dimensionamento saldature

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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



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




ha

P

ha

F

2==t^

22 PFPF ==

ha

P

ha

F

2==s^

P

FF

h

2 cordoni

ECM - Saldature12



ECM - Saldature 23




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




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



ECM - Saldature 25




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



F

FL

2 cordoni

Meh


Lah

M

La

F e==t//

hMFMFh e==

Lah

M

La

F e==t//

ECM - Saldature14



ECM - Saldature 27




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



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



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



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



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 ,

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