soluzione
l i
acquosa
Na+
Ferro
Cl-
Na+
Cl-
Rame
Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazione
anodica:
Fe = Fe++ + 2eSulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica una
d ll due
delle
d reazioni
i i catodiche,
t di h secondo
d la
l presenza o meno di ossigeno:
i
Reazione catodica con ossigeno:
1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OHReazione catodica senza ossigeno:
2 H2O + 2e- = H2 + 2OHFrancesco Iacoviello
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Cenni di corrosione
Na+
Cl-
Na+
OH-
Fe2+
Ferro
Cl-
Rame
anodo
d
catodo
La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nel
caso di corrosione generalizzata,
generalizzata è esprimibile dalla densità di corrente elettrica
(A/m2) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell’anodo
nell’unità di tempo e di superficie (mg/dm2 giorno) o di perdita di spessore
d ll’ d nell’unità
dell’anodo
ll’ i à di tempo (mm/anno).
(
/
)
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Cenni di corrosione
Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare
Platino
Oro
Argento
Titanio
Acciaio inossidabile passivo
Leghe di Ni
Rame
Acciaio inossidabile attivo
Acciaio al carbonio
Alluminio
Zinco
Magnesio
La corrosione si manifesta anche in p
presenza di un solo metallo g
grazie alla
formazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche che
cambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio.
Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo.
metallo
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Cenni di corrosione
Corrosione galvanica Corrosione uniforme
C
Corrosione
i
l li
localizzata
C
Corr.
sotto schermo
h
Pit
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crevice
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Cenni di corrosione
Metodi di protezione contro la corrosione
• Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla velocità di corrosione. In
tale categoria possono essere ricordati:
- ll’impiego
impiego degli inibitori;
- l’impiego dei rivestimenti;
-in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo viene portato nelle
sue condizioni
di i i di passivazione,
i i
ovvero riesce
i
a formare
f
uno strato
t t uniforme,
if
sottile,
ttil
compatto, ed aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo.
• Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il metallo in condizioni
di immunità. Si possono citare in tale categoria:
- la scelta del metallo;
- la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo nella sua zona di
immunità.
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Cenni di corrosione
Impiego di rivestimenti
Si possono distinguere:
• Rivestimenti metallici, ottenuti per:
- elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...)
- immersione (Zn,
(Zn Sn,
Sn Al)
- diffusione di un elemento di lega (Zn, Al)
- placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per
diffusione) Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili,
diffusione).
inossidabili ottone,
ottone
nickel, cupro-nickel, rame, ... .
• Rivestimenti non metallici
- ppitture,, vernici contenenti eventualmente degli
g inibitori di corrosione;;
- smalti, vetri;
- materie plastiche, gomme;
- fosfatazione;
- ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg).
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Cenni di corrosione
Corrosione degli acciai inossidabili
Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristica
resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivo
ppassivante legato
g
alla p
presenza del Cr. Diversi sono i p
parametri che influenzano
la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili:
• acidità del mezzo aggressivo (pH);
• tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-);
• potere ossidante della soluzione aggressiva;
• temperatura.
Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendente
dalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme di
corrosione localizzata:
•Vaiolatura (pitting);
•Corrosione cavernosa;
•Corrosione sotto sforzo;
•Corrosione intergranulare
Francesco Iacoviello
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Cenni di corrosione
Vaiolatura
Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre
seguenti condizioni:
•Ambiente ossidante
•Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-)
•Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile)
Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in
acqua di mare (ambiente
( bi t ossidante
id t contenente
t
t ioni
i i Cl-)
Corrosione cavernosa
Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del pH e
la presenza degli ioni Cl- giocano un ruolo importante.
Corrosione sotto sforzo
La corrosione sotto sforzo avviene ogni
g q
qual volta si hanno degli
g sforzi ((esterni,,
residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici ...) in presenza di
ambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in queste
condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante,
importante mentre gli acciai
inossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione
σ
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σ
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Cenni di corrosione
Corrosione intergranulare
Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo,
corrosivo il metallo deve subire un processo
di sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature comprese
fra 500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromo
d l tipo
del
ti Cr
C 23C6. Nel
N l caso questa
t precipitazione
i it i
sia
i molto
lt spinta
i t sii può
ò avere una
depassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzo
aggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone
sensibilizzate
ibili
nell caso di saldatura
ld
di acciai
i i inossidabili
i
id bili
I rimedi sono:
• Solubilizzazione dei carburi p
precipitati
p
((1000°C);
);
• Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%)
• Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento di
stabilizzazione (permanenza a 885
885°C
C per due ore,
ore quindi raffreddamento in aria) in
modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo.
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Cenni di corrosione
Corrosione generalizzata
g
Corrosione intergranulare
Attacco in corrispondenza di
giunto saldato
Vaiolatura
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Acciai inossidabili
Cricche transgranulari
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Cricche intergranulari
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